2017: Генетический год

В середине декабря мы попросили наших читателей выбрать самое важное, по их мнению, научное событие года. По итогам голосования в социальной сети «ВКонтакте» с большим перевесом (900 голосов из 2500) вперед вышла новость про эксперимент по редактированию генов живого человека, страдающего синдромом Хантера. На третьем месте также оказалась генетическая новость — о синтетическом геноме бактерии. Редакция N + 1 предлагает вам вспомнить эти и другие достижения биологов и генетиков в ушедшем году.

С точки зрения развития медицинских технологий, уходящий год можно назвать «годом редактирования генома». Хотя разработка средств, которые помогли бы людям исправить наследственные заболевания или изменить геном отдельных клеток для борьбы со злокачественными изменениями в организме, ведется с 90-х годов XX века, именно в 2017 году мы услышали о пациентах, которых действительно вылечили при помощи инструментов редактирования ДНК. Ну а технология, основанная на модификации генома собственных лейкоцитов пациентов, под названием CAR-T, наконец-то была официально одобрена для лечения некоторых видов рака и уже спасла множество считавшихся безнадежными больных. Кроме того, этот год стал переломным для редактирования геномов эмбрионов человека — подобные эксперименты впервые были проведены в США и Великобритании, где ранее они находились под запретом по этическим соображениям.

Пожалуй, самой выдающейся медицинской новостью года стала первая попытка «починить» ДНК взрослого человека, страдающего тяжелым генетическим заболеванием, прямо в его теле. Пациенту с синдромом Хантера — редким заболеванием, связанным с X-хромосомой, ввели в кровь безопасные вирусные частицы, содержащие рабочую копию фермента идуронат-2-сульфатазы, который должен был встроиться в ДНК клеток печени и заменить собой сломанный ген. Помимо копии гена, частицы содержали специальную нуклеазу с «цинковыми пальцами» — белок, который узнает заданную последовательность в ДНК и разрезает ее для того, чтобы туда смог вставиться нужный ген. Пока об успехах в лечении первого пациента по имени Брайан Мадо судить рано, но мы надеемся в будущем году услышать о том, что генотерапия ему помогла.

Технологии редактирования генома при помощи нуклеаз с «цинковыми пальцами» разрабатываются компанией Sangamo Therapeutics. По сравнению с более известной и «модной» технологией CRISPR/Cas9, «цинковые пальцы» обеспечивают точное разрезание ДНК только в нужном месте, поэтому считаются достаточно безопасными для того, чтобы применять их прямо на живом человеке.

Вторым известным пациентом в этом году стал «мальчик-бабочка», которому ученые вырастили новую кожу на основе его собственных, но генно-модифицированных клеток. Ребенок, страдающий наследственным заболеванием под названием буллезный эпидермолиз, к моменту начала лечения потерял почти весь эпидермис, питался через трубку и ему постоянно требовался морфин. Причиной заболевания мальчика стала поломка в гене LAMB3, из-за чего в коже перестал синтезироваться один из белков, связывающих слои кожи друг с другом, и верхний слой кожи начал отделяться от нижних слоев.

У ребенка, на излечение которого уже практически не было шансов, взяли биопсию эпидермиса и вставили в ДНК его клеток при помощи специального вируса рабочую копию гена LAMB3. После этого модифицированные клетки выращивали в культуре в виде слоев и прямо в таком виде «выкладывали» на нижние слои кожи мальчика. Трансплантация проводилась в три этапа, а всего лечение заняло восемь месяцев. Новая кожа прижилась без каких-либо проблем. Спустя два года после терапии ученые совместно с врачами, осуществлявшими лечение, опубликовали финальную статью, в которой сообщили, что мальчик чувствует себя хорошо, ходит в школу и даже играет в футбол.

Год принес и хорошие новости для больных раком. Два препарата на основе технологии CAR-T были одобрены в США для лечения больных несколькими разновидностями рака крови, которым не помогла никакая другая терапия, в том числе пересадка костного мозга. Эта технология основана на генной модификации собственных Т-лимфоцитов, то есть клеток иммунитета пациента. У больного отбирают лимфоциты и встраивают в их ДНК ген химерного антигенного рецептора — белка, который узнает определенный маркер на поверхности злокачественных клеток. После этого клетки возвращают в организм пациента. Таким образом происходит эффективная «настройка» собственного иммунитета человека против клеток опухоли, и после единственной манипуляции с болезнью он справляется сам.

В этом же году Управление по контролю за продуктами питания и лекарственными средствами США наконец одобрило применение препаратов Kumriah и Yescarta для лечения рака крови, а терапия Kumriah стала первой разрешенной генотерапией в США. Первый препарат направлен на лечение острой лимфобластной лейкемии пациентов до 25 лет, а второй — для лечения ряда лимфом у взрослых пациентов. Несмотря на высокую стоимость терапии, она помогла считавшимся безнадежными пациентам достичь стойкой ремиссии, то есть по прошествии определенного времени заболевание не возвращалось.

Несколько научных публикаций в 2017 году сообщили читателям о том, что редактирование генома эмбрионов человека скоро станет обыденным явлением в лабораториях. Редактирование при помощи системы CRISPR/Cas9 впервые применили к человеческим эмбрионам китайские ученые в 2015 году, однако о первом действительно успешном эксперименте сообщил в этом году Шухрат Миталипов из университета Орегона в США. Исследовательской группе под его руководством удалось отредактировать патогенную мутацию в гене MYBPC3 при помощи технологии CRISPR/Cas9 и при этом избежать побочных эффектов. Мутация в этом гене приводит к развитию патологии сердца.

Немногим позже ученые из Великобритании отредактировали эмбрионы «в чисто научных целях», выключив у них фактор OCT4, чтобы изучить его функции на начальных стадиях развития. Наконец, китайские исследователи сообщили о том, что им удалось успешно исправить мутацию в гене бета-глобина человеческих эмбрионов, приводящую к развитию анемии. В качестве инструмента для редактирования генома ученые применили «редактор оснований», разработанный на основе системы CRISPR/Cas9. Такой белок не разрезает ДНК, а только вносит однонуклеотидную замену в ее последовательность, а значит, теоретически должен быть более предсказуемым и безопасным.

Под «эмбрионами» в подобных работах подразумевают стадии развития от зиготы, то есть клетки, которая образовалась в результате оплодотворения яйцеклетки сперматозоидом, до стадии бластоцисты. После эксперимента материал уничтожают, и людей из таких эмбрионов, конечно же, не выращивают, так что определить реальную долю успешных экспериментов затруднительно. Однако данный подход в последние несколько лет был успешно опробован на лабораторных животных, к примеру, при помощи технологии редактирования зигот с CRISPR/Cas9 получают трансгенных мышей, которые служат моделями различных заболеваний.

Напоследок вспомним о работе, которая не имеет отношения к медицине и к человеку, но зато затрагивает фундаментальные принципы устройства всего живого. ДНК всех живых организмов на Земле содержит всего четыре строительных блока, которые формируют две пары оснований — A-T и G-C. При помощи этого ограниченного «алфавита» кодируются 20 аминокислот, которые используются для построения всех белков. Каждой аминокислоте соответствует позиция из таблицы генетического кода, включающая три основания, а всего таблица содержит 64 позиции.

Ученым из группы Флойда Ромесберга из Исследовательского института Скриппса в Калифорнии удалось встроить третью пару оснований X-Y в ДНК бактерий и, таким образом, создать первый полусинтетический живой организм. Молекула ДНК, содержащая неканоническую пару оснований, успешно копировалась и поддерживалась в клетке в течение множества поколений. В новой работе ученые смогли при помощи искусственной третьей пары оснований в ДНК закодировать новую «экзотическую» аминокислоту, которая обычно в организмах не встречается, и тем самым расширить генетический код. Путем введения в геном кишечной палочки дополнительных генов, кодирующих компоненты аппарата трансляции, бактерий «научили» расшифровывать искусственные кодоны AXC и GXC и в соответствии с ними подставлять в белок аминокислоту пирролизин.

Дарья Спасская