Будущее с CRISPR: 5 примеров того, как редактирование генома преобразит наш мир
Последние несколько лет CRISPR так и мелькает в заголовках. Эксперты предсказывают, что эта технология редактирования генома изменит нашу планету, преобразует общества, в которых мы живем, и организмы, которые живут рядом с нами. По сравнению с другими инструментами генной инженерии, технология CRISPR (так же известный под более техническим названием CRISPR-Cas9) точна, низкозатратна, проста в использовании и удивительно функциональна.
Ее открыли в начале 1990-х, и впервые использовали в экспериментах 7 лет спустя. Очень быстро CRISPR стала самым популярным инструментом редактирования генома среди исследователей в самых разных областях науки: от человеческой биологии и микробиологии до сельского хозяйства.
Ученые только начали разрабатывать способы использования CRISPR для преобразования нашего мира к лучшему. Конечно, возможность изменять ДНК — исходный код самой жизни — поднимает множество этических вопросов и сомнений. Не забывая о них, давайте рассмотрим несколько самых интересных применений этой революционной технологии, а также препятствия, которые могут замедлить или даже остановить развитие новых инструментов до того, как мы достигнем их максимальных возможностей.
1. CRISPR может исправить генетические ошибки, которые вызывают болезни
Гипертрофическая кардиомиопатия (ГКМП или HCM от англ. hypertrophic cardiomyopathy) — это сердечная патология, то есть попросту болезнь сердца, которая затрагивает примерно 1 человека из 500 в мире. Ее симптомы болезненны и зачастую смертельны. Мутации в нескольких доминантных генах вызывают окоченение тканей сердца, что приводит к болям в груди, слабости и в серьезных случаях к внезапной остановке сердца. Благодаря последним достижениям медицины, средняя продолжительность жизни человека с ГКМП близка к средней продолжительности жизни населения, но это патология, которая может привести к опасным для жизни ситуациям, если ее не лечить.
Но когда-нибудь мы сможем воспользоваться генной инженерией и излечить эту болезнь раз и навсегда.
Летом 2017-го года ученые из Орегонского университета науки и здоровья использовали CRISPR, чтобы удалить один из дефективных генов в нескольких жизнеспособных человеческих эмбрионах. Результаты обнадежили: из 54 эмбрионов, которых через 18 часов после оплодотворения изменили инструментарием CRISPR-Cas9, у 36 не проявились мутации в генах (то есть шанс развития болезни приблизился к нулю), а 13 частично освободились от мутаций (50% шанс унаследовать ГКМП).
Побочные генетические мутации и мозаики (только некоторые клетки воспринимают изменения, что означает, что часть людей унаследуют болезнь) проявились лишь в 13 из 54 эмбрионов.
Чтобы еще больше снизить вероятность того, что только часть клеток воспримут изменения, исследователи провели еще один эксперимент, в котором они корректиривали тот же ген в эмбрионах, но в момент оплодотворения. Они обнаружили, что лишь один остался мозаикой — удивительный результат, который делает это исследование значительно более удачным, по сравнению со схожими исследованиями (в клиническом испытании в Китае в 2015-м году не удалось избавиться от вероятности появления мозаик).
“Используя эту технологию, можно снизить тяготы этой наследуемой болезни в семье и в итоге во всем населении,” — отметил в пресс-релизеШухрат Миталипов, ведущий автор эксперимента и исследователь из Орегонского университета науки и здоровья. Если поймать мутацию на ранней стадии развития эмбриона, можно сократить или вообще избавить пациента от необходимости принимать лекарства позднее в жизни.
Не смотря на то, что многие ученые, специализирующиеся на эмбриональных клетках, сомневаются, что несколько дюжин мутаций действительно были исправлены, исследование помогло ученым по заслугам оценить способности CRISPR. К тому же один из со-авторов исследования ГКМП уже выразил свою заинтересованность в использованни той же техники на генных мутациях (BRCA1 and 2), которые повышают шанс развития рака груди.
С учетом всего вышесказанного, ученые понимают, что изменение генетического кода в человеческих эмбрионах может привести к неожиданным последствиям. Что, если CRISPR преобразует что-то не в том фрагменте и непреднамеренно модифицирует или вообще удалит здоровый ген? Как это скажется на пациенте?
В некоторых частях света, например, в Китае, ученые могут беспрепятсвенно проводить эксперименты над человеческими эмбрионами. Совсем другая ситуация в США, Канаде и Великобритании.
Управление по контролю за продуктами и лекарствами (FDA) в СШАна данный момент не рассматривает заявки на государственное финансирование исследований, включающих изменение наследуемых генов (эмбрионы в эксперименте в Орегоне не планировались для имплантации, а спонсирование было частным). В Канаде же редактирование генов, которые могут передаваться будущим поколениям, является уголовным преступлением, максимальный срок наказания за которое составляет 10 лет. В ВеликобританииУправление по оплодотворению и эмбриологии человека (Human Fertilization and Embryology Authority) в 2016-м году выдало группе ученых в Лондоне лицензию на изменение генов в человеческих эмбрионах. Ученые надеются, что этот прецедент откроет путь для будущих исследований.
2. CRISPR может уничтожить микробов, вызывающих болезни
Хотя препараты от ВИЧ превратили эту инфекцию из смертельного убийцы в нарушение здоровья, с которым можно жить, ученые все еще не нашли лекарство. Но все может измениться с CRISPR. В 2017-м году группа исследователей из Китая успешно повысили в мышах устойчивость к ВИЧ, реплицируя мутацию гена, которая не дает вирусу проникать в клетки. На данный момент ученые проводят эти эксперименты только на животных, но есть причины предполагать, что те же методы будут работать и на людях. Мутация, которая влечет за собой устойчивость к ВИЧ, есть у небольшого процента населения. Используя CRISPR для внесения этой мутации в человеческие стволовые клетки, исследователи смогут в будущем значительно повысить устойчивость людей к ВИЧ.
Другое медицинское испытание по изменению генов планируется на июль 2018-го года в Китае. В рамках исследования ученые собираются использовать CRISPR для изменения генов вируса папилломы человека (HPV) — вируса, который вызывает рост опухолей при раке шейки матки — и дальнейшего его уничтожения.
Немного другой подход использовали ученые из Северной Каролины, когда применили CRISPR для создания бактериофагов — типа вируса, который заражает бактерии и дублируется внутри них, — которые бы убивали вредоносные бактерии. С 1920-х годов фаги использовались в клинических испытаниях для лечения бактериальных инфекций. Но добывать их из природы оказалось сложным, недостаток знаний на тот момент означал непредсказуемые результаты, а растущий рынок антибиотиков вскоре привел к падению популярности фагов.
Даже сегодня некоторые исследователи опасаются, что наполнение организма большим количеством фагов может спровоцировать реакцию иммунитета, из-за которой бактерии, устойчивые к антибиотикам, станут устойчивыми и к фагам, в конечном счете истребив последних.
И все же, пока испытания на людях еще только планируются, исследователи оптимистично настроены по поводу использования CRISPR для создания фагов, так как они являются доказанным безопасным методом борьбы с бактериальными инфекциями. Кстати, в медицинском исследовании 2017-го года ученые сумели спасти жизни мышей, зараженных устойчивыми к антибиотикам инфекциями, используя как раз созданных с помощью CRISPR бактериофагов.
3. CRISPR может воскрешать вымершие виды
В феврале 2017-го года генетик из Гарварда по имени Джордж Черч сделал неожиданное заявление перед ежегодной встречей Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS). Он утверждал, что его команда всего в двух годах от создания эмбриона гибрида слона и мамонта.
Черч надеется, что возвращение покрытых шерстью мамонтов поможет сдержать глобальное потепление. “[Мамонты] не давали тундре растаять, пробивая снег и давая дорогу холодному воздуху,” объяснил Черч журналу New Scientist.
Черч и его команда планируют использовать CRISPR для объединения генетического материала Азиатского слона (вымирающий вид, но потенциально его можно спасти) и генетического материала шерстистого мамонта. Образцы последнего были собраны из ДНК, добытого из замерзших клочков шерсти, найденных в Сибири. Добавив геном мамонта в геном Азиатского слона, можно получить организм, обладающий характеристиками, свойственными шерстистому мамонту, такими как длинная шерсть, которая будет служить теплозащитой в холодном климате. Целью эксперимента является имплатация эмбриона гибрида в слона и полное вынашивание, сообщают New Scientist.
Работа перспективная, но многие эксперты полагают, что срок, заявленный Черчем, является чересчур оптимистичным. Даже если бы у исследователей был функционирующий эмбрион гибрида, выращивание его в искуственной утробе, как предлагает Черч, стало бы еще одной сложной задачей. Отдадим должное, в лаборатории Черча уже умеют успешно выращивать эмбрион мыши в искуственной утробе до половины периода созревания (примерно 10 дней). Но это не гарантирует, что через пару лет мы станем свидетелями рождения гибрида шерстистого мамонта.
4. CRISPR может создать новую, более здоровую пищу
Технология редактирования генома CRISPR уже доказала свою полезность в области сельско-хозяйственных исследований. Ученые из лаборатории Cold Spring Harbor в Нью-Йорке использовали инструмент для повышения урожайности помидоров. Лаборатория разработала метод редактирования генов, которые определяют размер томатов, архитектуру ветвления и как итог всю форму растения для большей урожайности.
“Каждую из этих характеристик теперь можно контролировать также, как вы контролируете яркость лампочки поворотом регулятора света,” говорит в пресс-релизе ведущий исследователь и профессор лаборатории Cold Spring Harbor Закари Липман. “Мы теперь можем работать с нативной ДНК и усиливать то, что дала нам природа, что, мы верим, поможет сломить пределы урожайности.”
Высоко-урожайные сельскохозяйственные культуры на благо голодного мира — это только начало. Ученые надеются, что CRISPR может также помочь сломить клеймо, поставленное на генно-модифицированные организмы (ГМО). В 2016-м году компания DuPont Pioneer, занимающаяся сельскохозяйственными технологиями, объявила о создании новой разновидности CRISPR-измененной кукурузы, которая, по причине того, как именно исследователи изменили ее гены, технически не является ГМО.
Различие между ГМО и генно-измененными сельскохозяйственными культурами довольно простое. Традиционные ГМО получаются введением чужой ДНК-последовательности в геном культуры, тем самым передавая черты и характеристики будущим организмам. Генные изменения же более точны: производятся конкретные изменения в генах в определенных фрагментах родного генома, зачастую убирая некоторые из генов или меняя их положение, все это без использования инородной ДНК.
Пока ГМО продолжает вызывать споры среди потребителей, такие компании как DuPont Pioneer надеются, что генно-измененная пища будет воспринята лучше. За те десятилетия, что ГМО присутствует на нашем рынке, ученые не заметили никаких угроз здоровью, хотя даже ярые защитники ГМО признают, что ученые понятия не имеют, какими могут быть долгосрочные риски. То же верно и для культур, отредактированных с помощью CRISPR. Конечно, ученые продолжат тестировать и проверять эти культуры, чтобы убедиться, что не проявятся никакие неожиданные побочные эффекты, но первые результаты работы выглядят многообещающе. Скорее всего, обработанные с помощью CRISPR культуры в итоге заполнят мировые рынки продуктов.
Компания DuPont Pioneer надеется вывести свою “вощеную” генно-измененную кукурузу на рынок США уже к 2020-му году. Генно-измененные грибы уже прошли проверку Департамента сельского хозяйства США, и в них не содержится инородных ДНК вирусов и бактерий. Тем самым они стали первым CRISPR-измененным организмом, которому дали зеленый свет. Швеция уже объявила, что они будут классифицировать и регулировать CRISPR-измененные культуры не так, как ГМО, а вот Европейская комиссия пока что не приняла решение по этому вопросу.
5. CRISPR сможет уничтожить самое опасное на планете насекомое
Такие технологии изменения генов как CRISPR способны направленно бороться с инфекционными заболеваниями, но некоторые исследователи решили замедлить распространение болезни уничтожением средства ее передачи. Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде вывели разновидность комара, который исключительно чувствителен к изменениям, произведенным с помощью CRISPR, что дало ученым беспрецедентный контроль над качествами, которые организм передает своему отпрыску. В результате получились желтые, трехглазые, бескрылые комары, созданные изменением генов, ответственных за глаза, крылья и развитие эпидермиса.
Воздействовуя на гены в нескольких фрагментах генома комара, команда тестирует систему “генного драйва”, которая распространяет эти сдерживающие характеристики. “Генный драйв” — метод, нацеленный на распространение целевого гена в популяции. Травмируя способность комара летать и видеть, команда из Риверсайда найдеется сильно уменьшить его возможность распространять инфекционные заболевания среди людей, такие как денге и желтая лихорадка.
Другие ученые хотят избавиться от популяции комаров, воздействуя на то, как они размножаются. В Имперском колледже Лондона в 2016-м году команда исследователей использовала CRISPR, чтобы воздействовать на систему размножения женских особей того вида комаров, которые переносят малярию, через метод генного драйва, повышавшего шанс наследования свойства женской стерильности.
Но вмешательство в популяцию комаров может привести к непредсказуемым результатам. Уничтожение целого вида, даже если он, казалось бы, не несет такой уж ценности для экологии, может разрушить очень хрупкий баланс экосистемы. Это может привести к разрушительным последствиям, среди которых разрыв цепей питания и повышение риска того, что такие болезни как малярия будут распространяться совсем другим видом живых существ.
CRISPR завтра
Текущие научные достижения показывают, что CRISPR это не только многофункциональная технология, но она к тому же точна и все более безопасна в использовании. Но впереди еще долгий путь: мы только начинаем осознавать потенциал таких инструментов для изменений генома, как CRISPR-Cas9.
Технологические и этические препятствия все еще стоят между нами и будущим, в котором мы кормим нашу планету спроектированной едой, мы избавились от наследственных заболеваний и даже вернули к жизни вымерших животных. Но мы уже в пути.
