Боятися вже пізно. Чим загрожує людству можливість редагувати гени
Перші експерименти по редагуванню генів у геномах живих істот датуються початком XX ст. До середини XX ст. вчені вже вміли досить точно модифіковані гени бактерій, але для того, щоб навчитися вносити такі зміни в гени людини, знадобилося ще кілька десятиліть.
Після перших успіхів почалися суперечки про етичної прийнятності редагування генома людини, і вони не вщухають досі. Однак, схоже, що цей джин вже випущено з пляшки, і його не вдасться заштовхнути назад. Зараз редагування геному вступило в етап технологічної гонки. Деякі види генної терапії вже дозволені до використання в медичній практиці, деякі - проходять клінічні випробування.
Наймоторніші: "цинкові пальці"
Медичної сенсацією листопада стало повідомлення з Каліфорнії про те, що там вперше в світі відредагували геном прямо в тілі людини. Не з абстрактного наукового інтересу, а щоб позбавити пацієнта від важкої хвороби.
44-річний Брайан Маде все своє життя бореться з мукополісахаридозом II типу. Це захворювання, зване також синдромом Хантера, має генетичну природу і досі вважалося невиліковним. Його причиною є мутація в гені, відповідальному за виробництво ферменту, який бере участь у розщепленні складних вуглеводів. У підсумку вони накопичуються в клітинах і викликають численні патології органів.
Для людей з синдромом Хантера характерні затримка росту, погана рухливість суглобів, диспропорційне будова тіла і огрубіння рис обличчя. Також хвороба створює труднощі з диханням і викликає збільшення внутрішніх органів, наприклад печінки або селезінки. Відсутній в організмі фермент можна додавати внутрішньовенно, але для цього необхідно їздити в лікарню на щотижневі процедури. До того ж цей вид терапії здатний лише полегшити симптоми, а коштує він до $400 тис. на рік.
Брайану Маде за його життя довелося перенести 26 операцій - через гриж і деформованих кісток, а також на хребті, очах і жовчному міхурі. За словами чоловіка, вся його життя ніби складається з операцій та медичних процедур. У минулому році він ледь не помер від бронхіту та запалення легень: Маде не міг відкашлюватися, так як у нього деформовані дихальні шляхи.
Незважаючи на хворобу, Маде вів активне життя, став шеф-кухарем і співвласником двох ресторанів. Але останнім часом поганий стан здоров'я не дозволяло йому працювати. Тому він і вирішив взяти участь у проведеному компанією Sangamo Therapeutics клінічному випробуванні нового методу лікування синдрому Хантера. Цей метод бореться не із симптомами, а з причиною хвороби. Він використовує редагування геному за допомогою ZFN - білків-нуклеаз, званих "цинковими пальцями" (цей білок дійсно містить іон цинку і за формою схожий на палець).
Генна терапія вважається одним з перспективних способів боротьби з важкими захворюваннями. Наприклад, у травні 2016 р. в Європі схвалили генну терапію важкого комбінованого імунодефіциту, а в серпні 2017 р. FDA (Адміністрація з продовольства і медикаментів США) схвалила розроблену компанією Novartis генну терапію для лікування гострого лімфобластного лейкозу у дітей та молодих людей у віці до 25 років. Як правило, у пацієнта беруть клітини, в лабораторії вбудовують в ДНК цих клітин необхідний ген і потім вводять їх назад пацієнту.
Таким же чином досі здійснювалося і редагування геному за допомогою ZFN, яке, варто сказати, використовується ще з 1990-х і є однією з найстаріших технологій генної терапії. Новий метод, який використовували для лікування Маде, відрізняється тим, що він дозволяє редагувати геном прямо в тілі людини і при цьому досить точно потрапляти в конкретна ділянка ДНК. "Цинковий палець" здатний знайти потрібну ділянку ДНК і зв'язатися з ним, щоб можна було внести в це місце необхідні зміни. Як пояснив президент Sangamo Сенді Макрэ, це щось на кшталт "впровадження в організм крихітного хірурга", який сам "розрізає вашу ДНК, вставляє ген і зашиває. Ген стає частиною ДНК і залишається в ній назавжди".
Процедура, проведена Брайану Маде 13 листопада, стала першим випадком, коли людині відразу вводять через крапельницю (за допомогою спеціального розчину) відсутній ген - точніше, мільярди його копій разом із "цинковими пальцями", які повинні вставляти їх в ДНК. Для успіху лікування необхідно, щоб як мінімум в 1% клітин печінки заробила правильна копія гена.
За твердженням комісії Національного інституту здоров'я США, одобрившей це клінічне випробування, всі попередні випробування цього методу на лабораторних тваринах були багатообіцяючими, тому процедура не повинна бути небезпечною. Перші результати у Маде повинні бути помітні вже через місяць, а через три місяці аналізи зможуть підтвердити, вченим вдалося позбавити чоловіка від синдрому Хантера. Якщо процедура редагування геному Маде пройде успішно, це не виправить ті зміни, які вже відбулися в його тілі. Але проходити ферментну замісну терапію йому більше не треба.
Крім Маде, у клінічному випробуванні нового методу візьмуть участь ще 29 дорослих людей. Це лише перша фаза дослідження, а всього до реєстрації терапії (тобто до дозволу застосовувати цей метод для всіх хворих з синдромом Хантера) їх має бути три. Якщо лікування виявиться ефективним, то в майбутньому його сподіваються застосовувати і для дітей, щоб запобігти незворотні зміни. Зараз у світі живуть з синдромом Хантера близько 10 тис. осіб.
При вдалих результатів Sangamo планує провести таку ж процедуру пацієнтів з іншими захворюваннями. Наприклад, з гемофілією B і фенілкетонурію.
Найгостріші: "генетичні ножиці"
В останні п'ять років найбільш перспективним інструментом генної терапії вважається система CRISPR-Cas. Вона була відкрита в кінці 1980-х у бактерій і, як з'ясувалося в 2005 р., служить у них захисним механізмом від вірусів. У число елементів системи входять і білок Cas9, який розрізає вірусний геном в потрібному місці, і коротка напрямна РНК, яка повідомляє Cas9, де робити розріз. Ці білок та РНК кодуються особливими ділянками бактеріальної ДНК, що одержали назву CRISPR (розшифровується як "короткі палиндромные повтори, регулярно розташовані групами").
Виявилося, що цю систему можна пристосувати для редагування геному різних клітин, в т. ч. і людських. З 2012 р. технологія CRISPR-Cas активно випробовується в численних експериментах. В 2015 р. вона отримала премію "Прорив року" журналу Science - одну з найпрестижніших нагород у галузі науки. Також це відкриття вже кілька років називається в числі фаворитів на Нобелівську премію.
ZFN, CRISPR-Cas, інші технології редагування геному конкурують один з одним і їх суперництво, схоже, стимулює їх до розвитку та вдосконалення. Поки в Каліфорнії вчаться застосовувати ZFN прямо в тілі людини, на іншому кінці США придумали новий спосіб доставки елементів системи CRISPR-Cas до місця призначення в геномі.
Зазвичай білок Cas9 і спрямовуючу РНК поміщають в безпечний вірус, який проникає в клітину і доставляє ці "генетичні ножиці" до ділянки ДНК, що потребує редагування. Однак у цього методу є недолік: імунна система може виробити антитіла проти вірусу, і це знизить ефективність терапії. 13 листопада Массачусетський технологічний інститут (MIT) повідомив, що його фахівці розробили новий спосіб доставки, обходиться без вірусів.
Замість вірусів вчені MIT використовували наночастинки і, упакувавши в них Cas9 і РНК, доставили їх до печінка дорослої миші. Мішенню експерименту був ген, що регулює рівень холестерину і пов'язаний з деякими розладами, з-за яких накопичується шкідливий холестерин. Вченим вдалося видалити цей ген у 80% клітин печінки. Це найкращий результат, який коли-небудь досягала технологія CRISPR-Cas у дослідах на дорослих тварин. Після процедури рівень холестерину в крові миші знизився на 35%.
"Повністю синтетична наночастинок, яка цілеспрямовано відключає гени, може стати потужним інструментом в медицині, - каже Деніел Андерсон, головний автор статті, опублікованій в журналі Nature Biotechnology. - Печінка - дуже важливий орган, але також і джерело хвороб для багатьох людей. Якщо ми зможемо перепрограмувати ДНК у клітинах печінки, не заважаючи її роботі, ми зможемо вирішити проблему багатьох захворювань".
Самий точний: "генетичний скальпель"
Однак і технологія CRISPR-Cas з усіма її модифікаціями вже не є останнім словом в науці. Різні групи дослідників шукають більш ефективні способи редагування генома, і деякі заявляють, що вже знайшли. Правда, до випробувань цих способів на людині ще далеко.
Так, Єльський університет 16 листопада повідомив про створення більш точної і ефективної технології редагування геному, яка дозволяє позбутися від недоліків сучасних технологій. "Існуючі технології можна порівняти з пилкою-ножівкою, а нашу - зі скальпелем, який дозволяє здійснювати точні генетичні зміни з високою ефективністю в безлічі місць геному", - говорить старший автор опублікованої в журналі Cell статті Фаррен Айзекс.
Сучасні технології зазвичай розрізають подвійну спіраль ДНК, щоб впровадити генетичні зміни, і розраховують, що клітка з допомогою власних молекулярних механізмів зшиє цей розрив. Однак іноді ці розриви залишаються невиправленими або ж при їх зшиванню виникають помилки у послідовності генів. Команда вчених з Єля навчилася впроваджувати нову генетичну інформацію без численних розривів подвійної спіралі. Нова технологія, названа eMAGE ("эукариотическая мультиплексна геномна інженерія"), прискорить процедуру заміни хвороботворних генів, а заодно полегшить пошук і розробку природних антибіотиків і протиракових агентів і стимулюватиме створення нових біотехнологічних продуктів, затверджує Айзекс.
Він і його група вже створили майже мільйон варіантів впровадження точних генетичних змін, які перенастраивают експресію генів і метаболізм. "Ми можемо створювати безліч комбінацій, - підкреслює Айзекс. - Це дає нам безпрецедентний інструмент для виявлення мутацій і перепрограмування клітинного поведінки".
Втім, досі вчені з Єля відчували свій інструмент тільки на одноклітинних організмах, таких як дріжджі. Тепер, каже Айзекс, погляди його команди спрямовані на подальший розвиток технології і поширення її на багатоклітинні організми.
Самий розумний: "генетичний олівець"
Завдання підвищення точності редагування геному поставили перед собою і вчені Гарвардського університету. Як стало відомо в жовтні з публікації в журналі Nature, вони створили такий інструмент, який, на відміну від CRISPR-Cas, не розрізає ланцюжок нуклеотидів, а точково замінює в ній виключно все найнеобхідніше, не руйнуючи при цьому загальну структуру. Робиться це за допомогою особливого ферменту, що дозволяє змінювати в ДНК окремі пари азотистих основ.
Вчені сподіваються, що досягнута ними точність у редагуванні геному дозволить в найближчому майбутньому здобути перемогу над безліччю спадкових захворювань, наприклад, над серповидноклітинної анемію і муковісцидозом. Поки ж дослідники встигли випробувати свою революційну методику на ряді бактерій. В їх ДНК точково модифікували ген, відповідальний за стійкість до певного антибіотику. Після чого бактерії втратили всілякої захисту від цього препарату і почали гинути. Але вчені вирішили не зупинятися на цьому і провели зворотний експеримент, повернувши бактеріям колишню захист. Експеримент також завершився успіхом.
Команда з Гарварду вважає, що її інструмент редагування набагато більш гнучкий і ефективний, ніж CRISPR-Cas, і тому з часом відтіснить застарілу систему на другий план. Редактор підстав - це більш точний інструмент, говорить один з авторів дослідження Девід Лі. Він порівнює CRISPR-Cas з ножицями, а нову техніку - з олівцем. Дійсно, азотисті основи - це, по суті, букви ДНК. А придуманий в Гарварді "генетичний олівець" вміє їх переписувати.
Кожну підставу з однієї нитки ДНК має пару на протилежній нитки. Так, аденін (A) з'єднується з тиміном (T), а гуанін (G) - з цитозином (C). Суть відкриття в тому, що тепер пару AT можна замінити на GC. Починаючи дослідження, вчені перебували в ситуації, коли подібна операція здавалася неможливою, тому що для такої реакції потрібен фермент, якого не існувало, але їм вдалося його отримати. В результаті редагування відбувається при меншому числі несподіваних мутацій і помилок.
Найпростіше: "редагування без редактора"
Ще більш радикальне нововведення придумав массачусетський стартап Гомології Medicines. Він знайшов спосіб здійснювати редагування геному взагалі без втручання редактора. Тобто ніяких генетичних інструментів не потрібно - ні "пальців", ні "ножиць", ні "скальпеля", ні "олівця".
Виявляється, функцію редактора з успіхом може виконувати сама ДНК, яку необхідно виправити. Для цього потрібно тільки доставити до неї (зазвичай це робиться за допомогою нешкідливого вірусу) правильний ген, який слід замінити на неправильний, і далі ДНК сама зробить заміну в ході реплікації при поділі клітини. До речі, це з'ясував ще в 1998 р. Девід Рассел з Університету Вашингтона в Сіетлі.
Заковика в тому, що таке явище трапляється рідко. В деяких типах клітин такому саморедактированию піддається тільки одна з тисячі клітин. Цього явно недостатньо для того, щоб лікувати більшість захворювань, тому ця технологія ніколи раніше не розглядалася серйозно як варіант терапії.
Однак у травні 2017 р. на щорічних зборах експертів з генної та клітинної терапії дослідники з Національного медичного центру "Місто надії" в місті Дуарти, штат Каліфорнія, заявили, що знайшли віруси, при використанні яких для доставки правильних генів саморедактируются 50% клітин. Втім, секрет свого ноу-хау група не повідомила, а її науковий керівник Сасвати Чаттерджі заснував стартап Гомології Medicines, який, за повідомленням MIT Technology Review, вже до кінця серпня зібрав вражаючі $127 млн для лікування генетичних захворювань за допомогою нової технології.
"Якщо заява про 50% - правда, то це буде найкраща технологія для редагування геному", - говорить Девід Рассел, який відкрив клітинне саморедактирование 19 років тому. Але він додає, що результат занадто гарний, щоб бути правдою, а залучені стартапом мільйони доларів пояснює "шаленим ажіотажем навколо генного редагування".
Кілька інших експертів сказали, що вони теж налаштовані скептично до заяви групи Чаттерджі. "Багато хто з нас в аудиторії не були впевнені, що те, що вони стверджували, було підтверджено даними, які вони представили", - говорить Метью Портеус, спеціаліст по редагуванню геному зі Стенфордського університету, який був присутній на травневому зібранні. Правда, він працює над технологією CRISPR, так що йому належить бути скептичною до успіхів конкурентів.
13 листопада про своє співробітництво з Гомології Medicines оголосила фармацевтична корпорація Novartis (та сама, яка в серпні перша в США отримала дозвіл FDA на генну терапію). Метою співробітництва названа адаптація технології Гомології до лікування хвороб крові та деяких очних захворювань. Біологи Novartis будуть працювати пліч-о-пліч з вченими Гомології для просування проектів до клінічних випробувань, йдеться в повідомленні.
У свою чергу, стартап розповів, що Novartis відповідно з умовами угоди внесла авансовий платіж та інвестиції в акціонерний капітал Гомології. Крім того, Novartis надає фінансування для просування програм та вивчення нових можливостей технології Гомології. Стартап також буде отримувати оплату від Novartis і роялті від продажу продуктів, створених в рамках співробітництва.
Мабуть, справа все ж таки не тільки в ажіотажі. Так і Novartis навряд чи стала б купувати кота в мішку. Дійсно технологія Гомології зробить переворот в генній терапії, це повинно з'ясуватися в найближчі кілька років.
Замість підсумків. Джин вже поза пляшки
Можна укласти, що конкуренція в цій галузі біотехнологій буде і далі наростати. Людям будуть пропонуватися все більш ефективні і притому різноманітні види генної терапії, ціна яких, мабуть, буде падати, а доступність - рости.
Мабуть, зміниться і характер спорів про етичної прийнятності редагування геному людини. Хоча, звичайно, як і раніше, якась частина людей буде відкидати цей метод як такий, але все ж самим гострим стане питання про межі дозволеного.
Експерт з біоетики Алта Чаро стверджує, що наші страхи дуже перебільшені. Вона згадує, що понад 40 років тому такі ж дебати викликала інша генетична технологія - амніоцентез, тобто аналіз навколоплідних вод і тканини плаценти. Він застосовується, зокрема, для виявлення синдрому Дауна. У свій час амніоцентез змушував багатьох лікарів і етиків турбуватися, чи не занадто ми одержимі гонитвою за досконалістю і не розглядаємо дітей у якості товару. Історія показала безпідставність цих побоювань.
У 1980-х пугалом для громадськості стало екстракорпоральне запліднення. Багатьом здавалося, що ось-ось стане реальністю майбутнє в дусі наукової фантастики, в якому дітей вирощують в пробірках у відповідності з заданими властивостями. Але сьогодні ЕКО використовується насамперед партнерами, які не можуть досягти вагітності природним шляхом, і батьками, які не хочуть передавати дитині небезпечні генетичні захворювання.
Чаро оптимістична і вірить в моральність людства, але при цьому вважає, що без чіткого біоетичного законодавства не обійтися. Ось тільки в тому-то і питання, де провести межу дозволеного. На перший погляд, тут все просто: риса повинна пролягати між порятунком життя і безвідповідальною примхою, наприклад, бажанням справити на світ дитини, який буде світитися в темряві. Проте відстань між цими крайніми варіантами набагато коротше, ніж здається.
У самому справі, як розрізнити бажання позбавити майбутнього дитини від "поганого" гена, що наділяє хворобою або фізичним дефектом, і намір дати дитині "хороший" ген, що забезпечує перевагу над однолітками. Адже якщо буде дозволено позбавлятися від "поганих" генів, то батьки будуть намагатися замінювати "погані" гени не на "нейтральні", а саме на "хороші".
Напевно, хтось перестарається в прагненні вдосконалити майбутнє чадо. Однак не це буде найбільшою проблемою. Та й якщо накласти тут безліч заборон, тоді просто буде процвітати чорний ринок генно-інженерних послуг.
Найбільша небезпека в тому, що хтось десь може спробувати вивести новий біологічний вид, тобто таких "надлюдей", які будуть здатні схрещуватися тільки між собою, але не із звичайними людьми. Такий проект, швидше за все, реалізований не в країнах вільного світу, а в якому-небудь тоталітарній державі, якій потрібні то "суперсолдаты", то "супергении". Воно точно буде ігнорувати будь-які міжнародні обмеження, а над будь-якими спорами з біоетики - сміятися.
