Человек редактированный, или Биомедицина будущего

Важнейшие области коммерческого применения системы CRISPR/Cas9 владельцы патентов видят в сельском хозяйстве (растениеводстве и животноводстве) и в индустриальной биологии, направленной на получение более высокоэффективных источников биотоплива и создание новых типов микроорганизмов, способных уничтожать те или иные отходы. Это исключительно важное направление, потому что запасы органических веществ, используемых нами сегодня (и прежде всего нефти и газа), имеют очень длительный цикл восстановления, измеряемый миллионами лет. Человечеству нужно органическое топливо, которое бы очень быстро восстанавливалось. При этом население Земли производит сегодня немыслимое количество различных отходов, которые могут даже без каких-либо аварий, просто в результате скученности, в которой живут миллиарды людей, привести к экологической катастрофе. Поэтому получение каких-то микроорганизмов, которые могут исключительно быстро, а главное, безопасно уничтожать те или иные продукты жизнедеятельности человека, тоже представляет для нас огромную важность.
Однако существует гораздо более обширная сфера применения системы CRISPR/Cas9, которая сегодня составляет семьдесят—восемьдесят процентов рынка как по своей направленности, так и по финансовым вложениям. Это медицина.
Возможное биомедицинское применение быстрой и эффективной технологии геномного редактирования изменило отношение к части редких, но смертельных заболеваний. Люди и не предполагали, что от некоторых недугов в принципе можно избавиться.
Есть неизлечимые болезни, с летальным исходом, вызванные врожденной заменой всего лишь одной буквы генетического текста в определенном гене. К ним относятся бета-гемо-талассемия — очень тяжелое заболевание крови, мелкоклеточная анемия, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна и т. д.
Теперь появилась возможность обратить внимание на редкие генетические заболевания и попытаться лечить те из них, которые до появления революционной системы CRISPR/Cas9 были неизлечимы. Это реальный переворот в медицине, однако права на использование системы принадлежат всего лишь нескольким компаниям. Основные финансовые рынки потребления биомедицинских продуктов находятся в США и объединенной Европе, поэтому, скорее всего, коммерческое использование CRISPR/Cas9 в странах третьего мира не будет преследоваться правообладателями из-за невысоких прибылей. Но для быстро развивающихся стран с практически неограниченным рынком потребления, таких как Китай, эти ограничения могут представлять реальную угрозу, что заставляет страны действовать на опережение.
Однако, как я уже сказал, помимо коммерческого применения CRISPR/Cas9, возможно и другое использование системы геномного редактирования — в научных целях. За него не надо платить правообладателям, но оно тоже открывает совершенно фантастические перспективы.
  
Заглянем в «кухню»
 
Чтобы понять, как работает система CRISPR/Cas9 и каким образом ее можно использовать в научных целях, давайте вспомним, что мы уже знаем о ней. Это система распознавания, в которой одноцепочечная направляющая РНК, попадая внутрь клеточного ядра, очень точно распознает короткий фрагмент ДНК (примерно полтора десятка букв генетического текста) по принципу комплементарности. Эта направляющая РНК ассоциирована с белковым комплексом, который называется Cas9 и обладает нуклеазной активностью (нуклеаза — это белок, который может вносить разрывы в цепи ДНК). Направляющая РНК подводит этот белок к совершенно определенной, уникальной последовательности длиной около полутора десятков нуклеотидов, и белок Cas9 вносит в этом месте двухцепочечный разрыв, разделяя таким образом ДНК на два фрагмента.
А если мы попытаемся изменить свойства комплекса? Ученые предложили еще один вариант: хорошо, пусть распознавание происходит с помощью распознающей РНК и комплекса Cas9, но мы внесем в этот белок-нуклеазу определенные мутации, которые полностью устранят нуклеазную активность. Значит, распознавание будет, а разрезания не будет! Зато получится очень точная система позиционирования — не хуже, чем современный смартфон, который, находясь в любой точке мира, определяет свое положение с точностью до двух-трех метров.
 
Зачем все это нужно? Давайте опять вспомним «наши» биотехнологические достижения и генно-инженерные конструкции. Мы уже синтезировали эту направляющую РНК и умеем делать так, чтобы к ней был прикреплен вот этот мутантный белок Cas9, лишенный нуклеазной активности. А теперь, лиха беда начало, прикрепим к белку Cas9 генно-инженерными методами (один лишний день работы!) известный белок, который либо подавляет работу генов, либо активирует.
Я уже писал, что в геноме есть гены, которые кодируют определенные белки — «кирпичики» для построения клеток, и регуляторная часть — участок, который контролирует работу гена. Но имеются также особые белковые молекулы, например транскрипционные факторы, которые могут активировать работу гена, связываясь с определенными последовательностями генетического текста. Есть и другой тип ДНК-взаимодействующих белков, которые могут совершать обратное действие — снижать уровень экспрессии (проявления работы) гена, репрессировать его. Такие молекулы получили общее название активаторные, или репрессорные, белки. И если мы к нашей сложной конструкции, состоящей из направляющей РНК и мутантного фермента Cas9 без нуклеазной активности, «пришьем» с помощью генной инженерии некий активатор транскрипции гена, то вся конструкция, проникнув в клетку, исключительно точно распознает определенный район именно того гена, который необходимо активировать. А если вместо активаторного белка мы вставим репрессорный, то конструкция подавит работу данного гена. Это исключительно точное направленное воздействие, дающее эффект, с которым сегодня не сравнятся никакие химические молекулы, обладающие сходным действием. К тому же любая синтезированная химическая молекула из-за значительных побочных эффектов будет дополнительно изменять работу многих генов. Правда, надо признать, что у малых химических молекул есть преимущество: они легче проникают в клетку, чем CRISPR/Cas9.
Для чего можно использовать активационную или репрессорную конструкции? Вот реальный пример. В опухолевых клетках активирован целый ряд генов, которые в норме работать в них не должны. Но мы можем постараться подавить их работу за счет того, что доставим в опухолевые клетки конструкцию, которая будет состоять из системы распознавания — направляющей РНК — и инактивированного мутантного фермента Cas9, а также репрессора (подавителя) транскрипции данного конкретного гена. Это один из вариантов инактивации (выключения) ненужных генов, который дает шансы вылечить заболевание, вызванное слишком высоким уровнем экспрессии генов (как это обычно бывает в опухолевых клетках).
Часто случаются и противоположные ситуации, когда в организме отсутствует или недостаточна экспрессия какого-то гена, и это приводит к патологии. В таком случае для регуляции конкретного гена можно подобрать направляющую РНК, которая распознает последовательность именно этого гена, добавить белок Cas9 без нуклеазной активности, генно-инженерным путем присоединить активаторный белок, и тогда мы сможем очень точно и целенаправленно активировать нужный ген.
Серьезно говорить об использовании этих подходов для лечения людей пока еще преждевременно, но вне организма, in vitro, на модельных системах такая возможность сейчас активно изучается.
Наверняка каждый читающий эту книгу слышал о стволовых клетках, но не все знают, что они бывают разными. Они есть и во взрослом организме, и нужны для естественных процессов восстановления тканей, поэтому их называют тканеспецифичными, из них получаются (или, по-научному, дифференцируются) только специализированные клетки определенной ткани, например костной. А поскольку каждый человек развивается из одной-единственной клетки, то стволовые клетки, которые появились в зародыше в самом начале его развития, порождают все многообразие клеток взрослого организма, в том числе и тканеспецифичные стволовые клетки.