14.05.2020
Что это такое?
В последнее время, все чаще приходиться читать о необходимости улучшать свойства определенных предметов и объектов - от растений, ради повышения урожайности и их стойкости к засухам или болезням, и до человека – в части усиления его определенных качеств (здоровье, иммунитет, внешний вид, долголетие). То, что казалось фантастикой – сегодня уже вполне реальные проекты с результатами. Вот как раз об одном из таких методов улучшения свойств пойдет речь.
Нашему долголетию мы обязаны стволовым клеткам, которые находятся глубоко внутри определенных тканей нашего организма и заменяют собой старые клетки. В последние годы наука добилась существенного прогресса в лечении некоторых генетических заболеваний путем редактирования генома стволовых клеток. Для этого их сначала извлекают из организма, редактируют, внося нужные изменения в их геном, а затем помещают обратно в тело пациента. Такая процедура называется CRISPR. CRISPR — одна из самых перспективных технологий последних лет, и в ближайшие годы ее роль будет только расти. Однако далеко не все понимают, как именно работает генное редактирование, при этом возникает ряд вопросов этического характера. Говоря вкратце, CRISPR — точнее, CRISPR/Cas9 — мощный инструмент редактирования геномов. Он основан на элементе защитной системы бактерий, который биологи приспособили для внесения изменений в ДНК растений, животных и даже людей. Технология позволяет внести поправки всего за несколько дней, а не недель или месяцев. Никогда прежде у человечества не было столь точного орудия для манипуляции генами.
История CRISPR началась в 1987 году, когда японские ученые, изучавшие кишечную палочку Escherichia coli, обнаружили в ее ДНК необычные повторяющиеся последовательности. Их биологическое значение выяснить не удалось, однако вскоре аналогичные фрагменты были найдены в геноме других бактерий и архей. Последовательности получили название CRISPR — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats). Их функция оставалась загадкой до 2007 года, когда специалисты по бактерии Streptococcus, которая используется для приготовления кисломолочных продуктов, определили: эти фрагменты — часть иммунной системы бактерий. Дело в том, что бактерии постоянно должны отражать атаки вирусов — своих естественных врагов. Для этого они производят специальные ферменты. Каждый раз, когда бактерии удается убить вирус, она разрезает остатки его генетического материала и сохраняет их внутри последовательностей CRISPR. Затем эта информация используется в случае новой вирусной атаки. При нападении бактерия производит белки Cas9, которые несут фрагмент генетического материала вируса. Если этот участок и ДНК атакующего вируса совпадают, Cas9 разрезает генетический материал последнего и нейтрализует угрозу. Некоторое время — это открытие было интересно только микробиологам. Однако все изменилось в 2011 году, когда биологи Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье решили точнее изучить механизм CRISPR. Они обнаружили, что белок Cas9 можно обмануть, дав ему искусственную РНК. Белок, несущий такую РНК, будет искать генетические фрагменты, совпадающие с тем, что он несет на себе. Обнаружив соответствие с чужой ДНК, он начнет измельчать ее, независимо от того, кому она принадлежит — вирусу, растению или животному. Как отметили в статье 2012 года Дудна и Шарпантье, этот механизм можно использовать для разрезания любого генома в нужном месте.
В феврале 2013 года было доказано, что CRISPR/Cas9 можно использовать для редактирования ДНК в культуре клеток мышей и человека. Более того, выяснилось, что технология позволяет не только удалять ненужные гены, но и вставлять на их место другие. Для этого достаточно добавить ферменты, восстанавливающие ДНК. Ученые быстро поняли огромные перспективы CRISPR. Если в 2011 году было опубликовано всего 100 работ о ней, то к 2017 году эта цифра достигла более 14 000.
Идея генной модификации не нова, и различные ее методики существуют уже много лет. Однако CRISPR превосходит все известные до сих пор технологии благодаря доступности и точности. Редактирование одного гена обойдется всего в $75 и займет несколько часов. И, что немаловажно, технология работает с любым организмом на Земле. Существует почти бесконечное множество потенциальных применений технологии. Во-первых, CRISPR позволяет ученым выяснить функцию различных генов. Достаточно просто вырезать изучаемый ген из ДНК и увидеть, какие функции организма оказались затронуты. Однако общественность намного сильнее интересуют практические применения. Их можно разделить на несколько пунктов:
1) Изменения в сельском хозяйстве
CRISPR позволяет сделать сельскохозяйственные культуры более питательными, более вкусными и устойчивыми к жаре и стрессу. Можно придать растениям и другие свойства: например, вырезать из арахиса ген аллергена, а в бананы внедрить устойчивость к смертельному грибку. Технологию можно применить и для редактирования генома домашних животных — например, коров.
2) Борьба с наследственными заболеваниями
Ученые намерены использовать CRISPR, чтобы вырезать из человеческого генома мутации, ответственные за целый ряд заболеваний, например, серповидноклеточную анемию. Технология также позволит вырезать гены хореи Хантингтона или мутаций BRCA-1 и 2, связанных с раком молочной железы и яичников. Теоретически CRISPR-атака даже может остановить развитие ВИЧ.
3) Новые антибиотики и противовирусные препараты
Бактерии развивают устойчивость к антибиотикам, а разрабатывать новые дорого и сложно. Технология CRISPR дает возможность с высокой точностью уничтожать определённые виды бактерий, хотя конкретную методику еще предстоит разработать. Ряд исследователей также работает над CRISPR-системами, нацеленными на вирусы.
4) Генетический драйв
С помощью CRISPR можно изменить не просто геном отдельного животного и растения, но и генофонд целого вида. Эта концепция известна как «генетический драйв». Обычно любой организм передает потомству половину своих генов. Однако использование CRISPR позволяет повысить вероятность передачи генов по наследству почти до 100%. Это позволит нужному признаку быстро распространиться по всей популяции. В более щадящем варианте можно сделать комаров устойчивыми к заражению малярийным плазмодием. Они не смогут передавать паразита людям, и малярии будет положен конец. Однако для осуществления таких проектов нужно преодолеть сомнения скептиков, которые протестуют против столь масштабного вторжения в природу.
5) Создание «дизайнерских младенцев»
Этот пункт привлекает больше всего общественного внимания. Однако, по словам ученых, пока наши технологические возможности не позволяют создавать детей с заданными качествами. Например, за уровень интеллекта отвечают тысячи генов, и скорректировать их всех пока невозможно. Возможно, в будущем технологии достигнут нужного уровня, но пока беспокоиться не о чем.
В 2015 году китайские ученые предприняли попытку исправить геном человеческого эмбриона. Они взяли оплодотворенную человеческую яйцеклетку с испорченным геном, приводящим к болезни крови бета-талассемии. В клетку были введены белок Cas9 и РНК-гид, которые должны были найти и «раскусить» неправильную копию гена с последующей репарацией по здоровой матрице. В результате эксперимента в 5–10% эмбрионов мутация, ответственная за возникновение болезни у взрослых людей, действительно была исправлена. Это хорошая новость.
Плохая новость заключалась в том, что во всех клетках пролеченных эмбрионов присутствовало большое количество мутаций, которые появились вовсе не там, где предполагалось. Таким образом, технология нуждается в совершенствовании, она недостаточно точная. Точное редактирование получается, когда участок ДНК-мишени длиной чуть больше 20 нуклеотидов комплементарно взаимодействует с полностью соответствующим ему РНК-гидом. Но ведь в геноме может существовать большое количество вариантов последовательности-мишени, отличающихся от нее лишь на одну букву, еще больше вариантов, отличающихся на две, и так далее. Каждая из таких вариантных мишеней взаимодействует хуже, чем идеально подходящая мишень, допустим в 10 раз хуже. Но так как таких последовательностей много, неправильного узнавания (а, следовательно, разрезания и редактирования) избежать очень трудно. Как с этим быть, пока неясно. Очевидно, нужно улучшать специфичность белка Cas9 и очень тщательно выбирать гиды.
Не все ученые считают CRISPR безопасной технологией. Например, согласно недавним исследованиям, генное редактирование может вызвать обширные нецелевые мутации. Авторы другой работы отмечают, что CRISPR ошибается в 15% случаев.
Перспективы изучения CRISPR-систем
Сегодня CRISPR — одна из самых востребованных технологий. Многие ученые и предприниматели грезят о работе с CRISPRами. Но сейчас эти исследования становятся в общем технологическими. Фундаментальных вопросов осталось немного. В мире есть несколько устоявшихся сильных групп, конкуренция очень сильна. Перспективнее заняться тем, что через 5–10 лет могло бы выстрелить, повторить успех CRISPR/Cas. Но где будет следующий прорыв, предсказать нельзя, в этом и состоит прелесть науки. Интересно, что эта пока еще неизвестная область будущего прорыва вовсе не должна быть сейчас в мейнстриме, быть «важной». Ведь еще 10 лет назад никто из «серьезных» ученых CRISPRами не занимался. Кстати, CRISPR/Cas — это уже второй случай того, как работы по изучению взаимодействия бактерий и их вирусов приводят к революции в биомедицине. Первая революция произошла в 1970-х годах, когда были открыты ферменты рестрикции, без которых невозможно молекулярное клонирование и генная инженерия. Среди имеющихся нерешенных проблем по биологии CRISPR/Cas-систем можно выделить следующие. Мы не знаем, откуда берется большинство спейсеров. Ведь только несколько процентов спейсеров имеют вирусное происхождение, похожи на участки ДНК известных вирусов, все остальные, подавляющее большинство, не похожи ни на что. Интересен вопрос эволюционного происхождения СRISPR/Cas-систем. Есть гипотезу, что они родственны транспозонам — участкам ДНК, которые кодируют специальные белки, занятые перестановкой тех самых участков ДНК, которые их кодируют. Такие необычные прыгающие гены. Сейчас эту гипотезу стараются подтвердить экспериментально. Кроме того, вполне актуален поиск новых, еще неизвестных CRISPR/Cas-систем. До недавнего времени было известно три разных типа, один из которых, тип II, оказался пригодным для редактирования. Недавно ученые экспериментально подтвердили наличие трех дополнительных типов этих систем, то есть люди пока не знают всего их разнообразия. А среди неизвестных систем могут быть и такие, которые перспективны с практической точки зрения и свободны от недостатков систем на основе Cas9.
Другая интересная цель исследований, имеющая и очевидный практический интерес, — понять молекулярный механизм узнавания мишени и научиться контролировать этот процесс. Это частный случай общей проблемы специфического взаимодействия макромолекул. Ученые не очень хорошо понимают, как в клетке молекулы белков, нуклеиновых кислот находят своих «правильных» партнеров и избегают «неправильных» взаимодействий. Кто клеткам помогает делать нужный выбор? Технология редактирования генов CRISPR/Cas9 несложна, при этом важно убедиться в ее безопасности для человека, но в перспективе она может демократизировать исследования в науках о жизни вообще. Ранее СМИ сообщили, что впервые удалось отредактировать геном человека при помощи технологии CRISPR/Cas9, позволяющей вырезать определенные участки ДНК, которые определяют предрасположенность организма к определенным заболеваниям. Группа китайских ученых ввела клетки с отредактированным при помощи CRISPR/Cas9 геномом в тело пациента, страдающего неизлечимым раком легких. В принципе, эта технология эффективна, и применять ее несложно. Но есть только одна серьезная проблема: геном человека очень большой, гарантировать, что вы провели редактирование только в том месте, в котором нужно, а не сделали каких-то дополнительных изменений в других местах генома, очень сложно. Cas9 – это бактериальный белок, который связывает небольшой кусочек нуклеиновой кислоты вируса и после узнавания расщепляет соответствующую им ДНК. Выяснилось, что такой белок можно ввести в клетки млекопитающих, например человека, а вместо небольшого участка нуклеиновой кислоты, который в природных условиях происходит из вируса, можно брать любой другой фрагмент ДНК, и он будет наводить белок Cas9 (сам по себе белок Cas9 – это молекулярные “ножницы”) на участок выбранный, фактически запрограммированный вами. С помощью технологии CRISPR/Cas9 можно заставить белок Cas9 узнать фактически любое место генома и произвести в нем разрыв и затем “починить”. Представьте, что в каком-то месте произошла мутация, изменение одного основания ДНК на другое и за счет которой возникло какое-то генетическое заболевание. Так вот, с помощью технологии CRISPR/Cas9 это измененное место можно узнать, а потом заменить его на правильное, то есть отредактировать геном. В части практического применения на людях – говорить еще очень рано, так как пока идут клинические испытания. Китайские ученые взяли у нескольких пациентов, у которых был мелкоклеточный рак легких, иммунные клетки, и потом геном этих клеток в лаборатории был изменен с помощью технологии CRISPR/Cas9 так, чтобы сделать эти клетки более активными с точки зрения распознавания раковых клеток. Потом отредактированные клетки были размножены в лабораторных условиях. Теперь каждому пациенту по несколько раз будут вводиться его собственные отредактированные клетки, и в течение нескольких месяцев будут смотреть, не вредно ли это, ведь такие гиперактивированные иммунные клетки могут привести к нежелательным последствиям. Пациенты не будут вылечены, сейчас просто проверяется, что им хуже не станет: испытания на безопасность. Аналогические клинические испытания скоро начнутся в Соединенных Штатах. Ученые полагают, что для некоторых видов рака, но далеко не для всех, технология будет работать. В пределах двух лет можно ждать опытов на волонтерах уже с лечением”. CRISPR/Cas технологии стремительно развиваются и коммерциализуются в США, Китая и странах Западной Европы. Надо понимать, что, в принципе, это простая технология, редактировать гены можно у себя “в гараже”, нужно только знать, что и зачем ты делаешь. В недалеком будущем эта технология позволит очень демократизировать исследования в науках о жизни, сделает их более доступными”.
Проблемы, угрозы, морально – этические нормы CRISP
Среди потенциальных применений новой технологии — лечение наследственных заболеваний (гемофилия, бета-талассемия, мышечная дистрофия), терапия онкологии и вирусных инфекций, включая ВИЧ. Но есть и более экзотические потенциальные применения. Например, борьба с мультифакторными заболеваниями (диабет, шизофрения и др.) или редактирование эмбрионов при искусственном оплодотворении для подбора определенной внешности у детей. Именно здесь возникает множество этических вопросов, которые начали обсуждаться, но пока так и не получили консенсусного решения у мирового сообщества. Когда же можно, а когда нельзя применять редактирование генома? Пока, в отсутствие у человечества единой позиции, каждая из стран решает это по-своему.
Новая технология редактирования генома может дать богатым родителям возможность заранее покупать для своих будущих детей врожденные (и наследуемые) физические и интеллектуальные преимущества, что уравняет их с божественным провидением. Американский биохимик Дженнифер Даудна, одна из авторов метода, уже сравнивает свою разработку с изобретением атомной бомбы. И в том, и в другом случае мы выпустили на свободу силы, которые очень трудно удержать под контролем и которые потенциально способны уничтожить человечество – или изменить его до неузнаваемости. Сегодня – она противница данной технологии и понимает к чему ее тотальное внедрение может привести. Беспрецедентно точная и при этом относительно простая технология редактирования генома, вероятно, открывает путь к исцелению от множества страшных болезней, от которых до сих пор не было защиты. Но при этом любое непродуманное внесение наследуемых изменений в геном человека может привести к не менее ужасным последствиям и поставить под угрозу само существование нашего вида. Одна из этических проблем, связанных с CRISPR-Cas9, касается вопросов социальной справедливости – того, как эта технология повлияет на общество. Или вот еще пример мнения против. Один из создателей технологии редактирования генома CRISPR/Cas, Фэн Чжан, призвал ввести глобальный мораторий на имплантацию отредактированных эмбрионов и рождение таких детей после того, как китайский ученый сообщил о якобы первом успешном эксперименте в этой области. Китайский ученый Цзянькуй Хэ заявил о рождении первых в мире детей из генетически отредактированных эмбрионов. По словам ученого, родились близняшки, у которых он попытался создать устойчивость к заражению ВИЧ, отключив ген CCR5. Хотя в Китае запрещено клонирование человека, прямого запрета на генетическое редактирование и имплантацию жизнеспособных эмбрионов, в отличие от США, там нет. Мораторий, по мнению Чжан, должен действовать до тех пор, пока научное сообщество не выработает правила безопасности для таких экспериментов. Исходя из двух мнений пионеров генной модификации - Генная модификация в репродуктивных целях поставит под угрозу всеобщие права человека. Однако в будущем этических вопросов, связанных с новыми технологиями в области генетики и репродукции, будет еще больше. Биоэтика становится все более важной дисциплиной.
Другие проблемы связаны с тем, что возможности генетического редактирования меняют само понятие семьи. С появлением искусственного оплодотворения и суррогатного материнства в принципе понимание института семьи усложнилось. Теперь у некоторых детей помимо отца могут быть две матери: суррогатная и «юридическая». А если для зачатия используются яйцеклетка и сперматозоид пары, которые затем переносятся в суррогатную мать, у ребенка тоже две матери — генетическая и суррогатная. Теоретически возможны ситуации, когда юридическая, генетическая и суррогатная мать — это три разных человека.
Иная проблема – возникновение и развитие Биомедицинских офшоров. Люди едут в страны с лояльным законодательством для осуществления процедур, неоднозначных с точки зрения этики и допустимости законодательством той или иной страны. Генная терапия уже становится в центре подобных «спорных» случаев. В целом на данный момент мировое сообщество с очень большой осторожностью относится к редактированию генома, когда оно не связано напрямую с лечением тяжелых заболеваний, которые нельзя вылечить иным способом. Дело в том, что технологии еще несовершенны и не максимально специфичны. Так, в уже упомянутом эксперименте китайских ученых над эмбрионами в ДНК многих эмбрионов изменились не только участки, которые планировали изменить ученые, но и другие, случайные.
И здесь мы подходим к более глобальной проблеме этического свойства - генная модификация в репродуктивных целях ставит под угрозу права людей будущих поколений. Редактирование генома для репродукции человека сопряжено с огромными социальными рисками. Потенциально оно может создать угрозу здоровью и автономии будущих поколений, усилить существующее социальное неравенство и заложить основу новой рыночной евгеники, которая усугубит дискриминацию и конфликты. Сейчас активно обсуждается, допустимы ли такие риски, однако такие дискуссии ведутся в основном в публикациях и на встречах научных и профессиональных организаций, вдали от глаз широкой общественности и внимания гражданского общества. Важно, чтобы в ходе этих дебатов было услышано и мнение правозащитников. Представьте себе мир, где богатые родители смогут купить генетические усовершенствования, которые дадут их детям реальные или предполагаемые преимущества, где будущее детей будет считаться предопределенным их генами, где при рождении детей будут делить на «хороших» и «плохих» в зависимости от их ДНК. Как это скажется на правах человека и на праве детей определять свое будущее? Генная модификация в целях репродукции человека заключается в изменении ДНК человеческих эмбрионов. Она отличается от генетического редактирования для лечения заболеваний. Редактирование генома соматических клеток, или генная терапия, ставит целью лечение живущих пациентов, тогда как редактирование генома эмбрионов лечением не является. Результатом последнего будет новый человек с предопределенными генетическими характеристиками, которые будут наследоваться его потомками – а это уже серьезный морально этический вызов человеческой эволюции. Генная терапия, если она станет безопасным, эффективным и широкодоступным методом, будет прекрасным дополнением к арсеналу современной медицины. Редактирование же зародышевых линий, напротив, никого не лечит. Оно создает будущих детей, лишая их и грядущие поколения выбора, соглашаться ли на модификации их ДНК. В случаях, когда есть риск передачи серьезной генетической мутации, существующие методики эмбрионального скрининга почти во всех случаях способны исключить нежелательную генетическую вариацию из семейной линии. Разумеется, при эмбриональном скрининге поднимаются важные этические вопросы о том, какие именно заболевания «недостойные жизни». Но эта процедура намного безопаснее и менее чревата социальными и этическими осложнениями, чем манипуляции с человеческими зародышевыми линиями.
В конце 20 века научные и политические круги и поп-культуру впервые охватили беспокойство по поводу редактирования человеческих эмбрионов. В фильме-антиутопии 1997 года «Гаттака» рассказывалось о жестоком обществе, где генетически усовершенствованные люди пользуются преимуществами перед неусовершенствованными. В прессе вызвали резонанс слова молекулярного биолога из Принстонского университета Ли Силвера о генетически стратифицированном обществе. Он предсказывал, что «имеющийся большой разрыв между богатыми и бедными нациями будет все углубляться и углубляться, пока, наконец, у них не исчезнут общее человеческое наследство». В тот же период из-за опасений по поводу безопасности, соблюдения прав человека и потенциального возникновения высокотехнологичной, рыночной евгеники более 40 стран запретили модификацию генов, передаваемых через поколения. Появилось также несколько важных международных соглашений в области прав человека, в которых утверждается, что модификация зародышевых линий у людей посягает на человеческое достоинство, а между тем это понятие является базовым для прав человека:
· К ним относится обязательная для исполнения Конвенция Совета Европы о правах человека и биомедицине 1997 года (т. н. Овьедская конвенция). В ее статье 13 прямо запрещаются вмешательства, направленные «на изменение генома наследников данного человека».
· В другом документе 1997 года, Всеобщей декларации ЮНЕСКО о геноме человека и правах человека, говорится, что «геном человека лежит в основе изначальной общности всех представителей человеческого рода, а также признания их неотъемлемого достоинства и разнообразия». В статье 24 отмечается, что «воздействие на потомство» может оказаться практикой, «несовместимой с человеческим достоинством».
Одним из важных мотивов появления Всеобщей декларации прав человека стал тот ужас, который испытало человечество перед евгеническими преступлениями нацистов во время Второй мировой войны. А между тем такая же логика стоит за рыночной евгеникой, которая возникнет, если будет разрешена модификация зародышевых линий: у человека будет мало шансов пробиться в жизни, если с рождения его немодифицированные гены будут считаться второсортными. Такая перспектива должна особенно волновать правозащитников в свете того, что с недавних пор наблюдаются попытки отойти с давних позиций, когда редактирование эмбрионов людей считалось в мире недопустимым. Так, в докладе, подготовленном в 2017 году комитетом Национальной академии наук и Национальной академии медицины США, было рекомендовано разрешить при определенных условиях генные модификации в целях репродукции человека, что оставляет возможность для расширения таких условий в будущем. Однако в реальном мире, с его давлением рынка и недостаточным регулированием, эти ограничения скоро затрещат по швам. Стоит лишь приоткрыть дверь для модификации зародышевых линий у людей — и распространение и применение этой технологии будет уже невозможно обуздать. Ящик Пандоры уже не закрыть. Хотя с другой стороны, если шанс на улучшение, при чем без вреда для здоровья получат все люди – то почему бы и нет? Но мы понимаем, в каком мире мы живем вокруг – мир либертарианского хаоса, оправдывающий себя рыночной необходимостью. Поэтому на горизонте будущего CRISP – инструмент социального неравенства.