Открытие технологии «генетических ножниц» в 2012 году, за которое в 2020-м дали Нобелевскую премию, эксперты оценивали как революцию в генетике. Создание CRISPR-Cas9 назвали одним из важнейших достижений медицины последних лет. Так ли это, мы спросили академика РАН, заведующего лабораторией геномной и белковой инженерии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) Дмитрия Жаркова.
Революции пока не получилось
Я с самого начала сделаю непопулярное заявление. Я не считаю, что в течение ближайших 10 лет эти технологии дойдут до момента, когда их будут широко использовать в здравоохранении. Более того, я не думаю, что они дойдут до этого при нашей жизни. Что правда, это то, что с 2012 года, когда была показана возможность редактирования генома при помощи технологии CRISPR/Cas9, в генетике произошел своеобразный взрыв, потому что до этого все попытки редактуры были довольно тяжелые: чтобы изменить какой-то кусочек генома, приходилось практически изобретать заново новый белок. Преимущества системы CRISPR в том, что в ней можно задать участок редактирования маленьким кусочком нуклеиновой кислоты. Это РНК, которая либо синтезируется в клетке, либо вы делаете уже смесь белка и этой РНК. И вроде бы теоретически это должно давать полную и абсолютную надежность в редактировании нужного кусочка генома.
Практика показала, что все по пословице: гладко было на бумаге, да забыли про овраги. То есть белок Cas9 сам по себе, конечно, замечательный, но он не работает никогда с абсолютной надежностью. И вот практически последние 20 лет ученые бьются за то, чтобы снизить побочные действия: это редактура не в том месте, куда его нацеливали, или не стопроцентная эффективность в том месте, куда его нацеливали. Когда я читаю восторженные пресс-релизы о том, как изобрели и применили новый сверхточный редактор, глядя на все приведенные в научной статье цифры, понимаю, что точность описанного редактирования совершенно недостаточна для того, чтобы можно было сказать, что не возникла мутация где-то в другом месте.
Вообще, если мы хотим вставлять эту штуку в человека, то должны обеспечить, чтобы впоследствии разные нежелательные мутации происходили не чаще, чем они возникают в природе. А иначе никто не гарантирует, что у пациента не возникнет рак и нас не обвинят в том, что это именно из-за нашего вмешательства. И из-за этого, скорее всего, область применения CRISPR/Cas9 будет очень сильно ограничена.
Сейчас у нас есть две истории успеха генетического редактирования.
Первая — это лекарство Casgevy против серповидноклеточной анемии и бета-талассемии, которое было в 2023 году одобрено для применения в США и Великобритании. При обоих этих тяжелых наследственных заболеваниях неправильно сворачивается белок бета-глобин — составная часть гемоглобина, переносящего кислород у нас в крови. Берут кроветворные клетки пациента, редактируют их в культуре и вводят обратно. После модификации у пациента «просыпается» другой ген глобина — гамма-глобин, и начинает производиться так называемый фетальный гемоглобин, который у нас всех работает в первые месяцы после рождения. Этого оказывается достаточно, чтобы облегчить состояние больных. В США цена такой терапии сейчас 2 млн долларов.
И вторая история произошла в прошлом году в США. Был вылечен новорожденный мальчик с мутацией от папы и от мамы в гене карбамоилфосфатсинтетазы 1 — одного из ключевых ферментов метаболизма мочевины. У него она не производилась, накапливался аммоний, обычно дети с такой мутацией не доживают до года. Белок этот работает в печени, и пока нет возможности взять печеночные клетки и размножить или сделать ему новую печень. Для него сделали специальную систему с доставкой РНК в организм, эта технология после эпидемии Covid-19 хорошо отработана. Его два раза укололи, какие-то немногие клетки в печени стали работать, и метаболические проблемы компенсировали.
И вот на этом примере, на втором, очень хорошо можно объяснить, почему это долго, дорого и не для всех. У ребенка диагностировали генетическую неполадку в первые двое суток жизни. Потом, в течение первого месяца, ему провели генетическое тестирование, определили, в каком месте у него мутация. И после этого, за полгода, за совершенно невообразимые деньги, сделали РНК, направленную на конкретный участок гена. Протестировали множество конструкций в культурах клеток человека, которые специально сделали. Протестировали безопасность на обезьянах. Тестировали эффективность на мышах. Авторы исследования думали, что это займет полтора года, но заняло полгода, потому что все было очень хорошо организовано.
И огромное число людей работало для того, чтобы на одну конкретную мутацию произвести одну конкретную РНК. Мне трудно представить, что такую технологию с правильной организацией процесса тестирования эффективности и безопасности можно применять массово. А для единичных случаев наследственных мутаций, работающая система генетической консультации, генетического тестирования и последующего искусственного оплодотворения в конечном итоге будет гораздо дешевле обходиться.
Реальные перспективы
То есть сейчас можно говорить только о том, что технологии геномного редактирования можно использовать для лечения наследственных заболеваний, и то не для всех. А когда говорят: мы сейчас будем путем генетического редактирования лечить рак или СПИД, то об этом сразу можно забыть. Совершенно нереально все раковые клетки или все клетки, где скрыт вирус иммунодефицита человека в геноме, искоренить на 100%. То есть это фактически такая же проблема, которая стоит при традиционной химиотерапии рака. Можно убить 999 клеток, а одна выживет и вырастет в новую опухоль. И химиотерапия намного дешевле, чем геномное редактирование.
Таким образом есть очень узкая ниша в метаболических наследственных заболеваниях, и при этом они легче профилактируются другим образом. Но если есть желание вылечить пациента геномным редактированием, фактически сейчас единственный способ, как можно это сделать и быть уверенным, что при этом не внесено других мутаций, это взять клетки пациента, отредактировать геном и потом сделать полногеномный анализ последовательности. В России это сейчас стоит около 100 тысяч рублей, может быть чуть меньше, за один геном. Соответственно, мы должны взять клетки, их отредактировать, проверить, что других мутаций ненужных нет, если их нет, то мы можем пересадить их обратно пациенту, а если есть, то платим еще 100 тысяч, секвенируем другой клон, третий… Из-за того что нет стопроцентной точности в работе системы, мы должны весь геном тщательно исследовать на предмет мутаций. Иначе, если из потомков отредактированных клеток у пациента разовьется раковая опухоль, мы никогда не докажем, что это не из-за той мутации, которую мы случайно пропустили.
В прошлом генетики гордились тем, что стоимость чтения генома человека падает быстрее чем экспоненциально. У электронщиков есть закон Мура, согласно которому каждые столько-то лет в два раза снижается стоимость полупроводников. А у генетиков это еще быстрее происходило. Но в последнее время стоимость вышла на плато, и пока принципиально новых способов не появляется. Здесь искусственный интеллект может помочь в обработке данных, но это не самая дорогая часть. Самая дорогая — инструментальная, без которой никак не обойтись.
Сегодня горячее направление в фундаментальной науке о геномном редактировании — поиск альтернатив системе CRISPR/Cas9, то есть какие-то другие белки, какие-то другие системы, которые могут направленные изменения вносить. Но пока люди, которые этим занимаются, находят много чего, испытывают свои находки в культуре клеток, видят, что они работают, но хуже уже используемых систем, и дальше дело не идет.
Так что CRISPR/Cas9 — один из многих инструментов, он удобный, можно его для чего-то использовать, можно совершенствовать, но задача должна быть корректно поставлена. Онкологические заболевания проще и эффективнее лечить другими способами. Если говорить о новых инфекциях, то там тоже проблема по-другому должна решаться: созданием «санитарного щита», по сути системы мониторинга прежде всего. Можно образно сказать, что фундаментальная наука на основе знаний о сопромате и многом другом сделала замечательный фрезерный станок, который умеет обрабатывать любой материал. А что уже на этом станке фрезеровать, решают люди на заводе, где он стоит, исходя из своих нужд и бизнес-плана. Сейчас, на мой взгляд, самые близко лежащие варианты применения системы CRISPR/Cas9 — сельское хозяйство и биотехнологии.
Новые инструменты
Изначально область научных интересов нашей лаборатории геномной и белковой инженерии — механизмы репарации ДНК. Они могут работать в очень многих аспектах жизни клетки: и в противодействии онкологическому перерождению, и в ответ на какие-то абиотические стрессы, и в определении исхода геномного редактирования. И сейчас выясняется — и в воспалении работают, и в противовирусной защите. Мы изучаем механизмы этих процессов.
После того как появилась технология геномного редактирования, сразу было понятно, что инструмент геномного редактирования ДНК вносит разрывы. Разрывы — это повреждения ДНК, а дальше включается репарация, которая в конечном итоге или закрепляет мутацию, или делает точечную замену, или еще что-то. У нас есть очень большой опыт в работе с разными ферментами, с разными белками, которые что-то делают с ДНК. И мы этот опыт решили применить.
Мы занимаемся созданием более точных редакторов. При этом используем совершенно разные подходы, то есть это и анализ опубликованных структур этих белков, и попытки использовать какие-то химерные белки, где был бы и Cas9 и какие-то дополнительные модули, которые могли бы что-то делать, допустим вносить такие химические изменения в ДНК, которые сам Cas9 вносить не может, а Cas9 и направляющая РНК были бы только для адресации в нужное место.
То есть мы не ставим самоцелью как-то отредактировать геном, чтобы сделать что-то лучше. Наша задача — сделать хороший инструмент для редактирования генома, а потом его приложить к области своих научных интересов. Мы редактируем клеточные линии, выключаем разные гены репарации ДНК. И смотрим, как это дальше мешает клеткам жить, ищем ответ на вопросы, как клетка защищается от мутации, как человеческий организм защищается от рака и так далее.
Мы еще работаем с системой репарации у растений. В растениях есть тоже некоторые белки, умеющие работать с ДНК, и которых нет у человека или у бактерий. Например, они по механизму репарации могут удалять из ДНК 5-метилцитозин. А 5-метилцитозин — это такое эпигенетическое основание, с помощью него клетка метит гены, которым нужно или не нужно экспрессировать. В целом это про то, как растения реагируют на неблагоприятные условия и защищают при этом свою ДНК. У нас есть интересное сотрудничество с китайскими коллегами из Хэйлунцзянского университета в Харбине. Они вывели гибриды сахарной свеклы, очень устойчивые ко всяким неблагоприятным условиям: заморозкам, засухе, соленой почве. И мы пытаемся разобраться, за счет чего они получаются такие устойчивые, и видим, что репарация ДНК тоже в этом участвует.
Таким образом, у нас в одной руке какая-то фундаментальная задача, а в другой — инструмент, которым мы эту задачу пытаемся решить и по ходу как-то совершенствуем в своих целях. У себя в лаборатории мы испытываем эти наши инструменты на клетках человека в культуре. Соответственно то, что мы можем на клетках установить, мы готовы передавать дальше, тем, кто уже занимается работой с целым организмом: медикам, селекционерам.
В науке часто бывает, что самые удобные инструменты создаются не теми людьми, которые специально хотят такие инструменты создать. А вот занимаются чем-то для себя и изобретают что-то, что оказывается полезным для всех. Именно так многие современные технологии, которые используются в медицине, и были созданы, например полимеразная цепная реакция, иммуноферментный анализ. Да и саму систему CRISPR/Cas9 не изобретали для редактирования генома, а открыли в поисках механизмов борьбы бактерий с вирусами.
