О самых важных научных событиях этого года в области генетических исследований и разработок

За 2016 год произошло много интересного в мире науки и в частности в мире биологии. Генетические исследования сейчас — рутина современных лабораторий, то о чем писали научные фантасты раньше, воплотилось в реальность. Любопытно, что на сегодняшний день выделить «лидирующий институт» или «самую передовую лабораторию» сложно. Глобальные темы требуют интернациональной коллаборации. Мы вспомнили 6 самых фантастических заголовков 2016 года и прокомментировали, что они значат. Как эти исследования проводились на самом деле и как они могут повлиять на нашу жизнь.

Редактирование генома с CRISPR/Cas9

Технология редактирования генома CRISPR/Cas9, над которой трудились научные коллаборации со всех концов света, уже не первый год будоражит умы ученых, врачей, журналистов, а также поборников нравственности и морали. В ноябре 2016 года в журнале Nature вышла статья о том, что впервые технология была применена в клинической практике на человеке, а произошло это в перенаселенном Китае. Когда летом 2016 года в Великобритании объявили об испытаниях технологии в эмбрионах, это вызывает вопросы в обществе. Давайте разберемся, что же такого в этой прекрасной и ужасной CRISPR/Cas9.

Зачем придумали

Изначально система CRISPR/Cas9 была подсмотрена у бактерий — это их собственный защитный механизм для борьбы с вирусами. CRISPR — это не печенье, а аббревиатура «clustered regularly interspaced short palindromic repeats» или «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Так называются последовательности, которые находит и разрезает белок Cas9. Секрет технологии в том, что биологи научились задавать последовательность CRISPR, направляя таким образом ножницы Cas9.

Что это такое

Вирусы существуют только в чужих клетках, встраиваясь в ДНК. Бактерии запоминают эти вирусы, вносят их в свою базу данных, чтобы при следующей встрече, идентифицировав совпадение, вырезать его с помощью белка Cas9. Разработанная технология работает примерно так же: «ножницы» делают разрыв в нужном месте, чтобы произвести однонуклеотидную замену. Фактически, мы можем заставить белок распознать любое место генома и «починить» его — отредактировать. Пока что метод нельзя запускать в массовую терапию: направлять «генетические ножницы» точно люди еще не научились. Разрывы и замены делаются не всегда в нужных местах, а это рождает новые мутации, которые усугубляют ситуацию.

Каковы перспективы

Прежде всего применения CRISPR/Cas9 ожидают для лечения онкологических и тяжелых наследственных заболеваний, а также различных вирусов, например, ВИЧ.

В потенциале применение этой технологии возможно для лечения мультифакторных заболеваний, например, диабет, биполярное расстройство и ожирение. Но что больше всего беспокоит общественность, так это противоречивость технологии с точки зрения этики. С распространением технологии люди могут начать выбирать детей по цвету глаз, талантам, спортивным и умственным способностям, но иметь такую возможность будут далеко не все, а значит в социуме родится новый тип дискриминации — по генетическому признаку. (Это сценарий фильма «Гаттака», который может быть воплощен в жизнь).

Будучи генетиком, я считаю, что вопросы этики в данном вопросе стоят крайне остро, но говорить о них преждевременно. К тому же следует ввести разделение между вопросами этики и науки.

Ученые уничтожат ВИЧ

Второе место нашего рейтинга плавно вытекает из первого: с помощью технологии CRISPR/Cas9 удалось вычислить, через какие гены ВИЧ попадает в иммунные клетки. Насчитали три слабых звена: TPST2, SLC35B2 и ALCAM. До этого все знали о том, работа генов CD4 и CCR5 очень важна для ВИЧ, так как они отвечают за сборку белковых молекул, за которые ВИЧ цепляется при заражении клеток. Отключение этих генов дает серьезные побочные эффекты. Что касается новой находки, гены TPST2 и SLC35B2 меняют работу белка CCR5, а ген ALCAM отвечает за способность склеивать клетки между собой. Теоретически, отключение гена ALCAM делает клетки почти невидимыми для ВИЧ, но пока что нет данных о том, как это может повлиять на организм.

Перспективы и значение технологии

Фактически, если мы научимся отключать и включать нужные гены, тем самым влияя на жизнеспособность вируса иммунодефицита человека, это будет огромным прорывом в медицине, науке и жизни социума. Известны удачные случаи симбиоза медицины и генетики сократившего число больных определенными заболеваниями — правда, другими способами, чем теми, которые доступны на сегодняшний день. Яркий пример — болезнь Тея-Сакса, которую раньше называли «еврейской» болезнью из-за частой встречаемости в закрытой этнической группе евреев-ашкенази. В 70-х годах прошлого века в США были проведены исследования в ашкеназских общинах по выявлению носительства генов, вызывающих болезнь Тея-Сакса. В результате на сегодняшний день, по прошествии 30 лет, «еврейская болезнь» чаще встречается в других этнических группах.

Ребенок от трех родителей

Это настоящий прорыв в медицине и генетике, теперь партнеры, у которых есть серьезные проблемы со здоровьем, могут планировать семью и создать собственного ребенка. Технология позволяет решить важную проблему редких наследственных заболеваний. В Мексике на свет появился первый в мире ребенок с ДНК трех разных людей.

Как они это сделали

Дмитрий Коростин, научный директор Genotek:

«ДНК хранится не только в хромосомах, но и в митохондриях. В них содержится около 50 генов, в них тоже могут возникать мутации, связанные с наследственными заболеваниями. Таких заболеваний не много, несколько десятков, но это не самые редкие заболевания. Если в семейной паре женщина является носителем генетического заболевания или болеет им и мутации содержатся в митохондриальной ДНК, существует высокий риск передать заболевание ребенку. При этом митохондриальная ДНК передается только по женской линии: от матери к дочери и так далее. От матери к сыну она тоже передается, но его потомству — уже нет. Как можно исправить такую ситуацию и родить ребенка без генетического заболевания?

Для этого берется здоровая яйцеклетка от другой женщины без аномалий в мтДНК, оплодотворяются обе яйцеклетки — с мутацией и без — а затем ядро из здоровой яйцеклетки удаляют и помещают в нее ядро, взятое из яйцеклетки с мутацией. Таким образом, эмбрион будет иметь ДНК от трех людей: мамы, папы и мамы-донора мтДНК».

Значение технологии — точно ли третий не лишний

До настоящего времени генетика помогала в терапии наследственных заболеваний только как инструмент, помогающий поставить точный диагноз. Последовательность такая: врач не может диагностировать наследственное заболевание без информации о том, в каком гене произошла поломка и направляет пациента в медико-генетический центр. Там происходит забор биоматериала (крови), после чего можно расшифровать клинически значимую последовательность экзома. Наконец, врач получает информацию о том, в каком гене произошла мутация и с каким заболеванием это может быть ассоциировано.

Только после постановки диагноза возможно назначение терапии (не лечения, а именно терапии, поскольку пока генетические заболевания неизлечимы — все ждут глобализации технологии CRISPR/Cas9). Борьба с наследственными заболеваниями сейчас возможна только превентивно — если будущие родители еще до зачатия пройдут генетическое исследование, выявляющее носительство генетических заболеваний. При высокой вероятности наследования заболевания пара направляется к врачу-генетику, который может порекомендовать процедуру ЭКО, например.

Теперь же наука и медицина предлагают новый способ — донорская ДНК. Заболеваний, которых поможет избежать данный метод не так много, несколько десятков, но для некоторых пар — это единственный способ зачать ребенка, не передав ему тяжелое наследственное заболевание.

Побеждаем ожирение

Решение проблемы ожирения может прийти из Сибири — ученые Новосибирского государственного университета проводят исследование на «гормоне сытости» — лептине. Летом 2016 года начался эксперимент по введению лептина мышам, в ходе исследования было замечено изменение уровня инсулина и глюкозы, на данный момент результаты исследования проходят статистическую обработку. Использование этого гормона может помочь людям страдающим ожирением, однако на данный момент носит скорее фундаментальный характер — разработка лекарства потребует больше времени. Решение, доступное уже сейчас — ДНК-тесты для выбора оптимальной диеты и режима тренировок — персонализированная помощь в изменении образа жизни, коррекции пищевых привычек и подбор оптимальной программы занятий на основании ваших генетических данных.

Во всем виноваты гены — база данных генетических ассоциаций пополняется

Измерять качество жизни в генах стало возможным благодаря открытию и анализу ассоциаций генов не только с патологиями, но и со специфическими особенностями человека. В их числе ген, связанный с психическими расстройствами, гены, влияющие на работу сердца, гены, определяющие потребность в соленой пище, а также гены, связанные со стрессом и настроением. Отслеживание таких генов — одного за одним — сравнимо с поиском и анализом ракушек на берегу моря. Однако именно эта работа на данной стадии развития науки самая важная. Шаг за шагом исследователи понимают, какие функциональные связи лежат между участками ДНК и частями организма. Через какое-то время можно будет отойти назад и увидеть полную картину, но сейчас мы к этому не готовы. Максимально доступный нам практически полезный инструмент — ДНК-тесты, которые позволяют узнать о себе что-то новое.

Дети наследуют ум от матери

(Вернее, у мышей материнские гены несут больший вклад в развитие высшей нервной деятельности, чем отцовские)

Потомство мышей с увеличенной долей материнских генов имеет больший объем мозга при меньших размерах тела. Увеличение доли генов отца имело обратный эффект. Исследователи не нашли клеток с отцовским генетическим материалом в центрах мозга, отвечающих за высшую нервную деятельность, например, восприятие языка и долгосрочное планирование. Тем не менее, нельзя говорить, что показатель IQ зависит исключительно от генетической предрасположенности.

Однако на выборке из 12,686 человек от 14 до 22 лет было показано, что IQ матери позволяет спрогнозировать показатель интеллекта. Помимо этого можно говорить о предрасположенности к определенным видам деятельности — и здесь свою роль отчасти может сыграть генетика. Так, темперамент человека зависит от особенностей выработки у него нейромедиаторов, что, в свою очередь, может влиять на его способности.

В 2016 году научное сообщество перешло к новому витку решения общечеловеческих проблем — посмотрим, что принесет год следующий.