Трещина в мироздании

Издательство Corpus представляет книгу Дженнифер Даудны и Сэмюела Стернберга «Трещина в мироздании. Редактирование генома: невероятная технология, способная управлять эволюцией» (перевод Светланы Ястребовой)

Американский биохимик, профессор Калифорнийского университета в Беркли Дженнифер Даудна (Jennifer Anne Doudna) — одна из создателей технологии редактирования генома CRISPR-Cas9. Метод, позволяющий прицельно изменять ДНК живого организма, может в ближайшие годы полностью изменить мир медицины. Однако возможности CRISPR-Cas9 безгранично шире: например, с помощью этой технологии можно будет создавать гибридных животных или «редактировать» внешность будущего ребенка при искусственном оплодотворении. Дженнифер Даудна рассказывает о разработке метода CRISPR-Cas9, описывает перспективы его применения и делится связанными с ним опасениями.

В предлагаемом отрывке речь идет об использовании редактирования генома в медицинских экспериментах на животных и о развитии ксенотрансплантации.

Эксперименты на животных жизненно необходимы для изучения заболеваний человека, проводят ли их для подтверждения генетических причин конкретных недугов, для тестирования потенциальных лекарств или оценки эффективности медицинского вмешательства, будь то хирургические методы или клеточная терапия. Необходимая отправная точка здесь — хорошая генетическая модель, то есть животное, по своим физическим и генетическим параметрам и состоянию максимально близкое к тому, что наблюдается у данной группы пациентов. CRISPR предлагает тут эффективный и простой подход.

С начала XX века главным модельным организмом для биологических и медицинских исследований служит домовая мышь (Mus musculus), у которой 99 % генов совпадают с человеческими. Вдобавок к тому, что мыши — наши близкие генетические родственники, у них есть и другие очевидные преимущества. У мышей и людей похожа физиология различных систем — иммунной, нервной, сердечно-сосудистой, опорно-двигательной и других. Мышей можно разводить в неволе, содержать их несложно и недорого, поскольку это небольшие, мирные и плодовитые животные. «Ускоренное» течение их жизни — один год жизни мыши приблизительно равен тридцати человеческим — означает, что весь их жизненный цикл можно пронаблюдать в лаборатории всего за несколько лет. И, что, возможно, наиболее важно, с помощью различных методов — из них CRISPR самый современный и самый мощный — над мышами можно проводить генетические манипуляции для моделирования множества болезней и состояний человека. Ежегодно по всему миру разводят и поставляют исследователям миллионы мышей, и существует свыше тридцати тысяч уникальных линий этих грызунов, используемых для изучения самых различных заболеваний — от рака и болезней сердца до слепоты и остеопороза.

Однако у использования мышей в качестве модельных организмов есть и некоторые ограничения, поскольку в случае многих человеческих недугов — к примеру, муковисцидоза, болезней Паркинсона и Альцгеймера, хореи Гентингтона — эти животные не проявляют основных симптомов или реагируют на потенциальные методы лечения нетипично. В результате появляется разрыв в последовательности «от исследования до пациента» (bench-to-bedside) — то есть в процессе, в ходе которого результаты научной работы в лаборатории становятся основой для новых способов лечения в клинике.

CRISPR сможет заполнить этот пробел, сделав моделирование заболеваний на других животных практически таким же доступным, как на мышах. Прогресс уже сегодня можно увидеть на примере нечеловекообразных приматов. Трансгенные обезьяны впервые были созданы в начале 2000-х, когда исследователи использовали вирусы для введения чужеродных генов в геномы животных, однако обезьян с отредактированным геномом не было до появления CRISPR. Лишь в начале 2014 года команда китайских ученых создала яванских макак с отредактированным геномом, введя CRISPR в эмбрионы на стадии одной клетки — подобный метод был опробован на мышах годом ранее. В этом исследовании ученые запрограммировали CRISPR таким образом, чтобы его мишенями были одновременно два гена: один — связанный с синдромом тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) у человека, а другой — связанный с ожирением (оба они очевидным образом влияют на наше здоровье). Позже другие ученые создали яванских макак с измененным геном, мутации в котором наблюдаются примерно при 50 % разновидностей рака у человека, а также макак-резусов с мутациями, вызывающими миодистрофию Дюшенна. Редактирование генома также используется для работы с генами, связанными с болезнями нервной системы, при этом у обезьян в качестве модельных организмов есть уникальное преимущество: лишь на них можно изучать поведенческие и когнитивные отклонения, встречающиеся у людей.

В некотором смысле я чувствую себя неуютно, думая о подобном использовании обезьян, однако я также осознаю, насколько важно разрабатывать методы устранения симптомов и лечения человеческих болезней для облегчения наших страданий. Обезьяны с отредактированным геномом могут служить надежной заменой для пациентов-людей, позволяя ученым искать способы излечения, не подвергая риску человеческие жизни.

Свиньи благодаря CRISPR также стали популярными животными для моделирования болезней человека. Анатомия свиней близка к человеческой, эти животные быстро растут, и у них большой размер помета. Я считаю, что при условии выработки хороших методических указаний использование сельскохозяйственных животных для биомедицинских исследований более приемлемо, чем использование животных-компаньонов («домашних питомцев»), таких как приматы. На самом деле свиней с отредактированным геномом уже использовали в качестве модельных организмов для изучения дефектов пигментации, различных вариантов тугоухости, болезни Паркинсона и иммунологических нарушений, и этот список продолжает расти.

Некоторые ученые рассматривают свиней также в качестве потенциального источника лекарств. В скором времени мы, возможно, будем использовать свиней в качестве биореакторов для выработки ценных препаратов, например, терапевтических белков человека, которые слишком сложны для синтеза с нуля и могут вырабатываться только в живых клетках. Ученые уже думали над тем, какие еще трансгенные животные могут производить такие биофармацевтические препараты.

Первый такой препарат, одобренный FDA, — антикоагулянт под названием антитромбин, и его получают из молока генетически модифицированных коз. Другой разрешенный агентством препарат выделяется из молока трансгенных кроликов, а в 2015 году FDA дало зеленый свет белковому лекарству, добываемому очисткой белков из яиц трансгенных кур. Получение подобных препаратов из трансгенных животных, а не из культур клеток обладает рядом преимуществ: большее количество продукта, более простое масштабирование производства и меньшие затраты. CRISPR гарантирует дальнейшее совершенствование производства фармпрепаратов, прежде всего обеспечивая ученым гораздо лучший контроль над созданием трансгенных животных.

К примеру, опыты на свиньях показали, что CRISPR позволяет безошибочно заменить гены свиньи человеческими, что позволяет эффективнее выделять терапевтические белки, кодируемые этими генами. Если принять во внимание, что многие из самых продаваемых в мире фармпрепаратов основаны на белках, то огромный потенциал использования редактирования генома в этой области медицины становится очевидным.

Некоторые ученые надеются, что свиньи могут предоставить медицине даже больше: обильный возобновляемый источник целых органов для ксенотрансплантации. Это не новая идея; ученые уже долгое время рассматривают свиней в качестве кандидатов на роль такого источника по тем же причинам, по которым их используют для моделирования болезней, — их легко разводить, они быстро размножаются, а их органы по размеру чрезвычайно близки к человеческим.

Однако эту мечту вряд ли удастся осуществить в ближайшее время. В нашем теле работает целый массив защитных иммунных механизмов, и поэтому отторжение донорских органов — серьезнейшая проблема и для врачей, и для пациентов, даже когда речь идет о трансплантации от человека к человеку. Пока что известны буквально считаные случаи ксенотрансплантации, когда пересаженный орган удалось удержать в организме реципиента хоть сколько-нибудь долго.

При этом мир еще никогда так остро не нуждался в новых способах трансплантации, как сейчас. В одних лишь США свыше 124 000 пациентов в настоящее время стоят в очереди на эту процедуру, при этом в год проводится лишь около 28 000 пересадок. По некоторым оценкам, к этой очереди каждые десять минут добавляется еще один человек и в среднем двадцать два человека в день умирают в ожидании своих трансплантатов — либо их состояние ухудшается настолько, что они уже не смогут перенести трансплантацию. Главная причина этой катастрофической ситуации — недостаток донорских органов.

Новые технологии, в том числе и CRISPR, дают возможность создавать свиней с органами, подходящими для пересадки человеку. Предыдущие достижения в этой сфере в основном были связаны с переносом генов человека в геном свиньи, так чтобы ее органы не подвергались слишком жесткому отторжению, которое угрожает любому ксенотрансплантату. Теперь редактирование генома используется, чтобы выключить те свиные гены, которые могут спровоцировать у человека иммунный ответ, и исключить риск заражения человека встроенными в геном свиней вирусами. Наконец, благодаря технологиям клонирования стало возможно органично совмещать различные генетические изменения в одном животном. Глава одной известной компании, деятельность которой связана с этой областью, обозначил свою главную цель так: «обеспечить неограниченный запас органов, подходящих для пересадки» — то есть таких, которые могут быть произведены на заказ.

Этот проект пока находится на самой ранней стадии, однако использование гуманизированных ГМ-свиней уже помогло добиться ряда выдающихся достижений: пересаженная бабуину свиная почка проработала свыше полугода, а свиное сердце в теле бабуина удачно прижилось на два с половиной года. На будущие исследования в этой сфере выделено десятки миллионов долларов, и компания под названием Revivicor уже объявила, что намерена выращивать тысячу свиней в год в лабораториях с оборудованными по последнему слову техники операционными и вертолетными площадками, так что свежие органы можно будет быстро поставлять, когда бы они ни понадобились. Начало клинических испытаний ксенотрансплантации кажется лишь вопросом времени — стоит лишь технологии CRISPR открыть новый путь для пациентов, остро нуждающихся в новых органах и новых препаратах.

Дженнифер Даудна, Сэмюел Стернберг
Источник