Система редактирования генов, сделанная на основе бактериальной антивирусной защиты, может работать в человеческом зародыше. Правда, пока не очень эффективно.

Совсем недавно мы обсуждали специфическую систему защиты бактерий от вирусов – система, называемая CRISPR/Cas, распознаёт чужеродные ДНК-последовательности и ликвидирует их. Обнаружили CRISPR/Cas недавно, и за неё сразу же ухватились молекулярные биологи и специалисты-биотехнологи, занимающиеся проблемами редактирования генов.

Почему ею так заинтересовались? Если попытаться в двух словах описать принцип работы CRISPR/Cas, выйдет так: в определённом месте в геноме бактерии хранятся фрагменты вирусных генов, с них считывается РНК-копия, которую подхватывает специальный белок (Cas). С помощью РНК он проверяет незнакомую ДНК, попавшую в клетку, на предмет её вирусности, и, если подозрения оправдались, такая ДНК инактивируется. Особенность же системы в том, что проверяющий белок программируется на строгое узнавание определённой нехорошей последовательности. А если, скажем, снабдить его какой-то другой, синтезированной нами, РНК-инструкцией? Например, мы скажем белку Cas искать некий повреждённый, мутантный кусок в человеческом гене, после чего запустим всю молекулярную машину в нейрон, или в клетку печени, или в зародыш. Модифицированная система найдёт нужный участок в ДНК и вырежет его, а образовавшуюся брешь можно залатать исправленной, здоровой последовательностью. Если сделать так с одноклеточным зародышем, то все клетки организма, который из него получится, будут уже без мутации.

С помощью модификаций белка Cas9, который оказался наиболее пригоден для таких целей, удалось добиться большой специфичности редактирующего инструмента; более того, Cas9 вместе с РНК-гидом может доставить на нужный участок ДНК ферменты, которые не будут ничего вырезать, но зато снабдят нуклеотидную последовательность какими-нибудь метками, отключающими ген. В общем, возможностей открывается масса, но вопрос в том, будет ли система работать in vivo, в живом полноценном организме.

Человеческий эмбрион ан 4-й день развития, эмбриональные клетки окрашены красным. (Фото Image Editor / Flickr.com.)

Довольно быстро удалось выяснить, что у животных CRISPR/Cas9 вполне работает. Например, в прошлом году китайским исследователям удалось отредактировать геном зародышам макаки-крабоеда. Вскоре после этого вышла статья в Nature Biotechnology, в которой сотрудники Массачусетского технологического института рассказывали, как они с помощью CRISPR/Cas9 вылечили взрослых мышей от тирозинемии, при которой перестаёт расщепляться аминокислота тирозин, и возникающие неполадки в метаболизме приводят к повреждениям печени, а также почек и нервов. В клетках печени удалось заменить кусок гена с тирозинемической мутацией на нормальный, немутированный фрагмент – и животные выздоровели.

Было очевидно, что рано или поздно то же самое проделают с человеческим эмбрионом. И вот в журнале Protein & Cell появилась статья, где описывается процедура генетического редактирования в оплодотворённой человеческой яйцеклетке. Систему CRISPR/Cas9 направили на мутантный ген, вызывающий тяжёлое заболевание крови – бета-талассемию, при которой нарушается синтез гемоглобина. Эмбрионы, то бишь оплодотворённые яйцеклетки, взяли из клиник, специализирующихся на искусственном зачатии. Сразу следует сказать, что Цзюньцзю Хуань (Junjiu Huang) и его коллеги из Университета Сунь Ятсена использовали то, что можно назвать производственным браком – когда оплодотворение происходило сразу двумя сперматозоидами, и в яйцеклетке оказывался таким образом лишний набор хромосом. До появления на свет такие эмбрионы не дотягивают, однако всё же успевают преодолеть несколько первых стадий развития.

Комплекс CRISPR/Cas9 вводили в 86 яйцеклеток и ждали двое суток, чтобы время эмбрион успел разрастись до 8 клеток. Выжили не все, но довольно много – 71, и в 54 из них проверили гены. Редактирующая система лишь в 28 вырезала неправильный фрагмент ДНК, и лишь в некоторых на место вырезанных была вставлена нормальная последовательность. Все эти цифры нужны для того, чтобы показать, насколько метод ещё далёк от совершенства – ведь для того, чтобы редактировать геномы в полноценных эмбрионах, которым предстоит долгая и счастливая жизнь, эффективность всей процедуры должна равняться 100%, и ни процентом меньше.

Кроме того, авторы работы говорят ещё и о довольно неприятном побочном эффекте: редактирующий комплекс вмешивался туда, куда его не просили, так что в клетках эмбрионов оказалось много мутаций, обусловленных активностью CRISPR/Cas9. Причём уровень таких мутаций был выше, чем в аналогичных экспериментах с эмбрионами мышей или же «взрослыми» человеческими клетками. Возможно, что система так сработала из-за того, что сами эмбрионы, как мы помним, были с бракованным геномом. Но чтобы выяснить, так это или не так, нужно поставить такой же опыт с нормальными оплодотворёнными яйцеклетками.

И вот здесь возникает проблема этической допустимости подобных исследований. Споры о том, можем ли мы манипулировать генами эмбрионов, в последнее время особенно обострились (в том числе и в связи с успехами в исследованиях CRISPR/Cas9), и высказывались подозрения, что, наверно, кое-где такие работы уже идут. И вот, как назло, появляется вышеописанная публикация. Статью пытались направить в Nature и Science, но и там, и там её отклонили, и не по научным критериям, а именно по этическим. Справедливости ради стоит сказать, что дискуссии на тему человеческих эмбрионов заканчиваются рекомендацией «тщательно учитывать все риски», но как их можно учесть, если не знаешь, в чём именно и где именно они могут заключаться? Эксперименты, подобные тому, которые проделали сотрудники Университета Сунь Ятсена, как раз позволяют точно понять слабые места технологии.

Есть и другая, более радикальная точка зрения, которая заключается в том, что эмбрионы вообще стоит оставить в покое, и что если у нас есть генетическое заболевание, то исправлять поломку в генах нужно уже у взрослых людей. С этической точки зрения такой подход более приемлем, но технически осуществить это намного труднее (хотя не исключено, что и здесь появится какой-то революционный метод, позволяющий легко исправлять «взрослые» гены во всех нужных клетках).

Ну а пока такие дискуссии продолжаются, сам Цзюньцзю Хуань вместе с коллегами строит планы дальнейших исследований с оплодотворёнными яйцеклетками. Главной их целью будет, как легко догадаться, уменьшить непредсказуемую мутагенность комплекса CRISPR/Cas9. Кроме него есть и другие методы, которые позволяют редактировать геном, и, кстати говоря, они провоцируют меньше ненужных мутаций. Однако CRISPR/Cas9 выигрывает в эффективности и проще в обращении, так что внимание биотехнологов пока что приковано именно к ней.

Автор: Кирилл Стасевич