Почему невозможно создать сверхчеловека?

Что может и чего не может генная инженерия

Константин Северинов, ПостНаука

Зачем генная инженерия микробиологам?

Генная инженерия – это набор технологий, которые позволяют направленно менять сами гены или их активность, переносить гены из одного контекста в другой и т. д. Основа современной генной инженерии – методы рекомбинантной ДНК, появившиеся в середине 70-х годов.

Генная инженерия широко применяется в фармакологии. Например, человеческий инсулин – гормон, применяющийся для лечения сахарного диабета – производится с помощью таких технологий. Для этого ген человеческого инсулина помещают в клетку организма-продуцента. Сначала в качестве клеток-продуцентов использовали бактерий, потом перешли на клетки дрожжей. Можно также использовать клетки растений. Во всех случаях, полученные клетки, не существовавшие в природе, производят гормон в больших количествах, его выделяют, очищают и продают.

Моноклональные терапевтические антитела, с помощью которых лечат рак, например ритуксимаб [1] и бевацизумаб [2], тоже производят с помощью генной инженерии – гены, кодирующие специальным образом отобранные белки-антитела, вводят в клетки млекопитающих. Полученные клетки используются как фабрики по наработке целевых антител. В микробиологической промышленности на генно-модифицированных штаммах бактерий держится гигантский рынок: пищевые добавки, аминокислоты, антибиотики и так далее.

Многие вакцины, например российская вакцина от коронавируса «Спутник-V», тоже сделаны путем генно-инженерных манипуляций. В этом случае в геном безвредного аденовируса вводится ген «шипа» коронавируса, и получается такой «тяни-толкай» – не существовавшая ранее в природе конструкция, где аденовирус является, как говорят биологи, «вектором», носителем «полезного груза» – в данном случае генетической информации, необходимой для синтеза S-белка коронавируса, антигена, к которому должны выработаться антитела, которые защитят нас от коронавирусной инфекции в будущем.

В генной инженерии используются и человеческие клетки. При этом, речь не идёт о непосредственном изменении клеток человека в организме. Вместо этого человеческие клетки используются как устройства, в которые можно добавить что-то еще, какой-нибудь другой ген. Получаются, по сути, новые клетки, которых ранее не существовало, и они будут производить интересующие вас продукты или позволят лучше понять, как устроены и как работают наши клетки и отдельные гены. В лабораториях существует большое количество культур клеток, взятых когда-то от людей, многие из которых уже умерли. К примеру, популярная культура, с которой работают ученые, называется «HeLa» – она была получена из эндометрия женщины-афроамериканки по имени Генриетта Лакс, которая жила в 20-х годах прошлого века. Эти клетки раковые, поэтому они бессмертны и используются по всему миру.

Генная инженерия далеко не всегда означает работу только с клетками. Например, можно ввести в клетки какого-то сельскохозяйственно важного растения ген устойчивости к вредителям (обычно это ген бактерии). А затем из такой клетки можно получить целое растение, все клетки которого будут содержать введенный ген. Потомки этого растения также будут содержать введенный ген. Такие растения могут сохранить все свои потребительские качества, но при этом не потребуют постоянного полива пестицидами, потому что продукт нового гена делает их токсичными для насекомых-вредителей.

Как диагностировать болезни с помощью генной инженерии?

Если у нас есть технология, которая помогает «вырезать» и «вставлять» участки ДНК в нужные места генома, то с ее помощью мы можем не только создать что-то новое, но и лучше понять, как работают конкретные гены. Для этого, например, можно выключить какой-то ген и посмотреть, что будет после этого с клеткой. Генетики работают в этом смысле как оставленные без присмотра в комнате с часами маленькие дети. Чтобы понять, как работают часы, мы начинаем потихоньку убирать из них шестеренки и смотреть, что получается.

Иногда результат может получиться неинформативным. Например, можно убрать стрелку часов, и тогда они станут бессмысленным прибором, но их механизм будет работать точно так же. Тем не менее, с помощью такого подхода можно выяснить определенные причинно-следственные и функциональные связи. Чтобы определить функции всех 25 тысяч генов у человека, мы не будем создавать живых людей с мутациями в каждом из генов. Но можно испортить или, наоборот, включить на всю катушку каждый из 25 тысяч генов в клетках человеческого происхождения с помощью направленного геномного редактирования и посмотреть, что получится. Сейчас многие этим занимаются.  Выясняется, что при выключении некоторых генов клетки просто умирают – это означает, что данный ген важен для жизни. В случае других генов, клетки продолжают жить как ни в чем не бывало, значит, испорченные в них гены не важны для жизни, по крайней мере в условиях клеточной культуры. В некоторых интересных случаях мутантные клетки приобретают характерные изменения относительно исходной клетки. Если изучить, что это за изменения, можно понять, для чего нужен тот или иной ген. Например, выключение определённых генов может приводить к тому, что клетка начинает вести себя как раковая. Значит, можно сделать вывод, что повреждённый нами ген в норме является супрессором развития опухоли.

Такого рода исследования крайне полезны. Они не обязательно влияют на медицину с точки зрения развития новых методов лечения, но могут помочь, например, в разработке новых методов диагностики. Хоть нам до сих пор неизвестна генетическая основа многих злокачественных опухолей, повреждения упомянутого выше гипотетического гена супрессора опухолей могут использоваться для диагностики. Таким же образом, можно определить, изменения в каких генах влияют на устойчивость к лекарствам, используемых при терапии раковых заболеваний. Эта информация поможет в выборе оптимальной терапии для конкретного пациента. 

Чем генное редактирование лучше генного модифицирования?

Нравится нам это или нет, но породы домашних животных и сорта сельскохозяйственных растений всегда выводятся путём генетической модификации. Вопрос только в том, как эта модификация производится. До недавних пор организмы с интересующими свойствами отбирались в результате селекции. Селекционер позволял размножаться лишь каким-то особям, которые отличались от остальных, например, по внешнему виду. Но причины этих отличий были генетическими. В результате искусственного отбора, который велся на протяжении многих поколений, возникали формы, геном которых отличался от того, что было в начале. В этом смысле ни один из потребляемых нами сельхозпродуктов не является естественным: он не был создан природой, а был получен в результате эволюции, направленной на улучшение того или другого потребительского свойства.

Генные модификации работают по тому же принципу, только предполагают не медленную селекцию в течении многих поколений с выбраковкой животных или растений, не устраивающих селекционера, а удаление или вставку  довольно больших отрезков ДНК, например, внесение какого-то нового гена, часто в случайное место генома. Генное редактирование позволяет направленно и очень точно изменять единичные “буквы” ДНК – её азотистые основания. Это значительно расширяет возможности для создания новых пород животных и сортов растений, расширяет способности модификации и улучшения уже известных ГМО-линий.

Например если у вас есть штамм, который производит инсулин, то с помощью геномного редактирования вы можете увеличить выход инсулина, что в конечном счете снизит его цену. Делается это чаще всего с помощью технологии CRISPR-Cas – она позволяет внести “правку” в любое интересующее место генома.

Возможно, геномное редактирование позволит решить некоторые проблемы с ГМО, потому что на смену ГМО придут ГРО – генно-редактированные организмы. Они могут оказаться психологически более приемлемыми для многих людей. Людям обычно не нравится, когда ученые вносят целый ген бактерии в растение –  они воспринимают это как холерный вибрион под видом капусты или как гибрид банана и зебры. Генное редактирование  позволяет направленно вводить в нужное место такие мутации, которые возникают естественным путем.

Сейчас легко определить геном того или другого сорта, понять чем они отличаются, а потом попытаться создать организм с новым вариантом генома, частично совместив генетические изменения, присутствующие в двух родительских формах. Допустим, английская порода коров ангус даёт вкусные стейки. Мы хотели бы такое чудо у себя завести, но у нас не Англия и ангусам у нас не очень комфортно. Мы хотели бы взять какую-нибудь русскую буренку, оставить её такой же неказистой, но приспособленной к местным условиям, но сделать ее мясо подобным мясу ангуса по вкусовым качествам.

Чтобы решить такую задачу, мы можем определить геном животного из той и другой породы, найти  отличия между ними, и попытаться с помощью методов биоинформатики предсказать, что делает мясо ангуса таким, какое оно есть, а затем направленно внести эти изменения в нужные места ДНК нашей буренки с помощью генного редактирования. Эту задачу можно было бы выполнить путём длительных скрещиваний и отбора. Вместо этого мы можем работать с геномом, как инженеры с чертежом, что-то направленно менять, оценивать результаты, потом делать следующие шаги и т. д. Если бы мы двигались с помощью скрещиваний, то получили бы в конце концов ровно такой же результат, просто процесс занял бы гораздо больше времени. Но так как конечные два объекта, полученные скрещиванием или редактированием генома, генетически неотличимы, у людей, которые боятся ГМО, нет причин говорить, что полученное животное или растение какое-то не такое.

В сущности, “поблажки” на геномное редактирование есть даже в «драконовском» законе о ГМО в России. Согласно ему, не считаются ГМО те организмы, в которые введены изменения, которые могли бы возникнуть естественным путем. Логика при этом такая: если мы вносим ген бактерии в растения, естественным путём такого бы случиться не могло. Но если мы просто “подкрутим” собственные гены растения или животного, изменяя одни буковки ДНК на другие, то это могло бы произойти естественным путем, просто нужно было бы очень долго ждать.

Возможно ли создание сверхчеловека «под ключ»?

В популярной культуре живут идеи, что с помощью геномного редактирования можно не только лечить простые генетические болезни “приводя в норму” изменения ДНК, ответственные за их возникновение, но ещё и повышать IQ,  улучшать эстетические и физические свойства человека и т. д. В обозримом будущем это невозможно, а скорее всего, это невозможно в принципе.

Рассмотрим такую аналогию: есть самолет Airbus А310. Он, безусловно, выполняет свою функцию – летает. Большинство из нас не знает до конца, как он устроен. Если вы залезете в самолет и вам дадут возможность любой из проводков разрезать и соединить с другим, вы вряд ли получите новый самолет. Как бы вы не колдовали с проводками и трубками, Airbus А380 из А310 вы не получите, но имеющийся самолет наверняка испортите. Теперь возьмем ситуацию с двумя самолетами одной модели, один летающий, а другой – нет. Внимательно изучив различия между этими самолетами, вы можете заметить, что у нелетающего самолета какой-то конкретный проводок или разрезан, или подсоединен не туда. Вы можете сделать отсюда смелый вывод, что если взять этот провод и переделать соединение, как у летающего самолета, то он тоже полетит. Это разумное предположение.

Геномное редактирование в случае лечения генетических болезней людей находится примерно на таком уровне. У нас есть здоровые люди и люди с болезнью. Люди с болезнью имеют некое общее свойство на уровне изменения последовательности ДНК в определенном месте, в конкретном гене. Уже на основании этого мы можем предположить, что это изменение или прямо ответственно за болезнь, т. е., является его первопричиной, или как-то ассоциировано с болезнью. Хорошо, если еще есть исследования врачей-генетиков, которые показывают, что болезнь наследуется, вместе с обнаруженным изменением в генах. Мы можем думать про человека с болезнью в терминах нелетающего самолета с неправильно соединенным проводком. Мы можем этот проводок или, в данном случае, букву ДНК, поменять на ту, которая присутствует у здоровых людей. Геномное редактирование позволяет это сделать, но чаще всего только на этапе эмбриона, а такие манипуляции запрещены законом. Но это возможно в принципе. Здесь мы ничего не улучшаем – мы скорее приводим в норму.

Улучшение здоровых людей, чтобы не крылось за этим термином – совершенно другая задача, сродни с производством одного самолета из другого посредством мелких переделок и перестановок. Сложную систему испортить легко, а улучшить в заданном направлении тяжело, так как нельзя гарантировать положительные изменения в силу ее эмерджентности, взаимосвязанности частей. Я уже не говорю, что для этого необходимо быть уверенным, что одни люди генетически лучше других – а это далеко не факт.

Простой пример того, насколько непростая связь между генами и свойствами, которые мы видим невооруженным глазом  – недавняя статья [3] в журнале «Science». Как известно, рост человека в значительной степени генетически определен. Учёные нашли примерно 10 тысяч генетических маркеров, связанных с ростом, при том, что генов у человека всего 25 тысяч. Это означает, что в наш рост вносит вклад значительная доля наших генов –  но роль каждого из них минимальна. То есть, даже такой “простой” параметр как рост оказался настолько многофакторной вещью, что результат фактически обессмысливает любую работу по созданию “под ключ” человека с заданным ростом.

Вкупе с клонированием, вопросы генетической модификации и редактирования людей тесно связаны с биоэтикой и живущими в обществе страхами. В контексте этих страхов возникают и инициативы по ограничению исследований, связанных с редактированием генома. Например, существуют слухи и городские легенды, что ученые в лаборатории потенциально могут начать создавать универсальных супер-солдат. К счастью или к сожалению, занятие это когда дело касается людей бесперспективное.

Допустим, мы решили заняться созданием солдат и взяли “за образец”, например, Николая Валуева – справедливо решив, что его хорошие физические данные будут оптимальны для создания солдат-клонов. С помощью редактирования мы подкрутим кой-какие гены в клетках, взятых у оригинала, в надежде увеличить физическую выносливость или способность беспрекословно выполнять приказы (хотя мы не знаем, какие гены за это ответственны и есть ли они вообще), а затем проведем клонирование, так же, как 25 лет назад делали овечку Долли и подсадим яйцеклетки с улучшенной ДНК Валуева сотне суррогатных матерей. Когда у нас окажется сто новорожденных дизайнерских ребятишек, они по отношению друг к другу будут как однояйцевые близнецы, т.е. они будут почти идентичны друг другу с точки зрения генетики. Но дальше их всех придется воспитывать, и на стадии воспитания неизбежно будут возникать различия, которые будут только расти на протяжении тех 15-18 лет, пока будущие солдаты не достигнут “товарной годности”. Мы получим совершенно разных людей с разными способностями и наклонностями. К тому же, за это время так много всего произойдет, что все предприятие станет бессмысленным, эти клоны могут просто не понадобиться, нужны будут, например, врачи или учителя. В общем, индоктринировать и натренировать уже существующих людей гораздо легче – об этом говорит печальный опыт гитлеровской Германии и сталинского Советского Союза. Индоктринации людей вовсе не мешает то, что они генетически разные.

Поможет ли генная терапия против старения?

Многие возлагают большие надежды на применение генного редактирования для борьбы со старением, особенно после недавних громких пресс-релизов: “CRISPR/Cas9-терапия подавляет [4] старение, улучшает здоровье и продлевает жизнь в эксперименте на мышах”.  Я отношусь к этому скептически. Хотя бы потому, что этот эффект на самом деле показан [5] только для мышей с прогерией – болезнью, ускоряющей старение за счёт поломки в одном-единственном гене. Исправить это на современном этапе технически вполне реально, но именно на уровне восстановления правильной проводки в поврежденном самолете.

Есть более распространенные состояния, например, возрастная макулярная дегенерация, при которой постепенно гибнут клетки сетчатки глаза и ухудшается зрение. Это состояние имеет высокую наследственность, и его гены -”виновники” известны [6]. CRISPR/Cas9-терапия заболеваний сетчатки сейчас активно разрабатывается [7] и есть надежда, что некоторые больные с возрастной макулярной дегенерацией вновь обретут зрение за счет локального изменения генов в соответствующих клетках пожилых людей.

Но естественное старение – гораздо более сложный процесс, чем прогерия и даже возрастная макулярная дегенерация. Происходит он во всех тканях, не только на уровне ДНК и повреждения могут быть разными в разных клетках. Одна из причин старения – активные формы кислорода, которые образуются у нас в митохондриях просто потому, что мы живём, двигаемся и едим. Они повреждают клетки и приводят к тому, что наш организм потихоньку “разваливается на части”. Даже если большинство аспектов старения определяется состоянием ДНК, мы на сегодняшний момент слишком мало знаем о функции наших генов – примерно на 90% они не изучены и определить гены ответственные за старение, если они есть, отдельная большая задача.

Почему в будущем генное редактирование будет необходимо?

Генная инженерия будет и дальше развиваться в области сельского хозяйства, и это развитие будет в значительной степени происходить за счет создания генно-редактированных организмов. Применительно к эмбриональному редактированию людей развитие технологии задержат, так как точность технологии надо будет доводить до какого-то уровня, чтобы исключить или свести до приемлемого минимума, частоту возникновения нежелательных изменений ДНК, которые будут влиять на здоровье будущего, еще не рожденного человека. Добиться этого будет сложно.

Если запрет на эмбриональное редактирование будет существовать долго, тогда лечение болезней человека с помощью этой технологии будет проводиться на уровне органов. Например, у человека, страдающего муковисцидозом, все клетки генетически дефектны. Но больше всего страдают лёгкие. Значит, для того, чтобы люди с такой болезнью не умирали в 30 лет, нужно найти способ эффективной доставки генетических редакторов именно в клетки легких, чтобы их “вернуть к норме”. Вряд ли будет найдено общее решение, но, безусловно, нужно научиться адресно доставлять генетические редакторы в большинство клеток печени, легких, поджелудочной железы и так далее – сложно устроенных органов, состоящих из десятков миллиардов клеток. В сущности это та же задача, которая ограничивает таргетную терапию рака. У нас есть моноклональные антитела  для поражения опухолевых клеток, но мы не можем точно доставить их куда нужно.

Но разрабатывать более “радикальные” технологии эмбрионального редактирования в конце концов, вероятно, придётся. Если заглянуть на десятки лет вперед, то, к сожалению, можно ожидать, что частота “плохих” вариантов генов, передаваемых потомкам, будет расти. Происходит это потому, что с развитием здравоохранения мы частично выходим из-под действия естественного отбора. Если еще в XIX веке восемь детей из десяти умирали в младенчестве, что можно было рассматривать как отбор, то сейчас, слава Богу, этого не происходит.

Однако если мы признаем, что таким образом выживают и размножаются те люди, которые в условиях более жесткой селекции не могли бы это сделать, то груз мутаций во всем человечестве увеличивается. При этом “плохая” комбинация генов с точки зрения жизнеспособности вовсе не означает бесперспективного человека с точки зрения всего общества, достаточно вспомнить  Стивена Хокинга. Но рано или поздно может случиться так, что накопленный генетический груз дойдёт до некоего предела и рождаемость и жизнеспособность могут начать быстро падать, несмотря на дальнейшее развитие медицины. И тогда можно себе представить, что геномное редактирование будет широко использоваться еще на этапе зачатия или на уровне половых клеток родителей. Как и в случае генной терапии, будут изменяться варианты генов, доказанно ухудшающих жизнеспособность. Это и будут те самые “люди под ключ”, но сделанные не для того, чтобы быть “быстрее, выше, сильнее”, чем обычные, а просто способные жить, несмотря на наличие огромного количества изменений в ДНК, определяющих их генетическую индивидуальность.

Литература

1. Ритуксимаб. Wikipedia
2. Бевацизумаб. Wikipedia
3. Jocelyn Kaiser. «Landmark» study resolves a major mystery of how genes govern human height. 2020
4. Salk Institute. «CRISPR/Cas9 therapy can suppress aging, enhance health and extend life span in mice». 2019
5. Ergin Beyret et al. Single-Dose CRISPR/Cas9 Therapy Extends Lifespan of Mice with Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome. 2019
6. Maller, J., George, S., Purcell, S. et al. Common variation in three genes, including a noncoding variant in CFH, strongly influences risk of age-related macular degeneration. 2006
7. Peng YQ, Tang LS, Yoshida S, Zhou YD. Applications of CRISPR/Cas9 in retinal degenerative diseases. 2017

Об авторе: Константин Северинов – доктор биологических наук, профессор Сколковского института науки и технологий (SkolTech), профессор Университета Ратгерса (США), заведующий лабораторией молекулярной, экологической и прикладной микробиологии СПбПУ Петра Великого.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru