Заборона рассказывает, что такое CRISPR и чем эта система помогает и угрожает человечеству

Материал Забороны

Украина – одна из самых популярных стран в мире по эко-оплодотворению и одно из немногих государств, где не запрещают редактировать генетический код. Нередко обе эти процедуры делаются в одной связке. Одни ученые считают, что редактировать ДНК – это благо, другие переживают, что технологию могут использовать диктаторы для создания «суперчеловека». Заборона рассказывает, что такое CRISPR-cas9 и почему пора начинать публичный разговор об этике его применения.

---

Как устроена ДНК

В ядре наших клеток есть молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). ДНК – это база данных, в которой содержится наша генетическая информация. Это что-то вроде инструкции по строительству нашего тела в мельчайших деталях. Цепочка ДНК состоит из звеньев – нуклеотидов. Ген – это часть ДНК с определенной последовательностью нуклеотидов. Совокупность генов человека – это геном, который состоит из 46 хромосом. Если представить, что геном – это очень длинный текст, а нуклеотиды – буквы, тогда ген – это небольшая часть текста, законченное высказывание.

Например, ген, кодирующий выработку инсулина, состоит из 60 пар нуклеотидов. Чтобы взять информацию из «базы данных», специальный фермент создает в ядре клетки рибонуклеиновую кислоту (РНК), в которой копируются нужные генетические «инструкции» из ДНК. Потом РНК покидает ядро, и начинается синтез необходимых белков. Так, в упрощенном варианте, выглядит ключевой механизм нашей жизни.

Кроме генов в ДНК есть и так называемые «некодирующие последовательности», которые не несут никаких инструкций, в них не заложено никакой информации. Некоторые из них выполняют различные процедурные и технические функции, но роль большинства таких «высказываний» остается неизвестной.

Что такое CRISPR

В 1987 году японские ученые исследовали ДНК Escherichia coli – обычной кишечной палочки, которая вызывает острую инфекцию. Они с удивлением обнаружили там «некодирущую последовательность», которая есть только у человека. Но у бактерий обычно более простая и «лаконичная» цепочка ДНК. Обнаруженные последовательности выглядели странно – повторяющиеся отрывки, разделенные разнообразными участками. Эти отрывки назвали спейсерами.

Испанский ученый Франсиско Мохика так описал эти последовательности: «Короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Получилось название CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). В 2002 году выяснилось, что этим «повторам» сопутствуют специфические сas-белки. Но долгое время никто не мог понять, что это значит.

Прорыв произошел в 2005 году, когда несколько лабораторий решили сверить загадочные CRISPR с уже известными последовательностями ДНК. Оказалось, что они совпадают с ДНК некоторых бактериофагов – вирусов, которые заражают бактерии, – и что CRISPR – это иммунная система бактерий с четкой системой командной работы. Спейсеры в последовательности CRISPR – это фрагменты ДНК знакомых клетке вирусов, что-то вроде папки с данными. Когда происходит вторжение вируса, образуется гид – молекула РНК, которая несет в себе информацию о вирусах, и вместе с Cas-белками выполняет функцию их поиска и уничтожения. Cas-белок аккуратно «вырезает» последовательность ДНК вируса, чем убивает двух зайцев – уничтожает вирус и заодно набирает новые спейсеры, если необходимо. Эта битва добра со злом может быть бесконечной, ведь вирусы мутируют, а CRISPR РНК с белками перестают их опознавать. Кроме того, из ДНК со временем удаляются спейсеры с данными о вирусах, которые давно не атаковали клетку.

Белок Cas9

Системы CRISPR бывают разными. В некоторых за этапы «спецоперации» отвечают отдельные Cas-белки, которые образуют сложную систему. А есть, например, белок Cas9: в этом случае всю работу берет на себя один могучий белок. Именно он стал объектом исследований, которые к 2012 году доказали, что иммунный механизм бактерий может редактировать геном человека.

Редактирование происходит так: в лабораторных условиях создается CRISPR РНК с нужным спейсером. С этой РНК связывается белок Cas9, он вырезает нужный (или «проблемный») фрагмент ДНК. А вместо фрагмента ДНК вируса можно закодировать любой другой, например, дефектную часть генома, которая вызывает генетическое заболевание. Дальше есть несколько способов подсказать организму, как «сшить» цепочку ДНК уже без дефекта. Наша ДНК так устроена: если ей чего-то не хватает, она копирует это из соседней клетки, а в соседнюю можно «подложить» то, что нужно.

Это открытие позволило понять, что с помощью редактирования генома можно «вырезать» множество генетических заболеваний. Например, в марте 2020 года американская компания Editas Medicine отрапортовала, что применила CRISPR/Cas9, чтобы вылечить одну  из форм врожденной слепоты. Если до того ученые брали клетки человека и «резали» их с помощью белков в пробирке, а потом возвращали измененные клетки в тело, то в случае со слепотой раствор ввели пациенту прямо в глаз.

Однако человек еще не изучил всю природу генов. Мы не знаем, за что отвечают большинство генов, а даже если и знаем, то не всегда понимаем их назначение. Некоторые болезни моногенные, то есть их вызывает изменение только одного гена. Но генетическая природа многих недугов, например, шизофрении, пока неясна, они могут вызываться сложной комбинацией генов. Допустим, один ген, расположенный в верхних слоях эпидермиса, отвечает за то, что кожа данного человека чрезмерно восприимчива к солнцу. При этом мы не знаем, за что этот же ген отвечает, например, в костной ткани. Попытка избавить человека от болезни кожи может привести к тому, что он не сможет ходить.

Кроме того, существует вероятность, что Cas9 может вырезать не только то, что нужно, но и какие-то подобные «последовательности». Не до конца решена и проблема нежелательных мутаций, которые могут возникнуть при «сшивании» цепочки ДНК.

«Дизайнерские» дети

Изменения в гены проще всего вносить в оплодотворенную яйцеклетку, когда будущий человек состоит всего из одной клетки. Первый такой эксперимент был проведен в 2015 году в Китае: с помощью CRISPR/Cas9 попытались вылечить яйцеклетку от генетической ошибки, вызывающей болезнь крови бета-талассемию. Полноценного человека делать не стали, эксперимент завершили на определенном этапе развития и деления клеток. Прошел он не очень удачно: во-первых, оказалось, что только 5-10% клеток не несли дефектный ген, а во-вторых, система вносила в геном много незапланированных изменений. Нужно было повышать точность.

Сейчас ученые из самых разных стран утверждают, что им удается увеличить точность действия CRISPR и избежать нежелательных мутаций. Тем более, кроме Cas9 существуют и другие бактериальные белки, которые могут «резать» ДНК. Известно, что существуют клиники (в большинстве стран они действуют подпольно либо полулегально), которые редактируют ДНК у эмбрионов, чтобы, например, получить детей с определенным цветом глаз и волос.

Эмбрионы начали редактировать совсем недавно. Самая известная история произошла в Китае. В 2018 году известный генетик с мировым именем Хэ Цзянькуй заявил, что в результате его экспериментов с CRISPR на свет родились двойняшки с иммунитетом к ВИЧ. Однако выяснилось, что, во-первых, никто не давал ему разрешение проводить такие опыты, руководство университета в Шэньчжэне о них ничего не знало. Во-вторых, подопытным женщинам Хэ показывал поддельные документы. А в-третьих, никаких точных данных о том, что эксперимент удачный, нет. В декабре 2019 года в результате расследования Хэ Цзянькуя отправили в тюрьму.

Мечты о суперчеловеке могут стать реальностью

Гораздо меньше известно о процедурах редактирования эмбриона, которые проводятся в Украине. Например, летом 2018 года клиника «Надежда» («Надiя») рассказала американскому радио NPR о том, что ученым удалось создать ребенка с помощью ДНК от трех разных родителей для бесплодной матери. А из документального фильма «Unnatural Selection», посвященного редактированию ДНК (вышел на Netflix в 2019 году), стало известно, что это сделали с помощью CRISPR. Также журналисты рассказали о том, что в клинике работают китайские ученые, которых преследуют власти КНДР за их участие в подобных экспериментах. В интервью NPR директор клиники Валерий Зукин сказал: «Если вы можете помочь семьям создать детей, почему это должно быть запрещено?»

На Западе такой вопрос вызывает большие дискуссии, но на постсоветском пространстве эта тема в публичном поле практически не обсуждается.

«Если мы будем вмешиваться [в ДНК человека] только для того, чтобы предотвратить заболевания, которые передаются наследственно, как гемофилия, – тогда это благое дело, – считает старшая научная сотрудница Института молекулярной биологии и генетики Национальной академии наук Украины Оксана Пивень. – А если мы просто хотим вносить варианты генов, которые будут делать человека более сильным и программировать его, чтобы получить лучшего космонавта или еще что-то, то насколько это этично и ограничивает равенство всех людей?..»

Тем временем, политики в странах с авторитарными режимами все чаще говорят о применении CRISPR в военных целях.

«Человек может создавать человека с заданными характеристиками. Это может быть гениальный математик, может быть музыкант, но может быть и военный – человек, который может воевать без страха и без чувства сострадания и сожаления, и без боли», – сказал российский президент Владимир Путин во время «Всемирного фестиваля молодежи и студентов» в октябре 2017 года. Тогда же он выразился, что редактирование генома – это оружие, которое «страшнее атомной бомбы».

А на правительственном совещании по вопросам развития генетических технологий в России стало известно, что россияне уже разработали белок CRISPR Cas13a, – он еще дешевле и точнее, чем Cas9.

Пока что не существует какого-либо международного документа, например, конвенции, которая могла бы сформулировать принципы этики использования генного редактирования и регулировать этот процесс. Белок Cas9 очень простой, говорит ученая-генетик Оксана Пивень, и на покупку реагентов, которые нужны для проведения процедуры редактирования гена в лабораторных условиях, нет специальных разрешений. В большинстве государств эта процедура запрещена на законодательном уровне, но Украина и Албания – это две страны в Европе, где прямого запрета нет.

Послушайте наш подкаст про CRISPR, где ведущий Роман Степанович вместе с учёными обсуждает, как эта технология может изменить нашу жизнь и почему о ее этичности так много спорят.

Материал подготовлен при поддержке Медиасети

 Фото: National Cancer Institute