Просто геном

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.