Просто геном

© ООО «Страта», 2020

Генетика. Краткая история открытий

1865 год – австрийский биолог Грегор Мендель открыл факторы наследственности и разработал гибридологический метод, т. е. правила скрещивания организмов и учета признаков у их потомства

1868 год – швейцарский биохимик Фридрих Мишер выделил из спермы лосося фосфорсодержащее вещество, происходящее из клеточных ядер, которое назвал нуклеином (теперь его называют дезоксирибонуклеиновой кислотой)

1875 год – впервые продемонстрирована возможность использования близнецов для изучения относительного влияния на организм наследственности и окружающей среды

1900 год – опубликованы три независимые рыботы с изложением основных законов наследования. Год считается формальным рождением генетики как науки

1902 год – впервые появилась хромосомная теория наследственности

1905 год – английский биолог Уильям Бэтсон предложил слово «генетика» (от греч. γιγνομαι – порождать) для нового направления науки

1909 год – датский биолог Вильгельм Иогансен предложил термин «генотип»

1910 год – американский биолог Томас Морган установил, что гены расположены в хромосомах в линейном порядке, образуя группы сцепления, и закономерности наследования по половому признаку

1920 год – немецкий генетик Ганс Винклер предложил термин «геном»

1922 год – русский генетик Николай Вавилов сформулировал «закон гомологических рядов» о параллелизме в изменчивости родственных групп растений, то есть о генетической близости этих групп

1926 год – русский генетик Сергей Четвериков опубликовал статью, заложившую основы популяционной генетики и синтеза генетики и теории эволюции

1927 год – американский генетик Герман Мёллер доказал мутационный эффект рентгеновских лучей

1929-1930 годы – впервые продемонстрирована сложная природа организации гена, сделаны первые реальные шаги на пути создания современного представления о тонкой структуре гена

1935 год – осуществлено экспериментальное определение размеров гена. Получена трактовка гена с позиций квантовой механики, тем самым создан фундамент для открытия структуры ДНК

1944 год – начало эры ДНК

1944 год – советский вирусолог Лев Зильбер сформулировал вирусно-генетическую теорию рака

1951 год – получена первая рентгеннограмма молекулы ДНК

1953 год – Френсис Крик и Джеймс Уотсон, британский и американский биологи, создали структурную модель ДНК в форме двойной спирали

1956 год – установлено число диплоидного набора хромосом у человека: 46

1961 год – начата расшифровка «языка жизни» – кода, которым в ДНК записана информация о структуре белковых молекул

1962 год – осуществлено первое клонирование животного организма, лягушки

1970 год – выделена первая рестриктаза – фермент, разрезающий ДНК в строго определенных местах

1972 год – заложены основы генной инженерии

1973 год – разработана стратегия переноса генов в бактериальную клетку

1978 год – осуществлен перенос гена инсулина в бактериальную клетку, где на нем синтезирован белок проинсулин

1980 год – получена первая трансгенная мышь 1984 год – открыты регуляторные гены, ответственные за построение общего плана тела животных 1984 год – создан метод геномной дактилоскопии, в котором последовательности ДНК используются для идентификации личности

1987 год – созданы первые дрожжевые искусственные хромосомы YAC, сыгравшие серьезную роль как векторы для клонирования больших фрагментов геномов

1988 год – создан проект «Геном человека» Национального института здоровья США. Инициатором и руководителем проекта стал знаменитый учёный Джеймс Уотсон

1988 год – предложен метод «нокаута» генов

1990 год – в СССР и в США, а затем в Англии, Франции, Германии, Японии, Китае начали работать научные программы по расшифровке генома человека

1990 год – идентифицирован первый ген человека, ответственный за наследственное заболевание

1990 год – проведено первое успешное лечение наследственного иммунодефицита с помощью генной терапии

1994 год – представлено первое коммерчески выращенное ГМО-растение, одобренное для потребления человеком: медленно созревающий томат Flavr Savr

1995 год – геномика становится самостоятельным разделом генетики

1997 год – впервые клонировано млекопитающее: овца Долли

1998 год – расшифровано около 3 % генома человека

1999 год – клонированы мышь и корова

2001 год – опубликован первый вариант генома

2002 год – полностью расшифрован геном мыши

2003 год – 99 % генома человека секвенировано с точностью 99,9 %

2005 год – реализован проект «Геногеография», исследующий изменчивость ДНК и Y-хромосом населения Земли с целью составления детального генетического атласа народов мира

2007 год – обнаружен ген роста у человека

2008 год – стартовал международный проект по расшифровке геномов тысячи человек

2009 год – завершена расшифровка генома неандертальца

2012 год – американский биохимик Дженнифер Дудна и французский микробиолог Эммануэль Шарпентье опубликовали работу о механизме CRISPR/Cas9 и возможностях его использования в качестве технологии геномного редактирования

2015 год – впервые применен генный дрейф к плодовой мухе

2015 год – четыре независимые лаборатории внедрили CRISPR мышам, страдающим мышечной дистрофией, и доказали, что разрушительное действие болезни можно обратить вспять

2015 год – впервые ввели CRISPR в 86 человеческих эмбрионов

К 2016 году – проведено более 2 тысяч испытаний генной терапии различных заболеваний; появились первые протесты по поводу технологии CRISPR

2017 год – впервые отредактирован геном живого человека

2017 год – впервые на ДНК записан музыкальный файл

2018 год – впервые проведен транскрипционный анализ единичных клеток в развивающемся эмбрионе, позволяющий по-новому оценить ранние механизмы эмбрионального развития и устранить генетические поломки

2019 год – стартовали испытания антираковой CRISPR-терапии на людях. Предварительные данные свидетельствуют о ее безопасности и отсутствии побочных эффектов

2019 год – технология CRISPR модифицирована для одновременного редактирования нескольких генов

2019 год – разработан метод праймированного редактирования. Его создатели добавили к ферменту Cas9 два новых компонента – позаимствованный у вируса белок обратную транскриптазу и специальную гидовую РНК (pegRNA). Получившийся в результате инструмент разрезает только одну нить ДНК, что снижает риск ошибок. Успешность данной методики составляет 20-50 % по сравнению с 10 % у обычной CRISPR

Введение

Эта книга расскажет о поразительном революционном открытии, благодаря которому появилась возможность менять многие процессы, касающиеся науки и жизни людей. Речь пойдёт о сравнительно недавней сенсации в мире науки: генном редактировании при помощи технологии CRISPR/Cas9. Что это такое и для чего она может быть полезна?

Геном представляет собой целый набор наследственного материала, заключённого в наших клетках. В геноме человека содержатся тысячи кодирующих белки генов, манипулируя которыми учёные смогли открыть дверь невероятным возможностям: от лечения генетических, онкологических заболеваний и даже ВИЧ до выбора наследственности и внешности будущего ребёнка. Технологии генного редактирования с течением времени появлялись одна за другой и увенчались генно-инженерным прорывом – появлением метода CRISPR/Cas9.

Генное редактирование при помощи инструмента CRISPR/Cas9 обещает изменить наш мир намного быстрее, чем мы думаем, – эта волшебная палочка в руках учёных позволяет осуществлять направленное действие в определённых участках генома высших живых организмов, в результате чего стало возможным создавать генную терапию для лечения заболеваний, изобретать новые лекарства, исправлять врождённые генетические нарушения и даже осуществлять фантастическую, казалось бы, пересадку органов. Более того, при помощи этого мощного инструмента появилась возможность создавать животных-мутантов и даже уничтожать целые популяции вредных существ – от переносящих болезни москитов до грызунов. С помощью генного редактирования можно менять даже вкус и цвет привычных нам овощей и фруктов. Генное программирование представляет собой очень внушительный, полезный и в то же время опасный инструмент, в чём у читателей будет возможность убедиться далее.

Дженнифер Дудна – американский учёный, профессор химии, молекулярной и клеточной биологии. Одна из первопроходцев в области изучения и исследований редактирования генов

Дженнифер Дудна провела фундаментальные исследования в области революционной CRISPR/Cas9 – технологии редактирования генома, основанной на инструментах иммунной системы бактерий. При помощи технологии CRISPR/Cas9 стало возможным легко и быстро перемещать гены – любые гены в любых живых существах – от бактерий до человека. Труды Дженнифер Дудны посвящены структурной биологии и биохимии. Благодаря фундаментальной работе и лидерству в развитии редактирования генома с помощью CRISPR/ Cas9 она является ведущей фигурой в революции CRISPR.

За изобретение технологии CRISPR/ Cas9 Дудна была удостоена многих самых выдающихся наград, в том числе «Премии прорыва» в области медицины. Также она вошла в число сотни самых влиятельных людей в мире. В 2016 году Дудна имела честь быть избранной иностранным членом Королевского общества. Дженнифер Дудна представила всему миру метод CRISPR/ Cas9 и показала его значение для нашего будущего.

По словам известного американского учёного и профессора генетики Гарвардской медицинской школы Джорджа Чёрча, Дженнифер Дудна – истинный пионер в области исследований редактирования генома, построивший мост между фундаментальной технологией CRISPR/Cas9 и разнообразными возможностями её применения для пользы науки в целом и людей в частности.

Коллега и сподвижник Дженнифер Дудны Самуэль Штернберг – исследователь-биохимик и автор многочисленных известных научных публикаций на на тему технологии CRISPR/Cas9. Он руководит исследовательской лабораторией в Колумбийском университете; где занимает пост доцента кафедры биохимии и молекулярной биофизики. Самуэль – биохимик, работающий в области исследования РНК и эксперт в области технологии CRISPR/Cas9.

Революционная биотехнология, которая была создана Дудной и Штернбергом не так давно, развивается очень быстро, и ее значение огромно не только для наук о жизни, но и для самой жизни на Земле. Всё, о чём написано далее, имеет прямое отношение к читателям, поскольку совсем скоро последствия развития этой технологии постучатся в наши двери.

Полагаю, через 20 лет все мы будем обладать геномной последовательностью, записанной на маленький чип, и в случае болезни эта информация поможет назначить лечение, нацеленное на нас.

Для целого ряда генетических заболеваний, имеющих специфическую известную причину, за 20 лет будут найдены способы терапии, основанные на технологии CRISPR/Cas9. Таким образом, генная терапия – это то, что будет востребовано для лечения определенных типов генетических заболеваний.

И в других областях и науках – одновременно в сельском хозяйстве и синтетической биологии – произойдут значительные изменения, которые позволят растениям лучше адаптироваться к изменениям климата, а таким организмам, как грибы, гораздо проще производить экологически чистые химические вещества и биотопливо.

Таким образом, я считаю, все эти явления мы непременно увидим через 20 лет.

Дженнифер Дудна

Генный код взломан

Люди на протяжении тысячелетий меняли физический мир, но результаты перемен никогда не были такими драматичными, как сегодняшние. Индустриализация повлекла за собой изменение климата, угрожающее экосистемам во всем мире. Деятельность человека послужила причиной многих других явлений, которые сложно переоценить – например, вымирание целых городов и сокращеие популяций живых существ, с которыми мы разделяем планету. Эти преобразования побудили геологов предложить переименовать эпоху в антропоцен – эпоху человека, играющего важнейшую роль в экосистеме Земли. Биологический мир также претерпевает глубокие антропогенные изменения, обусловленные различными формами влияния деятельности человека на природу.

Миллиарды лет жизнь протекала в соответствии с теорией эволюции Дарвина: организмы развивались путём прохождения через ряд генетических изменений, которые включали в себя выживание и репродукцию (до недавнего времени и наш вид формировался подобным образом: действительно, до некоторых пор пор люди были полностью подвластны данному процессу). Но 10 тысяч лет назад появилось сельское хозяйство, человек грубо вмешался в процесс эволюции, пустив в ход селекцию растений и животных. Основной материал, случайные мутации ДНК, всё же генерировался спонтанно. В результате усилия человека по преобразованию того, что дала природа, имели всё же ограниченный успех.

Сегодня учёным удалось полностью взять этот естественный процесс под свой контроль. Применяя мощные биотехнологические инструменты для работы с ДНК внутри живых клеток, учёные теперь могут манипулировать и рационально модифицировать генетический код, который определяет каждый вид на планете, включая наш собственный. А благодаря новейшему и, пожалуй, наиболее эффективному инструменту генной инженерии, CRISPR-Cas9 (для краткости будем называть его просто CRISPR), геном – состав ДНК организма, включая все его гены, – стал почти таким же легко редактируемым, как и простой текстовый документ на компьютере.

Например, если известен генетический код определенного признака, присущего конкретному живому организму, той или иной черты, характеризующей именно его, учёные могут использовать CRISPR-технологию для вставки, редактирования или удаления соответствующего гена в геноме практически любого растения или животного. Этот процесс намного проще и эффективнее, чем любая другая существующая на сегодняшний день технология манипуляции генами. Практически в одночасье мы оказались на пороге новой эры генной инженерии и биологического мастерства – революционной эры, в которой возможности ограничены только нашим коллективным воображением.

Царство животных было первым и в ту пору самым большим испытательным полигоном для нового инструмента редактирования генов. Например, учёные использовали CRISPR для создания генетически улучшенной версии гончих, создавая собак с чрезвычайно развитым мышечным телосложением путем внесения буквенных изменений ДНК в ген, который контролирует формирование мышечной массы. В другом случае, путем инактивации гена, который реагирует на гормон роста в геноме свиньи, исследователи создали микросвиней, – поросят размером не больше обычных кошек, что сделало возможным заводить их как забавных домашних питомцев. Учёные проделали нечто подобное и с кашемировыми горными козами, отредактировав геном животных с помощью CRISPR так, что козы вырастали, обладая большей мышечной массой (что позволяет получать от животных больше мяса), и более длинной шерстью (то есть с большим количеством кашемировых волокон). Генетики используют CRISPR даже для того, чтобы преобразовать ДНК азиатских слонов в нечто такое, что больше будет напоминать ДНК мамонта, с надеждой когда-нибудь возродить этого вымершего зверя.

Между тем, в растительном мире CRISPR широко используется для редактирования геномов сельскохозяйственных культур – учёные прокладывают путь к таким достижениям в сельском хозяйстве, которые могли бы значительно улучшить рацион питания людей и укрепить продовольственную безопасность в мире. Эксперименты по редактированию генов растений позволили получить устойчивый к болезням и поражениям рис; томаты, которые портятся медленнее, чем обычные; соевые бобы с более высоким содержанием полиненасыщенных жиров и картофель с пониженным содержанием потенциального нейротоксина. Специалисты в области пищевых продуктов достигают этих улучшений не с помощью трансгенных методов – введения ДНК одного вида в геном другого вида, – но путем точной генетической модернизации, включающей изменения только нескольких букв собственной ДНК организма.

Именно влияние редактирования генов на виды живых существ открывает как величайшую перспективу, так и, возможно, величайшую опасность для будущего человечества. Как это ни парадоксально, некоторые из преимуществ для здоровья человека могут быть достигнуты путём применения CRISPR к животным или даже насекомым. В недавнихэкспериментах CRISPR использовался для «очеловечевания» ДНК свиней, что давало исследователям надежду на то, что эти животные когда-нибудь станут донорами органов для людей. CRISPR также применяется к геномам новых штаммов комаров, что является частью плана по быстрому внедрению новых генетических особенностей в популяции диких комаров. Учёные надеются в конечном итоге искоренить болезни, переносимые комарами, такие как малярия и вирус Зика, известный своими неврологическими осложнениями, а возможно, и вовсе уничтожить самих переносящих болезни комаров, как вид.

Для лечения многих заболеваний, поражающих людей, CRISPR предлагает возможность редактировать и восстанавливать мутантные гены непосредственно в организмах пациентов, страдающих тем или иным заболеванием. Пока учёные видят лишь проблеск возможностей CRISPR, но то, что исследователям уже удалось обнаружить за последние несколько лет, поистине впечатляет. В клетках человека, выращенных в лабораторных условиях, эта новая технология редактирования генов использовалась для исправления мутаций, вызывающих такие заболевания, как муковисцидоз, серповидноклеточная анемия, некоторые формы слепоты, тяжелый комбинированный иммунодефицит, а также многих других расстройств. CRISPR позволяет учёным совершать открытия и огромные скачки в науке путём поиска, отслеживания и исправления неправильных состовляющих ДНК.

Также на сегодняшний день стало возможным проведение различных манипуляций и перестановок составляющих человеческого генома. Исследователям уже удалось исправить ошибки в ДНК, которые являются причиной мышечной дистрофии Дюшенна, – серьезного генетического заболевания, которое вызвано мутацией в гене дистрофина, путём удаления только поврежденной области мутированного гена, оставляя остальную его часть нетронутой. В случае с гемофилией исследователи применили CRISPR для точной перестройки букв ДНК, которые инвертированы в геномах пациентов. CRISPR может использоваться даже для лечения ВИЧ-инфекции и СПИДа, – этого можно достичь либо путем вырезания ДНК вируса из инфицированных клеток либо путем редактирования ДНК пациента таким образом, чтобы все его клетки полностью избежали заражения инфекцией.

Список возможностей редактирования генов с целью терапии и профилактики различных заболеваний можно продолжать долго. Поскольку CRISPR позволяет осуществлять точное и относительно простое редактирование ДНК, данная технология превратила каждую генетическую болезнь – по крайней мере, каждую болезнь, в основе которой лежит та или иная генетическая мутация, – в потенциально поддающуюся лечению мишень. Врачи уже начали лечить некоторые виды такой зловещей болезни, как раковая опухоль, иммунными клетками, в геномы которых добавлены отредактированные гены таким образом, чтобы они стали способны выследить раковые клетки. Несмотря на то что нам предстоит пройти ещё длинный путь, прежде чем использование технологии CRISPR станет панацеей для подавляющего большинства людей с различными заболеваниями и будет использоваться в терапевтических целях повсеместно, её потенциал очевиден. Редактирование генов обещает изменить наше будущее и даже даст возможность спасать человеческие жизни.

Но у технологии CRISPR есть и другие важные особенности: её можно использовать не только для лечения заболеваний у живых людей, но и для предотвращения болезней у малышей, которые пока в материнском чреве. Технология CRISPR настолько проста и эффективна, что учёные могут использовать её для изменения зародыша человека – того объёма генетической информации, который соединяет одно поколение с другим. И, несомненно, эта технология когда-нибудь будет использоваться для изменения генома нашего собственного вида наследственными способами, навсегда изменяя генетический состав человечества.

Если редактирование генов у людей предположительно является безопасным и эффективным методом коррекции различных патологических состояний, то вполне логично и даже предпочтительно пытаться исправить вызывающие болезни мутации на самой ранней стадии зарождения жизни, то есть до того, как вредные гены начнут сеять вокруг себя хаос. Но нужно учитывать и то, что как только станет возможным преобразовывать мутантные гены эмбриона в «нормальные», у экспериментаторов непременно возникнет соблазн отредактировать и нормальные, обычные гены, до возможных улучшенных их версий.

Только представьте, что случится, если мы начнем редактировать гены у нерожденных детей для того, чтобы снизить у них риск сердечно-сосудистых заболеваний на протяжении всей будущей жизни? Или для того, чтобы снизить риск возникновения болезни Альцгеймера, диабета или рака? Если человечество будет способно достичь таких высот, то почему бы заодно не наделить нерожденных детей ещё парочкой полезных качеств, таких, например, как мышечная сверхсила и повышенные когнитивные способности, или же вовсе изменить физические качества будущих детей, наделив их цветом глаз и волос по своему желанию? Стремление к совершенству присуще человеческой природе, но если мы ступим на эту дорогу и начнем спускаться по такому скользкому склону, нам может не понравиться итог.

Итак, на сегодняшний день сложилась следующая ситуация: в течение примерно ста тысяч лет существования современных людей геном вида homo sapiens, человека разумного, был сформирован путём случайных мутаций и естественного отбора. Теперь, впервые в истории, мы обладаем способностью редактировать не только ДНК каждого живого человека, но и ДНК будущих поколений – по сути, мы можем управлять эволюцией нашего собственного вида. Это беспрецедентный случай в истории жизни на Земле. Это за пределами нашего понимания. И это заставляет нас задаться важным и сложным вопросом: что же мы, люди, противоречивые во многом существа, будем делать с такой удивительной силой, с этой потрясающей возможностью?

В 2012 году Дженнифер Дудна и её коллеги опубликовали исследовательскую работу, которая легла в основу редактирования генов с помощью использования CRISPR-технологии. Данная работа изначально была мотивирована любопытством по поводу совершенно остранённого от данной темы предмета, – учёных интересовало, как бактерии защищаются от вирусной инфекции. Тем не менее, в ходе исследования бактериальной иммунной системы, называемой CRISPR/Cas9, учёные раскрыли работу невероятной молекулярной машины, которая могла бы с исключительной точностью разрезать вирусную ДНК. Польза этой же машины для выполнения ДНК-манипуляций в других типах клеток, включая клетки человека, исследователям стала очевидна сразу. Вскоре данная технология получила широкое распространение и стала быстро развиваться, вовлекаясь во всё большее количество научных экспериментов.

К тому времени, когда учёные применили CRISPR-технологию к эмбрионам приматов для создания первых обезьян с отредактированными генами, они задались вопросом: сколько времени пройдет, прежде чем кто-нибудь из исследователей рискнёт повторить подобное на людях?

Как биохимик, Дженнифер Дудна всего лишь внедрила технологию CRISPR в науку открыв учёным простор для экспериментов. Дженнифер никогда не работала с моделями животных, человеческими тканями или пациентами, её рабочая зона ограничивалась краями чашки Петри и пробирками в лаборатории. И все же Дудна не переставала наблюдать за тем, как технология, которую она помогла создать, использовалась для того, чтобы радикально изменить как человеческий вид, так и мир, в котором мы живем. Будет ли это непреднамеренно расширять социальное или генетическое неравенство или ознаменует новое научное движение? К каким последствиям мы должны подготовиться после такого важного открытия в генной инженерии?

Группа учёных, приложившая усилия к открытию CRISPR, вернулась к захватывающим биохимическим исследованиям, и в то же время дискутировала о том, как технологию можно и нужно использовать. В частности, учёные предпочитали, чтобы в обсуждении участвовали не только исследователи и биоэтики, но также и широкий круг заинтересованных сторон, включая социологов, политиков, религиозных лидеров и представителей общественности. Учитывая, что это научное развитие затронуло всё человечество, казалось необходимым привлечь к разговору о CRISPR как можно больше слоев общества.

Редактирование генов заставило людей решать сложную проблему: где провести черту при манипулировании генетикой человека. Некоторые люди считают любую форму генетических манипуляций отвратительным нарушением священных законов природы и осквернением достоинства жизни. Другие видят геном просто как программное обеспечение – что-то, что мы можем исправить, очистить, обновить и модернизировать – и утверждают, что оставлять людей во власти неисправной генетики не только иррационально, но и аморально. Подобные соображения заставляют некоторых призывать к прямому запрету редактирования геномов нерожденных людей.

Взгляды самой Дженнифер Дудны на эту тему постоянно менялись под влиянием различных факторов, но однажды она была поражена комментарием на встрече, призванной обсудить редактирование зародышевой линии человека в эмбрионах: «Когда-нибудь мы будем считать неэтичным избегать редактирования зародышевой линии для облегчения человеческих страданий». Это замечание перевернуло дискуссию с ног на голову, и оно, безусловно, способно взбудоражить сознание большинства родителей, особенно тех, которым довелось столкнуться с катастрофическими последствиями генетических нарушений.

В 1015 году китайские учёные опубликовали результаты эксперимента, в ходе которого они применяли CRISPR к эмбрионам человека. Исследователи использовали нежизнеспособные эмбрионы, но их исследование, тем не менее, стало важной вехой в истории генной инженерии: это была первая удачная попытка точно отредактировать ДНК зародышевой линии человека.

Безусловно, такие эксперименты совершенно оправданно вызывают беспокойство. Но тем не менее мы не можем упускать из виду совершенно фантастический потенциал, который дает нам возможность редактирования генов: мы можем использовать её, чтобы помочь людям, страдающим от тяжелых генетических заболеваний. Представьте себе ситуацию, когда человек, знающий, что он является носителем мутантного гена НТТ, гена, который фактически гарантирует возникновение болезни Гентингтона и, как следствие, раннего слабоумия, получил бы доступкпрепаратунаоснове CRISPR, который смог устранить мутации ДНК до появления каких-либо симптомов у пациента! Никогда прежде новые лечебные методы не были нам так доступны, и здесь важно, что при обсуждении редактирования генов человека в зародышевой стадии стоит разумно оценивать критику относительно CRISPR и не допускать того, чтобы общественное мнение препятствовало клиническим исследованиям и редактированию генов для пользы людей.

Эта книга призвана пролить свет на технологию CRISPR широкой аудитории. Книга повествует о захватывающей предыстории технологии CRISPR, в том числе о том, как начинались исследования – с бактериальной иммунной системы – и о многолетнем пути разработки методов переписывания ДНК внутри клеток. Также мы познакомимся со множеством возможностей, как настоящих, так и будущих, которые открываются человечеству благодаря CRISPR. Мы рассмотрим применение технологии к животным, растениям и людям, а также обсудим захватывающие перспективы и серьезные проблемы, связанные с новой технологией. В этой книге будут часто упоминаться имена первопроходцев в данной области науки, таких как Дженнифер Дудна и Самуэль Штернберг, а также других учёных, для того, чтобы сделать повествование более ясным и охватить всю широту и детали истории данного уникального открытия.

Мы постарались выделить некоторые из наиболее важных достижений и дать читателям представление о том, как начинались и развивались исследования в области генной инженерии среди учёных и как они сочетались между собой. Очевидно, что бесчисленное количество экспериментов сыграло важную и неоценимую роль в изучении CRISPR и редактировании генов. Глобальная дискуссия о редактировании генов уже началась, эта дискуссия – не просто научный спор в узких кругах, эта дискуссия – будущее нашего мира.

Генные редакторы: в поисках чудодейственного средства

Всю мощь открытия возможности редактирования генов будет любопытно рассмотреть на интересном примере. В США был зафиксирован случай неожиданного выздоровления пациентки: женщина, страдавшая от редкого генетического заболевания, неожиданно избавилась от всех его симптомов. Тогда, в 2013 году, учёные из Национального института здравоохранения США пытались разгадать медицинскую загадку: исследователи изучали редкое наследственное заболевание, известное как WHIM-синдром, когда им довелось столкнуться с пациенткой, состояние которой они не смогли объяснить. В начале жизни ей был поставлен данный диагноз, но когда пациентка попала к учёным из Национального института здравоохранения, все симптомы словно испарились! Эта болезнь не угрожает жизни, но чревата большим количеством снижающих качество жизни проявлений: рубцы в легких, потеря слуха, частые инфекции. Корень болезни лежит в крошечной мутации одной из 6 миллиардов составляющих ДНК человека. Эта маленькая трансформация делает жертв WHIM-синдрома глубоко восприимчивыми к заражению вирусом папилломы человека (ВПЧ), что приводит к образованию бородавок, которые иногда превращаются в злокачественные опухоли. Для лечения применяется иммуноглобулин, который снижает частоту возникновения бактериальных инфекций.

Итак, пациентка, которая была неоднократно госпитализирована в течение всей своей жизни, в медицинской литературе известна как WHIM-09, назовём её просто Ким. В 2013 году Ким, когда ей было пятьдесят восемь лет, решила показать двух своих дочерей сотрудникам Национального института здравоохранения США. Дочерям Ким было немного за двадцать и у обеих генетический анализ определил наличие мутации в гене CXCR4. Присутствовали у них и внешние проявления WHIM-синдрома. Однако врачи с удивлением заметили, что никаких признаков болезни у их матери нет. Без какого-либо медицинского вмешательства Ким оказалась здорова!

Учёные провели ряд экспериментов, чтобы понять, как Ким удалось избавиться от этой неприятной болезни, и в ходе исследований наткнулись на некоторые подсказки. Мутантный ген, ответственный за состояние Ким, все ещё присутствовал в клетках, взятых из её кожи, но в клетках крови мутация по необъяснимым причинам отсутствовала. Более детально проанализировав ДНК, взятую из клеток крови Ким, учёные обнаружили нечто ещё более необычное: исследование показало, что лейкоциты женщины уже не содержат дефектный ген, хотя в других типах клеток он по-прежнему присутствует. Рассмотрев хромосомы из лейкоцитов, медики обнаружили аномалию: одна из хромосом отличалась от другой. Полное исследование генома показало, что в хромосоме произошла перестановка ряда участков, а та часть, которая включала неисправный ген и ещё 163 других, была и вовсе утрачена.

После проведения ряда исследований и тестов учёным Национального института здравоохранения США удалось получить объяснение счастливой случайности в деле Ким. Они пришли к выводу, что в одной клетке ее тела произошло необычное явление, называемое хромотрипсис, при котором хромосома внезапно разрушается и затем снова восстанавливается, что приводит к массивной перестройке генов внутри неё. Эффекты в организме обычно бывают либо тривиальными (если поврежденная клетка немедленно умирает), либо катастрофическими (если перестроенная ДНК активирует гены, вызывающие рак). В организме Ким хромотрипсис оказал другой эффект. При сборке хромосомы были утрачены некоторые гены, в данном случае – дефектные. Мутировавшая клетка не только росла нормально, но – поскольку теперь она была избавлена от больной копии CXCR4 – она освободилась от гена, вызывающего синдром WHIM. При хромотрипсисе в небольшой области генома одномоментно происходит множество перестроек. Хромосома фрагментируется, затем ее участки собираются вновь, но порядок их следования меняется, а некоторые из них и вовсе разрушаются. Если нарушений оказывается слишком много, клетка гибнет, а в более редких случаях выживает. Хромотрипсис наблюдается при раке или врожденных заболеваниях.

У женщины с WHIM-синдромом хромотрипсис произошел в стволовых клетках, из которых при дифференциации образуются лейкоциты. Затем здоровые клетки вытеснили клетки с прежним дефектным вариантом генома и обеспечили нормальную работу всей иммунной системы.

Чтобы подтвердить свою догадку, сотрудники Национального института аллергии и инфекционных заболеваний начали проводить эксперименты – они подсаживали мышам стволовые клетки трех типов. В одних клетках было две нормальных копии гена CXCR4, в других – одна нормальная, а вторая дефектная, в клетках третьего типа содержалась нормальная копия, а вторая отсутствовала вовсе.

Позже исследователи, изучавшие состояние Ким, отметили: «В своем случае Ким была бенефициаром беспрецедентного эксперимента природы, в котором одна стволовая клетка подверглась спонтанному изменению, которое избавило клетку и все её потомственные клетки от больного гена. Проще говоря, это была благословенная случайность, которая, если бы она развернулась иначе, могла убить Ким, но вместо этого спасла ей жизнь».

Чтобы лучше понять, насколько удачным был случай с вышеуказанной пациенткой, представьте, что человеческий геном – это программное обеспечение или компьютер. В случае с Ким программное обеспечение содержало одну неисправность среди примерно 6 миллиардов, которые составляли всё ПО. Чтобы устранить проблему в программе, не нужно слепо удалять большие куски кодов или заново шифровать другие части всей программы. Помимо того что данные действия почти наверняка не помогут исправить положения, скорее всего в попытках скорректировать ошибку таким способом будет внесено ещё больше новых ошибок, чреватых серьёзными последствиями. И может лишь несказанно повезти в случае, если удастся случайно удалить именно ту крошечную составляющую, которая содержит ошибку, так, чтобы не нарушить полностью всю функцию программного обеспечения.

Именно это и произошло в геноме Ким – но в роли слепого программиста в данном случае выступила сама природа. Но как бы ни был удивителен случай Ким, ещё чудеснее то, что она в истории не одна. В научной литературе есть примеры и других пациентов, которые были частично или полностью излечены от генетического заболевания в результате случайного, спонтанного «редактирования» генома.

Например, в 1990-х годах в Нью-Йорке у двух пациентов был диагностирован генетический синдром, называемый тяжелым комбинированным иммунодефицитом (ТКИД), также известный как алимфоцитоз, синдром Гланцмана – Риникера. Тяжёлый комбинированный иммунодефицит – крайне тяжёлая форма наследственного иммунодефицита, при котором в результате дефекта одного из генов нарушается работа иммунной системы. Болезнь известна также как «синдром мальчика в пузыре», потому что страдающие от этого заболевания дети крайне уязвимы перед инфекционными болезнями и вынуждены постоянно находиться в стерильной среде. Больным необходима строгая изоляция, лечение и успешная трансплантация стволовых клеток, в противном случае дети с таким иммунодефицитом обычно умирают в течение первого года жизни от тяжёлых рецидивирующих инфекций.

Тем не менее, в Нью-Йорке два пациента с данным синдромом стали исключением из этого ужасного правила: они оставались здоровыми и в подростковом, и во взрослом возрасте. Причиной в обоих случаях, как удалось выяснить учёным, стало спонтанное исправление клетками пациентов вызывающей болезнь мутации в гене под названием ADA, – гене аденозиндезамидазы, и происходило это каким-то чудесным образом, не нарушая оставшейся части гена или хромосомы.

Подобные случаи самопроизвольного естественного редактирования генов способствовали исцелению нескольких пациентов и с другими тяжелыми генетическими заболеваниями, такими, как синдром Вискотта, – Олдрича, – редкого наследственного расстройства. У больных синдромом Вискотта – Олдрича значительно повышен риск развития злокачественных опухолей и аутоиммунных нарушений. Оказалось, что в случае с данным заболеванием около 20 процентов пациентов спасаются путем спонтанной генетической коррекции. Также встречались случаи спонтанного излечения тирозинемии, – заболевания, при котором мутации гена приводят к нарушению метаболизма тирозина с повреждением печени, почек и периферических нервов. Также при некоторых кожных заболеваниях присутствие клеток с самопроизвольно изменёнными генами видно невооруженным глазом, – например, при неприятнейшем состоянии – ихтиозе, который оставляет на коже красные шелушащиеся пятна. Клетки в этих областях несут генетическую мутацию, но клетки в окружающих здоровых участках кожи, сумевших исправить мутацию, выглядят нормально.

В целом, однако, шансы спонтанно излечиться от генетического заболевания ничтожны. Большинство пациентов никогда не испытают естественного чуда, когда их геномы неожиданно сами изменятся в лучшую сторону совершенно неожиданным образом и станут правильными клетками, находящимися в нормальных тканях. Естественное редактирование генов остается аномалией – лишь интересными медицинскими случаями с участием небольшого количества пациентов, выигравших генетическую лотерею, и не более того.

Но что, если редактирование генов можно было бы превратить из спонтанного события в управляемое? Что, если бы у врачей был способ собственноручно устранить вредные мутации, которые вызывают тяжёлый комбинированный иммунодефицит, синдром Вискотта – Олдрича, WHIM или любое другое генетическое заболевание? Многих учёных такие случаи, как с Ким, наталкивали на размышления, – не только потому что раскрывали целительную силу естественного редактирования генов, но и потому, что проливали свет на потенциальный путь медицинского вмешательства в геном: способ обратить последствия генетических заболеваний путем рационального и преднамеренного исправления ошибок.

Счастливые истории чудом излечившихся пациентов показали, что преднамеренное редактирование генов было бы возможно, если бы учёные имели генетическое ноу-хау и биотехнологические инструменты для его воплощения в жизнь. В течение десятилетий, задолго до того как пионеры, открывшие технологию CRISPR, представили миру свои фундаментальные работы, большое количество специалистов трудились над тем, чтобы получить это ноу-хау и разработать эти инструменты.

Конечно же, на самом деле учёные мечтали о редактировании генов, которое будет иметь значение для медицины, ещё задолго до того как узнали, что природа предоставит им ключи для его создания. Однако, чтобы сделать такую технологию возможной, исследователям необходимо было понять сам геном: из чего он состоит, как именно он построен и, что наиболее важно, – каким образом его можно модифицировать и манипулировать им в дальнейшем. Только обладая этими базовыми знаниями стало можно сделать первые небольшие шаги к тому, чтобы обрести возможность помогать людям, которые, в отличие от Ким, были бессильны излечить себя сами.

Геном – термин, введенный в 1920 году немецким биологом Гансом Винклером, относится ко всему набору генетических инструкций, найденных внутри клетки. Проще говоря, геном – это совокупность всего наследственного материала, заключённого в клетке любого живого организма. Геном содержит биологическую информацию, необходимую для построения и поддержания организма. Большинство геномов, в том числе геном человека и всех остальных клеточных форм жизни, состоят из 23 пар хромосом и митохондриальной ДНК. В основном идентичный от клетки к клетке, за исключением случайной мутации, геном сообщает организмам всех живых существ, как расти, как поддерживать себя и передавать гены потомству. Геном одного организма направляет его на рост плавников и жабров, которые позволяют ему двигаться и дышать под водой; геном другого инструктирует его производить листья и хлорофилл, которые позволяют собирать энергию от солнечного света. Наши внутренние физические особенности – зрение, рост, цвет кожи, предрасположенность к болезням и т. д. – тоже являются результатом информации, закодированной в геноме. Генетический код – это чередование четырёх молекулярных букв, четырёх азотистых оснований в нуклеиновых кислотах, ДНК и РНК.

Геном состоит из молекулы, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК, которая построена из четырех различных блоков. ДНК – это макромолекула, которая обеспечивает хранение и передачу из поколения в поколение генетической информации для функционирования живых организмов. Молекула ДНК хранит биологическую информацию в виде генетического кода, состоящего из последовательности нуклеотидов. Нуклеотиды – это буквы ДНК: А, G, С и Т, – сокращения от химических групп (также называемых основаниями) аденина, гуанина, цитозина и тимина, которые различают четыре соединения. Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями: аденин (А) соединяется только с тимином (Т), гуанин (G) – только с цитозином (С). Буквы этих молекул связаны длинными прямыми нитями. Нити объединяются, формируя известную структуру ДНК в форме двойной спирали. Двойная спираль напоминает скрученную лестницу. Две нити ДНК сплетаются друг с другом вдоль центральной оси, вместе они образуют два боковых рельса лестницы. Такое расположение размещает четыре различных основания внутри спирали – ступеньки лестницы. Изящной особенностью структуры является набор химических взаимодействий, которые удерживают две нити вместе на каждой ступени, что-то вроде молекулярного клея: буква А одной нити всегда соединяется с Т на другой нити, a G всегда соединяется с С. Они известны как спаренные основания ДНК.

ДНК была открыта двумя учёными: англичанином Фрэнсисом Криком и американцем Джеймсом Уотсоном. Это открытие произошло в Великобритании. Уотсон в то время работал в лаборатории Кембриджа и был чрезвычайно увлечён идеей открытия структуры молекулы ДНК. К тому времени уже имелись данные о том, что ДНК является носителем генетической информации, но нельзя сказать, что они были достаточно достоверными для учёных. Уотсон повстречался с Криком, увлеченным той же идеей; разделяя научные интересы, исследователи быстро нашли общий язык в поисках раскрытия структуры ДНК.

В то время молекула ДНК не была чем-то новым. О попытках вывести её уже было известно. ДНК интересовался швейцарский врач Фридрих Мишер ещё в 1869 году. Крик и Уотсон были твёрдо убеждены, что ключ к разгадке тайны генома находится именно выяснении структуры молекулы ДНК. Уотсон и Крик обобщили все имеющиеся у них данные и создали трёхмерную модель молекулы ДНК из куска картона, проволоки и шариков. Учёные выяснили, каким образом происходит репликация, т. е. удвоение ДНК в клетках: ДНК разделялась пополам, открепляясь в местах водородных связей, и новая ДНК синтезировалась из половины основной. Другими словами, из половины прежней молекулы образовывалась новая целая молекула ДНК. Это открытие стало одним из самых выдающихся научных событий века.

Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон, открывшие существование дублированной спирали ДНК

Как уже упоминалось выше, роль ДНК состоит в обеспечении и воспроизведении жизни, – в нуклеотидах ДНК хранится и передаётся наследственная информация.

В годы, последовавшие за открытием Уотсона и Крика, учёные пытались понять, как структура этой молекулы и довольно простые химические ингредиенты могут кодировать информацию и объяснять явления биологической жизни. Оказывается, ДНК очень похожа на секретный язык, каждая конкретная последовательность букв содержит инструкции для производства определенного белка внутри клетки. Затем эти белки выполняют большинство решающих функций в организме, таких как расщепление пищи, распознавание и уничтожение патогенных микроорганизмов и восприятие света.

Чтобы преобразовать инструкции, содержащиеся в ДНК, в белки, клетки используют важную промежуточную молекулу, называемую рибонуклеиновая кислота, или РНК. РНК – одна из трёх основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов (две другие макромолекулы – это ДНК и белки). Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК для программирования синтеза белков. Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК.

Гены и белковые продукты отличаются друг от друга последовательностью нуклеотидов в генах и аминокислот в белках. Этот общий поток генетической информации – от ДНК к РНК к белку – является языком, используемым для сообщения и выражения жизни.

Размер генома и количество содержащихся в нём генов широко варьируется в разных царствах живых существ. Например, у большинства вирусов всего несколько тысяч букв ДНК (или РНК, поскольку некоторые вирусные геномы не содержат ДНК) и небольшое количество генов. Бактериальные геномы, напротив, состоят из миллионов букв и содержат около 4000 генов. Другие же геномы имеют около 14000 генов, распределенных по сотням миллионов пар оснований ДНК. Геном человека – это целая энциклопедия, содержащая 21 000 кодирующих белок генов, написанная четырьмя буквами. Интересно, что размер генома не является показателем сложности организма: человеческий геном примерно такой же длины, что и геном мыши или лягушки, примерно в десять раз меньше генома саламандры и более чем в сто раз меньше генома некоторыхрастений.

Геномы различных живых существ выстроены совершенно по-разному. В то время как геномы большинства бактерий находятся внутри клетки и представляют собой одну продолжающуюся часть ДНК, геном человека состоит из 23 отдельных частей, называемых хромосомами, длиной от 50 до 250 миллионов букв. Как и клетки почти всех млекопитающих, человеческие обычно содержат две копии каждой хромосомы, одну от отца, одну от матери. Каждый родитель вносит 23 хромосомы, что дает потомку в общей сложности 46. Есть и исключения из этого правила, – например, у людей с синдромом Дауна есть третья копия хромосомы 21. Полный набор ядерных хромосом можно найти почти в каждой клетке организма (эритроциты являются важным исключением, поскольку у них нет ядра), но ядро – не единственное место в клетке, где обнаружена ДНК. Геном человека также включает в себя отдельную мини-хромосому – всего 16 тысяч букв ДНК, расположенных в митохондриях, – энергетических батареях клетки. В отличие от генетического кода, обнаруженного в других хромосомах, митохондриальная ДНК наследуется исключительно от матери.

Мутации в любой из 23 ядерных хромосомных пар или в хромосоме митохондрии могут вызывать генетические заболевания. Самая простая мутация – это замена. Замена одного нуклеотида другим может нарушить состав гена и вызвать образование дефектного белка. Например, при серповидноклеточной анемии, генетическом заболевании крови, 17-я буква гена, известного как бета-глобин, видоизменяется, или мутирует из А в Т. Эта мутация приводит к изменениям в транспорте кислорода в эритроцитах. Последствия этого крошечного изменения в белке – разница всего в 10 атомов – ужасны. Молекулы мутированного гемоглобина слипаются и образуют аномальные нити, которые изменяют форму эритроцитов, что приводит к анемии, повышенному риску инсульта и развития инфекций, а также сильным болям в костях. Серповидноклеточная анемия связана с мутацией гена НВВ, стимулирующего производство аномального гемоглобина S, в молекуле которого вместо глутаминовой кислоты в шестом положении β-цепи находится валин. В условиях гипоксии гемоглобин S полимеризуется, и эритроциты приобретают серповидную форму. Спектр симптомов серповидноклеточной анемии чрезвычайно широк, от повышенной утомляемости и отёчности до образования язв на ногах, закупорки сосудов в печени и селезёнке и слепоты, подверженности инфекциям, задержек в развитии. Серповидноклеточная анемия является примером рецессивного генетического заболевания. Это означает, что обе копии гена НВВ человека должны нести мутацию, чтобы человек страдал от серповидноклеточной анемии; если мутация же только в одной копии гена, то немутировавший ген может продуцировать достаточно нормального гемоглобина, чтобы преодолеть негативные эффекты мутировавшего. Однако люди с одной мутантной копией гена НВВ по-прежнему останутся носителями признаков серповидноклеточной анемии, и несмотря на то, что болеть они не будут, они всё же сохранят способность передавать мутировавший ген потомству.

Другие генетические заболевания предполагают доминантное наследование, а это означает, что для того, чтобы вызвать заболевание, достаточно лишь одной копии мутировавшего гена. Одним из примеров является упомянутый ранее WHIM-синдром, при котором одна тысячная буква гена CXCR4 видоизменяется из С в Т; мутантный ген создает гиперактивный белок, который доминирует в функционировании здорового гена.

Серповидноклеточная анемия и WHIM-синдром являются примерами генетических заболеваний, вызванных простыми мутациями замещения (ошибочная замена одной буквы ДНК на другую). Но генетические заболевания также могут быть и результатом вставок в ДНК и удаления компонентов из ДНК. Например, нейродегенеративное расстройство, известное как хорея Генгтинтона, развивается вследствие мутации гена НТТ на 4-й хромосоме, вызывающей патологическое увеличение в молекуле ДНК числа копий, кодирующих аминокислоту глутамин. В результате этого на основе гена синтезируется крупный белок гентингтин, имеющий в своем составе удлиненную цепочку из глутаминовых остатков, накапливающихся внутри нейронов и приводящих к развитию заболевания, патогенез которого окончательно не известен. Чем больше содержится копий, тем раньше дебютирует заболевание и сильнее выражены его симптомы. Количество этих копий может увеличиваться в последующих поколениях и тем самым приводить к более тяжелым фенотипам заболевания в семье.

И наоборот, удаления являются виновниками наиболее распространенного типа муковисцидоза – опасного для жизни генетического заболевания, которое поражает в первую очередь легкие. Муковисцидоз является системным наследственным заболеванием, обусловленноым мутацией гена, вследствие которой поражаются железы внешней секреции и возникают тяжёлые нарушения работы органов дыхания. В основе заболевания лежит мутация в гене CFTR, который локализован в середине 7-й хромососы. Удаление трех букв генетического кода в гене CFTR приводит к тому, что белок лишается важной аминокислоты и поэтому не функционирует должным образом.

Другие заболевания возникают, когда сегменты гена инвертированы (то есть расположены в обратном порядке) или когда сегменты или даже целые хромосомы ошибочно дублируются или удаляются.

Мы знаем генетические причины многих заболеваний благодаря относительно недавнему появлению секвенирования ДНК, – процесса, который позволяет учёным читать и записывать содержание человеческого генома буква за буквой. Секвенирование – это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК. После того как первые методы секвенирования были разработаны (в 1970-х годах), учёные начали кропотливо искать коренные генетические причины самых известных наследственных заболеваний.

Огромный скачок был сделан в этой области после завершения международного проекта «Геном человека» в 1990 году. Его целью было определить полную последовательность нуклеотидов в человеческом геноме. Основной объём работ выполнялся в университетах и исследовательских центрах США, Канады и Великобритании. Этому масштабному начинанию способствовали новая технология, которая позволила клонировать большие куски человеческой ДНК, а также значительные улучшения в лабораторных исследованиях и разработка сложных вычислительных алгоритмов, которые помогли проанализировать данные секвенирования. В 2001 году был опубликован первый вариант генома.

С момента завершения проекта «Геном человека» процесс секвенирования ДНК и целого генома стал быстрым, дешевым и эффективным. Учёные точно определили более четырех тысяч различных видов мутаций ДНК, которые могли вызвать генетические заболевания. Секвенирование ДНК может сообщить людям о том, имеют ли они повышенный риск развития определенных видов рака, а это в свою очередь может помочь адаптировать специфические методы лечения так, чтобы они наилучшим образом соответствовали генетическим особенностям разных пациентов. Кроме того, теперь, когда коммерческий анализ последовательности ДНК стал общепринятым и стоит не слишком дорого, миллионы людей решили проанализировать свои собственные геномы, что легко можно сделать просто отправив образец слюны в лабораторию по почте. Полученный в результате усилий учёных объём данных помог выявить важные связи между тысячами вариантов генов и рядом физических и поведенческих особенностей.

Тем не менее, хотя секвенирование генома представляет собой огромный прогресс в изучении генетических заболеваний, оно в конечном итоге является диагностическим инструментом, а не формой лечения. Секвенирование позволило учёным увидеть, как генетические заболевания пишутся на языке ДНК, но не дало возможности вторгаться в этот язык и менять его для пользы человечества; научиться читать на новом языке и научиться писать на нём – совершенно разные вещи. Учёным был необходим новый набор инструментов.

Исследователи мечтали о лечении болезней, связанных с мутациями в ДНК, с тех пор, как узнали о существовании этих генетических заболеваний. Несмотря на то что одни учёные начали определять первопричины генетических нарушений, другие настойчиво искали новые методы лечения этих заболеваний – не просто предоставляя пациентам лекарства для временного смягчения неблагоприятных воздействий мутировавшего гена, но и для восстановления самих генов, чтобы навсегда переломить течение болезни. Возьмём лишь один, к сожалению, общий пример: серповидноклеточную анемию часто лечат переливанием крови, медикаментами и трансплантацией костного мозга. Не лучшим ли решением было бы нацелиться на мутацию самой причинной ДНК так, чтобы исправить её?

Учёные в ту пору исследований ДНК знали, что лучшим решением для лечения генетических заболеваний стало бы исправление самого гена с дефектом, иными словами, мечтали научиться преднамеренно делать то, что природа сделала случайно, когда вылечила упомянутую Ким и других счастливчиков. Однако же для ученых того времени сама идея излечения генетических заболеваний путем переписывания мутировавшего генетического кода казалась просто невозможной к воплощению в реальность. Исправление дефектного гена было бы похоже на поиск иголки в стоге сена и последующее извлечение этой иголки, причём не нарушая целостности всего стога. Тем не менее исследователи подозревали, что могут сотворить нечто подобное путём добавления генов-заместителей в поврежденные клетки. Вопрос был в том, каким же путём внедрить этот драгоценный материал в поражённый участок.

Вдохновлённые удивительной способностью вирусов встраивать новую генетическую информацию в ДНК бактериальных клеток, пионеры этой ранней генной эпохи поняли, что, возможно, таким путём они могут использовать вирусы для доставки нужных генов в организм человека.

Первые зарегистрированные попытки сделать это были предприняты в конце 1960-х годов Стэнфилдом Роджерсом, американским врачом, который изучал вирус, вызывающий образование бородавок у кроликов, – вирус папилломы Шоупа. Роджерс особенно интересовался одним аспектом вируса Шоупа: вирус заставлял кроликов производить в избыточном количестве аргиназу, фермент, который организм кроликов использовал для нейтрализации аргинина, вредной аминокислоты. В организмах больных кроликов было намного больше аргиназы и намного меньше аргинина, чем у здоровых кроликов. Более того, Роджерс обнаружил, что у исследователей, которые работали с вирусом, уровень аргинина в крови был ниже нормы. По-видимому, эти учёные заразились вирусом от кроликов.

Роджерс подозревал, что вирус Шоупа отправляет ген в клетку, чтобы повысить продукцию аргиназы. Он был поражён способности вируса передавать генетическую информацию настолько эффективно, и задался вопросом, может ли сгенерированная копия передавать другие, полезные гены для получения интересующих исследователей результатов. Через много лет Роджерс вспоминал: «Тогда стало ясно, что в процессе изучения болезни открыт новый терапевтический метод».

Роджерсу не пришлось долго ждать появления болезни, которая дала бы возможность проверить его теорию. Всего несколько лет спустя у двух немецких девушек было диагностировано генетическое заболевание, характеризуемое недостаточностью аргиназы. Подобно кроликам, инфицированным вирусом папилломы Шоупа, в организмах этих двух пациенток уровень аргинина был ненормальным, но не низким, а наоборот, чрезвыйчайно повышенным. Ген, который вызывал продукцию аргиназы, – тот самый ген, который, как подозревал Роджерс, передавался с вирусом Шоупа, вовсе отсутствовал либо мутировал.

Роджерс знал, что раннее вмешательство в болезнь, особенно в случае младшей из двух немецких пациенток, может предотвратить худшие из последствий болезни. Также Роджерс знал, что многие вирусы при инфицировании клетки не вредят ей, именно таким был вирус папилломы Шоупа. Это обстоятельство позволило использовать его для попытки лечения девушек. Тогда Роджерс вместе со своими немецкими коллегами решил ввести огромные дозы очищенного вируса Шоупа прямо в кровоток пациенток.

К сожалению, экспериментальная генная терапия не увенчалась успехом. Инъекции оказали небольшое влияние на девушек, а самого Роджерса широко осуждали за процедуру использования данных инъекций, которую многие учёные считали безрассудной и преждевременной.

Возможность использования собственной информации вирусов были показана Роджерсом на примере вируса папилломы Шоупа, который несет в своем геноме информацию для синтеза специфического энзима – аргиназы и, несмотря на то, что Роджерс никогда больше не пытался проводить генную терапию снова, его попытка использования вирусов в качестве переносчиков генов произвела революцию в области биологии. Эксперимент не удался, но сам его факт оказался полезным для науки, и на сегодняшний день использование вирусов является одним из наиболее эффективных способов введения генов в геном клетки и, таким образом, даёт возможность изменить генетический код живых организмов.

Несколько специфических признаков делают вирусы эффективными в качестве переносчиков генетического материала в клетки. Они обладают исключительной способностью проникать в клетки любого типа. Пока существует жизнь, организмам всех царств – бактерий, растений, животных – приходится бороться с вирусами-паразитами, единственная цель которых захватить клетки, вставить в них свою собственную ДНК и обмануть клетки путём создания всё большего количества своих копий внутри. Вирусы научились использовать практически каждое уязвимое место в защитной системе клетки, чтобы внедриться и захватить её. Вирусы усовершенствовали стратегии вброса своей генетической информации внутрь клетки. В качестве инструмента для внедрения новой информации в клетку вирусные частицы поразительно надежны; исследователи, работающие с вирусами, могут вводить гены в клетки-мишени с эффективностью почти 100 процентов. Таким образом, для первопроходцев, использовавших вирусы в терапевтических целях, они были палочкой-выручалочкой, своеобразными троянскими конями.

Вирусы настолько умны и хитры, что знают не только как внедрить свою ДНК внутрь клетки чужеродного организма, но также как заставить новый генетический код удерживаться в этой клетке. В 1920-1930-х годах, в первые годы генетических исследований, сфокусированных на бактериях, учёные были озадачены уникальной способностью вирусов появляться, казалось бы, ниоткуда и вызывать инфекции. Последующие исследования продемонстрировали, что эти вирусы способны расщеплять свой геном в бактериальную хромосому и оставаться необнаруженными до тех пор, пока условия не станут подходящими, чтобы они могли начать развитие активной агрессивной инфекции.

Ретровирусы, большой класс, который включает вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), делают то же самое с людьми, встраивая свой генетический материал в геном инфицированных клеток, поэтому уничтожить ретровирусы очень сложно.

Генная терапия представляет собой лечение наследственных и приобретенных заболеваний путем введения в соматические клетки пациента генетических элементов для восстановления или подавления функций генов и придания клеткам заданных свойств. После первых попыток генной терапии в 1960-х годах эта область совершила скачок вперёд благодаря революции с использованием рекомбинантной ДНК – универсального термина для генетического кода, созданного в лаборатории, а не природой. Используя новые инструменты биотехнологии и новые биохимические методы, учёные в 1970-1980-х годах разработали способы вырезки и вставки сегментов ДНК в геном и научились изолировать определенные последовательности генов. Это позволило вставлять т. н. терапевтические гены в вирусы, а также удалять опасные гены для того, чтобы вирусы, внедряясь в клетки, больше не наносили им вред. Иными словами, исследователи превратили эти вирусы в своеобразные полезные лифты для доставки полезной генетической информации к желаемой цели.

К концу 1980-х годов, после того как переоснащённые ретровирусы были успешно использованы для введения лабораторно созданных генов мышам, началось тестирование генной терапии в клинических условиях. Френч Андерсон и его коллеги из Национального института здоровья первыми дошли до финиша. Они разработали многообещающий переносчик информации, дополненный здоровой копией гена аденозиндеаминазы, гена, который мутирует у пациентов, страдающих от тяжелого комбинированного иммунодефицита, – алимфоцитоза, при котором в результате дефекта одного из генов нарушается работа компонентов адаптивной иммунной системы. Их целью было использовать генную терапию для постоянной интеграции немутантного гена ADA в клетки крови пациентов с иммунодефицитом, что позволило бы производить недостающий белок – шаг, который, как надеялся Андерсон и его коллеги, излечит болезнь. К сожалению, результаты этого новаторского клинического испытания оказались неутешительными; переоснащённый вирус не нанес вреда реципиентам, но оценить его эффективность не представлялось возможным.

Однако с того раннего эксперимента, проведённого десятилетия назад, в генной терапии были достигнуты феноменальные успехи. Улучшения в конструкции вирусных переносчиков информации и в методах, используемых для их внедрения, привели к чрезвычайно обнадеживающим результатам генной терапиии тяжёлого иммунодефицита у десятков пациентов, страдающих данным заболеванием. Более того, Европейская комиссия одобрила препарат Strimvelis, который представляет собой первую генную терапию для детей, предназначенную для лечения тяжелого комбинированного иммунодефицита.

Strimvelis – это генная терапия, которая создается для каждого конкретного пациента на основе его собственных клеток. Принцип такой терапии заключается в том, что в ДНК предварительно удаленных пораженных стволовых клеток костного мозга пациента внедряют нормальную копию гена аденозиндезаминазы. Затем исправленные клетки вводят обратно в организм. Чтобы генетически модифицированные клетки лучше прижились, перед процедурой пациент проходит низкодозовую химиотерапию.

Френч Андерсон – американский врач, генетик и молекулярный биолог. Известен как отец генной терапии.

Помимо этого, к 2016 году было проведено более 2 тысяч испытаний генной терапии различных болезней. В результате удалось расширить диапазон заболеваний, которые стало возможно лечить данными способом. С этого времени генная терапия позволяет корректировать такие наследственные заболевания, как муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна, гемофилия, некоторые формы слепоты и растущее число сердечно-сосудистых и неврологических заболеваний.

Между тем область иммунотерапии рака, где борющиеся с опухолью клетки оснащаются генами, нацеленными на молекулы, специфичные для опухолей, была названа одним из наиболее многообещающих достижений в лечении онкологии.

Но несмотря на ажиотаж генная терапия не стала панацеей, на которую так надеялись врачи и учёные; порой кажется, что она принесла больше вреда, чем пользы. Область генной терапии претерпела встряску в 1999 году, когда пациент умер после перенесенного массивного иммунного ответа на высокую дозу введённых вирусных переносчиков. Затем, в начале 2000-х годов, у пятерых пациентов в ходе испытаний генной терапии для лечения иммунодефицита развился лейкоз. Рак возник в результате случайной активации ретровирусом онкогена – гена, который заставил клетки бесконтрольно размножаться. Этот случай подчеркнул риски, связанные с внедрением в клетки пациентов большого количества чужеродного агента и случайного внедрения нескольких тысяч букв ДНК в их геномы. Безусловно, эта серия клинических исследований была столь же захватывающей, как и слишком рискованной и отчаянной.

Генная терапия по самой своей природе неэффективна для широкого спектра генетических состояний, причиной которых не является отсутствие или недостаток генов. Такие ситуации не могут быть исправлены путем добавления новых генов в клетки. Возьмём к примеру хорею Гентингтона, при которой измененный ген производит аномальный белок, полностью перекрывающий действие второй, здоровой копии гена. Поскольку мутировавший ген доминирует над немутантным, простая генная терапия – добавление ещё одной нормальной копии гена с использованием переоснащённого вируса – не будет влиять на болезнь Гентингтона. Для этой и многих других трудно поддающихся лечению генетических заболеваний необходимо найти способ восстанавливать дефективные гены, а не просто вытеснять их. Если бы учёные могли исправить дефективный код, вызвавший проблему, то они смогли бы нацелиться на доминантные заболевания, не заботясь о последствиях сращивания гена в неправильном месте.

Достижение такой возможности заинтриговало учёных. В начале 1990-х годов Дженнифер Дудна и Брюс Салленгер не раз обсуждали это в лаборатории Университета Колорадо. Одной из идей, которой они увлеклись, была мысль о том, что молекулы РНК, эти посредники между ДНК и белками в клетках, могут быть изменены таким образом, чтобы исправлять мутации, которые переносят из ДНК. Учёные также обсуждали возможность редактирования исходного кода таких дефектных РНК.

В 1980-х годах, когда одни исследователи совершенствовали генную терапию, основанную на вирусах-переносчиках генного материала, другие искали более простые методы трансформации клеток млекопитающих с использованием ДНК, изготовленной в лабораторных условиях. Эти базовые методы были предназначены в основном для исследований, но по прошествии десятилетий учёные начали изучать их терапевтический потенциал в клетках человеческого организма.

Эти подходы обладали некоторыми ключевыми преимуществами по сравнению с более сложными методами переноса генов. Во-первых, они действовали намного быстрее; вместо того чтобы заниматься сложным процессом перемещения нужных генов в реконструированные вирусы, учёные могли вводить созданную в лабораторных условиях ДНК непосредственно в клетки живого организма или позволить клеткам поглощать эту ДНК, поместив клетки в специально приготовленную смесь из ДНК и фосфата кальция. Во-вторых, эти более простые методы были прямо противоположны сложной технике расщепления вируса для проникновения в клетку – клетка сама могла объединять чужеродную ДНК со своей собственной, хотя на то время и не совсем эффективно.

Мыши были первыми подопытными животными при тестировании этих методов внедрения новой генетической информации, и учёные в свою очередь поразились тому, насколько эффективными оказались новые методы при применении их на крошечных существах. Внедрив новую ДНК в оплодотворенные яйцеклетки мышей, а затем имплантировав эти яйца самкам, исследователи обнаружили, что могут постоянно передавать чужеродную ДНК следующему поколению и вызывать наблюдаемые изменения у развивающихся животных. Эти достижения означали, что любой ген, выделенный и клонированный в лаборатории, можно было проверить, исследовать и проводить эксперименты над ним; добавляя ген в клетки, учёные наблюдали эффекты и лучше понимали функцию гена.

Как именно ДНК попадала в геном? Марио Капекки, профессор Университета в штате Юта, занялся этим вопросом в начале 1980-х годов после удивительного наблюдения. Он обратил внимание на порядок следования множества копий гена, вставленных в геном. Капекки обнаружил: вместо того чтобы копии генов беспорядочно распределялись по хромосомам, они всегда группировались в одной или нескольких областях, причем многие копии накладывались друг на друга, как будто намеренно.

Капекки наблюдал эффекты процесса, называемого гомологичной рекомбинацией – хорошо известного к тому времени явления, но не того, который учёный ожидал увидеть в этом эксперименте. Гомологичная рекомбинация представляет собой тип генетической рекомбинации, при которой происходит обмен нуклеотидными последовательностями между двумя похожими или идентичными хромосомами. Это широко используемый клетками способ устранения повреждений ДНК. В наиболее известном варианте гомологичная рекомбинация происходит во время образования яйцеклеток и сперматозоидов, когда два набора хромосом, которые мы наследуем от родителей, сводятся к одному, чтобы объединиться со вторым набором. Клетки выбирают смесь отцовской и материнской хромосом; несмотря на ошеломляющую сложность смешивания, сопоставления и повторной сборки миллионов букв ДНК, клетки могут сделать это безупречно, используя гомологичную рекомбинацию. Этот же процесс происходит во всех царствах жизни; бактерии, например, обмениваются генетической информацией посредством гомологичной рекомбинации, а биологи годами используют гомологичную рекомбинацию для проведения генетических экспериментов на дрожжах.

Впоследствии Капекки построил на основе гомологичной рекомбинации генетический таргетинг – процесс, при котором в геном организма вносятся искусственные изменения. За развитие этой технологии Марио Капекки и ряд других учёных, среди них Мартин Эванс и Оливер Смитис, были удостоены в 2007 году Нобелевской премии по физиологии и медицине.

К осознанию пользы этой технологии учёные окончательно пришли спустя всего три года после исследования Капекки. Возможность целенаправленно вставлять информацию в гены стала реальностью благодаря статье, опубликованной Оливером Смитисом и его коллегами. Работая с клетками человека, полученными из опухоли, учёные намеревались заменить копии клеток гена бета-глобин искусственной рекомбинантной версией, созданной в лаборатории. Невероятно, но сработало! Это не потребовало от учёных причудливых уловок, они смешали нужную ДНК с фосфатом кальция и впрыснули ее в клетки – несколько клеток приняли чужеродную ДНК; затем соединили последовательности ДНК, встроенные в лаборатории, с соответствующими им последовательностями ДНК в геноме, и произвели некоторые молекулярные перестановки с заменой старого материала новым.

Клетки, казалось, могли сделать большую часть тяжелой работы по модификации их геномов самостоятельно. Это означало, что учёные могли привносить гены в клетки более аккуратным путём, без использования вирусов, чтобы внедрить новую ДНК в геном. Обманывая клетку, заставляя ее «думать», что рекомбинантная ДНК является просто дополнительной хромосомой, которую необходимо соединить с соответствующим геном, уже имеющимся в ее геноме, учёные могли обеспечить объединение новой ДНК с существующим генетическим кодом посредством гомологичной рекомбинации. Потенциал генетиченского таргетинга для исследований был обнадёживающим. Но Смитис знал, что гомологичная рекомбинация также может быть использована в терапевтических целях. Если бы учёные могли выполнять аналогичное нацеливание на гены в стволовых клетках крови пациента, страдающего серповидноклеточной анемией, мутировавший ген бета-глобина мог бы быть заменен нормальной, здоровой последовательностью составляющих. Но всё же учёные знали, что это открытие, бывшее тогда экспериментальным подходом, сможет быть когда-нибудь использовано для лечения болезней.

Марио Капекки – американский молекулярный генетик, лауреат Нобелевской премии по физиологии или медицине за создание и развитие метода нокаута генов

К концу 1980-х годов генетический таргетинг уже широко использовался для редактирования ДНК не только в культивируемых клетках мыши и человека, но даже и в самих живых мышах. Основополагающая работа в лаборатории Мартина Эванса продемонстрировала, что таргетинг генов в эмбриональные стволовые клетки мыши и затем введение этих модифицированных клеток обратно в эмбрионы мышей позволяет создавать живых мышей с конструктивными изменениями.

Однако несмотря на потрясающие возможности, которые открылись учёным, обнаружившим, что гены всё-таки возможно видоизменять, в раннюю эпоху генной инженерии первые годы были потрачены на фундаментальные исследования в области редактирования генов, нежели на практическое применение генетического таргетинга в профилактических или лечебных целях. Для генетиков, изучающих гены млекопитающих и пытающихся найти различные пути для лучшего понимания функций генов, генетический таргетинг стал настоящей находкой, технологией, которая сулила выигрыш. Но исследователи в области медицины с огромной осторожностью экспериментировали с генетическим таргетингом на людях, поскольку, несмотря на его эффективность, когда дело доходило до его использования для лечения заболеваний, гомологичная рекомбинация оставляла желать лучшего.

Возможно, самым большим недостатком была проблема негомологичной (незаконной) рекомбинации, где ДНК случайным образом интегрируется в геном, а не поступает в него чётко последовательно. Но учёные выяснили, что на деле незаконная рекомбинация преобладает над гомологичной примерно в 100 раз. Было ясно, что медицинское использование генной терапии с целью лечения в таком случае было бы крайне затруднительным. Учёные разрабатывали элегантные пути, чтобы обойти проблему в клетках, и не теряли надежду на будущее применение новой технологии в медицине. Как отметил Капекки в начале 1990-х годов: «В конечном итоге, гомологичная рекомбинация для генной терапии человека – единственный путь!» Но на то время казалось, что редактирование генов просто недостаточно хорошо изучено для применения с пользой для людей.

В начале 80-х годов, когда многие были заняты размышлениями о генетическом таргетинге в клетках человека, Джек Шостак ломал голову над процессом деления дрожжевых клеток. Профессор Гарвардской медицинской школы решил основательно углубиться в проблему генетического таргетинга и гомологичной рекомбинации. Шостак хотел конкретнее понять, как две нити ДНК из одной хромосомы могут объединяться с двумя совпадающими нитями ДНК из второй хромосомы, обмениваться информацией находясь на промежуточной стадии слияния, а затем снова разделяться, чтобы заново сформировать отдельные хромосомы, после того как клетки разделятся.

В 1983 году Шостак решил, что нашел ответ. Основываясь на результатах генетических экспериментов с дрожжами, он и аспирант Терри Орр-Уивер вместе с профессорами Родни Ротштейном и Фрэнклином Сталем опубликовали провокационную модель, в которой рассматривали путь репарации двуцепочечных разрывов и которая толковала многие интересующие учёных детали об обмене генетической информацией. К 1986 году Шостак уже переключил свои исследования на роль молекул РНК в ранней эволюции жизни. Но в исследовательских кругах и лабораториях всё ещё активно обсуждалась модель, представленная Шостаком, – модель двуцепочных разрывов, о которой звучали как положительные мнения, так и откровенный скептицизм научного сообщества. Но со временем стало ясно, что эта модель разработана на основе обширных экспериментальных данных. Механизм репарации двухцепочечных разрывов имел смысл не только для гомологичной рекомбинации, которая происходила во время образования яйцеклеток и сперматозоидов, но также и для рекомбинации, которая происходила всякий раз, когда ДНК была повреждена.

Все клетки подвергаются воздействию ДНК-повреждающих агентов, таких как рентгеновское излучение и канцерогены, но клетки чрезвычайно эффективны в восстановлении этих разрывов без потери генетической информации. Согласно модели Шостака этот процесс восстановления зависел от способности хромосом к гомологичной рекомбинации. Получалось, что любое повреждение одной хромосомы можно было исправить, просто скопировав соответствующую последовательность на вторую хромосому.

В случае, если модель двуцепочечных разрывов была верной, а выводы, сделанные из исследований дрожжей актуальны и для млекопитающих, то существовала очевидная возможность повысить эффективность редактирования генов: разрезать геном именно в том месте, где нужно внести в него изменения. Если учёным нужно было заменить дефектный ген в геноме созданной в лаборатории исправленной копией, то сначала им требовалось выяснить, как разрезать дефектный ген на части, с локальным двухцепочечным разрывом ДНК, и затем внедрить исправленную копию гена. Столкнувшись с разрывом, клетка попыталась бы восстановить повреждение путем поиска подходящей хромосомы для копирования – и в этот момент она нашла бы синтетический ген, созданный учёными. По сути, учёные таким образом просто-напросто обманули бы клетку, заставив её «думать», что она была повреждена естественным образом, после чего начала репарироваться.

Специалисты лаборатории профессора Марии Ясин, исследователя из онкологического центра имени Слоуна-Кеттеринга, стали первыми играть в эту тонкую игру, решив провести эксперименты на клетках млекопитающих в 1994 году. Остальные учёные с интересом наблюдали за новаторской работой, построенной на модели двухцепочечного разрыва. Эксперимент по редактированию генов в лаборатории Ясин был весьма изобретательным. Ее стратегия заключалась в том, чтобы ввести такой фермент в клетки мыши, который разрезал геном на части, создавая двухцепочечный разрыв; в то же время она добавляла в клетки кусочек синтетической ДНК – шаблон для восстановления – который соответствовал вырезанной последовательности ДНК. Позже она проверяла, восстановили ли клетки мыши поврежденную ДНК, подключив внедрённый шаблон. Проведя один итот же эксперимент с добавленным ферментом и без него, Ясин смогла проверить свою гипотезу: искусственно созданный двухцепочечный разрыв повышает эффективность гомологичной рекомбинации.

Задача заключалась в том, чтобы придумать такой жизнеспособный фермент, который вырезал бы геном в одном конкретном месте из миллиардов возможных. Чтобы решить эту проблему, Ясин ловко украла молекулярный кусочек у дрожжей: эндонуклеазу I-Scel. Нуклеазы – это ферменты, которые расщепляют нуклеиновые кислоты; некоторые разрезают РНК, другие ДНК.

I-Scel, которую выбрала Мария Ясин, была одной из самых специфических эндонуклеаз, известных в то время, для которой требовалось идеальное совпадение 18 последовательных букв ДНК, чтобы разрезать конкретный сегмент цепи. Выбор именно этой эндонуклеазы был вполне обоснован: если бы Ясин выбрала случайный фермент, то он бы повсеместно разрезал геном, не только затрудняя интерпретацию результатов, но и нанося вред клетке-хозяину. Однако, учитывая специфичность линии из 18 букв подряд, I-Scel вырезал бы лишь одну последовательность ДНК из более чем 50 миллиардов возможных комбинаций (по иронии судьбы, у генома мыши даже не было соответствующей последовательности букв, поэтому перед попыткой эксперимента по редактированию генов Марии Ясин пришлось вставить копию последовательности в геном, чтобы фермент мог совершить расщепление в необходимом месте).

Результаты эксперимента Ясин оказались поразительны. Ей удалось заставить 10 процентов клеток точно восстановить мутировавший ген с помощью гомологичной рекомбинации. Возможно, сейчас этот показатель покажется низким, чтобы судить об успешности проведённого эксперимента, но на тот момент это был результат, в сотни раз превышающий достигнутые ранее. Это было самым многообещающим доказательством того, что процесс может позволить учёным переписать код генома без риска незаконной рекомбинации или случайного расщепления, как в случае с использованием переносчиков-ретровирусов. Всё, что требовалось от учёных, – ввести двухцепочечный разрыв в нужном месте, и клетки практически сделают всю работу за них.

С середины 1990-х годов исследователи бросились разрабатывать новые системы, которые, как I-Scel, могли бы точно нацеливаться на конкретные последовательности букв в ДНК. Учёные знали, что если они решат эту проблему, то смогут раскрыть весь потенциал редактирования генов. К системам редактирования генов следующего поколения предъявлялось три требования: они должны были способны распознавать определенную, желаемую последовательность ДНК; они должны были иметь возможность расщепить эту последовательность ДНК; и они должны были быть легко перепрограммируемы, чтобы отправлять их в отдельные участки для расщепления различных последовательностей ДНК. Соблюдение первых двух критериев было нужно для создания двухцепочечного разрыва, а третий необходим для широкого использования инструмента. I-Scel преуспел в первых двух, но с треском провалился на третьем. Чтобы создать программируемую систему разрезания ДНК, биоинженеры решили, что им нужно будет либо переоборудовать I-Scel для нацеливания и разрезания новых видов последовательностей, либо найти совершенно новый нуклеазный фермент, который уже эволюционировал до возможности расщепления различных последовательностей ДНК.

Усилия учёных по реорганизации I-Scel не увенчались успехом (что неудивительно, учитывая огромную молекулярную сложность белковых ферментов), и быстро стало очевидно, что поиск других нуклеазных ферментов будет гораздо более перспективным подходом. Фактически, после эксперимента Марии Ясин с I-Scel, учёные уже выделили десятки нуклеаз из широкого спектра организмов и определили точные последовательности ДНК, на которые они нацелены. Но была фундаментальная проблема: подавляющее большинство этих ферментов распознавало последовательности длиной всего шесть или восемь букв – слишком короткие для того, чтобы быть полезными. Эти последовательности встречались в человеческом мире десятки тысяч или даже сотни тысяч раз в человеческом геноме, что означает, что даже если бы нуклеаза могла стимулировать гомологичную рекомбинацию в одном гене, она уничтожила бы почти весь геном в процессе. Клетка будет уничтожена, прежде чем она сможет начать восстановление ДНК.

Исследователи не могли полагаться ни на одну из уже известных ранее нуклеаз, и было нецелесообразно искать новые ферменты для расщепления ДНК, такие, как I-Scel, всякий раз, когда возникала необходимость редактирования нового гена. Если редактирование генов в лечебных целях должно было стать действительным методом исправления мутаций, вызывающих заболевания, врачи не могли просто ждать, пока учёные придут к открытию той нуклеазы, которая будет целенаправленно рассекать конкретную область гена, в котором у пациента обнаруживалась вредоносная мутация.

В 1996 году было проведено исследование, меняющее парадигму, которое представило решение этой проблемы. В исследовательском университете Балтимора профессор Сринивасан Чандрасегаран понял, что вместо создания нуклеаз с нуля, поиска новых в природе или переделывания I-Scel он может использовать гибридный подход, выбирая части белков, которые существовали в природе, и комбинировать их. Он считал, что такие химерные нуклеазы будут отвечать первым двум требованиям нуклеазы, необходимой для редактирования генов: они смогут распознавать и вырезать определенную последовательность ДНК.

Чандрасегаран приступил к экспериментам с химерной нуклеазой, пытаясь адаптировать её для расщепления последовательности ДНК на определённых отрезках. Но как же внести двухцепочечный разрыв именно туда, куда нужно? Собственно задачу разрезания ДНК отлично выполняет нуклеаза Fold – белок, способный разрезать любую последовательность ДНК на некотором расстоянии от места распознавания. Именно его и применил профессор для своих экспериментов. Он использовал семейство встречающихся в природе белков, называемых белками цинковых пальцев, которые названы так, потому что они распознавали ДНК, используя удлинения, похожие на пальцы, удерживаемые вместе ионами цинка и расположенные рядом, как пальцы руки. Каждый цинковый палец, или ZFN (англ. – zinc-finger nucleases, ZFN), как правило, узнает три определенных нуклеотида.

Невероятно, но способ, открытый Чандрасегараном, работал. Его команда наглядно продемонстрировала, что, комбинируя разные цинковые пальцы, можно создать белок, который в клетке будет направленно привлекаться к определенной последовательности ДНК. Если прикрепить такой домен к нуклеазе, то полученный белок будет разрезать ДНК только в нужном месте! Вскоре Чандрасегаран стал сотрудничать с профессором Университета Юты Даной Кэрролл с целью научиться использовать эти цинксодержащие белки-нуклеазы. Вместе учёные продемонстрировали, что ZFN так же эффективны, если применить их к клеткам лягушек (популярная модельная система для биологов), и что ZFN-индуцированное разрезание ДНК стимулирует гомологичную рекомбинацию. Затем, проводя эксперименты на плодовых мушках, учёные из лаборатории Кэрролла запрограммировали новые ZFN для нацеливания на ген, участвующий в пигментации желтого тела, и показали, что эта стратегия может привести к точным генетическим изменениям в целом организме. Это стало очень важным событием для генного редактирования. Мало того, что ZFN были достаточно практичны для использования на животных, но, что было ещё более важным, они могли быть адаптированы для таргетинга на новые гены.

Более широкому научному сообществу, наблюдавшему за исследованиями учёных в области редактирования генов, достижение пришлось по нраву и возымело такой успех, что они тут же принялись разрабатывать ZFN для своих целей, пытаясь нацелить и на новые гены и работая над новыми моделями живых организмов. В 2003 году Мэтью Портеус и Дэвид Балтимор стали первыми, кто показал, что ген в клетках человека может быть точно отредактирован с помощью специально созданного ZFN. Вскоре после этого профессор генетики, геномики и эмбриологии Федор Урнов и его коллеги исправили мутацию, вызывающую Х-связанный тяжелый комбинированный иммунодефицит. Федор Урнов и его коллеги работали над человеческими Т-клетками с мутацией в гене, ответственном за Х-связанный тяжелый комбинированный иммунодефицит (SCID-X).

Они сконструировали ДНК-нуклеотиды с сильным сродством к мутации гена DICS-X. В присутствии двухцепочечной ДНК, называемой донором, введенной с плазмидой и несущей здоровую версию гена, эти нуклеазы вызывают расщепление ДНК, создавая благоприятные условия для гомологичных рекомбинаций между ДНК донора и ДНК клетки. Казалось, возможность использования стратегии редактирования генов для выявления генетических заболеваний никогда не была более реальной прежде!

Между тем ZFN были также приняты к использованию лабораториями, заинтересованными в редактировании генов для совершенно разных целей, таких как производство точно спроектированных сельскохозяйственных культур или моделей животных. В конце 2000-х годов эта технология была успешно применена к растениям табака и кукурузе, демонстрируя, что двухцепочечные разрывы ДНК способствовали высокоэффективной гомологичной рекомбинации во многих типах клеток, а не только в клетках млекопитающих. Одновременно стали появляться сообщения о том, что ZFN использовались для модификации генов у рыб, червей, крыс и мышей. Эта интригующая работа привлекала внимание всё большего числа различных специалистов благодаря захватывающему потенциалу.

Но несмотря на многообещающие эксперименты, ZFN никогда не были широко приняты вне кулуаров. Исследователи, которые использовали их, имели большой опыт в области белковой инженерии, сотрудничали с несколькими лабораториями, которые уже имели подобный опыт применения ZFN, либо же большие кошельки, чтобы платить за конструирование необходимой именно им нуклеазы. Проектирование ZFN оказалось простым – всё, что было нужно сделать учёным, – это просто объединить различные сегменты цинкового пальца таким образом, чтобы они распознавали последовательность ДНК, которую требовалось редактировать. Но применить данный маневр на практике было очень сложно. Большая часть недавно разработанных ZFN просто не распознавала последовательности ДНК, как ожидалось; другие же могли точно распознать участок ДНК для расщепления, но проблемы возникали в ходе последнего.

По тем же причинам, по которым переоборудование I-Scel оказалось непростым, учёным не удалось сделать и ZFN достаточно удобным и полезным инструментом для редактирования генома. Безусловно, результаты экспериментов с ZFN убедительно доказали, что спроектированные нуклеазы – подспорье на пути к цели редактирования генов, но данная область всё ещё ждёт появления качественного нового вида технологии, которая будет более надежной и простой в использовании.

Эта технология – по крайней мере, первая её версия, – была открыта в 2009 году, она основана на исследованиях новых типов белков, обнаруженных в бактериях рода Ксантамона, патогенных бактериях, заражающих растения. Из них были выделены эффекторы, подобные активаторам транскрипции, белки под названием TALE (transcription activator-like effector). Белки растительного патогена Ксантамона обладают свойствами активаторов транскрипции в растительных и животных клетках и связываются со специфическими нуклеотидными последовательностями ДНК, которые соединены с доменом неспецической бактериальной эндоеуклеазы Fold. Эти белки по своей структуре очень похожи на белки цинкового пальца: они построены из множества повторяющихся сегментов, каждый из которых распознает определённую область ДНК. Но есть различие: когда каждый цинковый палец распознает трехбуквенную последовательность ДНК, каждый сегмент в TALE распознает одну букву ДНК. Это различие позволило вывести код для сегмента, который будет распознавать данную букву ДНК, затем учёные расположили сегменты один за другим, чтобы распознать более длинную последовательность ДНК в гене.

Началась активная работа для исследования этой находки. Вскоре после того как код был обнаружен, три лаборатории объединили белки TALE с тем же модулем расщепления ДНК, который использовался в случае с ZFN, и создали нуклеазы, подобные транскрипционному активатору назвав их TALENs. TALENs были чрезвычайно эффективны для инициации редактирования генов внутри клеток, и после того как исследователи внесли некоторые улучшения в их дизайн и конструкцию, TALENs, казалось, было бы гораздо проще создавать и внедрять в клетки, чем ZFN.

Как только TALENs были обнаружены и адаптированы для редактирования генов, их вытеснило следующее открытие в области редактирования генов. Технология носила название CRISPR, и именно она ознаменовала вступление редактирования генов в новую эпоху научной истории.

Crispr-зоопарк

Помидоры, которые можно месяцами хранить в кладовке, наблюдая, как они медленно дозревают и не портятся; растения, которые лучше переносят изменения климата; комары, не способные переносить малярию и вирус Зика; супермускулистые собаки в помощь полицейским; коровы, у которых больше не растут рога. Звучит невероятно, не правда ли? Но на самом деле все вышеописанные существа и организмы уже существуют благодаря редактированию генов. И это только начало. В тот момент, когда вы читаете эти строки, CRISPR революционизирует мир вокруг независимо от того, готовы вы к этому или нет. В течение следующих нескольких лет эта новая биотехнология даст нам более урожайные культуры, более здоровый скот и более питательные продукты. В течение нескольких десятилетий вполне могут появиться не только свиньи, созданные с помощью генной инженерии, которые смогут служить донорами человеческих органов, но и шерстистые мамонты, крылатые ящерицы и единороги. И это не шутка.

Действительно, дух захватывает от осознания того, что мы находимся на пороге новой эры в истории жизни на Земле – эпохи, когда люди заполучили беспрецедентный уровень контроля над генетическим составом видов, населяющих нашу планету. Скоро CRISPR позволит нам подчинить природу своей воле так, как люди мечтали с доисторических времен. Если эта воля будет направлена на что-то конструктивное, результаты могут быть фантастическими, но они также могут иметь и непреднамеренные или даже катастрофические последствия. Сила воздействия отредактированных генов на растения и животных уже ощущается в научном сообществе и сельском хозяйстве.

Например, исследователи, использовавшие CRISPR для модернизации живых организмов, смогли создать модели заболеваний человека у животных, с гораздо большей точностью и гибкостью, чем раньше. Получилось создать модели заболеваний не только у мышей, но и у других животных, организмы которых лучше всего демонстрируют конкретное заболевание, представляющее интерес для изучения. Учёные уже задействовали обезьян для исследования аутизма, свиней для изучения болезни Паркинсона или хорьков для лучшего понимания гриппа.

Одним из наиболее интересных аспектов технологии CRISPR является то, как она позволяет изучать особенности, уникальные для определенных организмов, такие как регенерация конечностей у мексиканских саламандр, старение у рыб и развитие скелета у ракообразных. Весьма интересны записи и рисунки экспериментов с CRISPR – измененные рисунки крыльев бабочек, генетические основы которых обнаружили, или инфекционные агенты, способные проникать в ткани человека. Подобные исследования открывают новые истины о мире природы и о генетическом сходстве, которое связывает все организмы вместе. Они очень интересны.

Уже существуют приложения для редактирования генов, которые больше напоминают научную фантастику, чем контент научных журналов. Например, вы удивитесь, узнав, что несколько исследовательских групп используют CRISPR для «очеловечивания» различных генов у свиней в надежде, что однажды страшная жизненная проблема многих больных – нехватка донорских органов для пересадки, может быть решена с помощью трансплантации органов, выращенных у свиней (или других животных), в организм человека. Для подтверждения того, что в настоящее время возможно изменять внешний вид животных, компании использовали технологии редактирования генов для создания новых искусственно сгенерированных зверей, таких как свиньи, гены которых никогда не дадут им вырасти крупнее маленьких собак. Некоторые лаборатории предпринимают начинание, известное как «возрождение», которое является не чем иным, как воскрешением вымерших видов животных посредством клонирования или генной инженерии. Бет Шапиро, профессор Калифорнийского университета в Санта-Крузе, с энтузиазмом использует эту стратегию, воссоздавая вымершие виды птиц, для изучения их связи с современными видами. В том же духе, с помощью использования CRISPR, уже предпринимаются усилия по постепенному преобразованию генома слона в геном шерстистого мамонта.

По иронии судьбы CRISPR может также позволить достичь и обратного эффекта: насильственного уничтожения нежелательных животных или патогенов. Да, когда-нибудь в ближайшем будущем CRISPR может быть использована для уничтожения целых видов – применение технологии, которое было сложно вообще когда-либо представить.

Некоторые из усилий в этой и других областях естественного мира имеют огромный потенциал для улучшения здоровья и благополучия человека. Другие же напротив легкомысленны, причудливы или даже опасны. Необходимо осознавать все риски, связанные с редактированием генов, особенно в свете его бурного развития и использования. CRISPR дает нам возможность радикально и необратимо изменить биологическую сферу, предоставляя нам способ переписать молекулы жизни на Земле любым желаемым способом. На данный момент, возможно, этот вопрос недостаточно обсуждается – в научных кругах не столь много дискуссий о возможностях, которые открывает технология CRISPR – и для блага, и для зла. Это очень захватывающий момент в науке о жизни, но мы не можем позволить себе слишком увлечься. Важно помнить: несмотря на то, что CRISPR обладает огромным и неоспоримым потенциалом для улучшения мира вокруг нас, вмешательство в генетические основы нашей экосистемы также может иметь непредвиденные последствия. Только мы несем ответственность за предварительную оценку предполагаемых последствий и за участие в глобальной, публичной и всеобъемлющей дискуссии о том, как наилучшим образом использовать редактирование генов в мире природы, пока не стало слишком поздно.

В 2004 году команде учёных из Европы удалось разгадать давнюю загадку, с которой имели дело селекционеры ячменя. Исследователям удалось обнаружить генные мутации, которые сделали это растение устойчивым к пагубному грибку, вызывающему болезнь, известную как мучнистая роса, – болезнь, которая долго являлась проблемой для фермеров, производящих элитные сорта ячменя по всей Европе. Мучнистая роса – заболевание растений, вызываемое микроскопическими эктопаразитическими грибами из порядка мучнисторосяных. Поверхность листьев поражённого растения покрывается белым налётом, на котором впоследствии возникают капли жидкости, отчего данное заболевание и получило название «мучнистая роса». Учёным удалось выделить мутантный, устойчивый к грибкам штамм ячменя, – его можно было отследить в семенах ячменя, собранных в зернохранилищах в юго-западной Эфиопии во время немецких экспедиций в конце 1930-х годов. Там, спустя некоторое время после одомашнивания ячменя (около 10 тысяч лет назад), мутированная версия гена под названием М1о появилась спонтанно и была выбрана фермерами, которые стремились выращивать только самые здоровые и самые урожайные растения.

CRISP-измененные крылья бабочек

Этот спровоцированный человеком эволюционный процесс – естественная мутация – сопровождается искусственным отбором, а не естественным, каким он был на протяжении столетий. Как отметил в своей речи в 1901 году агроном Лютер Бербанк, – виды растений не были фиксированными и неизменными, а скорее «пластичными в наших руках, словно глина в руках гончара или краски на холсте художника, которые легко можно превратить в более красивые формы и цвета, о которых мечтает любой художник или скульптор».

Фактически само открытие мутантного гена М1о в ячмене было сделано благодаря эксперименту с немецким сортом ячменя, облученном рентгеновскими лучами в 1942 году. Учёные обнаружили, что если подвергать семена воздействию радиации или замачивать их в химических веществах, вызывающих мутации, это способствовало заселению генома спорадическими новыми мутациями, благодаря которым можно было бы вырастить растения с желаемыми признаками.

Мутантные штаммы, полученные при помощи этих методов, генетически изменены неизвестными способами среди сотен или даже тысяч различных генов. Если среди этих случайных генетических изменений штаммы обнаруживают сходные мутации, такие как в гене Mlo, все полученные в результате растения могут иметь желаемый признак – в данном случае устойчивый к грибкам ячмень. Спустя десятилетие после выявления в 2004 году защитной мутации Mlo у ячменя, разрушение этого же гена было связано с устойчивостью к мучнистой росе у некоторых других растений. Это привело к пониманию того, что многие другие культуры могут быть наделены устойчивостью к мучнистой росе путем изменения гена Mlo.

В этом и заключается будущее редактирования генов. По сравнению с обычными методами разведения, включая естественный мутагенез, генезис с использованием рентгеновских лучей или химикатов и гибридизацией между различными видами растений (что наводняет геном тысячами новых генов) CRISPR и родственные ей технологии дают учёным уровень контроля над геномом, который не имеет аналогов. Возможности этой технологии для сельского хозяйства были подчеркнуты, когда в 2014 году учёные из китайской Академии наук использовали инструменты редактирования генов, в том числе CRISPR, для изменения шести копий гена Mlo в пшенице Triticum aestivum, одной из самых важных основных культур в мире. Растения, которые имели все шесть мутированных генов Mlo, были устойчивы к мучнистой росе, – фантастический результат, и, кроме того, исследователям не нужно было беспокоиться о вредных или нежелательных эффектах любых других мутаций, поскольку были отредактированы только гены Mlo. Независимо от того, являются ли желаемыми изменения генов (как в случае с геном Mlo), исправления генов, вставка генов или удаление генов, учёные могут изменять геном с беспрецедентной точностью и делать это практически с любым геномом и любой последовательностью ДНК.

Мучнистая роса является лишь одним из примеров сельскохозяйственных проблем, которые можно решить с помощью CRISPR. За несколько лет с момента своего создания технология CRISPR использовалась для редактирования генов в рисе, которые обеспечивают защиту этого растения от бактериальных болезней, снижающих урожайность; использовалась она и для придания кукурузе, соевым бобам и картофелю естественной устойчивости к гербицидам – химическим веществам, применяемым для уничтожения сорняков; также при помощи CRISPR были созданы грибы, которые не поддаются преждевременной порче и не темнеют.

Ученые использовали CRISPR для редактирования генома сладких апельсинов, а команда калифорнийских академиков и сейчас пытается применить эту технологию, чтобы спасти индустрию цитрусовых в США от бактериальной болезни растений, называемой хуанлун, – это китайское название переводится как «болезнь желтого дракона». Болезнь уже опустошила части Азии и теперь угрожает фруктовым садам во Флориде, Техасе и Калифорнии. Между тем в Южной Корее учёный Джин-Су Ким и его коллеги надеются, что редактирование генов в бананах может помочь спасти ценный сорт бананов Кавендиш, которому угрожает распространение разрушительного почвенного гриба от вымирания. Во многих других точках Земли исследователи манипулируют с возможностью введения целой бактериальной системы CRISPR, перепрограммированной для того, чтобы обеспечить сельскохозяйственные культуры совершенно новой противовирусной иммунной системой.

Особенно интригуют возможности использования генного редактирования с целью производства более здоровой пищи. Здесь можно привести два ярких примера. Первый пример касается соевых бобов, из которых получают около 50 миллионов тонн соевого масла в год. К сожалению, соевое масло содержит высокие уровни трансжиров, которые врачи связывают с повышением уровня холестерина и риском возникновения болезней сердца. Но недавно учёные-диетологи из компании Calyxt, что находится в Миннесоте, использовали технологию редактирования генов на основе нуклеаз TALEN для того, чтобы изменить два гена сои, создав семена с резко сниженным количеством вредных жирных кислот и общим содержанием жира, аналогичного его количеству в оливковом масле. Диетологи достигли этого простой генной манипуляцией, не вызывая никаких непреднамеренных мутаций и не вводя чужеродную ДНК в геном.

Другой пример генного редактирования с целью сделать пищу более здоровой касается картофеля – третьей по величине в мире культуры после пшеницы и риса. Длительное хранение этого продукта в холодильнике, необходимое для увеличения срока годности, может привести к вызванному холодом подслащиванию – явлению, при котором крахмалы превращаются в сахара, такие как глюкоза и фруктоза. Любой процесс приготовления пищи с использованием высокой температуры, необходимой для получения, например, картофеля фри или чипсов, превращает эти сахара в акриламид, – химическое вещество, которое представляет собой нейротоксин и потенциальный канцероген. В жареных или запечённых продуктах такой нейротоксин образовывается, как правило, при температурах выше 180 °С. Используя редактирование генов, исследователи решили: они инактивируют единственный ген, который продуцирует глюкозу и фруктозу. Результатом стало 70-процентное снижение уровня содержания акриламида в картофельных чипсах.

Конечно, в целом исследователи в области пищевых продуктов пребывают в восторге от возможностей такого лёгкого редактирования генов. Но возникает серьезный вопрос: будут ли производители и потребители спокойно воспринимать эти тысячи культур, геномы которых были определённым образом видоизменены с помощью рентгена, гамма-лучей и химических мутагенов? Или отредактированные культуры постигнет та же участь, что и ГМО, – когда генетически измененные пищевые продукты встретила невероятная волна критики несмотря на её огромный потенциал для пользы людей?

Поскольку технология CRISPR распространилась по всему миру, продовольственная политика играет одну из ключевых ролей. Зная, что растения и животные с отредактированными генами неизбежно будут сравниваться с ГМО, Дженнифер Дудна посвятила целое исследование использованию термина «генетически модифицированный организм». Например, министерство сельского хозяйства США определяет генетическую модификацию как «производство наследственных улучшений в растениях или животных для особых целей, – с помощью генной инженерии или других более традиционных методов». Безусловно, это широкое толкование ГМО может охватывать более новые технологии, такие как редактирование генов, также как и более старые методы, применяемые для улучшения пищевых продуктов. Действительно, согласно этому определению, почти каждый продукт, который мы едим, кроме лесных грибов, ягод и дикой рыбы, может считаться генномодифицированным.

Однако более распространенное определение ГМО подразумевает только те организмы, генетический материал которых был изменен с использованием технологии искусственного введения новых генов в геном. С 1994 года, когда было представлено первое коммерчески выращенное ГМО-растение, одобренное для потребления человеком – медленно созревающий томат, известный как Flavr Savr, в Соединённых Штатах Америки для коммерческого выращивания было разработано и одобрено более 50 ГМО-культур, в том числе кукуруза, хлопок, папайя, рис, соя, тыква. В 2015 году 92 процента всей кукурузы, 94 процента хлопка и 94 процента всех соевых бобов были генетически сконструированы таким образом.

Измененные культуры имеют ряд значительных экологических и экономических преимуществ. Посадив культуры, которые обладают повышенной способностью защищать себя от вредителей, фермеры могут получить более высокую урожайность, одновременно снижая зависимость от использования агрессивных химических пестицидов и гербицидов. Генная инженерия также спасла целые отрасли промышленности от поражения вирусами, и она может вскоре оказаться критически важной для защиты других фруктов, таких как бананы и сливы, которым угрожают новые патогенные микроорганизмы.

Несмотря на эти преимущества и факт потребления сотнями миллионов людей ГМО-продуктов без каких-либо проблем и последствий, эти продукты остаются объектом громкой критики, пристального общественного внимания и резких протестов, большинство из которых по сути беспочвенны. Критика ГМО была сосредоточена на небольшом количестве исследований, в которых утверждалось, что в ходе их было выявлено неблагоприятное воздействие ГМО на здоровье потребителей или окружающую среду, например, утверждалось, что ГМО-картофель вызывал рак у крыс, а также что ГМО-кукуруза убивала бабочек-монархов, но эти сообщения были дискредитированы в результате многих последующих исследований, а затем осуждены широким научным сообществом. Фактически, ГМО были подвергнуты более тщательному нормативному контролю, чем какие-либо другие новшества, и существует практически единодушное мнение, что ГМО-продукты ничуть не менее безопасны, чем обычные продукты питания. ГМО получили поддержку Всемирной организации здравоохранения, Американской медицинской ассоциации, Королевского медицинского общества в Великобритании. Но, тем не менее, почти 60 процентов опрошенных считают ГМО небезопасными.

Разрыв между научным консенсусом и общественным мнением на тему ГМО вызывает тревогу – по меньшей мере, так отражается нарушение чёткой коммуникации между учёными и обществом в целом. Уже за относительно короткое время работы над CRISPR Дженнифер Дудна обнаружила, насколько сложно поддерживать конструктивный, открытый диалог между этими двумя мирами, но также и то, насколько необходим этот вид общения для развития научных открытий.

Восприятие ГМО как чего-то неестественного и извращенного является тому примером. Почти всё, что мы едим, было изменено людьми, часто путем генерирования случайных мутаций в ДНК семян, используемых для селекции растений с получением желаемых признаков. Таким образом, различие между «естественным» и «неестественным» было скрыто – красные грейпфруты, созданные с помощью нейтронного излучения, арбузы без косточек, полученные из химического соединения колхицина, яблоневые сады, в которых каждое дерево является идеальным генетическим клоном своих соседей – ни один из этих аспектов современного сельского хозяйства не является естественным. Всё же, тем не менее, большинство из нас употребляет эти продукты в пищу, не предъявляя к ним претензий.

CRISPR и связанные с ней технологии редактирования генов ещё больше усложняют дискуссию о генетически модифицированных продуктах, размывая границы между ГМО– и не ГМО-продуктами. Обычные ГМО содержат чужеродные гены, случайным образом вставленные в геном; эти гены производят новые белки, которые придают организму-продукту полезную черту признак, которым он ранее не обладал. Организмы с отредактированными генами, напротив, содержат крошечные изменения существующих генов, которые наделяют организм полезной чертой, изменяя уровни белков, которые уже были в нём с самого начала, без добавления какой-либо чужеродной ДНК. В этом отношении организмы с изменённой генной составляющей часто ничем не отличаются от организмов, продуцируемых химикатами и радиацией, вызывающими мутации. Кроме того, учёные применяют на практике методы, позволяющие избежать каких-либо следов вмешательства CRISPR в его гены. Например, молекулы CRISPR могут быть подготовлены, очищены и собраны в лаборатории, а затем внедрены в клетки растений при помощи быстродействующего метода так, что они немедленно приступят к работе над геномом. В течение нескольких часов CRISPR отредактирует интересующий ген и затем будет разрушена. Возможно, со временем этот вид безошибочного редактирования генов сможет завоевать общественное признание и принятие культур и других растений, улучшенных этими точными методами.

Споры об организмах с отредактированными генами бурно набирает обороты, сейчас о них говорят больше, чем когда бы то ни было. Первые протесты по поводу новой технологии под руководством активистов были проведены в 2016 году. Активисты, внимание которых ранее было сосредоточено на ГМО, тогда перекинулись на технологию CRISPR и даже начали угрожать её исследователям.

Одна из самых больших проблем, стоящих перед сельскохозяйственными компаниями, фермерами, потребителями и особенно перед чиновниками, заключается в том, как классифицировать и регулировать генетически отредактированнные культуры. Многие учёные классифицируют их как продукты, полученные путём использования новых методов селекции, или NBT (new breeding techniques), в то время как оппозиция считает, что продукты культур с изменёнными генами – это не что иное, как скрытые ГМО, и что учёные пытаются обманным путём сделать всё, чтобы они оказались на полках магазинов. Во многом проблема сводится не только к самому конечному продукту, но и к процессу, в результате которого он был получен. Имеет ли значение следующее: чтобы сделать пшеницу устойчивой, например, к мучнистой росе, использовалась новая технология редактирования генов, даже если полученный сорт пшеницы ничем не отличается от того, какой теоретически мог быть получен путём естественной или индуцированной мутации?

В настоящее время новые генетически отредактированные зерновые культуры сталкиваются с рядом нормативных препятствий со стороны регулирующих органов в различных государственных инстанциях. Процесс их утверждения является долгим и дорогим и включает в себя перечень требований, которые многим кажутся излишними. Многие мелкие компании вообще не имеют доступа к сфере ГМО из-за непомерных затрат, что позволяет крупным агропредприятиям монополизировать рынок. Удивительно, но даже академикам трудно изучать генетически модифицированные культуры и проводить эксперименты над ними на полях из-за ограничений.

К счастью, ситуация начинает меняться. Например, министерство сельского хозяйства США уже начало информировать компании о том, что новому поколению генетически отредактированных культур не будет требоваться одобрение министерства – хотя они все ещё должны будут быть одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.

Устойчивая к гербицидам сельскохозяйственная культура канола, полученная путем редактирования генов, была одобрена для использования в Канаде. Точно так же соевые бобы и картофель с отредактированными генами с помощью инструмента для направленного разрезания ДНК нуклеазами TALEN были пропущены Министерством сельского хозяйства США, как и 30 других типов генетически модифицированных растений. И хотя CRISPR является относительно новым явлением, есть прогнозы, что растительные продукты на основе CRISPR появятся на рынке через десять лет.

До тех пор, пока отношение общественности к генетически улучшенным продуктам не поменяется, мы не сможем извлечь выгоду из полного потенциала технологии CRISPR. Биотехнология может помочь укрепить нашу продовольственную безопасность, предотвратить недоедание, адаптироваться к изменению климата и затормозить ухудшение состояния окружающей среды во всем мире. Однако этот прогресс будет недостижим до тех пор, пока учёные, компании, правительства и общественность в целом не будут действовать вместе для того, чтобы это произошло. Каждый из нас может внести свой вклад в это партнёрство самым простым образом. Этот вклад начинается с непредвзятого отношения к новшествам.

Агробизнес заинтересован в применении CRISPR не только к сельскохозяйственным культурам; в ближайшем будущем данная технология также будет широко применяться к домашнему скоту. Тем не менее, учитывая огромные препятствия, с которыми сталкиваются ГМО-растения, животные, к которым будут применяться генное редактирование, вероятно, столкнутся со многими из тех же регуляторных препятствий и, скорее всего с ещё большим противостоянием со стороны общественности. Здесь, опять же, мы можем многое выиграть и, возможно, ещё больше потерять.

Первое генно-инженерное животное – быстрорастущая порода ГМО-лосося – появилось на рынке только после двадцатилетней борьбы его создателей с управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. Этот генно-спроектированный лосось содержит дополнительный ген гормона роста, в результате чего рыба достигает необходимого веса в два раза быстрее обычного лосося без внесения каких-либо изменений в его пищевой рацион и без повышения риска для здоровья рыбы или людей, которые употребляют её в пищу. Защитники продукта утверждают, что этот лосось является настоящим благом для окружающей среды, потому что его выращивание увеличило бы запасы дикой рыбы в природе. Предполагается, что выращивание трансгенного лосося вместо рыбной ловли поможет ослабить давление на популяции диких рыб, поскольку мировые запасы рыбы подвергаются чрезмерной эксплуатации, в то время как спрос на рыбу растёт.

Тем не менее, как и в случае с культурами ГМО, негативная реакция на генетически модифицированного лосося была очень резкой; противники заклеймили его прозвищем Франкенфиш и заявили, что лосось ставит под угрозу как здоровье потребителей, так и экосистемы диких рыб.

В начале 2000-х годов японская команда исследователей разводила свиней, содержащих ген, который изменял способ, которым организмы животных усваивали жирные кислоты; у трансгенных свиней был более здоровый жировой профиль, однако работу учёных осудили, и свиньи так и остались животными, не вышедшими за стены лаборатории.

Примерно в то же время команда из Канады вывела enviropig – экосвинью. Трансгенная свинья была создана при использовании генетического материала мыши и кишечной палочки Е. Coli с целью снижения уровня фосфора в экскрементах животного. Организмы этих экологически чистых трансгенных свиней содержали ген, который позволял животным лучше переваривать фосфорсодержащее соединение, называемое фитатом. Обычный свиной навоз содержит высокий уровень фосфора, который может способствовать бурному росту водорослей, которые вызывают цветение воды, гибель водной фауны и выработку парниковых газов, присутствие которых в атмосфере приводит к появлению парникового эффекта. Навоз экосвиньи содержал на 75 процентов меньше фосфора, что могло бы принести огромную пользу планете и людям, которые жили и работали возле свиноферм. Но несмотря на это и на заверения учёныхо безопасности изобретения, потребители осудили enviropig, в результате чего спонсоры проекта отказались сотрудничать с учёными. Выведенная новая порода свиней была умерщвлена в 2012 году.

На фоне подобных случаев перспективы видоизменения других животных кажутся мрачными. Но опять же, всё зависит оттого, как генетическимодифицированные животные определяются со стороны регулирующих органов и общественности. Генномодифицированного лосося получают из обычного атлантического лосося (сёмги) путем внедрения гена роста от самого крупного тихоокеанского лосося – чавычи. Помимо этого, ещё один фрагмент ДНК, полученный из бельдюги, помогает активировать этот ген. А что, если бы вместо этого учёным каким-либо образом удалось отредактировать геном лосося так, чтобы увеличить производство его собственного гена гормона роста без добавления какой-либо чужеродной ДНК? Будут ли тогда потребители и регулирующие органы по-прежнему считать лосося генномодифицированным?

Этот вопрос наверняка возникнет в ближайшем будущем, учитывая быстрые темпы исследований и разработок в области животноводства с применением генной модификации. Первые генно-спроектированные животные уже были созданы в лаборатории, и то, когда они будут представлены на рассмотрение регулирующим органам – всего лишь вопрос времени. Как и в случае с лососем, к животным будет применяться генное модифицирование, не только способствующее их росту, но также и увеличивающее массу: в отличие от лосося они не будут расти быстрее, но в конечном итоге окажутся гораздо крупнее и мясистее своих сородичей.

Используя новые возможности точного редактирования генов CRISPR и связанных с ней технологий учёные создали коров, свиней, овец и коз с отредактированными генами, – таких домашних животных, которые приобрели совсем другой облик: они стали более сильными и мускулистыми, чем обычные; эти животные имели невероятно развитую мышечную систему, иными словами, приобрели черту, которую называют «двойная мускулатура». Эта мутация отнюдь не является каким-то причудливым изобретением, она вдохновлена самой природой так же, как и черта ячменя, который приобрёл устойчивость к мучнистой росе. Фермерам, разводящим крупный рогатый скот, было известно о двойной мускулатуре в течение многих лет из-за того, что она часто встречалась среди двух популярных пород рогатого скота: бельгийской голубой и пьемонтской коров.

Бельгийская голубая корова обладает экзотической внешностью, у неё чрезвычайно развиты мышцы – она и правда выглядит странно, едва ли не устрашающе. Из-за своего мускулистого облика эта порода коров окружена огромным количеством неоправданных слухов о своём происхождении. Пьемонтскую корову также характеризует отличная мускулатура и высокая производительность нежирного мяса. У бельгийской голубой и пьемонтской коров в теле на 20 процентов больше мяса, чем у обычных, что делает их мечтой производителей говядины.

В 1997 году было выявлено, что за эту исключительную форму развития мышц ответственен один ген. Это ген под названием миостатин, также известный как фактор роста, – белок, подавляющий рост и дифференцировку мышечной ткани. Миостатин ведет себя как естественный тормоз для производства мышечной ткани в организме. Две породы крупного рогатого скота, которые были изучены в лабораториях, имеют разные виды мутаций в данном гене – у бельгийских голубых коров отсутствует одиннадцать букв ДНК, в то время как у пьемонтских коров присутствует мутация всего лишь в одной букве, но в обоих случаях белковый продукт гена миостатина является дефектным. В некотором смысле природа отразила предыдущие генетические эксперименты над мышами, где опыты с миостатином порождали сходных мускулистых существ, которые весили в два-три раза выше среднего исключительно из-за мышечной массы, а не жира.

Коровы – далеко не единственные животные, среди которых встречается естественная двойная мускулатура. Овцы тексель, популярной голландской породы, которая ценится за постное мясо и мускулистое телосложение, также содержат мутацию в гене, кодирующем миостатин. Овцы тексель имеют пропорциональное мощное тело прямоугольной формы с ровной спиной. Мускулатура этих овец отлично развита, что даёт выгодные показатели при получении мяса. Также чрезвычайно мышечно развиты собаки уиппет – породы собак, которая произошла от борзых и которую часто используют в собачьих гонках, поскольку животные имеют не только самую высокую скорость бега среди собак-конкурентов в данном весе, но и самое быстрое ускорение при беге среди собак в мире. Представители этой породы обладают широкой грудью и массивной мускулатурой ног и шеи, также вызванные двумя отсутствующими буквами ДНК в гене, кодирующем миостатин.

Нечто похожее на двойную мускулатуру встречается и у людей. В 2004 году группа врачей из Берлина опубликовала любопытное исследование, описывающее мальчика, который был необычайно мускулистым с рождения – ребёнок обладал очень рельефными мышцами бедер и предплечий. У ребенка продолжали аномально развиваться выраженные мышцы этих частей тела до четырех лет, он запросто выполнял силовые упражнения, на которые не способны не только дети его возраста, но и большинство взрослых. Например, мальчику удавалось вытягивать перед собой руки, в каждой из которых он держал по трёхкилограммовой гире. Учитывая сходство его мускулатуры с двойной мускулатурой у коров и мышей, а также развитую мускулатуру у родственников, врачи предположили, что такое телосложение может объясняться генетикой. Учёные после детальных исследований на молекулярном уровне обнаружили, что обе копии гена, кодирующего миостатин у мальчика, содержали мутации, и что у его матери, в прошлом профессиональной спортсменки, был лишь один мутантный ген. Распространенность мышечной гипертрофии, или двойной мускулатуры, крайне редко встречается у людей: с тех пор был зарегистрирован, по крайней мере, ещё один подобный случай в семье из Мичигана.

Может ли феномен чрезвычайно развитых мышц, если достигать его путём использования преднамеренных мутаций, то есть стимуляции роста мышц путем инактивации гена миостатина, стать терапией для лечения заболеваний, истощающих мышцы, – например таких, как мышечная дистрофия? Некоторые учёные даже начали фантазировать о редактировании гена миостатина у нормальных людей, чтобы раскрыть усиленную сверхчеловеческую силу – хотя очевидно, что последствия такого рода несущественного редактирования генов у людей вызывают обоснованное беспокойство.

В отличие от использования генетического редактирования для человека его применение к скоту вполне обосновано: оно может использоваться для создания новых разновидностей животных с признаками, которые дают им преимущество перед сородичами. Во-первых, лишь незначительные улучшения в геномах животных могут привести к значительному увеличению производства пищевых продуктов. Учёные уже использовали редактирование генов для разработки новых пород коров с двойной мускулатурой, овец, свиней, коз и кроликов. Не сложно представить, какое огромное значение эти животные имели бы для людей, если бы можно было сделать их доступными для манипуляций фермерами.

Бельгийские голубые коровы

Мы бы получили высокие урожаи нежирного мяса одновременно с низким содержанием жира, что является основной целью разведения в животноводческой отрасли, а редактирование генов предлагает очень простой способ достижения этих результатов. Так, от свиней, гены которых были отредактированы, удалось получить особей, у которых более чем на 10 процентов больше постного мяса, чем у их неотредактированных собратьев. Помимо этого удалось снизить содержание общего жира в организме и достичь повышения нежности мяса. При этом пищевая ценность мяса, развитие животных, их рацион и общее состояние здоровья не были затронуты. Поскольку в изменённом свином геноме не прослеживалось следов трансгенов, производители надеются, что будущее таких свиней будет регулироваться государственными органами так же, как и в случае с такими животными, как бельгийская голубая корова, у которой двойная мускулатура возникла благодаря естественным мутациям.

Овцы тексель

Поскольку CRISPR позволяет легко редактировать несколько генов, она позволяет добавлять испытуемым животным одновременно множество новых черт и признаков. Например, китайские учёные, работающие с козами, нацелены на работу не только с миостатином, но также и на работу с геном фактора роста, который контролирует длину шерсти у коз.

У людей естественные мутации в гене фактора роста вызывают усиленный рост ресниц, и учёные стали связывать подобные мутации с длиной шерсти у кошек, собак и даже ослов. Учёные выполнили редактирование генов у кашемировых овец, которых фермеры разводили как с целью производства мяса, так и для получения шерсти, волокна которой используются для производства кашемира. Учёные подсадили 416 матерям-реципиентам зародышей, в результате чего родилось 93 детёныша, 10 из которых содержали мутации в обоих генах. Улучшенные козы смогли послужить отправной точкой для выведения новой породы, которая стала приносить мяса и шерсти в разы больше.

Собака yunnem

Другие учёные используют инструменты редактирования генов для изменения воспроизводства животных так, чтобы потомство кур состояло исключительно из самок (на птицефабриках цыплят-самцов, как правило, отбраковывают в течение одного дня после вылупления), а крупный рогатый скот имел исключительно мускулистых детенышей-самцов (это связано с тем, что организм коровы преобразовывают корм в мышцы гораздо менее эффективно); чтобы выращиваемая на ферме рыба стала стерильна и, соответственно, не смогла загрязнять естественные запасы, а свиньи набирали вес при сниженном количестве корма.

В Австралии команда учёных пытается изменить у цыплят ген, отвечающий за производство одного из наиболее распространенных аллергенных белков в куриных яйцах; аналогичная стратегия применяется для удаления аллергенов из коровьего молока.

Гены животных также можно редактировать с целью сделать их более здоровыми и более устойчивыми к болезням, что убедительно продемонстрировали эксперименты на свиньях. Одно из основных заболеваний, с которым сталкиваются фермеры-свиноводы, вызвано вирусом, известным как репродуктивно-респираторный синдром свиней (РРСС), который, будучи подтверждённым в Соединенных Штатах Америки в конце 1980-х годов, быстро распространился по Северной Америке, Европе и Азии. Вирус РРСС со времён открытия окрестили «мистической болезнью» и болезнью синего уха, поскольку среди прочих симптомов, таких как значительное повышение температуры и отсутствие аппетита, у свиней временно синели уши. РРСС – это болезнь, связанная с самым большим экономическим ущербом в свиноводстве. Заболевание свиней этим вирусом обходится производителям свинины в США более чем в 500 млн долларов в год и снижает количество полученной свинины на 15 процентов, а сами животные страдают от этой болезни целыми стадами; инфицированные свиньи мучаются от целого ряда симптомов, включая анорексию, лихорадку, повышенную частоту самопроизвольных абортов и серьезные проблемы с дыханием. Программы вакцинации от заболевания вирусом РРСС до сих пор были безуспешными, из-за чего фермерам приходилось вводить в корма для свиней высокие дозы антибиотиков с целью предотвращения вторичных бактериальных инфекций. Это был один из немногих доступных вариантов лечения животных.

Вдохновленная теориями о том, что именно специфический свиной ген CD 163 позволял вирусам захватывать клетки свиней, команда из Университета Миссури стремилась создать устойчивых к вирусу свиней путем инактивации этого гена в их организмах (очень похоже на смену замка от входной двери хозяином, потерявшим ключ). После использования CRISPR для создания особенных свиней исследователи из Миссури отправили животных в Канзасский университет вместе с поросятами, гены которых не были отредактированы, с целью сравнения, контроля и проверки на восприимчивость обоих типов свиней к вирусам. Там свиньи находились под постоянным наблюдением, они подвергались воздействию около сотни тысяч вирусных частиц. В итоге эксперимента свиньи с отредактированными генами остались абсолютно здоровыми и проявили полную устойчивость к вирусу.

Эта стратегия – защита свиней от заражения вирусом путем уничтожения генов, от которых напрямую зависят сами вирусы, – настолько эффективна, что учёные в разных уголках планеты приняли её и стали применять для снижения заболеваемости животных и потерь при производстве мяса.

Время покажет, примет ли общество этих новых генетически модифицированных животных. Исследователи, по крайней мере, уверены, что потребители не будут оспаривать такое небольшое усовершенствование, которое в конечном счете помогает нам получать более здоровых животных, к тому же это изменение индуцировано самой природой, которая лишь дала экспериментаторам подсказку.

Еще один пример редактирования генов у домашнего скота мы можем рассмотреть на работе компании Recombinetics из Миннесоты. Эта компания генетически модифицировала коров, чтобы у них перестали расти рога. Рога делают работу с животными в замкнутом пространстве опасной для сельскохозяйственных рабочих, а также могут представлять опасность и для самих коров. Производители продуктов питания обычно удаляют рога у телят в молодом возрасте, прижигая животным роговые бугорки щелочами или электрическим прибором, вызывая повреждение тканей и значительный стресс у травмированных телят. В одних только Соединенных Штатах более тринадцати миллионов телят ежегодно подвергаются этой суровой процедуре.

Однако не у всех коров есть рога. Фактически многие породы крупного рогатого скота, например, абердин-ангусская порода коров, выведенная в XIX веке в Шотландии, – безрогая от природы. В 2012 году группе немецких учёных удалось обнаружить точную генетическую причину: сложную мутацию, включающую удаление 10 букв ДНК и вставку 212 букв ДНК в хромосому. Вдохновленные этим открытием, учёные из Recombinetics использовали метод редактирования генов для того, чтобы скопировать то же самое изменение в геном быков для создания крупного рогатого скота, ценная генетика которого продумана в течение столетий разведения. Первые безрогие телята, которые родились благодаря манипуляции учёных с генами, не испытывают ужаса прижигания роговых бугорков.

Двигаясь далее, регулирующие государственные органы и потребители, рассматривающие вопрос о домашнем скоте, подвергнутом генным изменениям, должны будут решить, что для них более важно: цель или средства, используемые для её достижения. Комолый (безрогий) скот мог стать результатом многих лет обычного разведения коров, но редактирование генов позволило достичь того же результата гораздо быстрее и эффективнее. Возникает резонный вопрос: если CRISPR и связанные с ней технологии могут помочь прекратить использовать жестокие методы обращения с животными, уменьшить использование антибиотиков и защитить домашний скот от смертельных инфекций, неужели мы не можем позволить себе их использовать? Может, правильнее применять именно эти технологии?

Заводчики и исследователи в области продуктов питания не единственные, кто редактирует геномы животных. Этим занимаются также биологи и исследователи в сфере медицины, чья цель – улучшить жизнь людей, используя методы, которые были проверены на генетически модифицированных животных. Исследования на животных необходимы для изучения болезней, поражающих человека, независимо от того, используются ли они для подтверждения генетических причин определенных расстройств, для оценки потенциальных лекарств или для проверки эффективности медицинских вмешательств, таких как хирургия или клеточная терапия. Важной отправной точкой здесь является наличие надежной генетической модели – животного, состояние которого близко к состоянию больного человека, точность имитации поведения пациента как с точки зрения физических проявлений болезни, так и основных её генетических причин. CRISPR предлагает эффективный, оптимизированный подход для достижения такой модели.

Предпочтительным модельным организмом среди млекопитающих для биомедицинских исследований с начала XX века была выбрана обычная домашняя мышь (Altus musculus), которая разделяет 99 процентов своих генов с людьми. В дополнение к их генетической связи с нами у мышей есть и другие явные преимущества. Мыши и люди имеют сходные физиологические особенности, такие как иммунная, нервная, сердечно-сосудистая, костно-мышечная и другие системы. Мышей можно разводить в неволе, их легко и недорого содержать из-за небольшого размера, покорности и плодовитости. Их ускоренная продолжительность жизни (один год мыши равен примерно тридцати человеческим годам) означает, что весь жизненный цикл может быть изучен в лаборатории всего за несколько лет. И, возможно, самое важное: с мышами можно манипулировать, используя различные подходы CRISPR. Миллионы мышей разводят и отправляют каждый год исследователям по всему миру, и существует более тридцати тысяч уникальных штаммов мышей, которые используются для изучения всех возможных болезней – от рака и болезней сердца до слепоты и остеопороза.

Но мышей не во всех случаях можно использовать в качестве моделей: для многих заболеваний человека – муковисцидоза, болезни Паркинсона, Альцгеймера и хореи Гентингтона – у мышей не проявляются характерные симптомы, и часто организмы мышей дают нетипичные ответы на потенциальное лечение. Это несколько затормозило перевод научных открытий из лаборатории на лечение в клинических условиях.

Технология CRISPR поможет преодолеть этот разрыв, сделав моделирование болезней у других животных практически таким же доступным, как в случае с мышами. Такое развитие уже можно наблюдать у приматов. Трансгенные обезьяны были впервые созданы в начале 2000-х годов, когда исследователи использовали вирусы для встраивания чужеродных генов в геномы обезьян, но достижение генного редактирования обезьян стало доступным только с появлением технологии CRISPR. В 2014 году китайская команда начала впрыскивать CRISPR в одноклеточные эмбрионы обезьян Cynomolgus, – метод, во многом похожий на применённый к мышам годом ранее. В этом исследовании учёные запрограммировали CRISPR для одновременного нацеливания на два гена: один связан с тяжелым комбинированным иммунодефицитом у людей, другой способствует возникновению ожирения. Оба заболевания влекут за собой очевидные последствия для здоровья человека.

С тех пор другие исследователи смогли создать обезьян Cynomolgus с изменениями в гене, который мутирует в более чем у 50 процентов людей, больных онкологическими заболеваниями, а также создать обезьян с мутациями, вызывающими мышечную дистрофию Дюшенна. Учитывая тот факт, что обезьяны-модели уникально подходят для изучения на них поведенческих и когнитивных нарушений человека, редактирование также используется для нацеливания на гены, ответственные за возникновение нервных расстройств. Хотя, с одной стороны, может показаться, что использование обезьян для проведения подобных исследований можеть быть негуманным, существует острая насущная необходимость в разработке методов лечения болезней человека. Эти обезьяны с отредактированными генами однажды смогут служить надежным резервом для людей, позволяя учёным искать и находить лекарства от болезней, не подвергая опасности человеческие жизни.

Благодаря CRISPR свиньи стали ещё одной популярной моделью. Так сложилось из-за анатомического сходства свиней с людьми, относительно короткого периода беременности животных, а также большого количества производимого потомства. В целом, располагая научными и статистическими данными, разумно утверждать, что использование сельскохозяйственных животных в целях биомедицинских исследований более приемлемо и целесообразно, чем использование таких животных, как, скажем, приматы. И действительно, свиньи с отредактированными генами уже использовались учёными для моделирования дефектов пигментации, синдромов глухоты, болезни Паркинсона, иммунологических нарушений, и этот список будет продолжать расти.

Многие учёные рассматривают самих свиней как потенциальный источник лекарств. Когда-нибудь мы сможем использовать этих животных в качестве биореакторов для производства ценных лекарственных компонентов, таких как человеческие белки, которые слишком сложны, чтобы учёные могли бы просто синтезировать их с нуля и которые могут быть получены только из живых клекок. Учёные уже искали других трансгенных животных для производства этих биофармацевтических лекарств. Первым таким препаратом стал антикоагулянт антитромбин, который секретируется в молоке генетически модифицированных коз. Другой препарат был выделен из молока трансгенных кроликов и на основе белка из яиц трансгенных куриц.

Если учесть, что многие из самых продаваемых в мире лекарств основаны на белках, становится ясно, что потенциал для редактирования генов в этом конкретном медицинском направлении огромен.

Некоторые учёные надеются, что модели свиней смогут предложить науке ещё больше: обширный возобновляемый источник целых органов для трансплантации людям-реципиентам. Эта идея не нова. Свиньи уже давно считаются очень подходящими на такую роль животными по тем же причинам, по которым исследователи предпочитают использовать в качестве моделей для рассмотрения болезней – свиней легко разводить, а также важен факт, что их органы по размерам сопоставимы с человеческими, но пока эта мечта казалась неосуществимой. Иммунологическая защита в организме человека провоцирует отторжение донорских органов, что является серьезной проблемой как для пациентов, так и для врачей, даже когда речь идёт о пересадке человеческих органов от одного человека другому.

В настоящее время потребность в донорских органах увеличивается. Только в Соединенных Штатах Америки в очереди на пересадку органов в настоящее время находятся более 124 000 пациентов, однако ежегодно проводится только около 28 000 процедур. Подсчитано, что новый человек добавляется в национальный список трансплантации каждые 10 минут и что в среднем 22 человека в день умирают в ожидании пересадки или их болезнь настолько прогрессировала, что они больше не имеют права на получение донорского органа. Нехватка органов является основной причиной этой продолжающейся трагедии.

CRISPR позволяет генерировать свиней с органами, подходящими для трансплантации человеку. Предыдущие достижения были сосредоточены на переносе генов человека в геном свиньи для того, чтобы органы свиньи могли избежать иммунного отторжения, которое угрожает любому трансплантату. В настоящее время редактирование генов сосредоточено на подавлении тех генов у свиней, которые могут вызвать иммунный ответ человека, а также на устранении риска того, что вирусы, носителями которых являются свиньи, внедренные в геном, могут передаться человеку и заразить его. И, наконец, технологии клонирования предлагают способ беспрепятственного объединения различных генетических изменений в одно животное. Как заявил генеральный директор одной из известных в этой области компаний, цель состоит в том, чтобы обеспечить «неограниченное количество пересаживаемых органов» – то есть органов, которые могут быть изготовлены на заказ.

Это всё ещё первые дни подобных попыток и экспериментов, но записи уже свидетельствуют об экспериментах над свиньями, которые были «очеловечены» с помощью генной инженерии: трансплантированная почка у бабуина прижилась на более чем шесть месяцев, а свиное сердце билось в теле бабуина в течение двух с половиной лет. Десятки миллионов долларов были потрачены на будущие исследования, и компания Revivicor уже наметила планы разводить тысячу свиней в год на лабораториях, имеющих в распоряжении операционные и вертолётные площадки, чтобы иметь возможность доставлять необходимые органы как можно быстрее. Похоже, вопрос, когда ксенотрансплантация войдёт в стадию непосредственных клинических испытаний, является всего лишь вопросом времени, и, может быть, совсем скоро CRISPR откроет новую дверь для пациентов, остро нуждающихся в новых органах и новых лекарствах.

Безусловно, те способы, ккоторым прибегают учёные, чтобы генетически модифицировать животных при помощи технологии CRISPR, вызывают равные Друг другу по силе восхищение и беспокойство. Остаётся только надеяться на то, что генноотредактированный домашний скот сделает сельское хозяйство более гуманным и экологически чистым, а не только более прибыльным, и в целом оставит на всём скотоводстве положительный след. Животные-модели с отредактированными генами, такие как мыши и обезьяны, улучшат наше понимание болезней, которые поражают человека, а генноотредактированные свиньи смогут и вовсе сослужить людям добрую службу, став будущими донорами органов, но, будем надеяться, что общее уважение к благополучию животных будет сдерживать пыл учёных, пребывающих в процессе научных экспериментов.

Но похоже, с появлением технологии CRISPR и расширением поля деятельности в генном редактировании, которое стало возможно благодаря ей, неизбежно и то, что многие учёные будут редактировать гены животных, не преследуя какой-либо медицинской цели, либо цели сделать животных более устойчивыми и приносящими большую пользу.

Рассмотрим к примеру, случай, который имел место в Китае, когда учёные вывели совершенно новую породу свиней, – так называемых «микросвиней». Созданные в ходе генетического эксперимента очаровательные поросята крошечного размера впервые были представлены публике на биотехнологической конференции. Взрослые особи этих микропоросят весили всего лишь около 6 килограммов – как собаки среднего размера, в то время как обычные свиньи на ферме часто весят более двухсот килограммов. Изначально Пекинский институт геномики создал микропоросят для исследовательских целей, поскольку большие размеры нормальных свиней могут сделать их обременительными в обращении для лабораторных работников. Разрезая и инактивируя ген, который реагирует на гормон роста, учёные умышленно провоцировали у поросят замедление роста. И хотя микросвиньи остаются полезными для исследований – китайская группа недавно использовала CRISPRb микросвиньях для создания модели болезни Паркинсона, которая поражает человека – Пекинский институт геномики также начал предлагать держать их в качестве домашних животных и выставил на продажу, установив цену около полутора тысяч долларов за особь. Когда-нибудь у потребителей может даже появиться возможность выбора характеристик питомца, таких как цвет или особенности шерсти, – всё это стало возможным благодаря редактированию генов.

Некоторые биоэтики, например, академики из Гарвардской медицинской школы, обеспокоены тем, что генетические манипуляции используются ради единственной цели удовлетворения своеобразных эстетических предпочтений человека. Но нельзя сказать, что это однозначно плохо. В конце концов, в любом парке вы можете встретить маленького чихуахуа, резвящегося рядом с огромным немецким догом, которые являются представителями одного и того же вида. Чем является разведение животных, как не еще одним инструментом генетической манипуляции, таким, как и CRISPR, только менее предсказуемым и менее эффективным? Можно даже сказать, что генетические манипуляции лучше, чем размножение. Здесь можно привести пример с собаками – в отличие от микросвиней, чьё здоровье ничем не отличается от свиней нормальных размеров, обширный инбридинг собак (скрещивание близкородственных особей в пределах одной популяции) имел разрушительные последствия для их здоровья. Лабрадоры подвержены примерно 30 генетическим заболеваниям, 60 процентов золотистых ретриверов рискуют заболеть раком, гончие страдают эпилепсией, а кавалер-кинг-чарльз-спаниели страдают от судорог и постоянной боли из-за деформированных черепов. Эти острые проблемы со здоровьем не мешали человеку выбирать генотип и фенотип лучшего друга.

Что бы о них ни думали – появление кошек и собак с отредактированными генами, созданных с помощью биотехнологий, уже не за горами. Учёные из Гуанчжоу в Китае сообщили о первом применении CRISPR к собакам породы бигль, у которых данная технология была использована для увеличения мышечной массы, блокируя всё тот же самый ген миостатин, связанный с двойной мускулатурой у собак и бельгийских голубых коров. Учёные уже создали первых генномодифицированных собак: два щенка, организмы которых имели предполагаемые мутации, были названы Геркулесом и Тиангоу в честь сверхчеловеческого героя греческой мифологии и небесного пса в китайской мифологии.

Хотя один из ученых утверждал, что биглей с развитой мускулатурой не будут разводить в качестве домашних животных, а используют их для биомедицинских исследований, он отметил потенциальные преимущества сверхсильных мышц у собак – в помощь полицейским и военным. Команда завершила исследование, отметив, что CRISPR может также способствовать выведению новых видов собак, обладающих целым рядом полезных качеств.

Куда же ещё фантазии приведут нас? Если генетические манипуляции с коровами оказались успешными, почему бы целенаправленно не разводить лошадей? И зачем останавливаться на достигнутом, когда простор для действий столь широк? Исследователи из Университета Беркли использовали CRISPR для создания причудливого множества телесных трансформаций у ракообразных: экспериментаторы добились шокирующих результатов, когда жабры растут на клешнях, клешни превращаются в ходильные ноги, а челюсти становятся усами. Учёные и журналисты уже начали мечтать о том, что CRISPR может быть использована для создания мифических существ, таких как крылатые драконы, путем редактирования генов комодского варана, – самой большой из ныне существующих ящериц. Конечно же, очевидно, что в соответствии с элементарной физикой такие драконы не смогут дышать огнем вопреки знакомому всем широко распространённому образу, но всё же такая гигантская рептилия, похожая на дракона, станет целью учёных. Не исключено даже, что такие экспериментальные драконы будут обладать крыльями, хоть и вряд ли когда-либо смогут летать.

Домашняя микросвинка

В то время как некоторые учёные могут использовать CRISPR для создания таких мутантов, созданий, которые вовсе никогда не существовали, их коллеги стремятся применить технологию CRISPR для воскрешения живых существ, которые существовали в природе, но исчезли с лица нашей планеты. Конечно же, эти животные умерли давным-давно до возникновения CRISPR, но учёные надеются, что именно эта технология сделает т. н. воскрешение вымерших животных возможным. В случаях, когда черты и признаки вымерших видов животных являются общими с таковыми у их современных потомков, учёные могут превратить последних в предшествующих им посредством селекции, создавая зверей, напоминающих вымерших. Эта стратегия реализуется в Европе, чтобы вернуть к существованию дикого зубра, вымершего в начале 1600-х годов, и на Галапагосских островах для того, чтобы «воскресить» разновидность черепахи, обитавшей на острове Пинта, – необитаемом острове в составе островов Галапагос. Последняя особь такой черепахи умерла ещё в 2012 году.

В том случае, если ткани вымерших животных были тщательно сохранены, существует ещё одна интересная возможность: клонирование. Например, пиренейский козерог, дикий козел, вымер в 1999 году, но криогенное сохранение биоптатов кожи, взятых из организма последней живой особи, позволило испанским учёным внедрить этот генетический материал в яйцеклетку домашней козы. (Та же процедура использовалась для клонирования овцы Долли в 1996 году.) В результате учёным удалось достичь первого в истории воскресения вымершего животного, хотя, к сожалению, новорождённый умер через несколько минут после рождения. Тот же подход применяют российские и южнокорейские учёные, которые надеются использовать ткани мамонта, найденные на востоке России, для воскрешения шерстистых мамонтов, – вымершего вида семейства слоновых.

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

Весной 2014 года, после очередного собрания в Давосе, становилось всё яснее, что вскоре для формирования будущего технологии CRISPR будут объединены международные усилия. К тому времени прошло менее двухлет с момента публикации статьи в журнале Science, описывающей, как CRISPR можно использовать для редактирования генов, и новости об этой технологии уже распространились в научном сообществе и за его пределами.

Примерно в это же время Сэмюэль Штернберг, аспирант из лаборатории Дженнифер Дудны, получил письмо от предпринимателя по имени Кристина, предлагавшей стать частью ее новой компании, которая каким-то образом вовлекала в свою работу технологию CRISPR. На первый взгляд письмо Кристины выглядело совершенно обычным и ничто не казалось в нём странным. Учитывая скорость, с которой развивалась и распространялась технология CRISPR, a также учитывая её все более очевидный потенциал разрушить столь многие секторы рынка биотехнологий, каждую неделю приходилось слышать о появлении ещё одной новой компании, продукте или лицензионном соглашении, связанном с редактированием генов. Но, как скоро обнаружил Штернберг, деятельность компании Кристины была другой, совсем другой. Она предлагала какой-нибудь счастливой паре первого здорового «ребенка CRISPR»! Согласно её задумке ребенок будет рождён в лаборатории с использованием искусственного оплодотворения. Такой ребёнок на заказ будет иметь особые черты: индивидуальные мутации ДНК, установленные с помощью CRISPR, чтобы исключить любую возможность генетического заболевания. Всячески пытаясь заинтересовать Сэмюэля стать частью проекта и принять в нём непосредственное научное участие, Кристина заверила, что её компания планирует внедрять только профилактические генетические модификации в эмбрионах человека и, что если он хочет участвовать в проекте, ему не нужно беспокоиться о каких-либо лишних мутациях.

Кристине не стоило объяснять, как будет работать процедура. Чтобы редактировать человеческий геном так, как она предполагала, врачам понадобятся только методы, которые уже хорошо изучили к тому времени: генерирование эмбриона in vitro из яйцеклеток и сперматозоидов будущих родителей, инъекция предварительно запрограммированных молекул CRISPR с целью редактирования генома эмбриона и затем имплантация отредактированного эмбриона в матку матери для вынашивания ребёнка. Об остальном должна позаботиться природа.

Сэмюэль понял, что Кристина одержима силой и возможностями CRISPR. Он подозревал, что она имела в планах внесение других, более смелых улучшений в дополнение к благонамеренным генетическим изменениям, которые она описала.

Если бы этот разговор произошел несколькими годами ранее, Сэмюэль отклонил бы предложение как чистую фантазию. Конечно, генетически модифицированные люди давно являлись предметом философских и этических размышлений о возможности «улучшения» человека. Но геномом homo sapiens не так легко манипулировать, как геномом лабораторной бактерии, такой как, например, E.coli, в противном случае у кого-нибудь из учёных были бы все шансы в ближайшее время создать Франкенштейна.

Однако если раньше идея о манипуляции человеком могла показаться фантастикой, то теперь нельзя было не серьёзно воспринимать тему. В конце концов, сделать человеческий геном таким же легко манипулируемым, как и геном бактерии, – именно то, чего достиг CRISPR. Фактически всего за месяц до встречи Сэмюэля с Кристиной первые обезьяны родились, обладая геномами, которые были переписаны с помощью редактирования генов, что привело ход исследований CRISPR прямо к эволюционной парадной двери homo sapiens. В свете этого и предшествовавших экспериментов с другими животными, от червей до коз, казалось, что вопрос о людях, чьи геномы могли бы подлежать редакции, оставался лишь вопросом времени.

Сэмюэль и его коллега Дженнифер Дудна остро осознавали и опасались этой возможности. Хотя невозможно было отрицать, что многие чрезвычайно положительные эффекты, которые редактирование генов могло бы оказать на наш мир, – эффекты, позволяющие лучше понимать человеческую генетику, производить пищевые продукты нового качества и лечить жертв разрушительных генетических заболеваний – всё больше приходилось беспокоиться о других применениях CRISPR. Неужели открытие Дудны и Сэмюэля сделало редактирование генов простым и доступным? Неужели учёные слишком беспорядочно врывались в новые области исследований, не задумываясь о том, были ли их эксперименты оправданными, и каковы последствия? Можно ли злоупотреблять CRISPR, особенно когда речь идёт о человеческом геноме?

Больше всего учёные, открывшие CRISPR, беспокоились, что когда-нибудь в скором времени исследователи попытаются изменить человеческий геном наследственным образом не для того, чтобы лечить болезнь у живого пациента, а чтобы исключить возможность заболевания у ребёнка, который ещё не родился или даже и вовсе не был зачат. В конце концов, именно это и предложила Сэму предпринимательница. Кто мог дать гарантию, что в случае отказа Самюэля сотрудничать какой-нибудь другой учёный с радостью не пойдёт на предложенную ею сделку?

Существование такой возможности мучила создателей революционной технологии. У людей никогда прежде не было такого инструмента, как CRISPR, и он мог превратить не только геномы живых людей, но и все будущие геномы в коллективный беспорядок, – рукопись, на которой любой фрагмент генетического кода можно было бы стереть и перезаписать в зависимости от прихотей поколения, занимающегося редактированием. Более того, такие встречи, как у Сэма с Кристиной, заставляли создателей CRISPR признать, что не все разделяют беспокойство учёныхпо поводу перспективы переписывания ДНК будущих людей, не осознавая в полной мере возможных последствий. Кто-то неизбежно собирался использовать CRISPR в человеческом эмбрионе – будь то для искоренения признака серповидноклеточной анемии в зародышевой линии или для внесения совершенно нетерапевтических улучшений, – а это может вполне изменить ход истории нашего вида в долгосрочной перспективе таким образом, что просто невозможно предсказать.

Дженнифер Дудна и Сэмюэль Штернберг начали понимать, что вопрос заключается не в том, будет ли использоваться редактирование генов для изменения ДНК в половых клетках человека, а в том, когда и как это будет происходить. Дебаты по поводу модификации зародышевой линии человека начались задолго до появления CRISPR. Самые ранние намёки на редактирование генов появились, когда врачи в области репродуктивной медицины уже отбирали одни эмбрионы от других для беременности, таким образом делая выбор в отношении того, какие именно генетические данные будут переданы последующим поколениям. И еще больше практиков и наблюдателей науки беспокоило представление о том, что когда-нибудь люди могут стать авторами своих собственных генетических конституций.

После того как роль ДНК в кодировании генетической информации была доказана, исследователи начали ценить способность рационально манипулировать генетическим кодом, хотя инструментов для этого ещё не было. Маршалл Ниренберг, американский биохимик, один из биологов, ответственных за взлом генетического кода в 1960-х годах (за этот подвиг он был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине), в 1967 году написал о способности человека формировать свою биологическую судьбу.

«Такая сила, – отмечал он, – может быть использована мудро или неразумно для пользы или нанесения вреда человечеству». Осознавая, что такая возможность не должна зависеть только от учёных, Ниренберг продолжил: «Решения относительно применения этих знаний должны в конечном итоге приниматься обществом, и только информированное общество может принимать такие решения разумно».

Но далеко не все учёные были так сдержанны и разумны, как Ниренберг. Всего несколько лет спустя, написав статью в журнале «Американский учёный», Роберт Синшеймер, тогдашний профессор биофизики в Калифорнийском технологическом институте, назвал генетическую модификацию человека «потенциально одной из самых важных концепций, которые могут возникнуть в истории человечества, впервые за всю историю живое существо понимает своё происхождение и может взяться за разработку своего будущего». Синшеймер насмехался над критиками, которые утверждали, что генная инженерия была просто современной версией вечной, но бесполезной мечты о совершенствовании человечества: «Человек слишком явно несовершенен, человек – несовершенное существо. Учитывая его эволюцию, вряд ли он мог быть лучше, чем есть… Теперь мы видим другой путь – возможность ослабить внутреннее напряжение и излечить внутренние недостатки напрямую – продолжать и сознательно совершенствовать людей, далеко за пределами нашего нынешнего видения этот замечательный продукт двух миллиардов лет эволюции».

В течение двух десятилетий после публикации эссе Синшеймера учёные быстро наметили путь к совершенству, который он смог увидеть только в конце 1960-х годов. К началу 1990-х проводились испытания генной терапии на пациентах-людях, и, несмотря на то, что было ясно, что точное манипулирование зародышевой линией человека было бы невозможным даже при использовании этой относительно передовой технологии. Учёные, которые руководили первыми клиническими испытаниями, открыто говорили об опасностях и этических аргументах против использования генной терапии в целях улучшения, будь то в соматических клетках или в зародышевой линии. Прежде всего был поднят вопрос о том, может ли любой учёный использовать эту вновь обретенную силу ответственно, или же вместо этого учёный «подобно маленькому мальчику будет играть, разбирая предметы на части, словно конструктор. Он может быть достаточно смышлён для того, чтобы разобрать часы, и, может быть, даже достаточно смышлён, чтобы заново собрать их так, чтобы они работали. Но что будет, если он попытается усовершенствовать часы? Возможно, он захочет приделать часам более крупные стрелки, чтобы было легче видеть, который час. Но если эти большие стрелки окажутся слишком тяжелыми для механизма, то часы будут работать медленно, беспорядочно или же вовсе откажутся идти. В таком случае попытки мальчика улучшить часы скорее всего только навредят им».

Луиза Браун – первый ребенок из пробирки

Несмотря на предупреждения ведущих учёных, идея изменения или уточнения нашего генетического состава продолжала стимулировать к действию некоторых биологов в течение последнего десятилетия XX века. Волнение было вызвано текущими исследованиями и разработками в области генной терапии человека, а также плодотворными достижениями в трёх основных областях: исследования фертильности, исследования на животных и генетика человека. Тогда всем учёным, мечтающим когда-нибудь «улучшить» генетический состав человеческой расы и ищущим вдохновения для будущих работ примером послужило достижение в лечении бесплодия: рождение Луизы Браун в 1978 году, первого в мире «ребёнка из пробирки».

Это достижение стало переломным моментом для репродуктивной биологии, доказывающим, что размножение человека может быть сведено к простым лабораторным процедурам: извлечению яйцеклетки из организма женщины и искусственному её оплодотворению в условиях in vitro. Затем полученный эмбрион перенесли в полость матки для дальнейшего развития. У матери Луизы не получалось забеременеть в течение девяти лет, после чего ей это удалось с помощью экстракорпорального оплодотворения, что сделало её будущую дочь Луизу первым в мире ребёнком, родившимся от данной процедуры.

Оплодотворение «в пробирке» позволило родителям с различными формами бесплодия иметь детей, родственных по генетическим признакам, одновременно открывая двери для других манипуляций, которые в конечном итоге могли быть выполнены на ранней стадии развития эмбриона во время его роста в лабораторных условиях. В конце концов, если бы человеческая жизнь могла быть создана в чашке Петри, той же самой стерильной среде, где использовались технологии редактирования генов, можно было предположить, что два метода когда-нибудь пересекутся. Исследования, направленные на преодоление бесплодия, непреднамеренно усовершенствовали процедуру, которая стала неотъемлемой частью будущих дискуссий о манипуляции с зародышевой линией.

Исследования, проводимые на животных, также воодушевляли учёных, считавших, что редактирование человеческих зародышевых линий было почти доступно. За последние несколько десятилетий XX века учёные разрабатывали все более изобретательные способы конструирования геномов животных, от клонирования до добавления генов на основе вирусов, переходя к самым ранним применениям точного редактирования генов. К 1990-м годам стало достаточно обычным делом генерировать мышиные модели заболеваний человека путем модификации специфических генов в зародышевой линии мышей; хотя процедуру нельзя было использовать на людях, она заложила основу для таких изобретений, как CRISPR, которое превратило ранее грубый метод редактирования генов зародышевой линии у мышей в точный и высокооптимизированный метод, который гораздо лучше подходил человеку.

Десятилетие также засвидетельствовало первое успешное клонирование млекопитающего – знаменитое рождение овцы Долли в 1996 году. Овца Долли была получена путём пересадки ядра соматической клетки в цитоплазму яйцеклетки. Овца Долли являлась генетической копией овцы – донора клетки. Генетическая информация для процесса клонирования была взята из взрослых соматических клеток, а не из половых.

ЭКО и клонирование были огромными техническими достижениями, которые помогли заложить основу для модификации зародышевой линии. Они не только показали, что учёные могут создать жизнеспособный эмбрион в лаборатории, соединяя яйцеклетку и сперматозоид, но и показали, что эмбрионы можно лечить с использованием генетической информации от одного животного. Подвиг заставил управляющие надзорные органы во всём мире приложить усилия, чтобы принять закон, запрещающий репродуктивное клонирование людей.

Как выяснилось, клонирование млекопитающих оказалось настолько технически сложным, что лишь немногие лаборатории в мире смогли это сделать. Таким образом, в отличие от CRISPR, технология переноса соматических клеток эффективно самоограничивалась. Наконец энтузиазм по поводу внесения изменений в ДНК будущих людей был естественным результатом прорывов в генетике человека. Это невероятное развитие заставило многих людей думать, что генетики скоро смогут найти коренные причины некогда таинственных заболеваний, а также генетический код для гораздо более широкого спектра фенотипов человека, от физических черт до поведенческих. Как только мы полностью поймём генетические факторы, которые определяют здоровье и работоспособность человека, мы сможем выбрать или, возможно, даже спроектировать эмбрионов с генетическим составом, отличным от такового у их родителей. Или даже лучше, чем у их родителей, – по крайней мере на это надеялись некоторые учёные.

Дженнифер Дудна в свою очередь, например, скептически относилась к тому, что она видела как слепой оптимизм в эпоху, предшествующую CRISPR, при этом многие не задумывались о последствиях. Будет ли такая процедура действительно способна безопасно избавить всех потомков человека от генетического заболевания, или она обретёт побочные эффекты, которые мы не сможем предвидеть? Казалось невозможным провести такие эксперименты, которые дадут ответы на этот вопрос. И даже если бы эти эксперименты проводились безопасно, не пересекали ли черту исследователи своими генными модификациями?

Но настал день, когда случилось то, чего так опасались создатели CRISPR. Однажды на конференции один из коллег Дженнифер Дудны рассказал, что технология CRISPR уже была использована для экспериментов на геномах человеческих эмбрионов. Чуть позже в научном сообществе стали ходить слухи о статье, описывающей тот эксперимент, но его детали вводили учёных в недоумение. Было ясно, что последствия любых исследований, связанных с редактированием генов человеческой зародышевой линии, становились все более тревожными. Даже если бы эмбрионы не использовались для создания живого человека (а этого, учитывая огромную негативную реакцию общественности, не должно было произойти), редактирование зародышевой линии с помощью CRISPR все равно станет важной научной вехой.

Мало того что подобный эксперимент распахнул дверь, которую мы никогда не сможем закрыть, он также мог разрушить конструктивный диалог, который первооткрыватели CRISPR пытались начать, объявив, что их исследования уже опередили общественные дебаты. Эти эксперименты, несомненно, привлекут большое внимание и, возможно, вызовут значительное возмущение. Огромное беспокойство учёных, создавших CRISPR, заключалось в том, что такие экспериментаторы с редактированием зародышевой линии могут непреднамеренно настроить многих представителей общественности против этой молодой технологии, несмотря на её огромный потенциал, для получения положительных результатов в других областях применения.

Итак, 18 апреля 2015 года, всего через месяц после того как Дженнифер Дудна и её коллеги опубликовали призыв с просьбой воздержаться от клинического использования редактирования зародышевой линии человека, была опубликована та самая, известная по слухам, научная статья. Китайские учёные впервые модифицировали гены в эмбрионе человека. Хотя это были эмбрионы, не предназначенные для имплантации в матку матери, исследование привлекло значительное внимание. В статье, опубликованной в журнале Protein and Cell, описаны эксперименты, проведённые в лаборатории Цзюньцзю Хуаня в университете Сунь Ятсена в Гуанчжоу из Китая. Хуань и его коллеги ввели CRISPR в 86 человеческих эмбрионов. Целью данного исследования была попытка удалить из ДНК дефектный ген НВВ, вызывающий бета-талассемию – тяжелое генетическое заболевание крови. Цель Хуаня состояла в том, чтобы точно отредактировать ген бета-глобина в этих 86 эмбрионах, предоставив доказательство принципа, что болезнь может быть остановлена ещё до ее начала. В попытке получить это доказательство 28 из 86 эмбрионов пережили редактирование, а исправленная версия гена НВВ была обнаружена всего у четырех из них. Эффективность данного генного редактирования оставляла желать лучшего. К слову, некоторые научные издания, такие, как Nature и Science, отказали Хуаню в публикации о данном эксперименте и полученных в ходе него результатах исключительно по этическим соображениям. Многие учёные согласились с тем, что исследование проведено преждевременно, а другие задались вопросом о мотивах, стоящих за ним.

Американское общество генной и клеточной терапии, ведущая профессиональная организация по медицине на основе ДНК, подтвердило свою решительную позицию против редактирования генов или модификации генов человеческих клеток для создания жизнеспособных человеческих эмбрионов с генной модификацией. Международное общество исследований стволовых клеток поддержало это мнение, а его президент заявил, что «мораторий на любое клиническое применение генного редактирования человеческих эмбрионов имеет решающее значение».

Даже администрация президента Барака Обамы вступила в бой. В своем блоге под заголовком «Записка о редактировании генома» Джон Холдрен, директор Управления научно-технической политики Белого дома, заявил: «администрация считает, что изменение зародышевой линии человека в клинических целях – это черта, которую пока нельзя пересекать». Фрэнсис Коллинз, директор Национального института здравоохранения, занял аналогичную позицию, в то же время уточнив, что правительство не будет предоставлять финансирование для каких-либо исследований, связанных с редактированием генов человеческих эмбрионов.

По мнению большинства регуляторов и учёных такие исследования надо приостановить и провести общую серьёзную дискуссию о том, куда и к чему движется научное сообщество и что будет, если генная модификация попадёт в руки тех, кто будет использовать её в бесчеловечных целях. Редактировать гены эмбрионов настолько опасно, что в случае даже самых минимальных на первый взгляд правок измененная ДНК может быть передана следующим поколениям, нанеся необратимые изменения будущим людям.

Этические споры по поводу редактирования человеческих эмбрионов ожесточённо ведутся и сейчас, поскольку этот вопрос остаётся открытым. Попытки внести в геном человека наследственные изменения вызывают абсолютно противоречивые мнения и реакцию во всем мире.

Не может быть никаких сомнений в том, что правительства обязаны играть решающую роль в надзоре и регулировании методов, которые изменяют человеческую зародышевую линию. Но здесь предстоит проделать большую работу, поскольку действующие правительственные постановления в этом отношении являются переменными и часто спорны. Например, в списке стран, включающем Канаду, Францию, Германию, Бразилию и Австралию, клинические вмешательства на зародышевой линии человека прямо запрещены, за такие эксперименты в этих странах предусмотрены уголовные наказания, которые варьируются от штрафов до длительных тюремных сроков. В Индии и Японии эти вмешательства запрещены, но с наказанием дело обстоит не так строго. В Соединенных Штатах текущая политика может считаться ограничительной: прямых запретов нет, но правительственные учреждения высказались против клинического использования редактирования генов в зародышевой линии, и любые клинические испытания должны получать одобрение регулирующих органов. Интересно отметить, однако, что многие другие вспомогательные репродуктивные технологии – предимплантационная генетическая диагностика, интрацитоплазматическая инъекция сперматозоидов (метод лечения бесплодия) и даже сама практика оплодотворения in vitro – никогда не проходили официальных клинических испытаний.

В Китае такого рода исследования могут проводиться при надлежащем контроле со стороны наблюдательных органов. Эти же исследования технически не ограничены федеральным правительством США (хотя некоторые штаты их запрещают), но законопроект, принятый в США в 1996 году, запрещает правительству финансировать любые исследования, которые могли бы создать или уничтожить человека. Эмбрионы пока что являются туманным исключением из этого правила. Никакие законы в Соединенных Штатах не запрещают частные исследования в этой области. Исследование редактирования зародышевой линии разрешено (и уже проводится) в Великобритании, но оно требует одобрения со стороны организации, известной как Управление по оплодотворению и эмбриологии человека. Наконец, некоторые государства ограничивают любые исследования с использованием человеческих эмбрионов или имеют законы, оставляющие значительную неопределённость в отношении различий между клинической и исследовательской работой.

Туманная государственная политика в отношении редактирования эмбрионов делает проблему регулирования этого вопроса особенно сложной. Например, принят документ, регулирующий клинические испытания в Европейском Союзе, он запрещает «клинические испытания генной терапии, которые приводят к изменениям генетической идентичности зародышевой линии субъекта». Однако как определяется «генетическая идентичность», неясно, так же как и неясен вопрос о том, что является «генной терапией» и редактированием генов при помощи CRISPR. Во Франции запрещены действия, которые «подрывают целостность человеческого рода», как и любая практика, направленная на «организацию отбора людей».

Тем не менее, предимплантационная генетическая диагностика – процедура, которая как раз попадает под определение «организация отбора людей» в стране разрешена. В отличие от Франции, в Мексике существующие правила в отношении генетических манипуляций над неродившимся человеком оцениваются соответственно их цели, и цели, кроме «устранения или сокращения серьезных заболеваний или дефектов», запрещены. Но кто действительно вправе решать, что является серьезным заболеванием или дефектом? Правительство? Врачи? Родители?

По мнению многих учёных любые запреты на редактирование генов зародышевой линии в Соединенных Штатах фактически уступят лидерство в этой области другим странам. Существует также риск того, что чрезмерно ограничительная политика в некоторых странах будет стимулировать то, что можно назвать туризмом CRISPR. Пациенты со средствами смогут путешествовать туда, где правила относительно применения CRISPR к людям для лечения более щадящие или вообще отсутствуют. Медицинские туристы уже потратили за рубежом миллионы долларов на нерегулируемое государством лечение стволовыми клетками на международном уровне, а также методы генной терапии для увеличения мышечной массы и увеличения продолжительности жизни. Нужно понимать, что наложение чрезмерных ограничений на рискованные исследования и методы лечения может привести к тому, что учёные продолжат свои эксперименты за закрытыми дверями, в результате чего мы можем получить одни из самых печальных последствий. Логичнее считать, что странам стоит поддерживать такую нормативно-правовую среду, которая была бы достаточно гостеприимной для проведения исследований и клинических применений, но достаточно строгой, чтобы предотвратить излишки и худшие последствия.

Как исследователи, так и законодатели должны вместе найти правильный баланс регулирования и свободы действий в области применения революционной технологии CRISPR. Научные эксперты должны работать над созданием набора стандартизированных, согласованных руководящих принципов, которые определят наиболее безопасные методы внедрения CRISPR в геном человека, определят приоритеты генной инженерии и установят стандарты контроля качества для оценки вмешательств по редактированию генов. Правительственные чиновники должны играть более активную роль, чем до сих пор, следуя здравому законодательству а также запрашивая мнения своих избирателей и поощряя участие общественности в дискуссии насущных вопросов. Конечно, маловероятно, что когда-либо будет достигнуто единодушное согласие относительно редактирования зародышевой линии, но правительства, тем не менее, должны сделать всё возможное для того, чтобы принять законы, которые одновременно используют потенциал технологии CRISPR и отражают волю людей.

Даже несмотря на эти усилия, мы вряд ли увидим что-либо похожее на согласованный международный ответ вызовам, поставленным CRISPR. Разные общества неизбежно будут подходить к теме редактирования зародышевой линии с разных сторон, будут иметь свои уникальные взгляды, обусловленные историей культурных ценностей. Некоторые авторы предсказывают, что редактирование зародышевой линии человека, особенно генетическое её улучшение, будет впервые принято в азиатских странах, таких как Китай, Япония и Индия.

Китай является особенно благодатной почвой для исследований и разработок по редактированию зародышевой линии, поскольку учёные из этой страны стали инициаторами применения технологии CRISPR в нескольких областях, включая первые применения у приматов, не являющихся людьми, и эксперименты на нежизнеспособных человеческих эмбрионах и людях. Но как бы ни было сложно достигнуть международного соглашения о редактировании зародышевой линии, мы должны попытаться к нему прийти. Несмотря на то, что редактирование генов вызовет фрагментацию человеческого общества, что кажется проблемой для будущих поколений, на самом деле оно выглядит не таким отдаленным явлением в свете истории.

Любопытно, что после того как были озвучены результаты первых экспериментов с эмбрионами, которые провели китайские учёные при участии CRISPR, американские шпионские агентства не на шутку заинтересовались ими. В последствии в комитете Сената по делам вооружённых сил редактирование генома рассматривалось как одно из шести видов оружия массового уничтожения, которое могут создать различные страны, представляя угрозу для США. Остальными видами оружия массового уничтожения стали российские крылатые ракеты, сирийское и иракское химическое оружие и ядерные программы Ирана, Китая и Северной Кореи.

Биологические и химические материалы и технологии часто становятся «технологиями двойного назначения» в условиях глобализации экономики. Они называются так потому, что могут быть применены для производства как гражданской, так и военной продукции. Другими словами, эти технологии можно использовать как в мирных, так и в военных целях. Американские шпионские агентства опасались, что последние открытия в области наук о жизни быстро распространяются по всему земному шару, а исследования в области редактирования генома, проводимые в странах с иными нормативными или этическими стандартами, чем в США, вероятно, увеличат риск создания потенциально вредных биологических агентов или продуктов для страны. Учитывая широкое распространение, относительно невысокую стоимость и ускоренные темпы развития этой технологии двойного назначения, ее преднамеренное или непреднамеренное неправильное использование могло привести к далеко идущим последствиям для экономики и национальной безопасности. Размышляя о возможных злоупотреблениях CRISPR можно представить себе, что могут сделать с ней учёные-изгои, и даже, – если представить самое страшное – что могло бы стать, если бы такой технологией завладел бы Гитлер. Что, если живые диктаторы или террористы попытались бы использовать CRISPR для достижения своих извращенных целей? Как бы мы смогли их остановить? И как учёные, открывшие CRISPR, смогли бы жить с осознанием того, что их исследования, основанные на желании понять мир природы и, в конечном счете, улучшить человеческие жизни, были использованы вместо этого, чтобы навредить им?

Дизайнерский – или просто красивый?

Подводя итоги разговора о CRISPR-детях, стоит сказать, что даже если бы точность корректировок во время редактирования генома будущих детей было безупречно, вопрос о том, какие именно изменения в зародышевой линии человека могут быть безопасными, всё равно оставался бы открытым. Конечно, возможность иметь потенциально здоровых детей весьма соблазнительна как для родителей, страдающих от генетически унаследованных заболеваний, так и для бизнес-компаний, готовых оказывать людям, мечтающим о здоровом ребёнке, услуги по его «созданию». Но на сегодняшний день риск возникновения таких детей недостаточно оправдан. Скорее, его на сегодняшний день даже сложно оценить ввиду недостаточной изученности редактирования генома человека.

Общественное мнение о редактировании генов для предотвращения заболеваний в основном положительное – люди всё чаще высказывают мнение в поддержку изменения зародышевой линии в целях борьбы с неизлечимыми заболеваниями, если доказано, что конкретный метод безопасен и применяется для лечения генетических заболеваний. Ещё бы: кто из нас не хотел бы быть здоровым и иметь здоровое потомство! Но для того, чтобы с уверенностью применять технологию CRISPR для точного редактирования генов, нужно быть уверенными в том, что мы делаем. Здесь очень уместна простая и исчерпывающая оценка данной ситуации самой Дженнифер Дудной, которая не торопится бежать вперёд науки: «Пока мы не до конца понимаем, как происходит репарация ДНК у эмбрионов. Нам предстоит проделать огромный труд для того, чтобы разобраться хотя бы в базовых вещах».

Что нас ждёт в будущем?

CRISPR, способную изменить ход эволюции, невозможно сдерживать. Она затрагивает самые разные стороны жизни. Слепое стремительное движение вперед при манипуляциях с новыми технологиями безусловно создаёт определённые проблемы. Например, гонка вооружений привела к таким масштабным исследованиям и разработкам, которые коренным образом изменили глобальную политическую систему, затронув многие аспекты жизни людей, отчасти в небезопасную сторону. В отличие от ядерных технологий, технология генного редактирования дает нам возможность провести её публичное обсуждение путём информирования людей из разных слоёв общества о том, как мы собираемся использовать мощнейшую силу CRISPR, способную контролировать будущее нашей жизни. Но если мы будем откладывать всестороннее участие в данной дискуссии на потом, то вскоре обнаружим, что узды правления ускользнули из наших рук.

Одной из определяющих характеристик нашего вида, вида человека разумного, является стремление открывать, постоянно расширять границы того, что известно, доступно и возможно. Люди всегда стремились к развитию и усовершенствованию того, чего им уже удалось достичь – так мы устроены. Достижения в области ракетостроения и космических путешествий позволяют нам исследовать другие планеты, а достижения в физике элементарных частиц раскрывают нам фундаментальные основы материи; точно так же достижения в редактировании генов позволяют переписать язык самой жизни и приближают нас к получению почти полного контроля над генетической судьбой. Вместе мы можем выбрать, как лучше использовать эту технологию. Она уже открыта и время невозможно повернуть вспять – технология в руках человека, и то, как мы распорядимся ею, теперь является только нашей ответственностью. Мы должны обращаться с этим чудом XXI века осторожно и с максимальным уважением к колоссальной силе, которую она нам предоставляет.

На протяжении большей части истории вида люди подвергались медленному, незаметному эволюционному давлению, оказываемому миром природы. Теперь мы находимся в том положении, в котором способны контролировать фокус и интенсивность этого давления. С этих пор всё будет развиваться гораздо быстрее, чем мы можем предсказать, и даже сложно представить, как будет выглядеть геном обычного человека всего через несколько десятилетий. Кто из учёных возьмётся сказать, каким будет наш вид, да и весь мир, через несколько сотен или несколько тысяч лет?..

Классик английской литературы Олдос Хаксли вообразил будущее разных генетических каст в своем пугающем романе «О дивный новый мир». В этом антиутопическом сатирическом романе люди не рождаются, а выращиваются в сосудах на специальных заводах. Согласно повествованию, эмбрион может принадлежать к одной из пяти генетических каст, различающихся по уровню умственного и физического развития. Но, похоже, генетическое неравенство, которое может стать результатом редактирования зародышевой линии, может настичь человечество гораздо быстрее, чем описывается в книге Хаксли.

Задумавшись обо всех возможных методах, с помощью которых технология CRISPR может буквально пересмотреть наше общество и состав нашего вида в течение полутора тысячелетий, можно прийти ко множеству противоречивых выводов. Многие из перемен, достигнутых при помощи CRISPR, будут однозначно хорошими CRISPR обладает невероятным потенциалом, который может улучшить наш мир: например, представьте себе, что вы используете редактирование генов для искоренения наиболее серьезных генетических заболеваний; представьте, что тысячи учёных используют CRISPR для изучения таких страшных болезней, как рак, изобретают новые методы лечения и даже лекарства. Представьте себе, что фермеры, селекционеры и мировые лидеры решают глобальный кризис голода, используя зерновые культуры, улучшенные с помощью CRISPR, способные лучше выдерживать наш меняющийся климат. Эти цели могут быть легко достигнуты – все зависит от выбора, который мы сделаем в ближайшие годы.

Нельзя сказать, что определённые технологии являются исключительно хорошими или плохими: важно то, как мы используем их. И когда дело доходит до CRISPR, возможности этой новой технологии, которая одновременно может быть и доброй и злой, ограничены только нашим воображением. Мы можем использовать её для получения как полезных, так и нежелательных результатов, но в любом случае обращение с технологией CRISPR потребует решимости от нас, как индивидуальной, так и коллективной.

Как вид мы никогда не делали ничего подобного раньше – но опять же, у нас никогда не было инструментов для подобных действий. Способность контролировать генетическое будущее нашего вида удивительна и устрашающа. Решение, как ею пользоваться, может стать самой серьёзной задачей, с которой мы когда-либо сталкивались. Хочется верить, что справимся.

Учитывая, насколько радикальными являются последствия редактирования генов для всего нашего вида и нашей планеты, обеспечение связи между представителями науки и общественностью никогда не было более актуальным, чем сейчас. Мы живем в мире, где наука носит глобальный характер, и нам необходимо быть уверенными, что знание о возможностях новейших технологий распространяется от ученых к обществу точно так же, как и между самими исследователями. Прошли времена, когда жизнь формировалась исключительно благодаря эволюции, – мы стоим на пороге новой эры, в которой у нас будет власть над генетической составляющей жизни со всеми ее яркими и разнообразными последствиями. Очевидно, что мы не полностью готовы к такой колоссальной ответственности, но избежать её невозможно. Если контроль над нашей собственной генетической судьбой – уже сама по себе ужасающая мысль, то попробуйте представить последствия обладания этой силой без умения её контролировать. Вот что было бы действительно страшно.

Мы должны разрушить стену, которая ранее разделяла науку и общественность и из-за которой в обществе царило недоверие и невежество по отношению к инновациям в науке. То, что мешает людям прийти к пониманию и осознанию насущных вопросов новейших технологий, это именно существующие барьеры. Остаётся надеяться, что следующее поколение учёных будет готово к более глубокому и открытому взаимодействию с обществом, чем было готово предыдущее их поколение, а также что они будут придерживаться принципа «обсуждения без диктовок», когда дело доходит до принятия решения о том, как должны развиваться и взаимодействовать наука и технология. Таким образом, учёные могут помочь восстановить доверие общественности к научным инновациям.

Но всё же в данном вопросе есть признаки прогресса. В последние годы многие научные статьи находятся в открытом доступе для ознакомления широкого круга читателей, а переход на онлайн-курсы повышает доступность образования для студентов всех возрастов по всему миру. Безусловно, это положительные тенденции, но многое ещё предстоит сделать. Образовательные учреждения должны переосмыслить, каким именно образом будут учиться студенты, а также как они смогут применять свои знания для решения социально важных проблем. Было бы полезно поработать и над тем, чтобы ведущие государственные университеты мира организовывали междисциплинарные встречи, курсы и исследовательские проекты. Создавая возможности для ученых, писателей, психологов, историков, политологов, специалистов по этике, экономистов работать вместе над реальными проблемами, учёные могли бы расширить коллективные способности с целью объяснить свою работу и научные дисциплины неспециалистам.

Конечно, внедрять идеи всегда сложнее, чем формулировать их, но рост интереса к таким междисциплинарным инициативам среди учёных уже заметен. И здесь любопытно то, что технология CRISPR может помочь инициировать эти усилия из-за множества областей, к которым она относится: наука, этика, экономика, социология и экология. Все учёные, независимо от принадлежности к конкретной научной сфере, должны быть готовы к тому, чтобы противостоять самым широким последствиям научной работы, ведь все важные открытия в мире были достигнуты путём открытых, порой простых научных исследований, и здесь нужно отдать дань природе, – часто она открывает нам просто потрясающие возможности.

Например, мы могли никогда не узнать о чудесах, которые способно творить лекарство пенициллин, если бы Александр Флеминг не проводил простых исследований бактерий в чашке Петри, в итоге случайно открыв первый в мире антибиотик. Однажды Флеминг просто чихнул над чашкой, в которой выращивал бактерии, а позже обнаружил по содержимому что бактерии были уничтожены плесневым грибком, – будущим первым антибиотиком в мире.

Так и Дженнифер Дудна и её коллеги никогда бы не создали мощный инструмент для редактирования генов под названием CRISPR, если бы не углубились в вопрос о том, как бактерии борются с вирусными инфекциями. История CRISPR служит нам напоминанием о том, что прорыв может прийти с неожиданной стороны. Мы должны продолжать поддерживать новые открытия во всех областях науки, искренне принимать и руководить этими открытиями. Ибо, как показывает история, то, что мы не готовы к научному прогрессу, не означает, что он не произойдет. Каждый раз, когда мы открываем один из природных секретов, он сигнализирует об окончании одного эксперимента и начале многих других.

Не так давно открытый механизм геномного редактирования на сегодняшний день является одной из наиболее стремительно развивающихся и востребованных технологий. На сегодняшний день CRISPR является самым популярным инструментом для редактирования генома. Мы уже рассмотрели массу этических и моральных вопросов, которые поднимает возможность изменять код жизни, но давайте сфокусируемся на практической значимости технологии и на самых интересных её применениях в настоящем и будущем.

CRISPR может исправить генетические ошибки, которые вызывают заболевания

Во-первых, возможность революционной технологии CRISPR искоренять генетические ошибки, которые способствуют возникновению страшных заболеваний, даёт ряд масштабных позитивных последствий: получается, мы можем не только сделать людей здоровыми и свободными от тягот наследственных заболеваний, но и провести такую генетическую работу которая сделает население земного шара более здоровым, а также избавит обречённых людей от вынужденного пожизненного приёма лекарств. CRISPR дала нам возможность исправлять и предотвращать самые страшные и мучительные заболевания – генетические, ведь благодаря такой терапии можно исправить генетическую проблему на уровне ДНК и РНК. Редактирование генома с помощью ловких цинковых пальцев уже в прошлом, на смену им пришла генная терапия CRISPR, которая считается одним из самых перспективных способов борьбы с тяжелыми заболеваниями, а некоторые её виды уже одобрены в странах Европы. Безусловно, механизм развития генной терапии уже запущен и набирает обороты. Поэтому чего стоит ожидать в будущем, так это появления всё новых и более эффективных видов генной терапии и роста конкуренции в отрасли биотехнологий. В ближайшем будущем нам будут доступны новые и разнообразные методы лечения, что не может не радовать.

С помощью CRISPR возможно сконструировать ребенка с заданными «параметрами»

Во-вторых, редактирование эмбрионов – это просто вызов природе и нашему будущему. Несмотря на то что последствия редактирования зародышевой линии могут быть весьма неожиданными, цель большинства учёных в поле этих исследований – появление на свет здоровых детей. Так называемые дизайнерские младенцы являются самым спорным объектом применения CRISPR из-за того, что генное редактирование может вызвать обширные нецелевые мутации при попытке исправить «плохой» ген на «хороший», чтобы предотвратить наследственное заболевание. Ошибка может дорого обойтись будущим родителям. Стоит также опасаться и умерить пыл мечтающих наделить будущее чадо сверхспособностями для того, чтобы они по своему развитию превосходили сверстников, – бездумно руководствуясь азартом и пренебрегая законами, некоторые учёные способны создать своеобразный «чёрный рынок CRISPR», на котором спрос будет всегда высок.

Пока что регуляторы очень настороженно относятся к редактированию эмбрионов – в США исследования, в которые они вовлечены, не спонсируются со стороны властей, а в Канаде наследственное генное редактирование – преступление, наказанием за которое станет тюремное заключение. В некоторых других странах, наоборот, – в частности в Европе – правительство допускает генные изменения в эмбрионах человека. В России дело обстоит совершенно иначе: правительство занимается разработкой плана оснащения и развития лабораторий для проведения генетических исследований и совершенствования технологий генного редактирования.

Пожалуй, применение генной инженерии к человеческим эмбрионам – самая животрепещущая возможность CRISPR, которая вызывает противоречивые мнения у разных учёных по всему миру. Главный вопрос заключается в неожиданных последствиях таких экспериментов, что делает мир не готовым к ним: вдруг CRISPR преобразует что-то в ненужном фрагменте ДНК и непреднамеренно модифицирует или вообще удалит здоровый ген? Как это скажется на будущем человеке? Так и получается, что мы имеем дело с технологией-монстром, у которой есть как светлая сторона, так и зловещая тёмная: геномное редактирование с помощью CRISPR может уничтожить тысячи наследственных заболеваний, которые ранее считались неизлечимыми, но при этом, играя с кодом жизни, мы можем получить чудовищ Франкенштейна.

CRISPR обладает силой уничтожить микробы, вызывающие болезни

Не менее важным является и тот аспект CRISPR, что с помощью неё можно манипулировать с микробами и вирусами, вызывающими болезни. CRISPR открыла учёным новые способы уничтожения болезнетворных микробов. Учёным из Китая, экспериментирующим с мутациями в генах мышей, удалось добиться интересных и полезных результатов: попытки повышения устойчивости мышей к заражению ВИЧ оказались успешными. Мы уже знаем из предыдущих глав, что у небольшого процента населения земного шара есть устойчивость к заражению этим страшным вирусом. Как известно, у везунчиков, обладающих полезной генной мутацией, учёные обнаружили поломку в гене белка-рецептора CCR5. Возможно, дальнейшие эксперименты с этим геном когда-нибудь позволят добиться результатов не только у мышей, но и у людей. Конечно, вирус ВИЧ сейчас выглядит уже не так страшно, как тридцать лет назад – с появлением современных лекарственных средств заболевание стало больше похоже на хроническое, которое успешно поддаётся контролю, чем на что-то поистине ужасающее. В США уже запущен большой научный проект по исследованию 300 человеческих генов, влияющих на размножение ВИЧ в организме. Так что, возможно, в относительно недалёком будущем у нас появится возможность узнать о взаимоотношениях с этим вирусом больше.

Помимо этого учёные использовали CRISPR и для создания полезных бактериофагов. Бактериофаги представляют собой вирусы, которые избирательно поражают бактериальные клетки. Например, при лечении заболеваний, вызванных бактериями, устойчивыми к антибиотикам, можно с успехом применять бактериофаги. Антибиотики, словно бомбардировка, уничтожают все бактерии на своём пути – и вредоносные и полезные. При гибели полезных бактерий создаются неблагоприятные условия для выздоровления и появляется больше возможностей для развития инфекций. Бактериофаги, созданные при помощи технологии CRISPR, подобны крохотным снайперам – они избирательно и прицельно уничтожают врагов. Бактериофаги, поражающие болезнетворные бактерии, дублирующиеся внутри них и убивая, используются в клинической практике уже не один десяток лет, но их добыча из природы представляет собой не самый простой процесс. Применив технологию генного редактирования к бактериофагам, учёным уже, например, удалось создать CRISPR-бактериофаги, атакующие бактерий-возбудителей холеры. Таким образом, при помощи CRISPR мы можем получить такие лекарственные препараты, которые могут оказаться панацеей в лечении заболеваний, в битве с которыми антибиотики бессильны. Тем не менее испытания на людях пока что ещё только планируются, но учёные настроены весьма оптимистично в отношении использования CRISPR для создания бактериофагов, так как они являются доказанным безопасным методом борьбы с бактериальными инфекциями. Учитывая огромные перспективы CRISPR, открытие лекарств качественно нового уровня уже не за горами.

CRISPR может создать более здоровую пищу и более выносливых и крупных животных, манипулируя целыми популяциями

Вспомним о применении CRISPR в сельском хозяйстве и генном дрейфе, благодаря которому учёные запросто могут повысить вероятность передачи растениям и животным определённых генов по наследству почти до 100 %, что позволит нужному признаку быстро распространиться на всю популяцию. Коровы с развитыми мышцами, которые дают вдвое больше мяса, и комары, не способные больше передавать при укусах малярийного плазмодия, вызывающего ужасную болезнь малярию, – уже перешли из категории фантастических животных в список вполне реальных. Более того, мы уже способны уничтожать целые популяции нежелательных видов. Используя CRISPR, можно, например, модифицировать животных так, чтобы в их популяции рождались только самки – и через некоторое время популяция попросту исчезнет. Раньше о таком учёные могли разве что мечтать. Следующая реальная мишень генного дрейфа – грызуны: мыши, крысы и кролики. Работа над применением генного дрейфа к этим видам животных уже ведётся в лабораториях.

Увенчав цепочку поочерёдно открытых генных редакторов, технология CRISPR ознаменовала истинную революцию в биотехнологиях и науке. Теперь, с помощью CRISPR, в наших руках находится ключ к решению широкого спектра задач, начиная от создания новых видов растений, бактерий и животных до исправления генетических ошибок, создания новых лекарств и исцеления людей от болезней. Генетическая инженерия долго искала путь ко взлому кода жизни, заключённому в ДНК, перепробовав много различных методов разрезать её, внести мутации и снова восстановить. Теперь, когда технология CRISPR открыта, учёным остаётся только полномасштабно и аккуратно использовать и развивать её.

CRISPR – генный редактор будущего – открывает многообещающие долгосрочные перспективы с возможным открытием и более новых, усовершенствованных методов генной инженерии. Только представьте себе мир, в котором ужасные наследственные заболевания в генетическом коде людей можно отредактировать с той же легкостью, с которой происходит правка текста в редакторе Word. Представьте мир, где можно проектировать и воскрешать исчезнувших с планеты Земля животных и выбирать цвет глаз и волос будущих детей.

Такие идеи похожи на фантастику, но как бы это ни было удивительно, генные технологии уже позволяют воплотить всё это в реальность, кардинально меняя будущее.

* * *

Когда книга готовилась к печати, Всемирная организация здравоохранения объявила пандемию коронавируса 2019-nCoV. Как генетики могут помочь в лечении и ускорить появление вакцины против смертельной угрозы?

В конце февраля 2020 года геном нового коронавируса был расшифрован и представлен научному сообществу.

В рамках глобального проекта «Геном человека» исследователям всего мира открыт доступ к геномам разных организмов, их можно анализировать в графическом интерфейсе Genome Browser. Теперь там же опубликован полный биомолекулярный код 2019-nCoV, чтобы показать учёным структуру вируса и помочь им найти скорейшее решение.

Глоссарий

Аденоассоциированный вирус (AAV) – вирус, инфицирующий делящиеся и неделящиеся клетки человека, не вызывает у него заболевания и, соответственно, вызывает слабый иммунный ответ. Таким образом, AAV может встраивать свой геном в геном хозяина, не заражая его.

Аллель – одна из двух или более альтернативных форм гена, каждая из которых характеризуется уникальной последовательностью нуклеотидов.

Аутосома – любая неполовая хромосома. У человека 22 пары аутосом.

Вектор – молекула ДНК, способная к включению чужеродной ДНК, носитель генетической информации.

Гамета – зрелая половая клетка.

Ген – последовательность нуклеотидов в ДНК, которая кодирует определённую РНК.

Генетический таргетинг – процесс, при котором в геном организма вносятся искусственные изменения.

Генная терапия – лечение наследственных и приобретенных заболеваний путем введения в соматические клетки пациента генетических элементов для восстановления или подавления функций генов и придания клеткам заданных свойств.

Генный дрейф – технология, позволяющая распространить измененный человеком ген в дикой популяции животных или растений.

Геном – совокупность всего наследственного материала, заключённого в клетке любого живого организма.

Генотип – генетическая характеристика организма.

Гены материнского эффекта – гены, проявляющиеся в яйцеклетке и определяющие фенотип потомства вне зависимости от генотипа самца.

ДНК – макромолекула, которая обеспечивает хранение и передачу генетической информации для функционирования живых организмов.

Зародышевые клетки – любые клетки, геном которых может быть унаследован последующими поколениями; составляют зародышевую линию организма – поток генетического материала, который передается из поколения в поколение.

Изменчивость – разнообразие признаков среди представителей одного вида.

Иммунитет – механизм борьбы организма с инфекционным агентами типа вирусов и микробов.

Иммунодефицит – нарушение иммунологической активности, обусловленное выпадением одного или нескольких компонентов иммунного аппарата.

Иммунотерапия – лечение препаратами, прицельно воздействующими на иммунную систему.

Ингибиторы контрольных точек имунного ответа – препараты, при помощи которых активизируют иммунную систему так, чтобы она начала направлять свои клетки на борьбу с опухолями.

Интерфероны – белки, синтезируемые клетками в ответ на вирусную инфекцию и подавляющие их развитие.

Клон – группа генетически идентичных клеток, возникших неполовым путём от общего предка.

Клонирование клеток – разделение путем рассева в питательной среде и получение колоний, содержащих потомство от изолированной клетки.

Нокаут гена – метод молекулярной генетики, при котором из организма удаляют или делают неработоспособными определенные гены. Метод заключается в том, что в клетку вводятся синтетические фрагменты последовательности ДНК «выбиваемого» гена, похожие на природный ген, но слегка химически модифицированные.

Метаболизм – совокупность процессов, обеспечивающих существование и воспроизведение клетки.

Мобильные элементы генома – последовательности ДНК, способные перемещаться внутри генома.

Мутация – изменение генетического материала, часто приводящее к изменению свойств организма.

Наследственность – свойство организмов обеспечивать материальную и функциональную преемственность между поколениями, а также повторять определённый тип индивидуального развития.

Нуклеазы – ферменты, расщепляющие молекулы нуклеиновых кислот.

Рекомбинация – перераспределение генетического материала путём разрыва и соединения разных молекул, приводящее к появлению новых комбинаций генов.

Рекомбинантная ДНК – искусственно полученная ДНК, включающая гены – объекты генетических манипуляций.

Репарация ДНК – исправление повреждений молекулы ДНК, восстанавливающее её первоначальную структуру.

РНК – одна из трёх основных макромолекул, содержащихся в клетках всех живых организмов.

Соматические клетки – клетки тканей многоклеточных организмов, не относящиеся к половым.

Стволовые клетки – незрелые клетки, способные самообновляться.

TALEN – технология-предшественница CRISPR.

Т-клетки – лимфоциты, главная функция которых – усиление иммунного ответа.

Фенотип – внешнее проявление свойств организма, зависящих от его генотипа и факторов окружающей среды.

Хромосома – структура в ядре клетки, в которой сосредоточена большая часть наследственной информации. В большинстве клеток организма содержится по 46 хромосом, по 23 от каждого родителя. На хромасомах расположены гены.

Хромотрипсис – явление, при котором хромосома внезапно разрушается и затем снова восстанавливается, что приводит к массивной перестройке генов внутри нее.

Цинковый палец (ZFN) – одна из основных групп белков, связывающих ДНК. Относится к одному из наиболее перспективных с точки зрения практического применения ДНК-узнающих белков.

Штамм – линия клеток, бактерий (или вирусов), ведущая начало от одной клетки (или вируса).

Эгоистичный ген – американский эволюционный биолог Ричард Докинз выдвинул теорию, согласно которой единицей эволюции является не популяция особей какого-либо вида, а сам ген (потому он и назван эгоистичным). И «предназначение» гена не в том, чтобы приспособить особь к окружающим условиям, чтобы она выжила и дала потомство, а сделать всё, чтобы сам ген «выжил».

Content

Просто геном

Генетика. Краткая история открытий

Введение

Генный код взломан

Генные редакторы: в поисках чудодейственного средства

Crispr-зоопарк

Исцелить больных

Ребёнок на заказ

Что нас ждёт в будущем?

Глоссарий