Третя дитина з редагованим геномом народжується. Славімо?

“Моя наука” радісно представляє вам нашого партнера – журнал “З турботою про жінку” і видавництво видавництву “Extempore”. Ми маємо багато спільного з цим журналом. Наші команди цікавляться біомедичними темами, ми прагнемо поширювати наукові знання серед різних верств населення. Аудиторія журналу “З турботою про жінку” – медичні спеціалісти в галузі акушерства й гінекології, і вже тривалий час автори порталу “Моя наука” ведуть колонку в цьому чудовому часописі, розповідаючи про наукові дослідження в дотичних до біології розвитку галузях. За домовленістю з редакцією “З турботою про жінку” ми будемо публікувати матеріали з попередніх випусків нашої колонки, звісно, оновлюючи їх до дати другої публікації. Ми щиро вдячні видавництву “Extempore” за підтримку наших авторів і можливість поширювати їхні матеріали для всіх наших читачів!

Так що там з тією третьою дитиною? Щоб розібратися, згадаємо про перших двох. Впливовий науковий журнал “Science”, підводячи підсумки за 2018 рік, назвав проривом року детальні дослідження диференціації окремих клітин ембріонів черв’яка Coenorhabditis elegans, рибки даніо, шпоркової жаби та інших тварин. Разом з тим, редактори видання виділили й три наукові провали року. Поруч з негараздами в бразильській науці (аж до повного згоряння одного з найстаріших у Латинській Америці наукового Національного музею) та нехтування політиками наслідками глобального потепління науковим провалом року названа “етично сумнівна заява про генетичне редагування”.

У листопаді 2018 року китайський дослідник Цзянькуй Хе з медичного центру Південного університету науки й технології у Шеньчжені заявив про народження двох дівчаток-близнюків, у геномі яких відбулося редагування гену CCR5. Редагування здійснили за допомогою молекулярної системи, відомої як “CRISPR/Cas9”.[1] Заява викликала величезне збурення в науковому світі. Підлив олії в багаття ще той факт, що доктор Хе виступив якраз напередодні конгресу з редагування генів людини, де мали обговорюватися наукові, медичні, соціальні та етичні наслідки цих технологій. Звісно, широка публіка часто переймається питанням, а чи потрібне втручання в геном людини, чи не є це чимось недозволеним. Щодо нього наукова спільнота доволі одностайна: технології редагування геному потрібно розвивати. Вони мають стати безпечними й ефективними та бути спрямованими на допомогу пацієнтам. Обережність має бути тут запорукою успіху.

Тимчасово залишивши за дужками питання реальності експерименту та його етичності, розберемося спочатку з його можливим перебігом. Отже, що таке редагування геному? Людство давно потребує засобів заміни послідовностей ДНК, що призводять до спадкових захворювань. Щоб редагування дефектної ділянки стало можливим потрібно за допомогою молекулярних інструментів знайти потрібний шматок ДНК, вирізати його та вставити на те місце нову послідовність нуклеотидів, або хоча б зшити розірваний фрагмент хромосоми. Розглядалися різні білки-кандидатури на посаду редагувальника геному, аж поки на початку XXI століття не було відкрито систему CRISPR/Cas.

Взагалі відкриття цієї системи – прекрасний приклад неприкладного, непрактичного, «непотрібного» на думку багатьох фундаментального наукового дослідження. Що там ті вчені, «задовольняють власну цікавість за державний рахунок»? Ага. І створюють побічні доходи в триліони доларів та шанс на рятування тисяч безцінних життів. CRISPR – це «clustered regularly interspaced short palindromic repeats», скупчені короткі паліндромні повтори з регулярними проміжними вставками. Уявили? Тобто є короткі послідовності нуклеотидів, які повторюються в певній частині ДНК бактерій через проміжки, де є якісь інші послідовності. Молекулярні генетики добре знають, що короткі повтори – це майже напевне якийсь нефункціональний шмат геному, можливо, навіть паразит, «егоїстичний ген». Тому, коли вони були виявлені на початку 1990-х років, ними не сильно зацікавились. Можливо вони допомагають бактеріям правильно подвоювати власну кільцеву ДНК? Генетики потроху вивчали ці повтори, виявили їх у багатьох групах бактерій, відкрили родину білків Cas (асоційовані з CRISPR), що виявилися геліказами та ендонуклеазами. Гелікази розплетають ДНК, а ендонуклеази розрізають її посередині.

І лише 2005 року 3 лабораторії незалежно визначили, що між повторами знаходяться не абиякі послідовності, а дуже схожі на ДНК бактеріальних паразитів – бактеріофагів та плазмід. Негайно народилася ідея: а що як ці послідовності допомагають бактеріям боротися з ворожими інфекціями? Знаючи послідовності білків Cas, американські біоінформатики під керівництвом Євгена Куніна майже негайно розробили модель роботи системи CRISPR/Cas, яка надалі повністю підтвердилася.

Отже, коли бактеріальний вірус – бактеріофаг – проникає в клітину, він намагається якнайшвидше розмножити свою ДНК, насинтезувати своїх вірусних білків та створити якнайбільше нових вірусних часток. Задача бактерії – не допустити цього. Вона випускає купу ферментів-нуклеаз, які намагаються порізати ворожу ДНК на нефункціональні шматки. Це непроста справа, адже бактерія може й не мати в своєму арсеналі специфічної зброї проти фагів, та й важко відрізнити свою ДНК від чужої. Якщо ж бактерії вдалося це зробити, а значить і вижити, то її білки захоплюють деякі з фрагментів фагової ДНК та вставляють їх до власного геному бактерії. При наступному зараженні тим же вірусом-фагом бактерія зчитує послідовність ДНК у вигляді аналогічної молекули РНК та прикладає цю «лінійку» до віруса. Нуклеотиди РНК паруються з відповідними їм нуклеотидами ДНК за принципом комплементарності, відбувається молекулярне впізнавання. Як тільки це сталося, білки Cas бактерії негайно атакують і розрізають виявлені вірусні молекули. Так працює бактеріальний імунітет.

Ну, і нехай, що нам до тих бактерій та їхніх хвороб! Але уважні читачі – як і провідні біотехнологи світу – вже помітили, що ця далека від людських проблем система має всі потрібні елементи, що потрібні для редагування геномів. Вона вміє розпізнавати ДНК, вміє її різати, вміє вшивати потрібне в геном. Бінго! Залишилося тільки підредагувати саму систему, щоб підвищити її точність, запакувати її гени у векторні ДНК для доставки до потрібних клітин – і вперед редагувати! За ті 10 років, що минули, були здійснені сотні досліджень з використанням системи CRISPR/Cas. Науковці навчилися за її допомогою відносно швидко та дешево вимикати потрібні гени в клітинних лініях та лабораторних тваринах, створювати мутації, розробляти моделі спадкових захворювань.

Однак основні мрії біомедичних дослідників спрямовані на створення методів лікування хвороб людини. Вперше людство має тверду надію на лікування досі непереможних спадкових патологій.  Найбільший інтерес являють собою захворювання крові: серпоподібноклітинна анемія та бета-таласемія, які викликані однією точковою мутацією в генах білкового компоненту гемоглобіну. Декілька мільйонів людей у всьому світі страждає на них, симптоми дуже неприємні, причина кришталево ясна, але жодного ефективного лікування дотепер не існує.[2]

Іншою сферою, де планується застосувати продукт бактеріального імунітету CRISPR/Cas, є інфекції людини, проти яких безпомічна наша власна імунна система. Передусім мова йде про ретровіруси, які вбудовуються в наш геном та стають невидимими для клітин-захисників. Серед них особливе місце займає вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), збудник СНІДу. У 2017 році група американських дослідників під керівництвом професора Халілі змогла спочатку штучно вставити в більшість клітин лабораторної миші цей людський вірус, а надалі за допомогою  CRISPR/Cas вирізати його з геному кожної клітини! Наступним кроком цих науковців стало вирізання ВІЛ з лімфоцитів людини, що штучно були запущені циркулювати по судинах мишей. Таким чином, ми наближаємося впритул до можливості позбутися невиліковного раніше СНІДу та носійства ВІЛ.[3]

Втім це все теж лише дослідження на тваринах.  Науковці обережні, можна навіть сказати – консервативні. Вони краще за всіх усвідомлюють можливі побічні наслідки такого лікування. Всі дослідження мають бути проведені бездоганно, всі методики продумані, всі наслідки передбачені. Але як хочеться пришвидчити прогрес, дійти до клініки, врятувати людей!

І ось у травні 2015 року група китайських дослідників під керівництвом Жоу та Хуанга оголосила про перше експериментальне редагування геному людського організму. «Організму», звичайно, з натяжкою. Це були дефектні триядерні зародки, отримані в результаті штучного запліднення in vitro. В них за допомогою CRISPR/Cas було змінено послідовність нуклеотидів у гені бета-глобіну, через мутації в якому й виникає  бета-таласемія. Ефективність методу виявилась досить низькою: лише в 14% випадків редагування успішно змінило цільовий фрагмент гену. Крім того, система призвела до появи редагувань у інших частинах геному, наслідки яких оцінити неможливо.

Попри очевидну цінність для досліджень терапевтичного використання CRISPR/Cas, ця праця викликала буревій у науковому світі. Для початку, в публікації авторам відмовили журнали “Nature” та “Science”, тому статтю вдалося розмістити лише в маловідомому журналі “Protein Cell”, редактори якого втім не прогадали: за 4 роки статтю процитували більш як 800 разів у інших наукових публікаціях. Чимало науковців висловили стурбованість, що використання на людському матеріалі не доведеної до ідеалу методики може викликати недовіру до перспективної технології. Крім того, рух до редагування зародкової лінії, на думку багатьох дослідників, має йти дуже обережно та в контрольованих державами й науковими спільнотами межах (ось одне з таких досліджень). У відповідь на дослідження китайских генетиків у столиці США Вашингтоні за ініціативою Національної академії наук, британського Королівського товариства та Академії наук КНР відбувся перший Міжнародний саміт з редагування генів людини. У підсумковій заяві організатори та  учасники заходу наголосили, що дослідження методів редагування мають тривати та поглиблюватися, редагування в соматичних клітинах є найближчою метою для клінічного застосування, а ось редагування генів у клітинах зародкової лінії без упевненості в усіх наслідках та ефективності такої процедури, а також без широкого консенсусу всіх дослідників, є передчасним та безвідповідальним. Також учасники саміту домовилися продовжити обговорення на наступному зібранні.[4]

Цей другий міжнародний саміт відбувся в Гонконгу в листопаді 2018 року. Саме напередодні його початку 34-річний генетик Хе й виступив зі своєю заявою, що він не тільки провів експеримент на людях, але й спробував утрутитися в зародкову лінію людини, з чим були незгодні учасники попереднього конгресу. Хе заявив, що в народжених дівчаток батько – ВІЛ-інфікований, а процедура редагування має запобігти їхньому зараженню цим вірусом. Редагуванням учений пошкодив ген CCR5, один з рецепторів, завдяки якому вірус імунодефіциту потрапляє в клітини. Свої слова дослідник не підтвердив нічим, окрім декількох зображень і графиків, але пообіцяв надати всі матеріали під час публікації наукової статті.

Звісно, його заява викликала певний скепсис. Адже поки нові дані не опубліковані в рецензованому науковому журналі, не існує надійного способу переконатися, чи мала подія місце насправді. Але значно більшим за скепсис було обурення. Найбільш приголомшена була китайська наукова спільнота. Китайці всіма зусиллями намагалися продемонструвати, що вони єдині з науковцями інших країн у напрацюванні цивілізованих норм роботи з людськими зародками. А тут така зрада. Крім того, саме медичне показання для ризикованої операції було сумнівне: не виліковувалася жодна спадкова хвороба, а пошкоджеений рецептор не є повною гарантією непроникнення ВІЛ у клітини. А от дефектний білок імунної системи може й не спрацювати при низці інших хвороб.

В результаті учасники саміту вставили до свого підсумкового комюніке окремий абзац, присвячений заяві Хе. Ось його переклад: “Під час цієї зустрічі ми почули неочікувану та глибоко турбуючу заяву, що людські зародки були відредаговані  та імплантовані, що призвеело до вагітності та народження близнят. Ми рекомендуємо незаалежної оцінки для перевірки заяви та впевненності чи були здійснені подібні модифікації ДНК. Навіть якщо вони підтвердяться, процедура була здійснена безвідповідально та не узгоджується з міжнародними нормами. Серед її вад неадекватне медичне показання, неякісний протокол дослідження, недотримання етичнгих стандартів для захисту благополуччя досліджуваних, відсутність прозорості при підготовці, оцінці та проведенні клінічних процедур.”[5]

Проте під час саміту Хе зробив ще одну заяву. На запитання, чи ці дві близнючки є єдиними носіями редагованого геному, він відповів, що ще одна жінка завагітніла внаслідок експерименту та її вагітність підтверджено тестом. Це означає, що в кінці листопада 2018 року зародок був мінімум на 2-тижневому етапі розвитку, а тому народження треба очікувати десь цього липня. Співставлення дат дає низці оглядачів припускати, що деякі американські дослідники, які спілкувалися з Хе на заключному етапі першого експерименту, могли знати про запуск другого. Серед цих дослідників і Нобелівський лауреат Крейг Меллоу.[6]

Науковців турбує й інші питання. Чи оголосить китайська влада про народження третьої дитини? Чи допустять до неї міжнародних спеціалістів, щоб дати відповідь, чи здорова вона? Адже при всій проблемній етичності експерименту нам потрібно знати, чи є наслідки редагування геному клітин зародкової лінії за допомогою CRISPR/Cas  для здоров’я дитини. Рано чи пізно лікарі все одно будуть використовувати технології виправлення спадкових помилок у ДНК, тому чим раніше науковці знатимуть про побічні ефекти, тим краще.

Отже вчені всього світу працюють задля втілення нових методів лікування невиліковних досі захворювань, але при цьому демонструють єдність та відповідальність перед долею людства та окремих пацієнтів. Якби ж то політики різних країн узяли б за взірець поведінку наукової спільноти…

Джерела

[1] J. Cohen, What now for human genome editing?, Science, Vol. 362, p. 1090, 7 December 2018

[2] Foss, D. V., Hochstrasser, M. L., & Wilson, R. C. (2019). Clinical applications of CRISPR‐based genome editing and diagnostics. Transfusion. doi:10.1111/trf.15126

[3] Bella R, Kaminski R, Mancuso P, et al. Removal of HIV DNA by CRISPR from Patient Blood Engrafts in Humanized Mice. Mol Ther Nucleic Acids. 2018;12:275-282. doi: 10.1016/j.omtn.2018.05.021

[4] http://www.nationalacademies.org/gene-editing/Gene-Edit-Summit/index.htm

[5] http://www.nationalacademies.org/gene-editing/2nd_summit/

[6] Antonio Regalado. A third CRISPR baby may have already been born in China/ MIT Technology Review, Jul 3, 2019

Першу версію статті було опубліковано під назвою “Що не так з китайськими близнюками?” у журналі “З турботою про Жінку” № 2(95), 2019