Спорный инструмент редактирования генов CRISPR «может вызвать рак», как показывают тревожные исследования

Это может звучать как бренд зерновых, но CRISPR может стать одной из самых значительных революций в генетике за всю нашу жизнь. В последние месяцы появились истории об исследователях, использующих белки CRISPR-Cas для эффективного редактирования генетических последовательностей ДНК, уничтожения ВИЧ, «едания вируса Зика, как Пакмана» и хранить GIF в ДНК бактерий.

Однако, несмотря на потенциал CRISPR, это невероятно спорная процедура. Чтобы изменить генетический состав человека, необходимо вырезать и полностью изменить нити ДНК, и два новых исследования связали такую ​​технологию редактирования генов с ростом заболеваемости раком.

Документы, один за другим Новартис а другой по Каролинский институтопубликовано в Природная медицинапришли к выводу, что методы генной терапии могут ослабить способность человека бороться с опухолями и «могут вызвать рак, вызывая обеспокоенность по поводу безопасности генной терапии на основе CRISPR».

Однако давайте вернемся немного назад.

Обе статьи были посвящены гену p53. Предыдущие исследования показали, что некоторые опухоли человека не могут развиваться, если ген p53 работает должным образом. В результате р53 действует как естественный защитный механизм, защищающий геном от изменений, вносимых CRISPR-Cas9. Когда CRISPR-Cas9 используется для редактирования генетической структуры человека, ген p53 встает на его защиту и эффективно убивает отредактированные клетки, вызывая их самоуничтожение. Фактически, именно этот ген задержал прогресс и эффективность метода CRISPR в ряде испытаний.

Однако в случаях, когда CRISPR-Cas9 успешно внес изменения в геном человека, это предполагает, что ген p53 конкретной клетки неисправен или дисфункционален. Это, в свою очередь, может быть связано с тем, что организм менее способен бороться с раком. В частности, дефектный р53 может привести к «бесконтрольному росту клеток и превращению их в раковые» и связан со случаями рака яичников, толстой и прямой кишки.

«Выбирая клетки, которые успешно восстановили поврежденный ген, который мы намеревались исправить, мы можем непреднамеренно также выбрать клетки без функционального р53», — автор исследования Эмма Хаапаниеми из Каролинского института. объяснил. «При трансплантации пациенту, как при генной терапии наследственных заболеваний, такие клетки могут вызвать рак, что вызывает обеспокоенность по поводу безопасности генной терапии на основе CRISPR».

Однако следует отметить, что наличие связи с раком — это не то же самое, что возникновение рака, и результаты этих двух исследований являются так называемыми «предварительными», что означает, что необходима дальнейшая работа, чтобы либо подтвердить, либо опровергнуть результаты. Исследователи даже сразу дистанцируются от заявлений о том, что CRISPR «опасен». Вместо этого они поднимают актуальные проблемы и советуют компаниям и ученым, проводящим клинические испытания, помнить об этой связи.

Исследования также сосредоточены на очень специфическом методе редактирования CRISPR – белке Cas-9, используемом для исправления больной ДНК путем вставки «здоровой», отредактированной ДНК – и необходима дальнейшая работа, чтобы увидеть, вызывают ли другие формы редактирования генов аналогичные проблемы. Действительно, в попытке ответить на подобную критику, высказанную ранее, исследователи из Института Солка недавно предложили обходной путь. Вместо редактирования генов их так называемый эпигенетический (или «надгенный») метод CRISPR будет включать или выключать гены, а не вырезать их.

Модифицировав эпигеном, ученые смогли контролировать поведение гена, не изменяя напрямую ДНК; модификация генов, а не редактирование генов. В ходе испытаний на мышах ученые обратили вспять симптомы заболевания почек, диабета 1 типа и формы мышечной дистрофии. У него также есть потенциал для искоренения болезни Альцгеймера.

Что такое CRISPR-Cas9?

CRISPR-Cas9 — это инструмент редактирования генома, который способен целенаправленно «разрезать» ДНК, что позволяет ученым точно редактировать строительные блоки жизни. Вероятно, вы увидите упоминание о нем рядом с чуть менее известным дуэтом CRISPR-Cas1 и CRISPR-Cas2 — оба из которых «врезают» фрагменты ДНК в собственный геном бактерии (подробнее об этом позже).

Cas9 впервые был обнаружен в 1980-х годах как часть защитных механизмов одноклеточных бактерий, которые гарантируют, что клетки способны удалять нежелательных злоумышленников. Ученые обнаружили, что, адаптировав эту технологию, они могут нацеливаться на последовательности генома с беспрецедентной скоростью и точностью.

Представьте себе CRISPR-Cas9 как поиск «найти и заменить» в компьютерном документе, только вместо слов вы редактируете генетические последовательности. Точная модификация ДНК — это научный святой Грааль, и его потенциал огромен. Его можно было бы использовать для искоренения болезней – даже наследственные, такие как муковисцидоз, серповидно-клеточная анемия и болезнь Хантингтона, могут уйти в прошлое.

Название CRISPR — это аббревиатура от менее запоминающегося «кластеризованных коротких палиндромных повторов с регулярными интервалами». Часть «Cas» относится к «связанному с CRISPR».

CRISPR-Cas9: Как это работает?

CRISPR является частью естественной защиты некоторых бактерий. Когда бактерия обнаруживает вторгшийся вирус, она способна копировать и смешивать сегменты чужеродной ДНК с собственным геномом с помощью CRISPR. Cas9 выполняет разрезание, а Cas1 и Cas2 вставляют внешнюю ДНК в геном клетки.

В следующий раз, когда вирус будет обнаружен, у CRISPR будет точная копия последовательности генома, которую нужно искать, и именно здесь на помощь приходит белок Cas: он может разрезать ДНК и с невероятной точностью отключить нежелательные гены.

Или, как объясняет Карл Циммер: «По мере того, как область CRISPR заполняется вирусной ДНК, она становится молекулярной галереей, представляющей самых разыскиваемых врагов, с которыми столкнулся микроб. Затем микроб может использовать эту вирусную ДНК, чтобы превратить ферменты Cas в высокоточное оружие. Микроб копирует генетический материал каждого спейсера в молекулу РНК. Затем ферменты Cas захватывают одну из молекул РНК и удерживают ее. Вместе вирусная РНК и ферменты Cas перемещаются по клетке. Если они сталкиваются с генетическим материалом вируса, который соответствует РНК CRISPR, РНК прочно защелкивается. Ферменты Cas затем разрезают ДНК на две части, предотвращая репликацию вируса».

В 2012 году ученые из Калифорнийского университета в Беркли опубликовали исследование. революционная бумага показывая, что они смогли «перепрограммировать» иммунную систему CRISPR-Cas для редактирования генов по своему желанию. CRISPR-Cas9 использует специфический белок Cas и гибридную РНК, которые могут идентифицировать и редактировать любую последовательность гена. Возможности огромны.

Короче говоря, CRISPR перечисляет целевые последовательности ДНК, а затем Cas9 выполняет разрез. Ученым просто нужно запрограммировать CRISPR правильным кодом, а Cas9 сделает все остальное.

Это также может относиться к «неисправным» генам — участки, вызывающие в настоящее время проблемы, могут быть удалены с помощью CRISPR-Cas9, а затем заменены здоровым генетическим кодом, теоретически решая проблему.

CRISPR-Cas9: Использовался ли он на людях?

Да, в Китае. Используя человеческие эмбрионы, полученные из клиники репродуктивной медицины, ученые попытались использовать CRISPR-Cas9 для редактирования гена, вызывающего бета-талассемию в каждой клетке. Следует отметить, что использованные донорские эмбрионы были «нежизнеспособными» и не могли привести к рождению живого ребенка.

В любом случае, это провалилось, и провалилось довольно сильно: было инъецировано 86 эмбрионов, и через 48 часов и выращивания примерно восьми клеток выжила 71, и 54 из них были подвергнуты генетическому тестированию. Лишь 28 из них были успешно сращены, и лишь немногие из них содержали генетический материал, который предполагали исследователи. «Если вы хотите сделать это на нормальных эмбрионах, вам нужно быть близким к 100%», — ведущий исследователь. Юнгиу Хуан рассказал Nature. «Вот почему мы остановились. Мы все еще считаем, что это слишком незрело».

Кроме того, весьма вероятно, что был нанесен еще больший недокументированный ущерб. Как Нью-Йорк Таймс объясняет: «Китайские исследователи отмечают, что в их эксперименте редактирование генов почти наверняка нанесло более серьезный ущерб, чем они задокументировали; они не исследовали полные геномы клеток эмбриона».

Как вы понимаете, это вызвало огромное количество споров в научном сообществе.

В ноябре 2016 годаДругая группа китайских ученых стала первой, кто применил CRISPR-Cas9 на взрослом человеке, введя больному раком легких иммунные клетки пациента, модифицированные CRISPR, чтобы отключить белок PD-1, теоретически заставляя организм пациента сопротивляться раку. .

Затем в изучать опубликованная 3 августа, ученые успешно «отредактировали» человеческие эмбрионы, удалив дефектный сегмент ДНК, который может привести к наследственным заболеваниям сердца. Это было знаковое достижение, которое позволило потенциально предотвратить около 10 000 генетических нарушений с одной мутацией (т.е. заболеваний, вызванных одним дефектным геном) у будущих людей.

CRISPR-Cas9 и этика

Несмотря на то, что китайские ученые использовали эмбрионы, которые не могли развиться в жизнь, существуют реальные этические опасения по поводу экспериментов на человеческих эмбрионах – действительно, всего за месяц до публикации китайских исследований, группа американских ученых призвала мир не делать этого.

Частично это связано с тем, насколько незрелой является технология — помните, что она активно используется только с 2012 года, и было бы удивительно, если бы к этому моменту она была полностью зрелой. Ученые предупредили, что на данный момент его слишком неправильно понимают и опасно использовать на людях, и китайские исследования, безусловно, подтверждают это беспокойство. Даже если бы это сработало безупречно, есть опасения, что непредвиденные последствия могут произойти в течение нескольких поколений.

Но даже если бы он был на 100% безопасным и успешным, существуют и другие этические проблемы: хотя никто не утверждает, что мы должны сдерживать потенциал уничтожения смертельных генетических заболеваний, таких как болезнь Хантингтона и муковисцидоз, CRISPR-Cas9 потенциально предлагает возможность изменить что-нибудь о человеке. Пока генетическая последовательность идентифицирована, теоретически ее можно редактировать.

Одно дело — устранить опасные для жизни заболевания еще до рождения, и совсем другое — родители могут сделать своих детей сильнее, быстрее или лучше выглядеть. Даже если вы согласитесь с тем, что людям следует разрешить это делать, есть вероятность, что это будет в значительной степени коммерциализировано, гарантируя, что только богатые смогут позволить себе все дополнительные жизненные преимущества, которые это предоставит, что серьезно повлияет на неравенство.

CRISPR-Cas9: Что уже сделано?

Конечно, эти этические вопросы находятся за миллион миль от нас, когда единственный зарегистрированный эксперимент на эмбриональном человеческом организме вызвал столь громкую неудачу. Однако сейчас CRISPR-Cas9 показывает чрезвычайно многообещающие результаты в небольших тестах.

Примеры включают в себя Профилактика ВИЧ-инфекции в клетках человека, лечение генетических заболеваний мышей и пара обезьян родилась с целевыми мутациями.

CRISPR также становится эффективным средством хранения данных в ДНК. В марте 2017 года пара исследователей из Нью-Йоркского центра генома опубликовала отчет в журнале Наука журнал, подробно описывающий методы хранения сжатых файлов в молекулах ДНК. С помощью алгоритма перевода файлов в двоичный код, который можно сопоставить с нуклеотидными основаниями ДНК, исследователям удалось закодировать в общей сложности шесть файлов: научную статью 1948 года, мемориальную доску пионера, операционную систему, вирус, фильм 1895 года Прибытие поезда на станцию ​​Ла-Сьота.…и подарочную карту Amazon на 50 долларов.

Несколько месяцев спустя группа ученых из Гарвардской медицинской школы закодировала зацикленный видеоклип в ДНК живой клетки бактерии E.Coli. Цель состоит в том, чтобы разработать систему для создания «молекулярных регистраторов» — ДНК, способной записывать собственную информацию из своего окружения. Это можно использовать во всем: от мониторинга загрязнения почвы до революционного изменения нашего понимания неврологической деятельности.

В рамках программы DARPA «Безопасные гены» в число семи команд входит команда под руководством доктора Амита Чоудхари из Гарвардской медицинской школы, которая разрабатывает способы борьбы с комарами, переносящими малярию, и вторая команда Гарвардской медицинской школы, стремящаяся использовать CRISPR для обнаружения и обращения вспять мутаций. вызванное радиацией. Команда Университета штата Северная Каролина под руководством доктора Джона Годвина стремится воздействовать на системы генного драйва у крыс для борьбы с инвазивными видами, а Калифорнийский университет в Беркли хочет использовать CRISPR для борьбы с вирусами Зика и Эбола. Полный список проектов и подробную информацию о команде можно найти на сайте DARPA.

Совсем недавно структурный биолог Осаму Нуреки из Токийского университета поделился невероятными кадрами редактирования ДНК с помощью CRISPR в реальном времени, которые стали частью недавней статьи его команды, опубликованной в журнале. Природные коммуникации. В ролике ниже показано, как CRISPR «ищет» ДНК перед внесением в нее изменений. Вы можете увидеть, как цепь ДНК разрывается.

Первоначально кадры были показаны участникам мероприятия. КРИСПР 2017 конференция, которая состоялась в июне. Документ был представлен после этой конференции и опубликован 10 ноября.

CRISPR-Cas9: Появится ли он в Великобритании?

Да. Исследователи стволовых клеток в Великобритании искал разрешения модифицировать человеческие эмбрионы в попытке понять раннее развитие человека и снизить вероятность выкидыша. В феврале 2016 года Управление по оплодотворению и эмбриологии человека (HFEA) предоставило разрешение.

CRISPR-Cas9: Почему CRISPR плох?

Как упоминалось ранее, Cas9 может распознавать только генетические последовательности длиной около 20 оснований, а это означает, что более длинные последовательности не могут быть нацелены. Что еще более важно, фермент по-прежнему иногда режет не в том месте. Выяснение того, почему это происходит, само по себе станет значительным прорывом, а исправление ситуации будет еще большим.

Кроме того, конечно, существует проблема, заключающаяся в том, что CRISPR не очень хорошо работает на человеческих эмбрионах, и его недавняя связь с раком.

CRISPR-Cas9: Кому он принадлежит?

Это не простой вопрос, на который можно ответить. Он является предметом продолжающейся патентной битвы – что удивительно, учитывая, что CRISPR естественным образом встречается в некоторых бактериях.

Обзор технологий объясняет что, хотя CRISPR-Cas9 был впервые описан в журнале Science в 2012 году Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли, Фэн Чжан из Института Броуда выиграл патент на эту технику, предоставив лабораторные записи, доказывающие, что он изобрел ее первым.

Патентные права «первым, кто подал заявку», означают, что они должны быть предоставлены Дудне, но решение могло быть принято на основе правил «первым, кто изобрел», что было бы в пользу Чжана. В конце концов, дело было решено в феврале 2017 годакогда Совет по рассмотрению и апелляциям патентов США постановил, что Калифорнийскому университету в Беркли будет предоставлен патент на использование CRISPR-Cas9 в любой живой клетке, а Броуд получит его в любой эукариотической клетке, то есть в клетках растений и животных.

Изображения: Петра Б. Фриц, ВиДанн, Галерея изображений НИЗи Стив Джурветсон используется в соответствии с Creative Commons