Матеріал Здоров'ю 24 надав Куншт, – це українське науково-популярне медіа, яке поєднує науку та мистецтво.
Також на тему: ГМО-діти з Китаю, крім імунітету до СНІДу, могли отримати ще й суперздібності
Молоде подружжя сиділо в кабінеті лікаря і з хвилюванням чекало на результати генетичного аналізу. "Ну ось – є ваші результати", – посміхаючись, сказав лікар. "По-перше, вітаю, – у вас буде хлопчик! А по-друге, як ми з вами й передбачали, у нього є мутація гену дистрофіну, що розташований на хромосомі Х.
Така мутація спричиняє розвиток міодистрофії Дюшена. Міодистрофія Дюшена – генетична патологія, що проявляється в руховій пасивності, призводить до атрофії м’язів і не лікується медикаментозно. Тож я скеровую вас на курс генетичного редагування. І не турбуйтеся: процедура не складна і не болюча, а ефективність редагування дуже висока – 90 % успіху".
Генетичне редагування може покращити життя / unsplash.com
Дарма ви думаєте, що це був фрагмент фантастичного оповідання про далеке майбутнє. Така ситуація може стати реальністю вже завтра. Розвиток науки внаслідок постійного прагнення людства покращити себе і навколишній світ стрімко наближає до нас схожі діалоги.
Подібно до того, як колись втілились у реальність польоти в космос та глибоководні занурення, описані ще Жюлем Верном, стане можливим і лікування цілої низки спадкових, онкологічних і хромосомних генетичних захворювань, які сьогодні є трагедією для батьків і самих хворих.
Майбутнє почалося вже у 2013 році. Саме тоді генні інженери продемонстрували ефективну дію системи CRISPR/Cas. Відкриття CRISPR спричинило науковий бум – ціла лавина досліджень із цією системою засвідчили ефективну дію в клітинах усіх живих організмів. З’явилися миші, мавпи та свині з мутаціями, спеціально викликаними за допомогою саме CRISPR/Cas. А саму систему щедро нагородили метафоричними назвами: молекулярна машина, розумні ножиці, молекулярні ножиці тощо.
Що таке CRISPR/Cas? І де її знайшли?
Хоча формально наша історія починається з 2013-го, вперше CRISPR була описана ще в 1987 році. Її випадково виявили в геномі класичного модельного об’єкта в мікробіології – кишкової палички. Японські вчені помітили, що гени бактерії містять певні паліндромні послідовності. Паліндром – буквенна послідовність, що однаково читається в обох напрямках (зліва направо та справа наліво), які повторюються і розділені спейсерами (унікальними пустими ділянками). Що це таке і якою є функція знайдених структур – тоді не зрозуміли.
Вчені навіть не підозрювали, що їхнє випадкове відкриття спричинить справжню революцію в молекулярній генетиці та генетичній інженерії. Пізніше такі структури знайшли й в багатьох інших прокаріотів. Прокаріоти – організми, клітини яких не містять ядра. Більшість прокаріотів є бактеріями: у 45% усіх відомих нині бактерій та 85% архей. Археї – одна з груп живих організмів, до якої належать мікроскопічні одноклітинні прокаріоти, що дуже відрізняються низкою фізіолого-біохімічних ознак від справжніх бактерій.
А от у геномах еукаріотів (організми, що характеризуються переважно полігеномними клітинами та морфологічно сформованим ядром) та вірусів систему не знайшли. А вже в 2002 році з’явилася тепер відома назва – CRISPR (англ. Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – короткі паліндромні повтори, що регулярно розташовані групами).
У 2005-му три дослідники (Франциско Мохіка, Крістін Пурсель, Жиль Вернью) незалежно одне від одного виявили подібність спейсерних послідовностей до нехромосомних елементів, таких як віруси та плазміди. Ба більше, спейсери CRISPR-касет у бактерій-стрептококів Streptococcus thermophilus та S. VestibularisStreptococcus thermophilus, або Стрептокок термофільний – вид грампозитивних молочнокислих бактерій. S. Vestibularis також належить до родини Стрептококів часто збігаються з ділянками генів бактеріофагів (вірусів, що вражають бактерії), які не є характерними саме для цих бактерій.
Читайте також: Вчених, які створили ГМО-дітей, ув'язнили за досліди над ембріонами
І під час глибшого аналізу складалося враження, що спейсери – це щось на кшталт уламків чужорідних генів, які "заселили" бактерії. Окрім цього, вчені помітили, що стійкість до фагових (вірусних) інфекцій, наприклад, у Streptococcus thermophilus, залежить від кількості спейсерів у CRISPR-структурах. Що більше різних спейсерів – то вищою є стійкість бактерій до різних видів фагів. Інтенсивне вивчення спейсерів і CRISPR-структур допомогли з’ясувати їхню функцію в клітині – захист прокаріотів від вірусів та плазмід.
Тобто для бактерій це своєрідна імунна система, а спейсери – уламки вірусних генів, що утворюють спадкову імунну пам’ять. Результати досліджень були опубліковані в журналі Science у 2007 році, що стало першим експериментальним підтвердженням захисної дії системи CRISPR/Cas і важливої ролі в ній саме спейсерних послідовностей.
То як саме уламки вірусних генів допомагають бактеріям подолати вірусні інфекції?
З’ясувалося, що із "залишків" вірусної ДНК у клітині синтезуються малі РНК. Їх назвали CRISPR РНК, або crРНК, і саме вони розпізнають вірусну ДНК. Однак цього недостатньо для нейтралізації фага, тож у гру вступають інші компоненти – Cas-білки. Cas-білки – білки, з’єднані з CRISPR-структурами. Cas-білки та crРНК працюють у команді: crРНК розпізнає чужу фагову ДНК, а Cas-білки і є тими "молекулярними ножицями", або "генним скальпелем", що нейтралізують чужорідну ДНК.
Науковці зробили прорив генетиці / unsplash.com
Серед Cas є білки з ендонуклеазною активністю (ендонуклеази – білки з групи нуклеаз, що розщеплюють фосфодіестерні зв’язки всередині полінуклеотидного ланцюжка, тобто розщеплюють ДНК у певних місцях). Ендонуклеазна активність – здатність білка розрізати ДНК, тобто вони можуть "розрізати" розпізнану ДНК на шматки, і далі клітина легко утилізує залишки. А головне – після такої фрагментації фагова ДНК не зможе захопити бактеріальну клітину та паразитувати в ній.
Здається, не може існувати жодного зв’язку між імунітетом бактерій та редагуванням генетичних помилок у людей. Але це лише на перший погляд. Досить швидко вчені навчилися використовувати "генний скальпель" у своїх інтересах. У 2012 році група вчених з університету Берклі (Емануель Шарпантьє та Дженіфер Дудна) опублікували статтю з пропозицією перепрограмувати систему CRISPR/Cas так, щоби мати можливість контролювати її роботу і визначати місця розрізу ДНК.
Вони довели, що можна отримати будь-яку штучну crРНК (інша назва – гід, або провідник), яка впізнаватиме ДНК там, де потрібно нам. Існує кілька різновидів системи CRISPR/Cas. Один із них кодує не весь комплекс білків Cas, а лише один – Сas9. Ця універсальна молекула виконує одразу кілька функцій: вона зв’язує чужу ДНК і розрізає її. Саме в системі з білком Сas9 вчені знайшли точний інструмент для редагування генома.
Учені Джордж Чьорч і Фен Чжан з Інституту Броуда MIT (Массачусетського технологічного інституту – прим. ред.) паралельно з групою Шарпантьє-Дудни показали, що Сas9 та РНК-гід можуть функціонувати й в клітинах вищих багатоклітинних організмів, зокрема людини.
Мутації у визначених місцях генома можуть призводити до зміни функції гена, до появи нових ознак і навіть до його вимкнення. Система CRISPR/Cas9 набагато ефективніша і дешевша порівняно з уже відомими технологіями створення ГМО та нокаутних організмів.
Ремонт генів
Та для генома людини цього буде замало. Щоби виправити помилку в гені, ми мусимо не лише знищити деформовану ділянку гена чи хромосоми, а й замінити її на правильну послідовність. Тож тут нам допоможуть уже досить відомі елементи клітини – спеціальні ферменти репарації. Репарація ДНК – набір процесів, за допомогою яких клітина знаходить і виправляє пошкодження молекул ДНК, які кодують її геном, що здатні "бачити" розриви молекули ДНК та "зшивати" її.
Ось як це відбувається: на допомогу ферментам репарації приходить подвійний набір хромосом (пошкоджена і ціла), що міститься в кожній клітині. "Правильна" (ціла) версія – це своєрідна матриця, котра допомагає зрозуміти, як "залатати" діру в розірваній копії. Окрім того, в клітину разом зі штучною РНК-гід та Cas9 можна ввести й потрібну нам копію гена. Таким чином, ми можемо точно, наче скальпелем, видалити мутацію з гена, знищивши причину тієї чи іншої хвороби.
Нововідкрита система привела генетиків до результатів, що уможливлюють ремонт одразу кількох мутованих генів. Так, восени 2015 року сталося неможливе – генетик Джордж Чьорч оголосив про модифікацію (вимкнення) в ембріоні свині аж 62-х генів.
Читайте також: Новітню генну технологію CRISPR вперше використали для лікування вродженої сліпоти
А це вдесятеро більше, ніж вдавалося модифікувати до відкриття системи CRISPR/Cas9! Усі 62 гени були "заселені" вірусом, який зазвичай є суттєвою перешкодою для вирощування людських органів у міні-свинках із ціллю їхньої подальшої трансплантації. Модифікувавши ці гени, вчений зміг подолати й вірус.
Не ножицями єдиними
Проте CRISPR/Cas9 діє не лише як ножиці чи скальпель. Згодом учені вигадали химерну штуку під назвою зламані ножиці – білок dCas9, що взагалі втратив здатність розрізати ДНК. Новий білок, як і його дикотипний родичДикотипний –"дикий тип" у біології – це норма виду; те, що є природною нормою без спонтанних або викликаних штучно мутацій, здатний утворювати комплекси з РНК-гіда та ДНК у запрограмованих місцях.
Редагування геному може вилікувати багато хвороб / unsplash.com
Ця особливість швидко отримала оригінальне застосування: з’явився молекулярний ліхтарик! Прикріпивши до білка dCas9 зелений флюоресцентний білок (англ. GFP – Green Fluorescent Protein), учені позначають конкретну ділянку хромосоми живої клітини та спостерігають за нею під мікроскопом.
А це дозволяє точніше розуміти генетичну основу виникнення хвороб чи, наприклад, розвитку ембріона, щоби впливати на них у майбутньому.
Уже сьогодні
Наразі існує три компанії, що серйозно займаються розробкою медичного застосування CRISPR/Cas9: американські Editas Medicine та Intellia Therapeutics і міжнародна CRISPR Therapeutics. Усі три на стадії стартапів, але навіть тепер їхні бюджети вражають: $43 млн, $15 млн, $89 млн відповідно. Їхні інвестори – великі біофармацевтичні компанії, готові вкладати величезні суми. Наприклад, лише CRISPR Therapeutics у квітні 2016 року отримала $64 млн.
Завдяки випадку з кишковою паличкою ми тепер не лише знаємо, як бактерії захищаються від вірусних атак, а й володіємо інструментом для ремонту генів: створюємо їхні нові варіанти, позначаємо їх, вмикаємо та вимикаємо.
Така істинно деміургійна влада надихнула вчених почати втілювати задум про корекцію генома людини. 14 квітня 2015 року група китайських учених під керівництвом Цзюньцзю Хуана з Університету Сунь Ятсена (у місті Ґуанчжоу) опублікували в Protein&Cell дослідження "CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes" (з англ. "Редагування генів за допомогою CRISPR/Cas9 у триплоїдних зиготах людини").
Це стало першою спробою відремонтувати генну мутацію в ембріоні людини. Цій публікації передувала досить напружена та бурхлива дискусія в наукових колах, а відомі й поважні журнали Science та Nature відмовилися публікувати її на своїх сторінках з етичних причин. Адже нині в більшості країн накладено мораторій на використання людських ембріонів з ціллю генетичних експериментів.
Що ж саме викликало таку реакцію наукової спільноти? Генетики спробували вилікувати генетичну патологію бета-таласемію. Бета-таласемія – спадкова хвороба крові, спричинена мутацією в одному з генів гемоглобіну на рівні ембріона. Для експерименту взяли 86 запліднених яйцеклітин, які містили мутацію гена гемоглобіну в материнських хромосомах.
Результат не виправдав очікувань науковців: із 86 ембріонів лише в чотирьох мутований ген вдалося відредагувати. В інших система або не знайшла і не розпізнала потрібний фрагмент, або клітини не "зашили" діру на місці мутації. Окрім того, CRISPR/Cas9 зробила і багато помилкових розрізів ДНК, тобто не там, де була мутація. З одного боку, ефективність дуже низька як для "етично специфічного" об’єкта експерименту, а з іншого – чотири ембріони все ж були успішно відредаговані!
У 2016 році відбулася ще одна важлива подія в науковій царині: Британська державна агенція HFEA (англ. Human Fertilization and Embryology Authority – Відомство з ембріології та запліднення людини – пер. ред.) дозволила проводити генетичну модифікацію людських ембріонів за допомогою CRISPR/Cas9. До того часу подібні дослідження були заборонені як у Великобританії, так і в решті країн Західної Європи та США.
Але дозвіл стосується лише конкретної дослідницької групи Кеті Нікен з Інституту Френсиса Кріка. Всі їхні дії ретельно контролюватимуть, а ембріони знищать через 14 днів. Тож Туманний Альбіон став першою із західних країн, де офіційно дозволене застосування технології редагування генома людини та людського ембріона. Залишаючи осторонь релігійно-етичний аспект питання, фанати науки можуть тільки порадіти, адже на них чекають нові сенсаційні відкриття в галузі генетичного програмування.
Текст підготувала Оксана Півень – кандидат біологічних наук, співробітник Інституту молекулярної біології та генетики НАН України.
Хочете стати розумнішими за 5 хвилин? Підписуйтеся на розсилку Куншт про новини науки та технологій.