Текст книги "Человек редактированный, или Биомедицина будущего"

Автор книги: Сергей Киселев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 1 (всего у книги 12 страниц)

От автора

Более или менее документированная история человечества не так уж велика и ограничивается парой сотен лет. Но за этот период мир претерпел несколько эпохальных преобразований. Девятнадцатый век называют веком инженерии: появились железные дороги, автомобили с двигателями внутреннего сгорания и фотография, была построена Эйфелева башня. Вхождение в XX век сопровождалось, возможно, самым значительным открытием человечества после колеса – открытием рентгеновского излучения, которое позволило разглядеть не только каждую косточку человеческой пятерни, но и заглянуть внутрь любого вещества, узнать его структуру и атомарное строение, что привело к перевороту в химии и физике, позволило создать новые материалы и полупроводники. Рентгеновское излучение позволило человечеству открыть информационное пространство жизни, разгадать код ДНК, создать технологии генной инженерии. Текущий XXI век предлагает нам принципиально новые возможности использования информации о живой материи для создания новых технологий по принципу живого.

Когда я, еще школьником, размышлял о том, чем бы хотел заняться, я и представить себе не мог, что науки о жизни, и в частности биология, будут играть столь важную роль. Конечно, биология меня привлекала, но было совершенно неинтересно считать тычинки растений или лапки насекомых, но интересно узнать, как это устроено изнутри и почему «работает». Поэтому я выбрал физико-математическое образование, а после окончания института сразу окунулся в мир генной инженерии и молекулярной биологии. Многие истории, описанные в книге, происходили на моих глазах или даже с моим участием, хотя разговор пойдет, возможно, о самой сложной и противоречивой на сегодня технологии геномного редактирования.

Я приглашаю читателей к совместному исследованию и надеюсь, что прочитав эту книгу и пройдя путь от первых открытий ДНК до возможного редактирования генома, вы сможете сделать свой самостоятельный вывод о перспективах развития биомедицины будущего и ее инструментах, а также о возможных открытиях XXI века – века наук о жизни.

Сергей Львович Киселёв, доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией эпигенетики Института общей генетики имени Н. И. Вавилова РАН

Введение

Пока гром не грянет...

Нас окружают явления и системы, кажущиеся нам очевидными, воспринимаемые нами как нечто само собой разумеющееся. Например, наша собственная жизнь. Конечно, мы реагируем на события, которые нас каким-то образом затрагивают, мы совершаем тысячи движений, работаем, учимся, любим, производим на свет детей и растим их, испытываем радость и страх, наслаждение и боль, строим планы на будущее и печалимся о прошедшем. Но под покровом повседневных действий, чувств и ощущений тихо и незаметно внутри нас протекает та самая биологическая жизнь – жизнь клеток и генов, тканей и органов, которая объединяет человека со всей живой природой. Таинственная жизнь, знания о которой ученым приходится добывать по крупицам...

Ну, идет и идет... Зачем о ней думать? Ведь наш организм сам знает, что ему делать, а если что-то пошло не так, всегда можно обратиться к врачу. Большинство из нас, окончив школу, благополучно забывают даже основы жизни, элементарный курс школьной биологии, и потому многих пугает, например, аббревиатура «ГМО», за которой прячется пара десятков Нобелевских премий, лекарственное и пищевое изобилие современного развитого мира. Примерно такую же реакцию вызывает слово «клонирование», которое обрело свою уже третью жизнь после рождения первого в мире клонированного млекопитающего – овечки Долли.

И только когда биология внезапно врывается в нашу жизнь, нарушая ее спокойное течение какой-нибудь смертельной опасностью или уникальным достижением, человечество вдруг понимает, что хотя его сегодняшние знания о таинственных основах жизни еще весьма скромны, именно сейчас открываются огромные перспективы дальнейшего развития биологических наук. Именно сейчас.

Эта книга пишется в тот самый год[1]1
  Книга написана в 2021 году, в момент пандемии COVID-19. – Прим. ред.


[Закрыть], когда человечество (или, как минимум, треть его) включила в свой повседневный лексикон такие слова и их сочетания, как «вирус», «пандемия», «карантин», «пневмония», «цитокиновый шторм», «искусственная вентиляция легких» (или ИВЛ), «полимеразная цепная реакция» (или ПЦР), «антитела»... Еще недавно подавляющее большинство из нас не слышали об этом даже при посещении врача, а теперь в любом переходе метро стоят санитайзеры для рук, возле касс магазинов нам предлагают маски, в транспорте призывают соблюдать социальную дистанцию, мы регулярно сдаем тесты на ПЦР или на антитела. До недавнего времени основная часть общества была далека от любых биологических и медицинских терминов, но теперь лицом к лицу столкнулась с новым вирусом человека, а по большому счету – с новым проявлением живой природы.

Конечно, вирусы, какими бы они ни были, приходят не в первый и не в последний раз. За минувшую сотню лет мы неплохо изучили ранее появившиеся вирусы, научились с ними работать, манипулировать ими, переставлять различные их части (в этой книге мы будем много говорить о вирусах). Однако к приходу и массовому вторжению в организмы людей такого объекта, как новый коронавирус (названный Всемирной организацией здравоохранения SARS-CoV-2 – от англ. Severe Acute Respiratory Syndrome-related Coronavirus 2, то есть связанный с тяжелым острым респираторным синдромом коронавирус 2), вызывающий болезнь под названием COVID-19, которая по своим тяжелым последствиям хотя и значительно уступает печально знаменитой «испанке», человечество оказалось совершенно не готовым. Состояние, в которое погрузился мир под ударом пандемии COVID-19, иначе как потрясением не назовешь.

Возмутитель спокойствия

Но как мы уже сказали, уникальные достижения в биологии порой влияют на человечество не меньше, чем катастрофические пандемии. Несколько лет назад произошло событие, вызвавшее в научном мире настоящую панику. О его важности можно судить хотя бы по тому, что оно освещалось едва ли не всеми мировыми средствами массовой информации, теме этого события были посвящены многочисленные заседания Организации Объединенных Наций и Всемирной организации здравоохранения, а научные сообщества всех развитых стран еще долго после этого пребывали в состоянии шока. Но самое поразительное в том, что неописуемое волнение, в которое пришел весь мир, было вызвано всего лишь докладом одного человека на небольшом научном симпозиуме!

Я думаю, дело здесь не только в уникальности открытия, о котором мы сейчас расскажем. Общество просто не ожидало, что «фантастическое будущее», над которым работало большое количество специалистов в лабораториях, внезапно оказалось «настоящим», поставив перед людьми массу сложнейших проблем, в том числе этических. А генетика, давно уже поражавшая человечество своими достижениями, теперь стала признанным лидером биологической науки и главной надеждой медицины будущего.

Возмутителем спокойствия оказался китайский ученый Хэ Цзянькуй. Двадцать пятого ноября 2018 года, накануне 2-го Международного саммита по редактированию генома человека, проходившего в Гонконгском университете, ученый заявил, что он генетически модифицировал с помощью технологий редактирования генома двух недавно рожденных девочек-близняшек, Лулу и Нана (их настоящие имена тщательно скрываются). Предполагалось, что в результате этого вмешательства девочки должны стать невосприимчивыми к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), который был у их родителей. Но главное, что эту генетическую модификацию они смогут передать по наследству своим детям, те – своим, и так будет продолжаться до тех пор, пока в каком-то поколении наследственная передача модифицированного гена не прекратится.

Конечно, эксперименты с генетической модификацией человека проводились и раньше, но мировое сообщество было потрясено тем, что впервые генетическому редактированию подверглись так называемые клетки зародышевого (полового) пути человека – поколение клеток, которое предшествует гаметам, или половым клеткам (яйцеклетки и сперматозоиды). При слиянии половых клеток образуется эмбрион, а из него уже развивается новый организм. Ранее никаких сознательных вмешательств в эти клетки не осуществлялось, потому что генетические модификации этих клеток передаются по наследству. Это значит, что любая ошибка экспериментатора скажется не только на том человеке, который разовьется из «отредактированного» эмбриона, но и на его потомках! А если мы не знаем, какие цели преследует экспериментатор? В общем, реакцию мирового научного сообщества можно было предугадать и заранее, тем более что автором уникального эксперимента оказался не американский, а китайский биолог.

Надо сказать, что Китай тоже официально не поддержал своего ученого, и с этим связана почти детективная история. По договоренности между организаторами – академиями наук США, Китая и Королевским научным обществом Великобритании – 2-й Международный саммит по редактированию генома человека должен был проходить в Китае, и активная подготовка к мероприятию была уже в самом разгаре. Однако в последний момент Китай по неясным причинам (официально из-за отсутствия финансирования) отказался от проведения этой встречи на своей территории. Но поскольку регион был определен заранее и многие участники даже приобрели билеты, организаторам показалось разумным перенести саммит в Гонконг. Будучи формально частью Китая, Гонконг еще обладал значительной автономией – был как бы «не совсем Китаем». Наверное, власти Китая предполагали, что Хэ Цзянькуй может рассказать о своем эксперименте, и реакция мировой общественности будет предсказуемо негативной, поэтому сделали все возможное, чтобы и об открытии сообщить, и возможные обвинения в соучастии с себя снять.

Сегодня мы знаем, что после выступления на саммите судьба китайского ученого сложилась достаточно печально (хотя, возможно, ему еще повезло, ведь в прессе появлялись сообщения о том, что ученому грозит смертная казнь). Пострадал и проект: Хэ Цзянькуй не получил признания и результаты его работы не были опубликованы в научных изданиях. Многие детали эксперимента китайского ученого остаются не очень ясными. Однако не вызывает сомнений, что девочки-двойняшки с отредактированным геномом, который будет передаваться по наследству, действительно были рождены, – ученый представил этому достаточные доказательства.

О чем пойдет разговор

Как бы мы ни относились к экспериментам по редактированию генома человека, в том числе и на уровне клеток зародышевого пути, остановить развитие технологий не удастся. Своим достижением Хэ Цзянькуй задал высокую планку, и теперь исследователям все равно придется решать возникшие научные и технические проблемы, а обществу – этические, связанные с откровенным вмешательством в человеческую природу. До какой степени это оправданно?

В этой книге мы попытаемся разобраться и понять, что такое редактирование генома, каким образом оно осуществляется, чем отличается от существующих генно-инженерных манипуляций, как может использоваться и уже используется сегодня на практике, в том числе для целей биомедицины.

Однако прежде чем говорить о геномном редактировании, мы рассмотрим основополагающие понятия генетики и научные факты, которые лежат в основе современных представлений об устройстве и работе генома, обсудим наиболее впечатляющие этапы развития методов вмешательства в геном, вплоть до создания геномных редакторов.

Мы постараемся убедиться в том, что все живое существует в едином генетическом пространстве (измерении), иначе не было бы того, что мы обозначаем скупыми буквами ЖИЗНЬ. Потому что с точки зрения биологии именно генетическое измерение дает живым существам возможность передать информацию по наследству!

И конечно же, мы подробно обсудим историю китайского ученого Хэ Цзянькуя и его уникальный эксперимент. Мы порассуждаем о перспективах биомедицины, о том, какие преимущества дает она в поисках новых средств борьбы с тяжелыми и опасными заболеваниями, и с какими проблемами (не только технологическими, хотя их немало) сталкивается человечество, желая генетическими методами усовершенствовать самое себя.

Как устроено генетическое пространство

Вспомним школу

Все мы когда-то «проходили» биологию в школе, однако с тех пор многое изменилось: во-первых, кое-что забылось за давностью лет, а во-вторых, биологическая наука в целом и генетика в частности (раздел биологии, который изучает наследственность организмов и устройство материальных носителей наследственности, так называемых генов) переживают стремительный взлет. Сегодня уже невозможно говорить о современной биологии, не понимая, что значит наследование, зародышевый путь, генетическая мутация, генетические изменения, геномное редактирование. Как мы увидим далее, здесь не просто каждое слово, а каждая буква имеет свой смысл, – и начать нам придется «с азов», то есть вернуться назад, к школьной программе, чтобы освежить свои знания. Только проделаем мы это немножко на другом уровне – соответствующем тому, что уже открыла и освоила современная наука в плане передачи наследственной информации, возможности ее контроля и изменения.

Два метра генетической информации

Мы помним, что тело (или, по-научному, сома – от др.-греч. soma) состоит из клеток. Клетка – это единица жизни, и именно она содержит информацию, которая передается по наследству. В клетке есть изолированное ядро, где находятся хромосомы. Те из нас, кто немного помнит школьный курс биологии, вероятно, представляют себе хромосомы в виде маленьких «червячков», которые находятся внутри «шарика». Конечно, это очень упрощенный образ, хотя в некоторый момент времени они действительно имеют такой вид. На самом деле хромосома состоит из двух компонентов: дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков.

Если мы извлечем ДНК (это полимерная молекула) из всех хромосом, содержащихся в одной человеческой клетке, – их там сорок шесть штук, или двадцать три пары, – и приставим все эти «кусочки» один к другому, чтобы они вытянулись в одну нить, то суммарная длина всех молекул ДНК в одной клетке человека составит примерно два метра при толщине всего в два нанометра! Но как же они помещаются в ядре, размеры которого обычно измеряются микронами? Природа решила сложную задачу по компактизации молекулы ДНК.

Рис. 1. В ходе компактизации ДНК ее объем уменьшается в семь тысяч раз

Как сделать компактной нитку? Ее можно намотать на катушку. Основой для этого являются белки. Но если мы намотаем длинную молекулу ДНК на одну катушку, то добраться до того участка, который идет первым слоем, нам не удастся – будет доступен только наружный слой, и это усложнит считывание наследственной информации. Поэтому на самом деле ДНК наматывается на большое количество белков-основ, которые называются нуклеосомами и распределены по всей длине молекулы. А потом эта структура, которая уже напоминает бусы, претерпевает еще несколько стадий компактизации, укладываясь в петли. Получается примерно так: сначала мы намотали молекулу ДНК на много белков-катушек, а затем свернули все это во что-то напоминающее моток альпинистской веревки. В результате получаются хромосомы, каждая из которых состоит из двух скрученных молекул ДНК (хроматид), соединенных центромерой. Именно в таком виде наследственная информация хранится в ядре клетки.

Жизнь в четырех буквах

Давайте разберемся, что же такое генетическая информация, как и на чем она записывается.

Мы уже сказали, что генетическую информацию во всех живых клетках содержит молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты – ДНК.

А записана эта информация, как выяснилось еще в середине прошлого века, всего лишь четырьмя «буквами» А, Т, Г, Ц (А, Т, G, С) – нуклеотидами. Каждому нуклеотиду присвоено название, соответствующее названию входящего в его состав уникального основания: аденин, тимин, гуанин, цитозин.

Нуклеотиды взаимодействуют между собой, образуя пары. Причем аденин взаимодействует исключительно с тимином, а гуанин – с цитозином.

В результате этого взаимодействия молекула ДНК представляет собой витую спираль, состоящую из двух нитей (или цепочек), на каждой из которых расположены различные комбинации четырех нуклеотидов. Причем их последовательности на обеих нитях являются, как говорят в биологии, комплементарными, то есть взаимодополняющими (не путать с комплиментом). Это значит, что если у нас по одной нити ДНК в каком-то месте идет последовательность букв-нуклеотидов, скажем, А, Т, Г, Ц, то на второй нити их комбинация в этом же участке будет Т, А, Ц, Г, в соответствии с правилом взаимодействия. И напротив аденина в одной цепочке обязательно окажется тимин во второй цепочке.

Эти комплементарные пары оснований образуют между собой водородные связи – особый тип химических связей, которые удерживают обе витые ниточки ДНК соединенными вместе.

Прочность водородных связей невысока, и даже при сравнительно небольшом повышении температуры раствора, в котором находятся молекулы ДНК, эти связи могут нарушиться. Если мы, например, нагреем молекулу ДНК всего лишь до шестидесяти пяти градусов Цельсия – температуры, которую может выдержать даже наш палец, если его опустить в горячую воду, – то ДНК начинает «плавиться»: две ее нити расходятся...

Только не надо этого пугаться, ведь ДНК – молекула поистине замечательная! Когда мы начнем опускать температуру ниже той, при которой «расплавили» ДНК, и возвращать ее к нормальной для жизни температуре (у человека это около тридцати семи градусов, у собаки примерно сорок, у птиц существенно выше сорока градусов), произойдет нечто уникальное. Обе нити опять соединятся, комплементарные основания найдут друг друга, и ДНК снова станет такой же прочной структурой из двух цепочек, при этом полностью сохранив всю свою информационную ценность как генетический текст. Это очень важный момент, и именно он является основой всем известной сегодня полимеразной цепной реакции (ПЦР), с помощью которой проводятся многочисленные диагностики.

Еще важнее для нашей темы, что две цепочки в молекуле ДНК могут разъединяться прямо в живой клетке под действием определенных ферментов[2]2
  Ферменты – это особые белки, ускоряющие определенные реакции в живых системах. – Прим. ред.


[Закрыть], а потом опять соединяться, абсолютно точно находя друг друга. Вместо температуры реакцию «плавления» ДНК катализируют ферменты.

Спрашивается: зачем природе все эти сложности? Чтобы ответить на этот вопрос, надо понять, что вообще-то все мы, то есть живые существа, построены не из ДНК! Молекула ДНК является только носителем генетической информации, содержащейся в живой клетке, – подобно флешке, которая снаружи может выглядеть как угодно, а то, на чем реально записана информация, находится внутри нее. На самом деле во флеш-карте это всего лишь кусочек кремния – песчинка. Хотя любой генетический текст записывается всего четырьмя буквами – А, Т, Г, Ц, общее количество их сочетаний, присутствующих в каждой клетке человека, составляет гигантское число – 3х10⁹, или три гигабайта. А поскольку в клетке человека имеются два набора хромосом (двадцать три хромосомы от мамы и двадцать три от папы), то каждая клетка содержит 6х10⁹ букв генетического текста – шесть миллиардов!

Таким образом, общий объем памяти молекул ДНК в каждой клетке – шесть гигабайт, а объем уникальной информации, которая содержится в каждой молекуле ДНК, – три гигабайта. Мы пока изучили только их малую часть, которую назвали генами... ну и еще чуть-чуть (об этом разговор впереди). Гены составляют немногим более одного процента всей информации, записанной в ДНК; они кодируют белки – строительный материал, из которого построена каждая клетка и, соответственно, тела всех живых существ.

Транскрипция, трансляция, белок

Но как происходит кодирование? Каким образом ген, то есть чисто информационный фрагмент, находящийся в составе ДНК, может организовать производство белка?

Этот удивительный процесс описала так называемая центральная догма молекулярной биологии, сформулированная в 60-х годах XX века. Согласно ей, генетическая информация передается от нуклеиновых кислот к белку, но не в обратном направлении. А поскольку записана она в огромной молекуле ДНК, находящейся в ядре, которая сама производить белок не может, то посредником для передачи информации служит еще одна нуклеиновая кислота – РНК, или рибонуклеиновая кислота. Она работает как интерфейс между информацией, находящейся в ядре клетки, то есть в ДНК, и цитоплазмой клетки, где и осуществляются все процессы жизнедеятельности. Можно провести аналогию с современной флеш-картой, в которой USB – это интерфейс для связи с компьютером. Химически РНК от ДНК отличается немного, примерно как глюкоза от сахарозы (два вида сахаров), – она гораздо меньше по размеру и представляет собой одну цепочку нуклеотидов. Рибонуклеиновая кислота копирует часть информации, записанной на ДНК, и, будучи комплементарной копией одной цепи ДНК, точно копирует фрагмент генетического текста. Специальный фермент распознает двухцепочечную ДНК, находит место, где начинается ген (этот район получил название промотор), другой фермент слегка расплетает две нити ДНК, и третий фермент синтезирует одноцепочечную копию гена. Такой процесс называется транскрипцией. С одного гена, то есть определенного генетического текста, транскрибируется много одинаковых молекул так называемой матричной РНК, которая затем выходит из ядра в цитоплазму клетки. И там, по этой молекуле РНК как по образцу, происходит синтез белка, состоящего из отдельных аминокислот. Биологи называют такой процесс трансляцией (переводом), но в его подробности мы углубляться не будем. Итак, в клетке присутствует ДНК от мамы и от папы, и на каждой из ее молекул имеется одна копия гена от мамы и одна копия гена от папы. С каждой молекулы ДНК синтезируется много копий РНК этих генов, а потом с них считывается информация и синтезируется еще больше молекул белка, из которого все строится.

Пожалуй, самой большой неожиданностью для ученых оказалось то, что ДНК с ее линейной структурой (простая последовательность букв генетического текста) оказалась способной порождать немыслимое разнообразие белков не только по аминокислотному составу, но и по форме молекулы. Поначалу в процессе синтеза белка аминокислоты выстраиваются в линейной последовательности, как нуклеотиды в ДНК. Но ниточка готового белка вовсе не намерена всегда оставаться линейной (первичная структура).

Более того, выяснилось, что даже один и тот же линейный белок («кирпичик» любой формы жизни) в немного различающихся условиях внутри клетки приобретает в конце концов совершенно разные формы, сперва закручиваясь в спираль или складываясь в гармошку с образованием вторичной структуры, затем скручиваясь еще больше, – возникает третичная структура. Иногда в одну молекулу соединяются несколько ниточек – полипептидных цепочек, формируя четвертичную структуру.

Почему так происходит? Потому что в клетке существуют отделы, в одном из которых реакция среды может быть кислой, в другом – щелочной, да еще с повышенным или пониженным содержанием различных солей. В разных средах один и тот же белок будет совершенно по-разному сворачиваться в клубочки или компактные шарики (глобулярные структуры, глобулы). И каждый раз эта структура может выполнять иную функцию. Кстати, с повышением температуры у белков тоже будут постепенно возникать нарушения глобулярной структуры. Они будут изменять, как говорят по-научному, конформацию, то есть внешний вид. А это неизбежно скажется на их функциях.

КАК КЛЮЧ В ЗАМОК

Какое значение может иметь конформация молекулы белка? Давайте схематично представим взаимодействие двух молекул как взаимодействие ключа с замочной скважиной. Если у нас два правильных белка, то есть один – ключ, а второй – замочная скважина, то они находятся в правильном функциональном состоянии. Ключик хорошо вставляется в замочную скважину и выполняет свою функцию открывания замка.

Но если у нас вдруг изменился хоть один белок, то ключ просто не подходит к замочной скважине, и молекула не выполнит ту функцию, для которой она предназначена. Поэтому в природе такая тонкая настройка всегда совершается при изменении температурных или химических условий как в случае ДНК, так и по отношению к любому белку.