Текст книги "Человек редактированный, или Биомедицина будущего"

Автор книги: Сергей Киселев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 12 страниц)

Тяжелый комбинированный иммунодефицит

Приведу еще один пример генной терапии, очень успешный, хотя начиналось все неоднозначно. Есть такое заболевание – алимфоцитоз, или тяжелый комбинированный иммунодефицит. Это результат мутации в некоторых генах, которые, как мы помним, присутствуют в каждой клетке, но работают только в клетках иммунной системы – Т-лимфоцитах крови. Если какой-то из этих генов в лимфоцитах крови не работает, не происходит синтез необходимого белка, то наступает иммунодефицитное состояние. Дети рождаются с полным отсутствием иммунной защиты организма и подвержены любой инфекции, в результате чего умирают в первые годы жизни. Они могут жить только в стерильных условиях. К счастью, это очень редкое заболевание.

Дэвиду Веттеру удалось прожить девять лет. История его жизни легла в основу американского фильма «Bubble boy» («Парень из пузыря», 2001 год). В фильме все кончается хорошо, но в реальности, к сожалению, счастливого конца не получилось. На протяжении всей своей жизни Дэвид жил в специальных стерильных условиях в пузыре-коконе. Это пагубно сказалось на его психике. Потребность в развитии, желание быть человеком и жить полноценной жизнью, а также давление общественности привели к тому, что врачи все-таки согласились попробовать провести операцию по пересадке костного мозга, которая могла бы его спасти. Но чуда не произошло, спасти мальчика не удалось – он умер от рака крови, вызванного вирусом, попавшим в костный мозг донора. Дэвид так и не попробовал кока-колу, о которой мечтал всю жизнь.

Но с появлением генной терапии появилась надежда: а вдруг удастся лечить такой вид иммунодефицита с помощью этого нового метода? Шансы на успех были, ведь кровь – уникальная ткань человека, и работать с ней гораздо легче, чем с другими тканями организма. Неслучайно первые попытки людей совершать какие-то манипуляции с кровью восходят к началу XVI или даже середине XV века.

Но вернемся к алимфоцитозу. Ход рассуждений исследователей был примерно таким. Мы знаем, что у данного человека имеется мутация гена, вызывающая неправильную работу Т-лимфоцитов, отвечающих за иммунитет. Значит, если в лабораторных условиях ввести в стволовые клетки крови, из которых образуются лимфоциты, вирусный вектор, содержащий нормальную копию нужного гена, а потом трансплантировать обратно тому же самому пациенту, то, может быть, из них образуются «правильные» лимфоциты, способные обеспечить иммунную защиту?

Клинические исследования начались в 1999 году и проводились параллельно во Франции и Великобритании с участием двадцати мальчиков. Введение ретровирусного вектора, содержащего нормальную копию гена рецептора Т-лимфоцитов, в гемопоэтические стволовые клетки (дающие начало всем клеткам крови) восстановило развитие функциональных Т-клеток и, таким образом, запустило нормальную работу иммунной системы. Однако в 2003 году была опубликована информация, что у четырех мальчиков во Франции развилась лейкемия – онкологическое заболевание крови.

СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ КРОВИ

Такие разные, непохожие друг на друга клетки крови имеют в организме, как ни странно, общее происхождение. Гипотезу первоначальной стволовой клетки крови выдвинул в начале XX века русский биолог Александр Максимов. Много позже, в 1960-х годах, эту теорию подтвердили экспериментально канадские ученые Эрнест Маккаллох и Джеймс Тилл. С этого времени стала активно развиваться трансплантация стволовых клеток крови или красного костного мозга (ткань, где они находятся) для восстановления кроветворения при различных заболеваниях.

Клинические исследования были приостановлены. Ученые многих лабораторий начали изучать причины возникновения болезни. Скоро стало ясно, что в двух случаях виноваты не испытатели, а судьба, так как у детей обнаружились мутации в других генах, приводящие к лейкемии. А вот у двух других мальчиков «виновной» оказалась большая доза лекарства, которое исследовалось. Когда повышалось количество вводимого ретровируса, он начинал встраиваться в определенное место генома, где активизировал работу протоонкогена, то есть гена, который может вызвать онкологию. Примерно так выглядит разница между тем, куда попадет брошенная наугад горсть песка и где окажется солидная кучка песка, брошенная лопатой. Во втором случае песок так и ляжет в какое-то одно место кучкой. То же самое так и происходит и в геноме. Ситуация была критической. С одной стороны, малыши, которые из-за основного заболевания долго не проживут в любом случае, с другой – понятные механизмы возникновения опухолевого процесса, которые можно контролировать. Чашу весов в сторону продолжения исследований склонили настойчивые родители мальчиков. Аргументируя свою позицию, они заявляли, что детская лейкемия сегодня лечится с эффективностью более восьмидесяти процентов, а от алимфоцитоза, тяжелого комбинированного иммунодефицита, излечения нет вообще. В результате исследования с использованием пониженной дозы векторного вируса были продолжены. Эти события привели к разработке высокочувствительных методов для обнаружения мест встраивания вирусов в геном и улучшения дизайна векторов.

Надо подчеркнуть, что негативная информация запоминается лучше, чем позитивная, поэтому большинство помнит случаи лейкемии, о которых трубили средства массовой информации, а вот огромный успех, достигнутый этими испытаниями, остался почти незамеченным. Десяток лет назад были опубликованы результаты долгосрочного наблюдения за девятью мальчиками из французского исследования, которым на тот момент было восемь—одиннадцать лет. Один из четырех детей, У которых в ходе этого испытания развился лейкоз, умер. Трое других успешно прошли курс химиотерапии и были среди семи детей, у которых наблюдалось долговременное восстановление иммунитета: более десяти лет они живут нормальной жизнью. Результаты лондонского исследования показывают аналогичное влияние на восстановление иммунитета, и только у одного ребенка развилась излечимая лейкемия.

Это опять свидетельствует о том, что избыточная доза вектора – не единственный фактор, воздействующий на результат генной терапии. Возможно, здесь еще играют роль некоторые индивидуальные особенности генома – все-таки мы все разные.

В 2016 году для использования на европейском рынке коммерческих медицинских препаратов было одобрено лекарство Стримвелис (Strimvelis), предназначенное для лечения комбинированного иммунодефицита. Около четверти века занял путь от первого эксперимента до клинического применения. Сегодня в мире коммерчески доступен целый ряд генно-терапевтических препаратов. Помимо упомянутых, это противоопухолевые препараты, зарегистрированные в Китае, – Гендицин (Gendicine, 2003 год) и Онкорин (Опсоппе, 2005 год), – пионеры одобренной официально генной терапии, и препарат, стимулирующий рост кровеносных сосудов, Неоваскулген (Neovasculgene, 2011 год), зарегистрированный в Российской Федерации, одним из разработчиков которого является автор этих строк.

Через несколько лет в США и Европе были зарегистрированы противоопухолевые препараты: Имлиджик (Imlygic) для лечения меланомы, Кимриа (Kymriah), Эскарта (Yescarta), Текартус (Tecartus) для лечения лимфом, а также Золгенсма (Zolgensma) для лечения спинальной мышечной атрофии.

Далеко не все генные препараты имели успех и оказались востребованными. Генный препарат Глибера (Glybera) для лечения нарушения липидного обмена был одобрен в Европе по цене около одного миллиона евро за курс лечения в 2014 году. Всего один человек сумел предоставить страховым компаниям необходимые бумаги для получения нужной суммы и препарата. Надо отметить, что в Европе потребителями этого вида лечения могут быть чуть более ста пятидесяти человек ежегодно. В 2017 году лицензию на данный препарат продлевать не стали, и он ушел с рынка. Но не только коммерция может быть причиной неуспеха. Летом 2020 года была опубликована информация о трех летальных исходах в ходе клинических исследований высокодозной генной терапии нейромиопатии – редкого заболевания, связанного с плохим развитием скелетных мышц. Негативный эффект введения вируса, послужившего вектором, сказался в данном случае на печени и желудочно-кишечном тракте. В группе низких доз негативных эффектов не было.

Давайте повторим вкратце суть метода генной терапии. Мы берем вирус – это некий генетический текст, вставляем в него ген – опять-таки целый фрагмент генетического текста, добавляем туда же регуляторную последовательность, и у нас получается терапевтический вектор, который мы направляем в клетки человека, чтобы они заработали по-другому – так, как нужно нам или как они работают в норме.

Генная терапия доказала свою эффективность, она будет развиваться и идти своим путем. В ней мы используем ДНК и гены как небольшие фрагменты текста. Сейчас исследователи могут работать с параграфами генетического текста – еще не на уровне каждой отдельной буквы-нуклеотида, но уже и не на уровне Целой книги или ее главы.

Рис. 5. Вирус-векторная терапия

Найти и обезвредить

Генная терапия – это выдающееся достижение человека, которое позволило, пусть не очень эффективно, но все же восстанавливать или изменять функцию гена за счет того, что его нормальная копия может быть внесена в организм в составе вектора. Пользуясь тем же сравнением с текстами на бумаге, мы должны «напечатать» целую страницу или параграф правильного генетического текста и «вклеить» дополнительно в книгу текст так, чтобы на этой странице (в этом параграфе) сохранилась функция гена и проявилась в виде синтезируемого белка. Благодаря созданию генной терапии, ученые научились работать с генетическим текстом, но не путем коррекции одиночных букв, а используя достаточно большие фрагменты. Поэтому приходится вставлять целиком новый, правильный фрагмент, а неправильный при этом никуда не исчезает.

Легко сказать «вставить правильный фрагмент (страницу)», но эта задача представляется абсолютно невыполнимой, если мы вспомним, что в нашем организме ни много ни мало сто триллионов клеток, и в каждой имеется генетический текст объемом в три гигабайта.

К счастью, делать это во всех клетках организма не приходится. Во-первых, можно ограничиться только теми из них, которые из-за мутации какого-то гена отвечают за нарушенную функцию определенных тканей. А во-вторых, порой достаточно внести исправления в генетический аппарат только части этих клеток, чтобы человек уже мог полноценно жить.

В этой главе мы разбирали лечение с помощью генной терапии тяжелого комбинированного иммунодефицита, когда в кроветворных стволовых клетках имеется мутация, приводящая к тому, что организм полностью лишен иммунитета. Если мы добавляем нормальную копию гена в часть стволовых кроветворных клеток, этого часто оказывается достаточно, чтобы восстановилась их функция (в данном случае иммунитет). Получается, что фактически мы не лечим поврежденный ген (он никуда не исчезает, до него ученые пока не могут добраться), а просто дополняем часть клеток организма нормальным геном.

К сожалению, есть заболевания, при которых эта тактика не подходит. Вспомним, что у нас в каждой клетке (кроме половых) имеется двойной набор хромосом, а значит, и два различающихся генома – от мамы и от папы. Предположим, что есть мутация в мамином аллеле[7]7
  Аллель – это одна из форм определенного гена. Аллели (аллельные гены) – различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках гомологичных хромосом, определяющие проявление признака. – Прим. ред.


[Закрыть] какого-то гена, но приводит она не к тому, что этот ген совсем не работает, а к тому, что он работает неправильно – синтезируется измененный белок. И даже если со второго аллеля у нас продуцируется правильный белок, наличие неправильного может привести к гибели клеток и деградации ткани, а без нее организм не может нормально функционировать.

Получается, что возможны ситуации, когда добавление еще одного здорового аллеля в клетку не приведет к излечению. А что приведет? Тут мы и приходим к пониманию, что умения работать с генетическим текстом целыми страницами или параграфами явно недостаточно. В данном случае в тех клетках, где нам нужна рабочая, функционирующая копия конкретного гена, необходимо исправить очень точно, побуквенно, генетическую мутацию, то есть именно тот нарушенный фрагмент генетического текста, который имеется в мамином аллеле. И только в этом случае мы сумеем устранить заболевание.

Но как это сделать? Как можно внутри клетки, среди трех миллиардов букв генетического текста правильно найти несколько нужных букв (обычно две-три), да еще их исправить? Воистину это задача, по сложности достойная человека, и она волновала ученых уже давно. Ведь речь идет о том, чтобы исправлять буквы генетического текста не в пробирке, как это делалось на заре генной инженерии, а в живой клетке! Даже в генной терапии, то есть на следующем, более высоком уровне, ученые пытаются работать с генами в клетке, но, увы, не могут найти одиночные буквы, а вклеивают в генетическую книгу целые листы, прочтение которых приведет к нормализации работы организма.

Новая задача генетики теперь выглядит так: суметь в каждой из 10¹⁴ клеток организма найти и обезвредить одну из 3 х 10⁹ букв.

Геномное редактирование

Исправляем букву за буквой

Итак, в начале 1990-х годов перед специалистами в области генетики и биохимии со всей остротой встала задача побуквенного редактирования генетического текста. Обычные помощники редактора – цветная ручка и программа Word – здесь бесполезны, ведь генетический текст представляет собой цепочку повторяющихся химических молекул – нуклеотидов, которые служат буквами этого текста. Требовалось создание принципиально новых инструментов, позволяющих работать с генетическим текстом с очень большой точностью, на уровне отдельных букв, то есть нуклеотидов, – что-то вырезать, что-то вставлять, и при этом очень точно и в живой клетке. Неправильная замена всего лишь одного нуклеотида может привести к остановке работы гена и гибели клетки.

Первые такие инструменты и появились в 1990-х годах (помните, в главе 2 мы начали рассказ о Джошуа Ледерберге и генетической рекомбинации). Для того, чтобы заменить букву или несколько букв генетического текста нам надо провести рекомбинацию, – только так в клетке может произойти замена. А для того, чтобы она произошла именно в нужном нам месте, необходимо внести разрыв в цепь ДНК. Для этого использовались особые ферменты – нуклеазы. Кроме того, какой-то механизм должен их направить в нужное место и точно распознать именно ту последовательность нуклеотидов (назовем ее «генетическим словом»), в которой нам нужен разрыв.

Для этого стали использовать так называемые мегануклеазы. Это крупные белковые молекулы, которые, кроме нуклеазной активности, характеризуются протяженным «генетическим словом», или, как говорят ученые, сайтом, который они распознают. Обычно это «слово» состоит из пятнадцати-сорока нуклеотидов. Такие длинные слова уникальны для геномов. Например, одна из первых мегануклеаз, I-Ssel, распознает определенную последовательность из восемнадцати нуклеотидов, и такое их сочетание случается настолько редко, что может встретиться в генетическом тексте, только если он в двадцать с лишним раз больше генома человека. Недостатками мегануклеаз являлись незначительное количество распознаваемых «генетических слов» и их размер (мега!), то есть протяженность сайта распознавания. Все это осложняло проведение экспериментальных работ с ними.

Первый значимый прорыв в направленном распознавании генетического текста внутри клетки произошел в начале XXJ века. Тогда придумали искусственные распознающие нуклеазы, которые получили название нуклеазы типа цинковых пальцев (zinc-finger nucleases). Наиболее интересен данный тип нуклеаз с точки зрения творческого, дизайнерского подхода человека к использованию фундаментальных знаний, поэтому далее мы уделим им немного больше внимания, а заодно узнаем об очень важных генах.

Транскрипционные факторы

Мы уже говорили в главе 1, что в изученную часть ДНК человека, помимо самих генов, кодирующих белки, входят регуляторные последовательности – фрагменты ДНК, ответственные за работу гена. С химической точки зрения это такие же участки ДНК, как и гены, поскольку тоже составлены из четырех чередующихся в определенной последовательности нуклеотидов А, Т, Г и Ц. Как же эти участки ДНК могут регулировать работу гена?

Информация обо всех процессах в клетке записана в последовательности ДНК. Чтобы считать информацию с флешки, ее надо вставить в компьютер. Другим видом накопителя информации является стример. Он записывает информацию на магнитную ленту и используется в больших дата-центрах. Именно стримерам принадлежит рекорд по плотности записи информации на единицу площади. А принципиальное устройство стримера очень простое. Может, кто-то помнит или видел катушечный магнитофон: там две катушки, с одной лента сматывается, на другую наматывается, а посередине магнитная головка, которая касается ленты и считывает информацию, превращая ее в звук. Информация с ДНК – «магнитной ленты» – считывается такой же биологической «головкой». Этот «звукосниматель», который «озвучивает» ген, то есть делает его простую копию для преобразования в белок, называется транскрипционным комплексом, а процесс «озвучки» – транскрипцией. Транскрипционный комплекс собирается из нескольких белковых молекул, очень важно, чтобы он собрался в правильном месте, то есть выбрал правильный генетический текст для озвучки. За это отвечают так называемые транскрипционные факторы – белковые молекулы, которые узнают определенные комбинации «слов» (последовательностей нуклеотидов), носящих название промоторы.

И транскрипционные факторы, и промоторы эволюционно изменились очень мало, о чем свидетельствует их поразительное сходство у совершенно различных биологических видов, от плодовой мушки дрозофилы до человека. Это доказывает, что транскрипционные факторы были очень значимы в эволюции живых существ и, как мы теперь понимаем, играют огромную роль в функционировании наших генов.

Дело в том, что работа генов в организме подчинена тем же самым законам, что и устройство любого социума. Это значит, что в нем есть «господа» – такие, как транскрипционные факторы, а есть гены-«работники», которые подчиняются транскрипционным факторам. Один такой фактор может контролировать работу сотни генов, поэтому всего полторы тысячи транскрипционных факторов контролируют работу двадцати пяти тысяч генов.

Транскрипционный комплекс из транскрипционных факторов и различных кофакторов[8]8
  Кофактор – небелковое соединение, чаще всего ион металла, которое присоединяется к функциональному участку белка и способствует его биологической деятельности. – Прим. ред.


[Закрыть] как раз и задает все особенности транскрипции гена в определенной клетке и в определенное время. Изучать работу определенного гена в определенных условиях – это большая наука, но пока оставим эту тему в стороне.

Нас в данный момент интересует, что транскрипционные факторы очень хорошо умеют распознавать генетический текст, но все по-разному. Одни распознают текст очень специфично, и тогда не требуется слишком большой сборки из транскрипционных факторов и кофакторов, а другие – менее специфично, и тогда для повышения точности транскрипции генов могут понадобиться еще какие-то белки-помощники и еще один кофактор, которые осуществили бы «тонкую настройку».

Понятие транскрипционного фактора появилось в конце 1980-х годов, а чуть позже исследователи обнаружили целое семейство транскрипционных факторов, белковая структура которых имела повторяющиеся элементы, и эти элементы получили название цинковые пальцы.

Нуклеазы типа цинковых пальцев

Свое странное название эти фрагменты белковых молекул получили за характерную трехмерную структуру и наличие в их составе ионов цинка. Цинковый палец представляет собой последовательность аминокислот, состоящую из пары близко расположенных цистеинов (аминокислотных остатков), потом следует промежуток в полтора-два десятка любых аминокислот, и опять идут два близко расположенных цистеина или гистидина. Ионы цинка стабилизируют, удерживают эту конструкцию, связываясь координационными связями с двумя близко расположенными цистеинами. Представьте себе веревку с четырьмя завязанными узелками – это будут цистеины или гистидины. А теперь пальцами притяните все узелки в одну точку. Ваши пальцы сыграли роль иона цинка. У вас получатся три петли, которые можно назвать тремя пальцами. Так вот, каждый палец достаточно точно узнает три-четыре нуклеотида ДНК, расположенные в определенном порядке, и связывается с ними. Три пальца уже распознают девять-десять нуклеотидов – определенное слово генетического текста.

Рис. 6. Нуклеазы типа цинковых пальцев

Среди трех миллиардов букв, составляющих генетический текст ДНК, группа из трех-четырех букв попадается довольно часто. А вот если мы возьмем сочетание пяти-шести цинковых пальцев, которые однозначно определят последовательность примерно пятнадцати-семнадцати нуклеотидов генетического текста, то с вероятностью девяносто девять целых и девять десятых процента это будет уникальная последовательность среди трех миллиардов букв.

Конечно, для того чтобы этого добиться, тоже потребовалась большая работа. Цинковые пальцы были исследованы вдоль и поперек, и для каждого пальца специалисты изучили специфичность распознавания ими определенных сочетаний нуклеотидов. С помощью этого знания, используя рекомбинантные технологии, исследователи смогли создать искусственные сочетания цинковых пальцев, которые бы распознавали с полной определенностью нужный фрагмент генетического текста внутри клетки.

Сейчас изучены шестьдесят четыре цинковых пальца, которые могут распознавать шестьдесят четыре различные комбинации из трех нуклеотидов, входящих в последовательность ДНК. Исследователи научились достаточно точно распознавать очень конкретные слова генетического текста, с точностью до одной буквы, до одного нуклеотида, – и все это внутри живой клетки. Теперь, опять-таки с помощью рекомбинантных технологий, нужно было к распознающей части цинковых пальцев, которые у нас есть, дополнительно синтезировать и вставить в ту же самую белковую молекулу специальный белковый фрагмент, который обладает нуклеазной активностью. Это значит, что он может нарушать ковалентные связи в молекуле ДНК, то есть разрезать нить ДНК в том месте, где цинковые пальцы распознали определенную последовательность букв генетического текста.

Если мы знаем, какой конкретно генетический текст нужно исправить из-за наличия в нем мутации, и есть определенный нуклеотид, который нуждается в замене, то следующим шагом должна быть эта самая замена с помощью гомологичной генетической рекомбинации.

Технология использования нуклеаз типа цинковых пальцев активно развивалась в первое десятилетие XXI века. Очень большой вклад в разработку нуклеаз цинковых пальцев и связанных с ними методов редактирования генома внес американский генетик российского происхождения Федор Урнов. Однако у этого метода обнаружились и некоторые недостатки. Ограниченное количество известных цинковых пальцев значительно сужает применимость подхода для распознавания любого генетического текста. К тому же эта технология оказалась очень трудозатратной и дорогостоящей, так как для каждой конкретной мишени надо было разрабатывать особую нуклеазу цинковых пальцев, и на это уходило шесть – девять месяцев.