Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

и, похоже, такая тенденция сохранится до 2040 г., в то время как методы доставки генетической полезной нагрузки, редактирования и мониторинга генов продолжат развитие. Пройдет время, и риски, связанные с генной инженерией, будут полностью устранены, и мы уже знаем, как это можно сделать.

Инженерия геномов

Как раньше редактировали гены

С тех пор как в 1970-е гг. появились первые технологии рекомбинации ДНК, непредсказуемые последствия внедрения новой ДНК в геном организма вызывали сомнения в безопасности и применимости этих методов в клинической практике. Правда, в итоге достоинства новой технологии оказались слишком заманчивыми, поскольку она обещала открыть дорогу к замене поврежденного гена нормально работающей копией. Как только модификация ДНК стала легко осуществимой, вопрос уже состоял не в том, следует ли использовать генную терапию, а в том, как ее применять.

Один из первых больших успехов в генной терапии пришел в 1990 г., когда удалось помочь Ашанти Десилве, юной пациентке с синдромом тяжелого комбинированного иммунодефицита (SCID). Это очень серьезное заболевание, из-за которого у девочки не развивался приобретенный иммунитет и организм не мог бороться с бактериями и другими патогенами. Чтобы вылечить Ашанти, врачи и ученые взяли у нее костный мозг, выделили белые кровяные тельца (лейкоциты) и с помощью ретровируса внедрили в них нормально функционирующий ген. Затем эти лейкоциты ввели девочке, и иммунная система Ашанти заработала. В пять лет она впервые с рождения смогла без опаски выходить из дома.

Французские ученые провели в 2000 г. похожий эксперимент по лечению SCID с участием 10 детей. Они использовали гемопоэтические стволовые клетки из костного мозга пациентов, чтобы создать функциональные лейкоциты, позволяющие бороться с инфекциями. Лечение оказалось эффективным, и SCID вроде бы отступил. Но к 2007 г. у четверых детей из этой группы развился лейкоз, один из них умер. Здесь опять же всему виной была случайность процесса интеграции ретровируса в геном. Как минимум у одного из детей вирус встроился в ДНК рядом с онкогеном, провоцирующим лейкемию и другие виды рака. И это не единственные предостережения.

Самый известный провал в генной терапии – случай Джесси Гелсингера, которому при помощи аденовирусного вектора пытались вылечить синдром дефицита орнитинтранскарбамилазы. При этом заболевании в крови накапливается аммиак до смертельно опасных концентраций. Джесси был относительно здоров, и ему удавалось держать синдром под контролем с помощью строгого соблюдения диеты, позволяющей сохранять низкий уровень аммиака в крови. Хотя Джесси и был уже 18-м пациентом, получавшим такое лечение в рамках клинического испытания, у него быстро появились похожие на грипп симптомы, недомогание и признаки желтухи. У парня развилась интенсивная и болезненная воспалительная реакция, за которой последовала почечная, печеночная и легочная недостаточности. Джесси пришлось ввести в искусственную кому, но это не помогло, и через четыре дня после начала терапии он умер.

Смерть Джесси в 1999 г. вызвала страх перед генной инженерией и генной терапией. Потребовалось исчерпывающим образом исследовать все возможные причины его смерти. Как выяснилось, еще у двух пациентов, участвовавших в этом клиническом исследовании, наблюдались побочные эффекты, а ученые своевременно не проинформировали об этом соответствующие органы и не приостановили исследование, как того требовали правила. Кроме того, из анализа крови Джесси, сделанного перед началом генной терапии, следовало, что у него плохо работает печень, т. е. он не очень подходил для участия в исследовании. По данным Управления по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США (FDA) и Национальных институтов здравоохранения, за семь лет, предшествовавших смерти Джесси, более 690 добровольцев, участвовавших в экспериментах по генной терапии, либо умерли, либо заболели. Лишь о 39 таких инцидентах поступили своевременные сообщения.

Джеймс Уилсон, в ту пору возглавлявший Институт генной терапии человека при Пенсильванском университете и непосредственно руководивший экспериментом, в ходе которого умер Гелсингер, делал все возможное, чтобы разобраться в произошедшем. Он пытался найти другие методы безопасного проведения генной терапии и обнаружил несколько подходящих аденовирусов и аденоассоциированных вирусов. Но FDA обвинило Уилсона в ряде нарушений в проведении клинических исследований, и в 2005 г. он согласился на пять лет ограничить опыты на людях, а университет выплатил правительству компенсацию в размере $514 000. В итоге Институт генной терапии человека закрыли.

Изрядно напугавшая всех смерть Гелсингера и последовавшие за ней изменения в регулировании таких опытов привели в 2000–2001 гг. к сокращению новых клинических исследований, касающихся генной инженерии. В начале 2000-х гг. даже упоминание о работе в области генной терапии в некоторых научных кругах считалось неуместным. Но перспективы использования генной терапии были слишком заманчивы, чтобы от них отказываться. Область изобиловала идеями и концепциями по улучшению методов лечения, доставки и упаковки генетического материала.

Ученые и врачи-клиницисты не могли не задаваться вопросами, можно ли сделать такие терапевтические методы безопаснее? Могут ли генетические методы лечения на практике действовать так, как мы рассчитываем? Публиковались новые исследования по генной терапии животных, появлялись инновационные идеи генной инженерии, опробовались пути повышения безопасности. Продвигались даже когортные исследования с участием людей.

Пока в СМИ смерть Гелсингера по-прежнему преподносилась как вызов, брошенный всей области терапевтического редактирования генов, страх перед такими опытами не мешал начинать все новые исследования. Фактически только в 2000–2001 гг. было инициировано почти 200 новых генно-инженерных клинических исследований. Страшные газетные заголовки начала 2000-х не отражали клиническую реальность, так как на практике количество клинических исследований с применением генно-инженерных методов только росло. Особенно это касалось онкологии. С конца 1990-х и до 2020-х гг. тренды явно шли вверх.

Смысл этих работ был (и остается) совершенно ясен: нам необходимы более точные методы для осуществления подобного генетического редактирования. Произвольное введение новой генетической нагрузки всегда считалось рискованным. Требовались новые подходы к редактированию и модификации генома, и такие методы вскоре появились.

Новые методы редактирования генов

Со времен первых экспериментов с генной терапией произошли по-настоящему революционные изменения. В настоящее время существует множество методов точного редактирования конкретных генов. Они пришли на смену более ранним подходам, неизменно зависевшим от полуслучайного добавления генетического материала аденовирусов и аденоассоциированных вирусов – именно такая зависимость и вызвала проблемы в случае Гелсингера. Кроме того, появились более совершенные способы контроля качества таких методов, позволяющие проверять безопасность и эффективность генно-инженерных конструкций перед их терапевтическим применением даже в случае использования случайной интеграции.

Первые инструменты для редактирования генома появились в конце 1980-х гг. и представляли собой ферменты, называемые мегануклеазами. Они входят в более широкое семейство ферментов, именуемых эндонуклеазами. Как следует из названия («эндо» – внутри, «нукле» – ядро, «аза» – фермент), эти ферменты могут распознавать и вырезать фрагменты ДНК. Первым шагом в редактировании генома является разрыв ДНК (двухнитевый разрыв) в интересующей нас точке. Далее на место разрыва можно вставить новую последовательность и произвести репарацию ДНК, так сказать подлатать ее. После этого пусть клетки развиваются своим чередом. Это сродни перелому собственных ног, чтобы стать выше. Двухнитевые разрывы ДНК делаются в строго определенных местах (сайтах), длина которых может варьировать от 14 до 40 нуклеотидов, т. е. они очень специфичны и локализуются в конкретных областях генома. Однако мегануклеаза существует на для каждой известной последовательности ДНК, и это сильно ограничивает ее терапевтический потенциал.

Следовательно, требовались новые, более масштабируемые методы. С 1980-х гг. появились три таких генно-инженерных инструмента. Во-первых, это нуклеазы цинковых пальцев[7] (ZFN), во-вторых, транскрипционные активатор-подобные эффекторные нуклеазы (TALE-нуклеазы, TALEN), в-третьих, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (CRISPR). Первые клинические исследования, в которых использовались такие генно-инженерные инструменты, появились в 2008 г., и с тех пор их количество и разнообразие непрерывно растет. С 2015 г. в этой области наблюдается такой серьезный прогресс, что сегодня эти методы вошли в стандартную программу школ и колледжей.

Искусственные нуклеазы с доменами цинковых пальцев. При исследованиях, касающихся ZFN, активно используются знания, полученные в ходе изучения факторов транскрипции (TF) с «цинковыми пальцами». TF – это ведущие регуляторы экспрессии генов, постоянно сканирующие геном, чтобы определить, какие гены следует включить, а какие выключить. Если сравнить ваши