Какой хочешь — выбирай

Ученые разработали новую систему редактирования генов

 Когда гены дают сбой

 Генетическая аномалия представляет собой отклонение от нормы в структуре или числе хромосом, либо мутацию в генах. Генные «ошибки» могут привести к целому ряду заболеваний, в числе которых синдром Дауна или такие нейродегенеративные заболевания, как болезнь Хантингтона, проявляющаяся во вполне сознательном возрасте от 20 до 30 лет. Выявить нарушения можно после пубертата, когда гормональная перестройка запускает новые биохимические процессы и может активировать «спящие» мутации.

 «Одно генетическое заболевание может быть вызвано множеством различных мутаций в этом гене», — объясняет Айзек Уитт, аспирант Гарвардского университета и соавтор нового исследования «Программируемая вставка генов в клетки человека с помощью CRISPR-ассоциированного транспозаза, выведенного в лаборатории». Например, муковисцидоз может быть вызван более чем 2 тыс. различными мутациями в определенном гене. «Для лечения таких заболеваний с помощью редактирования генома часто требуется множество подходов, ориентированных на конкретные мутации. Это трудоемкий процесс, а также затратный с точки зрения регулирования, чтобы получить одобрение на все эти подходы», — отметил ученый в интервью Live Science.

 Редактор генов, описанный в исследовании и опубликованный в журнале Science, позволяет вставлять новый ген непосредственно «выше» того места в ДНК человека, где находится поврежденный ген.  Новый редактор генов использует CRISPR-ассоциированные белки для вставки целых генов в геном. CRISPR (от англ. clustered regularly interspaced short palindromic repeats, короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами) — термин, который описывает технологию редактирования генома. С помощью CRISPR ученые могут целенаправленно изменять определенные участки ДНК, добавляя, удаляя или заменяя отдельные гены.

 Классические системы CRISPR часто называют «молекулярными ножницами», потому что они используют белки для разрезания ДНК. Эти системы естественным образом встречаются у бактерий, которые используют CRISPR для защиты от «захватчиков», таких как вирусы. Принцип работы нового редактора генов также позаимствован у бактерий, но он не разрезает ДНК. Вместо этого он целенаправленно перемещает большие участки ДНК человека из одного места в другое. Эти системы, называемые CRISPR-ассоциированными транспозазами (CAST), известны с 2017 года и позволяют «прыгающим генам» перемещаться либо внутри ДНК той же клетки, либо, возможно, в геномы других клеток.

 CAST-ферменты привлекательны для редактирования генов, потому что, как уже было отмечено, в отличие от молекулярных ножниц, они не разрезают ДНК и, следовательно, не полагаются на клеточную механику, которая восстанавливает поврежденную ДНК. Из-за процесса восстановления сложно добавлять новую ДНК в геном — отчасти потому, что это может привести к нежелательным мутациям. CAST-ферменты решают эту проблему.

 Полезные бактерии

 Стоит сказать, что CAST-белки, встречающиеся в природе у бактерий, плохо взаимодействуют с клетками человека. В предыдущих исследованиях под руководством Сэмюэля Штернберга, доцента кафедры биохимии и молекулярной биофизики Колумбийского университета и одного из авторов новой статьи, исследователи охарактеризовали встречающиеся в природе CAST-белки, а затем попытались использовать их для редактирования ДНК в клетках человека. Но, по словам Уитта, эти системы оказались очень неэффективными: ДНК встраивалась только в 0,1% или менее клеток.

 Поэтому ученые решили сделать CAST более полезными для лечения людей. Они начали с CAST из бактерий Pseudoalteromonas, которые в предыдущих исследованиях показали незначительную активность в клетках человека. Затем использовали экспериментальный подход под названием PACE, чтобы ускорить эволюцию этого CAST, внося новые изменения в систему на каждом последующем этапе. В ходе этого процесса команда разработала новый CAST, который в среднем в 200 раз эффективнее исходного. «В PACE это заняло более 200 часов, что соответствует нескольким сотням эволюционных поколений», — сказал Уитт. При использовании более традиционных методов управления эволюцией в лабораторных условиях на этот же процесс ушли бы годы.

 По словам Уитта, усовершенствованный CAST, получивший название evoCAST, включает 10 ключевых мутаций, необходимых для эффективной работы в клетках человека. Однако, по его словам, система работает лучше в одних типах человеческих клеток, чем в других, и для понимания причин этого потребуются дополнительные исследования.

Ученые оценили эффективность evoCAST в отношении участков генома, содержащих гены, мутировавшие при определенных заболеваниях, таких как анемия Фанкони, синдром Ретта и фенилкетонурия. Команда обнаружила, что evoCAST работает примерно в 12–15% обработанных клеток. Хотя для лечения генетических заболеваний, скорее всего, не требуется 100%-ная эффективность, точная эффективность, необходимая для лечения конкретного заболевания, варьируется и требует отдельного изучения.

 Также  evoCAST протестировали как метод редактирования иммунных клеток, используемый в Т-клеточной терапии CAR, которая применяется для лечения рака. Было  обнаружено, что он так же эффективен для этой цели. Это наводит на мысль об использовании данного подхода к редактированию генов не только в организме человека, но и в лаборатории для производства таких видов клеточной терапии.

 Впереди долгий путь

 Эффективная вставка последовательностей ДНК размером с ген в заданные пользователем участки генома является давней целью в области редактирования генома. Хотя современные методы могут исправить большинство мутаций, вызывающих заболевания, генетическое разнообразие, лежащее в основе многих нарушений, потребует разработки и утверждения регулирующими органами множества стратегий, ориентированных на конкретные мутации, что существенно ограничит число пациентов, которым может помочь терапевтическое редактирование генома. 

 Программная геномная интеграция здоровой копии гена может стать методом лечения генетических заболеваний, связанных с потерей функции, независимо от мутации. Кроме того, целенаправленная интеграция генов открывает возможности для других областей применения, включая иммунотерапию рака, трансгенные клеточные и животные модели для фундаментальных исследований и метаболическую инженерию.

На данный момент представленный метод был протестирован только на клетках человека в лабораторных условиях, но если он окажется безопасным и эффективным для пациентов, то может стать альтернативой инструментам генного редактирования. Появление инструментов, способных интегрировать в геном полноценные функциональные гены, а не фрагментарные правки, расширяет границы молекулярной медицины, говорит врач-невролог Чолпон Маматова. Это не столько технологическая эволюция, сколько изменение философии вмешательства — от точечного устранения мутации к восполнению утраченного звена в биологической системе.

 Такие методы несут очевидный терапевтический потенциал для моногенных заболеваний, включая тяжелые неврологические формы. Однако, предупреждает врач, их внедрение требует решения ряда фундаментальных задач: обеспечение точности интеграции, устойчивости экспрессии, минимизации иммунных рисков и создания безопасных векторов доставки. На сегодняшний день технология остается экспериментальной и недоступной для клинического применения — в том числе в России, где соответствующая инфраструктура отсутствует.

 «Из моего клинического опыта в неврологии ясно: при ряде наследственных синдромов даже точный диагноз не меняет терапевтической тактики, поскольку отсутствуют средства воздействия на патогенез. Именно поэтому разработка таких платформ важна. Это не альтернатива терапии — это новая ее логика: вмешательство не в проявление болезни, а в ее молекулярную первопричину», — говорит госпожа Маматова.