Метод редактирования генома редактирует больше, чем нужно
У человеческих эмбрионов, в которых поработал редактирующий аппарат CRISPR/Cas, появляются незапланированные хромосомные перестройки.
Появившийся несколько лет назад метод генетического редактирования CRISPR/Cas быстро стал научно-технологическим хитом. И кроме него есть методы, позволяющие вносить правки в ДНК, однако они либо более трудоёмкие и требующие много времени, либо могут работать только с определёнными участками генома, либо не слишком точны в том смысле, что кроме нужной экспериментальной правки в ДНК появляется много побочных правок.
CRISPR/Cas оказался проще, быстрее и точнее. Исходно это система противовирусной защиты у бактерий: специальный белок распознаёт чужеродную ДНК в бактериальной клетке и разрезает её, не давая вирусу размножаться. Биологи приспособили молекулярный аппарат CRISPR/Cas к клеткам животных и растений. Теперь ферменту, который должен разрезать ДНК, дают в качестве образца кусок последовательности генетического кода, который нужно разрезать, и он эту последовательность ищет в клеточной ДНК.
После того, как в ДНК появился разрез, клетка старается его зашить – в ней включаются ферменты ремонта ДНК. Чтобы зашить разрез, ремонтные ферменты используют шаблон, который им подсовывают экспериментаторы. Шаблон можно синтезировать каким угодно, так что после зашивания разреза в ДНК появляется та последовательность, которая нужна исследователю. Так можно не только вносить экспериментальные мутации, но и, например, исправлять дефекты в ДНК, которые могут привести к болезням.
Если говорить о клинических перспективах, то очевидно, что CRISPR/Cas нужно использовать с эмбрионами: если исправить плохую мутацию в эмбрионе, получится здоровый организм. CRISPR/Cas какое-то время применяли к зародышам животных, вплоть до обезьян, но было ясно, что рано или поздно дело дойдёт до людей. В 2015 году эксперимент с редактированием человеческого эмбриона поставили исследователи из Университета Сунь Ятсена. А в 2018 году Хэ Цзянькуй (He Jiankui) из Южного научно-технологического университета объявил, что ему удалось с помощью CRISPR/Cas внести в человеческие эмбрионы мутацию, защищающую от ВИЧ – и, что самое главное, из этих эмбрионов родились две девочки.
В научно и околонаучном мире немедленно поднялась буря по поводу того, насколько этично и безопасно использовать CRISPR/Cas в клинических целях. Вопрос безопасности во многом сводится к тому, как точно работает метод. Даже если CRISPR/Cas редактирует точнее других подобных методов, это ещё не значит, что его точности достаточно для медицинского использования.
В 2017 году в Nature Medicine вышла статья, в которой говорилось, что человеческие гены сложно исправлять с помощью CRISPR/Cas. Авторы статьи опирались на результаты компьютерного моделирования, но вскоре стали появляться экспериментальные работы, которые описывали лишние мутации в настоящих эмбрионах, отредактированных CRISPR/Cas. Так, год назад мы писали об одном исследовании, опубликованном в Nature Biotechnology: в нём говорилось, что в человеческих и мышиных клетках, в которых поработал CRISPR/Cas, происходят внеплановые перестройки в ДНК.
Недавно на сайте bioRxiv появилось сразу три статьи на ту же тему – что CRISPR/Cas позволяет себе много лишнего. Во всех трёх случаях речь идёт о человеческих эмбрионах, возникших при оплодотворении в пробирке – они создавались именно для научных целей и не предназначались для пересадки женщинам. В первой статье сотрудники Института Фрэнсиса Крика описывают, как они редактировали ген POU5F1, участвующий в эмбриональном развитии. Всего эмбрионов было 18, и у 22% из них в ДНК рядом с редактируемым геном появились побочные изменения, не предусматривавшиеся экспериментом. Изменения в некоторых случаях оказывались довольно большие – из хромосомы могло исчезнуть около тысячи нуклеотидов.
В другом случае исследователи из Колумбийского университета пытались исправить у эмбриона мутацию в гене EYS, из-за которой впоследствии начинается пигментный ретинит, приводящий к слепоте (эмбрионы получались при оплодотворении сперматозоидами с мутантным EYS). У половины эмбрионов после редактирования CRISPR/Cas оказались утрачены большие сегменты на хромосоме рядом с геном EYS, а то и хромосома целиком.
Наконец, в третьей статье сотрудники Орегонского университета науки и здоровья пишут о побочных изменениях в ДНК у эмбрионов, которым пытались исправить мутацию в гене MYBPC3, приводящую к сердечным болезням. Это продолжение их экспериментов с человеческими эмбрионами и сердечной мутацией, о которых мы писали три года назад. Мутацию исправить удавалось, но попутно в хромосоме с геном MYBPC3 появлялись какие-то дефекты.
Не факт, что все эти хромосомные изменения могли бы привести к болезням или аномалиям развития. С другой стороны, тем девочкам, которых с помощью CRISPR/Cas попытались защитить от ВИЧ, могло повезти, и редактирующий аппарат сработал у них точно. Однако для того, что использовать CRISPR/Cas в медицинских целях, его, что называется, нужно доводить до ума. Нужно понять, в каких случаях он провоцирует те или иные побочные изменения в ДНК, с какой вероятность, и какие молекулярные механизмы тут задействованы.
И пусть он никогда не станет стопроцентно точным, всё же те родители, которым захочется избавить будущего ребёнка от нежелательной мутации, должны знать, с какой вероятностью они смогут получить здоровый эмбрион, не отягощённый побочными дефектами от генетической редактуры.
По материалам The Scientist.
