ГЕНЕТИКА. ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Гипотезы. Открытия. Факты
Генетика — сравнительно молодая, но очень бурно развивающаяся наука. В настоящее время на ее огромные возможности надеются миллионы людей, ожидая потрясающих открытий, которые сделают жизнь людей качественнее, лучше, здоровее и… длиннее. И действительно, научные открытия не заставляют себя ждать. «Таблетка от старости», «эликсир молодости» — сегодня такие слова у всех на слуху… Раньше писатели-фантасты предсказывали изобретение супермашин, поражающих своими способностями, и многие их предсказания сбылись. Сегодня человечество надеется на возможности медицины, тем более что ее достижения уже плотно вошли в нашу жизнь, и без них мы не представляем этот мир (например, антибиотики, да и многие-многие другие лекарства).
Рубрику ведет Михаил Либинтов Что же это такое — медицинская генетика? Одно из простых объяснений — это наука, занимающаяся выяснением роли генов в возникновении патологий у человека.
Над чем сегодня работают генетики всего мира, какие успехи уже достигнуты и какие изобретения ждут нас в будущем — об этом и пойдет речь в этой статье.
Уже созданы системы для улучшения свойств сельскохозяйственных растений, причем редактируется не только устойчивость к вредителям и химикатам, но и вкус растений.
В настоящее время ученые проводят широкий спектр исследований, крайне полезных для человечества: изучают роль генов и их перестроек в возникновении и прогрессировании генетических болезней.
Длина молекулы ДНК в наибольшей по размеру хромосоме человека составляет около 8 см, диаметр двойной спирали равен двум нанометрам. В молекуле ДНК содержится закодированная информация в виде повторения нуклеотидов, условно обозначаемых четырьмя буквами. Таких букв всего 3 млрд, что эквивалентно 120 томам «Войны и мира». В этой «книге» записана вся информация на момент рождения человека. То, с чем работают генетики, — это длинный текст, записанный четырьмя буквами. На компьютерном «языке» геном человека занимает два терабайта информации.
Генная терапия — направление, которое работает над тем, чтобы придавать определенные новые свойства человеку.
По всему миру проводится около 5 тысяч исследований, в которых людей лечат с помощью генной терапии, в каждом из них участвует около 100 человек. Получается, на планете живет как минимум 250 тысяч человек с измененными генами.
Для того чтобы редактировать гены, ученые создали уникальную технологию — CRISPR, или криспер. Она позволяет генетикам и медицинским исследователям редактировать части генома путем удаления, добавления или изменения последовательных участков ДНК. Технология действует, как молекулярные ножницы, вырезающие плохую ДНК и заменяющие ее хорошим кодом. Технология CRISPR имеет широкий спектр потенциальных применений. На данный момент она является самым простым, универсальным и точным методом генетической манипуляции.
История CRISPR началась в 1987 году, когда японские ученые, изучавшие кишечную палочку, обнаружили в ее ДНК необычные повторяющиеся последовательности. Их биологическое значение сначала выяснить не удалось, но вскоре аналогичные фрагменты были найдены и в других бактериях. Последовательности получили название CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами.
Их функция оставалась загадкой до 2007 года, когда специалисты определили: эти фрагменты — часть иммунной системы бактерий.
Дело в том, что бактерии постоянно должны отражать атаки вирусов — своих естественных врагов. Для этого они производят специальные ферменты. Каждый раз, когда бактерии удается убить вирус, она разрезает остатки его генетического материала и сохраняет их. Затем эта информация используется в случае новой вирусной атаки. При нападении бактерия производит белки, которые несут фрагмент генетического материала вируса. Если этот участок и ДНК атакующего вируса совпадают, этот белок разрезает генетический материал последнего и нейтрализует угрозу.
Некоторое время это открытие было интересно только микробиологам. Однако все изменилось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье установили, что этот механизм можно использовать для разрезания любого генома в нужном месте, в том числе для редактирования ДНК в культуре клеток мышей и человека. Более того, выяснилось, что технология позволяет не только удалять ненужные гены, но и вставлять на их место другие.
Идея генной модификации не нова, и различные ее методики существуют уже много лет. Однако CRISPR превосходит все известные до сих пор технологии благодаря доступности и точности. И, что немаловажно, технология работает с любым организмом на Земле.
Существует почти бесконечное множество потенциальных применений технологии. Во-первых, CRISPR позволяет ученым выяснить функцию различных генов. Достаточно просто вырезать изучаемый ген из ДНК и увидеть, какие функции организма оказались затронуты.
Практическое применение CRISPR-технологии достаточно обширно.
Изменения в сельском хозяйстве
CRISPR позволяет сделать сельскохозяйственные культуры более питательными, более вкусными и устойчивыми к жаре и стрессу. Можно придать растениям и другие свойства: например, вырезать из арахиса ген аллергена, а в бананы внедрить устойчивость к смертельному грибку. Технологию можно применить и для редактирования генома домашних животных.
Борьба с наследственными заболеваниями
Технология редактирования генов потенциально позволяет лечить множество болезней, в частности исправлять дефектные гены, которые вызывают генетические отклонения. Исследования показывают, что эта технология способна бороться с серповидной анемией, муковисцидозом, катарактой и так далее. Гигантская часть экспериментов посвящена борьбе с хроническими гепатитами и ВИЧ. Множество лабораторий работает над лекарством от различных дистрофий и болезней кроветворной системы (лимфомы, лейкемии, лейкозы). Пытаются лечить синдром Дауна. Исследования ученых приводят к тому, что совершенствуется терапия многих тяжелых заболеваний.
Ученые уже опубликовали первое исследование, в котором CRISPR применяется для исцеления слепоты. Инструмент для редактирования генов использовался на крысах для замены некачественной генетики, вызывающей слепоту, с помощью рабочего набора здоровых генов. В исследовании, которое проводилось Колумбийским и Айовским университетами, ученые смогли показать, что можно успешно вылечить человека с врожденным генетическим дефектом зрения, используя технологию CRISPR.
Новые антибиотики и противовирусные препараты
Бактерии развивают устойчивость к антибиотикам, а разрабатывать новые дорого и сложно. Технология CRISPR дает возможность с высокой точностью уничтожать определенные виды бактерий. Ряд исследователей также работает над CRISPR-системами, нацеленными на вирусы. Потенциал технологии CRISPR может привести и к созданию усовершенствованных лекарственных препаратов со способностью модифицирования клеток в организме.
Генетические изменения животных
С помощью CRISPR можно изменить не просто геном отдельного животного и растения, но и генофонд целого вида. Обычно любой организм передает потомству половину своих генов. Однако использование CRISPR позволяет повысить вероятность передачи генов по наследству почти до 100 процентов. Это позволит нужному признаку быстро распространиться по всей популяции.
Всерьез рассматривается вариант «заноса» в популяцию малярийных комаров гена устойчивости к возбудителю малярии — одноклеточному организму плазмодию. Тогда комары перестанут быть переносчиками малярии.
Ученым уже удалось реализовать возможность искоренения желтолихорадочных комаров, которые могут распространять вирус Зика.
Несмотря на то, что CRISPR может уничтожить вредоносный вид комаров прямо сейчас, идея эта является довольно спорной. Существует единственный, но очень существенный аргумент против использования редактирования генома для комаров — это создание непредвиденной экологической катастрофы. Человечество еще не полностью понимает, какую роль играют москиты в окружающей среде, поэтому просто убрать их как вид нельзя, это может быть опасно.
Создание «дизайнерских младенцев»
Вопрос о возможности появления на свет детей с отредактированными генами, с заданными свойствами и качествами вызывает многочисленные споры в обществе и в мире науке.
По словам некоторых ученых, пока технологические возможности не позволяют создавать детей с заданными качествами. Например, за уровень интеллекта отвечают тысячи генов, и скорректировать их все пока невозможно.
Однако недавно весь мир потрясло событие, казавшееся ранее фантастичным. В ноябре 2018 года китайские ученые из Южного университета науки и технологий в Шэньчжэне помогли появиться на свет первым детям с отредактированным геномом — девочкам-близняшкам Лулу и Нана. Эти девочки — первые в истории люди с отредактированными ДНК. Они развивались из эмбриона, в который была внесена мутация, гарантирующая иммунитет от ВИЧ.
Китайский ученый Хэ Цзянькуй заявил, что «редактировал» эмбрионы семи пар, однако лишь один случай закончился беременностью и успешными родами.
Это событие вызвало в обществе большой резонанс. Хэ Цзянькуй резко высказывался против создания «дизайнерских» детей, то есть внесения в ДНК улучшений, влияющих на внешность, умственные и физические данные человека. «Редактирование допустимо только в том случае, когда это необходимо для спасения человеческой жизни, защиты от тяжелой наследственной болезни», — заявлял он.
Похожие эксперименты уже проводились в США и Китае («редактирование» проходило в медицинских целях), однако тогда все эмбрионы были уничтожены.
Ученый сравнивает рождение Лулу и Наны с открытием экстракорпорального оплодотворения. В шестидесятые годы прошлого века технологию встретили резко отрицательно, а сегодня это общепринятая практика.
В январе 2019 года власти Китая подтвердили рождение в Шэньчжэне первых в мире генно-модифицированных людей, а также то, что в отношении биолога Хэ Цзянькуя начато расследование.
Ученые понимают, что любое вторжение в природу на генетическом уровне должно быть тщательно продумано, и потому любые эксперименты находятся под пристальным контролем.
Не все ученые считают CRISPR безопасной технологией. Например, согласно недавним исследованиям, генное редактирование ошибается в 15 процентах случаев, и тогда ДНК изменяются в неожиданных местах, что может вызвать серьезные последствия для здоровья. Однако CRISPR — действительно удивительная технология редактирования генов, способная в корне изменить текущие методы лечения.
Возможности человека не безграничны, но достижения науки не перестают изумлять, и хочется надеяться на то, что исследования ученых-генетиков, направленные на благо человечества, на улучшение здоровья и жизни человека, будут достигать еще больших успехов и находить применение в медицине.