Когда-то настоящей революцией в медицине стало открытие первых антибиотиков, позволивших в будущем спасти жизни сотням тысяч людей. Или возможность использовать энергию лазерного излучения в лечебных целях – в наше время это уже практически обыденность. Еще недавно диагнозы «рак» и «ВИЧ» звучали как окончательный приговор, а сейчас людям доступно полное излечение от первого и долгая жизнь со вторым. Различные виды терапий и медикаментозного лечения, сложнейшие операции и трансплантация органов – все это прочно вошло в арсенал современной медицины.
Но кардинально новым витком ее развития по праву можно считать расшифровку генома человека.
Генетика и геномика
О генетике всем нам известно со школьных уроков биологии. Решая задачки о сортах гороха, окрасе шерсти мышей или цвете глаз родителей, мы узнавали о закономерностях наследственности и изменчивости, доминантных и рецессивных генах, ДНК и РНК, генотипе и фенотипе. По сути, мы шли тем путем, который проходило человечество в изучении этого вопроса. Ведь все когда-то началось едва ли не с того, что чей-то пытливый ум подметил внешнюю схожесть потомков одного рода. Но долгое время тот факт, что дети похожи на своих родителей, воспринимался, как данность. А, например, схожие симптомы болезней, которые проявлялись из поколения в поколение в одной и той же семье и нередко становились причиной смерти – современный человек сразу увидел бы в этом серьезное наследственное заболевание, – и вовсе могли посчитать родовым проклятьем. Но все же даже несколько столетий назад были те, кто пытался если не проанализировать, то хотя бы проследить и описать подобные закономерности.
Серьезным шагом для генетики как науки стало развитие сельского хозяйства. Человек, еще не совсем понимая, почему так происходит, на практике столкнулся с тем, что свойства и признаки потомства напрямую зависят от характеристик родительских особей. Так были заложены основы селекции: отбирая и скрещивая лучших потомков, люди сначала создавали родственные группы и линии, потом – породы и сорта. И пусть такие практические занятия нельзя считать полноценным фундаментом для научной дисциплины, повышенный интерес к такому явлению, как наследственность, они все же вызвали.
Нередко говорят, что генетика началась вместе с ХХ веком, весной 1900 года, и связывают это с именами Хуго Де Фриза (Нидерланды), Карла Корренса (Германия) и Эриха Чермака-Зейзенегга (Австрия). Не умаляя значимости работы этих ученых, все же отметим, что все их открытия были бы невозможны без гениального австрийского биолога Грегора Иоганна Менделя, который и стал основоположником учения о наследственности. Сформулированные им в 1865 году закономерности передачи признаков по наследству – изначально не вызвавшие интереса коллег, а ныне известные как «Законы Менделя» – не только составили основу трудов Де Фриза, Корренса и Чермака-Зейзенегга, но и стали первым шагом на пути к современной генетике.
Модельные организмы
Изначально изучение наследования проводилось на примере самых различных организмов. Однако ученые поняли, что целесообразнее делать это на определенной группе. Модельными было принято считать те организмы, по которым была накоплена обширная база научных данных, у которых наблюдается быстрая смена поколений и которых легко содержать в лабораторных условиях. Со временем некоторые виды живых организмов стали основными для генетических исследований: бактерия кишечная палочка (Escherichia coli), растение резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), пекарские дрожжи (Saccharomyces cerevisiae), нематода (Caenorhabditis elegans), плодовая муха (Drosophila melanogaster) и обычная домовая мышь (Mus musculus).
Спустя век из нее был выделен самостоятельный раздел – геномика, – посвященный изучению генома и генов живых организмов. Это направление всегда интересовало ученых, но его развитие стало возможным лишь благодаря техническому прогрессу, в частности – появлению более мощной вычислительной техники, которая позволила работать с огромными массивами данных.
В 1990 году, под руководством Джеймса Уотсона, лауреата Нобелевской премии по физиологии и медицине, и под эгидой Национальной организации здравоохранения США, стартовал международный научно-исследовательский проект по расшифровке генома человека. Своей целью он преследовал идентификацию 20–25 тыс. генов в человеческом геноме. Проект был рассчитан на 15 лет и объединил ученых со всего мира.
Ген и геном
Ген – структурная и функциональная единица наследственности живых организмов – определяет те признаки, которые передаются от родителей потомству. В настоящее время в молекулярной биологии установлено, что гены представляют собой участки ДНК, несущие какую-либо целостную информацию – о строении одной молекулы белка или одной молекулы РНК. Эти и другие функциональные молекулы определяют развитие, рост и функционирование организма.
Геном человека – совокупность наследственного материала, заключенного в клетке – состоит из 23 пар хромосом (в сумме – 46), где каждая хромосома содержит сотни генов, разделенных межгенным пространством. По результатам проекта «Геном человека», количество генов в геноме человека составляет около 28 тыс.
Рабочий черновик структуры генома появился в 2000 году. В 2003-м были официально опубликованы результаты исследования и полный геном человека. Правда, ученые отметили, что дополнительный анализ некоторых его участков не закончен, так что работа еще продолжается. Но основная цель проекта была достигнута. Дальше началась интерпретация полученных данных. Их исключительное значение лучше всего иллюстрирует цитата из отчета, предшествующего запуску проекта: «Знание человеческого генома так же необходимо для прогресса медицины и других наук о здоровье, как знание анатомии было необходимо для достижения ее нынешнего состояния». В оценке важности своей работы ученые не ошиблись.
Возможность использования полученных результатов на практике стала понятна еще до официального завершения проекта. Рядом компаний были предложены простые способы проведения генетических тестов, которые смогли бы определить предрасположенность человека к тем или иным заболеваниям. В их числе называются нарушения свертываемости крови, кистозный фиброз, болезни печени. Но главное – полученные данные могут помочь поиску причин возникновения рака и болезни Альцгеймера.
Начало ХХI века было ознаменовано активным внедрением достижений геномики в медицинскую практику.
Генетическая инженерия и генотерапия
Упомянутый международный научно-исследовательский проект по расшифровке генома человека заслуживает отдельного рассказа. Тем более что работы в данном направлении велись не только в его лабораториях, но и некоторыми другими компаними. Так, в 1998 году американский генетик и бизнесмен Крейг Вентер и его компания Celera Genomics запустили аналогичное исследование. Финансирование было частным и заметно уступало официальному проекту с поддержкой на государственном уровне – 300 млн. долларов против 3 млрд. Однако Вентер утверждал, что существует возможность удешевить все работы по расшифровке генома человека и при этом еще и получить результат в более короткий срок.
В научных кругах Вентер слывет авантюристом, но при этом многие признают его лидерство в области самых радикальных и перспективных направлений современной генетики и синтеза искусственной жизни. Изначально проект компании Celera Genomics задумывался как коммерческий, но в 2000 году президент США Билл Клинтон заявил, что последовательность генома не может быть запатентована и должна оставаться доступной для всех исследователей. Так что все наработанные Celera Genomics данные были включены в общую базу под названием GenBank, поддерживаемую Национальным центром биотехнологической информации США и доступную на безвозмездной основе исследователям всего мира.
Но как бы то ни было, ведение параллельно двух больших проектов создало здоровую конкуренцию между ними, и многие считают, что именно она поспособствовала тому, что цели официального исследования были достигнуты раньше намеченного срока. Кроме того, все это способствовало быстрому развитию такого направления, как генетическая терапия.
Генотерапия представляет собой совокупность достижений геномики, генетической инженерии и медицины. Эта область является одной из самых молодых и инновационных, ведь предполагает внесение изменений в генетический аппарат клеток человека. Еще недавно о подобном не то что не мечтали, но даже не воспринимали как потенциальную возможность. Генетическую инженерию рассматривали, по большей части, как альтернативу традиционной селекции, например, для получения новых сортов зерновых культур, устойчивых к засухе или вредителям. Хотя всегда находились ученые, которые прогнозировали генетической инженерии великое светлое будущее. Ведь именно она могли стать спасением для людей с наследственными заболеваниями.
Со временем поле применения генотерапии – по крайней мере, теоретически – расширилось. Сейчас ученые и врачи рассматривают ее как возможный универсальный подход к лечению огромного количества заболеваний – начиная от наследственных, генетических и заканчивая инфекционными. Существуют данные, что первые попытки применить генотерапию для лечения синдрома тяжелого комбинированного иммунодефицита (SCID) у детей были предприняты еще в 90-х годах ХХ века. К сожалению, в процессе выяснилась возможность серьезного осложнения – лейкоза. Испытания пришлось остановить. Но ведь это были лишь первые шаги, причем сделанные практически вслепую – проект по расшифровке генома человека тогда еще только стартовал и множеству открытий в данной области еще только предстояло случиться.
С началом 2000-х развитие геномики и генотерапии пошло быстрее. В 2003 году команде Калифорнийского университета удалось перенести гены в нейроны головного мозга – на основе предложенной ими технологии началась разработка метода генотерапии болезни Паркинсона. В 2006-м прошла первая демонстрация успешной борьбы с метастазирующей меланомой у двух пациентов. В 2009-м генотерапия была применена для улучшения состояния больных ВИЧ и SCID. В 2011 году появилась информация о полном излечении пациента от ВИЧ.
В качестве яркого примера применения геномики в медицине можно привести случай с нетипичным раковым заболеванием у 39-летней женщины, страдавшей острой формой промиелоцитарной лейкемии. При стандартных формах диагностики заболевание выявлено не было. А вот расшифровка и анализ генома раковых клеток показали, что крупный участок 15-й хромосомы переместился на 17-ю, что и вызвало определенное генное взаимодействие. В результате женщина получила необходимое ей лечение.
Ребенок на троих
Ученые утверждают, что совсем скоро на свет могут появиться дети, в зачатие которых будут участвовать не два родителя, а три. Для их зачатия будут использованы яйцеклетки двух женщин и биологический материал одного мужчины. Эта технология позволит противостоять смертельным заболеваниям, возникающим по причине изменений ДНК (передаются по женской линии). Появление таких болезней вызывается изменением в митохондрии – доле клетки, отвечающей за энергетический потенциал. По статистике, на 6,5 тыс. новорожденных приходится примерно один с митохондриальным недугом. Подобное заболевание может привести к слепоте, дистрофии мышечных тканей, а в иногда и смерти из-за остановки сердца.
Правда, эта инновация потребует изменения в законодательстве – ведь у малыша, генетически, будет один отец и две матери.
Но чем большее развитие получала геномика, тем о больших достижениях мечтала и генотерапия. Скрупулезный анализ человеческого генома уже привел к тому, что ученые знают о существовании в нем сотен мутаций, приводящих к развитию различных тяжелых заболеваний. Но знать еще не значит иметь возможность изучить или – что на порядок сложнее и важнее – изменить положение дел. Но прицел на новую вершину – редактирование генома – уже был сделан.
В 2013 году на VI Ежегодном международном симпозиуме «Актуальные вопросы генных и клеточных технологий» был презентован новый метод генотерапии: «Генно-инженерная конструкция на основе вируса встраивается в геном клеток пациента и замещает неработающий ген. Однократная серия внутримышечных инъекций позволяет осуществить замену дефектного гена на его рабочую копию, в результате болезнь отступает». Такой вид лечения уже назван «генной хирургией» или «хирургией без скальпеля».
Именно за редактированием генома видят будущее многие ученые и медики. Ведь подобный метод не просто борется с симптомами заболевания, а производит своеобразную «перезагрузку» организма пациента, в результате которой неработающие или мутировавшие гены заменяются на здоровые.
Такой подход был использован специалистами по биомедицинской инженерии из Университета Дьюка (США) для лечения достаточно распространенного наследственного заболевания – мышечной дистрофии Дюшенна. В среднем, она встречается у 1 из 3,6 тыс. новорожденных мальчиков. При этом заболевании организм не может вырабатывать белок под названием дистрофин, который крайне важен для поддержания структурной целостности мышечных волокон. Со временем у пациентов ухудшается состояние мышц, что в итоге – в возрасте приблизительно 25 лет – приводит к параличу и даже смерти. В арсенале генотерапии уже существовал подход к борьбе с этим недугом: пациентам добавлялся новый генетический материал, призванный «перекрыть» поврежденный ген. Однако исследователи опасались, что это может вызвать непредвиденные осложнения или что достигнутый эффект будет недолговременным. Метод, предложенный специалистами из Университета Дьюка, со слов самих разработчиков, «позволяет найти ген с дефектом, устранить в нем неполадку, в результате чего он может снова начать вырабатывать функциональный белок». Проект был поддержан фондами Hartwell Foundation и March of Dimes Foundation, а также Национальными институтами здравоохранения.
Все это стало возможным благодаря революционной технологии – специальным ферментам TALEN, открытие которых, по версии одного из самых авторитетных научных журналов Science, относится к числу наиболее важных открытий 2013 года. Суть в том, что эти ферменты могут связываться с дефектным геном и вносить корректировку в мутацию, чтобы создать нормально функционирующий ген.
Следующий шаг сделали молекулярные биологи из Калифорнийского университета. Разработанная ими методика позволяет удалять, вставлять и заменять сверхкороткие участки в человеческой ДНК – вплоть до одной «буквы». Ученые создали особый флуоресцентный белок, способный находить единичные мутации в ДНК человека и прикрепляться к ним, тем самым как бы «подсвечивая» поврежденные клетки. Затем в дело вступает TALEN, который «вырезает» тот фрагмент генома, который обозначен белком, и «вставляет» на его место исправную ДНК. Такой подход позволяет менять даже единичные «буквы» кода и при этом использовать низкие концентрации TALEN, что также повышает точность редактирования генома.
Основные принципы методики были опубликованы в начале этого года в журнале Nature Methods. А сами ученые так прокомментировали свое открытие: «Многие самые губительные болезни человека вызываются крайне небольшими изменениями в геноме. Мы надеемся, что наша методика, которая позволяет смотреть на человеческий геном как на набор строчек кода компьютерной программы, в скором времени позволит нам «откатывать» эти мутации и, по своей сути, чинить поврежденный генетический код».
И пусть многие из инновационных разработок похожи на кадры из фантастического фильма, а сама возможность редактирования генома человека может столкнуться с рядом этических проблем, стоит пожелать удачи всем, кто трудится на этом поприще. Ведь «прогресс» в переводе с латинского обозначает «движение вперед». И только от человека зависит, как будут использованы достижения геномики – во вред или во благо ему самому.
