Як ремонтувати ДНК

Прогнозувати хто і за що отримає Нобелівську премію ризиковано. Але деякі відкриття настільки значущі, що одержання їх авторами блискучої медалі видається лише питанням часу, пише видання The Economist.
Одне з таких відкриттів — потужна технологія корекції генів CRISPR-Cas9, що серйозно спрощує складну і копітку процедуру зміни генетичного матеріалу живих організмів.
Біологи з ентузіазмом взялися за CRISPR-Cas9, спочатку експериментуючи на тварин, а тепер відчуваючи технологію і на людях. У березні вчені Китаю зробили історичний крок, коли відзвітували про перше успішне застосування технології генетичної мутації у ембріона людини, що викликає захворювання. Але результати їх роботи були змішані. Вони на 100% успішно скорегували дефектний ген, що викликає тип анемії, відомий як фавизм. Однак випробували технологію тільки на двох уражених ембріонах. У випадку чотирьох інших носіїв мутації, що обумовлює ще один вид анемії, таласемією, коригування було успішним тільки в одного ембріона.
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, група вчених з Америки, Китаю і Південної Кореї вдало зробила те ж саме з разюче однаковими результатами в значно більшій кількості ембріонів. До того ж вченим вдалося уникнути деяких помилок попередніх експериментів або мінімізувати їх. Це дає можливість припустити, що у CRISPR-Cas9 після певних доопрацювань і подальшої копіткої роботи є непоганий шанс рано чи пізно перейти від лабораторій до лікарняних палат.
Читайте також: CRISPR: вчені-генетики перехоплюють управління еволюцією
Згадані вище вчені — Гонг Ма з університету орегона здоров’я і науки з колегами — взяли сперму від чоловіка, який є носієм мутованого гена YBPC3. Останній обумовлює розвиток гіпертрофічній кардіоміопатії — стану, при якому стінки серця товщають. Як і у випадку з генами, які зумовлюють таласемією і фавизм, спадкування єдиної копії дефективної варіації цього гена досить, щоб викликати в людини таку кардіоміопатію.
Цими сперматозоїдами, половина з яких несла мутовану варіацію MYBPC3, запліднили яйцеклітини з нормальною копією цього самого гена. Відповідно шанси, що ембріони, які утворилися, будуть мати дефективную копію гена, були 50:50. Якщо б цим ембріонам дозволили розвинутися без редагування генів, ті, що були носіями дефективної копії, швидше за все, у дорослому віці страждали від хвороби.
Від меча до орала
Технологія редагування генів CRISPR-Cas9 розвинулася за зразком системи захисту від бактерій, подрібнює ДНК агресивних вірусів. CRISPR розшифровується як «короткі палиндромные повтори, регулярно розташовані групами». Це невеликі ланцюга РНК (молекули, подібної ДНК), кожен з яких збудований так, щоб боротися з конкретним сегментом ДНК вірусу. Cas9 — це ензим, який під контролем ланцюгів CRISPR ріже ДНК в певній точці.
Модифікувати ці механізми в генній інженерії, принаймні в теорії, просто. Оскільки ДНК і РНК функціонують фактично однаково в усіх живих організмах, будуючи відповідно сконструйовані CRISPR, молекули-провідники можуть направити Cas9 на те, щоб січ будь ДНК, виділену їх конструкторами. Так можна позбавлятися від небажаних ланцюжків «літер» в генетичному коді. Згодом клітини намагаються виправити шкоду, тому генні інженери можуть вводити в них правильні варіації ДНК, яких організм позбувся. Ці правильні варіації можуть слугувати взірцем, який клітина здатна скопіювати. Таким чином можна стимулювати механізм виправлення проблеми саме так, як запланували генетики.
Вченими очікувалася, що, отримавши такі зразки, ембріони зможуть очиститися від спадкової генетичної хвороби. Схоже, що ці надії виправдалися, принаймні частково. До завершення експерименту 72% ембріонів не мали мутованих варіацій MYBPC3. Це краще 50%, які уникли б міопатії без генетичного редагування.
Таке досягнення доктора Ма і його колег свідчить про те, що вони подолали дві проблеми, на які часто натикаються практики корекції CRISPR-Cas9. Одна — коли у провідника може відбутися збій, і молекули CRISPR приведуть ензим частин геному, що схожі, але не ідентичні з потрібними). На щастя, вчені не знайшли свідчень такого помилкового редагування.
Друга проблема полягає в тому, що навіть коли корекція відбувається там, де треба, вона не може охопити кожну клітину. Багато попередніх експериментів, включаючи і деяких на ембріонах, приводили до мозаицизму, коли в результаті корекції виходить суміш модифікованих і немодифікованих клітин. Якщо мета корекції — усунути генетичне захворювання, то такий мозаїцизм небезпечний протилежним наслідком, тобто він загрожує навпаки, помножити дефект.
Доктор Ма з колегами припустили, що рішенням може стати запровадження молекул CRISPR-Cas9 в яйцеклітину одночасно з введенням сперматозоїда. Таким чином, процес корекції може тривати досить довго, щоб закінчити свою роботу, перш ніж запліднена яйцеклітина пройде перший етап поділу. Через три дні (за цей час яйцеклітина вже поділилася кілька разів) всі, крім одного, 42 ембріона, на яких технологія спрацювала вдало, показали ідентичні модифікації в кожній клітці.
Ведуться роботи
Це вже добре. Але є і третя проблема, яка збиває з пантелику під час експериментів з CRISPR-Cas9. Це якість корекції. Клітини «ремонтують» дефекти в ДНК як мінімум у два способи. Один — просте зшивання ушкоджених ланцюгів ДНК. Їх «букви» видаляються або додаються в довільному порядку. Оскільки в такому процесі додаються інші мутації, він не підходить для медичної корекції дефектів ДНК (хоча міг би застосовуватися для генетичної модифікації агрокультур). На щастя, другий механізм — це латання дір під керівництвом зразка. Він не призводить до появи додаткових помилок. Але клітинам, схоже, більше подобається довільний підхід. У попередніх дослідженнях CRISPR-Cas9 більш точний метод траплявся лише з частотою від 2% до 25% випадків.
Втім, клітини, що фігурували в експериментах вчених, вели себе значно більш відповідально. Та цього, напевно, не варто дивуватися. Будь генетичний дефект в заплідненій яйцеклітині, якщо його не виправити, в подальшому вплине на цілий організм. Тому у ембріонів є еволюційний стимул виправлятися. Але тут вчених чекала несподіванка. На противагу їхнім сподіванням клітини напрочуд рідко використовували для корекції введений зразок: лише в одному із 42 модифікованих ембріонів. Решта «ремонтувала» дефектний ген, орієнтуючись на немутировавшую копію, успадковану від матері. Це контрастувало з результатами контрольних експериментів, які вчені паралельно проводили на людських стовбурових клітинах (ті значно частіше орієнтувалися на зразок, введений для корекції). За словами вчених, це може свідчити про досі невідомий механізм корекції ДНК ембріонів.
Якщо це виявиться правдою, то стане доброю, і поганою новиною одночасно. Гарною, тому що дасть можливість припустити, що ембріони часто високоякісний ремонт виконують без зовнішньої допомоги. Поганий, тому що «ремонт» вдасться тільки тоді, коли друга копія гена не буде мати ніякого шлюбу. Ембріони, які успадковують дві пошкоджені копії певного гена — по одній від кожного з батьків, — просто замінять одну дефективную інший, і загального успішного результату не буде.
Джин-Су Кім з Інституту фундаментальних наук в Південній Кореї (він один із співавторів дослідження) вважає, що під час подальшого вивчення генетики зможуть вирішити і цю проблему. Він вказує на те, що ембріони мишей, очевидно, без проблем користуються зовнішнім генетичним матеріалом. Можливо, існують біохімічні підказки, які контролюють те, як клітина впливає на зміну ДНК, і цими підказками можна маніпулювати. Втім, різниця результатів досліджень може свідчити про нездоланний еволюційний розрив між мишами і людьми — видами, чиї найближчі спільні предки жили більше 60 млн років тому.
Але це вже тема для іншого дослідження. Протягом наступних місяців доктор Ма і його колеги планують повторити і розширити свою роботу, експериментуючи з іншими мутаціями та донорами. Одна з цілей — удосконалити ефективність технології. Шухрат Міталіпов, колега докторки Ма з Орегона, який теж є співавтором дослідження, вважає, що ефективність технології можна довести до як мінімум до 90%. Кінцева мета, хоча до неї ще далеко, — повноцінні клінічні дослідження, в яких модифіковані ембріони, очищені від генів, які викликають хвороби, реимплантируются в лоно своїх матерів і донашиваются до покладеного терміну. Якщо це здійсниться успішно, тоді можна буде сказати, що інженерія генів людини досягла повноліття.