Создание сверхчеловека. Что не так с редактированием человеческих генов

Что такое революционная система CRISPR\Cas 9 и как она работает? Что мешает ученым редактировать «плохие» гены человека? Какие перспективы у геномного редактирования? Fishki собрал ключевые факты по теме.

Редактирование генома: как это работает?

В вечной войне бактерий и вирусов паритет сил обеспечивает супер-оружие: иммунная система бактерий умеет редактировать геном своих противников.

Человек тоже пытается им пользоваться. Так, система CRISPR\Cas 9 - так называется технология редактирования геномов организмов, которая базируется на иммунной системе бактерий - обещала человечеству революцию в медицине и сельском хозяйстве.

Как работает система CRISPR\Cas 9?

CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) - это повторы в геноме бактерии. Они чередуются с участками-«досье» на все вирусы, которые встречала и эта бактерия, и ее предки. При вирусной атаке бактерия находит в своей картотеке информацию, разрезает ДНК врага, уничтожая ее, а участок ДНК, нужный в дальнейшем, как трофей, заносит в свою картотеку.

Однако то, что с легкостью удается бактериям, оказывается не под силу человеку. Избавить пациентов от генетических заболеваний, «вырезав» вредные мутации, мешает не только несовершенство самой технологии геномного редактирования, но и проблемы в законодательстве. А главное - прорывная технология встречает немало противников среди экспертов по биоэтике и самих ученых.

Пересадка органов и супер-животные. На что надеялись ученые

Завершение проекта «Геном человека» в 90-е годы создавало впечатление, что до открытия панацеи рукой подать. Разработка в 2012-2013 годах «генетических ножниц», технологии CRISPR\Cas9, добавила энтузиазма. Все были уверены, что биология, медицина, сельскохозяйственные технологии вот-вот изменятся кардинально.

В первую очередь станет возможным раз и навсегда излечивать моногенные заболевания, причина которых – мутация в одном гене. Например, спинальную мышечную атрофию, муковисцидоз, фенилкетонурию.

Во-вторых, CRISPR\Cas9 открыла второе дыхание ксенотрансплантации (трансплантация органов от одного биологического вида другому). Проблему нехватки донорских органов в Великобритании и США планируют решать с помощью органов животных. Трансплантировать пациентам сердца свиней, генномодифицированные таким образом, чтобы иммунная система реципиента не отвергала их.

Редактирование генома предрекало и революцию в сельском хозяйстве. Предполагалось, что трудоемкие методы селекции будут забыты, нужный ген можно будет встраивать мгновенно и получать новую сверхмолочную или сверхмясную породу скота за считанные месяцы.

Все эти планы разбились о реальность: супероружие бактерий в руках человека практически не работает.

Что не так с системой редактирования генома

Геном человека состоит из кодирующих и некодирующих участков, выяснить функции которых еще предстоит. Расшифровать последовательность нуклеотидов генома - еще не значит понять, что эта последовательность означает. Функции всех генов изучены плохо. Генетики сейчас напоминают географов периода великих географических открытий: и те, и другие смотрят на карту, покрытую белыми пятнами. Геном работает только как единое целое и, внося изменения в один участок, нельзя предсказать, как это отразится на геноме в целом.

Оказалось, что разрезать ДНК в нужном месте – задача не из простых. «Ножницам», то есть нуклеазе, ферменту, разрезающему цепочки ДНК, необходимо точно указать место, где резать. Для этого ученые синтезируют направляющую РНК. Последовательность ее нуклеотидов должна точно совпасть с нужным участком в редактируемой ДНК. Но в геноме – три миллиарда нуклеотидов, и схожих участков такое количество, что подбор направляющей РНК иногда превращается в лотерею.

Неудивительно, что ДНК разрезается не там, где надо. Где появится разрез, нельзя даже предположить. Невозможно предугадать и чем обернется мутация случайно задетых генов: запустит опухолевый процесс или станет причиной нового наследственного заболевания.

Научная группа Колумбийского университета одной из первых заявила о такой опасности. В 2017 году их аргументы показались неубедительными. Но затем целый ряд научных команд по всему миру получил схожие результаты. Вскоре генетики Колумбийского университета представили убедительные доказательства опасности: они оценили эффект применения CRISPR/Cas9 на стволовых клетках мышей и эпителиальных клетках сетчатки глаза человека. Результат: «генетические ножницы» внесли изменения в несколько тысяч пар оснований вдали от нужного участка. Вывод однозначный: такая генная терапия может оказаться смертельно опасной для пациентов.

К чему приводят «опечатки» в ДНК

Разрезать ДНК – это значит создать в клетке чрезвычайную ситуацию. Она мгновенно включает механизмы репарации – ремонта. По идее, именно в этот момент ученым и надо подсунуть свой «строительный материал» - ген без мутации. Но в большинстве случаев клетка его как будто бы не замечает.

Научные группы сообщают об эффективности редактирования в 1-5%. Это означает, что в клеточной культуре ген без мутации встраивается только в 1-5% клеток. В Медико-генетическом научном центре им. академика Н.П. Бочкова ищут способы отредактировать одну из более чем сотни мутаций, ведущих к муковисцидозу.

По задумке российских ученых, в будущем процедура лечения муковисцидоза, причина которого именно в этой мутации, должна выглядеть так: у пациента берут клетки кожи, превращают их в стволовые, в них исправляют мутацию, перепрограммируют в клетки легких и возвращают пациенту. Но это в будущем, а сейчас слишком низкий процент клеток с исправленной мутацией заставляет применять клеточную селекцию (выбирать только отредактированные клетки из всей культуры), а это не позволяет лечить заболевание системно – слишком долгим и дорогостоящим получается процесс.

Однако на последних конференциях специалисты лаборатории геномного редактирования сообщали, что им удалось добиться эффективности в 7% - это большой шаг вперед. Для лечения муковисцидоза достаточно «отредактировать» около 20% клеток. Но и к этому показателю придется идти не один год.

Причина низкой эффективности в том, что клетки млекопитающих восстанавливают разрывы ДНК не так, как бактерии. У млекопитающих включается другой механизм, при котором теряются нужные буквы-нуклеотиды или вставляются ненужные. Такие «опечатки» в ДНК грозят серьезными проблемами со здоровьем.

Помочь повысить эффективность редактирования может недавно открытый белок TIRR. Он заставляет клетку восстанавливать разрыв ДНК так, как это делают бактерии: обмениваться последовательностями между схожими или полностью одинаковыми молекулами ДНК. Но эксперименты с этим белком еще в самом начале.

Морально-этические проблемы геномного редактирования

История XX века убедительно доказала, что человеческая жизнь должна цениться сама по себе. Успешность применения генной терапии для лечения ВИЧ, лейкоза, бокового амиотрофического склероза (правда, пока только у мышей), подтолкнула некоторых биологов поторопиться с применением технологии на человеческих эмбрионах. Это заставило усомниться в том, что уроки истории XX века хорошо усвоены.

Редактирование неполовых, соматических клеток, сродни новым лекарственным препаратам: взрослый пациент осознает все риски эксперимента и принимает их. Редактировать эмбрион – значит вмешиваться в геном будущих поколений, чье согласие получить просто невозможно. Эксперименты на человеческих эмбрионах заставили вновь поднять вопрос о статусе эмбриона: с какого момента он должен становиться полноправным участником правоотношений? Где заканчиваются права родителей и начинаются права ребенка?

В 1997 году Совет Европы принял Конвенцию о биоэтике, которая получила силу закона в странах, ратифицировавших ее. Россия и Китай не вошли в их число. Статья 13 Конвенции «Вмешательства в геном человека», гласит: «Вмешательство в геном человека, направленное на его модификацию, может быть осуществлено лишь в профилактических, диагностических или терапевтических целях и только при условии, что оно не направлено на изменение генома наследников данного человека».

Страны, подготовившие свое законодательство к развитию генной инженерии, можно пересчитать по пальцам. Так Великобритания после долгих споров разрешила геномное редактирование эмбрионов, однако после 14 дней эксперимент прерывается. Проблему, откуда взять эмбрионы человека, если их создание для научных целей строжайше запрещено, решили просто: их жертвуют пары, проходящие процедуру ЭКО. Эти исследования уже помогают приблизиться к решению проблемы бесплодия.

Сегодня стоит вопрос, какой барьер удастся преодолеть первым: технологический или законодательный.

На смену системе CRISPR\Cas9 приходят другие, более совершенные. В поисках методов повышения эффективности редактирования генов заинтересованы крупнейшие инвесторы. Как фармацевтические гиганты на Западе, так и фонды-грантодатели в России. Так, применение белка TIRR для исправления мутаций, ведущих к муковисцидозу, поддержал Российский фонд фундаментальных научных исследований. Развитие геномных технологий потребует серьезного пересмотра законодательства. И это препятствие не менее сложное, чем несовершенство научных методов.