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

оказался даже выше, чем надеялись врачи (он превысил 30 % клеток, тогда как уже 10 % можно было считать хорошим результатом). Теперь их можно считать первыми, кому удалось излечиться при помощи технологии CRISPR. Правда, такое лечение далось нелегко, поскольку пациентам пришлось перенести серьезную химиотерапию для уничтожения их собственных стволовых клеток. Тем не менее это явный прогресс, и лечить таким способом можно не только серповидноклеточную анемию.

Рис. 4.3. Клинические исследования методов генетического редактирования с сайта www.clinicaltrials.gov. В клинических исследованиях, начавшихся в 2008 г., применяются методы CRISPR, искусственные нуклеазы с доменами цинковых пальцев (ZFN), транскрипционные активатор-подобные эффекторные нуклеазы (TALE-нуклеазы, TALEN), комбинации этих инструментов, а также неспецифическое «редактирование генов». Слева: количество исследований по годам. Справа: количество исследований по странам.

Во время работы над этой книгой велось более полусотни клинических исследований с использованием методов редактирования генов (ZFN, TALEN, CRISPR) для лечения разнообразных заболеваний, в частности рака, наследственных и гематологических заболеваний. Анализ показывает, что больше всего клинических исследований с применением инструментов для редактирования генов проводится в США, но Китай активно их догоняет.

Китайские ученые быстро увлеклись идеей о том, что редактирование генов может стать спасением от болезни. Всего за четыре года (2012–2016 гг.) Китай прошел путь от полного отсутствия клинических исследований с использованием химерного антигенного рецептора (CAR) до абсолютного лидерства по количеству CAR-исследований в мире. Это разновидность генной терапии, которая обеспечивает высокоточное нацеливание на клетки, иначе недоступные для воздействия. Неудивительно, что первое исследование по редактированию человеческого эмбриона было анонсировано именно в Китае в 2015 г., а в 2018-м китайский врач Хэ Цзянькуй объявил о рождении первых детей с редактированным геномом. Цзянькуй стремился помочь молодой паре, где и мужчина, и женщина были носителями ВИЧ, завести детей, невосприимчивых к ВИЧ. Для этого он удалил ген CCR5, важного рецептора на Т-клетках. CCR5 представляет собой своего рода «входную дверь» для большинства штаммов ВИЧ. Без этого рецептора большинство штаммов не могут проникнуть в клетку.

Эффект удаления гена CCR5 впервые заметили берлинские врачи, лечившие ВИЧ-пациента с помощью пересадки костного мозга. Неожиданно через несколько месяцев его вирусная ВИЧ-нагрузка упала до необнаружимого уровня. Пациенту отменили прием антиретровирусных препаратов, однако вирусная нагрузка осталась на необнаружимых уровнях и сохранялась такой в последующие месяцы и годы. Этому человеку, которого стали называть берлинским пациентом, очень повезло. Такой невероятный результат был достигнут благодаря неожиданной мутации в донорских клетках костного мозга, а именно отсутствию гена CCR5.

Но как это всегда бывает в биологии, польза удаления CCR5 зависит и от клетки, и от времени, и от ситуации. Ген CCR5 может выполнять в клетке несколько функций, т. е. является плейотропным (как и большинство человеческих генов). Роль этого гена может меняться в зависимости от типа клетки, времени и даже от вида инфекции. Исследования Робин Кляйн и других ученых показали, что, хотя наличие полнофункционального рецептора CCR5 повышает риск заражения ВИЧ, оно же снижает вероятность заболевания лихорадкой Западного Нила. Иными словами, полнофункциональный ген CCR5 спасает жизнь в одном контексте (при угрозе заболевания лихорадкой Западного Нила), но может привести к смертельному заболеванию в другом (ВИЧ). Поэтому так важно выявление плейотропии всех человеческих генов и ситуативных последствий их редактирования за пределами контекста, для которого оно проводится (будь то обеспечение невосприимчивости к ВИЧ или подготовка человека к жизни на орбите). Исследования в этой области будут активно развиваться в 2020–2040 гг.

Некоторые уроки такого рода можно извлечь, изучая геном современного человека. В ходе масштабного проекта Resilience Project ведется непрерывный поиск людей, которые вроде бы должны были умереть, но почему-то живы. У этих генетических «супергероев» есть мутации, которые приводят к серьезным заболеваниям, но не привели к ним. Выявлением таких людей и сбором информации о них занимаются Жун Чен, Джейсон Боб, Стивен Френд и Эрик Шадт из Школы медицины Икана в Нью-Йорке. В идеале полезные мутации, защищающие людей от болезней, тоже должны вызывать интерес с точки зрения редактирования генов. Теоретически редактировать гены можно уже у эмбриона.

Боб, Френд и Шадт уже выявили новые классы «супергероев» с устойчивостью к ВИЧ. Это так называемые элитные контроллеры – пациенты, в организме которых ВИЧ держится на очень низком уровне, хотя они и инфицированы. Есть еще долгосрочные нонпрогрессоры, которые не теряют иммунитет и чувствуют себя нормально. Также существуют элитные нейтрализаторы, чей организм продуцирует исключительно мощные антитела, обезвреживающие ВИЧ, что обычно не наблюдается. Хотя мы находимся лишь в самом начале эры секвенирования и редактирования геномов, в долгосрочной перспективе все эти данные будут полезны не только для исправления генетических сбоев, но и для улучшения существующего генетического материала. Каждый геном любого пациента может стать источником знаний для людей на Земле или за ее пределами.

Вопрос о том, сможем ли мы редактировать человеческие эмбрионы и заводить генно-модифицированных детей, – праздный. Это возможно уже сейчас. Теперь стоит вопрос о том, как это делать, когда и стоит ли это делать вообще. С учетом того, что уже в 2018 г. японское правительство заявило, что узаконит генетическое редактирование человеческих эмбрионов, а также наш явный интерес к этой практике (она позволяет не только лечить, но и излечивать болезни), на повестке дня остается только вопрос «как?».

Управление метилированием ДНК

Изумительная возможность брать один и тот же генетический код и выборочно активировать или подавлять некоторые его элементы лежит в основе исключительной пластичности клеток разных типов в ходе развития организма, а также обеспечивает динамические изменения в ответ на воздействие окружающей среды. Эпигеном – электрический пульт управления клеточной биологией. Именно поэтому он также может давать жуткие эффекты, если процессы выйдут из-под контроля. Как это обычно бывает в сложнейших системах, в геноме могут возникать ошибки, а эпигенетические изменения также приводить к болезням. О силе эпигенома свидетельствует, в частности, то, что некоторые болезни изначально классифицируются именно по их эпигенетическим состояниям, а не по генетическим изменениям. Такие состояния могут характеризоваться повышенными уровнями метилирования ДНК (речь о CH3, см. выше), или изменениями упаковки ДНК (открытая или закрытая конфигурация), или просто изменениями белков, входящих в состав хроматиновой упаковки. Лейкемия, глиобластома и рак толстой кишки могут возникать при гиперметилированных фенотипах, которые провоцируют агрессивные онкологические заболевания и даже способствуют их развитию. Примечательно, что такие болезни могут возникать даже при полном отсутствии каких-либо наблюдаемых и известных генетических изменений, известных как причины подобных расстройств.

Описанные выше методы редактирования генома с тем же успехом можно применять и для работы с эпигеномом. Эпигеном можно редактировать, настраивать и проектировать. Сайты-кандидаты для таких вмешательств относятся к областям, которые, как достоверно известно, меняются при нормальном развитии, стрессе или заболевании. В самом начале эмбрионального развития почти все эпигенетические отметки «сброшены», т. е. почти все уровни метилирования установлены в ноль. Поэтому клетки могут полностью раскрыть свой потенциал. Затем сайты метилируются один за другим, некоторые гены деактивируются – и так удается получить клетку нужного типа. Если вы хотите изменить одну клетку, например нейрон, и превратить ее в другую, например в клетку сердечной мышцы, то в принципе нужно знать сайты, требующие изменения. Это обычно делается двумя путями: модифицируя типы оснований ДНК (например, на место цитозина ставится 5-метилцитозин) или регулируя состояния и типы хроматина (например, замена монометилированного лизина на триметилированный или открытой формы хроматина на закрытую).

Отличный пример такой возможности – работа Рудольфа Йениша, который в 2018 г. продемонстрировал, как при помощи редактирования эпигенома справиться с синдромом ломкой X-хромосомы. Эту болезнь даже можно излечить (по крайней мере у мышей). Синдром ломкой X-хромосомы – наиболее распространенная форма генетически обусловленной умственной отсталости у мальчиков. Синдром возникает из-за повышенного метилирования в гене FMR1, из-за чего он остается неактивным. Ген прекращает работать подобно радиоприемнику, в котором тумблер повернули в положение «выкл.». Сайт с повышенным метилированием находится в ряду повторов ЦГГ (конкретно в 5-й нетранслируемой области, или 5'-НТО). Для излечения этого