Спустя полгода после свадьбы Джефф Кэрролл и его жена решили не заводить детей. Кэрролл, 25-летний бывший капрал армии США, только что узнал, что у него есть мутация, вызывающая хорею Гентингтона, генетическое заболевание, которое разрушает мозг и нервную систему и неизменно приводит к преждевременной смерти. Около четырех лет назад болезнь выявили у его матери, а теперь он узнал, что и он тоже почти наверняка заболеет.
Столкнувшись с 50% вероятностью передать ту же мрачную судьбу своим детям, пара решила, что о детях не может быть и речи. «Мы просто закрыли эту тему», — говорит Кэрролл.
Еще в армии он начал изучать биологию в надежде лучше разобраться в своем заболевании. Он узнал, что существует такая процедура как предимплантационная генетическая диагностика, или ПГД. Кэрролл с женой могли практически исключить возможность передачи мутации благодаря оплодотворению in vitro (ЭКО) и диагностике эмбрионов. Они решили попытать удачи, и в 2006 году у них родились близнецы без мутации Гентингтона.
Сейчас Кэрролл работает исследователем в Университете Западного Вашингтона в Беллингхеме, где применяет другую технику, которая может помочь парам в его положении: геномное редактирование CRISPR. Он уже использовал этот мощный инструмент для изменения экспрессии гена, ответственного за болезнь Гентингтона, в клетках мыши. Поскольку хорею Гентингтона вызывает лишь один ген, а ее последствия настолько разрушительны, именно это заболевание часто приводят в качестве примера ситуации, в которой редактирование генов в человеческом эмбрионе — процедура, которая может вызвать изменения, наследуемые будущими поколениями, и потому противоречивая — может быть действительно оправданным. Но перспектива использования CRISPR для изменения этого гена у человеческих эмбрионов все еще беспокоит Кэрролла. «Это огромный рубеж, — говорит он. — Я понимаю, что люди хотят его поскорее перейти — и я в том числе. Но в этом вопросе нужно отбросить все амбиции». Процедура может повлечь за собой непредвиденные последствия для здоровья людей и для всего общества. По его словам, потребуются десятилетия исследований, прежде чем эта технология станет безопасной.
Общественное мнение о редактировании генов для предотвращения заболеваний в основном положительное. Но сдержанность Кэрролла разделяют многие ученые. Когда в прошлом году прогремела новость о том, что китайский биофизик использовал редактирование генома в попытке сделать детей более устойчивыми к ВИЧ, многие ученые поспешили осудить этот шаг как преждевременный и безответственный.
С тех пор несколько исследователей и научных обществ призвали ввести мораторий на редактирование наследуемого генома людей. Но такой мораторий поднимает важный вопрос, говорит эмбриолог Тони Перри (Tony Perry) из Университета Бата, Великобритания. «Когда его можно будет снять?— рассуждает он. — Какие условия нужно для этого выполнить?»
Журнал «Нэйче» (Nature) спросил у исследователей и других заинтересованных сторон, что именно мешает считать наследственное редактирование генов приемлемым клиническим методом. Некоторые научные проблемы, вероятно, можно преодолеть, но все же, чтобы метод был сертифицирован, вероятно, придется внести изменения в практику клинических испытаний, а также найти более широкий консенсус в отношении этой технологии.
Мимо мишени: сколько «ошибок» можно допустить?
Редактирование генома сопряжено со множеством технических сложностей, но больше всего внимания привлекает вероятность нежелательных генетических изменений, говорит Мартин Пера (Martin Pera), исследователь стволовых клеток в лаборатории Джексона в Бар-Харборе, штат Мэн. И все же, добавляет он, именно эту проблему, скорее всего, решить легче всего.
Самый популярный способ редактирования генов — система CRISPR-Cas9. Сам механизм позаимствован у некоторых бактерий, которые используют его для защиты от вирусов, разрезая ДНК с помощью фермента Cas9. Ученый может использовать фрагмент РНК, чтобы направить Cas9 к определенному участку в геноме. Однако, как оказалось, Cas9 и подобные ему ферменты режут ДНК и в других местах, особенно когда в геноме есть последовательности ДНК, похожие на нужную мишень. Такие «побочные» разрезы могут привести к проблемам со здоровьем: например, изменение гена, подавляющего рост опухолей, может привести к раку.
Исследователи попытались разработать альтернативы ферменту Cas9, которые могут быть менее предрасположены к ошибкам. Они также разработали версии Cas9, которые дают более низкий уровень ошибок.
Частота ошибок варьируется в зависимости от того, на какой участок генома нацелен фермент. Многие ферменты, редактирующие гены, были изучены только на мышах или человеческих клетках, выращенных в культуре, а не на человеческих эмбрионах. Частота ошибок может быть различной у клеток мыши и человека, а также у зрелых и эмбриональных клеток.
Число ошибок не обязательно должно быть равно нулю. Небольшое количество изменений ДНК происходит естественным образом каждый раз, когда клетка делится. Некоторые говорят, что определенные фоновые изменения могут быть допустимыми, особенно если метод используется для предотвращения или лечения серьезного заболевания.
Некоторые исследователи считают уровень ошибок CRISPR и так достаточно низким, говорит Перри. "Но — и я думаю, что это довольно большое "но" — мы еще не разобрались как следует в специфике редактирования человеческих яйцеклеток и эмбрионов«, — считает он.
В мишень, но не так: насколько точным должно быть геномное редактирование?
Более серьезной проблемой, чем побочные эффекты, могут быть изменения ДНК, которые являются целевыми, но нежелательными. После того, как Cas9 или подобный фермент разрезает ДНК, клетке остается залечить рану. Но процессы восстановления клетки непредсказуемы.
Одной из форм восстановления, или репарации, ДНК является негомологичное присоединение концов, при котором удаляются некоторые буквы ДНК в месте разреза — этот процесс может быть полезен, если целью редактирования является отключение экспрессии мутантного гена.
Другая форма репарации, так называемая гомологичная репарация, позволяет исследователям переписать последовательность ДНК, предоставляя образец, который копируется в месте разреза. Ее можно использовать для коррекции такого заболевания, как муковисцидоз, который обычно вызывается делецией (выпадением участка хромосомы) в гене CFTR.
Оба процесса сложно контролировать. Делеции, вызванные негомологичным соединением концов, могут различаться по размеру, образуя разные последовательности ДНК. Гомологическое восстановление позволяет лучше контролировать процесс редактирования, но оно происходит гораздо реже, чем делеция, во многих типах клеток. Исследования на мышах могут сделать геномное редактирование CRISPR более точным и эффективным, чем сейчас, говорит Энди Гринфилд (Andy Greenfield), генетик из Института Харвелл (Harwell Institute) при Медицинском исследовательском совете Великобритании, который находится неподалеку от Оксфорда. Мыши дают большое потомство, и поэтому у исследователей есть много попыток, чтобы добиться удачного редактирования и избавиться от всех ошибок. Чего не скажешь о человеческих эмбрионах.
Пока не ясно, насколько эффективным будет направленное гомологическое восстановление у людей или даже как именно оно будет работать. В 2017 году одна группа ученых использовала CRISPR-Cas9 в эмбрионах человека для коррекции вариантов генов, связанных с сердечной недостаточностью. Эмбрионы не были имплантированы, но результаты показали, что модифицированные клетки использовали в качестве шаблона для восстановления ДНК геном матери, а не шаблон ДНК, предоставленный исследователями. Это может оказаться более надежным способом редактирования ДНК эмбрионов человека. Но с тех пор другие исследователи сообщали, что им не удалось повторить эти результаты. «Пока мы не вполне понимаем, как происходит репарация ДНК у эмбрионов — говорит Дженнифер Дудна (Jennifer Doudna,) молекулярный биолог из Калифорнийского университета в Беркли. — Нужно проделать большую работу с другими видами эмбрионов, для того чтобы разобраться хотя бы в базовых вещах».
Исследователи разрабатывают способы решения проблем, связанных с восстановлением ДНК. В двух докладах, опубликованных в июне, обсуждается система CRISPR, которая может вставлять ДНК в геном, не нарушая обе цепи, тем самым обходя зависимость от механизмов репарации ДНК. Если системы успешно пройдут дальнейшее тестирование, они могут позволить исследователям лучше контролировать процесс редактирования.
Другой подход заключается в использовании техники под названием базовое редактирование. В базовых редакторах находится отключенный Cas9 вместе с ферментом, который может преобразовывать одну букву ДНК в другую. Отключенный Cas9 направляет базовый редактор на участок генома, где он химическим способом напрямую изменяет ДНК, не разрезая ее. Исследования, опубликованные в апреле, показали, что некоторые из таких базовых редакторов также могут вносить непредусмотренные изменения, но работа по улучшению их точности продолжается.
«Базовое редактирование в настоящее время не соответствует нашим критериям, — говорит Мэтью Портьюс (Matthew Porteus), детский гематолог из Стэнфордского университета в Калифорнии. — Но вполне можно представить, что оно будет со временем становиться лучше».
Продолжение следует…
