Китайские ученые редактируют геном человека. Будущее наступило?

В августе китайские ученые собираются использовать геномное редактирование для лечения больных раком легких. Лечение предполагает направленное изменение гена, который подавляет клеточный иммунитет, в клетках больных. Это будет первый случай использования популярной и технически несложной технологии геномного редактирования CRISPR-Cas9 для лечения людей. 

Предупреждение: сейчас будет довольно сложно, но потом мы все объясним.

Предполагается изменить взятые от пациентов Т-лимфоциты, нарушив обе копии гена, кодирующего белок PD-1. Этот белок подавляет способность Т-лимфоцитов узнавать и атаковать собственные клетки организма человека, снижая тем самым вероятность аутоиммунных реакций. По этой же причине PD-1 снижает эффективность узнавания раковых клеток лимфоцитами. Если бы лимфоциты более активно узнавали раковые клетки, возможно, развитие болезни и возникновение опухолей удалось бы замедлить. После редактирования измененные клетки будут размножены в лаборатории и введены обратно пациентам: каждому — свои, так что проблем с иммунной совместимостью не будет. Предполагается, что введение в организм больного его/ее собственных отредактированных лимфоцитов увеличит их способность распознавать (а следовательно, и уничтожать) раковые клетки. 

Можно. Геномом называют полную последовательность ДНК того или иного организма. ДНК — это линейная молекула, составленная из произвольного набора «букв» — нуклеотидов, А, Г, Ц и Т. Длина молекулы ДНК может быть очень большой, а последовательность букв в ней — произвольной. Геном человека состоит из более чем 6,5 миллиарда букв. Длина такой ДНК более двух метров. Геном большинства бактерий меньше, лишь несколько миллионов букв. Геномы вирусов еще короче, иногда всего лишь несколько тысяч букв. 

Структура ДНК — знаменитая двойная спираль — позволяет передавать генетическую информацию, записанную в виде последовательности нуклеотидов, от родительской клетки дочерним при делении c минимумом ошибок-мутаций.

В почти каждой из триллионов клеток, из которых состоит наше тело, содержится полный геном, исходно содержавшийся в оплодотворенной яйцеклетке, возникшей в момент зачатия. В геноме «записана» почти вся генетическая информация, рецепт, необходимый для «создания» каждого из нас. Мы отличаемся друг от друга потому, что наши геномы отличны. В целом в соответствующих местах ДНК двух произвольно взятых людей встречается одно различие (например, буква А у меня вместо буквы Ц у вас) на 1000 нуклеотидов. Таким образом, в геномах двух никак не связанных друг с другом людей имеется всего около 6 миллионов различий, произвольно разбросанных по всему геному.

У человека геном разбит на 46 отдельных молекул ДНК — и эти молекулы образуют хромосомы. Хромосомы составляют пары: 23 мы получаем от мамы, 23 — от папы. ДНК в парных хромосомах, полученных от каждого из родителей, отличается друг от друга в среднем на один из тысячи нуклеотидов. В каждой хромосоме расположены, как бусины на нитке, гены. 

Ген — это участок ДНК, который кодирует какую-нибудь функцию, что-то, что может влиять на жизнь клетки или всего организма. Большинство генов кодируют белки, но есть гены, кодирующие РНК (рибонуклеиновая кислота — фактически одноцепочечная копия участка ДНК), их в последнее время открывают все больше. В геноме человека находится около 20–25 тысяч пар генов (пар, потому что одну копию гена мы получаем от мамы на ее хромосоме, а другую — от отца). Длина генов сильно отличается, от нескольких сот до миллионов нуклеотидов. Все вместе гены составляют меньшую часть нашего генома. Большая часть его, по-видимому, ничего не кодирует или представляет собой остатки разнообразных вирусов, которые встроили свою ДНК в геномы наших предков. Некодирующую ДНК иногда называют «мусорной», подчеркивая отсутствие у нее очевидной функции. Впрочем, многие ученые считают, что природа не терпит пустоты и огромное количество ДНК, не являющейся генами, тем не менее для чего-то нужно.

Можно себе представить геном как огромную книгу, а гены — как отдельные предложения, несущие смысловую нагрузку в море некодирующей абракадабры. Так как гены-предложения у разных людей различаются за счет редких мутаций-опечаток в геномной книге, различаются и продукты генов. Большинство из таких различий не оказывают никакого эффекта; некоторые влияют на то, как мы выглядим, какого цвета у нас кожа, как мы воспринимаем вкус пищи и на другие вещи.

Затем что, к сожалению, определенные изменения в некоторых генах увеличивают предрасположенность к болезням или напрямую вызывают болезнь. Геномное редактирование — это технология, которая позволяет направленно изменить последовательность ДНК в живой клетке, например, заменить один нуклеотид на другой в определенном месте генома. В течение последних 10 лет было предложено несколько технологий редактирования, но технически они были довольно громоздкими. CRISPR-Cas9 — новая технология, которая технически очень проста: иногда говорят, что она позволяет менять гены «в гараже», как в свое время собирали первые персональные компьютеры. Это не совсем так, но в целом направленное изменение генов стало реальностью для многих молекулярно-биологических лабораторий. Основной проблемой является точность редактирования. При попытке изменить одно из 6,5 миллиарда положений ДНК трудно гарантировать отсутствие нежелательных изменений в других местах, отличных от того, которое интересует исследователя. 

Нет, не нужно думать, что речь идет о магической пуле. Это лишь клинические испытания. Работы будут вестись с пациентами, страдающими от неоперабельного метастазирующего рака легких, для которых другие методы лечения оказались неэффективными. Успехом можно будет считать, если метод окажется безопасным и больным не станет хуже и если течение болезни хотя бы задержится. Результат способа лечения, который предложили китайцы, непредсказуем: увеличение активности иммунных клеток после редактирования вполне способно стимулировать автоиммунный ответ и привести к серьезным осложнениям. В ближайшее время в США начнутся испытания с другой стратегией редактирования, которая позволит направленно атаковать раковые клетки.

Так как процедура редактирования должна в целом увеличить активность лимфоцитов, имеется реальная опасность того, что атаке подвергнутся и здоровые клетки. Иными словами, предложенная стратегия может оказаться вредной даже для здоровых людей. Тогда испытания прекратят. Другая проблема, тоже связанная с безопасностью, заключается в том, что при редактировании нужно будет минимизировать неконтролируемое внесение генетическим редактором CRISPR-Cas9 нежелательных изменений в другие гены, отличные от гена PD-1. Ведь нельзя исключить, что некоторые из таких изменений будут вредными. Это общая проблема редактирования геномов. Сейчас десятки лабораторий в университетах и фармкомпаниях по всему миру пытаются создать геномные редакторы повышенной точности.   

Гены меняются всегда. Несколько десятков изменений-мутаций в ДНК возникает при каждом делении клетки, так что дочерние клетки всегда чуть-чуть отличаются от материнской. Кроме того, мутации могут происходить под влиянием внешней среды, например под действием солнечного света, сигаретного дыма и из-за других факторов. Так что среди триллионов наших клеток нет генетически идентичных. Большинство мутаций ни на что не влияют, они попадают в мусорную некодирующую ДНК или несильно искажают функцию гена, но иногда они могут изменить тот или другой ген так, что возникает болезнь, скажем какая-нибудь форма рака. Если первопричиной болезни является изменение последовательности ДНК определенного гена, то единственный способ по-настоящему победить болезнь — это «исправить» ген. Что, собственно, и пытаются сейчас делать. Так что менять гены — это нормально. 

Другой вопрос, что, как и в любой медицинской процедуре, должен действовать принцип «не навреди». Мы находимся в самом начале генной медицины — и будет масса ошибок и проблем, они неизбежны. 

Во многом из-за того, что в Китае не так жестко подходят к вопросам безопасности, как в США и Европе. Кроме того, в последнее время китайцы совершили стремительный рывок в биомедицине, создав нормальные условия для работы, которые привлекли тысячи китайских ученых, получивших образование в лучших университетах развитых стран. Наличие квалифицированных кадров, отсутствие зарегулированности, характерной для США, и хорошее финансирование от государства дает китайцам реальный шанс стать лидерами в этой области (ну и, как положено лидерам, набить себе шишки при отработке технологий, ведь что-нибудь обязательно пойдет не так).

У геномного редактирования есть другой, этический аспект, который возникает при редактировании человеческих эмбрионов или оплодотворенных яйцеклеток, из которых будут возникать люди, геномы которых были направленно изменены с той или другой целью. Но эта проблема к обсуждаемым испытаниям не имеет отношения.

В принципе технологию геномного редактирования можно пытаться применять для лечения любой болезни, для которой достоверно известна генетическая причина. От кишечных расстройств и бактериальных инфекций редактирование не спасет. Рак, безусловно, имеет генетическую природу, но она очень сложная, включает мутации во многих генах. К тому же за словом «рак» скрываются десятки или сотни различных, не связанных друг с другом болезней, так что реальное лечение — дело не очень близкого будущего. 

Сейчас разрабатываются стратегии лечения с помощью геномного редактирования пациентов, больных СПИДом. Исследователи пытаются научиться применять редактирование для лечения некоторых видов слепоты и мышечных дистрофий, заменяя поврежденные гены на «хорошие» копии. 

Эксперимент китайских ученых — пример другой стратегии: они изменяют не сами пораженные клетки, а активность иммунных клеток, и в теории это должно повысить эффективность лечения многих болезней сразу.

В целом развитие технологии будет ограничиваться проблемой доставки: надо не только «исправить» пораженные клетки пациента, но и каким-то образом убрать их из тела пациента и заменить на исправленные или направить иммунные клетки к точке поражения. Сделать это гораздо сложнее, чем изменить тот или другой ген или даже десятки генов в изолированных клетках.

Вряд ли. Дело в том, что среди десятков тысяч генов человека почти отсутствуют такие, которые кодируют что-то определенное — цвет глаз, рост, привычку пить запоем или музыкальный слух. Все эти признаки сложные, они возникают в результате взаимодействия продуктов сотен, а может, и тысяч генов. Поэтому подкрутить что-то одно и начать «прыгать далеко» не получится. Кроме того, влияние среды на развитие тех или иных признаков огромно. Как простой пример — младенец, имеющий генетический потенциал вырасти до двух метров, может вырасти в низкорослого человека в результате плохого питания, тяжелых условий и болезней. Ну и наконец, нельзя сбрасывать со счетов «случайность», непредсказуемость нашей жизни, которая делает ее увлекательной и интересной и способна влиять на проявление или непроявление любого таланта. 

Автор: Константин Северинов, доктор биологических наук, профессор Сколковского института науки и технологий