Нобелевские «генетические ножницы». Что уже делают с их помощью в мире и Украине

Нобелевскую премию по химии в этом году дадут двум исследовательницам — Эммануэль Шарпентье (Германия) и Дженнифер Дудне (США) за создание технологии редактирования генома — тех самых «генетических ножниц», или CRISPR/Cas9, о которых так часто в последние годы пишут в научных новостях.

Если говорить в более общих чертах, то речь идет об инструменте, или технологии, который позволяет буквально вырезать указанный участок молекулы ДНК, где записана генетическая информация организма, и при необходимости заменить его на другой. Эта технология без всякого преувеличения уже делает революцию в биологических науках и может найти множество важных применений в медицине.

Например, очень вероятно, что с ее помощью в будущем можно будет заменять «сломанные» гены человека на исправные и таким образом лечить генетические болезни, которые раньше в лучшем случае лечились только симптоматически. Например, такие наследственные заболевания, как муковисцидоз, поражающий дыхательную систему и органы пищеварения, и многие другие.

Но технология CRISPR/Cas9 ставит человечество и перед сложными этическими вопросами. Рано или поздно с ее помощью могут начать создавать «людей с заданными свойствами», которые могут быть здоровыми, физически более сильными, чем обычные люди, или просто иметь цвет глаз, который нравится родителям. Первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Также стоит отметить, что нынешняя премия по химии, как это неоднократно случалось ранее, касается медицины и физиологии не многим меньше, чем собственно химии.

Странная картотека в генах бактерий 

Будет ошибкой считать, что «генетические ножницы» придумали люди. Точнее, что они придумали всю технологию с самого начала. Как это очень часто бывает в науке, она пришла оттуда, где ее вообще не искали. А именно — из исследований бактерий и их генов.

Дженнифер Дудна заметила, что в геномах бактерий есть странные участки — последовательности ДНК, которые повторяются много раз. Но между этими повторами расположены другие, каждый раз новые участки ДНК. Это как если бы в тексте какое-то одно слово было написано много раз, но между этими одинаковыми словами вставлены другие — разные слова. Интересно, что эти «разные слова», то есть различные участки ДНК, соответствуют генам вирусов. Возникает вопрос: что делают «вирусные» участки в геноме бактерий — совсем других организмов?

Позже выяснилось, что это своего рода «картотека» — база данных, по которой бактерия распознает врагов — вирусы, попадающие внутрь ее без добрых намерений. После того как враг распознан, бактерия его уничтожает — как бы разрезает его ДНК ножницами. В очень упрощенном виде так работает «иммунная система» бактерий. Одинаковые повторяющиеся участки ДНК — это «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», или (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, CRISPR). А Cas9 — это специальный белок, который «разрезает» ДНК.

ГМО-люди

Очевидно, что бактерии, которые в течение многих миллионов лет эволюции развили в себе такую систему защиты от врагов, и не подозревали, что она будет не просто интересной людям, но и окажется полезной для них. Однако именно благодаря ей Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье в 2012 году создали технологию, которая при нужной настройке режет любую ДНК именно там, где нужно исследователю. Она стала чуть ли не «волшебной палочкой» для самых разнообразных биологических экспериментов.

Одна из самых громких и скандальных историй, связанных с применением «генетических ножниц», случилась в позапрошлом году в Китае. Тогда в результате нелегального эксперимента (по крайней мере так о нем публично говорят власти Китая) на свет появились две девочки с измененными генами.

Эта работа не была официально освещена в научных публикациях по этическим соображениям. Но неофициально известно, что автор эксперимента Хэ Цзянькуй еще до рождения детей изменил с помощью тех самых «генетических ножниц» один из их генов. В этом гене «записан» белок CCR5, служащий «дверью» для вируса иммунодефицита человека, которая пропускает его внутрь человеческой клетки. У некоторых людей от природы этот белок немного изменен, и благодаря этому они не могут заразиться ВИЧ. А Хэ Цзянькуй изменил белок искусственным способом, чтобы якобы должно сделать этих вполне здоровых детей «устойчивыми» к ВИЧ в будущей жизни.

Эксперимент вызвал большой общественный резонанс из-за того, что исследователь явно пошел против этических норм, действующих сегодня в медицине и науке. Кроме того, неизвестно, какими на самом деле были результаты эксперимента, хотя сам исследователь и утверждает, что с детьми все в порядке.

«Ножницы» внутри нас 

Но «генетические ножницы» активно используются и в других важных исследованиях, не связанных с этическими компромиссами. Например, в этом году в США начались клинические испытания препарата на основе «генетических ножниц» для лечения одного из видов амавроза Лебера — заболевания, при котором люди слепы от рождения, или с раннего детства. Этот конкретная разновидность слепоты связана с «поломкой» в гене CEP290,из-за чего светочувствительные клетки не могут работать нормально.

Экспериментальное лечение заключается в том, что пациенту вводят под сетчатку препарат на основе «генетических ножниц», который должен заменить дефектные гены на исправные. Это первый случай в истории, когда CRISPR/Cas9 применили на людях in vivo, то есть, непосредственно в организме человека.

До этого его применяли для экспериментального лечения ex vivo («вне живого»). Так, например, пытаются лечить заболевания крови — бета-талассемию и серповидно-клеточную анемию, которые также обусловлены «поломками» определенных генов. Для этого из организма пациентов забирают клетки с «поломанным» геном, исправляют их с помощью «генетических ножниц» и возвращают обратно в организм.

Кроме того, с помощью CRISPR/Cas9 редактируют гены человеческих эмбрионов на ранних стадиях развития сугубо для нужд фундаментальной науки. Первыми в мире это вполне легально сделали китайские ученые в 2015-м году. В таких случаях развитие эмбрионов всегда останавливают на ранних стадиях.

Применение в Украине 

Украинские ученые также проводят исследования с использованием «генетических ножниц», которые в будущем могут привести к важным практическим результатам. Например, в Институте молекулярной биологии и генетики НАНУ доктор биологических наук Оксана Пивень вместе с коллегами сейчас работает над тем, чтобы «заставить» клетки соединительной ткани превратиться в клетки сердечной мышцы. Если однажды это удастся сделать не просто «в пробирке» на культуре клеток, но и в организме человека, то это может позволить лечить последствия инфаркта миокарда. Ведь часто он приводит к образованию «шрамов» на сердце, состоящих именно из соединительной ткани, которая мешает сердцу работать полноценно. Если заменить «шрам» тканью сердечной мышцы, сердце должно работать лучше.

Чтобы сделать это, нужно перепрограммировать клетки — включить несколько особых генов, которые заставят клетку соединительной ткани работать так, как работает клетка сердечной мышцы. Для этого исследователи используют видоизмененный вариант «генетических ножниц», который находит нужное место в молекуле ДНК, но не режет его, а «включает».

Кто раньше получал Нобелевскую премию по химии 

В 2019 году эту престижную награду дали «за развитие литий-ионных аккумуляторов» трем исследователям: Джону Гудинафу (США), Стэнли Уиттингему (Великобритания) и Акире Ёсино (Япония). Литий-ионные аккумуляторы появились на рынке в начале 1990-х годов и без преувеличения сделали революцию в повседневной жизни, став неотъемлемой ее частью. Сегодня миллиарды людей в мире пользуются мобильными телефонами, ноутбуками и другими устройствами, которые питаются от таких аккумуляторов. Их же используют и в электромобилях. Поскольку их можно перезаряжать электроэнергией, произведенной за счет Солнца, ветра и других возобновляемых источников, это означает, что литий-ионные аккумуляторы заложили основу экономики, свободной от ископаемых источников энергии.

В этом году Нобелевскую премию по химии вручают в сто двенадцатый раз, и если считать нынешних лауреатов, всего ее получили 185 человек.

Самым молодым в истории лауреатом Нобелевской премии по химии стал Фредерик Жолио-Кюри. В 1935 году ему было 35 лет. Эту награду он разделил с женой, Ирен Жолио-Кюри «за синтез новых радиоактивных элементов». Ирен Жолио-Кюри была дочерью лауреата Нобелевской премии по физике Пьера Кюри (1903) и дважды лауреата этой престижной награды Марии Кюри (1903 — по физике и 1911 — по химии).

Самым пожилым исследователем, удостоившимся этой награды, был один из прошлогодних лауреатов — Джон Гудинаф (тогда ему было 97 лет).

До этого года Нобелевскую премию по химии получили пять женщин. Кроме уже упомянутых Марии Кюри и Ирен Жолио-Кюри, в 1964 году ее дали британской исследовательнице Дороти Кроуфут-Ходжкин, в 2009 году Аде Йонат из Израиля, а в 2018-м — американке Фрэнсис Арнольд. Теперь к ним добавились Эммануэль Шарпентье и Дженнифер Дудна.