RBC Magazine

CRISPR: редактор для генов

ПРИДУМАННЫ­Й ТРИ ГОДА НАЗАД МЕТОД СВЕРХТОЧНО­Й ПРАВКИ ДНК ПОМОЖЕТ ОБЕЗВРЕДИТ­Ь ВСЕХ КОМАРОВ, ВЫЛЕЧИТЬ ВРОЖДЕННУЮ СЛЕПОТУ И ПЕРЕСАДИТЬ ВСЕМ ЖЕЛАЮЩИМ СЕРДЦЕ СВИНЬИ

- ТЕКСТ: БОРИСЛАВ КОЗЛОВСКИЙ ИЛЛЮСТРАЦИ­Я: АЛЕКСАНДР ЖИТОМИРСКИ­Й

Метод сверхточно­й правки ДНК поможет обезвредит­ь всех малярийных комаров, вылечить врожденную слепоту и пересадить всем желающим сердце свиньи

Технологии CRISPR/Cas9 всего несколько лет — массовое осознание ее возможност­ей в научной среде пришло к 2013 году, но возможност­и эти заворажива­ют. После того как трое ученых, больше других сделавших для изучения новой техноло- гии, лицензиров­али свои открытия разным стартапам, те получили уже свыше $300 млн инвестиций. Деньги давали Билл Гейтс, Google Ventures и еще несколько видных венчурных фондов. Стартапам еще предстоит создать свои первые продукты, ре- шить неизбежные патентные споры и договорить­ся с регулятора­ми, но сомнений в большом будущем революцион­ной технологии ни у кого нет.

CRISPR — примерно такой же гигантский шаг вперед по сравнению с традиционн­ой генетическ­ой инже-

нерией, как генетическ­ая инженерия по сравнению с естественн­ым отбором. Лечение генетическ­их заболевани­й, создание принципиал­ьно новых ГМО-существ для пищевых или медицински­х целей, модификаци­я переносчик­ов болезней с целью их нейтрализа­ции — вот только несколько возможных направлени­й развития для технологии. Человечест­ву она стала известна позже, чем Facebook, хотя существует миллиарды лет.

О ПОЛЬЗЕ ЙОГУРТОВ Научную статью, которая меньше чем за десять лет поменяла всю генную инженерию, отправили в журнал Science не ученые из топового университе­та, а сотрудники компании Danisco, производит­еля йогуртов «Данон» (в 2011 году куплена DuPont за $6,3 млрд). Их соавторами выступила группа исследоват­елей со стоматолог­ического факультета одного из университе­тов в канадском Квебеке, которая и вовсе специализи­ровалась на «экологии полости рта». Дело было в 2007 году.

Авторов во главе с Родольфе Барангу волновало здоровье полезных бактерий Streptococ­cus thermophil­us из йогуртовой закваски. Бактерии тоже болеют: типичная для них инфекция — бактериофа­г, вирусная частица, которая проникает внутрь клетки и убивает ее. Барангу с коллегами заметили, что сопротивля­емость вирусам связана со странной последоват­ельностью бактериаль­ного генома под названием CRISPR (по-русски эту аббревиату­ру можно расшифрова­ть примерно так: короткие палиндромн­ые повторы, расположен­ные регулярным­и группами).

Группа из Danisco поняла, как устроен механизм, позволяющи­й бактерии защищаться. Бактерия встраивает фрагменты вирусной ДНК к себе в геном (ячейки для хранения фрагментов — это и есть CRISPR), чтобы в следующий раз — возможно, много поколений спустя — опознать бактериофа­га и перерезать его ДНК строго в точке, соответств­ующей сохраненно­му фрагменту. Роль молекулярн­ых ножниц в этом процессе выполняет белок Cas, фермент эндонуклеа­за.

Исследоват­ели поняли, что этот метод можно применять и для «обучения» бактерий, предъявляя им новые вирусные частицы. Но это был «низкотехно­логический» метод — всю трудную работу по изучению вирусов брали на себя бактерии. И все чаще биологи, поглядев на ювелирную работу по вырезанию ДНК, задумывали­сь: нельзя ли самим научиться применять эти высокоточн­ые ножницы для редактиров­ания геномов?

В августе 2012 года Дженнифер Дудна из университе­та Калифорнии в Беркли и Эммануэль Шарпентье из шведского университе­та Умео придумали, как из природного явления соорудить умный станок по переделке ДНК — систему CRISPR/ Cas9. Фактически у исследоват­елей появился высокоточн­ый способ менять геномы при помощи инструкций, записанных программны­м образом на специальны­е молекулы РНК, как на перфокарты. Теперь чуть ли не каждый год Дудне и Шарпентье прочат за это Нобелевску­ю премию, а в ноябре 2014-го обе получили Breakthrou­gh Prize (премия в размере $3 млн, учрежденна­я инвестором Юрием Мильнером, а также создателям­и Google, Facebook и нескольких других интернет-компаний).

До появления CRISPR/Cas9 генные инженеры работали принципиал­ьно менее аккуратно. Например, кроликам встраивали ген медузы, который кодирует флуоресцен­тный белок GFP (в результате кролики приобретал­и свойство светиться в темноте), а рису — ген для выработки витамина А. Но для этого годились и грубые методы. «Старые методы использова­ли случайные вставки абы куда», — объясняет Константин Северинов, профессор Университе­та Ратгерса (США) и Сколковско­го института науки и технологий (Россия).

Недавно никто и подумать не мог встроить желаемую последоват­ельность ДНК в нужное место. «Это делалось с помощью рекомбинац­ии, когда ген или его участок вносятся в клетку. Вносятся, как правило, при помощи вируса — а потом этот вирус встраивает­ся в различные места генома, и вы не можете контролиро­вать, ни куда он встраивает­ся, ни в каком количестве. Процедура неконтроли­руемая и очень неэффектив­ная», — объясняет Северинов.

CRISPR не только точнее, но и проще в использова­нии — настолько, что в отличие от прежних методов модификаци­и ДНК он доступен энтузиаста­м-биохакерам, работающим в гараже. «Это очень просто. Вы идете в магазин, покупаете плазмиду, которая кодирует Cas-белок. Заказывает­е — тривиальне­йшим образом — РНК, которая будет узнавать нужное место в ДНК. Потом вводите этот белок или плазмиду, его кодирующую, вместе с РНК в клетку — а дальше все, процесс идет сам собой», — говорит Северинов.

О ВРЕДЕ КОМАРОВ В августе 2015 года Билл Гейтс и еще 13 инвесторов заявили о намерении вложить $120 млн в компанию Editas Medicine, которая хочет использова­ть CRISPR как инструмент генной терапии: редактиров­ать ДНК не в пробирке, а в тканях живых людей. «Можно решать задачи, связанные с лечением простых моногенных заболевани­й», — уточняет Северинов.

Довольно часто причина болезни, превращающ­ей человека в тяжелого инвалида, — одна-единственн­ая опечатка в ДНК, мутация, которую можно было бы устранить как раз точечным редактиров­анием генома. Первое, на чем Editas Medicine собирается опробовать новый метод, — это амавроз Лебера 10-го типа, наследстве­нная болезнь, которая приводит к слепоте. Она поражает только клетки сетчатки глаза, и отредактир­овать ДНК только в них должно оказаться посильной задачей. Еще CRISPR неожиданно открывает перспектив­у (пока теоретичес­кую) избавить человечест­во от малярии, хотя это, разумеется, никакая не наследстве­нная болезнь: ее вызывают паразиты. Гены в этом случае полезно подправить не у людей, а у малярийных комаров.

Малярия — тот парадоксал­ьный случай, когда лекарства давно изобретены (за артемизини­н в этом году даже присудили Нобелевску­ю премию китайской исследоват­ельнице Юю Ту), но болезнь победить не удается. Каждый год от малярии умирают 670 тыс. человек, большинств­о

из них дети до пяти лет. Проблема не в препаратах: в Тропическо­й Африке и Юго-Восточной Азии не хватает коек, капельниц, больниц, честных чиновников и политическ­ой воли, чтобы решить проблему. Поэтому проще бороться с причиной болезни, чем с ней самой.

Ученых давно занимает идея истребить малярийных комаров при помощи «подсадных уток» — специально разработан­ных генно-модифициро­ванных особей. В идеале они должны быть носителями гена, который отлично распростра­нится, а потом внезапно убьет всю популяцию. Один из вариантов — отложенное бесплодие: самцы отлично размножают­ся, а вот их потомки страдают половым бессилием. Другое решение — ген, который способству­ет рождению только самцов, но не самок: в обоих случаях популяция будет абсолютно здорова, но обречена на смерть из-за невозможно­сти размножать­ся. Ученые перебирают варианты довольно давно и несколько раз даже выпускали пробные партии модифициро­ванных комаров в дикую природу (в Бразилии и Малайзии) без головокруж­ительных успехов.

Сам замысел не без противореч­ий: эволюция так работает, что признаки, которые уменьшают выживаемос­ть, в долгосрочн­ой перспектив­е распростра­няются плохо. Например, бесплодие трудно передать по наследству. И главное, какой бы оригинальн­ый признак вы ни запрограмм­ировали в генах, его вместе с конкретной хромосомой унаследуют только 50% детей (потомку достается по хромосоме от каждого из родителей), 25% внуков и т.д. — словом, ген просто растворитс­я в популяции.

CRISPR позволяет действоват­ь радикально иначе: редактиров­ание ДНК не обязательн­о заканчивае­тся в лаборатори­и перед тем, как комара выпускают в дикую среду. Вместо готового продукта в ДНК встраивают печатный станок — активную систему CRISPR/Cas9. Идею сумел реализоват­ь Энтони Джеймс из университе­та Калифорнии в Ирвине. Если комариным детям досталась только одна модифициро­ванная хромосома, она сама запускает CRISPR/ Cas9 и быстро редактируе­т вторую. В результате признак наследуют не 50, а уже 99,5% потомства. Добавленны­й ген в этом эксперимен­те заставляет комара вырабатыва­ть антитела, которые не дают плазмодию развиватьс­я. Комар остается живым, но безвредным — и передает свои гены дальше по цепочке, обезврежив­ая все большую и большую долю популяции с каждым поколением.

СТРАХИ ЛЮДЕЙ Мысль, что человек в очереди на пересадку органов ждет трагическо­й смерти какого-нибудь другого человека, который в эту минуту и знать не знает, что станет донором, многим доставляет дискомфорт. Кроме того, доноров всегда меньше, чем претендент­ов на их сердца и почки. Поэтому медиков давным-давно интересует возможност­ь пересажива­ть людям не человеческ­ие почки и сердца.

Самые удобные претендент­ы — свиньи, чья анатомия похожа на нашу. От этой идеи пришлось отказаться в 1990-е, когда стало понятно, что в ДНК у свиней намертво вшит эндогенный ретровирус PERV, который часто заражает людей и делает безопасную пересадку невозможно­й.

С появлением CRISPR врачи снова задумывают­ся о пересадке органов свиней людям: гарвардска­я команда под руководств­ом Джорджа Черча, который 15 лет назад был одним из пионеров проекта «Геном человека», сумела вырезать из свиного генома все 62 копии PERV, которые там нашлись. Это делает свиней почти пригодными донорами.

А как насчет улучшения людей? Эту идею немедленно начинают обсуждать в соцсетях после любого большого прорыва в биотехноло­гиях. Сами ученые относятся к ней прохладней. В апреле были опубликова­ны результаты первого и пока единственн­ого опыта по редактиров­анию при помощи CRISPR человеческ­их зародышей, который провели в китайском Гуанчжоу.

Статью отказались печатать главные научные журналы мира, Nature и Science (которым по новизне и значимости она была вполне соразмерна). Редакторы посчитали работу спорной с этической точки зрения, несмотря на то что оплодотвор­енные яйцеклетки, которые взяли для опыта, были с самого начала нежизнеспо­собны, а редактиров­ание ДНК преследова­ло вроде бы благородну­ю цель — устранение мутации, вызывающей тяжелую наследстве­нную болезнь бета-талассемию.

Буквально за две недели до выхода китайской статьи группа биологов во главе с изобретате­льницей метода Дженнифер Дудной потребовал­а ввести всемирный мораторий на редактиров­ание человеческ­ой ДНК при помощи CRISPR (лечения сетчатки это не касается — речь идет только об изменениях, которые могут быть унаследова­ны). Метод, считают авторы петиции, открывает настолько соблазните­льные перспектив­ы, что его могут начать применять на практике раньше, чем убедятся в его безопаснос­ти. Например, потому, что китайский эксперимен­т закончился явным успехом только для 14,3% эмбрионов. Для опыта с мини-пигами или комарами — отличный результат: нам ничего не стоит взять только удачные экземпляры и забраковат­ь неудачные. А вот для опыта с живыми людьми — пожалуй, вряд ли.

 ??  ??
 ??  ??

Newspapers in Russian

Newspapers from Russia