В минувшем году Хайтек+ регулярно рассказывал о новых достижениях в этой сфере. Вот семь самых важных из них.

1. CRISPR впервые применили для лечения наследственных болезней

Идея использовать «генетические ножницы», чтобы исправлять мутации, ответственные за развитие генетических болезней, витала в воздухе на протяжении нескольких последних лет. Однако лишь в 2019 году она воплотилась в реальность. Первыми людьми, которые получили CRISPR-терапию наследственных болезней, стали две пациентки из Германии и США, страдающие от бета-талассемии и серповидноклеточной анемии соответственно.

Компании CRISPR Therapeutics и Vertex, проводившие испытания, применили против обеих болезней один подход. Из костного мозга пациенток извлекли стволовые клетки и модифицировали их таким образом, чтобы они могли производить фетальный гемоглобин, который в норме синтезируется только на стадии зародыша. Это позволило компенсировать неправильную работу дефектного гемоглобина, ответственного за симптомы бета-талассемии и серповидноклеточной анемии.

Обе пациентки почувствовали значительно улучшение, хотя процедуры, через которые им пришлось пройти, были довольно тяжелыми. В 2020 году испытания продолжатся на более крупных группах пациентов. Кроме того, будут запущены эксперименты по лечению других генетических болезней, например, наследственной слепоты.

К сожалению, успехи в лечении наследственных заболеваний с помощью CRISPR вовсе не означают скорую победу над ними. Дело в том, что подобные услуги еще долго останутся очень дорогими, а значит, недоступными для тех, кто нуждается в них больше всего. Например, большинство случаев серповидноклеточной анемии отмечено в бедных странах тропической Африки. Исправить ситуацию должен масштабный проект Фонда Билла и Мелинды Гейтс и Национального института здравоохранения США, цель которого — «переизобрести» генное редактирование, сделав его доступным.

2. Генное редактирование против рака и вирусов

CRISPR — перспективное средство не только против наследственных, но и некоторых других болезней. Например, с помощью этого инструмента можно вносить изменения в ДНК иммунных клеток, стимулируя их атаковать злокачественные опухоли. Эксперименты на грызунах уже подтвердили, что этот подход работает.

Однако результатов, полученных на животных, недостаточно, чтобы внедрить генное редактирование в клиническую практику. Поэтому в 2019 году стартовали испытания антираковой CRISPR-терапии на людях. Эффективность методики пока оценить не успели, но предварительные данные свидетельствуют о ее безопасности и отсутствии побочных эффектов.

Для борьбы с вирусами исследователи планируют применять другую стратегию — вырезать их из генома с помощью CRISPR.  Например, в минувшем году ученым удалось избавить от ВИЧ лабораторных мышей. А исследователи из Китая применили CRISPR, чтобы защитить от этого вируса иммунные клетки человека. К сожалению, эффективность технологии пока слишком низкая для полного излечения, однако эксперимент подтвердил ее работоспособность.

Другие вирусы также можно вырезать из ДНК. Например, исследователям из США удалось с помощью CRISPR уничтожить вирус герпеса в культуре клеток. В другом эксперименте ученые повредили онкогены вируса папилломы, что защитило подопытных мышей от рака шейки матки.

3. CRISPR-диагностика

Медицинские перспективы CRISPR не ограничиваются редактированием геномов. Способность этого фермента точно обнаруживать определенные участки ДНК делает его идеальным диагностическим инструментом. В первую очередь это касается вирусных заболеваний. Например, исследователи из Университета Кейс Вестерн резерв разработали методику E-CRISPR, которая позволит диагностировать различные вирусы по капле крови в течение пары часов. Она ляжет в основу карманного датчика, напоминающего глюкометр.

Американские военные из DARPA уверены, что можно создать еще более совершенный прибор для CRISPR-диагностики, который будет выявлять не только вирусы, но и болезнетворные бактерии, в том числе неизвестные науке. На эти цели управление планирует выделить $60 млн.

4. CRISPR в сельском хозяйстве

Второй после медицины отраслью, где генное редактирование может произвести революцию, считается сельское хозяйство. С помощью CRISPR и других методик можно добиться необходимых результатов со скоростью, которая недостижима для традиционной селекции, например, всего за несколько лет создать овощ с новым вкусом. Одним из важных открытий предыдущего года в этом направлении стала разработка «CRISPR-пыльцы», которая позволит значительно упростить процесс редактирования геномов ценных сельскохозяйственных растений, от кукурузы до брокколи.

Генное редактирование может помочь и животноводству — например, сделать сельскохозяйственных животных устойчивыми к инфекциям или придать им другие необходимые свойства. В настоящее время проводятся попытки использовать CRISPR, чтобы изменить соотношение полов при рождении. Это позволит отказаться от распространенной практики забоя молодых петушков и бычков при разведении кур и крупного рогатого скота.

К сожалению, порой работа в этом направлении наталкивается на технические сложности. Например, попытка вырастить безрогих коров с помощью генного редактирования TALEN обернулась загрязнением их ДНК бактериальными генами. Хотя подобные ошибки вряд ли приведут к серьезным последствиям, они демонстрируют, что технология генного редактирования все еще далека от совершенства. Тем не менее, в целом CRISPR-еда безопасна и начинает захватывать рестораны и даже прилавки магазинов.

5. Новые версии CRISPR

В 2019 году стало окончательно понятно, что CRISPR несовершенна. Среди главных изъянов этой технологии — низкая эффективность редактирования, невозможность регуляции, а также высокая вероятность нецелевых мутаций. Хотя эти недостатки не мешают ее использованию для решения многих задач, применять ее в медицине кажется слишком рискованным.

К счастью, исследователи находят все новые способы повысить качество CRISPR. Например, характерный для этого инструмента белок Cas9 можно заменить на Cas12b, отличающийся большей избирательностью и меньшим размером, благодаря которому ему легче проникать в клетки. Еще один перспективный кандидат — CasX. А использование белка Cas12a позволило модифицировать CRISPR для одновременного редактирования нескольких генов.

Независимо от того, какой фермент используется в работе CRISPR, его гидовая РНК может соединиться с неправильным участком ДНК. Чтобы избежать этого, исследователи из США предложили использовать «генетические шпильки». Первые эксперименты подтвердили, что такое подход повышает точность редактирования в 50 раз. Были обнаружены и «выключатели CRISPR», которые могут при необходимости остановить процесс редактирования.

Другая команда исследователей нашла простой способ в несколько раз повысить эффективность вставки нужных генов. Оказалось, что для этого достаточно модифицировать концевые участки внедряемых в клетку фрагментов ДНК.

6. Альтернативы CRISPR

По мнению некоторых исследователей, даже после всех модификаций технология CRISPR останется слишком неточной и небезопасной. Это значит, что главному инструменту генного редактирования нужна замена. И в 2019 году ученым удалось выявить сразу несколько кандидатов на эту роль.

Риск нецелевых мутаций при CRISPR связан с разрезанием и последующим сращиванием обеих нитей ДНК. Однако вставить в геном нужную последовательность можно и иначе, не нарушая ее целостности. В этом ученым помогли «прыгающие гены» транспозоны. Например, специалисты из Колумбийского университета использовали транспозон холеры, чтобы создать инструмент INTEGRATE, который редактирует ДНК, не разрезая ее.

Другой недостаток CRISPR заключается в том, что эта методика позволяет модифицировать лишь небольшие фрагменты ДНК. Вырезать из генома более крупные участки поможет рибопротеиновый комплекс Cascade, соединенный с ферментом Cas3. Этот «генетический шредер» способен за раз уничтожать десятки тысяч оснований. Ученые планируют использовать его для удаления обширных некодирующих последовательностей. Это поможет понять причину многих наследственных болезней и, возможно, даже лечить их с помощью генного редактирования.

Еще один метод, который может прийти на смену CRISPR, — праймированное редактирование. Его создатели добавили к ферменту Cas9 два новых компонента — позаимствованный у вируса белок обратную транскриптазу и специальную гидовую РНК (pegRNA). Получившийся в результате инструмент разрезает только одну нить ДНК, что снижает риск ошибок. Успешность данной методики составляет 20-50% по сравнению с 10% у обычной CRISPR.

7. Никаких ГМО-детей

Хотя первые генетически модифицированные дети появились в Китае еще в ноябре 2018 года, это событие оставалось в центре внимания весь минувший год. Например, лишь в декабре журналисты и ученые получили доступ к оригинальной статье, описывающей этот эксперимент. Ее анализ подтвердил худшие опасения скептиков: «отец» ГМО-детей Хэ Цзянькуй не обладал подходящей квалификацией для проведения подобных исследований и выдавал желаемое за действительное.

К счастью, никто из ученых не решился повторить рискованный эксперимент китайского коллеги. В 2019 году новых ГМО-детей не родилось — и уже это можно считать одним из достижений. Тем не менее, много шума наделали противоречивые заявления российского биолога Дениса Ребрикова. Сначала он анонсировал, что вслед за Хэ Цзянькуем удалит у эмбрионов гены, делающие людей уязвимыми к ВИЧ, затем речь пошла об исправлении наследственной глухоты, однако в итоге оказалось, что рождение ГМО-детей все же не планируется.