Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки: читать начало книги онлайн

При болезни Альцгеймера нейроны неконтролируемо погибают. Из-за этого человек теряет память, ухудшаются речь, когнитивные способности и многое другое. Поражение клеток вызывают патологические накопления в телах нейронов: тау-белков – внутри, амилоидов – снаружи.

Биологи из Института нейродегенеративных заболеваний Массачусетса под руководством Сюзанны Вегманн в лабораторных условиях смогли снизить количество тау-белка в мозге мышей [12]. Именно этот белок вызывает смерть нейронов, активируясь амилоидом. Для этого исследователи использовали участки молекулы белка, которые могут инактивировать тау-белок. Ученые проанализировали разные варианты строения белка-диверсанта и нашли тот вариант, который останавливает работу тау-белка, не задевая генетический код здоровых клеток.

Готовую молекулу упаковали в безвредный аденовирус, сделали инъекцию в двух группах: первая получила препарат только в гиппокамп, а вторая – на весь мозг через кровоток. Для первой группы мышей удалось добиться снижения количества тау-белка на 70–85 %. Во второй группе общее содержание тау-белка в мозге тоже было снижено на 30–50 %. Количество белка было снижено на 50 % даже через год после инъекции. При этом такой способ показал низкую токсичность для клеток мозга на молекулярном и тканевом уровнях. Но это не весь эксперимент. Сюзанна Вегманн решила смоделировать ситуацию болезни Альцгеймера. У подопытных животных образовывались в головном мозге бляшки, которые мешали нейронам развиваться: были повреждения тел и отростков нервных клеток. Для того чтобы использовать препараты на людях, требуются дополнительные исследования, которые подтвердили бы отсутствие влияния на другие части генома.

Для лечения болезни Паркинсона в очередной фазе клинических испытаний генной терапии пациентам введут препарат VY-AADC01, который будет доставлен непосредственно в мозг [13]. Для этого разработчик Voyager Therapeutics начал набор когорты из 20 добровольцев. Ждем результаты!

Интересно, что неврология занимает четвертое место по числу проводимых испытаний генной терапии после онкологии, кардиологии и инфекционных болезней.

Другие неизлечимые болезни

Болезнь Тея-Сакса – генетическое заболевание, из-за которого нарушаются функции головного и спинного мозга. Работа фермента гексозаминидазы А, которого не хватает при этой болезни, заключается в своевременной утилизации ганглиозидов – молекул, которые включает в себя оболочка нервного волокна. В противном случае они накапливаются, и разрушается само тело нейрона.

До настоящего времени специфического лечения болезни разработано не было. Но медики из Массачусетского университета во главе с Мигелем Сен-Эстевесом провели доклинические испытания одного из вариантов лечения болезни Тея-Сакса [14]. И методика, конечно, связана с генной терапией. Исследователи решили доставить (с помощью векторной вирусной частицы) необходимый код для синтеза фермента прямо в мозг пациента, чтобы соответствующие белки принялись за работу и начали синтезировать гексоаминидазу А. В экспериментах на лабораторных животных такой метод позволил повысить уровень фермента в 15 раз по сравнению с контрольной группой. Поэтому использование генной терапии на добровольцах было одобрено.

Первыми пациентами, получившими лечение, стали девочки: первой пациентке было 2,5 года, а второй – семь месяцев. Второй девочке вектор ввели в субарахноидальное пространство (полость между оболочками в головном и спинном мозге) и в таламус (отдел головного мозга), а первой только в субарахноидальное пространство, так как таламус был сильно поражен. Лечение хорошо переносилось и проходило без побочных эффектов. Содержание фермента гексозоаминидазы увеличилось в два раза. В целом общее состояние пациенток улучшилось, хоть и полностью неврологические нарушения не ушли. У первой девочки припадки исчезли. У второй возникли припадки после введения вектора, но на противосудорожных препаратах их удалось полностью купировать. А учитывая, что при болезни Тея-Сакса припадки сложно купируемы и дети не доживают до четырех лет, уже можно говорить об успехе терапии. На момент публикации статьи первой пациентке было 4,5 года [15]. В дальнейшем ученые из Массачусетса планируют увеличить дозу вирусного вектора, несмотря на то что это может вызвать некоторые побочные эффекты. Однако риски оправданы: болезнь смертельна, и приходится выбирать то, что будет максимально выгодным для пациента.

Например, самой известной и распространенной болезнью является миодистрофия Дюшенна. Развивается стремительно и приводит к быстро прогрессирующему параличу. Больные могут не доживать даже до 18 лет. При данной генетической аномалии происходит мутация в гене дистрофина. Этот белок выступает связующим звеном между внеклеточным пространством и сигнальными молекулами. Его функция – координация поступающих сигналов и передача импульса для сокращения волокна. Без него невозможно движение: клетки работают беспорядочно, получая искаженные сигналы, и в результате умирают.

Проблема лечения от миодистрофии заключается в ее поздней диагностике, когда уже большинство мышечных волокон погибло. Группа ученых разработала генную терапию и даже уже тестировала ее на животных. С помощью этой терапии действительно удалось запустить синтез нужного белка, но в эксперименте на лабораторных крысах стадия заболевания была начальной или средней степени выраженности.

Для того чтобы выяснить, возможно ли восстановление на более поздней стадии миодистрофии, группа исследователей из Университета Айовы работала с мышами специально выведенной линии [16]. У такого дизайна эксперимента есть ряд преимуществ. Во-первых, при данной мутации у мышей довольно серьезно проявляется заболевание: нарушена подвижность, снижен вес, а половина не доживает до года. Во-вторых, подобный белок есть и у человека.

Лечение было решено начать на 35-й неделе жизни, так как уже на этом этапе развивались серьезные повреждения. Группе ввели аденовирусный вектор с правильным вариантом гена. Результаты сравнили с контрольной группой, которая не получала никакого лечения.

После генной терапии у тех, кто получил лечение, улучшились показатели выносливости, усилилась сила хвата, и они смогли вставать на задние лапки, чего были лишены в активной фазе болезни. Лечение сказалось и на прибавке в весе, но не достигло показателей здоровых мышей, хоть и выживаемость стала больше. На 60-й неделе жизни животных из контрольной группы усыпили, так как повреждения, которые спровоцировала болезнь, были не совместимы с жизнью. Из экспериментальной группы умерло только одно животное из 14.

Хоть результаты представляются более чем обнадеживающими, ученые отмечают, что не все мышечные дистрофии можно излечить с помощью генной терапии. Ген из эксперимента довольно короткий, его удалось доставить напрямую. При более длинной цепочке, как у дистрофина, это затруднительно. Приходится воздействовать опосредовано через белок-редактор, который «чинит» ген на месте. Но по результатам этого эксперимента можно сделать вывод, что организм, в силу некоторой пластичности, способен восстанавливаться даже не при 100 %-ной починке генома.

Глава 4

Отредактируй меня полностью

В предыдущей главе мы узнали, что многие неизлечимые болезни пытаются лечить на генном уровне. Давайте теперь немного подробнее изучим эту тему. Вы знали, что бактерии научили людей редактировать геном? И многое, о чем мы писали до этого и будем обсуждать в этой главе, заслуга бактерий. Звучит невероятно, но так и есть.

Технологии геномного редактирования – это группа технологий, которые дают ученым возможность изменять ДНК организма. Эти технологии позволяют добавлять, удалять или изменять генетический материал в определенных местах генома. Ученые разработали несколько методов для редактирования генома.

Самый известный сегодня метод – CRISPR/Cas9. Его позаимствовали из естественной системы редактирования генома бактерий. Бактерии захватывают фрагменты ДНК от вторгающихся вирусов и используют их для создания сегментов ДНК, известных как массивы CRISPR.

Массивы CRISPR позволяют бактериям «запоминать» вирусы. Если вирусы атакуют снова, бактерии производят сегменты РНК из массивов CRISPR для нацеливания на ДНК вирусов. Затем бактерии используют Cas9 или аналогичный фермент, чтобы разрезать ДНК, что отключает вирус.

Система CRISPR/Cas9 работает аналогичным образом в лаборатории. Исследователи создают небольшой фрагмент РНК с короткой «направляющей» последовательностью, которая прикрепляется к определенной последовательности-мишени ДНК в геноме. РНК также связывается с ферментом Cas9. Как и у бактерий, модифицированная РНК используется для распознавания последовательности ДНК, а фермент Cas9 разрезает ДНК в целевом месте. После того как ДНК разрезана, исследователи используют собственный механизм восстановления ДНК клетки, чтобы добавлять или удалять фрагменты генетического материала или вносить изменения в ДНК.

Технология геномного редактирования представляет большой интерес для профилактики и лечения заболеваний человека. В настоящее время большинство исследований по редактированию генома проводится для понимания болезней с использованием моделей клеток и животных.

Ученые все еще работают над тем, чтобы определить, является ли этот подход безопасным и эффективным применительно к людям. Он изучается в исследованиях по широкому кругу заболеваний, включая такие моногенные расстройства, как муковисцидоз, гемофилия и серповидноклеточная анемия. В перспективе рассматривается лечение и профилактика более сложных заболеваний: рака, болезней сердца, психических заболеваний и инфекции ВИЧ.

Этические проблемы возникают, когда редактирование генома с использованием таких технологий, как CRISPR/Cas9, используется для изменения генома человека. Большинство изменений, которые вносятся при редактировании генома, ограничены соматическими клетками, отличными от яйцеклеток и сперматозоидов. Эти изменения затрагивают только определенные ткани и не передаются из поколения в поколение. Однако изменения, внесенные в гены в яйцеклетках, сперматозоидах или в генах эмбриона, могут передаться будущим поколениям. Редактирование клеток зародышевой линии и генома эмбриона поднимает ряд этических проблем, включая вопрос о том, допустимо ли использовать эту технологию для улучшения нормальных человеческих качеств (таких как рост или интеллект). Исходя из этических соображений и требований безопасности, редактирование геномных клеток и эмбрионального генома в настоящее время запрещено во многих странах [1–5].

Отредактировать геном и избавиться от всех болезней

В 2018 году, когда родился мой блог, я стала еще больше интересоваться технологией CRISPR/Cas9 и лечением различных заболеваний с ее помощью.

До 2016 года технологию CRISPR/Cas9 испытывали для лечения бета-талассемии на эмбрионах [6, 7]. А в 2018 году произошло то, что потрясло всех, не только генетиков и биологов, но и людей, далеких от науки.

В Китае с помощью ЭКО на свет появились близнецы Лулу и Нана. Что в них необычного? Это первые в мире генетически модифицированные дети.