Генотерапия

Сейчас много разговоров про генную терапию, и не все понимают тот огромный комплекс технологий и задач, которые необходимо решить для ее работы. Дело в том, что геном любого из людей состоит из трех миллиардов нуклеотидов ДНК. Можно думать про это как буквы. Каждый из нас — это последовательность из трех миллиардов букв, как большая книга. Это и есть та генетическая информация, которая приводит к возникновению человека.

Но иногда в книге возникают ошибки или опечатки. Они могут появиться прямо в момент зачатия, и тогда возникает какое-то врожденное генетическое заболевание. Они могут возникнуть в ходе жизни, когда у той или иной клетки в процессе деления возникает ошибка, потом эта ошибка передается из поколения в поколение всем последующим клеткам. Это может приводить, например, к раку, лейкемии и другим болезням.

Одним из таких очень простых генетических заболеваний является серповидноклеточная анемия. Единственная замена буквы A на букву G приводит к тому, что производится мутантная форма белка гемоглобина и люди, у которых эта мутантная копия кодируется геномом, полученным от родителей, умирают.

В принципе понятно, как можно было бы это излечить. Нужно эту букву обратно поменять и исправить опечатку. Забелить до некоторой степени, как на старых пишущих машинках, а потом напечатать новую. Предполагается, что нужно каким-то образом добраться до той самой клетки, которая создает проблему, изменить букву, исправить ее на правильную, а потом подсадить клетку обратно. Очень важно, что если бы все это работало, то можно было бы подсаживать, например, меня мне же самому, тем самым различные иммунологические проблемы, связанные с пересадкой органов и тканей от одного донора к реципиенту, решаются. Будет полная иммунологическая совместимость.

Но чтобы это сделать, биологи должны иметь возможность выбрать одну букву из трех миллиардов и изменить только ее, а сделать это очень трудно. Ведь если процедура работает неточно, вы можете вместо исправления источника заболевания наделать новых опечаток, и все будет даже хуже, чем было. Поэтому эта проблема пока не решена.

Есть еще одна проблема. Если мы говорим о генетическом врожденном заболевании, то надо понимать, что все клетки нашего организма — а мы все сделаны из нескольких триллионов клеток — несут эту опечатку. И нужно будет только в какой-то определенной ткани, где возникает самая большая проблема, это изменить.

Скорее всего, когда будут первые успешные опыты по генной терапии, это будет сделано с лейкемией или с каким-нибудь заболеванием крови. Это не солидная опухоль, а это опухоль клеток, связанных с кроветворением. Процедура должна быть такая: нужно будет изъять какую-то часть костного мозга, выделить стволовые клетки, которые являются предшественниками той или другой группы клеток крови, поменять, а потом обратно подсадить. Все, что нужно, у нас уже есть. В принципе, мы умеем это делать. Но у нас нет нужной точности. И на протяжении последних десяти лет ученые пытались найти общий способ определить, как сделать так, чтобы добраться до нужного места в ДНК, до нужной последовательности и изменить только там эту несчастную опечатку. Все наши три миллиарда букв составляют очень длинное слово. И нужно прийти в нужный участок.

Выяснилось, что проблема не решается. Она действительно очень сложная. Есть несколько технологий, которые развивались. И в 2009 году одна из таких технологий получила название технологии года в журнале Science. А в 2010-м уже другая, в том же самом журнале, получила это же название, потому что она обещала решить проблему. На научном языке называется сайт-специфического или просто специфического узнавания последовательности ДНК. Но реально все не работало. Причем нужно в общем случае иметь возможность узнавать любую последовательность. Ведь могут быть самые разные генетические заболевания, самые разные буквы могут стать ошибочными.

Это развитие медленно шло. И в начале 2013 года совершился прорыв. С методологической точки зрения это очень интересно, потому что прорыв пришел оттуда, откуда его совсем не ждали. То, о чем сейчас идет речь, — это молекулярная генетика или генная инженерия высших организмов — людей, млекопитающих. А есть отдельный научный мир, и в природе тоже существует отдельный мир бактерий, которые живут сами по себе, и никакого отношения ко всему, что происходит с нами, там нет.

Оказалось, что у бактерий есть система иммунитета, с помощью которой они борются с вирусами. Эта система работает таким образом, что большинство бактерий накапливают в результате взаимодействия со своими вирусами следы, молекулярные метки взаимодействия с вирусами. Это происходит потому, что небольшой кусочек вирусной ДНК попадает в ДНК бактерий. А дальше у бактерий есть специальная машинка, которая, зная о том, что существует этот небольшой участок, слепок, остаток от вируса, который раньше заражал эту клетку, использует этот кусочек вместе со специальными белками, для того чтобы найти вирус, узнать его и убить. И эта система очень специфическая, потому что бактериальной клетке тоже нужно решать важную проблему и убивать только вирус, а не себя.

Эта система носит название CRISPR. Она была неизвестна до 2007 года. А в 2007-м она возникла из небытия как новый пласт молекулярной биологии. Выяснилось, что эти своеобразные, но никак не связанные с настоящей генной инженерией и генной терапией исследования бактерий и будут тем прорывом, который позволит наконец дать возможность медикам исправлять опечатки в человеческих генах.

И нужно для этого совсем немного. Так как бактериальная система узнавания вирусов неспецифична, она позволяет узнавать любую последовательность ДНК вируса. И вот что мы можем сделать. Забудем о вирусах и бактериях. Перенесем эту систему в клетку высшего организма, например в кроветворную клетку, которая получена из костного мозга пациента. И запрограммируем эту систему так, что она будет работать, узнавая неправильный, мутантный участок гена человека, связываться с ним и уничтожать. Так она работает в бактериях. Реально это происходит на уровне того, что мы методами генной инженерии делаем очень большую молекулу РНК, которая в комплексе с бактериальным белком, введенным в человеческую клетку, может специфически узнать свою мишень. Мишенью будет именно эта испорченная копия гена.

А дальше происходит маленькое чудо, называется оно gene editing — генное редактирование. Это процесс узнавания и внесения двухцепочечного разрыва в ДНК, в которой находится мутация, происходит излечение. Происходит исправление неправильной копии на правильную.

И молекулярная биология этого процесса до конца не известна. Но интересен сам факт возникновения научных революций. Когда некая область, важная для всех нас, которую люди пытаются двигать на протяжении десятков лет, куда вложены огромные средства, приходит к какому-то насыщению, когда прогресса нет и непонятно, откуда он может взяться, — не потому, что люди глупые. Просто мы дошли до границы неведомого и не можем продвинуться.

А помощь внезапно приходит из посторонней области, которая не имела никакого отношения к этому. Сейчас все любят говорить про междисциплинарность, но это не она. Это результат того, что ученые при условии сопоставления действительно научного сообщества общаются друг с другом, происходит перенос знаний: вдруг кто-то может это использовать, а всем нам от этого станет хорошо?