«Копировать», «вставить»: какие возможности подарит миру редактирование генов

Вмешаться в геном биологи пытались задолго до возникновения генной инженерии как науки. Однако в основу метода легло успешное клонирование первого гена в 1972—1973 годах. Ученые поняли, что гены можно переносить из одного организма в другой, улучшая их качественные характеристики, и за несколько десятилетий совершили открытия, о которых раньше писали только фантасты.

Принцип работы геномного редактора

CRISPR/Cas9 — одно из ключевых достижений последних лет. Это «молекулярные ножницы», благодаря которым можно «вырезать» неугодный нам по какой-то причине ген. Если необходимо привить организму новые свойства, можно подсунуть клетке дополнительный фрагмент ДНК.

При редактировании генома биоинженер способен контролировать, куда будет встроена ДНК-конструкция, и, вырезая нежелательный ген, вносить один-единственный разрыв. Это позволяет избежать возникновения вероятных мутаций, что не всегда гарантировалось при использовании технологий генной инженерии первого поколения.

С помощью этой системы мы получаем качественно улучшенные трансгенные растения и генно-модифицированных животных, экономя при этом ресурсы, и делаем первые шаги в решении серьезных медицинских задач. Например, в будущем методика позволит предупреждать наследственные заболевания.

Работаем над ошибками эволюции

В 2017 году с помощью CRISPR/Cas9n китайские биологи вывели коров, устойчивых к туберкулезу крупного рогатого скота. В определенные клетки коров ученые вставили нужный ген и изъяли ядра этих клеток, чтобы уже в лабораторных условиях вырастить их до эмбрионов и пересадить снова животному. Ученые добились успеха — никаких нежелательных мутаций и других дополнительных изменений генома. Все 11 генно-модифицированных телят родились с повышенной сопротивляемостью к возбудителю заболевания.

Геномный редактор помог и поросятам. В ходе эволюции свиньи утратили устойчивость к морозам. Со временем у них отпала необходимость в белке термогенине, который ответственен за преобразование энергии в тепло. И сейчас для поддержки комфортной температуры тела в холодный период года свиньям требуется человеческая забота. Для людей обогрев только что родившихся поросят — это дополнительные расходы на электроэнергию, причем немалые. С помощью CRISPR/Cas9 ученые смогли отредактировать геном, вернув поросятам утраченный термогенин. Теперь поросят можно называть «морозоустойчивыми».

Всё для людей будущего

Генно-модифицированные свиньи рассматриваются учеными и в качестве доноров органов для человека: их ДНК достаточно схожа с ДНК людей, органы примерно такие же по размерам, и нет никаких сложностей в разведении этого животного. В прошлом году американские ученые модифицировали геном свиньи, избавившись от ретровируса и получив 37 здоровых поросят. Подобные вирусы были главным препятствием на пути к активному использованию животных в ксенотрансплантации.

Конечно, ученым приходило в голову опробовать CRISPR/Cas9 и на человеческих эмбрионах, но разрешение на такое исследование получили только в 2015 году. Первыми оказались китайские генетики. Впрочем, результаты их эксперимента оказались недостаточно эффективными: только в 4 из 28 зародышей здоровая копия гена заменила исходную. Больших успехов на этом поприще добились американцы: в 2017 году с помощью CRISPR/Cas9 у эмбрионов исправили «сломанный» ген, ответственный за развитие кардиомиопатии (поражение сердечной мышцы).

CRISPR/Cas9 дает возможность ученым строить более точные прогнозы и усиливать эффект лечения. В 2016 году состоялся дебют по редактированию генома взрослого человека с онкологическим заболеванием. Когда рак легкого пустил метастазы и уже не поддавался обычным методам лечения, генетики ввели пациенту его же Т-лимфоциты. Предварительно из них был удален ген, подавляющий клеточный иммунитет. Испытание прошло успешно, и это дает надежду, что не за горами совершенно новый эффективный способ борьбы с раком при помощи модифицированных клеток.

В конце прошлого года американцы одобрили применение препарата для генной терапии «Лукстурна», призванного вылечить редкую разновидность слепоты. Мутация гена — причина недостаточного поступления в клетки сетчатки белка, что со временем может привести к полной утрате зрения. Производители «Лукстурны» нашли выход: с помощью вируса «правильный» ген доставляется в клетку сетчатки, белок начинает поступать в нужном количестве, и зрение восстанавливается.

Вдохновляют и результаты проведенной в США генной терапии для детей со спинальной мышечной атрофией, редким генетическим заболеванием. После введенной инъекции у 15 испытуемых с подобным заболеванием не только увеличилась продолжительность жизни, но и появились явные признаки улучшения состояния. В ноябре 2017 года стало известно об удачной пересадке кожи мальчику, больному буллезным эпидермолизом. Раньше он страдал от образования пузырей на коже и слизистых. Успех оказался возможным благодаря трансгенной коже, которая была выращена биологами из Италии и Германии на основе клеток пациента.

Половина из 32 000 известных патогенных точечных мутаций у людей может быть исправлена улучшенной Дэвидом Лю из Гарварда технология CRISPR.

Методы генной инженерии продолжают совершенствоваться, и примером тому служит улучшенная Дэвидом Лю из Гарварда технология CRISPR. Как посчитали ученые, половина из 32 тысяч известных патогенных точечных мутаций у людей может быть исправлена этим единственным преобразованием.

Что дальше?

В 2018 году была разработана альтернатива CRISPR — новый тип клеточного штрихкода MAGESTIC.

Традиционно исследователи использовали маленькие кусочки кольцевой ДНК, известные как плазмиды, чтобы отслеживать созданные мутации в каждой клетке. В теории плазмиды должны действовать почти как черно-белый штрихкод, используемый для отслеживания товара на кассе. Но, в отличие от принципа «один штрихкод для одного товара» на кассе, штрихкодов плазмид может быть от 10 до 40 в каждой клетке. Это мешает точности замеров.

В MAGESTIC же штрихкоды интегрируются в хромосомы, что делает их стабильными. Впоследствии их легко отслеживать и считать. Система MAGESTIC оказалась эффективнее CRISPR в семь раз и позволяет снизить вероятность возникновения мутаций при вмешательстве в геном.

Уже сегодня очевидно, что за современными технологиями вроде MAGESTIC будущее медицины и сельского хозяйства. С каждым годом появляются всё более точные и надежные способы редактирования, а футуристы строят смелые прогнозы о возникновении индустрии детей на заказ. Как бы там ни было, геномное редактирование — это способ не только обеспечить человечество качественными продуктами питания и донорами органов, исправить опасные мутации и избежать наследственных заболеваний. Возможно, мы в принципе избавимся от болезней, включая инфекционные. Это надежда сохранить вымирающие виды животных и растений, а в перспективе даже открыть секрет долголетия.