Редактирование генома становится реальностью

Японским ученым впервые в истории удалось удалить не отдельный ген, а целую хромосому в лабораторных условиях. Речь идет о лишней 21й хромосоме, которая становится причиной синдрома Дауна (трисомии). Долгое время это считалось неизбежным: раз уж лишняя хромосома есть, с ней ничего не поделаешь. Но недавний прорыв японских ученых из Университета Миэ (Mie University) под руководством исследователя Рётаро Хасидзумэ позволяет взглянуть на ситуацию иначе.

Известно, что в каждой клетке человеческого тела — 46 хромосом, всего 23 пары. В случае синдрома Дауна их 47. Японские исследователи научились удалять эту «лишнюю» хромосому, не трогая остальные. По словам авторов эксперимента, их цель не искоренить синдром, а помочь людям, живущим с синдромом Дауна справляться с сопутствующими заболеваниями. Лишняя копия 21й хромосомы нарушает работу клеток и приводит к целому ряду особенностей развития: интеллектуальным нарушениям, врождённым порокам сердца (они встречаются почти у половины новорождённых с этим синдромом), проблемам с пищеварением, щитовидной железой и иммунитетом. Кроме того, у людей с синдромом Дауна значительно выше риск развития болезни Альцгеймера — в 3–5 раз выше, чем в среднем по популяции.

Чтобы понять, что сделали ученые, нужно не просто разобраться в основах генетики, а познакомиться с инструментами, позволяющими его редактирование, такими как CRISPR-Cas9. Именно он использовался в эксперименте японских ученых и для понимания принципа работы этой технологии ее можно сравнить с …ножницами.

С помощью CRISPR-Cas9 ученые могут находить в геноме любой участок и редактировать его: вырезать, заменять или исправлять. Технология существует уже несколько лет, но до недавнего времени с ее помощью можно было редактировать только отдельные гены — маленькие «слова» в «тексте» ДНК. Удалить целую хромосому — огромное предложение или целый абзац — никто не пробовал. Механизм работы CRISPR-Cas9 таков:
1. Направляющая молекула — она работает как навигатор: находит нужный участок ДНК и указывает на него.
2. Белок Cas9 — те самые «ножницы» редактируют ДНК в том месте, которое указал навигатор.

Команда Университета Миэ поставила перед собой амбициозную задачу: научиться удалять именно лишнюю 21ю хромосому, не задевая две нормальные. Создав специальные направляющие молекулы CRISPR так, чтобы они распознавали уникальные участки именно лишней копии хромосомы. Этот подход называется «аллель-специфическим редактированием». Сначала эксперимент провели на стволовых клетках, выращенных в лаборатории. Затем — на фибробластах (клетках кожи), взятых у людей с синдромом Дауна. И в тех, и в других случаях лишняя хромосома была успешно удалена. После этого клетки начали вести себя иначе. Руководитель исследования Рётаро Хасидзумэ объяснил цель эксперимента так: «Нашей целью было удалить излишки материала и посмотреть, вернется ли экспрессия генов в клетке к обычному уровню». И ответ — да, возвращается.

Как и любая передовая технология, этот метод пока далёк от совершенства. В некоторых случаях CRISPR задевал нормальные хромосомы — то есть технология ошибочно редактировала не там, где нужно. Это серьезная проблема: любые случайные изменения в ДНК могут привести к непредсказуемым последствиям. Поэтому ученые сейчас сосредоточены на повышении точности. Они совершенствуют направляющие молекулы, чтобы те связывались исключительно с лишней 21й хромосомой. Кроме того, эта технология не применяется для лечения людей и тем более — внутриутробно. Она существует только на уровне лабораторных исследований.

В перспективе ученые надеются, что метод можно будет использовать в регенеративной медицине — например, брать клетки пациента с синдромом Дауна, исправлять их в лаборатории и возвращать обратно для восстановления поврежденных тканей. Это может помочь справиться с сопутствующими заболеваниями — пороками сердца и ЖКТ, проблемами с иммунитетом, риском деменции.

Любая технология, которая позволяет вмешиваться в геном человека, поднимает сложные этические вопросы. И это открытие — не исключение. В Исландии, например, синдром Дауна встречается редко во многом потому, что там широко применяется пренатальный скрининг, позволяющий на ранних сроках выявить трисомию. Это вызвало международные дебаты.
Профессор прикладной этики из Университета Исландии Астридур Стефансдоттир приводит слова самих людей с синдромом Дауна и их семей: «Они говорят, что это тревожно». Японские исследователи подчеркивают: их работа — это не попытка устранить синдром Дауна, а шаг к тому, чтобы помочь людям, живущим с ним, справляться с сопутствующими медицинскими проблемами.

Исследование опубликовано в журнале PNAS Nexus.