Универсальные ножницы

Про бактерии и людей

CRISPR/Cas — это естественная «иммунная система» бактерий, которая выполняет те же функции, что и иммунная система у людей, — защищает от вторжения чужеродных агентов.

— Только у человека это сложный механизм, а бактерия — это всего одна клетка с крошечным геномом. И она пошла по более простому пути, чтобы распознавать вирусы, — поясняет генетик, поговоривший с «Новой газетой Европа» на условиях анонимности.

Если говорить проще, то система CRISPR/Cas (clustered regularly interspaced short palindromic repeats) представляет собой повторяющиеся короткие отрезки ДНК. Между этими повторами есть уникальные вставки из фрагментов ДНК — спейсеры, которые совпадают с участками геномов вирусов и прочих фагов, когда-либо атаковавших клетку.

То есть, эта система — своего рода погранзастава, а ее стражами являются Cas-белки. Когда клетку атакует вирус, информация о котором есть в спейсерах, белок распознает его и уничтожает — разрезает вирусную ДНК, словно ножницами. Отсюда и название системы CRISPR/Cas — молекулярные, или генетические, ножницы.

В 2012 году французский микробиолог Эммануэль Шарпантье и американский биохимик и генетик Дженнифер Дудна, будущие Нобелевские лауреаты, доказали, что комплекс CRISPR/Cas9 можно использовать в качестве инструмента редактирования генома, потому что система, разрезав чужеродную ДНК, вставляет в ДНК клетки новые спейсеры.

А спустя год выяснилось, что если внедрить иммунную систему бактерий — маленькую РНК с белком — в клетку млекопитающих, в том числе человека, то она тоже будет работать — находить уникальную последовательность нуклеотидов и разрезать ДНК.

Из пробирки в клетку

Чтобы использовать систему CRISPR/Cas в организме человека, надо, по словам генетика, намешать генетический коктейль в пробирке и внедрить его в клетку. Если все было рассчитано правильно, в определенный участок генома будет внесен нужный разрыв ДНК. А дальше запускается естественный, универсальный для всего живого процесс репарации — то есть, восстановления на месте разрыва. Вот в этот момент и можно подправить ошибки природы.

Есть два способа. Либо просто позволить белку удалить дефектный ген и «сшить» обрезанные края, либо на место дефектного гена поставить «заплатку» — матрицу с «правильным» фрагментом гена. Так в клетке окажется здоровый ген.

Впрочем, процесс не всегда идет так, как задумано: и CRISPR-белки могут ошибиться и внести разрывы в ДНК не в тех местах, и репарация может пойти по другому сценарию.

— Иногда редактирование происходит «офф-таргет», то есть мимо мишени: это когда система вместо определенного участка генома распознает не полностью идентичные мишени и режет их, — объясняет молекулярный биолог Виктория Доронина, ассистент кафедры науки факультета образования Манчестерского городского университета. — Так как в геноме человека много избыточной и некодирующей белки ДНК, обычно это не приводит к серьезным последствиям, но в целом результат непредсказуем. Самый известный случай офф-таргета — это попытка редактирования рецепторов, к которым присоединяется ВИЧ, осуществленная китайским ученым Хэ Цзянькуем, чтобы защитить будущего ребенка от заражения ВИЧ-инфекцией. С помощью метода CRISPR были внесены изменения в гены у эмбрионов — так появились на свет первые генетически модифицированные дети, две девочки-близнецы. Но генная терапия сработала не полностью, выключив только одну из двух копий гена, то есть, заражение все равно возможно.

Все получилось!

— Первый случай применения терапевтического редактирования генома в Британии был зарегистрирован в 2022 году, — рассказывает Виктория Доронина. — У 13-летней британской девочки был диагностирован неизлечимый острый Т-клеточный лимфобластный лейкоз, все другие методы лечения не принесли результата. Тогда врачи больницы Грейт-Ормонд-стрит в Лондоне прибегли к технологии редактирования генома с помощью системы CRISPR/Cas. Процедура включала перепрограммирование здоровой Т-клетки — сначала для уничтожения раковых Т-клеток, чтобы избавить от лейкемии, а затем для восстановления иммунной системы с нуля, используя здоровые иммунные клетки.

В декабре 2023 года были в США, а затем и в Великобритании одобрили первые протоколы клеточной генной терапии для лечения заболеваний, связанных с серповидноклеточной анемией. Это тяжелое наследственное заболевание крови, при котором нарушена транспортировка кислорода в кровотоке, вызванное дефектным гемоглобином.

из-за мутации в гене печень не могла обезвреживать аммиак — в таких случаях он накапливается в организме и проникает в мозг. Для ребенка был разработан персонализированный генетический комплекс, нацеленный на определенный участок гена, препарат опробовали на модельных животных и получили хорошие результаты. В итоге ребенку провели две капельницы, таким образом отредактировав большую часть целевых клеток, и спасли жизнь.

— Вообще, исследования в этом направлении ведутся очень интенсивно, — говорит генетик. — Например, несколько лет назад отредактировали геном свиньи, чьи органы анатомически, и даже отчасти иммунологически, схожи с человеческими, а значит, потенциально могут быть пригодными для пересадки. Для этого в геном свиньи было введено порядка 70 генов, в том числе «человеческих». Пока такая почка функционировала лишь девять месяцев — возможно, нужно больше генов для переноса.

Поймай меня, если сможешь

Некоторые вирусы научились обходить систему защиты, встраивая свою ДНК в геном клетки человека. И ВИЧ, и вирусы гепатита — именно такие, неуязвимые и неуловимые, подверженные частым мутациям, которые позволяют им ускользать от иммунитета и редактирующих инструментов. Существующие препараты лишь подавляют размножение вируса, но не уничтожают его. Так что современная наука сосредоточена на том, чтобы найти «стерилизующее лекарство», которое способно полностью удалить эти вирусы из организма.

— В 2022 году начались клинические испытания на людях препарата против ВИЧ, разработанного компанией Excision BioTherapeutics, на основе CRISPR, — рассказывает Виктория Доронина. — Исследования на ранней стадии показали, что лечение представляется безопасным и не имеет серьезных побочных эффектов, но данные о его эффективности не были обнародованы. В марте 2024 года исследователи из Амстердамского университета сообщили о другой терапии на основе CRISPR, которая устраняла ВИЧ в клеточных культурах. Есть клинические испытания и препаратов против вируса гепатита. В начале прошлого года компания Precision BioSciences получила разрешение FDA на проведение клинических исследований нового лекарственного препарата (IND) PBGENE-HBV для лечения хронической инфекции вируса гепатита B (HBV).

Особенность вируса гепатита В в его необычной генетической форме — его ДНК выглядит как кольцо, которое служит матрицей для размножения вирусов и устойчива к противовирусным препаратам. Разработка исследователей из Precision BioSciences направлена на «разрыв» этого кольца и инактивацию вирусной ДНК. В конце прошлого года ученые представили данные о первой фазе клинических исследований, сообщив, что у всех пациентов наблюдался противовирусный ответ. По словам ведущего исследователя Ман-Фунг Юэна, клинические данные биопсии свидетельствуют, что такая генная терапия может напрямую модифицировать вирусную ДНК в ткани печени человека.

Не является приоритетом

В том же направлении ведутся разработки и в Сеченовском университете — в конце прошлого года его исследователи опубликовали научный обзор, посвященный особенностям вируса гепатита В.

— Но нет никаких данных о том, что российский препарат прошел хотя бы первую стадию клинических испытаний, — говорит Виктория Доронина. — А без этого невозможно оценить эффективность препарата за пределами экспериментов создателей.

Впрочем, по мнению моего собеседника-генетика, такие заболевания, как ВИЧ или гепатит В, не являются приоритетом для терапии.

— ВИЧ сегодня научились останавливать препаратами, как и вирус гепатита С. А гепатит В является вакциноуправляемой инфекцией. Скорее, надо сосредоточиться на том, что плохо поддается лечению. Как та же серповидноклеточная анемия, для лечения которой требуется очень сложная процедура — трансплантация костного мозга.