Система редагування генів, зроблена на основі бактеріального антивірусного захисту, може працювати в людському зародку. Правда, поки не дуже ефективно.
Зовсім недавно ми обговорювали специфічну систему захисту бактерій від вірусів - система, звана CRISPR/Cas, розпізнає чужорідні ДНК-послідовності і ліквідує їх. Виявили CRISPR/Cas нещодавно, і за неї відразу ж вхопилися молекулярні біологи і фахівці-біотехнологи, що займаються проблемами редагування генів.
Чому нею так зацікавилися? Якщо спробувати в двох словах описати принцип роботи CRISPR/Cas, вийде так: у певному місці в геномі бактерії зберігаються фрагменти вірусних генів, з них зчитується РНК-копія, яку підхоплює спеціальний білок (Cas). За допомогою РНК він перевіряє незнайому ДНК, яка потрапила в клітку, на предмет її вірусності, і, якщо підозри виправдалися, така ДНК інактивується. Особливість системи в тому, що перевіряючий білок програмується на суворе впізнавання певної нехорошої послідовності. А якщо, скажімо, забезпечити його якоюсь іншою, синтезованою нами, РНК-інструкцією? Наприклад, ми скажемо білку Cas шукати якийсь пошкоджений, мутантний шматок в людському гені, після чого запустимо всю молекулярну машину в нейрон, або в клітку печінки, або в зародок. Модифікована система знайде потрібну ділянку в ДНК і виріже її, а утворився пролом можна залатати виправленою, здоровою послідовністю. Якщо зробити так з одноклітинним зародком, то всі клітини організму, який з нього вийде, будуть вже без мутації.
За допомогою модифікацій білка Cas9, який виявився найбільш придатним для таких цілей, вдалося домогтися великої специфічності редагуючого інструменту; більш того, Cas9 разом з РНК-гідом може доставити на потрібну ділянку ДНК ферменти, які не будуть нічого вирізати, але зате забезпечать нуклеотидну послідовність якими-небудь мітками, що відключають ген. Загалом, можливостей відкривається маса, але питання в тому, чи буде система працювати in vivo, в живому повноцінному організмі.
Досить швидко вдалося з'ясувати, що у тварин CRISPR/Cas9 цілком працює. Наприклад, минулого року китайським дослідникам вдалося відредагувати геном зародкам макаки-крабоїда. Незабаром після цього вийшла стаття в Nature Biotechnology, в якій співробітники Массачусетського технологічного інституту розповідали, як вони за допомогою CRISPR/Cas9 вилікували дорослих мишей від тирозинемії, при якій перестає розщеплюватися амінокислота тирозин, і виникають неполадки в метаболізмі призводять до пошкоджень печінки, а також нирок і нервів. У клітинах печінки вдалося замінити шматок гена з тирозинемічною мутацією на нормальний, немутований фрагмент - і тварини одужали.
Було очевидно, що рано чи пізно те ж саме пророблять з людським ембріоном. І ось в журналі Protein & Cell з'явилася стаття, де описується процедура генетичного редагування в заплідненій людській яйцеклітині. Систему CRISPR/Cas9 направили на мутантний ген, що викликає важке захворювання крові - бета-таласемію, при якій порушується синтез гемоглобіну. Ембріони, тобто запліднені яйцеклітини, взяли з клінік, що спеціалізуються на штучному зачатті. Відразу слід сказати, що Цзюньцзю Хуань (Junjiu Huang) і його колеги з Університету Сунь Ятсена використовували те, що можна назвати виробничим шлюбом - коли запліднення відбувалося відразу двома сперматозоїдами, і в яйцеклітині виявлявся таким чином зайвий набір хромосом. До появи на світ такі ембріони не дотягують, проте все ж встигають подолати кілька перших стадій розвитку.
Комплекс CRISPR/Cas9 вводили в 86 яйцеклітин і чекали дві доби, щоб час ембріон встиг розростися до 8 клітин. Вижили не всі, але досить багато - 71, і в 54 з них перевірили гени. Редагуюча система лише в 28 вирізала неправильний фрагмент ДНК, і лише в деяких на місце вирізаних була вставлена нормальна послідовність. Всі ці цифри потрібні для того, щоб показати, наскільки метод ще далекий від досконалості - адже для того, щоб редагувати геноми в повноцінних ембріонах, яким належить довге і щасливе життя, ефективність всієї процедури повинна дорівнювати 100%, і ні відсотком менше.
Крім того, автори роботи говорять ще й про досить неприємний побічний ефект: редагуючий комплекс втручався туди, куди його не просили, так що в клітинах ембріонів виявилося багато мутацій, обумовлених активністю CRISPR/Cas9. Причому рівень таких мутацій був вище, ніж в аналогічних експериментах з ембріонами мишей або ж «дорослими» людськими клітинами. Можливо, система так спрацювала через те, що самі ембріони, як ми пам'ятаємо, були з бракованим геномом. Але щоб з'ясувати, так це чи не так, потрібно поставити такий же досвід з нормальними заплідненими яйцеклітинами.
І ось тут виникає проблема етичної допустимості подібних досліджень. Суперечки про те, чи можемо ми маніпулювати генами ембріонів, останнім часом особливо загострилися (в тому числі і у зв'язку з успіхами в дослідженнях CRISPR/Cas9), і висловлювалися підозри, що, напевно, подекуди такі роботи вже йдуть. І ось, як на зло, з'являється вищеописана публікація. Статтю намагалися направити в Nature і Science, але і там, і там її відхилили, і не за науковими критеріями, а саме за етичними. Справедливості заради варто сказати, що дискусії на тему людських ембріонів закінчуються рекомендацією «ретельно враховувати всі ризики», але як їх можна врахувати, якщо не знаєш, в чому саме і де саме вони можуть полягати? Експерименти, подібні тому, які виконали співробітники Університету Сунь Ятсена, якраз дозволяють точно зрозуміти слабкі місця технології.
Є й інша, більш радикальна точка зору, яка полягає в тому, що ембріони взагалі варто залишити в спокої, і що якщо у нас є генетичне захворювання, то виправляти поломку в генах потрібно вже у дорослих людей. З етичної точки зору такий підхід більш прийнятний, але технічно здійснити це набагато важче (хоча не виключено, що і тут з'явиться якийсь революційний метод, що дозволяє легко виправляти «дорослі» гени у всіх потрібних клітинах).
Ну а поки такі дискусії тривають, сам Цзюньцзю Хуань разом з колегами будує плани подальших досліджень з заплідненими яйцеклітинами. Головною їх метою буде, як легко здогадатися, зменшити непередбачувану мутагеність комплексу CRISPR/Cas9. Крім нього є й інші методи, які дозволяють редагувати геном, і, до речі кажучи, вони провокують менше непотрібних мутацій. Однак CRISPR/Cas9 виграє в ефективності і простіше у зверненні, так що увага біотехнологів поки що прикута саме до неї.
Підготовлено за матеріалами NatureNews.