Прогнозувати хто й за що отримає Нобелівську премію ризиковано. Але деякі відкриття такі значущі, що здобуття їхніми авторами блискучої медалі видається лише питанням часу. Одне з таких відкриттів — потужна технологія корекції генів CRISPR-Cas9, що серйозно спрощує складну й копітку процедуру зміни генетичного матеріалу живих організмів.
Біологи з ентузіазмом узялися за CRISPR-Cas9, спочатку експериментуючи на тваринах, а тепер випробовуючи технологію і на людях. У березні вчені Китаю зробили історичний крок, коли відзвітували про перше успішне застосування технології до генетичної мутації в ембріона людини, що спричиняє захворювання. Але результати їхньої роботи були змішані. Вони на 100% успішно скоригували дефектний ген, що спричиняє тип анемії, відомий як фавізм. Однак випробували технологію тільки на двох уражених ембріонах. У випадку чотирьох інших носіїв мутації, що зумовлює ще один вид анемії, таласемію, коригування було успішним тільки в одного ембріона.
У новому дослідженні, опублікованому в журналі Nature, група вчених з Америки, Китаю та Південної Кореї вдало зробила те саме з вражаюче однаковими результатами в значно більшої кількості ембріонів. До того ж науковцям удалося уникнути деяких пасток попередніх експериментів або мінімізувати їх. Це дає змогу припустити, що у CRISPR-Cas9 після певних допрацювань і копіткої подальшої роботи є непоганий шанс рано чи пізно перейти від лабораторій до лікарняних палат.
Читайте також: За допомогою ДНК-експертизи в Україні ідентифікували 450 загиблих на Донбасі
Згадані вище науковці — Гонґ Ма з Орегонського університету охорони здоров’я та науки з колегами — узяли сперму від чоловіка, який є носієм мутованого гена YBPC3. Останній зумовлює розвиток гіпертрофічної кардіоміопатії — стану, за якого стінки серця стовщуються. Як і у випадку з генами, що зумовлюють таласемію та фавізм, успадкування єдиної копії дефективної варіації цього гена достатньо, щоб спричинити в людини таку кардіоміопатію.
Цими сперматозоїдами, половина з яких несла мутовану варіацію MYBPC3, запліднили яйцеклітини з нормальною копією цього самого гена. Відповідно шанси, що ембріони, які утворилися, матимуть дефективну копію гена, були 50:50. Якби цим ембріонам дозволили розвинутися без редагування генів, ті, що були носіями дефективної копії, найімовірніше, у дорослому віці потерпали б від хвороби.
Від меча до орала
Технологія редагування генів CRISPR-Cas9 розвинулася за зразком системи захисту від бактерій, що подрібнює ДНК агресивних вірусів. CRISPR розшифровується як «короткі паліндромні повтори, регулярно розміщені групами». Це невеликі ланцюги РНК (молекули, подібної до ДНК), кожен із яких збудований так, аби боротися з конкретним сегментом ДНК вірусу. Cas9 — це ензим, який під контролем ланцюгів CRISPR ріже ДНК у визначеній точці.
Модифікувати ці механізми в генній інженерії, принаймні в теорії, просто. Оскільки ДНК і РНК функціонують фактично однаково в усіх живих організмах, будуючи відповідно сконструйовані CRISPR, молекули-провідники можуть спрямувати Cas9 на те, щоб сікти будь-яку ДНК, обрану їхніми конструкторами. Так можна позбавлятися небажаних ланцюжків «літер» у генетичному коді. Згодом клітини намагаються виправити шкоду, тож генні інженери можуть уводити в них правильні варіації ДНК, яких раніше організм позбувся. Ці правильні варіації можуть слугувати зразком, який клітина здатна скопіювати. Таким чином можна стимулювати механізм виправлення проблеми саме так, як запланували генетики.
ауковці очикували, що, отримавши такі зразки, ембріони зможуть очиститися від спадкової генетичної хвороби. Схоже, що ці сподівання справдилися, принаймні частково. До завершення експерименту 72% ембріонів не мали мутованих варіацій MYBPC3. Це краще за 50%, які уникли б міопатії без генетичного редагування.
Таке досягнення докторки Ма та її колег свідчить про те, що вони подолали дві проблеми, на які часто натикаються практики корекції CRISPR-Cas9. Одна — коли в провідника може статися збій (і молекули CRISPR приведуть ензим до частин генома, що схожі, але не ідентичні з потрібними). На щастя, науковці не знайшли свідчень такого помилкового редагування.
Друга проблема полягає в тому, що навіть коли корекція відбувається там, де потрібно, вона може не охопити кожної клітини. Багато попередніх експериментів, зокрема й деяких на ембріонах, призводили до мозаїцизму, коли в результаті корекції виходить суміш модифікованих і немодифікованих клітин. Якщо мета корекції — усунути генетичне захворювання, то такий мозаїцизм небезпечний протилежним наслідком, тобто він загрожує навпаки, помножити дефект.
Докторка Ма з колегами припустили, що рішенням може стати введення молекул CRISPR-Cas9 у яйцеклітину одночасно з уведенням сперматозоїда. Таким чином процес корекції може тривати досить довго, аби закінчити свою роботу, перш ніж запліднена яйцеклітина пройде перший етап поділу. Через три дні (за цей час яйцеклітина вже поділилася кілька разів) усі, крім одного, 42 ембріона, на яких технологія спрацювала вдало, показали ідентичні модифікації в кожній клітині.
Читайте також: ДНК-карикатура
Ведуться роботи
Це вже добре. Але є й третя проблема, що збиває з пантелику під час експериментів із CRISPR-Cas9. Це якість корекції. Клітини «ремонтують» дефекти в ДНК щонайменше у два способи. Один — просте зшивання пошкоджених ланцюгів ДНК. Його «літери» видаляються або додаються у довільному порядку. Оскільки в такому процесі додаються інші мутації, він не підходить для медичної корекції дефектів ДНК (хоча міг би застосовуватися для генетичної модифікації агрокультур). На щастя, другий механізм — це залатування прогалин під проводом зразка. Він не приводить до появи додаткових помилок. Але клітинам, схоже, більше до вподоби довільний підхід. У попередніх дослідженнях CRISPR-Cas9 точніший метод траплявся тільки з частотою від 2% до 25% випадків.
Утім, клітини, що фігурували в експериментах науковців, поводилися значно відповідальніше. І цьому, напевне, не варто дивуватися. Будь-який генетичний дефект у заплідненій яйцеклітині, якщо його не виправити, надалі вплине на цілий організм. Тож в ембріонів є еволюційний стимул виправлятися. Але тут на вчених чекала несподіванка. На противагу їхнім сподіванням клітини на диво рідко використовували для корекції введений зразок: тільки в одному з 42 модифікованих ембріонів. Решта «ремонтувала» дефектний ген, орієнтуючись на немутовану копію, успадковану від матері. Це контрастувало з результатами контрольних експериментів, які науковці паралельно проводили на людських стовбурових клітинах (ті значно частіше орієнтувалися на зразок, уведений для корекції). За словами вчених, це може свідчити про досі незнаний механізм корекції ДНК в ембріонів.
Якщо це виявиться правдою, то стане доброю й поганою новиною одночасно. Доброю, бо дасть змогу припустити, що ембріони часто виконують високоякісний «ремонт» без зовнішньої допомоги. Поганою, бо «ремонт» удасться тільки тоді, коли друга копія гена не матиме ніякого браку. Ембріони, що успадковують дві пошкоджені копії певного гена, — по одній від кожного з батьків, — просто замінять одну дефективну іншою, і загального успішного результату не буде.
Читайте також: Стовбурові клітини: від Нобелівської премії до майбутнього медицини
Джин-Су Кім з Інституту фундаментальних наук у Південній Кореї (він один зі співавторів дослідження) вважає, що під час подальшого вивчення генетики зможуть обійти й цю проблему. Він указує на те, що ембріони мишей, вочевидь, без проблем послуговуються зовнішнім генетичним матеріалом. Можливо, існують біохімічні підказки, які контролюють те, як клітина впливає на редагування ДНК, і цими підказками можна маніпулювати. Утім, різниця результатів досліджень може свідчити про нездоланний еволюційний розрив між мишами й людьми — видами, чиї найближчі спільні предки жили понад 60 млн років тому.
Але це вже питання для іншого дослідження. Протягом наступних місяців докторка Ма та її колеги планують повторити та розширити свою роботу, експериментуючи з іншими мутаціями й донорами. Одна з цілей — удосконалити ефективність технології. Шухрат Міталіпов, колега докторки Ма з Орегону, який теж є співавтором дослідження, вважає, що ефективність технології можна довести до щонайменше до 90%. Кінцева мета, хоча до неї ще далеко, — повноцінні клінічні дослідження, у яких модифіковані ембріони, очищені від генів, що спричиняють хвороби, реімплантуються в лоно своїх матерів і доношуються до належного терміну. Якщо це здійсниться успішно, тоді можна буде сказати, що інженерія генів людини досягла повноліття.
© 2011 The Economist Newspaper Limited. All rights reserved
Переклад з оригіналу здійснено «Українським тижнем», оригінал статті опубліковано на www.economist.com