Завершая разговор о применении геномного редактирования в сельском хозяйстве, надо отметить, что благодаря генным технологиям производство продуктов питания очень сильно возросло. Наряду с вакцинами и устранением страшных эпидемических заболеваний начала XX века изобилие продуктов позволило увеличить продолжительность жизни человека лет на тридцать. Раньше из-за голода умирало не меньше людей, чем от инфекционных заболеваний. Голод в пределах стран и континентов наступал по разным причинам: из-за засух, природных и социальных катаклизмов и т. д. До сих пор на Африканском континенте, куда техническая революция еще не пришла, очень часто бывает голод в связи с засухой. Эта беда веками преследовала и Россию, и Европу. Но сегодня, благодаря интенсивному сельскому хозяйству и ГМО, уже половина населения Земли (которое в целом насчитывает порядка семи с половиной миллиардов человек) имеет пищевое изобилие.
Редактирование генома
«Генетическое лекарство»
Достижения генетики и генной инженерии в области обеспечения человечества пищей несомненны и общепризнаны, как бы ни относились к генетически модифицированным организмам отдельные люди, незнакомые с существом дела. Однако не меньшую важность для здоровья человека, чем предотвращение голода, представляет решение чисто медицинских проблем. Использование редактирования генома в сфере медицины не просто перспективно — от него ожидают совершенно потрясающих вещей. Некоторые экспериментальные и даже клинические исследования уже активно обсуждаются, тестируются и начинают шаг за шагом входить в нашу жизнь.
Давайте посмотрим, как развивались методы редактирования генома в области биомедицины и как разрабатывались те или иные стратегии и подходы к лечению заболеваний человека.
Одной из первых прорывных публикаций в этой области была замечательная статья, опубликованная в журнале Nature Biotechnology в 2014 году. Исследование, выполненное авторами статьи, заключалось в следующем. Ранее с использованием мутагенеза была создана модельная мышь, у которой в определенный ген была введена точечная мутация, приводившая к проявлению такого заболевания человека, как наследственная тирозинемия первого типа. При этой патологии происходит накопление токсических метаболитов, в первую очередь в гепатоцитах — специализированных клетках печени, ответственных за общую дезинтоксикацию организма, что приводит к их гибели и вызывает общее отравление организма. Накопление токсичных продуктов обмена и гибель гепатоцитов могут быть приостановлены лекарственным препаратом, при условии, что пациенты всю жизнь будут следовать очень строгой диете. То же самое было необходимо и модельной мыши с этим заболеванием: отмена лечения приводила к гибели животного.
Ученые задумались, можно ли вылечить эту мышь с помощью метода геномного редактирования, для чего сделали соответствующие генетические конструкции. Они подобрали и синтезировали определенную направляющую РНК, которая должна была связываться с последовательностью ДНК именно в месте мутации, а затем с помощью генной инженерии создали векторную генетическую структуру, которая включала эту направляющую РНК и белок Cas9. Была также синтезирована последовательность длиной в двести нуклеотидов, полностью идентичная последовательности гена «дикого» типа, то есть нормальной копии гена, без мутации. Ученые ввели в хвостовую вену мыши эти «лечебные» генетические последовательности, вместо того чтобы сделать укол лекарством, который она ежедневно получала. По сути, исследователи ввели мышке «генетическое лекарство».
Нужно отметить, что эта работа удачно сочетала в себе грамотный подход к методике проведения эксперимента с правильным выбором модельного организма. Инъекция в хвостовую вену мыши — обычная процедура, так как она хорошо заметна на голом мышином хвосте и ведет напрямую к воротной вене печени, то есть если мы вводим в хвостовую вену какое-то вещество, то оно очень быстро попадает в печень. Таким образом, «генетическое лекарство» — конструкции с направляющей РНК/Cas9 и фрагмент ДНК, необходимый для замещения мутантной последовательности, — попадало прямо в гепатоциты, которым необходимо лечение. Направляющая РНК находила среди миллиарда букв генетического текста мыши необходимое место и комплементарно связывалась с ним, а фермент Cas9 вносил разрыв в структуру ДНК.
Рис. 8. Благодаря системе CRISPR/Cas ученые могут точечно заменять какие-либо участки ДНК, как будто орудуют мини-ножницами
При появлении разрыва клетка тут же пытается заделать эту брешь, а если рядом находится фрагмент с гомологичным текстом (по сути, «кирпичик», по форме идеально сходный с брешью), то он и замещает оригинальный фрагмент ДНК за счет гомологичной рекомбинации. Теперь вместо фрагмента текста с ошибкой вставлен правильный (см. рис. 8).
РЕДАКТИРУЮЩАЯ МЕДИЦИНА
Этот потрясающий эксперимент с геномным редактированием печени мышек недолго оставался чисто научным достижением. Вскоре на основе этого исследования была создана американская коммерческая компания Editas Medicine, то есть редактирующая медицина, или медицина редактирования, которая тут же привлекла более сорока миллионов долларов для развития, когда разместила свои акции на рынке ценных бумаг. Вот так одна публикация, вроде бы простая, но хорошо продуманная, дает мощный толчок и развитию технологии, и быстрой коммерциализации. Надо отметить, что тут еще не идет речи о лечении человека, а только получено доказательство его возможности. Но коммерческие компании, имеющие или купившие право на использование данного открытия, сразу же стараются привлечь средства для движения вперед, так как вполне очевидно, что в будущем этот небольшой научный эксперимент может быть использован и для терапии человека.
Мышкам, которым ввели это «генетическое лекарство», теперь не нужно было принимать специальные препараты и сидеть на диете — они выздоровели! Конечно, не все оказалось просто. Для своих экспериментов исследователи решили использовать три разных направляющих РНК. Все три распознавали генетический текст вблизи мутации, но были сдвинуты относительно друг друга на один-три нуклеотида. Только одна направляющая РНК позволила подопытным животным отказаться от медикаментозного лечения, остальные оказались не настолько эффективны. Для этого варианта направляющей РНК мутация была исправлена в одной из каждых трехсот клеток. Но даже столь небольшой доли исправлений оказалось достаточно, чтобы полностью отменить прием лекарственного препарата. И это на всю жизнь!
Но при всех блестящих успехах генетических технологий, как и при использовании любых других вмешательств в человеческий организм, всегда остается проблема побочных эффектов. А не могут ли они возникнуть и от «генетических лекарств»? Это не исключено. Мы говорили, что направляющая РНК узнает порядка двадцати букв генетического текста, но с особой точностью распознает лишь первые три-пять букв, а чем дальше, тем более снижается точность узнавания. Поскольку у человека три миллиарда букв генетического текста, то какие-то повторения, безусловно, возможны. Например, слово из пяти букв мы найдем в генетическом тексте не один, а очень много раз, поэтому существует вероятность, что выбранная нами направляющая РНК некорректно узнает нужный или ошибочно распознает еще и ненужный текст. Мы сами, когда что-то переписываем, можем нечаянно пропустить букву или написать не ту, в результате чего исказится смысл слова, фразы, всего текста. Так и ошибка направляющей РНК, в принципе, может вызвать нежелательные последствия: где-то в другом месте генома тоже произойдет распознавание, разрезание и какое-то замещение. Это и есть побочные эффекты, которых боятся при использовании технологии геномного редактирования.
Стоит ли нам опасаться чего-нибудь подобного в описанном эксперименте? Предположим, направляющая РНК распознает в клетках печени взрослой мышки (а больше никуда при таком методе терапии она не попадает) некий фрагмент генома и изменит его. В каких-то клетках исправит нужное, а в других распознает нечто иное. Есть такая вероятность, хотя гены занимают в геноме чуть больше процента от трех миллиардов букв, и возможность того, что введенная в организм генетическая конструкция сломает какой-то важный ген, очень невысока. Да и произойдет это в клетках, которые и так «больны». К тому же нет и не может быть лекарств, вообще не имеющих побочных эффектов. С точки зрения сохранения генома человека как вида не следует бояться этих изменений, ведь то, что мы лечим, касается только клеток взрослого организма — соматических. Эти изменения уже не передаются по наследству. Даже если нечаянно внести ошибку и затронуть еще какой-то генетический текст, он в любом случае не будет унаследован нашими потомками, потому что изменения проводятся не в клетках зародышевого пути.
