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

Вскоре после этого надзорные структуры из Великобритании одобрили заявку Кэти Ниакан. Исследователь из лондонского института Фрэнсиса Крика хотела использовать CRISPR для редактирования генов жизнеспособных человеческих эмбрионов и изучить, как ген OCT4 определяет развитие плода. Это должно было стать первым шагом к лучшему пониманию определенной причины бесплодия. Двумя месяцами позже другая группа китайских ученых объявила, что использовала CRISPR для развития устойчивости к ВИЧ у неимплантированных человеческих эмбрионов[168].

Затем в июле 2017 года ученый Шухрат Миталипов из Орегонского университета здоровья и науки, новатор и любитель полемики, стал первым американским исследователем, который использовал CRISPR-Cas9 для генетического изменения половых клеток человека и неимплантированных эмбрионов. Миталипов ввел генетические ножницы CRISPR-Cas9 в сперму человека с дефектным геном MYBPC3, способным вызвать гипертрофическую кардиомиопатию – наследственное заболевание, приводящее к внезапной остановке сердца у детей. Затем сперму с отредактированным геномом использовали для оплодотворения яйцеклеток 12 здоровых женщин-доноров. В результате 2/3 появившихся эмбрионов оказались без патологий – по сравнению с предыдущим опытом это был колоссальный прогресс. После команда Миталипова решила повторить эксперимент, но вводя неотредактированную сперму и CRISPR-Cas9 по отдельности. Таким образом генная модификация сперматозоидов происходила одновременно с оплодотворением яйцеклетки, а показатель эффективности увеличился до 72 %. Несмотря на то что 72 % было далеко от идеального результата и все эмбрионы разрушались в течение трех дней, это событие заложило прочный фундамент для наследственной генной модификации ядерной ДНК человека[169].

«Мы всегда говорили в прошлом, что не следовало проводить генных модификаций, поскольку данная процедура не была безопасной, – рассказал New York Times Ричард Хайнс, исследователь из МТИ, после публикации работы Миталипова. – То же самое можно сказать и про наше время. Но, похоже, скоро мы научимся делать это безопасно»[170]. Как только это произойдет, непреодолимый соблазн использовать самые передовые технологии, чтобы искоренить самые смертоносные заболевания, ознаменует наступление эры генетики.

Современные методики генной модификации поразительно быстро переходят из лабораторий в фермы и хозяйства, а затем и в больницы и клиники репродуктивной медицины, и этот процесс идет полным ходом. Почти каждый день для применения этих технологий открываются новые сферы, а затем потребуются и новые группы людей. В конце концов реальная выгода генных технологий для растущей группы потенциальных бенефициаров перевесит абстрактные стремления все сокращающейся категории сторонников традиционной генетики.

Но чем больше мы осваиваем эти технологии, тем больше появляется новых сфер применения, выходящих за границы системы здравоохранения и позволяющих изменять наследственность нас самих и будущих детей совершенно новыми способами.

Глава 6

Перестраиваем все живое

Смерть от вируса Эбола ужасна.

Сначала вы чувствуете ужасную слабость, а симптомы больше похожи на грипп. Затем вирус начинает распространяться и разрушать клетки и кровеносные сосуды организма. Вы переживаете неконтролируемую тошноту, рвоту, диарею и головные боли. Клетки начинают кровоточить, вызывая неконтролируемое кровотечение. Вы впадаете в шок, а после умираете ужасной, кровавой смертью, а из каждого отверстия в вашем теле вытекают жизненно важные жидкости.

Ранние вспышки лихорадки Эбола в беднейших частях Африки приводили к смертности в 90 % случаев. Чуть более высокий уровень медицинских услуг во время вспышки Эболы в Западной Африке в 2014 году снизил уровень смертности до 60 %.

Чаще всего лихорадкой Эбола болеют члены семьи и медицинские работники, которые ухаживают за своими близкими и зараженными пациентами. Чтобы заразиться, достаточно контакта со слюной, рвотой, мочой или калом больного.

Ученые, изучавшие выживших после вспышки Эболы в Гвинее в 2014 году, несказанно удивились, обнаружив группу сиделок, которые, несмотря на контакт с зараженными, каким-то образом оказывались невосприимчивыми к этой болезни. Некоторые женщины заболели лихорадкой на более ранней стадии и выжили, возможно, приобретя иммунитет к повторному заражению. У других же были антитела, хотя эти люди даже не заражались вирусом. «Как такое возможно?» – недоумевали ученые. Неужели кто-то из этих женщин был генетически невосприимчив к лихорадке Эбола?

Исследователи обнаружили ген, кодирующий белок Ниманна – Пика типа С, или NPC, на который нацеливался вирус Эбола при своей атаке. Даже не сталкиваясь с лихорадкой Эбола, дети, унаследовавшие от своих родителей две копии мутантной версии этого гена, обычно умирали от болезни Ниманна – Пика типа С – нейродегенеративного расстройства.

Некоторые моногенные заболевания (например, болезнь Гентингтона и синдром Марфана) являются доминантными. Это означает, что при наследовании такого гена вы почти наверняка заболеете, а один из ваших родителей страдает гомозиготной мутацией. Другие заболевания (например, серповидно-клеточная анемия, болезнь Тея – Сакса и болезнь Ниманна – Пика типа С) являются рецессивными расстройствами. Это означает, что вы заболеете, только если унаследуете мутантный ген от обоих родителей. Предварительное изучение западноафриканских женщин показало, что люди с одной мутантной копией гена NPC могут отличаться повышенной невосприимчивостью к лихорадке Эбола, точно так же, как рецессивные носители гена серповидно-клеточной болезни обладают иммунитетом к малярии.

Мы уже изучили одногенные и другие мутации, способные приводить к заболеваниям. Но помимо вредных генетических мутаций, приводящих к различным заболеваниям, существует и множество полезных.

Иногда, как показывает случай с лихорадкой Эбола, одни и те же гены помогают нам в одном, но вредят в другом. За последнее десятилетие ученые пытались найти как можно больше одногенных мутаций, способных помочь человечеству… по крайней мере, в рамках того мира, который мы знаем сегодня. Однако найти их – совсем не просто.

Выявить болезнь с видимыми симптомами куда проще, чем определить ее отсутствие у людей с генетической предрасположенностью к данному заболеванию. Обнаружить взаимосвязи между редкими вариантами гена и невосприимчивостью к конкретным заболеваниям помогают выявление аномалий (вроде тех женщин с иммунитетом к лихорадке Эбола) и создание баз данных из сотен тысяч и даже миллионов геномов и медкарт. Это позволяет ученым серьезно продвинуться в исследованиях.

Например, Дэвид Альтшулер, будучи исследователем в Гарвардском институте Брода и Массачусетском технологическом институте, собрал целую группу пожилых людей с избыточным весом. Статистически они были более подвержены риску развития диабета второго типа, но не страдали этим заболеванием. Альтшулер провел секвенирование членов группы на предмет возможного генетического отличия от других людей того же возраста и веса, но с диагностированным диабетом. В ходе исследования ученый заметил, что одиночная мутация в гене SLC30A8 позволяла его группе на 65 % лучше регулировать уровень инсулина в крови, что снижало вероятность развития диабета[171].

Еще одно исследование показало, что 1 % жителей Северной Европы является носителем мутации в гене CCR5, которая делала своих обладателей невосприимчивыми к ВИЧ-инфекции[172]. Другое исследование пожилых людей показало, что у 1 человека из 650 есть мутация в гене NPC1L1. По сравнению с группой без данной мутации, такая аномалия практически вдвое снижала риск сердечного приступа[173].

Вносить небольшие изменения в геном человека в разы проще и безопаснее, чем кардинально менять его. Следовательно, выявление потенциально полезных моногенных мутаций открывает перед нами грандиозные возможности по генетической инженерии незначительных мутаций в нас самих – или в наших будущих детях. Человеческая биология представляет собой сложный процесс поиска компромиссов и расстановки приоритетов, который продолжается на протяжении миллиардов лет. Поэтому, скорее всего, мы сможем найти лишь небольшое количество полезных генов, добавление или удаление которых превысит возможный вред от генетического вмешательства.

Но, как показывает случай с Эбола и другими заболеваниями, оно того стоит.

По мнению Джорджа Черча из Гарварда, примерный список редких единичных генов, изменение которых может положительно повлиять на организм, включает следующие.

Источник: A Conversation with George Church on Genomics & Germline Human Genetic Modification // The Niche Knoepfler Lab Stem Cell Blog, – 9 марта 2015 года. URL: https://ipscell.com/2015/03/georgechurchinterview.

Но внесение небольших изменений в такие гены не панацея. Как мы помним, гены представляют собой набор клеточных инструкций для производства белка, который выполняет определенные функции. То, что говорят гены, – это, бесспорно, важно. Но то, что делают клетки, – куда важнее. Таким образом, даже если мы найдем ген, который делает что-то плохое или хорошее, совсем не обязательно изменять его самого, чтобы изменить экспрессию. В некоторых случаях логичнее, безопаснее и экономичнее разработать препарат, который смог бы передавать клеткам наши инструкции, даже при наличии «плохой» мутации и отсутствии «хорошей».

Но и тогда найдутся мутации – одновременно вредные и полезные, – при которых этот тип лечения не подойдет. Как и с митохондриальным заболеванием, нам встретятся настолько опасные мутации, что их носители захотят искоренить такие аномалии во всех будущих поколениях. Некоторые родители предпочтут изменить зародышевую линию будущих детей, чтобы дать им иммунитет к ВИЧ, снизить риск возрастных когнитивных расстройств или наделить особой одногенной мутацией с доказанной пользой для организма.

Как только встает вопрос о небольшой корректировке единичного гена в предымплантированных эмбрионах, первое, о чем спрашивают родители, – насколько это безопасно. Пока что скорее небезопасно. CRISPR все еще не идеален. Одна из главных проблем первого поколения технологий CRISPR – то, что геном может разрезаться не в тех участках, которые учеными изначально планировали.

Особо ярко такие нецелевые разрезы проявляются в генной модификации человеческих клеток. Одно важное исследование 2013 года изучало нецелевые изменения в человеческих клетках, связанные с CRISPR. Было обнаружено, что для применения в лечебных целях CRISPR-редактирование необходимо значительно усовершенствовать, чтобы «безопасно использовать для лечения человеческих заболеваний в долгосрочной перспективе»[174]. Если бы все нецелевые мутации были безопасными, любое незначительное изменение генома с помощью CRISPR, проводимое внутри организма, не имело бы большого значения. Но это не так. Мутация, вызванная CRISPR, может оказаться злокачественной. Вот почему регуляторы со всего мира подходят к выдаче разрешений на редактирование человеческих генов со всей осторожностью.

Например, китайская исследовательская группа, которая в 2015 году шокировала общественность своим заявлением о CRISPR-редактировании нежизнеспособных человеческих эмбрионов, сообщила об ужасном уровне точности. Из 86 оплодотворенных яйцеклеток с введенной системой CRISPR-Cas9 для редактирования генов лишь несколько экземпляров содержали желаемые генетические изменения. Такое соотношение попыток к успешности может быть приемлемым для моделей растений, червей, мух и мышей, где цена этих ошибок обычно ниже, но для людей подобные цифры просто недопустимы[175].

Путь к достижению нужного уровня надежности, при котором CRISPR можно будет безопасно применять у людей, не будет линейным. Например, нашумевшее исследование 2018 года показало, что в некоторых клетках человека единичный ген p53 блокировал CRISPR-редактирование – это была часть естественного защитного механизма организма от таких опасных мутаций, как рак[176]. Один из способов обойти блокировку – отключить ген p53. Но с этим связана другая опасность – повышенный риск онкологии. Еще одно исследование 2018 года, опубликованное в Nature Biotechnology, выявило, что при CRISPR-Cas9 редактировании у мышей обнаруживалось на 20 % больше нецелевых изменений ДНК, чем ожидалось[177].

Пытаясь решить эти проблемы, ученые сосредоточились на повышении точности CRISPR-редактирования, и некоторые попытки даже увенчались успехом. Так, ученые продолжают открывать новые ферменты, которые прикрепляются к геному или разрушают его точнее, чем CRISPR-Cas9. Эти новые CRISPR: CRISPR-cpf1 (или 12a), CRISPR-Cas3, CRISPR-13, CRISPR-CasX и CRISPR-CasY – стремительно развиваются. Параллельно внедряются новые алгоритмы искусственного интеллекта для поиска оптимальных областей применения CRISPR.

[168] Ewen Callaway. Second Chinese Team Reports Gene Editing in Human Embryos // Nature, дата публикации: 8 апреля 2016 года. URL: https://www.nature.com/news/second-chinese-team-reports-gene-editing-in-human-embryos-1.19718#/b2.

[169] Hong Ma et al. Correction of a Pathogenic Gene Mutation in Human Embryos // Nature. – No. 548 (2017). PP: 413–419. URL: https://www.nature.com/articles/nature23305.

[170] Pam Belluck. In Breakthrough, Scientists Edit a Dangerous Mutation from Genes in Human Embryos // New York Times, дата публикации: 2 августа 2017 года. URL: https://www.nytimes.com/2017/08/02/science/gene-editing-human-embryos.html.

[171] Flannick et al. Loss-of-Function Mutations in SLC30A8 Protect against Type 2 Diabetes // Nature Genetics. – No. 46 (2014). PP: 357–363. URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24584071.

[172] Rong Liu et al. Homozygous Defect in HIV-1 Coreceptor Accounts for Resistance of Some Multiply-Exposed Individuals to HIV-1 Infection // Cell. – No. 86 (1996). PP: 367–377. URL: http://www.cell.com/abstract/S0092-8674(00)80110-5.

[173] Christopher P. Cannon et al. Ezetimibe Added to Statin Therapy after Acute Coronary Syndromes // New England Journal of Medicine. – No. 372 (2015). PP: 2387–2397. URL: http://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa1410489.

[174] Yanfang Fu et al. High-Frequency Off-Target Mutagenesis Induced by CRISPR-Cas Nucleases in Human Cells // Nature Biotechnology. – No. 31 (2013). PP: 822–826.

[175] David Cyranoski, Sara Reardon. Chinese Scientists Genetically Modify Human Embryos // Nature, 22 апреля 2015 года. URL: https://www.nature.com/news/chinese-scientists-genetically-modify-human-embryos-1.17378.

[176] Emma Haapaniemi et al. CRISPR-Cas9 Genome Editing Induces a P53-mediated DNA Damage Response // Nature Medicine, 2018. – doi:10.1038/s41591-018-0049-z.

[177] Kosicki, Michael, Kort Tomberg, Allan Bradley. Repair of Double-Strand Breaks Induced by CRISPR-Cas9 Leads to Large Deletions and Complex Rearrangements // Nature Biotechnology. – No. 36 (дата публикации: 16 июля 2018 года). PP: 765–771. После публикации крупных отчетов стоимость акций компаний, занимающихся CRISPR, регулярно падает. Суммарно в день публикации этого отчета в июле 2018 года компании CRISPR Therapeutics, Editas Medicine и Intellia Therapeutics потеряли 300 миллионов долларов.