В октябре 2016 года китайские ученые, возглавляемые онкологом Лу Ю, впервые применили технологию редактирования генов CRISPR-cas9 для лечения человека.

Исследователи взяли иммунные клетки из крови пациента с метастазированным раком легкого и отключили в них ген белка PD-1, который подавляет иммунитет и не дает ему атаковать опухолевую ткань. «Отредактированные» иммунные клетки размножили в лаборатории и возвратили в организм пациента.

Результаты исследования ученые пока не разглашают, но известно, что у данного пациента процедуру планируют повторить, а если она окажется успешной — продолжить клинические испытания на других людях.

Ученые умели редактировать гены и раньше. Но с появлением технологии CRISPR-cas9 в генной инженерии случился настоящий прорыв. А началось все с того, что еще в прошлом столетии у бактерий обнаружились весьма странные гены.

Открытие 30-летней давности, которое недооценили

В 1987 году, исследуя геном кишечной палочки — бактерии, которая живет в кишечнике любого человека — японские ученые, возглавляемые Ёсидзуми Исино, обнаружили нечто странное.

Внимание исследователей привлекли совершенно одинаковые участки ДНК, которые повторялись много раз, но между ними находились неповторяющиеся, уникальные участки. Для чего бактериям нужны такие гены, ученые не поняли и не придали открытию большого значения.

Загадочные повторяющиеся последовательности обнаружили снова в 1993 году — на этот раз голландские исследователи во время изучения ДНК возбудителятуберкулеза. Функции этих генов снова остались непонятыми, но открытие помогло создать новый метод для определения штамма туберкулезных бактерий — сполиготипирование. Его применяют и по сей день.

К 2000 году похожие повторы в ДНК были обнаружены у 20 видов бактерий. Ученые предположили, что коль скоро такие гены есть у разных микроорганизмов, видимо, они выполняют важные функции. В 2002 году повторяющиеся участки в ДНК получили официальное «имя» — CRISPR.

В 2005 году сразу три исследования показали: уникальные гены, заключенные между повторяющимися последовательностями, на самом деле для бактерий «чужие». Это — «трофеи», полученные от вирусов, пытавшихся атаковать бактериальную клетку ранее. Нужны они для того, чтобы микроорганизм мог распознать и уничтожитьнедружественный генетический материал при повторном вторжении. Ученым стало ясно, что CRISPR — в некотором роде аналог иммунной системы человека.

Как это работает

Последовательности CRISPR — хранилища, в которых находятся фрагменты чужеродных генов. «База данных» периодически пополняется информацией о новых вирусах и избавляется от ненужных, «устаревших» фрагментов ДНК. Во время размножения все CRISPR материнской бактерии достаются каждому потомку. Каждая дочерняя клетка «помнит», с какими опасностями сталкивалась ее предшественница, и готова дать им отпор.

Информация с вирусных генов, расположенных между повторяющимися последовательностями, переносится на короткие цепочки РНК. Обнаружив «знакомый» вирус, РНК немедленно соединяется с соответствующим участком его ДНК и активирует особый фермент, который разрезает ген вредителя пополам. Тут же в дело включаются другие ферменты, в итоге от вируса остаются рожки да ножки.

Но вирусы тоже не дремлют. Они используют свое умение быстро мутировать, чтобы избавиться от генов, попавших в «базу данных» CRISPR, дабы не быть узнанными. В ответ бактерии могут копировать разные участки ДНК одного и того же вируса. В случае, если вирус избавится от одной «особой приметы», бактерия сможет обнаружить его по другим.

Бактерии используют систему CRISPR не только для защиты, она помогает регулировать активность генов, соседские отношения между микроорганизмами в колонии, определяет заразность болезнетворных бактерий, отвечает за восстановление поврежденной ДНК.

Когда исследователи разобрались во всех тонкостях процесса, они подумали: а почему бы не использовать те же механизмы, чтобы «разрезать» ДНК в клетках растений, животных и — человека?<iframe src="//giphy.com/embed/VEAgEzXlmL55K" width="480" height="270" frameBorder="0" class="giphy-embed" allowFullScreen></iframe><p><a href="https://giphy.com/gifs/VEAgEzXlmL55K">via GIPHY</a>

Чинить гены на раз-два-три

Ученые, которые занимаются генной инженерией, уже давно умеют «разрезать» гены. Но эти классические технологии слишком сложные, трудоемкие и дорогие — к тому же, их эффективность оставляет желать лучшего.

Система для редактирования генов на основе последовательностей CRISPR получила название CRISPR-Cas9 — вторая его часть происходит от обозначения фермента, который разрезает ДНК — Cas. Метод оказался недорогим, точным и надежным, вероятность ошибок при его применении практически равна нулю.  

При помощи CRISPR-Cas9 можно «вырезать» из ДНК нежелательную мутацию или вставить гены, благодаря которым у организма появятся новые признаки.

Фермент Cas можно инактивировать, и тогда он будет просто присоединяться к нужному участку ДНК, не разрезая его. Благодаря этому при помощи Cas к ДНК можно «подшивать» метки, вещества, которые усиливают или подавляют активность определенного гена, вызывают другие эффекты.

Какие болезни поможет лечить CRISPR-Cas9

У генной инженерии огромный потенциал в лечении самых разных заболеваний, в том числе тяжелых и тех, что сегодня считаются неизлечимыми. Ученые давно мечтают лечить болезни на генном уровне, и CRISPR-Cas9 помогла бы сделать огромный шаг в этом направлении.

Систему можно использовать в лечении ВИЧ-инфекции, сердечно-сосудистых, аутоиммунных, онкологических болезней, наследственных патологий (серповидноклеточная анемия, синдром Дауна).

В конце 2013 года ученые сообщили, что смогли отредактировать при помощи CRISPR-Cas9 геном в стволовых клетках человека с муковисцидозом — наследственным заболеванием, которое вызывает тяжелые нарушения в работе легких и пищеварительной системы. 

В ноябре 2016 года европейские специалисты изучили при помощи CRISPR-Cas9 сочетания генов, которые приводят к раку печени.

В декабре 2016 года в научном Международном журнале биохимии и клеточной биологии (International Journal of Biochemistry & Cell Biology) были опубликованы результаты исследования, во время которого ученые смогли отредактировать гены и «отключить» фермент, который участвует в развитии сахарного диабета. 

Система CRISPR-Cas9 позволяет более эффективно задействовать все возможности генной инженерии в медицине: изучать на культурах клеток мутации, которые способствуют возникновению и прогрессированию рака, создавать новые лекарства, уничтожать возбудителей инфекций, «разрезая» их ДНК, — как делают сами бактерии.

Каково значение имеет текущее клиническое исследование китайских ученых? Дальнейшее развитие технологии CRISPR-Cas9 зависит от того, насколько высокую эффективность и безопасность она покажет у первых пациентов.

На начало 2017 года в Пекинском университете запланированы клинические исследования, во время которых ученые отредактируют гены пациентов с раком мочевого пузыря, почки и предстательной железы. В планах американских ученых — не отставать от азиатских коллег. В научном мире считают, что конкуренция между двумя странами только ускорит темпы развития технологии и поможет получить более впечатляющие результаты.

Открытие «бактериального иммунитета» стало одним из самых важных событий в молекулярной биологии за последние годы. Вместе с тем споры об этичности генной инженерии продолжаются. Возможно, именно таким технологиям, как CRISPR-Cas9, суждено в будущем кардинально изменить всю медицину, и не только.