Нові таємниці генома. Як бактерія-вбивця рятує людство від вимирання
Накопичення патогенних мутацій може привести до генетичного виродження і потім вимирання людства. Нове відкриття допоможе нам уникнути такої долі
Журнал Science повідомив про унікальний метод, який винайшов професор Гарвардського університету Девід Лю — один з головних фахівців у світі по редагуванню генома. Нова технологія відкриває шлях до лікування мітохондріальних хвороб — це ціла група спадкових захворювань, пов'язаних з дефектами в функціонуванні мітохондрій. Але перш ніж розповідати про цю технологію і її значенні для медицини, потрібно, звичайно, нагадати, що таке мітохондрії і яку роль вони відіграють у наших клітинах.
Живі електростанції
Мітохондрії є практично у всіх клітинах нашого організму. Їх особливо багато в клітинах, у яких велика потреба в енергії. У кожній клітині таких наших органів, як мозок, серце, м'язи, містяться сотні і навіть тисячі мітохондрій. Мітохондрії вміють використовувати кисень для генерації енергії. Тому їх називають електростанціями клітини.
За своїм походженням це бактерії, що виникли дуже давно — близько 2 млрд років тому. Незабаром вони були захоплені клітинами, які не вміють самостійно генерувати енергію з кисню. Ставши складовою частиною клітини, ці бактерії зберегли власний геном.
Для нас важливо, що ДНК мітохондрій успадковуються виключно по материнській лінії. Як відомо, запліднення полягає в злитті чоловічого сперматозоїда і жіночої яйцеклітини. При цьому утворюється зигота — первинна клітина нової живої істоти. Її ядро — це злиті ядра сперматозоїда і яйцеклітини. Але сперматозоїд не переносить в зиготу батьківські мітохондрії. Тому всі мітохондрії в ній — від материнської яйцеклітини.
Батьківські ризики
Разом з мітохондріями передаються від матерів дітям (і дівчаткам, і хлопчикам) мітохондріальні хвороби. У мітохондріальної ДНК відомо вже більше 300 різних мутацій. Тяжкість мітохондріальних хвороб варіюється з покоління в покоління, але загальне правило полягає в тому, що всі вони невблаганно прогресують з віком.
Останнім часом з'являється все більше свідчень патології мітохондрій при дорослих дегенеративних захворюваннях, таких як хвороба Паркінсона, хвороба Альцгеймера, а також при цукровому діабеті, ожирінні, шизофренії, раку. Але все ж традиційно мітохондріальними хворобами називають патології, які безпосередньо пов'язані з порушенням енергетичної функції мітохондрій.
У мітохондріях відбувається синтез 95% клітинної енергії, що йде на підтримку життя і зростання організму. Коли мітохондрії не працюють, у клітці виробляється все менше і менше енергії, що призводить до порушення її функції. Від мітохондріальних хвороб страждають найбільше клітини головного мозку, скелетної мускулатури, серця, печінки, нирок, ендокринної та дихальної систем.
Мітохондріальні хвороби можуть почати проявлятися практично в будь-якому віці. Більш того, недавно були описані випадки мітохондріальних хвороб, що починаються ще внутрішньоутробно і призводять до розвитку пороків головного мозку. Але переважна більшість мітохондріальних хвороб починається в дитячому віці. Залежно від того, які клітини вражені більшою мірою, симптоми можуть включати відставання в рості і розвитку, ураження нервової системи, епілептичні напади, порушення зору і/або слуху, м'язову слабкість, стомлюваність, порушення дихання і серцевого ритму, печінкову недостатність, шлунково-кишкові порушення, різні ендокринні захворювання (діабет, гіпопаратиреоз).
Ще в 2008 р. у Ньюкасельському університеті (Англія) провели дослідження з метою оцінити поширеність мутацій мітохондріальної ДНК. Для цього вчені проаналізували зразки неонатальної пуповинної крові від 3168 новонароджених — і в 15 випадках виявили патогенні мітохондріальні мутації. Автори дослідження прийшли до висновку: "Принаймні один з 200 здорових людей несе патогенну мутацію мітохондріальної ДНК, яка потенційно викликає хворобу у нащадків жінок-носіїв".
Два підходи
Точні молекулярно-генетичні докази мітохондріальної природи ряду захворювань були отримані ще в 1980-х. Однак способів їх лікування тоді було не видно. Також було абсолютно незрозуміло, як можна допомогти жінкам, які через ці хвороби не можуть або бояться мати дітей.
Але в XXI ст. рішення почали вимальовуватися. Правда, лікування мітохондріальних хвороб у дорослих все ще залишається справою неблизького майбутнього. Адже навіть звичайна генна терапія тільки-тільки починає входити в клінічну практику. А виправити дефекти ДНК у мітохондріях клітин (хоча б в якомусь одному органі) — це на порядок складніше завдання, ніж відредагувати гени, що знаходяться в клітинних ядрах.
Перш ніж братися за лікування дорослих, можна було шукати варіанти, як запобігти мітохондріальні хвороби у майбутніх дітей. Тобто як уникнути передачі патогенних мутацій мітохондріальної ДНК у спадок.
Оскільки проблема криється в мітохондріях, то можна було підходити до неї з двох сторін: по-перше, міняти хворі мітохондрії на здорові; по-друге, лікувати хворі мітохондрії. Зусиллями вчених різних країн пошук вівся в обох напрямках.
Варіанти з "третім батьком"
Більш простим у реалізації виявився перший спосіб. Ефективна технологія заміни хворих мітохондрій на здорові вже знайдена. Це — мітохондріальна замісна терапія (МЗТ), яка вже увійшла в клінічну практику деяких країн, зокрема України.
Існують два методи МЗТ. Розрізняються вони способом отримання ембріона. В обох методах, коли ембріон отримано, його поміщають у матку матері для виношування, як при звичайній процедурі екстракорпорального запліднення.
Перший метод МЗТ полягає в тому, що ядро яйцеклітини матері пересаджують у донорську яйцеклітину з попередньо віддаленим ядром, після чого запліднюють її спермою батька. Таким чином, від матері майбутній дитині передаються гени, що містяться в ядрі її яйцеклітини, від батька — гени, що містяться в сперматозоїді, а від донорської яйцеклітини — гени, що містяться в її мітохондріях.
Чжан починав свої досліди на своїй батьківщині — в Китаї. Але їх заборонили тамтешні регуляторні органи, мотивуючи це підозрілою близькістю досліджень Чжана до клонування людини, а воно в Китаї заборонено. Утім, у США, куди перебрався Чжан, можливості теж були обмежені. FDA (Адміністрація продовольства і ліків) вимагала від репродуктивних клінік вважати використання донорських яйцеклітин експериментальною процедурою і отримувати на них спеціальний дозвіл.
Тому своєї мети Чжан досяг у Мексиці, де влада регулюванням дітонародження не настільки стурбована. Про свою роботу співробітники клініки New Hope розповіли в жовтні 2016 р. на щорічному зльоті Американського товариства репродуктивної медицини в Солт-Лейк-Сіті. Вони повідомили, що хлопчикові виповнилося три місяці, він здоровий і розвивається нормально. Проте "експерти з біоетики" не забарилися розкритикувати їх. Одні звинуватили лікарів в експериментах на живих людях, інші вказували на брак даних про ефективність і безпеку цієї процедури для дитини та її майбутнього потомства. Клінічний директор New Hope Алехандро Чавес-Бадіола у відповідь підкреслював, що в Мексиці немає законів, що забороняють МЗТ, і що експеримент його клініки отримав схвалення етичного комітету. Підсумок скандалу був передбачуваний: у березні 2018 р. FDA зміцнила зведену колись "паперову стіну" і заборонила будь-які маніпуляції із заміщення мітохондрій.
Другий метод МЗТ розвивається в Європі. Він полягає в тому, що спочатку материнську яйцеклітину з дефектними мітохондріями запліднюють, а потім витягують з неї ядро, яке вже містить ДНК обох батьків, і переносять у позбавлену ядра донорську яйцеклітину. Цей метод називається пронуклеарним переносом.
Ще з 2016 р. його освоюють українські лікарі. У січні 2017 р. київські репродуктологи заявили про народження у них першої в світі дитини після пронуклеарного перенесення. Підкреслимо, що їх робота була схвалена етичною радою Української асоціації репродуктивної медицини. Законодавчо ці питання в Україні поки не врегульовані.
Єдина країна в світі, де маніпуляції із заміщення мітохондрій зараз офіційно схвалені, — це Великобританія. У лютому 2015 р. обидві палати британського парламенту затвердили поправки до закону про роботу з ембріонами, які дозволяють донорство мітохондрій при екстракорпоральному заплідненні. Утім, щоб отримати ліцензію на такі процедури, потрібно пройти довгі обговорення в кабінетах управління із запліднення людини і ембріології.
У березні 2017 р. (незабаром після успіху киян) першу в Великобританії ліцензію на народження дітей з використанням методу пронуклеарного перенесення отримала група лікарів з Ньюкасла, яку очолює професор репродуктивної біології Мері Герберт. Лікарі наголосили, що вони задоволені рішенням "допомогти сім'ям, постраждалим від цих руйнівних захворювань". Повідомляючи про це, агентство Reuters не забуло згадати і позицію критиків, які заявили, що це "небезпечний крок, який призведе до створення генетично модифікованих дизайнерських немовлят".
Неетична біоетика
Як бачимо, методи МЗТ вже освоєні на практиці, принаймні, в декількох клініках у різних країнах світу. Мітохондріальні хвороби могли б стати першими генетичними хворобами, які люди навчилися лікувати масово (бо МЗТ обходиться без генної терапії і простіше неї). Але цього не сталося. А все тому, що до методів МЗТ міцно приклеїлася назва "дитина від трьох батьків". І нехай дослідники вважають її некоректною (від донорських мітохондрій надходить всього 37 генів, а від батька і матері їх по 20 тис.), Але вона завдяки "експертам з біоетики" (яких можна самих звинуватити в етичній неохайності) тепер стійко асоціюється з порушенням етичних норм.
Тому, щоб вирішити проблему безпліддя або позбавити своєї майбутньої дитини ризику стати володарем цілого букета невиліковних хвороб, батькам доводиться вирушати в "ембріологічне турне", іноді на інший край світу. У свою чергу, сама ця технологія з тих же причин гальмується в розвитку. Бажаючим експериментувати з яйцеклітинами і їх мітохондріями доводиться шукати собі країну, де за це не закидають камінням — ні буквально (на вулиці), ні фігурально (в медіа).
Генна терапія від Девіда Лю
У цих умовах нові надії дає альтернативний підхід, що пропонує лікувати хворі мітохондрії, а не міняти їх на здорові донорські. Він не вимагає ніякого "третього батька" і анітрохи не нагадує клонування. Звичайно, це не означає, що у нього є шанси уникнути остракізму з боку "експертів з біоетики". Але все ж можна сподіватися на те, що він не викличе настільки сильних упереджень у громадській думці.
Проблема цього підходу в тому, що редагувати гени в мітохондріях ще важче, ніж в ядрі клітини. У 2013-му одним з головних наукових проривів року стала технологія CRISPR. Вона дозволяє виправляти дефектні гени в живому організмі: для цього потрібно впорснути в кров систему редагування, і та буде лагодити генетичні поломки прямо в працюючих тканинах. Але проти мітохондріальних мутацій цей метод безсилий. Справа в тому, що ключовий компонент редактора CRISPR надто великий для проникнення в мітохондрії. Тобто замість лагодження виходить руйнування.
Вирішити цю проблему взялася група Девіда Лю у співпраці з двома іншими дослідницькими групами. І ось у липні 2020 р. у журналі Nature вийшла стаття, де Лю і його співавтори розповіли про створену ними технологію мітохондріальної генної терапії. Їй присвятили великі публікації журнал Science і ряд інших видань.
Не будемо зловживати технічними подробицями. Але відзначимо, що ця технологія побудована на основі ферменту, що виділяється бактерією Burkholderia cenocepacia. Тобто вчені в пошуках працездатного рішення врешті-решт скористалися методом, який давно винайшли бактерії.
Як пояснив медичний сайт STAT, бактерії ведуть проти інших бактерій хімічну війну. Хімічна зброя, що використовується бактеріями Burkholderia cenocepacia, являє собою фермент, який проникає у ворожу бактерію і вбиває її з чудовою простотою: він здійснює в її ДНК точкові мутації. Точкова мутація полягає в тому, що одна основа ДНК (аденін, цитозин, тимін або гуанін) замінюється іншим. Саме це і робить фермент: він замінює на якійсь ділянці ворожої ДНК правильну основу на неправильну.
Генетичні дефекти, що ведуть до мітохондріальних хвороб, найчастіше викликані якраз такими точковими мутаціями. І вчені усвідомили, що цей фермент з тим же успіхом можна використовувати для виправлення мутацій. Якщо підвести його до ділянки, що мутує ДНК мітохондрії, то він виправить неправильну основу на правильну. Так фермент-вбивця, який використовується Burkholderia cenocepacia проти ворожих бактерій, став у руках вчених ферментом-цілителем, використовуваним для виправлення мутацій у мітохондріях.
Захист від вимирання
Звичайно, вченим довелося вирішити безліч проблем. Зокрема, вони зуміли знайти спосіб, як доставити фермент-цілитель точно до тієї ділянки ДНК мітохондрії, яка мутувала.
Розробникам мітохондріальної генної терапії ще потрібно, напевно, чимало постаратися, щоб довести цю технологію до того рівня ефективності, коли вона зможе показувати переконливі результати у випробуваннях на тваринах, а потім на людях. І лише після цього можна буде говорити про можливість її використання в клінічній практиці.
Якщо це вдасться зробити, то ми зможемо вважати, що в організмі людини більше немає такого гена, який ми не в силах змінити. І тільки тоді ми зможемо сподіватися, що людство не вимре.
З тих найдавніших часів, коли люди почали дбати про хворих родичів, природний відбір перестав тяжіти над Homo sapiens. А значить, патогенні мутації стали накопичуватися. Це так зване генетичне виродження, яке може в кінцевому підсумку призвести до вимирання. Є два способи уникнути такого кінця: повернутися до природного відбору, тобто стати тваринами, або навчитися виправляти генетичні дефекти. Поки що ми все-таки йдемо людським шляхом.
