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

В 2017 году исследователи сообщили о новом методе изменения «букв» (А, Ц, Г, Т) нуклеотидов ДНК и РНК без разрезания генома[178]. В исходной модели CRISPR требовалось рассечение двойной спирали ДНК, а измененная модель корректировала гены без разреза.

Для этого исследователи нашли способ «обхитрить» атомы ДНК и заставить их формировать пары иначе. Как вы помните, А образует пару с Т, а Г – с Ц. Получается, если клетка думает, что А – это, например, Ц, то данное основание образует пару с Г, а не с Т. Ген и его экспрессия меняются, а возможные опасности от разрезания ДНК исчезают.

Сама методика необычайно полезна, поскольку 32 000 из 50 000 известных изменений в геноме человека, связанных с заболеваниями, вызваны заменой, удалением или вставкой одного гена[179]. Эта новая разновидность CRISPR, названная редактором аденина (или ABE), работает в 34–68 % случаев. При этом дополнительные ошибки проявляются в менее чем 0,1 % клеток. Несмотря на значительный прогресс, такое решение все еще не готово к использованию внутри человека[180]. В августе 2018 года китайские исследователи сообщили, что отредактировали основания в геномах 16 из 18 жизнеспособных предымплантированных человеческих эмбрионов, чтобы исправить мутацию, вызывающую синдром Марфана[181]. И хотя по юридическим и этическим соображениям ни один из этих эмбрионов не был имплантирован, всем стало понятно, в каком направлении движется эта технология.

Затем для повышения точности и безопасности генных модификаций использовали технологию редактирования оснований под названием CRISPR-SKIP. Изменение одного основания заставляет клетку «пропускать», а не «считывать» определенные цепочки белок-кодирующих генов. Предварительные исследования показывают: CRISPR-SKIP можно использовать, чтобы отключать вредоносные мутации в геноме с куда меньшим количество нецелевых эффектов, чем при других системах CRISPR[182].

Помимо использования CRISPR для изменения генов, значительного прогресса достигли и в применении этой технологии для редактирования эпигенетических меток (управляющих работой генов) и гРНК (переводят генетическую информацию в инструкции для клеток)[183]. Оба подхода повышают точность модификации и экспрессии генов.

Еще одной важной проблемой, которую требовалось решить для безопасного редактирования генов в предымплантированных человеческих эмбрионах, является неравномерное распространение генетических изменений внутри клеток. Ученые называют это мозаицизмом. Неравномерное распространение генно-модифицированных мутаций может приводить к аномальному росту плода и другим серьезным аномалиям. Но и эту проблему постепенно решают. Недавние исследования показали, что предельно быстрое использование CRISPR после оплодотворения, а также редактирование сперматозоидов и яйцеклеток перед оплодотворением снижает вероятность возникновения клеточного мозаицизма[184].

Буквально через месяц после того, как команда Шухрата Миталипова представила свои новые подходы к снижению возможного мозаицизма[185], группа известнейших генетиков выступила с заявлением, в котором задавала вопросы о точности этого исследования. «Крайне важно, чтобы выводы о способности исправлять мутации в человеческих эмбрионах были подкреплены доказательствами, – написали тогда Дитер Эгли, Джордж Черч и другие ученые в совместном заявлении, указывающем на недоказанность выводов Миталипова. – При отсутствии такого рода доказательств биомедицинское сообщество и, что особенно важно, пациенты с вредоносными мутациями, проявляющие интерес к подобным исследованиям, должны быть осведомлены о наличии серьезных проблем в области коррекции генов»[186].

Эти споры среди ведущих исследователей достигли апогея в августе 2018 года, когда журнал Nature опубликовал в одном номере две статьи, резко критикующие исследования Миталипова, а также подробный и обстоятельный ответ Миталипова и 31 его коллеги со всего мира[187]. И хотя ученые сходятся во мнении, что наши возможности точно редактировать предымплантированные эмбрионы стремительно растут, все еще ведутся споры, готовы ли мы уже использовать эти технологии на человеческих эмбрионах, а затем имплантировать их в организм матери для вынашивания.

Но опять же, ключевое слово в предложении – уже.

По законам логики люди охотнее согласятся на генную модификацию эмбрионов только после того, как процент ошибок при редактировании приблизится к тому же показателю при естественном зачатии. Однако, как мы убедились на опыте беспилотных автомобилей, в реальности новая технология должна стать в разы безопаснее своего «естественного» аналога. Но как минимум с технической стороны внесение крайне ограниченного числа изменений в геном позволит в скором времени достичь этого показателя. Если, точнее когда, это произойдет, генное редактирование предымплантированных эмбрионов, яйцеклеток и/или сперматозоидов может стать единственным способом для родителей – носителей различных наследственных заболеваний обрести свое биологическое потомство без генетической предрасположенности к таким нарушениям. К таким случаям будут относиться некоторые дефекты Y-хромосомы, доминантные моногенные заболевания (например, болезнь Гентингтона, когда один родитель гомозиготен) и рецессивные условия, при которых гомозиготны оба родителя[188].

В конце ноября 2018 года китайские ученые объявили о весьма спорном применении CRISPR для якобы редактирования одного гена (CCR5) в предымплантированных эмбрионах пары близнецов, чтобы создать невосприимчивость к ВИЧ. И хотя этот случай яро осуждали многие ученые и специалисты по этике как в Китае, так и по всему миру, он стал предвестником – будущее, созданное генной инженерией, уже не за горами[189].

Но несмотря на то что более уверенное применение ЭКО, отбора эмбрионов и моногенная модификация предымплантированных эмбрионов кажутся почти неизбежными, перспектива изменения более сложных генетических признаков остается весьма туманной.

Как мы помним, такие сложные признаки, как рост, интеллект и тип личности, чаще всего определяются комплексным взаимодействием сотен или даже тысяч генов, которые выполняют множество функций, а также взаимодействуют с другими системами организма и постоянно меняющейся окружающей средой[190]. Не так давно группа стэнфордских исследователей заявила, что большинство генетических заболеваний и признаков не просто полигенные (то есть управляемы несколькими генами), а омнигенные. В соответствии с их гипотезой, на формирование признака влияет не только системных вклад «ядерных генов», которые часто обнаруживаются при полногеномном поиске ассоциаций, но и в значительной степени, более крупная сеть слабо изученных периферийных генов[191]. Если это так, то наше понимание комплексных заболеваний и сложных признаков станет еще более ограниченным.

Чем больше генов влияет на конкретный признак, тем труднее становится вычислительная задача – найти взаимосвязь между генетическими шаблонами и определенными проявлениями. Чем труднее понять набор функций, выполняемых каждым геном в комплексной и взаимосвязанной экосистеме генома, тем сложнее провести значительные генные модификации сложных признаков без непреднамеренного вреда для остальной части генома.

Также нам следует помнить: взаимосвязанные экосистемы человеческого тела всегда сложнее, чем кажутся. Кроме того, вполне логично, что наши заболевания и признаки обусловлены широким спектром генетических проявлений – от одногенных мутаций (болезнь Гентингтона) и признаков, контролируемых одиночным геном (например, жидкая ушная сера), до комплексных заболеваний и признаков (ишемическая болезнь сердца, тип личности и т. д.)[192]. Омнигенная модель может стать наихудшим сценарием для начинающих генных инженеров. Ведь даже при достоверности в ряде случаев ее нельзя будет одинаково применять ко всем признакам и заболеваниям.

Но в тот момент, когда люди при ЭКО и ПГТ выбирают какой-то из своих биологических и не модифицированных предымплантированных эмбрионов, им не нужно ничего, даже отдаленно похожего на омнигенный уровень понимания. Стабильно растущего понимания сложных генетических закономерностей – даже омнигенных – будет достаточно, чтобы логически обосновать родителю мысль о том, какой эмбрион следует выбрать. По мере того, как наши знания о сложных признаках будут совершенствоваться, начнет повышаться и наша уверенность при отборе и генетическом редактировании будущих детей.

Многие набожные и верящие в Бога и Святого духа люди считают человека безгранично сложной сущностью. С точки зрения таких людей даже самые точные медицинские тесты не способны разгадать тайны духовного мира или глубокой связи между божественным и человеческим. В глазах моих единомышленников, считающих, что все мы произошли от микробов, люди – это одноклеточные организмы, вышедшие из-под контроля за 600 миллионов лет случайных мутаций и естественного отбора. Мы не безгранично сложные, а, скорее уж, очень сложные существа. И это самое главное. Если допустить, что мы безгранично сложные сущности, то человек так и не сможет понять свою природу. Если же мы всего лишь очень сложные, то настанет время, когда сложность наших инструментов превзойдет сложность нашей биологии.

Сегодня мы довольно хорошо понимаем простые организмы, ведь наши передовые технологии все больше соответствуют биологии этих существ. Но биология человека куда сложнее, и наше понимание с инструментами отстает. Но так будет не всегда. По мере углубления наших знаний и изобретения новых методик биология человека станет не сложнее организации простых организмов, разгадать которую с помощью современных инструментов мы уже смогли.

Чтобы лучше понять, каково это будет, когда сложность наших знаний и возможностей превзойдет сложность биологии, достаточно взглянуть, как быстро развивались наши представления об одноклеточных и простых формах организмов.

Нематода C. elegans – прекрасный тому пример. В зрелом состоянии она достигает размера меньше печатной запятой, проходит цикл от рождения до смерти примерно за две недели, имеет рудиментарную нервную систему с мозгом, активно размножается и, скорее всего, является простейшим из живых существ, имеющих схожие с человеком гены. Данные качества, наряду с прозрачным и визуально заметным телом, делают этих крошечных существ идеальными и наиболее изученными объектами исследований.

За последние десятилетия исследователи морили нематод голодом, охлаждали и нагревали их в поисках артефактов. Они изучали нематод вдоль и поперек с помощью современных микроскопов, вращали их в центрифугах на невероятных скоростях, вводили им антитела, размечали с помощью микролучей лазера для разрушения отдельных клеток, профилировали белки, выделяли и амплифицировали отдельные гены для подробного изучения.

В 2011 году группа амбициозных ученых создала проект OpenWorm, призванный объединить исследователей нематод со всего света в попытке взломать код, по которому работает C. elegans[193].

C. elegans содержит 302 мозговые клетки (для сравнения: у нас этих клеток 100 миллиардов… конечно же, если вы не злоупотребляли наркотиками в колледже и не пили много диетической колы), которые были размечены в коннектоме – специальной диаграмме со структурой связей, демонстрирующей мозг червя в действии. В качестве первого шага к полному представлению C. elegans в виде виртуальной сущности ее нейроны были преобразованы в компьютерную программу, которую использовали для анимации небольшого робота. Сотрудники OpenWorm создали роботизированные аналоги для мотонейронов, носа и других частей тела червя[194]. При загрузке робот с удивительной точностью копировал движения настоящей нематоды.

За последние несколько десятилетий мы перешли от поверхностного понимания того, как функционируют нематоды, к глубокому. А возрастающая сложность инструментов помогла расширить наши знания.

Чтобы дойти от нашей нынешней точки понимания биологии человека до точки, где наши знания об устройстве человека будут равнозначны тому, что мы знаем о C. elegans, потребуется сложная карта, которую мы только начинаем строить. «Атлас клеток человека» (Human Cell Atlas) – это открытая «корреляционная платформа», объединяющая данные по биологии человека со всего света. Со временем, когда мощность исследовательских инструментов будет расти, а знания ученых – складываться, будет увеличиваться и эта коллекция «исчерпывающих эталонных карт всех клеток человека»[195]. На начальных этапах абсолютная сложность организма будет превышать возможности наших сравнительно скромных инструментов и ограниченных знаний. А затем эта ситуация изменится. Наглядный ответ «почему» приведен на графике на следующей странице.

За прошедшие миллионы лет наша биология ничуть не стала проще, но сложность и возможности наших инструментов развиваются в геометрической прогрессии.

Основная идея экспоненциального изменения заключается в том, что инновации порождают инновации. Чем больше мы разрабатываем качественных инструментов, тем эффективнее и рациональнее мы организуем себя и взаимодействуем друг с другом – и тем больше у нас появляется идей для разработки сложных инструментов, новых способов организации и взаимодействия, что порождает еще более качественные идеи. Вот почему потребовалось около 12 000 лет, чтобы перейти от аграрной к промышленной революции, и всего пара сотен, чтобы перейти от промышленной революции к информационной. Каждая технологическая революция способствует наступлению следующей, сокращая временной отрезок между ними и усиливая влияние на общество. Футуролог Рэй Курцвейл назвал этот процесс законом ускоряющейся отдачи[196].

В 1999 году Курцвейл предсказал, что общий объем технического прогресса за XX век будет превышен уже за первые 14 лет XXI века. Курцвейл предположил, что по мере наложения инноваций друг на друга достичь полного объема достижений XX века можно будет за семь лет, начиная с 2021 года. И затем, спустя короткий период времени, на тот же объем изменений XX века потребуется около года. В конечном счете общий объем технического прогресса за XX век – весь путь от доавтомобильной эпохи к созданию международных космических станций – займет считанные месяцы[197].

С момента изобретения микропроцессора в начале 1970-х годов это форсирование подкреплялось законом Мура – наблюдением, что при равных затратах вычислительная мощность удваивается в среднем каждые два года, и около полувека эта тенденция сохраняется. Ведь благодаря закону Мура мы ждем, что каждая последующая версия смартфона будет легче и быстрее. И это как минимум.

[178] Emily Mullin. CRISPR 2.0 Is Here, and It’s Way More Precise // MIT Technology Review, дата публикации: 25 октября 2017 года. URL: https://www.technologyreview.com/s/609203/CRISPR-20-is-here-and-its-way-more-precise/.

[179] Mullin. CRISPR 2.0 Is Here, and It’s Way More Precise.

[180] Nicole M. Gaudelli et al. Programmable Base Editing of A-T to G-C in Genomic DNA without DNA Cleavage // Nature. – No. 551 (2017). PP: 464–471. URL: http://evolve.harvard.edu/138-ABE.pdf.

[181] Yanting Zeng et al. Correction of the Marfan Syndrome Pathogenic FBN1 Mutation by Base Editing in Human Cells and Heterozygous Embryos // Molecular Therapy, дата публикации: 13 августа 2018 года. – doi:10.1016/j.ymthe.2018.08.007.

[182] Michael Gapinske et al. CRISPR-SKIP: Programmable Gene Splicing with Single Base Editors // Genome Biology 19. – No. 1 (2018). – doi:10.1186/s13059-018-1482-5.

[183] Cassandra Willyard. The Epigenome Editors: How Tools Such as CRISPR Offer New Details about Epigenetics // Nature Medicine 23. – No. 8 (2017). PP: 900–903. – doi:10.1038/nm0817-900; Ianis G. Matsoukas. Commentary: RNA Editing with CRISPR-Cas13 // Frontiers in Genetics. – No. 9 (2018). – doi:10.3389/fgene.2018.00134.

[184] Zhuchi Tu et al. Promoting Cas9 Degradation Reduces Mosaic Mutations in Non-Human Primate Embryos // Scientific Reports 7 (2017). URL: https://www.nature.com/articles/srep42081; Michael Le Page. Mosaic Problem Stands in the Way of Gene Editing Embryos // New Scientist, дата публикации: 15 марта 2017 года. URL: https://www.newscientist.com/article/mg23331174-400-mosaic-problem-stands-in-the-way-of-gene-editing-embryos/; P. Singh, J. C. Schimenti, E. Bolcun-Filas. A Mouse Geneticist’s Practical Guide to CRISPR Applications // Genetics. – No. 199 (2014). PP: 1–15. URL: http://www.genetics.org/content/199/1/1.full; Michael Le Page. Male Infertility Cure Will Be Gateway to Editing Our Kids’ Genes // New Scientist, дата публикации: 23 июня 2016 года. URL: https://www.newscientist.com/article/2094926-male-infertility-cure-will-be-gateway-to-editing-our-kids-genes/.

[185] 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.

[186] Dieter Egli et al. Inter-homologue Repair in Fertilized Human Eggs? // BioRxiv (2017).

[187] Adikusuma, Fatwa, Sandra Piltz, Mark A. Corbett, Michelle Turvey, Shaun R. Mccoll, Karla J. Helbig, Michael R. Beard, James Hughes, Richard T. Pomerantz, Paul Q. Thomas. Large Deletions Induced by Cas9 Cleavage // Nature 560. – No. 7,717 (2018). – doi:10.1038/s41586-018-0380-z; Dieter Egli et al. Inter-homologue Repair in Fertilized Human Eggs? // Nature. – No. 560 (2018); Fatwa Adikusuma et al. Large Deletions Induced by Cas9 Cleavage // Nature. – No. 560 (август 2018 года). PP: E8–E9.

[188] Genome Editing and Human Reproduction. Доклад по редактированию генома и репродукции человека. Дата публикации: 17 июля 2018 года. Совет Наффилда по биоэтике. URL: http://nuffieldbioethics.org/wp-content/uploads/Genome-editing-and-human-reproduction-FINAL-website.pdf, стр. 45.

[189] Dennis Normile. CRISPR Bombshell: Chinese Researcher Claims to Have Created Gene-Edited Twins // Science, дата публикации: 26 ноября 2018 года. URL: https://www.sciencemag.org/news/2018/11/CRISPR-bombshell-chinese-researcher-claims-have-created-gene-edited-twins.

[190] Jacob Gratten, Peter M. Visscher. Genetic Pleiotropy in Complex Traits and Diseases: Implications for Genomic Medicine // Genome Medicine. – No. 8 (2016). URL: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4952057/.

[191] Evan A. Boyle et al. An Expanded View of Complex Traits: From Polygenic to Omnigenic // Cell. – No. 169 (2017). PP: 1177–1186. URL: http://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(17)30629-3.

[192] После публикации статьи Бойля и Ли в журнале Cell в 2017 году омнигенная гипотеза так и осталась одной из самых противоречивых и горячо обсуждаемых среди ученых. См. The Omnigenic Model: Special Issue // Journal of Psychiatry and Brain Science 2. – No. 5 (2017). – doi:10.20900/jpbs.20170014s1; и Naomi Wray et al. Common Disease Is More Complex Than Implied by the Core Gene Omnigenic Model // Cell 173. – No. 7 (14 июня 2018 года). PP: 1573–1580. – doi:10.1016/j.cell.2018.05.051.

[193] Надеюсь, вы посетите сайт этого уникального проекта: http://www.openworm.org.

[194] Lucy Black. A Worm’s Mind in a Lego Body // I Programmer, дата публикцаии: 16 ноября 2014 года. URL: http://www.i-programmer.info/news/105-artificial-intelligence/7985-a-worms-mind-in-a-lego-body.html.

[195] Атлас клеток человека. URL: https://www.humancellatlas.org/.

[196] Ray Kurzweil. The Law of Accelerating Returns // Kurzweil Accelerating Intelligence, дата публикации: 7 марта 2001 года. URL: http://www.kurzweilai.net/the-law-of-accelerating-returns.

[197] Ray Kurzweil. The Singularity Is Near: When Humans Transcend Biology. – London: Duckworth, 2016. P. 39. (Р. Курцвейл. Сингулярность уже близка.) Подробное объяснение см. в Tim Urban. The Artificial Intelligence Revolution: The Road to Superintelligence // Wait But Why, дата публикации: 22 января 2015 года. URL: https://waitbutwhy.com/2015/01/artificial-intelligence-revolution-1.html.