Журнал Compass #15

ГЕННЫЙ РЕДАКТОР CRISPR Технологии редактирования генов открывают многообещающие перспективы

Выступающая в роли микроскопических ножниц технология редактирования генов, получившая название CRISPR, дарит ученым возможность отрезать ту часть генетического кода, которая отвечает за многие наследственные заболевания. Однако после начала клинических испытаний на людях в США и Китае энтузиазм немного угас по причине непрогнозируемости долгосрочных последствий для эволюции.

Представьте себе мир, в котором ужасные наследственные заболевания, включая муковисцидоз и гемофилию, можно вырезать из генетического кода ребенка с той же легкостью, с которой происходит редактирование текста в редакторе Word. Или при помощи той же технологии создать устойчивую к засухе пшеницу.

Хотя сама идея больше смахивает на научную фантастику, генные технологии подобного уровня становятся проще благодаря процессу, получившему сокращенное название CRISPR, в переводе с английского «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Появившаяся не более десятка лет назад методика редактирования генов CRISPR стремительно покорила научный мир, и сейчас многие эксперты признают ее величайшим достижением медицины после вакцин и антибиотиков.

«CRISPR – чрезвычайно мощный инструмент», говорит Кристиан Лаурсен, датский исследователь в области фармакологии в медицинском колледже Weill Cornell Medical College, Нью-Йорк. «Технология позволяет нацеливаться на конкретные сегменты генома и гораздо проще в использовании, чем прежние громоздкие системы».

CRISPR – скорее открытие, чем изобретение. Как выяснилось, многие одноклеточные бактерии обладают иммунной системой, содержащей повторяющиеся сегменты ДНК. Между идентичными повторениями находятся короткие сегменты «спейсерной ДНК», которые соответствуют ДНК ранее встреченных вирусов, что позволяет бактерии распознать и защититься от последующих атак. Как только ранее подвергавшаяся воздействию бактерия встречается с вирусом, последовательность действует подобно крошечным ножницам и обрезает ее.

ИСПЫТАНИЯ CRISPR НА ЛЮДЯХ

Используя эти знания, Дженнифер Дауда, профессор биохимии и молекулярной биологии в Калифорнийском университете, Беркли, и Эммануэль Шарпентье, микробиолог и директор отделения регулирования в биологии инфекционных заболеваний в Институте Макса Планка, Берлин, пришли к выводу, что, в случае добавления фермента, названного ими Cas9 (связанный с CRISPR белок 9), а также ряда управляющих белков, появляется возможность направлять эти крошечные ножницы в нужное место любого генома и вырезать одну часть гена.

По прошествии всего пары лет CRISPR стали использовать для редактирования генома растений, животных и даже людей. Один из примечательных экспериментов с использованием CRISPR заключался в получении образцов замерзшей ДНК шерстистого мамонта, вымершего 4000 лет назад, и использовании слонихи в качестве суррогатной матери для возрождения этого вида сценарий, живо напоминающий фильм «Парк Юрского периода».

«CRISPR ЧРЕЗВЫЧАЙНО МОЩНЫЙ ИНСТРУМЕНТ. ОН ГОРАЗДО ПРОЩЕ В ИСПОЛЬЗОВАНИИ, ЧЕМ ПРЕЖНИЕ ГРОМОЗДКИЕ СИСТЕМЫ».

КРИСТИАН ЛАУРСЕН ИССЛЕДОВАТЕЛЬ-ФАРМАКОЛОГ, WEILL CORNELL MEDICAL COLLEGE

Теперь же ученые делают первые попытки использовать CRISPR применительно к человеку. В июле 2016 года китайские ученые из Чэнду объявили о своих планах по использованию технологии CRISPR для лечения рака легких у пациентов путем «выбивания» гена из T-клеток иммунной системы. Четыре группы других ученых в Китае уже редактировали геном человека, пусть и в стадии эмбриона, не имеющего шансов на рождение.

Тем временем Консультативный совет по рекомбинантной ДНК Национального института здравоохранения США (NIH) в июне 2016 года объявил о выданном разрешении на использование технологии CRISPR/Cas9 для редактирования двух генов в Т-клетках иммунной системы, чтобы заставить их атаковать раковые заболевания, включая миелому, меланому и саркому.

НЕПРИЯТНЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

И все же некоторые ученые имеют другую точку зрения на эксперименты с людьми.
«Хотя применение новых технологий редактирования генов в этой области способно в значительной степени улучшить здоровье людей, неприятные опасения все равно возникают», написала Кэрри Волинец, заместитель директора по научной политике NIH в 2016 году в блоге института «Под полископом: научная политика под прицелом».

Особую озабоченность при проведении таких экспериментов на живых людях вызывает возможность распространения любых изменений генома на будущие поколения, и даже столь незначительные изменения могут стать причиной глубоких и непрогнозируемых мутаций десятилетия спустя.

Еще одна очевидная проблема связана с тем, что из-за чрезвычайной простоты CRISPR (специалист по синтетической биологии Джосая Зайнер – один из многих, кто уже предлагает к онлайн продаже наборы бактерий для домашнего использования) террористы или злоумышленники могут воспользоваться технологией для создания чудовищных болезней, чтобы использовать их в качестве оружия.

Действительно, Джеймс Клаппер, директор национальной разведки США, включил редактирование генома в составленный им перечень «оружия массового поражения и распространения» в ходе ежегодного доклада «Оценка мировых угроз» для Конгресса США, сделанного в феврале 2016 года.

CRISPR И ПОВЫШЕНИЕ УРОЖАЙНОСТИ

На текущий момент ученые уверены, что наиболее практичным и выгодным использованием технологии CRISPR станет сфера сельского хозяйства. Поставщики семян уже экспериментируют с повышением урожайности, например, риса и пшеницы с помощью CRISPR, делая эти культуры более устойчивыми к вредителям и засухе.

Цайся Гао, сотрудница Института генетики и биологии развития при Китайской академии наук, сейчас работающая в Дании, отметила, что раньше использовался процесс мутагенеза – дозированная накачка растений химическими веществами или воздействие на них радиацией с целью форсировать генетические мутации, однако мутации могут затронуть тысячи участков генов. Естественно, принудительная мутация отнимала много времени и сил, прежде чем удавалось в точности добиться ожидаемого результата.

Еще одна вызывающая противоречия методика заключалась в создании трансгенных растений и животных, когда ген одного типа растения или животного пересаживался другому. Это вызвало яростные споры касательно безопасности генетически модифицированных организмов (ГМО), которые от критиков получили название «франкен-фуд».

Примером могут служить соевые бобы, которым вставили ген бактерии, чтобы повысить устойчивость к пестицидам, в результате чего фермеры смогли опылять поля для уничтожения сорняков без боязни повредить ГМО-урожай. Канадские ученые даже создали трансгенного атлантического лосося, который растет вдвое быстрее обычной рыбы благодаря вставленному гену гормона роста от чавычи.

В отличие от ГМО, говорит Гао, теперь ученые могут просто использовать CRISPR для целевой работы не просто с конкретным геном, а с одной частью этого гена, то есть с парой оснований, что снимает необходимость в трансплантации генов от других видов. По ее словам, с помощью редактора генов ей удалось поправить ген пшеницы, отвечающий за чувствительность к болезням, создав тем самым культуру, которая не подвержена заболеваниям.

«В будущем CRISPR станет общедоступным и полезным инструментом для модифицирования растений и животных, а также выращивания новых видов», прогнозирует Гао.

ЖИЗНЬ ПОСЛЕ CRISPR

Коммерческая выгода уже становится очевидна. Например, Инонг Янг, профессор кафедры патологий растений и экомикробиологии в Пенсильванском университете, с помощью CRISPR создал гриб, который при контакте с воздухом не темнеет.

Министерство сельского хозяйства США пришло к заключению, что этот гриб не попадает под нормы регулирования, поскольку не является растением, а относится к плесени, что автоматически сделало его первым организмом, который был создан с использованием технологии CRISPR и получил одобрение правительства США.

«Технически сельское хозяйство может стать масштабной сферой применения CRISPR, потому что вам не придется иметь дело с нецелевыми мутациями», говорит Янг. «Всегда можно вернуться и удалить лишние мутации».

Янг создал компанию, которая подала патентные заявки на рис и грибы с отредактированным CRISPR геномом. По его словам, изменение всего лишь нескольких пар оснований, а в гене их 3 000, снижает потребность риса в воде и удобрениях.

«В БУДУЩЕМ CRISPR СТАНЕТ ОБЩЕДОСТУПНЫМ И ПОЛЕЗНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАНИЯ РАСТЕНИЙ И ЖИВОТНЫХ, А ТАКЖЕ ВЫРАЩИВАНИЯ НОВЫХ ВИДОВ»

ЦАЙСЯ ГАО НАУЧНЫЙ СОТРУДНИК, ИНСТИТУТ ГЕНЕТИКИ И БИОЛОГИИ РАЗВИТИЯ КИТАЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

Одна из проблем CRISPR заключается в том, что удалить часть гена оказалось намного проще, чем вставить на образовавшееся место что-то новое.

«Эффективно заменять гены у растений все еще очень сложно», говорит Янг. В любом случае, положительные сдвиги наблюдаются и без замены обрезанного гена. Что касается людей, по оценкам некоторых ученых, изменение генов всего 10% клеток достаточно для излечения заболевания.

ПУТЬ ВПЕРЕД

В перспективе ученые, и Лаурсен среди них, уверены, что CRISPR позволит кардинально изменить подход к лечению болезней, причем не только наследственных, но и проблем, связанных с бактериями, выработавшими иммунитет к воздействию антибиотиков.

CRISPR можно использовать для создания вируса, который атакует бактерии и разрушает их иммунную защиту. Возможно, удастся и поправить ген человека, делающий его уязвимым к вирусу ВИЧ.

«ЭФФЕКТИВНО ЗАМЕНЯТЬ ГЕНЫ У РАСТЕНИЙ ВСЕ ЕЩЕ ОЧЕНЬ СЛОЖНО».

ИНОНГ ЯНГ ПРОФЕССОР КАФЕДРЫ ПАТОЛОГИЙ РАСТЕНИЙ И ЭКОМИКРОБИОЛОГИИ В ПЕНСИЛЬВАНСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Перспективы CRISPR огромны – от продления срока хранения фруктов до увеличения продолжительности жизни людей, ведь появилась возможность менять фундаментальный генетический набор практически любых растений и живых существ. Создаваемые на базе CRISPR технологии и методики продолжают развиваться, и на свет появляются альтернативные системы редактирования генома, а также новые ферменты.

Пойдут ли эти изменения нам на пользу или станут причиной дополнительных проблем – задача, которую предстоит решать ученым под настоятельным контролем регулирующих органов. ◆

автор статьи Charles Wallace Вернуться к началу страницы
автор статьи Charles Wallace

Противоречий вокруг альтернативных методик редактирования генов не стало меньше
http://3ds.one/GeneEdit