«Отредактируй меня полностью». Может ли модификация генома избавить человека от всех болезней и подарить вечную жизнь?

Новейшим достижениям биомедицины посвящена книга «Как подружить гены в клетках» кандидатки биологических наук и авторки блога «Наука за 20 секунд: Moleccula» Ангелины Потаповой — в ней она рассказывает, как открытия в области генетики влияют на жизнь и здоровье людей. Публикуем эссе о том, каким образом с помощью редактирования клеток врачи могут излечить ВИЧ и избавить человечество от рака, а также создать настоящий «эликсир молодости».

«Редактирование клеток зародышевой линии и генома эмбриона поднимает ряд этических проблем, включая вопрос о том, допустимо ли использовать эту технологию для улучшения нормальных человеческих качеств, таких как рост или интеллект». / Иллюстрация: Midjourney

Многие неизлечимые болезни пытаются лечить на генном уровне. Давайте теперь немного подробнее изучим эту тему. Вы знали, что бактерии научили людей редактировать геном? И многое, о чем мы писали до этого и будем обсуждать в этой главе, заслуга бактерий. Звучит невероятно, но так и есть.

Технологии геномного редактирования — это группа технологий, которые дают ученым возможность изменять ДНК организма. Эти технологии позволяют добавлять, удалять или изменять генетический материал в определенных местах генома. Ученые разработали несколько методов для редактирования генома.

Самый известный сегодня метод — CRISPR/Cas9. Его позаимствовали из естественной системы редактирования генома бактерий. Бактерии захватывают фрагменты ДНК от вторгающихся вирусов и используют их для создания сегментов ДНК, известных как массивы CRISPR.

Массивы CRISPR позволяют бактериям «запоминать» вирусы. Если вирусы атакуют снова, бактерии производят сегменты РНК из массивов CRISPR для нацеливания на ДНК вирусов. Затем бактерии используют Cas9 или аналогичный фермент, чтобы разрезать ДНК, что отключает вирус.

Система CRISPR/Cas9 работает аналогичным образом в лаборатории. Исследователи создают небольшой фрагмент РНК с короткой «направляющей» последовательностью, которая прикрепляется к определенной последовательности-мишени ДНК в геноме.

РНК также связывается с ферментом Cas9. Как и у бактерий, модифицированная РНК используется для распознавания последовательности ДНК, а фермент Cas9 разрезает ДНК в целевом месте. После того как ДНК разрезана, исследователи используют собственный механизм восстановления ДНК клетки, чтобы добавлять или удалять фрагменты генетического материала или вносить изменения в ДНК.

Технология геномного редактирования представляет большой интерес для профилактики и лечения заболеваний человека. В настоящее время большинство исследований по редактированию генома проводится для понимания болезней с использованием моделей клеток и животных.

Ученые все еще работают над тем, чтобы определить, является ли этот подход безопасным и эффективным применительно к людям. Он изучается в исследованиях по широкому кругу заболеваний, включая такие моногенные расстройства, как муковисцидоз, гемофилия и серповидноклеточная анемия. В перспективе рассматривается лечение и профилактика более сложных заболеваний: рака, болезней сердца, психических заболеваний и инфекции ВИЧ.

Этические проблемы возникают, когда редактирование генома с использованием таких технологий, как CRISPR/Cas9, используется для изменения генома человека. Большинство изменений, которые вносятся при редактировании генома, ограничены соматическими клетками, отличными от яйцеклеток и сперматозоидов. Эти изменения затрагивают только определенные ткани и не передаются из поколения в поколение. Однако изменения, внесенные в гены в яйцеклетках, сперматозоидах или в генах эмбриона, могут передаться будущим поколениям.

Редактирование клеток зародышевой линии и генома эмбриона поднимает ряд этических проблем, включая вопрос о том, допустимо ли использовать эту технологию для улучшения нормальных человеческих качеств, таких как рост или интеллект. Исходя из этических соображений и требований безопасности, редактирование геномных клеток и эмбрионального генома в настоящее время запрещено во многих странах.

Отредактировать геном и избавиться от всех болезней

В 2018 году, когда родился мой блог, я стала еще больше интересоваться технологией CRISPR/Cas9 и лечением различных заболеваний с ее помощью.

До 2016 года технологию CRISPR/Cas9 испытывали для лечения бета-талассемии на эмбрионах. А в 2018 году произошло то, что потрясло всех, не только генетиков и биологов, но и людей, далеких от науки.

В Китае с помощью ЭКО на свет появились близнецы Лулу и Нана. Что в них необычного? Это первые в мире генетически модифицированные дети.

Китайский ученый Цзянькуй Хэ рассказал о рождении первых в мире детей из генетически отредактированных эмбрионов. По словам ученого, родились близняшки, у которых он хотел создать устойчивость к заражению ВИЧ.

В своем эксперименте он пытался изменить ген CCR5, который кодирует белок, позволяющий ВИЧ проникнуть в клетку, используя метод редактирования CRISPR/Cas9. Он хотел создать у младенцев иммунитет к ВИЧ, носителем которого был их отец. Мать при этом была здорова. Всего ученому удалось отредактировать 16 из 22 эмбрионов, 11 из которых использовались в шести попытках, — одна закончилась беременностью и родами.

«Массивы CRISPR позволяют бактериям „запоминать“ вирусы». / Иллюстрация из книги «Как подружить гены в клетках»

По словам Хэ, у одной из девочек отредактированы обе копии нужного гена, а у второй — одна копия, свидетельств повреждения других генов он не нашел.

Хэ Цзянькуя и двоих его коллег признали виновными в том, что они нарушили китайское законодательство и умышленно, «в погоне за славой» нарушили порядок проведения медицинских процедур, хотя я думаю, что вряд ли они думали о «славе». Хэ приговорили к трем годам тюрьмы и назначили штраф.

До сих пор этот случай обсуждают повсюду. Эта тема будоражит ум. Только представьте, что геном человека можно отредактировать. Сразу в голове возникает целый ряд мыслей о супергероях, сверхспособностях и людях-мутантах. Но в реальности все намного прозаичнее. Мутация в одном и даже в двух генах не превратит человека в супергероя, а лишь изменит какое-то определенное свойство, за которое отвечает этот ген.

Что творят с ВИЧ?

До недавнего времени у человека, который заразился вирусом иммунодефицита, был лишь один вариант терапии — всю жизнь принимать антиретровирусные препараты, чтобы сдержать инфекцию. В 2017 году Лэй Сюй (Lei Xu) из Центра исследований стволовых клеток Пекинского университета и его коллеги провели клиническое исследование, чтобы попробовать создать устойчивость к ВИЧ в клетках крови с помощью CRISPR/Cas9.

Исследователи взаимодействовали с 27-летним пациентом, у которого кроме ВИЧ-инфекции диагностировали еще и Т-клеточную лейкемию. По плану его должны были лечить лучевой терапией, которая убивает существенную часть клеток крови, и пересадка кроветворных клеток ему понадобилась бы в любом случае.

Ученые решили совместить лечение с экспериментальной процедурой: после облучения они ввели больному уже отредактированные клетки донора с мутацией в гене CCR5. В этот момент антиретровирусную терапию пришлось прервать, чтобы можно было оценить результат эксперимента.

CRISPR-модифицированные клетки прижились в организме и не вызвали острого отторжения. Через 19 месяцев клетки с мутацией в гене CCR5 все еще можно было найти в крови пациента, причем не только Т-лимфоциты, но и другие клетки крови. Это значит, что отредактированные кроветворные клетки работают полноценно и производят разные типы клеток, у которых мутация сохраняется.

Тем не менее окончательно отредактировать кроветворение пациента не удалось. Среди всех клеток, забранных учеными у пациента для редактирования, внести изменения в геном получилось лишь у 17,8%. После возвращения в организм новые клетки начали конкурировать со старыми за заселение красного костного мозга. И в течение всего времени наблюдения они составляли лишь 5–8% от общей кроветворной популяции.

Сделать пациента устойчивым к вирусу не удалось: после отмены ретровирусной терапии количество вирусной РНК в крови начало расти, и ему пришлось снова назначить лечение, чтобы инфекция не прогрессировала.

Вместе с тем авторы работы отмечают, что у их исследования есть и позитивный результат. Этот эксперимент сегодня является самым долгим наблюдением за CRISPR-отредактированными клетками в организме человека, и оно показывает, что такие клетки могут быть безопасны. Ученые не обнаружили в клетках никаких незапланированных изменений (следов нецелевого редактирования генома). Клетки также не превратились и в опухолевые, о чем предупреждали некоторые ученые в 2018 году. Таким образом, китайское исследование показало, что CRISPR-модифицированные клетки можно использовать в терапевтических целях без риска для пациента.

Мутация CCR5Δ32 делает Т-клетки человека устойчивыми к заражению ВИЧ. Пересадка костного мозга от донора с мутацией может спасти больного от инфекции, как это было в случае с «берлинским пациентом», а потом с «лондонским», «пациентом города Надежды» и, возможно, «дюссельдорфским» [11–14]. Однако в Европе носителей этой мутации всего несколько процентов от населения, и подобрать полностью совместимого донора довольно сложно. А в некоторых странах (например, в Китае), где носителей практически нет, это и вовсе превращается в невыполнимую задачу.

Еще в 2007 году выяснилось, что есть путь избавления от ВИЧ — приобрести устойчивость вместе с чужими лимфоцитами. Пациенту по имени Тимоти Рэй Браун, которого знают как «берлинского пациента», пересадили кроветворные стволовые клетки от донора с мутацией CCR5Δ32, а через три года оказалось, что ВИЧ в организме Брауна больше нет. В 2020 году Браун умер от лейкемии.

В марте 2019 года врачи сообщили, что еще один пациент, вероятно, повторил судьбу Тимоти Брауна: его окрестили «лондонским пациентом». Врачи не обнаружили следов ВИЧ в организме пациента в течение более 30 месяцев после пересадки костного мозга. В том же году исследователи сообщили о третьем, «дюссельдорфском», пациенте с ВИЧ и ремиссией после пересадки костного мозга.

В начале 2022 года жительница Нью-Йорка вылечилась от ВИЧ после трансплантации стволовых клеток из пуповинной крови, которая не требует полного генетического совпадения, но имеет мутацию в гене CCR5. Как и у предыдущих пациентов, помимо ВИЧ врачи нашли у нее миеловидный лейкоз, иначе — рак кроветворных клеток костного мозга.

Ножницы против рака

В 2019 году представители компаний CRISPR Therapeutics и Vertex объявили о первом успешном применения CRISPR для лечения наследственных заболеваний. Экспериментальная методика помогла двум пациенткам, одна из которых страдает от бета-талассемии, а другая — от серповидноклеточной анемии.

«„...Молекулярные ножницы Cas9 отрезают ДНК раковых клеток, нейтрализуя ее и окончательно предотвращая репликацию“». / Иллюстрация из книги «Как подружить гены в клетках»

В первой половине 2019 года CRISPR Therapeutics и Vertex для старта клинических испытаний CRISPR-терапии начали набирать в Европе и США добровольцев с наследственными заболеваниями крови. Среди них были две женщины из Германии и США. Хотя их болезни отличаются, обе они связаны с мутациями в гене гемоглобина. При бета-талассемии развивается дефицит эритроцитов, а при серповидноклеточной анемии они приобретают неправильную форму и могут застревать в капиллярах.

Для лечения обеих пациенток исследователи применили один подход. Клетки крови извлекли и отредактировали таким образом, чтобы они вновь начали производить фетальный гемоглобин, который обычно синтезируется только у детей.

Для этого с помощью CRISPR «отредактировали» ген, подавляющий производство «детского» гемоглобина у взрослых людей. Затем при помощи химиотерапии уничтожили старые клетки крови в костном мозге пациенток, а на их место ввели отредактированные.

Процедура значительно облегчила состояние женщин. Например, пациентка с бета-талассемией после лечения смогла несколько месяцев обходиться без переливания донорской крови. До редактирования ей приходилось делать это 16 раз в год и более. Теперь 99,8% клеток ее крови производили фетальный гемоглобин. У пациентки с серповидноклеточной анемией до лечения сосуды закупоривались дефектными эритроцитами в среднем семь раз в год. Однако в течение четырех месяцев после лечения такого не произошло ни разу: 46,6% гемоглобина в ее крови относилось к фетальной форме.

Оба случая сопровождались довольно тяжелыми побочными эффектами, включая воспаление легких, боли в животе и образование желчных камней. Исследователи полагают, что это последствия химиотерапии, а не CRISPR.

К июню 2020 года лечение прошли еще несколько человек, и все достигли значимых улучшений.

У новых добровольцев ученые также наблюдали успешное приживление отредактированных клеток, они эффективно продуцировали эритроциты после их трансплантации обратно пациенту. У некоторых участников, как и в случае первых двух пациентов, исследователи зафиксировали побочные эффекты, однако их связывают с проведением обязательного курса химиотерапии перед трансплантацией модифицированных клеток.

В конце 2020 года израильские ученые продемонстрировали эффективность технологии генного редактирования CRISPR/Cas9 в лечении метастатического рака. Они разработали новую систему доставки на основе липидных наночастиц, которая воздействует на раковые клетки и разрушает их воздействием на гены.

«Это первое исследование в мире, доказывающее, что систему генного редактирования CRISPR можно успешно использовать для лечения рака на модельных животных, — заявил профессор Дан Пеер, глава лаборатории точной наномедицины в Университете Тель-Авива. — Следует подчеркнуть, что это не химиотерапия. Нет побочных эффектов, а раковая клетка подвергается такому воздействию, что никогда уже не становится снова активной. Молекулярные ножницы Cas9 отрезают ДНК раковых клеток, нейтрализуя ее и окончательно предотвращая репликацию».

Для того чтобы изучить эффективность применения этой технологии для лечения рака, профессор Пеер и его команда выбрали два вида рака из самых смертельных: глиобластому и метастатический рак яичников.

Глиобластома — наиболее агрессивный тип рака мозга, ожидаемая продолжительность жизни при котором составляет 15 месяцев после постановки диагноза, а выживаемость на протяжении пяти лет — всего лишь 3%.

Рак яичников — частая причина смерти среди женщин и самый летальный вид рака женской репродуктивной системы. У большинства пациентов заболевания диагностируются на поздней стадии, когда метастазы уже распространились по организму. Несмотря на прогресс в этой области, такой рак побеждает всего треть пациентов.

Ученые продемонстрировали, что всего одна процедура терапии липидными наночастицами и CRISPR удваивает среднюю продолжительность жизни у мышей с глиобластомой, увеличивая шансы на выживание до 30%. Лечение метастатического рака яичников повысило выживаемость грызунов до 80%. Исследователи отмечают, что такие результаты при лечении этих двух агрессивных видов рака открывают множество новых возможностей для использования технологии при борьбе с другими видами рака.

В 2020 году технология получила особое признание, нобелевскими лауреатами по химии стали Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Премию присудили за развитие метода редактирования генома CRISPR/Cas9.

Однако наука не стоит на месте, и в мае 2021 года исследователи из Гарвардского института создали новый инструмент редактирования генов, который может позволить ученым проводить миллионы генетических экспериментов одновременно. Они назвали этот метод рекомбинированием ретронов, в нем используются сегменты бактериальной ДНК, которые могут создавать фрагменты одноцепочечной ДНК.

Метод основан на защитном механизме бактерий — ретронах.

Ретрон — это небольшой фрагмент одноцепочечной ДНК, который обоими концами прикреплен к фрагменту РНК. Такая молекула получается в результате считывания ДНК с матрицы РНК (обратной транскрипции) при помощи ретротранскриптазы.

Главное потенциальное применение геномного редактирования с использованием ретронов — внесение небольших мутаций. Такой подход можно использовать, например, для создания большого количества генетических вариантов, чтобы имитировать их влияние на приспособленность и эволюцию. Чтобы имитировать эволюцию каждого варианта из одного генома, биологи предложили фрагментировать этот геном и поместить фрагменты в ретроны, после чего внести каждый вариант в отдельную клетку. Ученые провели такой эксперимент на кишечной палочке и показали, что в ее геноме действительно можно выделить мутации, которые дают преимущество в ходе эволюции — устойчивость к антибиотикам.

«Воскрешение» мамонтов

В сентябре 2021 года биолог Джордж Черч и предприниматель Бен Ламм решили создать компанию, которая будет «воскрешать» мамонтов, а если точнее — получать генетически отредактированных морозоустойчивых слонов с признаками мамонтов.

«На сайте копании Colossal отметили, что этих животных корректнее называть не мамонтами, а „морозоустойчивыми слонами со всеми основными биологическими признаками шерстистого мамонта“» / Иллюстрация из книги «Как подружить гены в клетках»

Уже сразу после анонса этот американский стартап получил 15 миллионов долларов на «превращение слонов в мамонтов».

На сайте копании Colossal отметили, что этих животных корректнее называть не мамонтами, а «морозоустойчивыми слонами со всеми основными биологическими признаками шерстистого мамонта». Иначе, видимо, реально сильно попахивает воскрешением.

Эпигенетический редактор

Мы уже выяснили, что изменение последовательности ДНК — очень полезный механизм для лечения некоторых заболеваний, которые не поддаются стандартной терапии. Однако не все так просто. Все мы несовершенны, как и система редактирования генов CRISPR/Cas9. Иногда при работе она задевала важные участки ДНК клеток, что приводило к ошибкам при их последующем делении.

Доценты Калифорнийского университета Люк Гилберт, Вайсман Джеймс Нуньес и их команда разработали новый метод, который вызывает стабильные изменения активности генов, чтобы его можно было наследовать через сотни клеточных делений, а также является полностью обратимым! Его назвали CRISPRoff, и он способен отключать гены без повреждения нитей ДНК, а значит, и без генетических трансформаций материала!

Изменения, сделанные с помощью новой технологии, передаются следующим поколениям клеток, и самое главное — их можно отменить в любой момент. Описать такой механизм можно словом «эпигенетический», что означает дословно «над генами». Изменения при нем происходят не в процессе редактирования структуры кода. С помощью химических превращений удается регулировать степень активности, а не последовательность нуклеотидов в ДНК.

Эпигенетическое отключение генов останавливает считывание кода с ДНК и синтез патологических белков, а значит, может препятствовать развитию заболеваний. Как и любая новая технология, метод требует более тщательного изучения.

Но бывают случаи, когда необходимо вмешаться в саму структуру ДНК. Для этого существует метод праймированного редактирования.

Как это работает? Для этого немного вспомним биологию. Есть клетка, в ее ядре содержится ДНК, в которой содержится информация о синтезе белков. Есть вирус, он содержит нуклеиновую кислоту: ДНК или РНК. Вирус заставляет клетку копировать себя.

Для этого вирус проникает в клетку, включает свой фермент — обратную транскриптазу — и «вставляет» нужную последовательность своего кода в ядро клетки, перед этим сделав перевод с языка РНК на язык ДНК.

Обратная транскрипция — это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации в одноцепочечной РНК, осуществляется при помощи фермента обратной транскриптазы.

Так вот, для редактирования генома используют тот самый принцип обратной транскриптазы, он позволяет сделать точечные замены нуклеотидов или целых участков. Этот метод работает лучше, чем стандартный CRISPR/Cas9. Исследования опубликованы в журнале Nature в 2019 году.

В основе стандартной методики CRISPR/Cas9 лежит разрезание ДНК: Cas-9 нуклеаза разрывает связи в обеих цепях ДНК. Далее она сшивает соседние нуклеотиды, беря информацию о нужной замене из соседней хромосомы или из последовательности, которую предоставляет экспериментатор. Такие заимствования могут быть опасными и смертельными для клетки. Существует метод замены оснований, при нем не происходит двуцепочечного разрыва, но варианты редактирования очень ограничены.

С этим под руководством Дэвида Лю решила разобраться группа ученых из Гарвардского университета, разработав метод праймированного редактирования. В чем его суть?

Удлиненная гидовая РНК (ПргРНК) способна выполнять сразу две функции: определять конкретные участки ДНК, нуждающиеся в исправлении, и нести информацию об изменениях, которые нужно произвести.

Cas9 садится на ДНК, расплетает ее на две части. Второй фермент ПргРНК прилипает на противоположную нить и защищает ее. На рабочей нити Cas9 делает одноцепочечный разрыв, а ПргРНК вторым концом присоединяется к месту разрыва. К белку Cas9 подходит еще один фермент, и на основе присоединенной части ПргРНК строит новую последовательность, переписывая ген заново.

В итоге имеем две версии ДНК: старую и новую. Новую ферменты вшивают на место, а старая утилизируется. Но тут еще проблема: цепь с новой последовательностью не комплиментарна нерабочей, поэтому нужно провернуть еще раз такую операцию, но со второй цепью.

Успех такого редактирования составляет от 20 до 50%, а частота ошибочных вставок около 10%. У стандартного метода статистика хуже. Но главное преимущество — универсальность метода: его можно применить и в случае потери последовательностей. В частности, удалось изменить гены при серповидноклеточной анемии и при болезни Тея–Сакса. Все же споры о широком применении такого метода еще не остановились и вызывают множество вопросов в ученых кругах.

А вот недавно исследователи смогли полностью удалить вирус иммунодефицита человека из организма мышей с человеческими Т-лимфоцитами с помощью препаратов и генного редактирования.

При ВИЧ вирусная частица поселяется в Т-лимфоците и не дает ему выполнять свою функцию — распознавать чужеродные агенты. Со временем организм вовсе перестает противостоять даже обычному ОРВИ. Лекарство, способное полностью удалить ВИЧ из организма, не существует: сегодня можно снизить его концентрацию в клетках человека до минимума и обеспечить полноценную жизнь на антиретровирусных препаратах.

Вирус не поражает клетки мышей, поэтому для начала ученые ввели им гемопоэтические клетки CD34+. После развития их в Т-лимфоциты специалисты ввели вирус. Через 14 дней мышам начали вводить антиретровирусные препараты LASER ART в наночастицах с липидной оболочкой, которая позволяет дольше поддерживать концентрацию препарата в крови. Были и другие группы: только с лечением препаратами и только с генной терапией, плюс контрольная группа безо всякого лечения. Во всех трех опытных группах концентрация вируса в крови снизилась, но лишь у группы с совместной терапией удалось полностью элиминировать вирус из организма. Хоть выборка мала и результаты применения методики далеки от 100%-ного успеха, предпосылки обнадеживающие.

Для того чтобы определить влияние конкретного участка гена на проявления признака, необходимо либо внести в него мутацию, либо повлиять на активность этого гена. Можно изменить последовательность нуклеотидов при помощи системы CRISPR/Cas9. Однако эффективность не так высока, как хотелось бы.

К тому же ген может быть настолько важен для организма, что необратимые изменения могут привести к серьезным последствиям для всего организма. А вот чтобы временно выключить фрагмент, можно использовать РНК-интерференцию (механизм уничтожения чужеродной двуцепочечной РНК).

Она способна остановить работу гена на этапе транскрипции, влияя на матричную РНК (посредника между ДНК и новым белком). Но некоторые гены слишком активны, и такой способ также неэффективен.

Транскрипция — это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Есть белок Cas13a, который способен достаточно точно связываться с нужной молекулой РНК. Поэтому для новой системы взяли именно его. CRISPR/Cas13 протестировали на клетках бактерий и растений. Чтобы эффективно использовать его у человека, ученые сделали так, чтобы белок синтезировался в эукариотических клетках, и добавили к нему последовательность, обеспечивающую доставку в ядро. После этого авторы проверили эффективность системы для снижения активности нескольких генов человека на фибробластах и клетках меланомы. Эффективность выключения составила от 30 до 85%, что в среднем соответствовало эффективности контрольных проб для РНК-интерференции.

Но также при помощи Cas13 авторам работы удалось существенно снизить количество транскриптов для генов, которые с использованием РНК-интерференции подавить не удавалось. Преимуществом CRISPR/Cas13 перед интерференцией оказалась чувствительность связывания.

Однако станет ли метод популярнее своего предшественника, пока не понятно.

Человек с сердцем свиньи

Сегодня генная инженерия зашла настолько далеко, что 57-летнему пациенту с неизлечимой болезнью сердца сделали пересадку этого органа, который взяли у свиньи и генетически отредактировали!

Такая манипуляция была последним шансом Дэвида Беннета на жизнь: он уже перенес несколько пересадок клапанов сердца, а пересадить сердце от человеческого донора по неуточненным причинам было невозможно.

Случай небывалый: только в конце 2021 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США разрешило провести экстренную операцию, которая длилась восемь часов.

После операции Дэвид находился на искусственном кровообращении, что нормально для послеоперационного периода, но вскоре его отключили, так как новое сердце прекрасно выполняло свои функции. Врачи отметили, что не наблюдается признаков эндогенного ретровируса свиньи, что возможно при трансплантации органов не от человека.

Вообще, ксенотрансплантация известна еще с 60-х годов прошлого столетия. Тогда пересаживали почки шимпанзе нескольким людям, но реципиентам удавалось прожить не более девяти месяцев после операции. Также известны попытки пересадки сердца бабуина младенцу, родившемуся с дефектом этого органа. Но тогда, в 80-х годах, операция продлила жизнь ребенка всего на 20 дней.

Считается, что если брать органы свиней в качестве донорских, то успех операции значительно повышается. В наши дни людям, страдающим диабетом, пересаживают клапаны сердца и клетки поджелудочной железы, которые берут у свиней.

Генетическая модификация ксенотрансплантатов нужна для того, чтобы снизить риск отторжения тканей. Сердце, которое пересадили Беннету, прошло 10 генетических модификаций: ученые отключили четыре гена, среди которых был ответственный за отторжение чужеродной ткани. А еще шесть генов, наоборот, добавили, что сделало орган более толерантным к иммунной системе Дэвида.

Но надежды полностью не оправдались: пациент все равно умер спустя два месяца после операции, правда, до сих пор неясно из-за чего. Видимо, предстоит еще выяснить много нюансов, прежде чем технологию возьмут в оборот.

Большую пользу сельскому хозяйству может принести технология выведения потомства определенного пола. Биологи из Лондонского университета Френсиса Крика под руководством Джеймса Тернера опубликовали работу, в которой использовали генное редактирование с помощью методики CRISPR/Cas9, чтобы получить линию потомства мышей одного пола.

CRISPR/Cas9 использует специальный белок, нуклеазу, который в процессе деления ДНК может делать разрез цепочки в нужном месте, внося коррективы в гены и «направляющую» РНК, которая показывает, в каком месте сделать разрез. Мишенью для фермента выбрали ген топоизомеразы 1 (Top 1), работа которого жизненно важна для клеточного деления: без него организм погибает внутриутробно. Для этого составляющие CRISPR-системы разделили по геномам родителей: ген нуклеазы вносили в Y-хромосому отца, а ген, кодирующий направляющую РНК, — в ДНК матери.

По отдельности они не оказывают никакого эффекта, но, соединившись в одном организме, эти генетические редакторы не давали строиться ДНК по мужскому типу, и потомство получалось полностью из особей женского пола. При этом количественно потомства появилось больше на 30%, чем без генной модификации. Скорее всего, произошло такое из-за того, что гибель зародышей одного пола позволила направить все ресурсы на развитие зародышей другого.

Ген TOP 1 имеется у всех животных, и в теории такую методику можно использовать для выведения однополых линий. Но удастся ли привнести новый метод в сельское хозяйство — большой вопрос этического характера, не все люди понимают безвредность ГМО-технологий.

Размножаться без отца

Партеногенез — это способность живого организма размножаться без участия второй особи, то есть из одной половой клетки, например яйцеклетки. Для млекопитающих такая способность не характерна. Этому мешает геномный импринтинг, в ходе которого сперматозоид и яйцеклетка навешивают на свою ДНК эпигенетические метки.

В результате новый организм «получает» хромосомы с генами, часть из которых «работает» только с отцовской хромосомы, а часть — с материнской. Если в оплодотворении будет участвовать только материнская или только отцовская половая клетка, то организм рискует получить огромную часть неработающих генов и погибнуть.

Ученые множество раз пытались разрешить этот вопрос и даже получили потомство от однополой пары мышей. Для этого отключались некоторые участки в геномах. Потомство от отца получилось нежизнеспособным, а от матери — вполне себе здоровым. Яньчань Вэй из шанхайского университета Цзяотун вместе с коллегами попробовал добиться настоящего партеногенеза, то есть вырастить мышь из одной-единственной зрелой яйцеклетки.

Для этого они вывели потомство гибридных мышей путем скрещивания мышей двух разных линий, у которых четко прослеживались генетические различия. Так сделали, потому что особи получили набор хромосом, которые явно отличаются между собой, и не стоит труда разобрать, где отцовская хромосома, а где материнская.

У самок из гибридного потомства взяли незрелые яйцеклетки и изменили их генетический код: сняли те самые эпигенетические метки с помощью системы CRISPR/Cas9. Затем то же самое сделали с отцовскими хромосомами. В результате получилась имитация подготовки к оплодотворению.

Далее клетки простимулировали к делению, получили зародышей, которых пересадили к самке. Но все эмбрионы погибли к 13-му дню. Почему? Исследователи предположили, что дело в материнских генах. Тогда с помощью другой системы CRISPR/Cpf1 отредактировали чуть больше материнских генов и повторили то же самое. Выживаемость была очень низкой.

При этом даже выжившие мышата умирали в течение суток. Ученые продолжали эксперимент, подбирая те условия, которые приведут к нужному результату.

Примечание научного редактора

Любопытно, что одна из мышей, полученных путем партеногенеза, дала потомство. У этих мышат ученые исследовали экспрессию важного гена в головном мозге и пришли к выводу, что нарушений геномного импринтинга у них не было. Получается, даже хотя у их мамы отредактировали не все необходимые гены, это не помешало мышатам родиться здоровыми из-за того, что каждый раз при формировании новой жизни эпигенетические метки стираются и устанавливаются заново.

Наконец, с очередной попытки удалось получить двух мышат с нормальным весом и развитием, отредактировав еще несколько участков по отцовской линии. Это первый случай успешного партеногенеза на живых организмах. Правда, ученые отмечают очень низкую эффективность методики: чтобы получить двух здоровых мышей, пришлось подсаживать самкам сотни зародышей.

Это связано с тем, что довольно трудно отредактировать все восемь участков в геноме: ошибка и неудача всего в одном случае ведут к провалу. К тому же ученые отмечают, что не все участки, которые нуждались в редактировании, были ими найдены.

Выключить алкоголизм

По всему миру проблема излечения от алкоголизма становится все более актуальной: время идет, а лекарство для 100%-ного исцеления до сих пор не найдено. Ученые из США, Университета штата Иллинойс, открыли как применить особую технологию редактирования генов CRISPR-dCas9 для работы в этом направлении.

При развитии алкоголизма в возрасте от 11 до 17 лет уменьшается экспрессия гена ARC. Этот ген связан со способностью обучаться и запоминать новую информацию, а также за передачу РНК от нейрона к нейрону.

В одном из экспериментов участвовали лабораторные крысы, у которых были подобные изменения. С помощью редактирования конкретно этого гена крысам удалось вернуть свою трезвую жизнь. Результаты эксперимента все-таки довольно узки: он показал, что можно вылечить алкоголизм у той группы грызунов, зависимость которых пришлась на подростковый период. На людях такие эксперименты не проводились.

Теперь перейдем к братьям нашим меньшим. Домашние животные — следствие искусственного отбора, направленного на то, чтобы животное соответствовало нуждам хозяев. Популярное домашнее животное хомяк не всегда отличается кротким нравом и добродушием. По крайней мере, так считали ученые из США, которые решили подредактировать геном хомяка и сделать его более дружелюбным. Но получилось все наоборот.

С помощью технологии редактирования генома ученые собирались выключить ген, который связан с проявлением агрессивного поведения, путем подавления активирующих его рецепторов вазопрессина — гормона, связанного у людей с чрезмерной агрессией. Но все оказалось не так однозначно: подобная коррекция привела к еще большей агрессии и усилила инстинкты самозащиты. Что же, ученым пришлось признать, что психическая регуляция сложнее, чем предполагалось!

Выключить цвет

Изучать воздействие генной терапии в некоторых экспериментах требуется на стадии эмбриона. Но иногда невозможно внести белок — переносчик гена непосредственно в эмбрион. Например, насекомые развиваются в очень плотной оболочке. Однако недавно японские ученые нашли способ доставить CRISPR-коктейль в половые клетки.

Группа ученых придумала поместить переносчик опосредованно — в тело материнской особи. Там он проникает в половые клетки и наследуется потомством. Новый подход назвали DIPA-CRISPR, или прямой родительский CRISPR. С помощью такого подхода ученым удалось изменить цвет глаз у 22% потомства рыжих тараканов и у 50% потомства жуков-хрущаков.

Похожие результаты получались и другими методами. Главное, что подход сработал!

Источник