Представьте, какие возможности открылись бы перед человечеством, если бы могли редактировать собственный геном? Хорошая новость: такая технология существует, и она называется CRISPR/Cas9.
Что это за технология?
CRISPR/Cas9–комплекс из белка и РНК (рибонуклеиновая кислота, это как ДНК, но с другим сахаром в составе). Этот комплекс играет роль “иммунитета” у бактерий. Если бактерия подвергается атаке вируса и удачно с ней справляется, его ДНК разрезается Cas-белками и встраивается в ДНК бактерии внутрь CRISPR-кассеты. В итоге в этой кассете оказывается большое количество фрагментов чужеродной ДНК, которые “запомнила” бактерия. Как полка, на которой лежат разные книги. При следующей атаке вируса, если фрагмент его ДНК уже есть в "библиотеке" бактерии, белок Cas разрежет вирусную ДНК. Причем нормально так разрежет, не одну цепочку ДНК, а сразу две, так что целостность молекулы полностью пропадет. Бактерия-вирус 1:0.
Наша иммунная система работает похожим образом. Когда человек впервые сталкивается с каким-нибудь чужеродным веществом, иммунная система его запоминает, и в следующий раз у нас уже есть антитела, которые могут с ним бороться.
После открытия CRISPR/Cas9 у людей появилось мощное оружие–молекулярные “ножницы”, которые можно направлять к участкам ДНК и вносить разрывы в нужное место. Если у нас есть дефектный ген с мутацией, мы можем просто направить эти "ножницы" к участку и вырезать его.
А что дальше?
Система только вносит разрыв, но не “латает” дыру. Тут вносит вклад система репарации ДНК, которая предназначена как раз для залечивания таких разрывов.
Репарация бывает двух типов. В большинстве случаев у нас работает негомологичная рекомбинация, когда концы ДНК просто соединяются с потерей информации. Гораздо более точная система–гомологичная рекомбинация. Так как у каждого человека две хромосомы (одна от матери, другая от отца), эта система “латает” разрыв, беря за основу информацию, котора находится на здоровой хромосоме.
Если же парной хромосомы нет или она также дефектна в том же участке, вместе с комплексом CRISPR/Cas9 можно внести в клетки "правильный" участок ДНК и использовать его в качестве шаблона. Это значит, что мы можем не только направлять ножницы к дефектному участку, но и исправлять информацию на нужную нам.
Что значит открытие этой технологии для человечества?
Перспективы применения CRISPR/Cas9 огромны. В теории мы можем лечить генетические заболевания, являющиеся результатом поломки одного гена. Это гемофилия, мышечная дистрофия, фенилкетонурия. С болезнями, которые зависят не от одного гена и вообще не только от генов, но и от факторов внешней среды (мультифакторные заболевания) вроде шизофрении, алкоголизма и диабета, все гораздо сложнее. Выявить причину этих заболеваний очень тяжело, поэтому и лечения придется подождать.
Касательно моногенных заболеваний ученые уже провели серию успешных экспериментов. Например, вылечили мышей от слепоты (1) и мышечной дистрофии(2).
С ВИЧ тоже есть прогресс
ВИЧ (вирус иммунодефицита человека) заражает иммунные клетки нашего организма и встраивает свое ДНК в их геном. Именно эта «суперсила» ВИЧ позволяет ему спокойно находиться в спящем состоянии в течение нескольких лет и быть «невидимым» для лекарств. Даже после антиретровирусной терапии вирус может реинактивироваться и поражать иммунные клетки. Поэтому до сих пор ВИЧ остается болезнью, которую невозможно излечить до конца, можно только ее сдерживать и сильно продлить жизнь больным.
CRISPS/Cas9 же показал отличные результаты. С помощью технологии группа ученых из университета Темпл смогли полностью вырезать фрагмент встроенного ВИЧ из ДНК Т-лимфоцитов, макрофагов и клеток микроглии, которые выполняют иммунные функции в мозге. Более того, заражение новых клеток также удалось предотвратить. Сейчас ученые работают над возможностью применять эту технологию in vivo (внутри организма, а не на культуре клеток) (3).
Технологию CRISPR/Cas9 также можно применять для лечения онко-заболеваний. Гипотетически можно отредактировать геном наших иммунных клеток таким образом, чтобы они научились распознавать и атаковать раковые клетки (4).
Все ли так хорошо, как кажется?
До того, как технологию начали применять на животных и людях, научное сообщество было уверено, что CRISPR/Cas9 станет универсальным способом редактирования генома. Гораздо более эффективным, специфичным и безопасным, чем существующие методы.
Но в 2017 году вышла статья, которая вызвала большой ажиотаж в научном сообществе. В ней описывался эксперимент, в котором взяли мышь, геном которой был отредактирован с помощью CRISPR/Cas9 и контрольную мышь, надо которой манипуляции не проводились. Геномы отсеквенировали (расшифровали) и сравнили. Оказалось, что в геноме мыши с отредактированным геномом было много нецелевых мутаций в самых разных местах, и все из-за CRISPR/Cas9. Все начали трубить о том, что технология опасна, многие клинические исследования поставили на стоп.
И что в итоге?
В итоге статью отозвали, так как эксперимент был некорректно поставлен (5). Страсти поутихли, ученые и биомедицинские компании успокоились.
В июне этого года вышла еще одна статья о том, что в геноме обезьян, эмбрионы которых были отредактированы с помощью CRISPR, количество нецелевых мутаций было не выше естественного количества.
Значит технология полностью безопасна?
Нет. По крайней мере пока что.
В июле этого года вышла еще одна статья о том, что CRISPR вызывает серьезные мутации и геномные перестройки в месте, где комплекс должен сделать молекулярный “надрез”.
Этого никто не ожидал, потому что все считали, что “латание разрыва” естественной системой репарации организма после надреза приводит к небольшим делециям (потеря участка хромосомы), и большие участки хромосом просто не сканировали. А при сканировании всей ДНК оказалось, что делеции достигают внушительных размеров плюс происходят значительные перестройки вроде переноса участков ДНК вообще с других хромосом, развороты вставляемых кусков и большие рандомные вставки.
Это не значит, что CRISPR/Cas9 как технологии пришел логичный конец. Просто нужно тщательно отслеживать процесс редактирования генома с помощью технологий, которые не использовались ранее.
Что мы сможем делать, если улучшим CRISPR до такой степени, что это станет полностью безопасно и эффективно?
Поле для фантазии огромно. Уже сейчас ученым удалось создать модифицированного комара, устойчивого к малярийному плазмодию. Нет переносчика–нет болезни. Малярия может быть полностью предотвращена.
Что касается человека, CRISPR позволит не только излечивать людей от генетических заболеваний, которые они унаследовали от родителей, онкологии и ВИЧ, мы сможем редактировать геном еще нерожденных детей. Например, вы прошли скрининг и обнаружили, что у вашего ребенка заболевание, от которого он будет страдать всю жизнь. CRISPR приходит на помощь.
А что если мы пойдем еще дальше?
Дизайн детей, например. Если мы сможем обнаружить, что конкретный ген или совокупность генов по большей части влияет на определенный признак (например, способности к спорту или креативность), почему не задать эти параметры еще до рождения? Или же редактирование собственного генома и приобретение признаков, которых у тебя не было?Прям Симс какой-то.
Проблемы с точки зрения этики
В связи с обширностью применения CRISPR/Cas9 возникают вопросы, не касающиеся биологии.
Этично ли изменять геном людей? Кто получит право использовать эту технологию? Кто будет решать каких детей улучшать, а каких оставлять на произвол судьбы? Что если государство или масоны (шуткэ) начнут использовать технологию для своих корыстных целей и создавать целые касты людей, каждая из которых будет иметь определенные характеристики и “спроектирована” для определенного вида труда? Кто читал Хаксли “О дивный, новый мир”, поймет.
Уже сейчас многие общества, занимающиеся этическими вопросами, не дают ученым проводить исследования CRISPS/Cas9 на человеческих эмбрионах ввиду этических соображений и риска, что в один день технологию начнут использовать не по применению и все пойдет наперекосяк.
Прям как с открытием радиоактивности и цепной реакции распада ядра. Ученые делали эти открытия, желая создать новый источник энергии. Но ввиду разных исторических событий технологию применили не в том направлении и создали ядерную бомбу.
Вывод
CRISPR, безусловно, является технологией, которая позволит нам творить разные классные штуки: лечить, создавать новое, улучшать существующее. Но и без рисков не обойтись. Все зависит от людей, а тут уверенности нет никогда. Будем наблюдать за развитием событий. Кто знает, может уже в наше время мы сможем сделать из себя суперлюдей?