Редактирование Человечества. Революция CRISPR и новая эра редактирования генома. Кевин Дэвис

Технология CRISPR может изменить медицину, науку и не только. Кевин Дэвис

Однако редактирование генома также сталкивается с множеством проблем: научных, политических и этических. Возможно, пройдут десятилетия, прежде чем редактирование генома станет надежным, доступным и морально оправданным — и будет принято публикой.

Книга Кевина Дэвиса элегантно вплетена в конкуренцию и конфликты, связанные с открытием, разработкой и взрывом приложений CRISPR, с неизбежно возникающими очень серьезными моральными и социальными вопросами.

8 главных идей книги.

1• Впервые ученые отредактировали ген человека с помощью CRISPR в 2017 году.

2• Открытие CRISPR изменило подход к науке.

3• Некоторые бактериальные гены важны для использования CRISPR при редактировании генов.

4• В 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье опубликовали исследовательскую работу, имеющую важное значение.

5• CRISPR может дополнить или даже полностью заменить существующие методы редактирования генов.

6• Редактирование генома не только лечит симптомы болезни. Это исправляет его первопричину.

7• Младенцы CRISPR, созданные Хэ Цзянькуй, вызвали возмущение в международном научном сообществе.

8• Хотя у нас есть возможность создавать их, не ясно, готов ли мир к генетически отредактированным младенцам.

Первая идея книги.

1. Впервые ученые отредактировали ген человека с помощью CRISPR в 2017 году.

В ноябре 2018 года появились новости о том, что молодой китайский ученый по имени Хэ Цзянькуй изменил гены у плода.

Более поздние сообщения подтвердили рождение генетически измененных девочек-близнецов. Хэ Цзянькуй изменил гены в каждой из клеток младенцев, включая их яйцеклетки, используя технологию кластерных регулирующих межпалиндромных повторов (CRISPR).

Следовательно, потомство девочек станет первым в истории человеком, унаследовавшим ДНК, измененную человеком.

Когда он несколько недель спустя выступал на конференции в Гонконге, предположительно отчасти для объяснения своих действий, он, вероятно, ожидал, что окажется на грани научной славы. Но это было решительно не так. Ученые всего мира были возмущены тем, что он сделал. А когда он вернулся в Китай, ему грозили арест и тюрьма, а не слава и богатство.

Менее чем за два десятилетия до этого ученые завершили грандиозный проект «Геном человека».

Информация, собранная во всей последовательности генома человека — печатная энциклопедия насчитывает более 100 томов — позволила выявить причины наследственных заболеваний и даже источники более распространенных недугов, таких как болезни сердца и психические заболевания.

Все изменилось, когда два ученых, Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, обнаружили революционный потенциал способности CRISPR редактировать любой участок ДНК быстрее и без усилий, чем когда-либо прежде.

 А летом 2017 года двум ученым из Орегона удалось использовать технологию CRISPR для редактирования гена в человеческом эмбрионе.

2. Открытие CRISPR изменило подход к науке.

В 2000 году президент Билл Клинтон объявил о важной вехе в проекте «Геном человека»: набросок всей последовательности генома человека.

Это было, возможно, самое значительное событие в биологии с момента открытия двойной спиральной структуры ДНК в 1950-х годах.

Несмотря на то, что этот набросок был еще не завершен, люди теперь могли начать переводить и интерпретировать «книгу жизни».

Теперь люди могут иметь возможность не только манипулировать генами растений в сельскохозяйственных целях, но и изменять сам геном человека. Теоретически это подготовило почву для появления редактирования генома человека.

В то время как некоторые ученые сосредоточились на секвенировании ДНК, чтобы добавить к кумулятивному проекту генома человека, другие работали над разработкой средств для внесения полезных удалений и исправлений в последовательности генома человека.

После успеха проекта «Геном человека» для ученых было естественным выяснить, как манипулировать геномом человека и, по сути, изменить будущий ход эволюции человека. Технология CRISPR сделала именно это.

Она не только предлагала способ сращивания и редактирования ДНК, но также предоставляла широкий спектр механизмов для редактирования и изменения ДНК.

CRISPR была не первой и не единственной технологией для редактирования геномов. Но это было одно из тех редких научных достижений, которое немедленно меняет подход к науке для всех, кто в ней участвует.

3. Некоторые бактериальные гены важны для использования CRISPR при редактировании генов.

В микроскопическом мире бактерии и вирусы, которые эволюционировали, чтобы их убить (бактериофаги), находятся в постоянной войне.

Бактерии развили защитную систему, которая включает в себя ферменты, способные идентифицировать чужеродную (то есть фаговую) ДНК и разрезать ее.

CRISPR — это часть бактериального генома, которая, по сути, хранит сегменты вирусного кода, чтобы бактерии могли распознать его при следующей встрече с тем же вирусом, подобно тому, как наша адаптивная иммунная система распознает патогены, которые она видела раньше. Когда бактерия подвергается атаке фага, она генерирует РНК, содержащую копии вирусного кода.

Затем эта РНК направляет фермент Cas (последовательность, ассоциированную с CRISPR), чтобы вырезать и отключить чужеродную ДНК.

В качестве метода редактирования генома ученые могут воспроизвести этот процесс синтетически и целенаправленно, чтобы идентифицировать и вырезать любую последовательность ДНК, которую выберет ученый. Даже в этом случае программирование подходящего фермента для нацеливания на конкретное место в геноме человека значительно сложнее, чем у бактерии, преследующей вирусную ДНК.

4. В 2012 году Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье опубликовали исследовательскую работу со значительными последствиями.

Спустя более чем десять лет после того, как президент Клинтон объявил о первом триумфе проекта «Геном человека», биохимик Дженнифер Дудна из академика Калифорнийского университета в Беркли превратилась в «международную научную знаменитость» и первое лицо революции CRISPR.

В июне 2012 года Дудна и ее коллега Эммануэль Шарпантье предложили журналу Science статью о CRISPR, сославшись на двух других ученых, участвовавших в исследовании. В документе показано, что систему CRISPR-Cas9 можно адаптировать для разрезания практически любой последовательности ДНК в лабораторных условиях.

В принципе, ученые могут адаптировать эту технику для своих целей, и по этой причине она может быть применима для нацеливания на определенные гены и геномы. Но ученые осторожно отметили, что их результаты относятся к бактериальной ДНК и не обязательно будут работать для растений и животных, включая человека.

Комментарии Дудны к статье были относительно сдержанными и скромными, хотя другие быстро указывали на взрывной потенциал статьи для всего, от новых лекарств до зеленой революции в химии. Но, Дудна предположила, что их результаты могут быть благом для генных инженеров и в конечном итоге могут привести к редактированию генома.

5. CRISPR может дополнить или даже полностью заменить существующие методы редактирования генов.

Дженнифер Дудна и ее коллеги были не единственными, кто задумывался о редактировании генов.

 В 2013 году с Дудной связался молодой доцент Массачусетского технологического института Фэн Чжан, который также работал над использованием CRISPR.

Несколькими годами ранее Чжан был вдохновлен лекцией Майкла Гилмора, специалиста по устойчивости бактерий к антибиотикам.

Гилмор понял, что чрезмерное использование антибиотиков нарушает бактериальную систему CRISPR, делая уязвимые бактерии неспособными разрезать чужеродную ДНК. Это сделало их более уязвимыми для фагов, но позволило им перенять генетические элементы, в том числе гены устойчивости к антибиотикам, от других бактерий.

Чжан сосредоточился на редактировании генома животных, в том числе человека. После лекции Гилмора Чжан пришел к выводу, что РНК можно использовать в сочетании с CRISPR, чтобы редактировать ДНК проще, чем существующие методы.

Первые попытки использовать CRISPR в клетках человека оказались трудными, отчасти из-за требуемой последовательности Cas.

В конце концов, однако, Чжан придумал, как вставить CRISPR-Cas9 в клетки животных и использовать определенный ген.

Уже были некоторые доказательства того, что последовательности генов у людей могут быть идентифицированы и нацелены.

Чжан и другие разрабатывали и продвигали работу, проделанную Дудной и Шарпантье, но успех в том, чтобы заставить CRISPR работать с клетками человека и других животных, по-прежнему был большим достижением.

Это также создало перспективу совершенно новых форм генетической терапии. Хотя средства массовой информации еще не осознали широкое значение этой работы, CRISPR начал привлекать гораздо больше внимания как СМИ, так и других ученых.

6. Редактирование генома не только лечит симптомы болезни. Это исправляет его первопричину.

Работая в онкологическом центре Абрамсона при Пенсильванском университете, Карл Джун и его сотрудники продвинули исследование CRISPR для больных раком.

Основываясь на предыдущем исследовании, испытание было направлено на то, чтобы побудить Т-клетки идентифицировать и уничтожать раковые клетки. Джун и его группа использовали CRISPR для создания Т-лимфоцитов, которые обнаруживают раковые клетки, а также для предотвращения разрушения Т-клеток раковыми клетками.

Клетки были отредактированы в лаборатории, а затем вставлены обратно пациенту. По состоянию на февраль 2020 года испытание казалось безопасным и не дало никаких неблагоприятных результатов. В научном сообществе это считается важной вехой.

В качестве терапии редактирование генома имеет несколько явных преимуществ.

Старомодные фармацевтические препараты устраняют только симптомы.

«Генная терапия», с другой стороны, смягчает эффекты генных мутаций, но на самом деле не восстанавливает их.

Редактирование генома исправляет неправильный или поврежденный код в ДНК, вызывающий заболевание, и делает это навсегда.

Редактирование генома обещает устранить болезнь, а не управлять ее симптомами и негативными последствиями.

Чтобы сделать это эффективно, CRISPR должен воздействовать на соответствующие области тела, не вызывая отрицательной реакции иммунной системы пациента и не вызывая дополнительных повреждений.

Использование CRISPR улучшается, и клинические испытания пока дают основания для оптимизма.

7. Младенцы CRISPR, созданные Хэ Цзянькуй, вызвали возмущение в международном научном сообществе.

До 2018 года многие люди даже не слышали о CRISPR, не говоря уже о моральных дискуссиях о редактировании генома.

Несколькими годами ранее китайские ученые манипулировали генами человеческого эмбриона в лаборатории, но с эмбрионами, которые оказались нежизнеспособными. Даже в этом случае эксперимент породил опасения, что ученые могут пойти дальше и изменить генетический код нашего вида.

Дженнифер Дудна призвала к серьезному обсуждению использования технологии. Нобелевский лауреат сделал страшные предупреждения и сослался на антиутопический научно-фантастический роман «О дивный новый мир».

С такой технологией, как CRISPR, люди могли изменять и контролировать человеческую эволюцию.

В ноябре 2018 года журналисты сообщили, что китайский ученый Хэ отредактировал гены плода у беременной женщины, которая родила двух генетически отредактированных девочек.

Он посетил конференцию в Гонконге, чтобы описать и объяснить свои действия. Его презентация была встречена повсеместными обвинениями в стране и за рубежом. Действительно, когда он вернулся домой в Китай, он был арестован и в конечном итоге заключен в тюрьму. На Западе возражения против действий Хэ Цзянькуя были этическими и медицинскими.

Один комментатор отметил, что потенциальные проблемы, с которыми младенцы сталкиваются в результате редактирования генов, намного превосходят любые реальные или потенциальные преимущества.

Другой комментатор перечислил проступки Хэ Цзянькуя, в том числе то, что он не лечил конкретную медицинскую проблему, было неочевидно, что в конечном итоге приведут к введенным мутациям, и что, работая в секрете, он не получил должного согласия.

И, наконец, он действовал вопреки всеобщему консенсусу и советам коллег.

Фиаско Хэ Цзянькуй подняло вопросы о том, как продвигаться вперед с редактированием генома человека.

После этого были сформированы экспертные комиссии, чтобы начать разработку соответствующих правил редактирования генома.

Эти важные обсуждения будут продвигаться вперед, но они ограничены недостаточным пониманием самого исследования и тем фактом, что очень немногие люди имеют какой-либо опыт работы с человеческими эмбрионами. Некоторые ученые считают, что нападения на Хэ были контрпродуктивными; они думают, что ученые собираются проводить такого рода исследования и испытания несмотря ни на что, но теперь они с большей вероятностью будут скрывать это от общественности.

8. Хотя у нас есть возможность создавать их, не ясно, готов ли мир к генетически отредактированным младенцам.

Большинство людей не думают, что генетически измененные младенцы появятся снова, по крайней мере, какое-то время.

Широко распространен запрет на редактирование генома человека.

Но это случится снова, поэтому важно определить обстоятельства, при которых редактирование генома человека будет оправданным.

Редактирование геномов человеческих эмбрионов с помощью CRISPR-Cas9 отнюдь не без риска. Известно, что ДНК может быть повреждена. Тем не менее, исследования быстро развиваются, и есть основания полагать, что скоро станет возможным безопасно оперировать ДНК эмбриона человека. Вопрос может заключаться в том, может ли редактирование генов эмбриона человека достичь такой степени точности и не иметь негативных последствий.

Эти вопросы не новы.

С помощью предимплантационного генетического тестирования (Pre-implantation Genetic Testing(PGT) уже существует метод, с помощью которого можно предотвратить передачу поврежденных или проблемных генов от одного поколения к другому.  

PGT стало обычным явлением после его изобретения, и клиники репродуктивного здоровья часто предлагают такие тесты для эмбрионов ЭКО.

В случае болезни Гентингтона половина эмбрионов ЭКО будет содержать ген этого заболевания. В тех случаях, когда PGT не предоставляет вариантов, прямое редактирование генома — единственный способ создать здорового ребенка.

В какой-то момент можно будет вообще обойти редактирование генов в человеческих эмбрионах. Исследователи работают над перспективой редактирования ДНК сперматозоидов и яйцеклеток перед оплодотворением. Люди уже используют ЭКО, раннюю диагностику и PGT.

Люди уже достигли того уровня, когда они могут редактировать гены человеческого эмбриона и, по сути, «переписывать книгу жизни».

об авторе

Кевин Дэвис — исполнительный редактор журнала CRISPR и редактор-основатель журнала Nature Genetics. Он является автором книг «Взломать геном» и «Геном за 1000 долларов».

«Простота использования CRISPR не была похожа ни на что из виденного ранее — это технический, если не концептуальный прорыв, который изменит науку и медицину и, возможно, саму ткань человечества».

«За десять лет после того, как мы провозгласили себя первым видом, расшифровавшим наш генетический сценарий, мы уже тестировали нашу способность создавать изменения в любом организме по прихоти».

Открытия Дженнифер Дудна «вероятно, окажут преобразующее влияние в области геномной инженерии человека и многих других видов со сложными геномами». (редактор журнала eLife)

«Заставить систему работать в клетках человека было важным шагом вперед в разработке нового типа генетической терапии. Это также подготовило почву для массового судебного спора об изобретении редактирования генома ».

«Редактирование генома предлагает два заманчивых преимущества для пациентов: во-первых, оно поражает корень болезни, исправляя код, восстанавливая неисправную последовательность ДНК».

«История #CRISPR babies знаменует собой необычайный поворотный момент в истории человечества».

«Большинство дискуссий о дизайнерских младенцах быстро сводится к спорам об интеллекте и других предположительно желаемых физических и поведенческих характеристиках. Но эти утопические фантазии упускают из виду пугающую генетическую сложность и гетерогенность этих сложных черт ».