Человек генномодифицированный
Зачем ученые хотят изменять геном человеческих эмбрионов
Наталья Нифантова, «Чердак»
В феврале 2016 года в Великобритании впервые разрешили эксперименты по редактированию генома человеческих эмбрионов. Этот случай стал уже вторым, когда генетика забирается в святая святых – «изначальную» ДНК, на основе которой создаются все остальные клетки человека. «Чердак» выяснил, зачем нужны и чем опасны подобные эксперименты.
Зарождение новой человеческой жизни – настоящее чудо даже с точки зрения науки. В одной-единственной клетке сначала сливаются половинки генома отца и матери, а затем этот набор из 46 хромосом создает все разновидности клеток будущего организма: от вспомогательных клеток плаценты и пуповины до остеобластов, из которых строятся кости, и светочувствительных клеток сетчатки глаза. При этом каждая разновидность клеток «знает» время и место своего появления, иначе вместо нового человека получился бы клеточный суп. Удивительная точность, с которой клетки определяют «расписание» развития, достигается благодаря тому, что ДНК и ее помощники – РНК и белки – работают как хорошо сыгранный оркестр, слаженно и четко регулируя активность генов.
Неудивительно, что с тех пор, как ученые в 1970-х научились расшифровывать последовательности ДНК и РНК, Святым Граалем молекулярной генетики стала возможность узнать, что же именно происходит с ДНК при эмбриональном развитии, какие гены отвечают за то, чтобы из одинокой маленькой клеточки получился целый человек. Но до 2012 года подходящего инструмента для таких исследований не существовало.
«Некоторые моменты изучены, но в основном это темный лес», – рассказывает член-корреспондент РАН, доктор биологических наук, заведующий лабораторией молекулярной биологии стволовых клеток Института цитологии РАН Алексей Томилин.
Есть два главных способа узнать, какую функцию выполняет ген – выключить его (это называется генный нокаут или нокдаун, по аналогии с боксерским ударом, после которого противник не может продолжать бой) или заменить его другим (трансгенез) и посмотреть, что после этого изменится в жизни клетки и целого организма.
Подобные манипуляции с геномом традиционно проводятся на эмбриональных стволовых клетках (ЭСК) мышей, которые затем вводят обратно в эмбрионы, а те, в свою очередь, подсаживают в матки мышей для имплантации. В результате на свет появляются химеры, животные, одни клетки которых несут измененную «донорскую» ДНК, а другие – ДНК суррогатной матери. Эффект введенной в геном модификации изучают на их потомках, часть которых будет носителями только модифицированного генома. «Применение подобного подхода для изучения раннего развития человека, очевидно, невозможно, – объясняет Томилин. – Единственная возможность провести генные манипуляции с зародышем человека и оценить их влияние на его развитие – это короткий промежуток в шесть дней между оплодотворением и имплантацией».
До недавнего времени перед учеными стояла еще и чисто техническая проблема. Чтобы отредактировать геном, нужно заставить ферменты-нуклеазы, расщепляющие цепочку ДНК, связаться с ней строго в нужном месте. Методы «наведения», которые применялись ранее, справлялись со своей задачей примерно в 20% случаев.
Этого вполне достаточно, чтобы создавать генномодифицированные растения, проводить опыты на мышиных эмбрионах или клетках «взрослых» человеческих тканей. Во всех этих случаях можно взять сразу много подопытных клеток, а потом отобрать для дальнейшего использования только те, в которых редактирование прошло успешно. Но человеческие эмбрионы – слишком ценный объект для исследований. В лабораторию ученого они могут попасть лишь как подарок от пар, прошедших процедуру ЭКО (при этом оплодотворяются сразу несколько яйцеклеток, но матери имплантируются одна-две, остальные остаются на хранении в заморозке или уничтожаются). Учитывая неточность технологий по изменению генома, такого числа яйцеклеток категорически недостаточно.
«Ситуация в корне изменилась после открытия технологии генного редактирования CRISPR/Cas9», – рассказывает Томилин. Система CRISPR/Cas9, впервые испытанная в 2012 году, к 2015-му показала эффективность в 90% на эмбрионах мышей и 94% на незрелых Т-лимфоцитах и гемопоэтических стволовых клетках человека. Казалось бы, пора отправляться в поход за Граалем.
Этика остановила
В апреле 2015 года впервые в мире опыты по редактированию эмбрионального генома провели китайские ученые из Университета Сунь Ятсена под руководством Цзюньцзю Хуана (Junjiu Huang). Они взяли 86 оплодотворенных человеческих яйцеклеток и с помощью CRISPR/Cas9 попытались исправить в них мутантный ген, вызывающий бета-талассемию, тяжелое наследственное заболевание крови. Результат оказался неожиданным. CRISPR/Cas9 правильно изменила геном лишь в 28 эмбрионах, а при дальнейшем делении новый ген сохранили только четыре из них. Впрочем, это не остановило китайских исследователей. Цзюньцзю Хуан собирается и дальше экспериментировать с человеческими эмбрионами, в первую очередь, чтобы найти способы повысить эффективность действия CRISPR/Cas9.
«Исследования Хуана показали, что еще рано говорить о редактировании генома человека на предимлантационной стадии, – поясняет Алексей Томилин. – Слишком низкая эффективность и слишком высокий риск побочных изменений в геноме (так называемый off-target effect). Когда обе проблемы будут решены, тогда можно будет говорить о генетической коррекции зародышевой линии человека. Почему CRISPR/Cas9 часто бьет мимо цели в эмбриональном геноме, сказать сложно. Работы над повышением точности и эффективности редактирования с помощью CRISPR/Cas9 ведутся. Нет сомнений, что прогресс будет».
Статья китайских исследователей неожиданно вызвала громкий отклик у их европейских и американских коллег, причем ученых беспокоила вовсе не низкая точность редактирования, а этическая сторона вопроса. Уже в апреле 2015 года в журнале Science появилась ответная статья за подписью 18 специалистов по геномике и стволовым клеткам, среди которых были и исследователи, которые непосредственно участвовали в разработке и улучшении метода CRISPR/Cas9, – Дженнифер Дудна и Мартин Жинек. Они призывали коллег с осторожностью отнестись к перспективе редактирования эмбрионального генома, настаивая, что людям нужно время, чтобы осмыслить возможные последствия такого вмешательства, иначе недалеко и до евгеники – выведения «породы» людей с заданными характеристиками. Беспокойство авторов статьи в октябре 2015-го поддержал Международный комитет по биоэтике при ЮНЕСКО, призвав наложить временный мораторий на подобные работы с человеческими клетками.
Чего так боятся ученые? Этические вопросы вызывают вовсе не страдания или уничтожение эмбрионов в ходе генетических экспериментов. На стадии одного–шести дней после оплодотворения эмбрион представляет собой комочек всего из нескольких десятков клеток. Беспокойство вызывает как раз не-уничтожение модифицированных эмбрионов. Изменения, внесенные в гены половых клеток, оплодотворенной яйцеклетки и клеток эмбриона на ранних стадиях развития, передаются по наследству всем потомкам модифицированного организма. Это называется изменением зародышевой линии.
Первый шаг
Несмотря на неоднозначные результаты группы Цзюньцзю Хуана и этическую дилемму генетического редактирования эмбрионов как такового, 1 февраля 2016 года стало известно, что британское Управление по оплодотворению человека и эмбриологии (HFEA – Human Fertilisation and Embryology Authority) выдало разрешение на редактирование эмбрионального генома доктору Кэти Ниакан из института Френсиса Крика.
Ниакан почти 10 лет занимается изучением того, как стволовые клетки определяются со своей будущей специализацией в человеческих и мышиных эмбрионах. В последнее время ее исследовательская группа пыталась узнать ответ на этот вопрос, расшифровывая последовательности РНК – молекул-посредников, передающих информацию из ДНК рибосомам, клеточным машинам, которые синтезируют белки. Ученым удалось определить несколько генов, которые работают только в человеческих клетках и определяют отличия в раннем развитии человека от тех же мышей, например ген KLF17. Чтобы понять, какие функции выполняют эти гены, и нужны эксперименты, требующие редактирования ДНК. В этом смысле цели, которые ставят перед собой Ниакан и ее коллеги, гораздо ближе к поиску генетического Грааля, то есть к ответам на фундаментальные научные вопросы, чем цели китайских ученых.
Другая задача британских биологов – понять, какие гены ответственны за успешное развитие эмбриона в целом, и особенно за правильное формирование плаценты. Это знание может многое изменить в диагностике и лечении бесплодия. Статистика говорит, что 15–20% всех беременностей заканчивается выкидышем на самых ранних сроках, при этом женщины даже не знают, что были беременны. С другой стороны, при процедуре ЭКО в матку будущей мамы успешно имплантируются только 25% эмбрионов. Чаще всего это связано именно с генетическими неполадками самого эмбриона, который в нужный момент не может прикрепиться к стенке матки или позже сформировать полноценную плаценту для своего развития. У Ниакан и тут есть свой «подозреваемый» – ген Oct4, недостаточная активность которого у мышей связана с замедлением производства стволовых клеток.
Человеческий эмбрион на разных стадиях развития.
Клетки, в которых активны отмеченные слева гены, выделены соответствующим цветом.
Фото: Kathy Niakan group, Francis Crick Institute
Третья цель Ниакан – разобраться, чем развитие эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) в естественных условиях отличается от их роста и специализации в пробирке. Заместительная терапия эмбриональными стволовыми клетками – одновременно очень многообещающий и очень опасный метод. Многообещающий – потому что ЭСК не вызывают иммунного ответа, который приводит к отторжению донорских тканей при обычной пересадке. Кроме того, из ЭСК можно вырастить клетки любого органа. В перспективе с их помощью можно будет лечить болезнь Альцгеймера, ишемическую болезнь сердца, недостаточность функции щитовидной железы, ДЦП и много чего еще.
Опасен же этот метод потому, что вне эмбриона стволовые клетки часто ведут себя непредсказуемо. Например, у подопытных животных они вызывают образование опухолей. Чтобы превратить такие последствия, нужно выяснить, какие гены у ЭСК в пробирке работают иначе, чем в эмбрионе, и какие условия на это влияют. У опять же у Ниакан и ее команды уже есть гены-кандидаты, например ARGFX.
Разобраться со всеми этими вопросами британским биологам предстоит в сжатые сроки – разрешение HFEA действительно только три года. И это не единственное ограничение, наложенное на проект Ниакан. В ходе экспериментов эмбрионы могут развиваться лишь 14 дней, после чего должны быть уничтожены.
Что дальше?
Последовательная активация и прекращение работы тех или иных генов в процессе эмбрионального развития не просто прописана в ДНК, на нее влияют факторы среды – гормоны матери, вещества, попадающие в ее тело извне. При этом известно, что у млекопитающих условия, в которых развивался эмбрион, могут определять дальнейшую судьбу родившегося существа – программировать некоторые заболевания или склонность к ним, например гипертонию или метаболический синдром.
Для человека многие из этих факторов даже не описаны, ведь никто не станет проводить эксперименты на беременных женщинах. Технологии редактирования ДНК еще слишком несовершенны, чтобы выводить генномодифицированных людей, но с их помощью уже можно выяснить, откуда берутся врожденные заболевания и как их предотвратить. Как считает Алексей Томилин, «зеленый свет» проекту Кэти Ниакан – первое, но не последнее «послабление». В тех странах, где эксперименты с предимплантационными человеческими эмбрионами не запрещены напрямую (так обстоят дела, например, в Германии), наверняка вскоре появятся новые исследовательские проекты, стремящиеся заглянуть в святая святых.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
17.03.2016