Можно ли создать сверхчеловека при помощи генных ножниц

Лекция биолога Екатерины Ломерт.

Совсем недавно ученые открыли технологию, с помощью которой можно добавлять или вырезать какие-либо гены в цепочке ДНК. Сейчас ее используют в экспериментах с животными и растениями, чтобы найти в ней еще больше свойств и возможностей. А через несколько лет, возможно, этот метод смогут использовать для «программирования» детей.

О том, что такое CRISPR, как он работает, почему в некоторых странах он разрешен, а в других запрещен и сможем ли мы с помощью этих «ножниц» создать идеального человека, рассказала биолог Екатерина Ломерт на просветительском фестивале «Кампус», который во второй раз прошел в Петербурге в октябре.

С технологией CRISPR связано много интересного, и она в последние годы очень активно развивается. Но, так как биологов здесь не очень много, я думаю, стоит начать с того, что такое ген.

Вспомним школьную биологию: мы все состоим из клеток, и в каждой из которых содержится ДНК, и во всех клетках это ДНК одинаковое. ДНК, по сути, — это одна большая толстая книга. Допустим, кулинарная. Но в этой книге очень много непонятных слов, какие-то странные буквы. И встречаются полезные рецепты.

Вот эти рецепты – это и есть гены, они несут полезную информацию. Допустим, вы нашли интересующий вас рецепт и решили его переписать кратко, чтобы вам было понятно. Это конспект из кулинарной книги, и он соответствует рибонуклеиновой кислоте — РНК. Вы пришли домой и решили приготовить торт по этому рецепту. В данном случае это будет белок.

Белок наиболее функционален: он приводит в движение мышцы. Белки – это гормоны; это антитела, которые защищают вас от инфекции. В общем, большинство функций в организме — это белки. Торт тоже, в принципе, многофункционален: его можно съесть, подарить, дать его кому-нибудь… в лицо.

Если вдруг у вас в этой книжке встретится ошибка, то она передастся и в ваш конспект. В следствие вы можете добавить, например, меньше муки, больше сахара. В общем, получится не торт, а его подобие, и, соответственно, у этого подобия будут совершенно другие функции.

Вряд ли вы уже захотите такой торт кому-нибудь дарить… Это реализация генетической информации в виде, когда у вас все в норме и в виде, когда информация изменена. Генологи уже давно изучают этот процесс.

Наиболее удобно изучать изменения ДНК по каким-то внешним характеристикам. Например, на подопытных мышах очень удобно изучать изменения генов, потому что у человека с ними есть много общих внешних признаков, которые означают, что у нас присутствует какой-то фермент или отсутствует: можно посмотреть у них на окраску глаз, волосатость тельца или на отсутствие или присутствие крыльев. То же самое с локацией: от того, где они растут, можно также определять какие-либо функции.

Генетики изначально изучали только следующим образом генетические признаки: от белка шли к ДНК, и это была прямая генетика. Но это очень долгий процесс: вы, по сути, просто ищете каких-то мутантов с изменениями, и хотите это сделать быстрее.

Тогда ученые начали использовать мутагены, которые вызывают изменения ДНК: это могут быть радиация, ультрафиолет, какие-то химические агенты. Например, на дрозофилах используют раствор йода. И эти объекты меняют ДНК, следовательно, РНК и функции белка. Это уже обратная генетика.

Давайте разберем всеобщие генетические заблуждения. Вам, наверное, рассказывали в школах, что если у родителей голубые глаза, то у ребенка не может быть карих. Еще говорили про доминантные и рецессивные гены, форму ногтей, ямочки на лице. Внешних качественных признаков у человека очень много, но это не все признаки, которые легко определяются каким-то одним геном.

Вернемся к примеру с глазами: то, что у голубоглазых родителей не может быть кареглазого ребенка — неправда. За цвет глаз ответственны минимум четыре гена, и от того, как они сложатся, как раз и будет определяться цвет глаз. Еще интересный пример: у автостопщиков высокая степень отклонения большого пальца — это вариабельный признак, который не зависит от одного гена и достаточно сложно определяется генотипом.

Когда вы складываете в замок руки, какой большой палец оказывается сверху? Долгое время в учебниках по биологии писали, что это признак, который тоже определяется генами. Это неправда. На самом деле, тут больше задействован процесс внутриутробного развития и то, какая рука у вас ведущая.

Замечательный пример сворачивания языка в трубочку: якобы вы либо можете, либо не можете это сделать. Это тоже ерунда, потому что этому можно научиться в течение жизни. Так что если вы не умеете — вперед тренироваться.

Это примеры прямого действия гена, который отражается на внешности. Но чаще всего вы не знаете, какой ген может повлиять на внешние характеристики. А вам нужно изменить этот ген. В этом случае должен быть очень точный метод, который порежет ген в определенном участке, и дальше уже будут происходить изменения с внешними характеристиками.

Таким способом очень удобно изучать модели болезней на человеке. Очень многие наследственные заболевания зависят от одного гена и от изменений в нем. Например, гемофилия, муковисцидоз, фенилкетонурия. Все эти заболевания зависят всего лишь от изменения одного нуклеотида в определенное время. Если вы возьмете какую-то модель, другой организм, и измените ему в этом же месте нуклеотид, который содержится в ДНК, вы получите модель этой болезни и сможете изучать, как лекарственные препараты влияют на излечение этого организма.

Самой популярной моделью для изучения человеческих заболеваний являются мыши. Общий предок у человека с мышами был 80 миллионов лет назад, при этом из изученных 4 тысяч генов всего лишь 10 кардинально отличаются. В среднем около 85 процентов последовательностей генов у человека и мыши одинаковые.

На мышах изучают очень много заболеваний, начиная нейродегенеративными и заканчивая раковыми опухолями. Было бы замечательно, если бы у биологов был механизм, когда в мыши можно изменить определенный ген и изучать любое заболевание. На самом деле, такие механизмы существуют с 70-х годов, но они всегда были малоэффективны, дорогостоящи и занимали очень много времени. А сейчас биологи просто поймали волну: они, по сути, оседлали ДНК и могут с ней делать все, что захотят, и в этом как раз помогает технология CRISPR.

Давайте обсудим, что это такое. Это аббревиатура, и она расшифровывется, как clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Что это за повторы и откуда они взялись? Биологи редко что-то придумывают, и, чтобы что-то сделать, нужно посмотреть, как это делается в другом организме. Также сделали с CRISPR.

На самом деле, его повторности были открыты в 1987 году. Представляете, сколько времени прошло, чтобы начали использовать эту технологию? Только в начале 2000-х поняли, какова функция этих повторов. Они были найдены у микробов и всех одноклеточных организмов, и никто не знал, зачем они вообще нужны.

Один исследователь, Рудольф Барангу, занимался не очень интересной для биолога деятельностью: ему заказали изучить, почему молочнокислые бактерии часто заражаются вирусами. Как и все организмы, бактерии могут быть заражены вирусами. Даже вирусы могут быть заражены вирусами. И Рудольф Барангу исследовал термофильные стрептококки, которые используются при отравлении молочнокислых продуктов.

Зараженные стрептококки плохо сбраживали продукты и имели не очень хороший вкус. И ученый обнаружил, что последовательность и повторы очень похожи на ДНК вирусов, которые заражают бактерию.

И оказалось, что вся система CRISPR — это адаптивный иммунитет бактерии, как выработанные антитела у человека после прививки. Когда бактерию заражает вирус, частичка его генома встраивается в геном бактерии. Этот геном передается дочерним клеткам из поколения в поколение.

И когда дочернюю клетку снова заразит этот вирус, с ДНК синтезируется гидовая РНК, которая является гидом для белка ножниц, Cas9. В сумме этот комплекс гида и ножниц движется в сторону ДНК вируса, связывается с ним и разрезает ее. Вирус деактивирован. Этот механизм был открыт примерно в 2005 году.

Исследователи подумали, как они могут применить это в других клетках, и перенесли эту систему в клетки человека. Оказалось, что, если в клетках человека гидовая РНК соответствует последовательности какого-то места в геноме, то будет происходить то же самое: РНК будет отправляться вместе с ножницами к этому участку и резать в определенном месте.

Что же происходит дальше? Когда у нас в клетках нарушается структура ДНК, сразу же включаются механизмы восстановления — это механизмы репарации. При этом нуклеотиды, которые незащищены, могут отпадать с краев. Таким образом та же последовательность, которая была до этого, не восстанавливается. Меняется полностью структура гена или какой-то другой некодирующей области.

Если вы нарушили структуру гена в организме человека, белок начинает синтезироваться неправильно. Мы наблюдаем болезнь либо отсутствие функций этого белка. Биологи решили сломать эти ножницы, они стали нефункциональными, и теперь их называют dead Cas9. И к этой мертвой Cas9 можно прикреплять все, что угодно.

Можно просто ее использовать вместе с гидами РНК: если она сядет на место в геноме, у вас не будет идти синтез гена, не будет образовываться продукт. Вы можете прикрепить к этим ножницам активаторный белок, который будет влиять на активацию наработки генов. Кроме того, можно еще прикрепить различные модуляторы, которые влияют на окружение гена, и таким образом тоже активно влияют на его функцию. Но это уже из фантастики.

Представим, что мы хотим, чтобы эта система работала только тогда, когда мы ее включим. Давайте пришьем светочувствительный белок, и только при его облучении у нас эта система будет включаться, и мы будем видеть либо активацию, либо, наоборот, нарушения синтеза. Эти системы были быстро разработаны в начале 2010-х.

Первая система применения в клетках была разработана в 2012 году. Это были две девушки — Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Они работали в Европе, и в начале 2013 года подали документы на патент этого изобретения. Представьте себе: такое изобретение принесет очень хорошую прибыль, потому что и сельскохозяйственные организации, и те, кто работает с изменениями геномов животных — все будут платить за использование этой технологии.

Но параллельно в конце 2013 года на патент подал документы Фэн Джан — ученый из американского университета. И развязалась война за патенты. В течение 2013, 2014, 2015 годов шли суды: пытались определить, кто же должен владеть технологией. Дело в том, что, хотя Дженнифер Дудна подала документы на патент первая, документы Фэна Джана прошли намного быстрее: они прошли по упрощенному механизму.

Все закончилось тем, что Фэн Джан выиграл суд, и в Америке он считается тем, кто владеет этой технологией. В Европе все совершенно по-другому: девушки не потерялись и подали в несколько судов в Европе и выиграли их. Теперь война происходит не в Америке, а между Америкой и Европой. Все стало так запутано, что до сих пор идут суды, и не ясно, кто владеет этой технологией. Но ученые могут ею пользоваться в некоммерческих целях. Те же биотические комитеты решили приостановить использование этой технологии для получения в коммерческих целях растений и животных как в Америке, так и в Европе. Весь биологический мир следил за этой битвой.

И тут в 2015 году выходит статья китайских исследователей, которые взяли и изменили гены эмбриона человека. У ученых поднимается паника: как так? Мы можем изменять эмбрионы человека?! Что мы дальше с этим будем делать? Мы можем программировать будущего ребенка?

Эту статью не опубликовал ни один рейтинговый журнал, потому что они просто побоялись. В том же году состоялся саммит, на котором решили, что эту технологию нельзя использовать на эмбрионах человека. Документ о согласии подписали и представители Великобритании. В следующем году, в 2016 году, выходит новость, что Англия становится первой страной, где разрешается редактировать эмбрионы человека.

Сейчас уже, на самом деле, разрешено редактирование эмбриона человека. Но только в исследовательских целях: после изменения генома клетки не могут дальше жить больше 14 дней, не могут дальше развиваться и не могут ни в коем случае быть имплантированы матерью. Эти ограничения вызвали бунт, сразу начались какие-то встречи, ученые говорили, кто за, кто против этой технологии.

Есть определенные последствия применения CRISPR: во-первых, получение дизайнерских детей, когда вы можете полностью программировать признаки вашего будущего ребенка. Далее связанные с этим последствия: евгеника — мы возвращаемся обратно к идеалам, когда можем получить идеального человека со всеми нужными характеристиками. Далее – развитие классовой дискриминации на основе генетических признаков. Ну и, конечно, Gattaca Future.

К тому же, с биологической точки зрения, эта технология влияет на процесс эволюции: мы меняем организм, как хотим, а это влияет на «планы природы». Но это спорный вопрос: ученые и до этого вносили изменения, CRISPR ничего не поменял. Пока что нельзя понять, как эти изменения будут влиять на следующие поколения и как они будут зависеть от того, что уже будет у следующего поколения от генов предыдущего. Поэтому пока что эта технология не может применяться на людях. Но это вопрос времени.

Однако многие предсказывают, что через 10-20 лет CRISPR будет использоваться для клинических испытаний. В том числе, например, в прошлом году были разрешены первые клинические испытания с его помощью. Они уже начались и, возможно, если они будут успешными, то скоро с любым заболеванием можно будет обратиться в клинику и излечиться.

Кроме того, что касается дизайнерских детей… это, скорее всего, будет очень дорого. Потому что, если сейчас оплодотворение в пробирке в Америке стоит около 20 тысяч долларов, то дополнительная генетическая экспертиза и выбор свойств увеличат эту цену еще на 80 тысяч. 100 тысяч долларов может не каждый себе позволить, и возникнет дискриминация.

Сразу ввели торговые документы, закрепляющие возможность или, наоборот, запрещающие использование этой технологии. Разные страны относятся к CRISPR по-разному. Россию в статье журнала «Nature» отнесли к стране с двусмысленным положением к этой технологии. Это, на самом деле, странно, потому что в России вообще никак об этом не думают, просто используют в лабораториях, но, естественно, никуда в коммерцию это не уходит.

Еще возникает вопрос: а является ли организм, полученный с помощью CRISPR, генетически модифицированным? На самом деле, нет. По определению, ГМО — это организм, в который внесен чужеродный кусок ДНК. А система CRISPR не вносит чужеродные куски, она наоборот разрушает ДНК, которые уже есть в клетке. Таким образом получается, что все организмы, полученные таким способом, нельзя назвать ГМО. Поэтому по российским законам эту технологию можно использовать (ГМО запрещено в коммерческих целях в России) .

Есть страны, где полностью запрещено использование CRISPR: здесь имеются в виду клинические испытания, коммерция. Лабораторные исследования везде разрешены. Кроме того, существуют определенные ограничения на дальнейшее использование. В одном случае — это очень популярная тема у биологов, которая называется «Nature vs. Nurture», то есть «природа против воспитания».

Известно, что не только генотип влияет на взрослый организм, многое зависит и от того, в каких условиях вы воспитывались, что вас окружает. Это подтверждено даже у близнецов, которых разделили при рождении: они могут быть совершенно разными людьми, на них влияет среда, в которой они обитали. Таким образом, даже если вы запрограммируете какие-то признаки, они могут полностью не стать такими, как вы хотели.

Также очень сложно изменить ген на стадии зиготы. До сих пор проводятся исследования, в которых пытаются понять, когда именно нужно менять геном. Потому что мы должны изменить геном у эмбриона в определенный момент, пока еще не началось деление клеток и уже после того, как слились сперматозоиды и яйцеклетки. Это достаточно короткий момент времени, и его нужно поймать. Поэтому это сложная процедура.

Также технология работает не всегда правильно и не всегда действенно. Китайские ученые провели исследования на человеческих эмбрионах: из 86 эмбрионов только в 28 произошли изменения. Но, кроме этих изменений, были еще и другие изменения в геноме. Представьте себе: вы хотите поменять что-то в одном месте, а еще поменялась куча других мест. Может произойти что-то невероятное или человек может не родиться вообще. Это тоже огромные ограничения, с которыми ученые сейчас активно борются. На самом деле, все белки, которые используются в этой технологии, очень точные и они делают точный разрез именно в том месте, которое вы запрограммировали.

Давайте представим, что мы уже живем в мире, когда можно запрограммировать свойства человека, изменить собственные гены. Допустим, мы хотим стать атлетами, спортивными людьми. Как мы это сделаем при помощи изменения генов? Это сделать можно. Есть несколько генов, которые влияют на спортивное телосложение, в том числе, например, ген ACTN4 — мышечный белок. Доказано, что у большинства спортсменов в этом гене есть определенная мутация, которая дает атлетические способности.

Вы наверняка слышали такое понятие, как «генный допинг». Антидопинговое агентство внесло запрещающий генный допинг в 2003 году, когда его еще не было. Он появился только в 2008. Также антидопинговое агентство выделило 2 миллиона долларов, чтобы придумать тест, с помощью которого можно определить, что спортсмен использовал генный допинг. Но ни одним способом это невозможно сделать, потому что ничего чужеродного в организм не вносится. Используются только те белки, которые уже есть в организме человека. Есть один белок, который влияет на увеличение кровяных клеток и тем самым увеличивает снабжение кислородом. Также есть белок, который блокирует развитие и дифференцировку мышц.

Или, например, вы хотите, чтобы в сутках было больше часов, хотите меньше спать и больше успевать. Решение есть: есть ген hDEC2 — ген суррогатных ритмов человека. Выявлено, что мутация в этом гене приводит к сверхбыстрому сну, и человек способен выспаться за 4 часа.

Может быть, некоторые, выпив бокал вина, краснеют. Это в основном характерно у азиатов, и обусловлено мутацией в гене ALDH2 — это один из тех ферментов, которые участвуют в разложении этанола. И если мутация в этом гене отсутствует, то никакого потрясения не происходит. Если мутация есть, то у вас все признаки отравления алкоголем: болит голова, полное покраснение лица и тд.

Мне кажется, многих волнует, как стать умным. Самым большим родительским запросом при дизайне будущего ребенка был бы запрос сделать его умным. На самом деле, это сделать невозможно. Последнее исследование на 80 тысячах человек выявило, что интеллект ассоциирован не менее, чем с 40 генами. То есть нужно поменять очень много всего, чтобы добиться какого-то изменения. В плане интеллекта такое недопустимо.

Зато это точно допустимо в связи с наследственными заболеваниями. Ученые уже умеют лечить от ВИЧ, от лейкимии. И все это благодаря именно CRISPR. Если пока какие-то заболевания мы не можем вылечить, то мы можем проводить разные эксперименты, которые помогут лучше разобраться в этой теме. Например, недавно вышла статья, в которой говорится о похудении. Ученые создали свиней, которые содержат на 20 процентов меньше жира, чем обычные свиньи.

Или есть замечательный цветок, который называется «утреннее сияние». Ученые выключили ген, который ответственен за синтез антоциана, который придает цветочному венку фиолетовый цвет. И цветок стал белым. Бесполезное, конечно, исследование, но зато мы можем что-то менять в растениях.

На самом деле, благодаря таким исследованиям у пшеницы появилась устойчивость к плесени; появился рапс, содержащий мало жира. Очень много исследований на растениях, и я думаю, что скоро это будет очень активно использоваться.

Я считаю, что будущее за сверхчеловеком, все это будет активно развиваться. Биотические комитеты, конечно же, будут активно пытаться остановить этот процесс, но ученых не остановить.

#будущее