Работа над ошибками природы

Сделан еще один шаг в направлении, которое одних крайне воодушевляет, а других так же сильно пугает, – к генетическому модифицированию человека. На прошлой неделе в журнале Nature была опубликована статья с описанием успешного эксперимента по редактированию мутации в ДНК человеческого эмбриона. Исследователям удалось исправить ошибку в гене MYBPC3 на 11-й хромосоме – эта мутация во многих случаях приводит к гипертрофической кардиомиопатии, неизлечимому наследственному заболеванию.

Генно-модифицированный человек на свет не появится – во всяком случае на этот раз. Исследовательская группа из Орегонского университета под руководством Шухрата Миталипова (ученый уйгурского происхождения, выходец из Казахстана, защитивший докторскую диссертацию в Институте генетики человека Медико-генетического научного центра РАМН в Москве) работала с донорскими яйцеклетками, полученными от 12 здоровых женщин, и донорской спермой одного мужчины, ДНК которого несла мутацию в гене MYBPC3. Ученые пытались “починить” ошибку в генетическом коде сперматозоида, а затем давали оплодотворенной им яйцеклетке развиться в течение нескольких дней. Мутацию несет половина сперматозоидов донора, так что в обычной ситуации половина эмбрионов унаследовала бы генетическую ошибку. А вот в ходе эксперимента здоровыми оказались 42 эмбриона из 58, то есть 72,4 процента. Это статистически значимая разница, указывающая на то, что впервые в истории ученым удалось успешно исправить мутацию в ДНК человеческого эмбриона.

Гипотетически здоровый эмбрион мог бы быть в дальнейшем подсажен в женскую матку, как это происходит при процедуре ЭКО, развиться в полноценный плод, родиться ребенком без наследственного заболевания. Но так далеко ученые не заходят по этическим причинам – пока. Этично ли то, что полученные в ходе эксперимента эмбрионы были в сущности умерщвлены? Анча Баранова, доктор биологических наук, директор по науке биомедицинского холдинга "Атлас", профессор Школы системной биологии GMU (США), объясняет, что слово “эмбрион” нужно понимать в биологическом, а не бытовом смысле: “Если в массовом сознании эмбрион – это сформировавшийся в утробе маленький человек, то для биологов и зигота – оплодотворенная яйцеклетка – это уже эмбрион. До маленького человечка ей достаточно далеко – первые дни эмбрион проводит как бесформенное сообщество клеток”.

Работа Шухрата Миталипова и его коллег – важнейшее научное достижение, но вполне ожидаемое. Для редактирования генома ученые использовали относительно новый инструмент – так называемый CRISPR-Cas9, который стремительно становится основным инструментом генной инженерии.

Фотография и ножницы

Задача, над которой генные инженеры бились несколько десятилетий, – научиться разрезать молекулу ДНК ровно в том месте, в котором нужно. Методы редактирования генома, которые существовали раньше, были достаточно грубыми. Представьте, что вам нужно исправить в напечатанном на бумажной ленте тексте одно слово, и все, что вы можете, – беспорядочно кромсать ленту ножницами, вклеивая участок с исправленным словом куда придется. Примерно так приходилось действовать раньше, производя манипуляции над очень большим количеством клеток одновременно в надежде, что хоть где-то получится нужный вариант ДНК, в котором не просто будет исправлен нужный участок, но и не будут повреждены другие гены. Это не просто сложно, потенциально опасно, но еще и очень дорого.

Все изменилось, когда ученые подсмотрели в природе механизм, способный делать разрез в ДНК ровно в нужном месте. Представьте себе машинку, ползущую вдоль бумажной ленты с текстом: очередное слово появляется в окошке, сравнивается с заранее выбранным шаблоном, и если они совпадают – на ленте делается разрез. С помощью такой машинки можно в точности заменить одно слово на другое, без ошибок и не повредив остальной текст. И ровно такая машинка была найдена в природе – это механизм CRISPR-Cas, одна из вирусных защит у бактерий. Бактерия “запоминает” нападавшие на нее ранее вирусы, записывая в свою генетическую “память” кусочки их ДНК. Специальный белок с “ножиком” и картотекой портретов преступников ищет обладателей подозрительных последовательностей аминокислот, и если встречает совпадение – разрезает потенциальных злоумышленников.

Взять этот механизм из кишечной палочки и выдать ему вместо портретов вирусов нужную картотеку генов оказалось не очень сложным делом – так ученые получили чувствительные острые ножнички, причем, что очень важно, – совсем не дорогие. А “вклеивать” в разрез правильный участок ДНК умели и раньше. Таким образом, в первой половине 2010-х у биологов появился инструмент copy-paste для редактирования генома, причем такой, что пользоваться им смогли себе позволить не только самые богатые, а очень многие лаборатории во всем мире.

Слоны, комары, грибы и человек

Новая технология оказалась доступной и эффективной, и экспериментировать с этим инструментом стали во многих лабораториях мира. Большинство исследований ведутся в исключительно научных целях. Например, в Медицинской школе Гарварда учатся встраивать в геном слонов участки ДНК мамонтов – в теории, таким образом можно вывести морозоустойчивых слонов. Но до самих животных дело пока не дошло – эксперимент, как и работа Миталипова, пока остается на клеточном уровне. А в Имперском колледже Лондона придумали, как вывести генно-модифицированных малярийных комаров, которые в следующем поколении дают половину бесплодных особей. Так можно было бы сократить или даже уничтожить всю природную популяцию этих малоприятных насекомых, но и в этом случае эксперимент не вышел за стены лаборатории.

Впрочем, уже есть примеры применения CRISPR-Cas9, которые могут принести практическую пользу уже в самое ближайшее время. “В 2016 году в том же журнале Nature была опубликована новость об успешном прохождении одного из видов шампиньонов, отредактированного с помощью CRISPR-Cas9, через государственный регулятор. Поскольку американские законы запрещают вносить что-то новое в структуру клеток, ученые просто вырезали лишнее: были удалены более 20 генов, благодаря чему удалось снизить затраты на ненужные метаболические процессы, улучшить вкусовые качества грибов и упростить их культивацию”, – рассказывает Баранова.

Разумеется, соблазн испробовать новые генетические ножницы на человеческой ДНК был слишком велик – и такие исследования ведутся уже несколько лет. Их можно грубо разделить на два направления. Первое вызывает меньше этических вопросов – это попытки модифицировать клетки взрослого человека, для придания им специальных свойств. Главным образом речь идет об иммунных клетках, которые генетически не запрограммированы атаковать раковые клетки. Так, в 2016 году китайские ученые взяли у пациента, страдающего от неизлечимой формы рака легких, Т-лимфоциты, с помощью системы CRISPR-Cas отключили в них ген, мешающий лимфоцитам атаковать клетки опухоли, и сделали из них сыворотку для введения пациенту. По состоянию на ноябрь 2016 года исследователи утверждали, что лечение проходит удачно, а пациент ожидал второй инъекции. Летом 2016 года разрешение на проведение подобного эксперимента получили и американские ученые.

А вот второе направление работы касается попыток “отредактировать” человеческие половые клетки и/или эмбрионы – то есть фактически искусственно повлиять на геном человека и всех его потомков. Речь, конечно, пока идет не о придании людям новых свойств и не об улучшении их качеств, а об исправлении ошибок, то есть о починке мутировавших генов, ответственных за серьезные наследственные болезни. До работы Миталипова такие исследования проводили только китайские ученые. Например, в 2015 году группа генетиков из университета Гуанчжоу под руководством Цзюньцзю Хуана провели эксперимент по редактированию мутантной версии гена, вызывающей бета-талассемию – тяжелое заболевание крови. Из 86 эмбрионов процедуру пережили только 28, лишь в четырех из которых дефектный ген был заменен на правильную версию. Но в ДНК этих четырех эмбрионах обнаружились и другие изменения – там, где ученые этого не ожидали. Эксперимент, как и все остальные такого рода до работы американских генетиков, оказался неудачным.

Голубые глаза и редкие болезни

Эксперимент Миталипова уникален сразу в нескольких отношениях. Во-первых, он – впервые – прошел успешно, с высоким процентом эмбрионов, в которых ДНК удалось отредактировать, причем только там, где это предполагалось. Но это еще не все: Анча Баранова указывает еще на ряд важных особенностей. Во-первых, система CRISPR-Cas9, то есть соответствующий белок, наносилась не на оплодотворенную яйцеклетку, зиготу, а на мужской сперматозоид. Другими словами, редактированию подвергся не эмбрион, а только отцовский ДНК-материал, который, собственно, и содержал мутацию. Во-вторых, правильная последовательность для замены дефектного участка ДНК внедрялась не извне, а бралась из здоровой, материнской копии гена. “Отсутствие "чужеродного" генетического материала важно для общественности, эта особенность помогает принятию технологий редактирования генома”, – отмечает Баранова.

Впрочем, эксперимент пока недостаточно успешен для того, чтобы его можно было воспроизводить в клинических условиях – даже если отбросить этические вопросы. “Мы получили больше здоровых эмбрионов [чем в контрольной группе], но пока их не 100%, так что, я думаю, у нас есть возможность улучшить этот результат. Мы можем добиться эффективности в 90−100%”, – сказал Шухрат Миталипов на специальной пресс-конференции в минувший вторник. Кроме того, пока исследована конкретная ситуация исправления конкретной мутации. “Успех ученых не означает, что теперь можно редактировать геном эмбриона так, как захочется. Прежде всего необходимо понимать, что в описанном эксперименте было проведено слияние здоровой яйцеклетки и сперматозоида с опасной для здоровья мутацией. Не факт, что такие же результаты ждут ученых, например, при смене позиций: здорового сперматозоида и яйцеклетки с мутацией”, – подчеркивает Баранова.

И все-таки мы оказались в одном шаге от реальной возможности редактировать человеческие эмбрионы – а значит, не только исправлять ошибки в их ДНК, но потенциально и искусственно улучшать какие-то качества. Некоторые скептики считают, что исследование Миталипова и другие подобные эксперименты прокладывают дорогу индустрии “дизайнерских детей” – возможности выбрать для своего ребенка цвет глаз, волос, улучшать физические и интеллектуальные качества. Других пугает сам факт вмешательства человека в “Божий промысел”.

Анча Баранова замечает, что в сущности в человеческий геном мы вмешиваемся уже давно – в рамках вполне традиционной медицины. Например, лечение бесплодия, особенно генетически обусловленного, как женский поликистоз яичников или неподвижность спермы у мужчин, фактически является вмешательством в процесс естественного отбора. Людей с такими заболеваниями оказывается в популяции больше, чем было бы, если бы воспроизводство обходилось без врачей. “Поскольку медицина уже занимается тем, что вмешивается в естественные механизмы отбора и увеличивает в обществе долю генотипов, которые в норме с некоторой ненулевой скоростью удаляются из популяции естественным путем, логично компенсировать этот процесс вмешательством на уровне редактирования генома, чтобы не нагружать человеческое общество вариантами генов, требующими “усиленной” поддержки со стороны здравоохранения”, – Анча Баранова считает модификации вроде той, что удалась команде Миталипова, вполне оправданными.

А вот “дизайнерские дети” и правда, по мнению Барановой, ничего хорошего для человечества не сулят, причем не только из этических соображений, но и из соображений выживания популяции. “Одна из основ выживания популяции – это разнообразие, – говорит Баранова. – Но для человеческого сознания характерна ориентация на тенденции моды, что может привести к серьезной унификации всего “редактируемого” поколения по принципу “хочу блондинку с голубыми глазами”. А это существенно снижает шансы человеческой популяции на выживаемость как вида, поэтому даже в такой фантастической реальности необходимы ограничительные механизмы”.

Вот только отредактировать ДНК эмбриона, чтобы получить “блондинку с голубыми глазами”, мы не умеем и вряд ли скоро научимся. При всей эффективности системы CRISPR-Cas9, она работает очень точно, позволяя редактировать один конкретный ген. Большинство внешних особенностей, не говоря уж о таких сложных качествах, как уровень интеллекта, во-первых, в значительной степени зависят от внешних факторов, но даже на генетическом уровне связаны с огромным комплексом генов. Причем обычно мы даже не знаем, каким именно. “Несмотря на популярные разговоры о том, что скоро якобы можно будет на этапе зачатия выбирать цвет волос и глаз ребенка, его сильные стороны в спорте и так далее, в серьезных научных кругах речь об этом не идет. И хотя уже известны многие полиморфизмы (наборы генов. – РС), отвечающие за те или иные особенности внешности и личности, эта тема – скорее для писателей и кинематографистов”, – уверена Баранова.

Ближайшее будущее – предупреждение склонности эмбриона к наследственным заболеваниям, которые связаны с ошибкой в одном или нескольких генах. Такие болезни считаются “редкими” (хотя той же гипертрофической кардиомиопатией болеет в среднем один человек из 500), но их достаточно много – в общей сложности около 7000. Как только научные эксперименты такого рода продемонстрируют достаточную эффективность, соображения биоэтики уже не смогут остановить их внедрение в клинику. “В отношении человека широкое распространение этой технологии в первую очередь упирается в вопросы биоэтики, которые закреплены на государственном уровне во всех развитых странах. Однако и эти системы не застыли навсегда в камне, – объясняет Анча Баранова. – Например, в США долго действовал запрет на работу с эмбриональными клетками человека, из-за чего страна сильно отстала в этой области от, скажем, Китая и Южной Кореи. В итоге законы пересмотрели в более мягкую сторону”. Впрочем, Россию, где недавно был принят крайне консервативный закон о ГМО, это проявление прогресса коснется не скоро.