Генетика и «дети на заказ»: как через 10 лет появятся генетически модифицированные люди

26 мая, 11:34
774 0

Лекция «Сумма биотехнологии. Настоящее и будущее биомедицины. Генетика и дети "на заказ"». Александр Панчин, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник ИППИ РАН, лауреат премии Просветитель за книгу.

«Вопрос о создании генетически модифицированных людей —  это просто времени, лет десяти». Биомедицина открывает перед нами невиданные прежде возможности: принципиально новые подходы к лечению ВИЧ-инфекции, рака и других заболеваний, рождение детей от трех родителей, изменение памяти, и даже воскрешение неандертальцев.

Здравствуйте. Сегодня я буду рассказывать про несколько принципиально важных биотехнологий. Начну я с рассказа про самую популярную технологию, которая называются CRISPR/Cas9, и о сенсациях, которые с ней связаны. Потом я расскажу про то, какие еще бывают биомедицинские технологии в будущем и настоящем.

CRISPR/Cas9 – технология, которая уже вошла в нашу жизнь, есть генетически модифицированные организмы, сделанные с ее помощью, они проходят по упрощенной системе регистрации в западных странах, например такие грибы, которые не темнеют на воздухе. Недавно сделали еще помидор, который не требует самоопыления. Можно сделать генетически модифицированных людей. А пока что людей не сделали, но сделали генетически модифицированные эмбрионы. Первые работы были сделаны с помощью этой технологии CRISPR/Cas9 в Китае. Сейчас в Великобритании разрешено проводить дальнейшие исследования этой технологии. Вопрос о создании генетически модифицированных людей это просто вопрос времени, я думаю, лет десяти. Эта технология позволила сделать то, что называется мутагенная цепная реакция. Это способ обойти закон наследственности Менделя. То есть обычно мы передаем своим потомкам только часть некоторых своих генов, но можем сделать такую генетическую модификацию, которая будет передаваться всем его потомкам. Тот ген, который мы переносим, он может перескочить с отцовской хромосомы на материнскую, с материнской на отцовскую, и таким образом, достается всем потомкам организма - это позволяет нам заниматься генной инженерией и популяцией. Мы можем сделать так, что некоторые гены в организме начинают работать после того, как мы посветим на них светом, то есть оптогенетическое управление генами организма. И мы можем сделать так, чтобы изменялись гены, после того как мы посветили на них светом определенной длины волны, тоже благодаря технологии CRISPR/Cas9.

В чем она заключается? Она была позаимствована людьми у бактерий, у которых есть такая система противовирусного иммунитета. Здесь показан вирус [показывает слайд – прим.]. В правом верхнем углу показано, как вирус впрыскивает свою ДНК в бактериальную клетку, и затем бактерия может взять кусочек этой ДНК и встроить ее в специальное место в своем геноме, который называется CRISPR кассета. И вот там разным цветом показаны разные фрагменты вирусов, с которыми бактерия и ее предки сталкивались на протяжении своей эволюционной истории. Это такое своеобразное пополнение базы данных противовирусной памяти у этой бактерии. Затем бактерия умеет создавать одноцепочечные копии вот этих вирусных фрагментов в большом количестве. У нее есть специальный белок, который называется Cas9, он берет такие фрагменты, и, подобно тому, как полицейские по отпечаткам пальцев ищут преступника, она берет эти фрагменты вирусов и ищет полноценные вирусы внутри бактерии и их уничтожает. Прелесть этой штуки заключается в том, что если вы подсунете этому белку Cas9, этому полицейскому, другие отпечатки пальцев, то есть другие последовательности этих РНК, то вы можете заставить его разрезать ДНК в любом нужном вам месте. То есть вы можете эту систему программировать. И благодаря этому мы можем ее использовать не только в тех случаях, которые я уже назвал, но и, например, для создания устойчивых к вирусам не бактерий, а уже организмов других групп, например растений, устойчивых к вирусам, или даже клетки человека, устойчивые к такому вирусу, как вирус иммунодефицита человека. Особенность этого вируса заключается в том, что он умеет свой генетический материал встраивать в наши клетки – клетки иммунной системы и, таким образом, у них может существовать. Уже сделаны в пробирках на культуре человеческих клеток такие клетки, в которых этот ВИЧ вырезается, то есть он не может их заразить. В будущем это позволить нам создать принципиально новые подходы к лечению ВИЧ-инфекции, а может быть даже и к ее профилактике. Если мы умеем делать очень точечные разрезы в ДНК, то мы можем делать и очень точечные ставки, потому что, если вы сделали разрез, туда можно что-то встроить, и таким образом эти технологии используются для создания генетически модифицированных клеток человека, животных, растений, бактерий, грибов и всего, что захотите.

Я расскажу несколько примеров того, что вообще генная инженерия, не обязательно с помощью CRISPR/Cas9, но и других методов, позволяет делать с животными. Слева вы видите накаченную мышку, она генетически модифицированная, в нее выключили ген, который кодирует белок миостатин, этот белок ограничивает рост мышечной массы, и вот мы можем создавать суперсильных мышей. Я не знаю, будут ли суперсильные люди в ближайшем будущем, но теоретически технология существует, и мы могли бы это сделать.

Можно сделать гуманизированных животных. Гуманизированные животные – это животные, у которых часть генов или часть клеток изначально человеческого происхождения. Например, у человека есть такой ген, который кодирует белок под названием FOXP2. Он важен, потому что мутация в этом гене приводит к нарушениям человеческой речи. Можно взять мышку (и это было сделано) и ее вариант этого гена, который отличается от человеческого, заменить на человеческий. Конечно же, мышка не заговорила, но оказалось, что она лучше справляется с некоторыми интеллектуальными задачами. Это задача фундаментальной науки, но мы можем использовать гуманизированных животных и в практических медицинских целях. Например, создают генетически модифицированных мышей, которые от рождения не имеют иммунной системы, а потом переносят в них клетки иммунной системы человека. И тогда таких мышей можно заражать, например, тем же вирусом иммунодефицита человека, который в норме мышей не заражает, и изучать, как этот вирус уничтожает клетки, соответственно, ставить на них эксперименты, проверять, какие лекарства эффективней защищают от вируса и т.д.

Можно ли сделать человека-паука? Я думаю, этот вопрос всех волнует. Человека-паука пока не сделали, но сделали козу-паука. Выглядит она, конечно же, как обычная коза, но в ее молоке производится паутина, потому что паутина – это белок, а у паука есть ген, который кодирует этот белок, можем перенести его в козу, чтоб в молоке производился этот белок. Материал, который получают из этих коз, получил название «биосталь», его разрабатывает канадская компания Нексиа. Есть две идеи, для чего это может быть нужно. Во-первых, этот материал прочнее и легче кевлара, поэтому можно использовать теоретически для создания бронежилетов, а еще он очень хорош для создания биоразлагаемых хирургических нитей по своей прочности и биоразлагаемости.

Но можем ли мы изменить гены уже взрослого организма? Понятно, что у нас есть триллионы клеток, каждую клетку генетически изменить сложно. Но есть люди, страдающие от генетических заболеваний, которым хотелось бы помочь. И, как ни странно, здесь нам на помощь приходят вирусы. Потому что вирусы умеют заражать некоторые наши клетки, умеют доставлять в них генетический материал. И часто нам для исправления дефекта не нужно исправлять все клетки человека, а можно исправить часть из них. Например, есть заболевание гемофилия, при котором плохо сворачивается кровь. Это связано с тем, что клетки печени не производят в достаточном количестве определенный фактор свертывания крови. Мы можем взять вирус, который в норме заражает клетки печени, избавить его от вредоносного генетического материала и заменить этот генетический материал, оставив от него только оболочку, которая, собственно, нужна для проникновения в клетку. Поместить в эту оболочку ген исправный, который кодирует фактор свертывания крови. И тогда мы вкалываем такой вирус пациентам, он находит этот вирус клетки печени, вносит в них генетический материал. И хотя полного выздоровления у людей пока что еще не наблюдалось в клинических исследованиях, но у них начинает появляться свой собственный фактор свертывания крови в некотором пусть не достаточном, чтобы быть здоровыми, но достаточном, чтобы уменьшить симптомы заболевания в количестве. Подобная генная терапия сейчас очень активно входит в практику.

Очень важный белок, который был утилизирован людьми и найден у водорослей, называется каналородопсин. Это белок, который умеет реагировать на свет. Когда в него попадает синий цвет, он выступает в роли такого канала, вот сверху внешняя часть клетки, снизу – внутренняя часть клетки, и в ответ на свет белок пропускает внутрь клетки ионы натрия. Для водорослей, у которых в норме этот белок встречается в природе, это некоторый сигнал, что вот светло, нужно фотосинтезировать. Но если мы этот белок перенесем в нервную клетку млекопитающего, то мы получим свето-активируемую нервную клетку, потому что для нервной клетки этот сигнал – с входом ионов натрия – это сигнал как активация к передаче генерации нервного импульса. И таким образом мы можем создавать свето-активируемые нервные клетки и изучать, как работает мозг, что произойдет, если такая-то клетка активируется. А можем использовать это и для лечения некоторых заболеваний. Пока что это сделано на крысах. Есть болезнь, при которой разрушается сетчатка. Вот здесь у нас расположены колбочки и палочки [показывает на слайд – прим.]– это клетки, которые в норме реагируют на свет. А перед ними расположены ганглиозные клетки – они обобщают сигнал от этих клеток и передают их дальше в мозг, и бывает, что эти клетки погибают. Тогда ученые придумали следующее: взяли крыс, у которых эти клетки погибли, и перенесли с помощью вирусов вот в эти клетки гены светочувствительных белков каналородопсинов и получили крыс, которые могут ориентироваться в пространстве без колбочек и палочек. Они стали лучше проходить через лабиринт. Это еще не полноценное зрение, но это существенное улучшение предыдущей ситуации.

Самые интересные опыты с помощью вот этого подхода (называется оптогенетический) были сделаны ученым Сусуму Тонегава на грызунах, которым он изменял память. Эксперимент заключался в следующем: создавались генномодифицированные грызуны, у которых, если им не давать определенное лекарство, те нервные клетки, которые у них активны в мозге в некоторый момент времени, они начинают вырабатывать каналородопсин и становятся мечеными, то есть становятся свето-активируемыми. Их от рождения держат на некотором лекарстве, которое мешает этому процессу, а потом их снимают с этого лекарства и помещают в некоторую комнату, условно красную. И те клетки, которые были активны, пока мышь была в этой комнате, оказываются помеченными. Затем эту мышь переносят в другую комнату, и в другой комнате их одновременно бьют током и светят им в ту область мозга, которая предположительно связана с определением местоположения в пространстве. И такие мыши после этого начинают бояться той комнаты, где их никогда током не били. Подобные эксперименты делали и с положительными стимулами. Это говорит нам о том, что память это не какое-то свойство души, а вполне такая материальная штука, которую уже ученые умеют пусть и на простых моделях, но уже изменять.

Еще одна область использования генной инженерии – это борьба с онкологическими заболеваниями. Здесь одна из самых интересных разработок – это создание клеток иммунной системы человека, которые умели бы распознавать определенные типы раковых клеток. Обычно у пациента берут его собственные клетки иммунной системы, помещают их в пробирку, там с ними делают необходимые генные модификации, после чего эти клетки возвращают пациенту, и эти клетки борются с раком. Это уже дошло до стадии клинических исследований, в которых есть положительные результаты, и я думаю, что лет через 10-20 все это войдет в более широкую практику. Вот здесь пример девочки, которую вылечили с помощью похожей технологии от лейкемии. История особенная, потому что для лечения использовали клетки не из нее самой, а некоторые универсальные клетки, которые подходят большому количеству реципиентов. То есть лет через 20-30 можно себе представить, что лекарство не от всех, но от некоторых типов рака будет выглядеть в виде клеточной инъекции, которую можете купить в определенной компании, просто вам ее вводят, и после этого рак уходит. Не все раки так будут лечиться, но некоторые вполне.

Есть вопрос старения. Что мы можем здесь сделать с помощью генной инженерии. Когда молекула ДНК удваивается, так она устроена так, что она с кончиков немножко укорачивается. И для того чтобы это укорачивание не затронуло важные гены, которые расположены в хромосомах, у хромосом есть такие защитные участки на боках, которые называются теломеры. И они укорачиваются, по мере того как организм стареет. Если вы возьмете клетки старого организма, то у них теломеры будут короче, чем у молодого. Это не единственный фактор старения, но он тоже считается важным. И есть клетки в нашем организме, в которых не происходит укорачивания, потому что у них есть специальный фермент, который называется теломераза, и он умеет достраивать эти кончики теломер до их полноценной длины. И вот возникла идея – а что если мы возьмем вирусы и с помощью вирусов эту теломеразу доставим в самые разные клетки стареющего организма. Это сделали на грызунах и получили приблизительно на 20% продление им жизни. Ожидали, что эти грызуны будут чаще болеть раком, потому что теломераза способствует делению клеток, но они чаще раком не болели. Вот такой интересный результат, остается только исследования провести на людях, а может быть, и людям это тоже поможет, хотя не гарантировано.

Еще одна биотехнология, которая кажется мне очень важной, – это клонирование. Вы помните про овечку Долли. Что такое клонирование? У нас есть донор яйцеклетки – овца, она дает свою яйцеклетку, из яйцеклетки вынимают ядро, и получается пустая яйцеклетка. Дальше, это прародительница овечки Долли. Из нее берут клетку взрослую, то есть с набором хромосом материнского и отцовского происхождения, с двойным набором хромосом, вынимают ядро и его переносят в пустую яйцеклетку. И так получается, что такая яйцеклетка с ядром начинает развиваться как эмбрион. Такой эмбрион нужно просто перенести суррогатной овце, и вы получаете из нее овечку Долли, она рождается. На самом деле это не первое клонирование, которое произошло. Было что-то очень похожее сделано в России, в лаборатории ученого по фамилии Чайлахян. Они сделали почти то же самое, только с мышкой, ее звали мышка Машка. Они брали клетки не из взрослого организма, а из эмбриона. В принципе, технология примерно та же самая.

И что интересно, что такое подобие клонирования уже используется в медицинских целях. Вы, наверное, слышали про детей от трех родителей. История связана с тем, что есть генетический материал не только в ядре, где материнские и отцовские хромосомы, но еще есть митохондрии – у них есть своя ДНК, своя клеточная мембрана, они плавают в цитоплазме. И бывает так, что эти митохондрии повреждены. И поскольку они передаются только по материнской линии, то если у матери есть эта митохондриальная болезнь, то все ее потомки будут больными. И для того чтобы вылечить это заболевание, берут эмбрион, который можно получить самым простым классическим способом (папа, мама заводят эмбрион), из него вынимают ядро и его переносят в яйцеклетку со здоровыми митохондриями, которые предоставила здоровая вторая мама. Ее вклад генетический будет меньше, чем у первой мамы, но тоже вполне существенный. И затем такую клетку переносят той самой первой маме, и она рождает здорового ребенка. Вот пример посерединке – девушка, которая была рождена с помощью этой технологии, с ней все в полном порядке. В какой-то момент эту технологию запрещали, и таких детей больше не появлялось. Недавно ее снова разрешили. Технология клонирования очень полезна, потому что если вы сделаете клетку, которая будет иметь измененные гены, то вы можете из этой клетки, которую вы получили, перенести ядро в яйцеклетку и дальше клонировать и получить из нее генномодифицированный организм. Одна из вещей, которую можно сделать, например, воскресить вымерший вид, как это предлагает сделать ученый Джордж Черч (это очень известный биотехнолог) с мамонтом. Одно из предполагаемых мест (теоретических пока что), где могли бы развести мамонтов, это у нас в России сделать плейстоценовый парк. Чтобы клонировать мамонта, хотелось бы, конечно, иметь здоровую клетку мамонта, из которой можно было бы просто взять ядро, перенести в яйцеклетку слона и получить мамонтенка. Но здоровой клетки пока что мы найти не смогли. Но есть геном мамонта, ДНК его сохранилось, поэтому мы можем пойти по обходному пути – можем взять клетку слона, одну за другой вносить туда мутации, которые приближают клетку слона к клетке мамонта, а потом перенести ядро из этой клетки в яйцеклетку слона, и родится мамонтенок. Но если мы это можем сделать с мамонтом, то мы могли бы сделать и неандертальца. К вопросу о том, как далеко современные биотехнологии могли бы зайти в том, чтобы изменить человека. У неандертальцев был более крупный мозг, мы их убили в свое время, мы можем их воскресить. Так что, новое лекарство от рака, новое лекарство от вирусов и неандерталец. Спасибо за внимание.

Фото: Depositphotos.com

Купить подписку
Комментировать (0)
Другие выпуски
Читайте и смотрите новости Дождя там, где вам удобно
Нажав кнопку «Получать рассылку», я соглашаюсь получать электронные письма от телеканала Дождь и соглашаюсь с тем, что письма могут содержать информацию рекламного характера