Взломать Дарвина: генная инженерия и будущее человечества: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Если вирус попадает в клеточный город, бактерия сразу отправляет РНК-зонд на поиски совпадения кода вирусной ДНК с сохраненным списком генетических мишеней из CRISPR. Найдя такое совпадение, бактерия активирует особый фермент для связывания участка кода вируса и разрыва вирусной ДНК в месте совпадения вирусного и бактериального кода. В ходе этой битвы вирусный агент разрезается на части, бактерия побеждает, а в ковбойском салоне снова играет музыка, и посетители возвращаются к карточным играм.

Но эта история не только о вирусах и бактериях. Поскольку сотни миллионов лет назад некоторые бактерии соединились с клетками практически всех форм жизни, генетический код, который когда-то возник в ходе непрекращающейся войны между вирусами и бактериями, реплицировался почти во все клетки жизненного спектра. CRISPR, как оказалось, стали ключом к редактированию кода всех форм жизни и к изменению самой биологической жизни в общеизвестном нам понимании. Ученые стали активно изучать науку о CRISPR, что привело к большому и стремительному успеху в понимании столь замечательного инструмента.

В 2010 году команда Сильвиана Муано показала, как система CRISPR-Cas9 (CRISPR-ассоциированный ген № 9) проводила двунитевые разрывы ДНК в точных и прогнозируемых участках. В следующем году Эммануэль Шарпантье выяснила, каким образом кусочки РНК двух разных типов направляют фермент Cas9 к своей мишени.

Год спустя, в 2012 году, Шарпантье со своей коллегой Дженнифер Даудна, биохимиком из Беркли, а также с Мартином Джинеком умело превратили систему CRISPR-Cas9 в точный инструмент, которым можно воспользоваться для разрыва любой цепочки ДНК. Кроме того, они выяснили, как использовать эту систему, чтобы добавлять дополнительную и новую ДНК. При разрыве цепочки ДНК пытается «склеить» это место и захватывает все доступные ДНК, которые исследователи помещают в место разреза. Так процесс редактирования геномов становится в разы проще, чем раньше. В следующем году Даудна, Шарпантье и Фэн Чжан, исследователь из Гарварда и Массачусетского технологического института, заявили, что CRISPR-Cas9 можно одновременного нацеливать на несколько мест в геноме человека.

Если попытаться выразить всю суть CRISPR в одном предложении, то мы получим следующее: системы CRISPR пользуются теми же крошечными «ножницами», которые используют бактерии, чтобы разрезать вирусных агентов; системы CRISPR вырезают генетический код в целевых участках (участках-мишенях) и добавляют в них новый. Основные характеристики CRISPR приведены в таблице на следующей странице.

Ценность системы CRISPR-Cas9 заключается в преимуществах перед старыми подходами к редактированию генов. ZFN и TALEN представляют собой специально разработанные системы, на настройку которых уходят месяцы. А технология CRISPR почти не изменяется, стоит сравнительно недорого, а ее настройка занимает не более нескольких дней. Но в системе CRISPR есть и свои недостатки. По сравнению с ZNF и TALEN, двунитевые разрывы ДНК с помощью CRISPR получаются более точными. Однако такой агрессивный разрез открывает дверь для еще большего количества нежелательных эффектов[128][129].

Источник: Business Insider.

Пока научный мир и популярные средства массовой информации восторгались CRISPR-Cas9, научные достижения явно указывали на то, что CRISPR-Cas9 был гораздо более универсальным, чем это казалось ранее, и что эта система станет не последним словом в редактировании генома, а ознаменует новое начало.

Современная система CRISPR перестала быть аналогом обычных ножниц. Теперь она скорее похожа на функциональный швейцарский нож, который может записывать генетические изменения в клетке с течением времени, идентифицировать конкретные штаммы вируса, проверять на инфекции, перестраивать геном в пространстве и выполнять ряд других функций[130]. В рамках другого метода, открытого Фэном Чжаном из Института Брода, CRISPR будут объединять с другим ферментом, Cas13, чтобы редактировать иРНК. Это позволит более точно определять место разрывов и изменений в геноме.

Кроме того, ученые научились пользоваться CRISPR, чтобы не только редактировать гены, но и изменять эпигенетические метки, определяющие экспрессию генов[131]. Хотя ранние критики редактирования генома человека правильно заметили, что эпигенетическое влияние на экспрессию генов значительно усложнило весь процесс редактирования генов, последние открытия показали: эпигенетическое редактирование «находится на границе самовольного перепрограммирования экспрессии генов»[132]. Скорость изменений в редактировании генов увеличивается, процесс удешевляется и становится более точным. И по мере этого глобальное сообщество ученых начинает обмениваться идеями с такой скоростью и в таких масштабах, которые не мог себе представить не только живший в относительном уединении монах Грегор Мендель, но и наисветлейшие умы человечества, жившие всего лишь десятилетие назад.

Поэтапный переход от простейших экспериментов и использования технологий на растениях и животных к масштабному применению CRISPR на человеке уже начался.

Первый этап нормализации точного редактирования генов заключается в использовании всех этих инструментов для развития фундаментальных исследований. Одним из ранних и самых больших преимуществ CRISPR-Cas9 является его способность нацеливаться на определенные последовательности ДНК и изолировать их для изучения. «Молекулярные ножницы» фермента Cas9 позволяют быстро, просто и дешево разрезать последовательности ДНК, что помогает ученым изучать влияние аномального гена на клетки и организмы. Это крайне важно для научных исследований, которые все чаще проводятся на растениях, лабораторных и сельскохозяйственных животных, а также на людях.

Например, фитопатолог из Университета штата Пенсильвания использовал CRISPR для выявления целого семейства генов, кодирующих полифенолоксидазу (фермент, катализирующий окисление)[133]. Генно-модифицированное яблоко Arctic не потемнеет, даже если его нарезать и оставить лежать на тарелке. Все благодаря тому, что с помощью CRISPR ученые приглушили ген, отвечающий за выработку фермента, который отвечает за потемнение[134]. Геном вирусоустойчивой папайи Rainbow был также модифицирован, чтобы противостоять опасному вирусу кольцевой пятнистости. Такая папайя уже продается в супермаркетах, равно как и нечернеющий картофель Innate Del Monte получил разрешение на генную модификацию розового ананаса, чтобы в нем присутствовало повышенное содержание антиоксиданта ликопена. С технологией CRISPR мы получили восковидную кукурузу, содержащую больше кукурузного крахмала, пшеницу с повышенным содержанием клетчатки и низким содержанием глютена, помидоры, способные лучше расти в теплом климате, и рыжик с усиленными жирными кислотами омега-3. Мы, люди, уже заносим отредактированные через CRISPR гены в свой организм, употребляя эти овощи, фрукты или йогурты.

Генно-модифицированные культуры – это не только нетемнеющие грибы или картофель. Технология помогает сэкономить миллиарды долларов на возделывании сельскохозяйственных культур и спасти жизни миллионов людей из самой бедной прослойки населения[135]. Это особенно актуально для Африки и Южной Азии, где огромный процент населения составляют фермеры, занимающиеся натуральным хозяйством, средние температуры растут, а население увеличивается. По словам Билла Гейтса, филантропа и основателя Microsoft, использование генной инженерии для создания новых, более устойчивых и быстрорастущих сортов риса и других культур, которые не нуждаются в частом поливе, «может стать спасением в мировом масштабе»[136].

Кроме того, генную инженерию агрессивно используют на животных. Помимо создания генно-модифицированных лабораторных крыс и мышей для биологических исследований, с помощью CRISPR изменяют гены и экспрессию генов у множества других животных. Например, Фонд Билла и Мелинды Гейтс поддерживает деятельность Глобального альянса по ветеринарным препаратам для скота (бывший Глобальный альянс по вакцинам для скота), направленную на создание генно-модифицированных «суперкоров», которые могут выдерживать очень высокие температуры и производить гораздо больше молока, чем обычные сородичи[137]. Один ученый, дочь которого страдала пищевой аллергией на яйца, воспользовался CRISPR-Cas9 для создания гипоаллергенных куриных яиц. Исследователи используют CRISPR для генной инженерии вирусоустойчивых и быстрорастущих свиней, а также паразитоустойчивого безрогого скота, что помогает фермерам, занимающимся товарно-пастбищным хозяйством, экономить сотни миллионов долларов в год.

Если говорить о менее прагматичных достижениях, стоит упомянуть китайскую компанию BGI-Shenzhen. Она создала микропигов, которых можно держать в качестве домашних питомцев или использовать в лабораторных исследованиях. Максимальный вес этих животных достигает 15 кг, что в 16 раз меньше среднего веса взрослой свиньи[138]. Кроме того, Джордж Черч из Гарварда изучает возможность использования CRISPR в сочетании с промышленными мультиплексными автоматизированными комплексами геномного моделирования, чтобы возродить вымершего шерстистого мамонта путем одновременного изменения нескольких генов эмбрионов азиатских слонов[139].

Если не брать в расчет шерстистых мамонтов, можно сказать, что генно-модифицированные растения и животные в наших домах и источниках пищи создают более высокий уровень принятия самой концепции редактирования геномов. Невероятные возможности лечить болезни с помощью инструментов для редактирования генов способны значительно повысить уровень общественного принятия этого вида технологий.

Эта книга посвящена наследуемым генным модификациям, которые в дальнейшем изменят весь наш вид. Однако путь к новому будущему лежит через применение ненаследуемой генной терапии для лечения заболеваний и оптимизации системы здравоохранения. Конечная цель генетической революции заключается в преобразовании самого процесса эволюции, поэтому медицину можно представить в виде важной промежуточной станции, лежащей на нашем пути из точки, где мы находимся сейчас, до неизбежной финальной остановки.

Когда в 1980-х годах появилась возможность изменять гены живого человека, чтобы лечить болезни, ее сочти перспективной, но рисковой затеей. В течение последующих лет генные манипуляции для лечения или предотвращения заболеваний становились все более реальными. Вместо традиционных хирургических и медикаментозных методов предлагалось использовать генную терапию, чтобы выключать или приглушать аномальные гены, замещать их здоровыми копиями того же гена и/или добавлять новый ген, тем самым повышая резистентность организма к определенному заболеванию. Несмотря на удивительные возможности этих технологий, путь к развитию генной инженерии был весьма тернист.[140]

К 1999 году врачи из Пенсильванского университета были уверены: наука о генной терапии продвинулась вперед настолько, что ее можно использовать для лечения. У 18-летнего Джесси Джелсинджера был дефицит орнитин-транскарбамилазы (ОТК), редкое генетическое заболевание, которое повышает уровень аммиака в крови, часто приводя к повреждению мозга и преждевременной смерти. Через четыре дня после введения корректирующего ОТС-гена, для транспортировки которого использовался модифицированный вирус простуды, Джелсинджер умер.

Смерть Джесси Джелсинджера была не только личной и семейной трагедией. Этот случай оказал резкий тормозящий эффект на применение генной терапии для лечения болезней в США, которые на тот момент являлись главной площадкой для развития биоинженерии в мире. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) запретило Пенсильванскому университету продолжать испытания генной терапии на людях и начало расследовать 69 продолжающихся испытаний в Соединенных Штатах, а также потребовало более высокого уровня безопасности пациентов при проведении исследований[141].

Однако с замедлением развития генной терапии исследователи переключились на разработку улучшенных и более безопасных протоколов генного переноса[142]. По мере дальнейшего совершенствования методов редактирования генома улучшались и перспективы генной терапии. К 2009 году журнал Science назвал «возвращение генотерапии» прорывом года[143], а последующая разработка таких усовершенствованных инструментов редактирования генов, как CRISPR, сделала будущее генной терапии еще более ярким[144].

Несмотря на то что в настоящее время активно изучаются разные протоколы генной терапии, одним из самых интересных и широко освещаемых в средствах массовой информации является генетическое повышение возможностей Т-клеток человека – лейкоцитов, играющих важную роль в естественном иммунном ответе организма. В CAR-T-терапии (терапия Т-клетками с химерными антигенными рецепторами) из организма человека с определенными формами рака извлекают клетки крови. Затем их модифицируют таким образом, чтобы увеличить способность Т-клеток к экспрессии рецептора химерного антигена (CAR), после чего повторно вводят в организм онкобольного.

В ходе первых трех месяцев клинических испытаний этого подхода фармацевтической компанией Novartis в 2017 году у 83 % пациентов отмечался высокий уровень ремиссии. В настоящее время в десятки фармкомпаний (включая Novartis, Gilead, Juno Therapeutics, Celgene и Servier), работающих над генной терапией различных форм рака, поступают миллиардные инвестиции, а во всем мире проводятся сотни клинических испытаний. CAR-T-терапии все еще предстоит решить ряд серьезных проблем, и в ходе клинических испытаний действительно умерло несколько человек. Но ни у кого не вызывает сомнений тот факт, что удаление, редактирование и повторное введение генов в будущем сыграет важную роль в борьбе с раком и другими заболеваниями. По состоянию на август 2018 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США получило более 700 заявок на проведение испытаний генной терапии[145].

Удаление клеток из организма для редактирования и возврата их в организм в ходе генной терапии – это огромный шаг вперед. Но еще большее значение имеет наша возможность использовать CRISPR и другие инструменты для редактирования больных клеток внутри организма. Редактирование клеток внутри тела открывает новый спектр возможностей не только для излечения болезней, но и для генного редактирования человеческих эмбрионов.

Например, в недавнем исследовании для лечения печеночных заболеваний человека клетки с отредактированным геномом выращивались внутри живых мышей[146]. В другом исследовании использовались редакторы оснований CRISPR, чтобы точно корректировать генетические мутации, вызывающие метаболическое заболевание печени у взрослых мышей[147]. Эти типы генной терапии in vivo (то есть проводимые внутри организма) еще не готовы к массовому применению. Тем не менее уже сейчас они показывают многообещающие результаты в возможном лечении врожденной слепоты, гемофилии В, бета-талассемии, миодистрофии Дюшенна, муковисцидоза и спинальной мышечной атрофии. Новые компании, например Editas, основанная Джорджем Черчем, Фэном Чжаном и другими, и Caribou Biosciences, основанная Дженнифер Даудна и другими, стремительно продвигаются к разработке новых способов лечения заболеваний с помощью CRISPR-редактирования генов. В ноябре 2017 года 44-летний мужчина из Калифорнии стал первым человеком с отредактированным геномом in vivo. В его случае генную модификацию использовали для лечения метаболического нарушения – синдрома Хантера.

В ответ на это в августе 2018 года FDA и Национальные институты здравоохранения совместно объявили о сокращении специальных процессов по надзору за генной терапией, поскольку «нет достаточных оснований утверждать, что риски генной терапии совершенно уникальны и непредсказуемы или что эта область все еще требует особого надзора, который выходил бы за рамки наших существующих стандартов обеспечения безопасности»[148].

Стремительное наступление эры генотерапии сопровождается и другими разработками, направленными на усовершенствование редактирования генома. Например, стартап из Силиконовой долины под названием Synthego продает специальные клеточные линии, включая CRISPR-отредактированный человеческий геном, и их доставляют исследователям в течение нескольких дней. Другая компания, Inscripta, пытается сделать все инструменты, необходимые для CRISPR, доступными по щелчку мыши. Эти компании, как писал Wired в мае 2018 года, делали ставку на то, что «биология превратится в перспективную вычислительную платформу, ДНК станет ее кодом, а CRISPR превратится в язык программирования»[149]. Несмотря на то что нынешнее поколение медицинских вмешательств в генетику не передастся следующим поколениям пациентов, популярность и востребованность этих методов лечения сыграют важную роль в повышении лояльности населения к самой концепции редактирования человеческого генома.

Ни в одной книге мы не смогли бы перечислить все экспериментальные разработки и их разнообразие в сочетании с влиянием, которое точное редактирование генома оказывает на систему здравоохранения каждый день. Вот лишь несколько примеров прогресса, достигнутого в последние годы:

[128] После того, как исследование 2017 года (позже опровергнутое) предположило, что CRISPR сопровождают более масштабные побочные эффекты, чем считалось ранее, среди ученых разгорелись ожесточенные споры.

[129] См. CRISPR Off-Targets: A Reassessment // Nature News, дата публикации: 30 марта 2018 года. URL: https://www.nature.com/articles/nmeth.4664 (дата обращения: 8 мая 2018 года).

[130] SHERLOCK, DETECTR, CAMERA: Three New CRISPR Technologies // AACC, дата публикации: 15 марта 2018 года. URL: https://www.aacc.org/publications/cln/cln-stat/2018/march/15/sherlock-detectr-camera-three-new-CRISPR-technologies (дата обращения: 8 мая 2018 года).

[131] Pratiksha I. Thakore et al. Editing the Epigenome: Technologies for Programmable Transcription and Epigenetic Modulation // Nature Methods. – No. 13 (2016). PP: 127–137. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4922638/.

[132] David Cano-Rodriguez, Marianne G. Rots. Epigenetic Editing: On the Verge of Reprogramming Gene Expression at Will // Current Genetic Medicine Reports. – No. 4 (2016). PP: 170–179. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/s40142-016-0104-3; Heidi Ledford. CRISPR: Gene Editing Is Just the Beginning // Nature. – No. 531 (2016). PP: 156–159. URL: https://www.nature.com/news/CRISPR-gene-editing-is-just-the-beginning-1.19510.

[133] Emily Waltz. Gene-Edited CRISPR Mushroom Escapes U.S. Regulation // Nature. – No. 532 (2016). P: 293. URL: https://www.nature.com/news/gene-edited-CRISPR-mushroom-escapes-us-regulation-1.19754.

[134] Поскольку у яблок Artic и нетемнеющих грибов нет чужеродной ДНК, они не являются ГМО в классическом понимании этого слова. Министр сельского хозяйства США Сонни Пердью 28 марта 2018 года объявил, что растения с модифицированными геномами без добавления чужеродной ДНК не будут регулироваться Министерством сельского хозяйства США как ГМО. Эта новость вызвала шквал критики от лиц, обеспокоенных любыми генетическими изменениями пищевых продуктов. В ноябре 2018 года на заседании Всемирной торговой организации в Женеве коалиция из 13 стран, включая США, Канаду и Бразилию, объявила о своей поддержке политики, разрешающей редактирование генов в сельском хозяйстве. Amy Maxmen. Genetically Modified Apple Reaches U.S. Stores, but Will Consumers Bite? // Nature. – No. 551 (2017). PP: 149–150. URL: https://www.nature.com/news/genetically-modified-apple-reaches-us-stores-but-will-consumers-bite-1.22969. См. также: Secretary Perdue Issues USDA Statement on Plant Breeding Innovation // USDA, дата публикации: 28 марта 2018 года. URL: https://www.usda.gov/media/press-releases/2018/03/28/secretary-perdue-issues-usda-statement-plant-breeding-innovation (дата обращения: 1 июня 2018 года) и Emily Waltz. CRISPR Crops – Exempt from GMO 280 Regulations – Reaching U.S. Market in Record Time // Genetic Literacy Project, дата публикации: 15 января 2018 года. URL: https://geneticliteracyproject.org/2018/01/15/CRISPR-crops-exempt-gmo-regulations-reaching-us-market-record-time/. Европейский суд пришел к тому же выводу, опубликовав свою резолюцию в 2018 году: «Заключение юридического советника Бобека представлено 18 января 2018 года (1)», дело C-528/16. URL: http://curia.europa.eu/juris/document/document.jsf?text=&docid=198532&pageIndex=0&doclang=EN&mode=req&dir=&occ=first&part=1&cid=779174 (дата обращения 6 июня 2018 года). Затем это решение ЕС было отменено Верховным судом Европы. В июле 2018 года Верховный суд постановил, что культуры, измененные с помощью CRISPR-технологий редактирования геномов и даже без включения чужеродной ДНК, должны регулироваться с той же строгостью, что и ГМО. Organisms Obtained by Mutagenesis Are GMOs and Are, in Principle, Subject to the Obligations Laid Down by the GMO Directive, Court of Justice of the European Union («Организмы, полученные в результате мутагенеза, являются ГМО и в принципе подпадают под обязательства, установленные Директивой о ГМО», Суд Европейского союза), пресс-релиз № 111/18, Люксембург, 25 июля 2018 года, решение по делу C-528/16. URL: https://curia.europa.eu/jcms/upload/docs/application/pdf/2018-07/cp180111en.pdf.

[135] Витамин А был генетически внедрен в кукурузу, маниоку и батат; железо было добавлено в бобы и африканское просо, а цинк – в рис и пшеницу. См. Heather Ohly, Nicola Lowe. Scientists Are Breeding Super-Nutritious Crops to Help Solve Global Hunger // The Conversation, дата публикации: 18 января 2018 года. URL: https://theconversation.com/scientists-are-breeding-super-nutritious-crops-to-help-solve-global-hunger-89815 (дата обращения: 3 июня 2018 года).

[136] Bill Gates. Gene Editing for Good // Foreign Affairs (май/июнь 2018). URL: https://www.foreignaffairs.com/articles/2018-04-10/gene-editing-good (дата обращения: 3 мая 2018 года).

[137] Tom Whipple. Bill Gates Pumps Millions into Quest for a Supercow // The Times, дата публикации: 26 января 2018 года. URL: https://www.thetimes.co.uk/article/bill-gates-pumps-millions-into-quest-for-a-supercow-7swc6dntw.

[138] Sara Reardon. Welcome to the CRISPR Zoo // Nature. – No. 531 (2016). PP: 160–163. URL: https://www.nature.com/news/welcome-to-the-CRISPR-zoo-1.19537. В 2017 году BGI Shenzhen объявила об отказе от своей программы по микропигам. Возможно, от того, что внимание прессы отвлекало от первого публичного размещения акций компании.

[139] Забавное описание процесса можно найти в работе Ben Mezrich. Woolly: The True Story of the Quest to Revive One of History’s Most Iconic Extinct Creatures // New York: Simon & Schuster, 2018; также см. George Church, Ed Regis, Regenesis // New York: Basic Books, 2014. PP: 10–11.

[140] Иногда люди не до конца понимают различия между генной терапией и редактированием генов, поскольку оба процесса тесно взаимосвязаны. Генная инженерия и редактирование генов являются инструментами, используемыми в генной терапии. Однако сфера их применения этим не ограничивается. Вся генная терапия является частью генной инженерии, но не вся генная инженерия относится к генной терапии.

[141] Barbara Sibbald. Death But One Unintended Consequence of Gene-Therapy Trial // Canadian Medical Association Journal. – No. 164 (2001). P: 1612. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC81135/.

[142] Roland W. Herzog, Ou Cao, Arun Srivastava. Two Decades of Clinical Gene Therapy – Success Is Finally Mounting // Discovery Medicine. – No. 9 (2010). PP: 105–111. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3586794/.

[143] Herzog, Cao, Srivastava. Two Decades of Clinical Gene Therapy.

[144] Calvin J. Stephens et al. Targeted In Vivo Knock-in of Human Alpha-1-antitrypsin CDNA Using Adenoviral Delivery of CRISPR/Cas9 // Gene Therapy 25. – Vol. 2 (2018). PP: 139–156. – doi:10.1038/s41434-018-0003-1.

[145] Francis S. Collins, Scott Gottlieb. The Next Phase of Human Gene-Therapy N O T E S 281 Oversight // New England Journal of Medicine (дата публикации: 15 августа 2018 года). – doi:10.1056/nejmp1810628.

[146] H-Y Xue et al. In Vivo Gene Therapy Potentials of CRISPR-Cas9 // Gene Therapy. – No. 23 (2016). PP: 557–559. URL: https://www.nature.com/articles/gt201625.

[147] Lukas Villiger et al. Treatment of a Metabolic Liver Disease by in Vivo Genome Base Editing in Adult Mice // Nature Medicine 24. – Vol. 10 (дата публикации: октябрь 2018 года). PP: 1519–1525. – doi:10.1038/s41591-018-0209-1.

[148] Collins, Gottlieb. The Next Phase of Human Gene-Therapy Oversight.

[149] Megan Molteni. Biology Will Be the Next Great Computing Platform // Wired, дата публикации: 3 мая 2018 года. URL: https://www.wired.com/story/biology-will-be-the-next-great-computing-platform/ (дата обращения: 4 мая 2018 года).