Просто геном

Технология CRISPR предлагает ещё один способ вернуть исчезнувшие виды животных к жизни – способ, который не сильно отличается от вымышленного описания исчезновения динозавра в книге и последующего голливудского фильма «Парк юрского периода», вышедшего в 1993 году. В этом весьма убедительном научно-фантастическом фильме учёные включили в ДНК лягушек гены умерших динозавров, которые были найдены в окаменелых комарах. По сюжету фильма генетический материал был найден у москитов, потому что они миллионы лет назад пили кровь динозавров, а затем увязли в древесной смоле и сохранились до настоящего времени. К сожалению или к счастью – в зависимости от того, как вы относитесь к динозаврам, химические связи в ДНК слишком нестабильны для того, чтобы оставаться целыми в течение десятков миллионов лет. Но идея автора сценария Майкла Крайтона была очень близка к истине.

Аналогичная стратегия проводится для шерстистых мамонтов группой исследователей из Гарварда во главе с генетиком Джорджем Черчем. Ключевой отправной точкой является высококачественный, полностью секвенированный геном, который был получен из двух экземпляров шерстистых мамонтов, которые погибли от 20 до 60 тысяч лет назад. Геномы позволили учёным проанализировать точные изменения ДНК между мамонтом и современным слоном, его ближайшим родственником. Неудивительно, что, учитывая ледяную среду обитания шерстистых мамонтов, 1668 генов, которые различаются между двумя геномами, кодируют белки, функции которых связаны с температурой, развитием кожи, шерсти и наращиванием жировой ткани. Работая с клетками слонов команда Черча использовала технологию CRISPR для преобразования слона в шерстистого мамонта, манипулируя с ДНК.

Полное превращение генома слона в геном шерстистого мамонта предполагает изменение более 1,5 миллионов букв ДНК, и при этом нет гарантий того, что полученные отредактированные клетки слонов смогут быть использованы для получения фактической беременности. Даже если это возможно, будет ли полученное животное, рожденное слоном и лишенное своей изначальной среды обитания, действительно шерстистым мамонтом? Или же в таком случае это будет просто слон, обладающий новыми чертами и признаками, вдохновленными генетикой шерстистых мамонтов?

С тех пор как обществу стало известно об экспериментах, подобных этим, люди горячо их обсуждали и пытались решить, достойны ли они восхищения, прискорбны или же истина где-то посередине. В широком научном сообществе жюри все же отсутствует. И в самом деле, какой смысл возрождать шерстистого мамонта или любой другой вид вымерших животных? Одна из причин может показаться удивительной – это удивление и восхищение возможностями, предоставляемыми природой и наукой на самом высоком уровне. Некоторые люди обожают посещать зоопарки или ездят на сафари только лишь для того, чтобы понаблюдать за львами и жирафами вблизи; представьте себе, какой это был бы захватывающий, полный будоражащих эмоций опыт – встретиться лицом к лицу с настоящим мамонтом! Другие мотивы для того, чтобы сделать геном слона, чтобы превратить его в более шерстистого, похожего на мамонта, включают спасение исчезающих видов азиатских слонов и уменьшение выброса углерода.

Существует также этический вопрос о возрождении животных. Если мы довели вид до исчезновения и теперь у нас есть сила для того, чтобы вернуть его обратно на планету Земля, обязаны ли это сделать? Стоит ли делать это? Одна из компаний, возглавляющих движение за возрождение вымерших животных, Long Now Foundation, верит в необходимость этого. Миссия организации состоит в том, чтобы «улучшить биоразнообразие путем генетического спасения исчезающих и вымерших видов» с использования инструментов генной инженерии и биологии. Long Now Foundation принимает участие и в процессе возрождения вымерших видов животных, и в предотвращении их исчезновения и вымирания. В списке кандидатов на возрождение находятся странствующие голуби – вид семейства голубиных из монотипического рода Ectopistes, который был уничтожен охотой в XIX веке; бескрылые гагарки – крупные нелетающие птицы семейства чистиковых, вымершие в середине XIX века (количество этих птиц резко сократилось в XVI веке: люди убивали их ради получения пуха), и заботливые лягушки, которых так назвали, потому что это единственные в мире животные, вынашивающие потомство в желудке. Эти лягушки были уничтожены примерно в 1980 году патогенными грибами, завезенными людьми в естественную среду обитания лягушек.

Тем не менее остаётся далеко спорным то, будут ли возрождённые виды гостеприимно приняты современным миром или что их повторное привнесение в живую природу не будет предоставлять риска – для них самих и для нас. Точно так же, как вид животных, обитающих в одной среде, может нанести экологический ущерб чужеродной, вымершие виды могут сильно нарушить экосистемы, в которые они попали.

Есть и другие веские причины выступать против использования CRISPR для возрождения исчезнувших видов зверей. Здесь спор разворачивается вокруг того же аргумента, что используется против создания спроектированных новых видов животных, обладающих характерными уникальными чертами: мы должны учитывать нормы морали по отношению к животным и их благополучие. Иногда животным приходится терпеть много страданий, таких как уродства и преждевременная смерть, которые обычно сопровождают процедуры клонирования. Как мы можем оправдать такие страдания животных в ходе научных исследований, которые почти наверняка никогда не повлияют или не улучшат здоровье человека? Не отвлечет ли нас сконцентрированность на возрождении животных от защиты существующих исчезающих видов или жестокого обращения с беспризорными домашними животными? И на более базовом уровне, если мы можем избежать грубого вторжения в природу, которое уже и так имело место, не лучше ли избежать его?

CRISPR заставляет нас сталкиваться с такими трудными, возможно, неопровержимыми вопросами, как эти, многие из которых сводятся к настоящим головоломкам об отношенияхмежду людьми и природой. Люди меняли генетический состав растений и животных задолго до появления генной инженерии. Должны ли мы воздерживаться от воздействия на окружающую среду с помощью этого нового инструмента, даже если в прошлом не проявляли такого ограничения? По сравнению с тем, что мы уже сделали с нашей планетой, умышленно или нет, редактирование генов на основе CRISPR менее естественно или более вредно? На эти вопросы нет простых ответов.

По крайней мере, есть один способ, с помощью которого способность редактировать гены других видов может оказаться более опасной, чем любые изменения, внесенные людьми в жизнь на планете до сих пор. Речь идёт о революционной технологии, известной как генный дрейф, называемый так, потому что он дает биоинженерам способ «вбивать» новые гены – вместе с их связанными признаками – в дикие популяции с беспрецедентными скоростями. Это своего рода каскадная цепная реакция, которую невозможно остановить. Генный дрейф – это технология, позволяющая распространить измененный человеком ген в дикой популяции животных или растений. В результате генной модификации учёные учатся «переписывать» геномы целых видов. И, как результат, даже истреблять их полностью.

В случае с генными дрейфом, как и с другими разработками в стремительно развивающейся области редактирования генов, наука продвинулась так быстро, что порой и самими учёным просто-напросто трудно идти с ней в ногу. Спустя всего год после того, как генный дрейф был впервые предложен в теоретической работе, генные дрейфы CRISPR оказались эффективными сначала при применении к плодовым мухам, а затем к москитам. Генный дрейф работает с любыми видами, которые размножаются половым путем, и у него есть потенциал для борьбы с серьезными заболеваниями, спасения вымирающих видов, успешного ведения сельского хозяйства.

При нормальном половом размножении между видами, содержащими две копии каждой хромосомы, потомство получает только одну копию хромосомы от каждого родителя, это означает, что любой конкретный вариант гена имеет 50-процентную вероятность наследования.

Однако существуют определенные последовательности ДНК, называемые, с легкой руки биолога Ричарда Докинза, написавшего одноименную книгу об эволюции, эгоистичными генами. Они могут увеличивать свою частоту в геноме с каждым поколением, даже не предоставляя никаких преимуществ в физической пригодности для потомства. Иными словами, доставшись от одного из родителей, эгоистичный ген тут же найдёт себе место и на соседней гомологичной хромосоме. А значит, все 100 процентов потомков станут его обладателями. Такая же картина повторится в следующем поколении. Эгоистичный ген будет стремительно распространяться по популяции.

В 2003 году Остин Бёрт предложил использовать это свойство хитрого гена во благо человечества. А именно – для направленного уничтожения надоевших нам биологических видов. В теории этот сценарий подходит для любого организма, размножающегося половым путём. Научить эгоистичную нуклеазу распознавать именно нужные нам последовательности в генах, например, комара, оказалось не таким простым делом, поэтому технология могла так и остаться лишь смелым планом. Если бы не грянула очередная революция – открытие технологии CRISPR.

С развитием генной инженерии идея Бёрта стала реальностью. В 2012 году учёные представили CRISPR, инструмент для редактирования генов, который был описан как молекулярный процессор. Учёные получили возможность изменять генетическую информацию в любом организме. CRISPR определяет местонахождение конкретного участка генетического кода, а затем разрывает обе нити ДНК в этом месте. Это позволяет удалить, добавить или заменить гены. Как мы уже говорили, у организмов, которые размножаются половым путем, двойной набор хромосом – от отца и матери. Исследователи вводят в организм ген, оснащенный CRISPR. Инструмент вырезает одну из родительских хромосом, в которую нужно внести изменения. Клетка не умирает от внесения разрыва в ДНК, так как этот разрыв исправляется по здоровой копии из парной хромосомы за счет естественного механизма восстановления.

Как оказалось, генный дрейф может быть настолько эффективным, насколько это возможно в теории. В начале 2015 года Этан Бьер и его ученик Валентино Гариц из Сан-Диего сообщили о первой успешной демонстрации применения генного дрейфа CRISPR к обыкновенной плодовой мухе, с помощью которого они внедрили дефектный ген пигментации в геном. Результат: 97 процентов отредактированных мух оказались светло-желтого цвета вместо обычного желто-коричневого. В течение полугода та же команда применила свои первоначальные результаты тестирования концепции на плодовых мушках и во многообещающих экспериментах с комарами – переносчиками малярии. Однако вместо того чтобы просто менять цвет москитов, этот новый метод распространял ген, который давал потомству устойчивость к Plasmodium falciparum, – паразиту, ответственному за сотни миллионов малярийных инфекций ежегодно. Уровень успеха у диких комаров, на которых был испытан этот новый генный дрейф, оказался ещё выше: 99,5 процента. Если первая из этих проверок действенности кажется вполне безобидной, то вторая (в случае эксперимента с москитами – переносчиками малярии) является полезной.

Рассмотрим третий пример. Работая независимо от калифорнийских учёных, британская команда исследователей, среди которых был Остин Бёрт, создала такие дрейфы CRISPR, которые распространяют гены, провоцирующие бесплодие у самок комаров. Поскольку признак бесплодия рецессивен, гены должны быстро распространяться по популяции, будет увеличиваться их количество, пока достаточное количество самок не получит две копии, и в этот момент популяция внезапно замрет.

Вот как это работает. Нужно взять комара – к примеру, малярийного – и вставить в его геном эгоистичный ген «голубиной эндонуклеазы» (предварительно ген «дрессируют», чтобы он находил себе «домик» в определенном месте комариного генома, а именно в гене, мутации которого вызывают бесплодие у самок). Вместо того чтобы искоренять малярию путем генетического изменения комаров, чтобы предотвратить перенос ими болезни, эта стратегия представила более грубый инструмент – тот, который убивал бы целые группы, препятствуя размножению. Если он поддерживается в популяциях диких комаров, это может в конечном итоге привести к прямому истреблению всего вида комаров.

Это не первый раз, когда учёные обращаются к генной инженерии для сокращения популяций насекомых. Обычная практика, используемая в течение десятилетий, вызывает выброс стерилизованных самцов в окружающую среду, благодаря которой техника практически уничтожила некоторых сельскохозяйственных вредителей через Северную и Центральную Америку. Другой подход, разработанный британской компанией Oxitec, включает в себя вставку летального гена в геном москита, испытания в данной области уже начались в Малайзии, Бразилии и Панаме. Однако эти стратегии по своей сути самоограничены; генетические изменения быстро устраняются естественным отбором, и единственный способ нанести ущерб популяциям комаров – неоднократно создавать и выпускать большие партии модифицированных насекомых.

Ричард Докинз, британский биолог и популяризатор науки, автор книги «Эгоистичный ген»

Генный дрейф CRISPR, напротив, является самоподдерживающимся, потому как очевидно, что путь наследования перехитрил естественный отбор, а модифицированные насекомые размножаются и передают свои дефектные признаки потомству. Именно эта точность и делает генный дрейф такой мощной и одновременно тревожной находкой. Только по предварительным оценкам известно, что если бы плодовой мушке удалось выбраться за стены лаборатории после проведения над ней эксперимента с геном, отвечающим за цвет её тела, в таком случае она бы распространила гены, кодирующие CRISPR, которые изменяют цвет этих насекомых от 20 до 50 процентов всех плодовых мушек в мире.

Ученые, занимающиеся генными исследованиями CRISPR, говорили о необходимости тщательно взвешивать все риски, прежде чем проводить дальнейшие эксперименты, а также обсуждали важность разработки руководящих принципов, которые обеспечат безопасность будущих исследований. Возможно, наиболее очевидной гарантией предотвращения случайного высвобождения генного дрейфа в мир является соблюдение строгих мер предосторожности, например установка надёжных физических барьеров, отделяющих живые организмы от окружающей среды во время проведения экспериментов, а также создание экологических барьеров между местом обитания животного и географическим местоположением лаборатории.

Этан Биер представил свои исследования: показал фотографии локализации экспериментов и объяснил, какие методы применяются для предотвращения случайного выброса тестируемых насекомых в окружающую среду. Но на случай, если эксперимент пойдёт не по плану, учёные предложили множество стратегий, которые теоретически могут инактивировать гены, выходящие из-под контроля. Одним из них является ген, который по существу функционирует как противоядие, перезаписывая любые изменения в геноме.

Даже при самом осторожном экспериментальном подходе и планировании мы не можем предсказать все возможные последующие воздействия на окружающую среду, которые может иметь генный дрейф, равно так же мы не можем полностью исключить возможность выхода генного дрейфа из-под контроля и нарушения хрупкого баланса экосистемы.

Также нет способа гарантировать, что этот невероятно мощный инструмент не попадет в руки людей, которые не испытывают сожаления по поводу использования генных изменений для причинения вреда и которые действительно могут воспользоваться новейшей технологией именно для этой цели. ETC Group, организация, наблюдающая за биотехнологиями, опасается, что генный дрейф – то, что они называют «генной бомбой», – может быть даже милитаризован и использован для нацеливания на человеческий микробиом или основные источники пищи. Но каким бы пугающим ни был генный дрейф, нельзя удерживать его лишь за стенами лаборатории.

Среди предложенных применений генного дрейфа – устранение генетических причин устойчивости к гербицидам и пестицидам, которые развились среди организмов, угрожающих сельскому хозяйству; продвижение биоразнообразия; искоренение инфекционных заболеваний. Но на данный момент работа пока что заключается в том, чтобы использовать генный дрейф для борьбы с москитами.

Москиты вызывают множество человеческих страданий. От болезней, передаваемых комарами, – малярия, вирус денге, вирус Западного Нила, вирус желтой лихорадки, вирус чикунгунья, вирус Зика и многие другие, ежегодно умирает более миллиона человек. Генные накопители на основе CRISPR могут быть лучшим оружием, которое мы имеем против этой распространяющейся угрозы, независимо от того, используем ли мы его для предотвращения распространения комарами определенных патогенов или же для полного уничтожения насекомых. Помимо этого генетические стратегии могут быть более безопасными, чем токсичные пестициды, а также они довольно привлекательны для решения биологических проблем в биологии.

Ставки достаточно высоки, чтобы решать эти актуальные научные проблемы. Лишь благодаря согласованному обучению и самопознанию мы сможем ответить на многие важные вопросы и извлечь пользу из генетически отредактированной флоры и фауны, избегая при этом самых больших подводных камней. Работа, проводящаяся над растениями и животными, может носить роль некоего пробного тестирования для конечной цели редактирования генов – мечты о том, что когда-нибудь работа учёных поможет переписать ДНК у людей для лечения болезней.

Исцелить больных

Дженнифер Дудна готовилась выступить с презентацией вместе с вице-президентом США Джо Байденом на Всемирном экономическом форуме в Давосе, который должен был состояться в январе 2016 года.

Приглашение Дудне выступить было знаком большого доверия к потенциалу CRISPR как к медицинскому инструменту. Но приглашение вице-президента Байдена было, пожалуй, самым убедительным подтверждением значения этой технологии для сферы общественного здравоохранения. Причиной приглашения было не менее важное значение для исследования CRISPR: Байден провел пресс-конференцию, на которой вместе с учеными и клиницистами представил инициативу президента Обамы по координации усилий для лечения рака. По аналогии с американской космонавтикой 1960-х годов, которая решила – и в короткие сроки отправила людей на Луну, эта авантюра с поиском пути лечения рака была направлена на то, чтобы сплотить лучшие и самые яркие умы страны с целью найти лекарства от рака каким только можно было путём. Тот факт, что сын Байдена недавно скончался после многолетней борьбы с раком головного мозга, сделал собрание более убедительным и наглядно продемонстрировал человеческую трагедию, которую рак вызывает у многих семей, не щадя никого.

Учёным всё ещё предстоит найти эффективные методы борьбы с раком, не говоря уже о средствах исцеления от него. И снова учёные вспомнили о том, как CRISPR может ускорить этот процесс.

Среди политиков и ученых, а также среди широкой общественности растет понимание важной роли, которую может играть редактирование генов в разработке новых методов лечения и даже лекарств от болезней. В дополнение к федеральной поддержке такой терапии, в форме грантов академическим исследователям, в нее вовлечен и частный сектор.

Нам не нужно ждать, чтобы увидеть силу CRISPR в профилактике заболеваний. Доказательства перед нами.

Эксперименты на моделях животных уже демонстрируют невероятную способность CRISPR отслеживать и восстанавливать мутантные гены внутри живых существ. Менее чем через год после того как несколько лабораторий сообщили об успешном использовании полученных из бактерий молекул CRISPR в клетках человека для редактирования генов, группа китайских исследователей запрограммировала те же самые молекулы CRISPR для того, чтобы найти и зафиксировать однобуквенную мутацию среди 2,8 миллиарда букв ДНК генома мыши. Проделав это, они выполнили первое основанное на CRISPR лечение генетического заболевания в живом организме.

Многие учёные были взбудоражены этой новостью, хотя это не так удивительно, учитывая скорость внедрения технологии. Тем не менее достижения крайне важны: это первый из нового поколения уникальных и точных генетических методов лечения, и, казалось, он ознаменовал начало новой эры в медицине, – эры, в которой, по меньшей мере некоторые из более чем семи тысяч генетических заболеваний человека, вызванных определенной мутацией одного гена, могут быть излечены благодаря универсальному молекулярному инструменту.

Потенциальная польза терапевтического редактирования генов выходит далеко за рамки простого возвращения мутировавших генов обратно в их здоровое состояние. Некоторые учёные используют CRISPR в клетках человека для блокирования вирусных инфекций. Фактически, первые клинические испытания, в которых используется редактирование генов, направлены на излечение от ВИЧ/СПИД путем редактирования собственных иммунных клеток пациента так, чтобы вирус не мог проникнуть в них. И другая блестящая попытка впервые спасла человеческую жизнь: это произошло путем редактирования генов в сочетании с новым прорывом в медицине – иммунотерапией рака, при которой собственная иммунная система организма обучается выслеживать и убивать раковые клетки.

Технология CRISPR имеет большое будущее и действительно будоражит умы. Тот факт, что редактирование генов могло бы полностью изменить течение болезни – навсегда – путем нацеливания на ее основную генетическую причину, является захватывающим. Что уж говорить о том, что CRISPR может быть и вовсе переоснащена для нацеливания на новые последовательности ДНК, а следовательно, на лечение новых заболеваний. Учитывая огромный потенциал CRISPR, неудивительно, что к учёным обращаются признанные фармацевтические компании с просьбой разъяснить, как работает технология CRISPR и как ее можно использовать в поисках новых терапевтических методов.

Но редактирование генов с терапевтическими целями всё ещё находится в зачаточном состоянии – клинические испытания только начались, и все ещё есть серьёзные вопросы о том, как процесс будет развиваться. Долгие десятилетия борьбы за возможность использовать генную терапию должны служить напоминанием о том, что достижения в медицине почти всегда более сложны, чем могут показаться. Для CRISPR дорога, ведущая из лаборатории в клинику, будет длинной и ухабистой.

Принятие решения о том, какие типы клеток должны стать мишенями, является одной из многих дилемм, с которыми сталкиваются исследователи – должны ли они редактировать соматические клетки (от греческого σώμα – «тело») или же зародышевые? Различие между этими двумя классами клеток пронизывает сердце одной из самых горячих и жизненно важных дискуссий в мире медицины сегодня.

Зародышевые клетки – это любые клетки, геном которых может быть унаследован последующими поколениями, и, таким образом, они составляют зародышевую линию организма – поток генетического материала, который передается из поколения в поколение. В то время как яйцеклетки и сперматозоиды являются наиболее очевидными зародышевыми клетками у людей, зародышевая линия также охватывает предшественников этих зрелых половых клеток, а также стволовые клетки на самых ранних стадиях развития человеческого эмбриона. Стволовые – это незрелые клетки, способные самообновляться. Соматические – это клетки, составляющие тело многоклеточных организмов и не принимающие участия в половом размножении. Таким образом, это сердце, мышцы, мозг, кожа, печень – любые клетки, ДНК которых не может быть передана потомству.

Учёные-генетики, работающие с мышиными моделями и животноводы достигли рубежа, на котором они могут изменить зародышевые клетки, используя CRISPR. Всё потому, что редактирование зародышевой линии – самый простой способ продемонстрировать целительную силу технологии. Как правило, к тому времени, когда мышь с генетической мутацией, вызывающей заболевание, достигает зрелого возраста, уже слишком поздно, чтобы исправить ошибку, которая произошла в оплодотворенной яйцеклетке и была скопирована в миллиарды клеток-потомков, что делает практически невозможным искоренить все следы болезни.

Представьте, что вы пытаетесь исправить ошибку в новостной статье после того, как тираж газеты напечатан, в отличие от того, когда статья – просто текстовый файл на компьютере редактора. Сосредоточившись на зародышевой линии, учёные могут отправить CRISPR в эмбрион на самой ранней стадии развития и запустить обратную мутацию в одной клетке. Поскольку эмбрион развивается во взрослый организм, восстановленная ДНК точно копируется в каждую дочернюю, т. е. новообразованную клетку, включая половые клетки, которые в конечном итоге передают геном последующим поколениям.

Но в то время как редактирование зародышевой линии было полезным в качестве инструмента исследования на лабораторных мышах, его использование на людях создает значительные проблемы из соображений безопасности и этики. Стоит ли нам действительно манипулировать геномом нерождённых и менять генофонд homo sapiens, который нельзя будет перезапустить так, чтобы он развивался в обратную сторону? Готовы ли мы, как вид, взять на себя ответственность за нашу собственную эволюцию и целенаправленно редактировать наши геномы, а не оставлять то, какими мы родимся, воле случая? Это огромные, острые проблемы.

С этической точки зрения редактирование соматических клеток для лечения генетических заболеваний гораздо проще и кажется более приемлемым, чем редактирование зародышевых, поскольку внесённые изменения не могут быть переданы потомкам пациента. Однако на практике всё гораздо сложнее. Обратить вспять вызывающую болезнь мутацию в одной человеческой зародышевой клетке гораздо проще, чем пытаться сделать то же самое в некоторых из пятидесяти триллионов соматических клеток, составляющих человеческое тело. Но чтобы заниматься этим учёные должны решить множество новых проблем, связанных с людьми, которые уже страдают от заболеваний. В случаях с уже болеющими людьми редактирование зародышевых клеток не поможет, соматическое редактирование – единственный способ.

Возможно, трудно представить, что редактирование генов может изменить ход заболевания у любого человека, а тем более у взрослого, который живет с ним всю жизнь. К этому моменту корни болезни уходят глубоко, и изменение ДНК пациента может не справиться с уничтожением накопившихся последствий неправильного генетического кода.

Конечно, есть пределы тому, что мы сможем сделать с CRISPR в этом отношении. Некоторые заболевания не имеют четких генетических причин, а в некоторых болезнях, таких как шизофрения и ожирение, генетика играет сложную роль, в которой задействовано много генов, но каждый из них даёт лишь небольшой эффект. Учитывая, как трудно будет использовать CRISPR для безопасного и эффективного редактирования только одного гена в организме человека, мы вряд ли начнем модифицировать сразу несколько генов в ближайшее время.

CRISPR дает большие надежды на лечение моногенных генетических заболеваний, вызванных одним мутировавшим геном. На базовом уровне эти заболевания возникают, когда ген продуцирует либо дефектный белок, либо белок отсутствует вовсе. Если редактирование генов успешно восстанавливает нормальное производство здорового белка до того как мутация нанесёт необратимые повреждения, оно должно служить единовременным вмешательством, терапевтические эффекты которого сохраняются на протяжении всей жизни пациента. Это отличается от существующих методов лечения генетических заболеваний, которые часто основаны на временных решениях, включающих трансплантацию или постоянный приём лекарств.

Важно отметить, что не нужно редактировать все клетки в теле пациента, чтобы излечить генетическое заболевание. Даже при том, что все клетки обладают вызывающей болезнь мутацией ДНК, симптомы часто проявляются только в тех тканях, где нормальное функционирование мутировавшего гена имеет наибольшее значение. К примеру, иммунодефициты в целом поражают главным образом лейкоциты; болезнь Гентингтона повреждает прежде всего нейроны в мозге… Поскольку последствия генетических заболеваний, как правило, локализуются таким образом, методы лечения должны будут воздействовать на клетки в самых пораженных частях организма.

Это не значит, что туда будет легко внедрить CRISPR, а тем более – внутрь самих клеток. Проблема внедрения является одной из самых серьезых, с которыми сталкиваются технологии соматического редактирования генов.

Доступные стратегии внедрения CRISPR в клетки можно разбить на две основные категории: редактирование генов in vivo, то есть «внутри живого организма» или «внутри клетки», и редактирование генов ex vivo – «вне организма», то есть проведение экспериментов в живой ткани, перенесённой из организма в искусственную внешнюю среду. При первом подходе CRISPR отправляется непосредственно в тело пациента для того, чтобы действовать на месте; в последнем случае клетки пациента редактируются вне тела, а затем помещаются обратно в организм пациента, терапия ex vivo является гораздо более простым подходом, и, поскольку учёные уже освоили редактирование клеток в лаборатории, мы на один шаг ближе к этому режиму терапии, чем действовать in vivo. Другое преимущество редактирования генов ex vivo заключается в том, что отредактированные клетки могут быть подвергнуты тщательному контролю качества перед тем как встретятся с телом пациента.

Поскольку редактирование генов ex vivo требует удалить больные клетки из организма, оно подходит для лечения заболеваний, связанных с кровью. Используя сочетание методов редактирования генов, донорства и переливания крови, врачи могут извлекать пораженные клетки крови из организма пациента, редактировать их с помощью CRISPR и возвращать в систему кровообращения.

Двумя многообещающими мишенями для лечения CRISPR ex vivo являются серповидноклеточная анемия и бета-талассемия. Среди наиболее распространенных генетических заболеваний оба эти заболевания являются результатом молекулярных дефектов гемоглобина, основного белкового компонента эритроцитов, который транспортирует кислород из легких в ткани организма. Источниками этих молекулярных дефектов являются мутации ДНК в бета-глобиновом гене, который кодирует одну из двух уникальных белковых цепей, составляющих молекулу гемоглобина.

Серповидноклеточная анемия и бета-талассемия могут быть вылечены трансплантацией костного мозга. Когда врачи пересаживают костный мозг от здорового человека больному, многочисленные стволовые клетки в костном мозге производят новые здоровые эритроциты на всю оставшуюся жизнь пациента. Однако проблема с трансплантацией такого рода стволовых клеток заключается в том, что доноров недостаточно, чтобы они иммунологически соответствовали реципиенту и были при этом готовы пройти инвазивную процедуру. Даже когда найден подходящий донор, и организм пациента принимает трансплантированные клетки, процедура все ещё рискованна; у многих пациентов развивается болезнь «трансплантат против хозяина», своего рода обратная иммунологическая реакция, которая может стать смертельной.

Редактирование генов может решить эту проблему позволяя пациентам служить как реципиентом, так и донором стволовых клеток. Если медики смогут выделить стволовые клетки из костного мозга пациента, восстановить мутантные гены бета-глобина в клетках с помощью CRISPR, а затем вернуть эти отредактированные клетки пациенту, им не придётся беспокоиться о наличии донора или риске иммунологического вмешательства из-за столкновения между телом пациента и пересаженными клетками. Многочисленные лаборатории уже убедительно продемонстрировали, что клетки пациентов могут быть точно «отремонтированы» в лаборатории и что эти отредактированные клетки производят значительное количество здорового гемоглобина; исследователи даже показали, что отредактированные клетки человека могут функционировать в организмах мышей с ослабленным иммунитетом. Многочисленные академические исследовательские группы, а также коммерческие компании сейчас работают над тем, чтобы сделать процедуру доступной для пациентов-людей.

Есть веские основания для оптимистичного взгляда на перспективу таких клинических испытаний с редактированием генов ex vivo, учитывая недавние разработки в соответствующей области генной терапии ex vivo. (Помните, что редактирование генов восстанавливает мутированные гены непосредственно в геноме, тогда как генная терапия встраивает новые, здоровые гены в геном.) Биотехнологическая компания Bluebird Bio разрабатывает методы для лечения бета-талассемии и серповидноклеточной анемии путём вставки новых генов бета-глобина в стволовые клетки крови, а компания GlaxoSmithKline аналогичным образом на основе генной терапии создала эффективный препарат, который излечивает тяжелый комбинированный иммунодефицит путем введения недостающего гена в геном. В обоих подходах общая стратегия вмешательства одинакова: извлеките клетки пациента, исправьте их в пробирке, а затем снова верните в тело пациента. Тем не менее редактирование генов, вероятно, будет более безопасным подходом, поскольку оно минимально затрагивает геном.

Первое в истории клиническое исследование, демонстрирующее редактирование генов ex vivo на людях, показало, насколько перспективной и мощной может быть эта процедура. По иронии судьбы целью испытаний была вовсе не генетическая болезнь, а вирус иммунодефицита человека. И хотя это клиническое испытание было разработано до того как появилась технология CRISPR, в ней использовалась технология цинковых пальцев, описанная ранее, ее успех предвещает перспективу использования редактирования генов для борьбы с этой пандемией, а также для лечения многих генетических заболеваний.

Вы можете верить или нет, но некоторые счастливчики естественным образом устойчивы к ВИЧ. У этих людей поломка в гене белка-рецептора CCR5, который ВИЧ использует для того, чтобы проникнуть в клетки организма: ВИЧ зацепляется за них на начальной стадии своего вторжения. У людей, устойчивых к заражению ВИЧ, выпадает из генетической цепочки 32 нуклеотида, это приводит к тому, что белок-рецептор становится короче настолько, что вирус не может атаковать его, поскольку молекулам ВИЧ не удаётся проникнуть в клетки.

У жителей Африки и Азии такая мутация гена практически не встречается, но она довольно распространена на Кавказе: от 10 до 20 процентов кавказцев обладают одной копией мутированного гена, а гомозиготные люди – т. е. те, в наследственном наборе которого пары хромосом несут одну и ту же форму данного гена и вовсе полностью устойчивы к ВИЧ. Примерно от 1 до 2 процентов кавказцев во всем мире (большинство из них в Северо-Восточной Европе) оказались счастливыми обладателями такого признака. Эти люди с отсутствием 32 букв в гене белка-рецептора CCR5 в остальном абсолютно здоровы, и кроме того, даже имеют пониженный риск развития некоторых воспалительных заболеваний; отсутствующий белок не вызывает никаких негативных последствий для этих людей. Единственный известный риск, существующий для людей с отсутствующим геном, – это возможное увеличение восприимчивости к переносимому комарами вирусу Западного Нила, который вызывает острую лихорадку с воспалением мозговых оболочек и высыпаниями на коже.

Неудивительно, что фармацевтическая промышленность выделила огромные ресурсы на разработку лекарств, которые нарушают взаимодействие между ВИЧ и геном CCR5, в надежде защитить тех, кому не повезло иметь подобную поломку в своих геномах. Но недавние исследования убедительно продемонстрировали, что мы можем добиться того же – то есть предотвратить попадание ВИЧ на CCR5 – путем редактирования самого гена CCR5. Несколько лабораторий уже осуществили такой эксперимент с помощью CRISPR, по крайней мере с клетками в чашке Петри. Но заслуга в первом успешном редактировании гена CCR5 на людях принадлежит технологии цинковых пальцев и калифорнийской компании Sangamo Therapeutics.

Работая с врачами в Университете Пенсильвании, исследователи из Sangamo Therapeutics провели клиническое испытание с использованием препарата для редактирования генов, который просто-напросто выбил ген CCR5. Ранняя стадия исследования была нацелена прежде всего на проверку безопасности препарата, который собирались использовать для редактирования гена CCR5 – исследователи хотели знать, будут ли отредактированные клетки, ДНК которых была модифицирована в лаборатории, приняты организмами пациентов без серьезных побочных эффектов. Как оказалось, исследование также показало, насколько эффективным может быть редактирование генов при реверсии заболевания.

У всех двенадцати ВИЧ-инфицированных пациентов, которые принимали участие в исследовании, проведённом компанией Sangamo, сначала изъяли из крови образцы лейкоцитов. Эти лейкоциты были очищены в лаборатории и отредактированы с помощью цинковых пальцев, мишенью которых стала 155 буква гена CCR5. Учёным удалось разрезать и инактивировать ген так, чтобы предотвратить образование функционального белка CCR5. Затем отредактированные клетки размножили в лаборатории. Наконец каждому пациенту повторно ввели их отредактированные клетки, а затем проводили мониторинг в течение примерно девяти месяцев.

Исследователи пришли к выводу, что инфузии ССR5-модифицированных иммунных клеток пациентам «безопасны в рамках данного исследования». Возможно, это не потрясающее открытие, но тем не менее обнадёживающий признак того, что редактирование генов может быть использовано в терапевтических целях для пациентов – по крайней мере, ex vivo, – путем культивирования и обработки клеток в лаборатории. И среди результатов исследования были ещё более многообещающие данные. Врачи обнаружили, что отредактированные клетки вызывали замедленный подъём уровня ВИЧ в организмах испытуемых медленнее, чем обычно, когда антиретровирусная терапия была временно прервана. Другими словами, имелись явные признаки того, что лечение, основанное на использовании технологии цинковых пальцев, успешно уменьшило агрессию инфекции, но не как обычное лекарство, а путём изменения лишь одной буквы в геномах пациентов.

CRISPR уже исследовалась для изучения нескольких возможных методов лечения, направленных на ликвидацию ВИЧ. Один из подходов заключается в программировании CRISPR для нацеливания на генетический материал из вируса ВИЧ, освобождения клеток пациентов от ВИЧ путем буквального удаления инфекционной ДНК из их геномов. Еще один метод лучше всего описать как «шокировать и уничтожить»: он использует деактивированную форму CRISPR для преднамеренного «пробуждения» неактивного вируса, чтобы его можно было атаковать с помощью существующих лекарств.

Стало ясно, что клинические возможности редактирования генов ex vivo огромны независимо от того, используются ли они для лечения генетических заболеваний или вирусных инфекций. Но, конечно же, не все болезни коренятся в крови. В случае заболеваний, поражающих ткани организма, врачи не могут полагаться на методы лечения, которые требуют удаления и восстановления пораженных клеток: процедуры для этого просто слишком инвазивны и слишком рискованны. Для лечения таких заболеваний необходимо вводить CRISPR прямо в ткани тела, где проявляет себя та или иная болезнь.

Прежде чем лечить пациентов с помощью методов редактирования генов in vivo, учёным необходимо решить многочисленные проблемы, которые не возникают при использовании метода ex vivo. Исследователи должны выяснить, как ввести CRISPR непосредственно в ткани тела, наиболее подверженные конкретному заболеванию. Кроме того, это должно быть достигнуто без провоцирования иммунного ответа в организме пациентов. Кроме того, CRISPR должен быть достаточно стабильным, чтобы выжить в теле, пока редактирование не завершено.

Чтобы решить эти проблемы, некоторые исследователи обращаются к одному из своих любимых средств внедрения: вирусам. Вирусы очень умело подкрадываются к генетическим материалам внутри клеток-хозяев (в конце концов, у них были миллионы лет эволюции, чтобы усовершенствовать свое ремесло). Они идеально подходят для заражения определенных типов тканей и органов, а некоторые вирусы стали уже относительно безопасными для использования. Благодаря десятилетиям генной инженерии специализированные вирусы были полностью адаптированы к тому чтобы по-прежнему быть способными внедрять ДНК в организм либо системно, либо в конкретные органы – но при этом ничем не могут заразить своего хозяина, кроме терапевтического полезного материала, которым их оснастили учёные.

Вектор – общий научный термин, обозначающий носитель генетической информации. Вектор, используемый в генетической инженерии для передачи генетического материала внутрь клетки, имел важное значение для исследователей, разрабатывающих in vivo методы редактирования генов: безвредный человеческий вирус, известный как аденоассоциированный вирус (AAV). Этот удивительный вирус, инфицирующий делящиеся и неделящиеся клетки человека, не вызывает у него заболевания и, соответственно, вызывает слабый иммунный ответ. Соответственно, аденоассоциированный вирус может встраивать свой геном в геном хозяина, не заражая его. Именно поэтому аденоассоциированный вирус стал крайне привлекательным кандидатом для создания вирусных векторов в генной терапии. Этот вирусный вектор может быть легко снабжен терапевтическими генами, которые кодируют белок Cas9 и направляющую РНК, он очень эффективен при доставке своего генетического материала в клетки. Более того, вирус можно сконструировать так, что не будет постоянно включать свою ДНК в геном человека, как это делают другие вирусы. Это свойство помогает избежать ошибочной вставки ДНК в чувствительные части генома.

Еще одним обнадеживающим аспектом аденоаассоциированного вируса является его естественное разнообразие. Выделив различные штаммы вируса, а затем скомбинировав их no-разному исследователи собрали семейство векторов AAV, которые могут воздействовать на клетки во многих различных типах тканей. Один штамм AAV может лучше всего подходить для внедрения CRISPR в клетки печени, в то время как другой может лучше всего работать в центральной нервной системе, легких, глазах или сердечной и скелетной мышцах.

Именно в мышцах мы видели одну из самых ранних и поразительных демонстраций того, что CRISPR может уменьшить разрушительные последствия генетических заболеваний in vivo. Метод был продемонстрирован на мышиной модели, но есть все основания полагать, что он будет эффективен и у людей – не в последнюю очередь потому, что генетическое заболевание, которое было использовано для лечения, распространено у людей.

Смертельная истощающая мышцы болезнь, известная как мышечная дистрофия Дюшенна – самый распространенный тип миодистрофии в мире, наследуемый примерно 1 из каждых 3600 младенцев мужского пола. У пациентов с мышечной дистрофией Дюшенна не проявляются никакие симптомы с рождения, но со временем, начиная с 4-летнего возраста, заболевание появляется и прогрессирует с разрушительной скоростью. Пациенты страдают от серьезной дегенерации мышц и к 10 годам обычно прикованы к инвалидной коляске, потому что неуклонно теряют двигательные навыки. Большинство из них погибает к 25 годам – от осложнений дыхания и ухудшения работы самой важной мышцы – сердца. На сегодняшний не существует какого-либо специфического лечения данного заболевания. Всё сводится к поддерживающим мерам и приёму достаточно агрессивных стероидных противовоспалительных препаратов, иногда к хирургическому лечению.

Мышечная дистрофия Дюшенна может возникнуть из-за одной мутации в гене DMD – самый большой из известных генов человека, который кодирует белок под названием дистрофин. Этот белок помогает мышечным клеткам сокращаться, и мутация в гене дистрофина, крупнейшего человеческого гена, известного науке, приводит к серьёзному отсутствию дистрофина, в результате чего развивается мышечная дистрофия. Мужчин болезнь поражает непропорционально. Поскольку ген DMD обнаружен в Х-хромосоме, а мужчины обладают только одной Х-хромосомой (в паре с унаследованной по отцовской линии Y-хромосомой), единственная мутированная копия DMD оставляет их полностью лишенными здорового дистрофина. У женщин, однако, есть две Х-хромосомы и, следовательно, две копии гена DMD; пока одна из двух копий здорова, она может предотвратить ужасные симптомы болезни. Несмотря на то что эти организмы женщин лучше защищены, они остаются носителями этого заболевания и будут передавать мутировавший ген DMD примерно половине своего потомства мужского пола.

Сможет ли CRISPR обратить вспять последствия мутировавшего гена DMD? Ответа на этот вопрос пока нет, и нам понадобятся годы клинических испытаний для того, чтобы его найти. Но недавние исследования на мышах дают учёным основания надеяться, что терапия in vivo сможет со временем уверенно ответить на поставленный вопрос. К концу 2015 года не менее четырех независимых лабораторий внедрили CRISPR взрослым мышам, страдающим мышечной дистрофией, и доказали, что разрушительное действие болезни можно обратить вспять. С помощью наделения генетическими инструкциями CRISPR и использования аденоассоциировнного вируса исследователи «отремонтировали» клетки скелетных и сердечных мышц либо вводя оснащённые генетическим материалом вирусы в мышцы мышей, либо внедряя эти вирусы в те же ткани через кровоток. Им удалось включить здоровые гены дистрофина, и у мышей, получавших такую генную терапию, даже было отмечено значительное увеличение мышечной силы после получения терапии.

Эти данные были представлены молекулярным биологом, профессором Эриком Олсоном. Многие учёные воодушевились прогрессом, которого удалось достичь используя терапию CRISPR in vivo. И эта работа вселяет надежду, что когда-нибудь можно будет лечить и другие генетические заболевания, помимо мышечной дистрофии Дюшенна. Например, используя версию CRISPR, запрограммированную для редактирования другого гена, и версию аденоассоциированного вируса, подходящую для нацеливания на печень, команда из Массачусетса использовала редактирование гена, чтобы вылечить у мышей генетическую мутацию, которая вызывает состояние, известное как тирозинемия. У людей это заболевание может вызвать накопление токсичных метаболитов и обширное повреждение печени; если болезнь не лечить, пациенты обычно умирают в возрасте до десяти лет. Однако на мышиной модели CRISPR восстановил поврежденный ген и полностью изменил течение заболевания.

При помощи аденоассоциированного вируса экспериментаторы внедрили CRISPR в мозг, легкие и сетчатку глаз взрослых мышей, нашли пути терапевтической коррекции таких заболеваний, как хорея Гентинтона, муковисцидоз и врожденная слепота. Действительно, первое лекарственное средство для использования в генной терапии, одобренное для коммерческого использования в западном мире, использует вектор AAV, и вполне возможно, что первое лекарственное средство для редактирования генов на основе CRISPR, основанное на доставке in vivo, будет делать то же самое.

Тем не менее AAV является лишь одной из многих стратегий внедрения, которые были разработаны для транспортировки CRISPR в живые клетки. В одном только вирусном мире есть огромное количество доступных для использования переоснащённых вирусных троянских коней, каждый из которых обладает своим уникальным набором преимуществ и недостатков. Одним из примеров является аденовирус, который вызывает простуду. После разборки аденовирусов и удаления их патогенных генов исследователи могут вставить большее количество терапевтической ДНК, чем может получиться в случае с векторами AAV.

Лентивирусы – род вирусов из семейства «ретро» с длинным инкубационным периодом, наиболее ярким примером которых является ВИЧ, также были обезврежены в лаборатории и превращены в эффективные средства внедрения нужной генетической информации. Их способности аналогичны AAV, но они могут к тому же постоянно расщеплять свой генетический материал в геном клеток, в которые вторгаются. Эта функция полезна для базовых исследований в лаборатории, а для терапии in vivo учёные могут отключать опцию расщепления.

Кроме того, существуют стратегии доставки генной информации in vivo, которые вообще не используют вирусы. Опираясь на достижения в области нанотехнологий, исследователи изучают возможность использования липидных наночастиц для внедрения CRISPR по всему организму. Устойчивые к разрушению и легкие в обращении, эти средства внедрения также обладают преимуществом высвобождения белка Cas9 и его направляющей РНК в организм пациента регулируемым образом. Вирусы (и их CRISPR-груз) могут сохраняться в клетках в течение длительного времени, что, как объясняют, может вызывать проблемы в процессе редактирования, но липидные наночастицы доставляют CRISPR так, что он действует быстрее, прежде чем его разрушают естественные заводы по переработке клеток.

Помимо того что CRISPR может найти путь к лечению некоторых генетических расстройств, существует ещё один способ революционизировать здоровье человека. Эта биотехнология также оказывает решающее влияние на изучение и лечение одной из самых страшных болезней, рака.

Рак вызывается мутациями ДНК, некоторые из которых передаются по наследству, а некоторые приобретаются в течение жизни. Поэтому может показаться очевидным, что редактирование генов может помочь лечить рак или даже предотвратить его, устраняя эти мутации до того, как у них появится шанс нанести необратимый вред. Но онкология – не та область, где CRISPR вносит самый большой вклад, – по крайней мере пока. Вместо того чтобы стать инструментом лечения рака, CRISPR расширяет наше понимание биологии рака, пытаясь улучшить подход к лечению, участвует в усовершенствовании терапии, которая использует собственную иммунную систему организма для борьбы с раком. В этом направлении CRISPR доказывает свою ценность в качестве другого оружия – одного из самых мощных в нашем растущем арсенале в вековой войне против этой грозной болезни.

Пожалуй, решения в области онкологии и новые способы исцеления от этого заболевания – вот чего ждут от CRISPR в медицине, как не что другое. Скорее всего, вы знаете кого-то, чья жизнь была затронута или оборвана этой болезнью. Пережить или наблюдать это заболевание – трагический опыт, вот почему многие учёные выдвинули на первый план проблему борьбы с таким сложным заболеванием. Хотя достижения в ранней диагностике и лечении рака значительно повысили показатели выживаемости за последние десятилетия, смертность по-прежнему является очень высокой.

Как мы знаем, мутации ДНК, связанные с раком, иногда передаются по наследству. Они также могут возникать спонтанно или вызываться употреблением канцерогенов. За последние десять лет был сделан значительный скачок к использованию секвенирования ДНК для классификации многих мутаций, которые отличают раковые клетки от здоровых. Если эти мутации идентифицировать, то лекарства могут быть разработаны таким образом, чтобы бороться с любыми ненормальными генами, вызывающими пролиферацию, т. е. разрастание злокачественных клеток.

Но есть проблема: у нас в распоряжении слишком много информации. Критические мутации, вызывающие рак, теряются в огромном море прочих мутаций, которые непосредственно не влияют на патологию заболевания. Фактически, одним из отличительных признаков рака является повышенная скорость, с которой мутации ДНК проникают в геном, что затрудняет идентификацию изменений, которые на самом деле играют наибольшую роль в возникновении опухолей.

До появления технологии CRISPR арсенал инструментов для изучения канцерогенных мутаций был довольно ограниченным: учёные могли обнаруживать и диагностировать мутации по результатам биопсии, взятой у пациента, а также изучать небольшое количество отдельных мутаций на мышиных моделях. Но теперь, когда у исследователей есть способ точно воспроизвести вызывающие рак мутации – по одной или по нескольку за раз – затрачивая на это гораздо меньше времени, чем требовалось ранее, и вкладывая гораздо меньше средств, исследование мутаций – причин заболеваемости раком – вышло на новый уровень. Вместо кропотливого выбора мутированных клеток (испытание с эффективностью один на миллион) или селекции нужных мышиных моделей на протяжении многих поколений, требующих не одного года, учёные могут использовать CRISPR для эффективного введения мутаций за один подход. Эта возможность позволяет учёным лучше понять точные генетические факторы, которые заставляют клетки перестать реагировать на сигналы, которые обычно регулируют их рост.

Способность нацеливаться на множество генов одновременно является одним из величайших атрибутов CRISPR. В отличие от технологий редактирования генов, которые предшествовали CRISPR, процесс создания CRISPR для поиска новой последовательности из двадцати букв в геноме достаточно прост для освоения старшеклассником. В настоящее время учёные объединяют информатику и редактирование генов, чтобы более эффективно исследовать глубины генома, охотясь за новыми генами, связанными с раком, не обладая информацией о них до начала поиска.

Технические детали сложны, но по сути этот окончательный подход к мультиплексированию позволяет исследователям редактировать и отключать каждый отдельный ген в геноме в ходе одного эксперимента. Дэвид Сабатини, профессор Массачусетского технологического института, открыл этот способ. Но вместо того, чтобы интересоваться, какие генные мутации вызвали рак, команда Сабатини хотела обнаружить генные мутации, которые останавливали развитие рака. Другими словами, учёные задались вопросом, существуют ли гены, от которых напрямую зависят раковые клетки и без которых они не могут жить. В ходе эксперимента команда Сабатини рассмотрела вопрос для четырех различных линий рака, связанных с кровью, и обнаружила целый ряд новых генов, которые, как обнаружилось, были необходимы для развития раковых клеток. Выявив новые генетические предрасположенности к лейкозам и лимфомам, эти эксперименты выявили многообещающие новые мишени для атаки химиотерапевтическими препаратами.

Последующие эксперименты, проведённые в других лабораториях, выявили слабые места других видов рака, среди которых колоректальный рак, рак шейки матки, меланома, рак яичников и глиобластома (особенно агрессивный рак мозга). Исследователи даже смогли выявить новые генетические факторы, которые дают раковым клеткам способность циркулировать в кровотоке и проникать в другие ткани – процесс, известный как метастазирование.

По мере того как медицина становится все более персонализированной, исследователи сталкиваются с огромным количеством информации, которая помогает отличить рак, поразивший одного человека, от того же заболевания у другого, и это даёт учёным подсказки о том, как адаптировать лечение в соответствии с конкретной биологией каждого конкретного заболевания. Инструменты редактирования генов помогают разобраться в этой информации, выявив, какие мутации наиболее предсказуемы для рака, а какие могут сделать рак более или менее чувствительным к различным лекарствам.

Редактирование генов внесет важный вклад в войну с раком. Многообещающая роль генного редактирования заключается в том, чтобы поддерживать систему лечения, которой в последние годы уделялось много внимания? – иммунотерапию. Иммунотерапия является обособленно стоящим методом лечения онкологических заболеваний по сравнению с тремя основными типами лечения – хирургического, облучения и химиотерапии, которые исторически использовали врачи. В отличие от этих старых подходов иммунотерапия рака направлена на использование собственной иммунной системы пациента для отслеживания и уничтожения опасных клеток. Иммунотерапия направлена не на рак, а на собственное тело пациента, заставляя его самостоятельно бороться с болезнью. Основная идея иммунотерапии рака заключается в том, чтобы настроить иммунную систему человека, в частности, Т-клетки – её основных пехотинцев. Настроив эти клетки для распознавания молекулярных маркеров рака, учёные могут помочь Т-клеткам создать иммунный ответ для уничтожения раковых клеток. Иммунотерапия направляет иммунную систему атаковать раковые клетки, за счет чего происходит уничтожение конкретного вида опухолевых клеток. Задача состоит в том, чтобы понять, как раскрыть весь потенциал Т-клеток.

Одна многообещающая разработка включает ингибиторы контрольных точек имунного ответа – препараты, при помощи которых врачи активизируют иммунную систему так, чтобы она начала направлять свои клетки на борьбу с опухолями. Молекулы, называемые контрольными точками иммунного ответа, нужны опухолям, чтобы защитить себя от иммунной системы человека. Именно на них и направлено действие игибиторов.

Другая привлекательная новая стратегия лечения злокачественных заболеваний включает в себя производство генно-инженерных Т-лимфоцитов, которые предназначены для лечения конкретного вида ракового заболевания у определённого пациента. Этот процесс – ещё один пример терапии ex vivo – известен как адаптивный перенос Т-клеток. Для осуществления переноса медики из образца крови онкологического больного забирают Т-лимфоциты, затем модифицируют их в лабораторных условиях для повышения противоопухолевой активности. После этого их снова вводят обратно в кровь пациента, чтобы они находили и уничтожали раковые клетки.

Кажется вполне вероятным, что редактирование генов пойдет на шаг дальше и превратит противораковую иммунотерапию в более стандартное лечение, где одна партия инженерных Т-клеток, предназначенных для атакования определенного типа рака, сможет быть универсально предоставлена всем пациентам, страдающим от этой патологии. В настоящее время проводятся клинические испытания для проверки этого способа переноса клеток, и захватывающая история экспериментов последних пяти лет намекает на его удивительный потенциал.

Центральное место в этой истории занимает Лейла Ричардс, которая стала первым человеком, чья жизнь была спасена путем редактирования терапевтических генов. Годовалая девочка страдала острым лимфобластным лейкозом, наиболее распространенным типом рака у детей. Врачи признали, что у ребенка был один из самых агрессивных лейкозов, которые они когда-либо встречали. Хотя у 98 процентов детей после начала лечения наступает ремиссия, состояние Лейлы не улучшилось, несмотря ни на химиотерапию, ни на трансплантацию костного мозга и фармацевтический препарат на основе антител. Пересадить собственные генноинженерные Т-лимфоциты Лейлы обратно в её же тело тоже не было возможным; её иммунная система была настолько ослаблена лейкемией – заболеванием, которое, в конце концов, поражает те же самые лейкоциты, которые необходимы для здоровой иммунной системы, – что у неё больше не осталось достаточного количества Т-лимфоцитов для извлечения. Ситуация с Лейлой выглядела мрачно. Но в последний момент появился новый вариант. В той же самой больнице, в которой лежала Лейла, находилось учреждение, которое редактировало Т-клетки с использованием TALEN, одной из технологий-предшественников CRISPR. Клетки готовились французской биотехнологической компанией Cellectis для использования в клинических испытаниях. Получив согласие от родителей девочки и Cellectis, врачи Лейлы впервые испытали эти непроверенные клетки на человеческом пациенте, что допускается при так называемом сострадательном применении – практики использования нерыночных лекарственных средств. Чтобы клетки не восприняли все клетки в организме реципиента как чужеродные и не напали на них, потребовалось генное редактирование с помощью «молекулярных ножниц» – белков TALEN. Т-клетки были отредактированы: учёные вырезали два гена: отвечающий за рецептор, распознающий клетки реципиента как чужие, и еще один ген, отсутствие которого сделало донорские Т-клетки невидимыми для антител, которые Лейла принимала в качестве препарата, подавляющего её собственную иммунную систему.

В последующие недели после переноса клеток произошла чудесная трансформация: лейкоз годовалой девочки начал отвечать на отредактированные Т-клетки. Когда её здоровье достаточно улучшилось, Лейле сделали ещё одну пересадку костного мозга, и через несколько месяцев рак был в полной ремиссии. То, что начиналось как крупная авантюра – попытка лечения, которое до этого момента тестировалось только на мышах, – привело к ошеломительному успеху и значительному одобрению использования редактирования генов для дальнейшей иммунотерапии.

Предыдущие генно-инженерные технологии, включая генную терапию и РНК-интерференцию, также превозносились как основные достижения, которые полностью изменят медицину, однако сотни клинических испытаний остудили этот энтузиазм. Это не значит, что такая же судьба ждёт и редактирование генов, просто важно заменить волнение на реалистичные ожидания и оценки, методические исследования и тщательные клинические испытания. Только тогда мы сможем гарантировать, что первая волна терапии на основе CRISPR будет иметь наилучшие шансы на успех и наименьший риск опасных побочных эффектов.

Работа в области терапии, основанной на редактировании генов, набирает обороты в бешеном темпе как в академической, так и в коммерческой сферах. Новые исследования проводятся в среднем пять раз в день, а инвесторы вложили более миллиарда долларов в различные стартап-компании, которые ищут биотехнологические инструменты на основе CRISPR.

Важный вопрос состоит в том, будем ли мы когда-либо обладать интеллектуальными и моральными способностями руководить нашей собственной генетической судьбой – этот вопрос остаётся открытым, поскольку учёные начали понимать, на что способна технология CRISPR. Лечение заболеваний и процедуры редактирования зародышевой линии – два абсолютно разных по последствиям процесса, и мы должны серьезно задуматься, прежде чем пересекать разделительную черту между ними.

Ребёнок на заказ