Появление методов изменения генетического материала открыло перед биологами, генетиками и медиками потрясающие перспективы. Направленное вмешательство в святая святых позволило выращивать живые организмы с заданными свойствами и создавать клеточные модели, которые нужны для разработки новых лекарств. Также стала возможной генотерапия – исправление врожденных генетических аномалий.
На XV Национальном конгрессе терапевтов речь зашла не только о технической, но и об этической подоплеке генной инженерии. Вторгаясь в геном живого организма, тем более – человека, к чему мы придем в итоге? Генетики вдохновенно рассказывают о перспективах: будущей победе над муковисцидозом, ВИЧ, тяжелыми генетическими заболеваниями, государственные мужи хмурят брови и под напором общественности принимают ограничительные законы и постановления. Тем не менее, давайте посмотрим, чего удалось добиться генетикам на сегодняшний день.
Изменения кода
Редактирование генома подразумевает изменение генетического кода организма. Как лучше и точнее это сделать?
«Надо знать место, которое мы хотим модифицировать – это первое. Второе – следует понимать, какое вмешательство необходимо: либо следует что-то вставить (определенную последовательность белков), либо что-то убрать, - говорит кандидат медицинских наук, доцент, и.о. заведующего кафедрой внутренних болезней Башкирского государственного медицинского университета Антон Тюрин. – Для этого последовательность ДНК в нужном месте разрезается и в месте разреза вставляется донорский фрагмент – определенное количество нуклеиновых кислот, второй вариант – находим, где и что не так и изымаем неправильную последовательность белков. Геному придается новый смысл, наследственная информация передается уже в измененном виде».
Нужны инструменты
Положим, мы знаем, куда и зачем хотим вмешаться. Но как найти нужную последовательность в длиннющей спирали ДНК? И чем ее разрезать? Первым инструментом стали так называемые цинковые пальцы – белковые структуры, содержащие молекулу цинка и по форме напоминающие палец. Каждый такой «пальчик» способен опознать и связаться с определенной последовательностью ДНК из трех нуклеотидов. Таким образом, можно создать цепочку «цинковых пальцев», которая будет узнавать определенный участок ДНК. Чем больше в ней звеньев, тем точнее можно воздействовать на небольшие участки генома.
Увы, «пальцы», как показала практика, довольно часто ошибаются, и тогда ДНК расщепляется совсем в другом месте. Кроме того, метод требует больших затрат времени и денег. Ведь для каждой последовательности создается строго индивидуальный инструмент.
Вторым этапом стало создание конструкций на основе химерных нуклеаз TALENs (Transcription Activator-like Effector Nucleases). ДНК-структуры распознают в них особые белковые комплексы. Каждый из них «узнает» лишь один нуклеотид. Так как механизм прост, получить конструкцию, которая «опознает» нужную последовательность нуклеотидов, несложно. Соединив TALENs с ферментом, расщепляющим ДНК, получаем достаточно точные «ножницы».
И, наконец, в 2012-2013 годах был разработан поистине революционный метод генной инженерии CRISP/Cas - точный, простой, обеспечивающий точное попадание на нужные участки ДНК. Его к тому же можно использовать в любой по-современному оснащенной молекулярно-генетической лаборатории.
Структуры ДНК здесь распознают не белки, а короткие РНК. CRISP состоит из повторяющихся последовательностей бактериальной ДНК, повторы разделяют короткие фрагменты чужеродной РНК (например, вирусной). Чужеродные фрагменты РНК встраиваются в бактериальный геном. Бактериальная ДНК откликается на Cas-белки, фрагменты РНК связываются с участком, который надо изменить. После этого белки Cas разрезают бактериальную ДНК – встраивай туда и извлекай, что хочешь.
При помощи системы CRISP/Cas можно модифицировать геном самыми разными способами: вносить в него мутации, встраивать новые гены или удалять их, исправлять или заменять как сами гены, так и их последовательности.
Практическое применение
Одна из задач генной инженерии – создание клеточных моделей для поиска и доклинических испытаний новых лекарств. Вмешиваясь в геном стволовых клеток человека, получаем клетки-модели наследственных заболеваний. По сути, это «пациент в пробирке», на котором можно тестировать различные химические соединения.
Можно также отредактировать собственный генетический аппарат, усилив системы регуляции. Так, в стволовых клетках пациента, страдающего муковисцидозом, уже удалось отредактировать измененный ген. После трансплантации клеток с «отремонтированным» геномом в организм больного здоровые клетки замещают аномальные.
Метод CRISP/Cas, скомбинированный с клеточными технологиями открывает возможность избавиться от таких генетических заболеваний, как сахарный диабет, мышечные дистрофии, болезнь Альцгеймера и т.п. Можно удалить вирусную ДНК при ВИЧ-инфекции. Причем редактировать геном можно даже у эмбриона, полученного методом ЭКО. Модификация может быть соматической (не передаваться по наследству) или наследуемая.
Вы можете задать резонный вопрос: зачем мучиться с геномом, если многие генетические болезни уже сейчас лечатся лекарствами, полученными методом генной инженерии? Они одобрены и дают хороший эффект. Но дело в том, что некоторые из них сравнимы по стоимости с новым самолетом. Редактирование генома намного дешевле. И это только один из множества доводов «за». Есть и ярые противники подобного метода.
«По поводу вмешательства в геном сейчас идут жаркие религиозные, научные, юридические и этические споры, - информирует Антон Тюрин. – Мы оказались перед ящиком Пандоры. Что там внутри? Открыть и разобраться хочется, но, честно говоря, страшно за последствия. В большинстве развитых стран на вмешательство в геном человека введен мораторий, но в менее развитых странах законодательство лояльное. К чему это приведет, сказать пока сложно».
Второй международный саммит по редактированию генома человека, прошедший в ноябре 2018 года, выработал правила и нормы использования методов генной инженерии. Но они носят рекомендательный, а не законодательный характер. Конкретно же редактирование генома не регулируется никакими законами, ученые занимаются этим на свой страх и риск. Нам остается только надеяться, что у них хватит мудрости использовать генную инженерию максимально безопасно.