Грубый, как клешня

Тревожные известия принесли сразу две независимые группы исследователей, статьи которых опубликовал журнал Nature Medicine в начале этой недели. Первая группа исследовала воздействие CRISPR-Cas9 на клетки сетчатки глаза человека, вторая — на плюрипотентные стволовые клетки.

Ученые пришли к одному и тому же выводу: белок p53, который специализируется на регулировании жизненного цикла клетки и не позволяет ей стать раковой, способен противостоять вмешательствам системы CRISPR-Cas в геном. Соответственно, если клетки человека были успешно отредактированы при помощи CRISPR-Cas, у них, с большой вероятностью, ген p53 или совсем не работает, или в результате мутации работает не совсем хорошо, иначе он бы помешал редактированию. А это значит, клети без подобного «противоракового предохранителя» с ненулевой вероятностью станут через некоторое время опухолевыми.

Бег с препятствиями

Система CRISPR-Cas9 — это иммунитет бактерий, они используют ее для борьбы с вирусами и бактериофагами, разрезая их ДНК, словно ножницами. Эту способность ученые открыли в начале 2000-х годов, а в 2012—2013 годах показали, что системы CRISPR-Cas могут работать не только в клетках бактерий.

Сразу же после этого в воздухе запахло немалыми деньгами: простой и эффективный инструмент редактирования генома сулит огромные завоевания в области медицины и биотехнологий. Теперь мы можем с относительной простотой чинить «поломавшиеся» гены или вовсе заменять одни куски генома на другие.

Помимо сельского хозяйства и прочих сегментов рынка, уже охваченных ГМО, CRISPR-Cas — это еще и перспективный медицинский инструмент, способ лечить наследственные заболевания, причина которых как раз в «поломанных» генах. Поэтому ученые уже не первый год проводят многочисленные испытания системы и на модельных животных, и на клетках человека in vitro, и даже экспериментировали с эмбрионами, готовясь к полноценным клиническим исследованиям.

Капитализация компаний, которые планируют как можно скорее вывести на рынок «криспровые» решения для медицины и биотеха, уже исчисляется миллионами долларов, а за право обладать патентом на систему уже не первый год бьются Институт Броуда (Кембридж, США) и калифорнийский Беркли, в лабораториях которых проводились первые успешные эксперименты по применению CRISPR-Cas в качестве инструмента редактирования геномов клеток животных.

Отчаянный забег в генетически совершенное будущее, однако, отталкивается от веры в то, что правильный инструмент у нас уже есть и для его доработки осталось буквально чуть-чуть. Но на этом пути уже появлялись неожиданные препятствия. Так, в 2017 году эксперименты с мышами показали, что применение CRISPR-Cas9 к конкретному гену вызывает множество непредвиденных мутаций в генах, которые не были целью системы. Тогда молекулярные биологи нервно вздрогнули, но — обошлось, примерно год спустя воспроизвести эксперимент не удалось, и статья была отозвана.

О новой проблеме в январе 2018 года сообщили биологи из Стэнфорда. Дело в том, что вторая часть системы — белок Cas9 — чаще всего берется из стафилококка S. aureus или стрептококка S. pyogenes. Обе бактерии — давний враг рода человеческого, поэтому ученые задались вопросом, не будет ли организм человека расправляться и с извлеченным из них Cas9. Опасения подтвердились, что, однако, не слишком обеспокоило ни исследователей, ни предпринимателей, ведь клетки изымаются из организма, редактируются с помощью CRISPR-Cas9, а затем возвращаются обратно уже без посторонних компонентов, так что вероятность иммунного ответа минимальна. К тому же можно применять и другие типы Cas9 — от менее патогенных бактерий. И вот — опять?

В понедельник, после выхода уже упомянутых статей, акции трех крупных фарм, занимающихся разработкой «криспровых» технологий, резко пошли вниз, и одна из них, CRISPR Therapeutics, до сих пор не оправится от удара.

Результат новых исследований ученых из США и Швеции, по словам доктора биологических наук, профессора Сколковского института науки и технологий и Университета Ратгерса в США Константина Северинова, нельзя считать неожиданным, так как научное сообщество хорошо осведомлено о специфических свойствах гена p53.

Для этого надо вновь вернуться к истории о том, зачем нужен белок р53. Дело в том, что ДНК животных и человека повреждается в течение жизни естественным образом. Воздействие продуктов клеточного метаболизма, радиации и химических веществ может «выбивать» или химически изменять в ДНК азотистые основания, «сшивать» цепи ДНК или, наоборот, разрывать одну или обе ее нити. К счастью, клетки умеют бороться с повреждениями, запуская сложный механизм починки поврежденного генома. А если «зашить» разрыв не удается, то клетки программируемо самоуничтожаются. Запускает апоптоз, т. е. клеточную гибель, как раз белок p53.

Клетке все равно, разрывается ли цепь ее ДНК от естественных причин или в результате манипуляций генного инженера. И то и другое она воспринимает как повреждение, и в дело вступает p53, запуская процесс клеточного самоубийства. В результате большинство клеток, в которых сработал CRISPR-Cas9, уничтожаются.

Этот феномен может объяснить то, что ученые обнаруживали раз за разом в различных клетках: «выгрызающий» часть генома CRISPR-Cas9 работает довольно неэффективно, то есть редактирование наблюдается только у небольшого количества клеток, в которые он вводится.

— Какое-то время уже было известно, что эффективность редактирования сильно зависит от того, в каких клетках вы это делаете, — объясняет Константин Северинов. — В плюрипотентных эмбриональных клетках редактирование идет неэффективно, а в некоторых других эффективность очень высокая. В одной из [вышедших 11-го числа] работ ученые показали, что те немногие эмбриональные клетки, в которых редактирование все же произошло, имели мутацию в гене p53.

Другими словами, если клетка пережила редактирование, то ген p53 в ней, вероятнее всего, был испорчен, и, по словам Северинова, это делает ее потенциально онкогенной. Соответственно, после процесса редактирования какое-то, возможно весьма значительное, количество клеток будет иметь не только желаемое изменение, введенное в ходе редактирования, но и испорченный ген белка p53.

Но ничего по-настоящему страшного, говорит ученый, в этом нет. Выход Северинов видит в том, чтобы просто тщательнее проверять отредактированные клетки и убеждаться, что в них не поврежден ни ген p53, ни другие гены-онкосупрессоры. Это не сильно затормозит внедрение технологии, хотя и потребует дополнительных затрат времени и усилий — придется тщательно перебирать клоны, получившиеся в процессе редактирования.

— Не все отредактированные клетки имеют испорченный ген p53. Есть те, у которых он нормальный. Значит, придется проверять больше клеток — продуктов редактирования и отбирать только нужные клетки. В любом случае золотой стандарт применения технологии CRISPR-Cas включает полногеномное секвенирование отредактированных клеток, поэтому это не будет большой проблемой, — говорит Северинов.

Проблема, по его словам, лежит в другой плоскости. Сейчас Cas9 используют не столько для редактирования конкретных генов, сколько для проведения широкомасштабных генетических скринов в ходе научных исследований.

— CRISPR-Cas позволяет создавать библиотеки клеток, в которых, например, изменена или выключена функция каждого из десятков тысяч генов, которые есть у человека. С помощью таких библиотек ищут гены, изменения в которых приводят к раковому перерождению, лекарственной устойчивости и т.д. Для правильной интерпретации результатов вы должны быть уверены, что в ходе редактирования вы изменили только целевые гены и ничего больше. Если параллельно с изменением какого-то гена вы заодно изменили и p53, то вы не сможете сказать, что ответственно за изменение клетки — конкретный ген или совокупный эффект его изменения плюс изменения p53, а может, чего-то еще. Но это проблема не практической медицины, а достоверности научных исследований, — пояснил ученый.

Заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ Павел Волчков к этому добавляет, что генная инженерия в медицине движется в сторону более щадящих методов работы с ДНК — без внесения двойных разрывов, например путем точечной замены нуклеотидов в цепи ДНК.

— Для всех было изначально очевидно, что двухцепочечные разрывы вызывают остановку клеточного цикла, а вся система репарации на этом и основана, — говорит он. — Если бы p53 не останавливал клеточный цикл, то мы не могли бы эффективно осуществлять гомологичную рекомбинацию по месту произведения двухцепочечных разрывов. На самом деле мы уже уходим от этой условно варварской манипуляции с двухцепочечным разрывом. Он сейчас используется, потому что это первое, что было открыто. [А это] то, для чего эффекторы у бактерий и созданы — уничтожать вирусы путем разрезания их ДНК и РНК. [В инструментах же нового поколения] тоже нужна стадия репарации, «починки» генома, но не через стадию двухцепочечных разрывов. Просто нуклеотид меняется на аналог, который не используется в ДНК, но при последующем синтезе ДНК этот нуклеотид будет считан как, допустим, аденина. И, соответственно у вас [при копировании этой цепи] произойдет изменение нуклеотида, — поясняет Волчков.

CRISPR-Cas редакторы генома, которые действуют без внесения двойного разрыва ДНК, с меньшей вероятностью вызовет реакцию p53. Поэтому полностью хоронить медицинские проекты «на движке» CRISPR-Cas не стоит. Хотя те из них, что предполагают внесение именно двухцепочечных разрывов, теперь будут вынуждены утроить свою бдительность при отборе отредактированных клеток и, возможно, как-то еще убедить и инвесторов, и регулирующие институты, и потенциальных клиентов в том, их инструменты не вызывают рак.

Прямо сейчас, по-видимому, именно этим и заняты в CRISPR Therapeutics, которые были вынуждены приостановить клинические испытания своего «криспрового» лекарства от серповидноклеточной анемии (которое, собственно, как раз опирается на внесение двухцепочечных разрывов в ДНК) до тех пор, пока не убедит в его безопасности Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), выдающее разрешение на подобные испытания.

На России эти события пока вряд ли как-то отразятся. Пока что манипуляции с геномом человека и его эмбрионов в нашей стране, как сказал в марте «Чердаку» директор Института живых систем БФУ им. Канта Максим Патрушев, прямо ни запрещены, ни разрешены — они вообще «находятся вне системы регулирования». Запрещено лишь создание эмбрионов в целях производства биомедицинских клеточных продуктов. Что же российские чиновники считают правильным подходом в генной и ГМ-клеточной терапии, мы узнаем, по-видимому, в ноябре этого года, когда Минздрав представит свои предложения по исследованиям и регистрации продуктов, предполагающих изменение генома человека.