Генетические манипуляции и модификации человека. В чем суть технологии CRISPR/Cas9? Как это работает? Каковы плюсы и минусы? Каковы примеры того, где это уже происходит? Каковы последствия? Обо всем этом я расскажу в этой статье.
Как работает CRISPR/Cas9?
CRISPR означает сгруппированные регулярно расположенные короткие палиндромные повторы. Вместе с ферментом Cas9 ученые могут использовать эту технологию для очень точной обработки ДНК. Это форма генетической модификации.
Термины «генетическая модификация» и «манипулирование» используются и имеют одинаковое значение. Однако манипуляция имеет более негативную связь, чем модификация. В оставшейся части статьи я буду использовать оба термина.
Можем ли мы изменить человеческое тело, изменив нашу ДНК? Как насчет хранения данных в ДНК? Что уже происходит? Вы можете сделать это сами? Что мы можем сделать с ним в будущем? Какие политические, правовые и этические вопросы это поднимает?
Кстати, это тоже актуальная статья, если вас интересует эта тема: генетическое улучшение человека?
Генетическая модификация
Прочитав эту статью, вы узнаете, что такое генетическая модификация (или манипуляция), каково возможное воздействие на растения, животных и человека и как работает CRISPR/Cas9.
Ниже приводится краткое изложение наиболее важных моментов.
#1 CRISPR/Cas9 — не первая технология модификации ДНК. По сравнению со своими предшественниками он быстрее, дешевле и эффективнее.
# 2 Генетика и генетическая модификация уже давно используются в здравоохранении. От обнаружения генетических нарушений до укрепления иммунных клеток для лечения лейкемии.
#3 Рождаются первые дети, которые были генетически модифицированы как эмбрионы с CRISPR/Cas9. Это вызвало глобальный протест со стороны биотехнологов, биоэтиков и политиков.
# 4 Есть биохакеры, которые пробуют CRISPR/Cas9 самостоятельно, с целью создания собственных антител против ВИЧ или для большего роста мышц.
#5В Европе применение CRISPR/Cas9 ограничено. Но помимо законодательства, у правительств есть еще более сложный выбор, в том числе, где и когда вы разрешаете эту технологию.
В оставшейся части этой статьи эти моменты будут обсуждаться с обоснованием и другими идеями.
Изменить ДНК
В этой статье вы узнаете все о модификации ДНК. Поскольку это охватывает так много аспектов, я разбил статью:
- Часть 1: открытие CRISPR/Cas9;
- Часть 2: как работает CRISPR/Cas9;
- Часть 3: возможности генетических манипуляций;
- Часть 4: дизайнерские младенцы;
- Часть 5: достижения генетики.
В статье вы найдете следующие примеры:
- Лулу и Нана
- Джозия Зайнер
- Тристон Робертс
- Аарон Трейвик
- Брайан Хэнли
В разделе о дизайнерских малышах вы можете больше узнать о Лулу и Нане (пример 1). Другие примеры находятся в разделе о DIY.
Открытие CRISPR/Cas9
Весной 2011 года исследователи Дженнифер Дудна и бактериолог Эммануэле Шарпантье встретились на конгрессе по микробиологии в Пуэрто-Рико. Говорят, что между лекциями они гуляли по городу Сан-Хуан.
Шарпантье рассказала Дудне о своих исследованиях иммунной системы бактерий. Бактерии должны защищаться от вирусов. Вирусы разработали генетические механизмы для вторжения и уничтожения бактерий.
Несколько лет назад два французских исследователя датского производителя продуктов питания Danisco (Филипп Хорват и Родольф Баррангу) открыли один из защитных механизмов бактерий.
Они исследовали бактерии, которые могли бы помочь в производстве сыра и йогурта.
Они обнаружили, что некоторые из этих штаммов бактерий способны специфически уничтожать часть ДНК вируса. Эта защитная система также знала, какие вирусы могут атаковать, и затем могла уничтожить определенную часть вирусной ДНК.
Голландские исследователи
В 2008 году Джон ван дер Ост провел в Вагенингенском университете исследование механизма CRISPR у бактерий. Я взял у него интервью на голландском языке для своего подкаста.
Ван дер Ост обнаружил его ранее, когда исследовал микроб из вулканического источника в Йеллоустонском парке на северо-западе Америки примерно в 2000 году. Ван дер Ост и его коллеги из его исследовательской группы увидели закономерность: генетические буквы располагались в том же порядке слева направо, что и наоборот. Это были палиндромы.
Это было забавное явление, но мы понятия не имели о его биологической значимости.
Профессор Джон ван дер Ост
Голландский исследователь Рууд Янсен ввел термин «Короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами в кластерах» в 2002 году. В статье в De Groene Amsterdammer ван дер Оост указывает, что он не сразу заметил влияние. «Это было забавное явление, но мы понятия не имели о его биологическом значении».
Классы CRISPR
Позже Дудна и Шарпантье продолжали работать, среди прочего, над идеями ван дер Оста. А именно, существует два класса систем CRISPR. Класс-1 был запущен в 2008 году ван дер Остом и его группой. Эта система сложнее, чем класс-2, обнаруженный американской исследовательской группой примерно в 2012 году.
Название класса-2? Это cas-9-система. По словам ван дер Оста, это относительно простая система, которую легко ввести в клетки животных и растений. В интервью я спрашиваю Джона ван дер Оста, могла ли это обнаружить группа в Вагенингене.
Он так не думает. Это была комбинация большего количества ресурсов, основанная на научных исследованиях и удаче, которая привела к открытию Дудны и Шарпантье.
Проблемы
Между прочим, в использовании CRISPR/Cas9 все еще есть некоторые проблемы. В интервью Джон ван дер Ост указывает, что наиболее рискованным является не разрезание ДНК, а восстановление перелома. «Если это не будет сделано беспрепятственно, это может привести к нежелательным изменениям в ДНК. Это риск, которым мы должны управлять, прежде чем сможем безопасно применять технологию». Кроме того, оказывается, что система CRISPR не может резать везде.
Ученые всего мира работают над решением этих проблем. Например, Джон ван дер Ост объясняет, что белок Cas9 значительно модифицируется для улучшения его функционирования, а другие исследовательские группы проводят эксперименты с Cas12. Кажется, он режет более точно, чем даже модифицированные белки Cas9.
В этой части я пишу о том, как работает CRISPR/Cas9.
Работа CRISPR/Cas9
Иммунная система бактерий состоит из двух частей. Первая часть — «поиск». Это РНК в геноме бактерии, которая является зеркальным отражением ДНК вируса. В книге «Ген» Сиддхартха Мукерджи пишет, что это как всегда ходить с фотографией в паспорте вашего злейшего врага. Как только ДНК атакующего вируса распознана, высвобождается бактериальный белок Cas9. Это "разрушитель".
Поисковик работает следующим образом: Дудна: «Молекулярная машина плотно обвивается вокруг ДНК, как питон вокруг тела газели. Cascade действует как GPS-координаты, указывающие, какую именно вирусную ДНК необходимо уничтожить».
Видоискатель и замена
Дудна была очарована этим принципом «искателя» и «разрушителя», когда прочитала об этом. Она специализировалась на исследованиях действия РНК. Вначале она думала, что это было особенно странно. На самом деле она, кажется, сказала, что «это была самая малоизвестная вещь, над которой она когда-либо работала».
Вместе с Шарпантье она углубилась в функционирование бактериальной иммунной системы. В 2012 году узнали, что система программируемая. Они могли настроить «искатель» и «разрушитель». Это сделало его пригодным не только для бактерий и вирусов, но и для других животных, растений и, возможно, человека. Сначала попробовали белок Cas3 (прямо как ван дер Ост), но в итоге Cas9 оказался самым управляемым и полезным.
На самом деле мы используем эволюционный механизм, чтобы приспособить эволюцию.
Эммануэль Шарпантье
Комбинация была блестящей: «Это было идеальное бактериальное оружие: ищущая вирус ракета, которая могла поражать быстро и с невероятной точностью». Сама Шарпантье видит в этом парадокс: «На самом деле мы используем эволюционный механизм, чтобы приспособить эволюцию».
Генетическое редактирование
Что происходит, когда ДНК атакуют и разрушают? Два конца оставшейся ДНК отрываются и обрезаются. Гены устроены таким образом, что хотят восстанавливать себя. Для этого обычно делают копию аналогичного гена в клетке.
Что, если клетка заполнена другой ДНК? Тогда есть очень хороший шанс, что поврежденный ген скопирует информацию в один из этих генов. Это как стереть слово в предложении и написать на его месте новое слово.
Этот метод также называют «редактированием генома» или «хирургией генома». Дудна и Шарпантье опубликовали свое исследование в журнале Science в 2012 году. Публикация произвела эффект разорвавшейся бомбы. В последующие годы применение этой техники резко возросло. У него все еще есть некоторые ограничения, но CRISPR/Cas9 был значительно проще, мощнее и эффективнее для редактирования генов, чем другие доступные ранее методы. В 2020 году за свою работу они получили Нобелевскую премию по химии.
Резкое влияние
Тем не менее, есть еще много вещей, которые требуют дальнейшего изучения и разработки, например, использование CRISPR для изменения транскрипции ДНК на РНК или путем редактирования эпигенома. Эпигеном — это все, что находится за пределами ДНК, но он влияет на транскрипцию. Это соответствует области эпигенетики.
Мы вступаем в золотой век генной инженерии
Несмотря на это, ученые лирично относятся к возможностям. Говорят о «золотом веке генной инженерии». Этот метод и его еще более совершенные последователи, вероятно, окажут сильное влияние на все виды областей здравоохранения, фармацевтики, охраны окружающей среды, производства продуктов питания, образования, правительства и общества.
Каков потенциал CRISPR/Cas9? Сама Дженнифер Дудна говорит в своей книге «Трещина в творении»: «CRISPR обладает невероятным потенциалом сделать мир лучше.
Представьте себе, что вы можете генетически искоренить самые серьезные наследственные заболевания, а также прививки, которые покончили с оспой, а вскоре и с полиомиелитом. Представьте себе, что тысячи исследователей используют CRISPR для изучения бича рака и поиска новых методов лечения или даже излечения от него. И представьте, что фермеры и производители могут решить продовольственный кризис, сделав свои культуры более устойчивыми к изменяющемуся климату с помощью CRISPR. Эти сценарии могут быть достижимы, в зависимости от выбора, который мы сделаем в ближайшие годы».
У CRISPR был невероятный потенциал сделать мир лучше
Дженнифер Дудна
В статье в Vox группу ученых спросили, какие приложения их больше всего волнуют. Приведенные примеры включают улучшение посевов для удовлетворения растущего спроса на продовольствие, разработку новых методов лечения рака и болезни Альцгеймера, разработку альтернатив нефтехимическим продуктам (путем изготовления пластика из модифицированных растений) и вирусов, таких как ВИЧ, герпес и искоренение малярии.
Как быстро это будет происходить тогда? Джон ван дер Ост считает, что это становится безопаснее: «Вы можете применить это в течение пяти-максимум десяти лет [это будет примерно с 2023 по 2028 год]. Тогда это также доступно, так что не только для богатых людей, которые могут модифицировать свой геном». Он добавляет небольшой комментарий в интервью: «По крайней мере, я надеюсь, что это работает именно так».
Эта часть посвящена возможностям генной инженерии, в том числе в здравоохранении.
Генетическая манипуляция
По мнению некоторых экспертов, это век биологии. В этом веке мы, люди, будем контролировать живые ткани. Подумайте о конечностях, которые автоматически отрастают, об органах, выращенных в лаборатории, о бактериях, которые исцеляют нас, и о вирусах, которые могут восстанавливать нашу ДНК.
Это генетическая модификация, работающая с нашей ДНК. ДНК, которая является «операционной системой» нашего тела, других животных и растений. Словом, все, что живет на земле.
Основой для этого является генетика (по-английски «геномика»), изучение геномов. Геном представляет собой набор генов из клетки или организма. Это довольно сложно, просто проверьте. Человеческое тело (включая ваше) состоит примерно из 37 триллионов клеток. Каждое ядро содержит ДНК, которая разделена на 46 хромосом. Всего у вас примерно от 21 000 до 23 000 генов.
Гены меняются
Здорово, что мы знаем все больше и больше о нашей ДНК. Но как только вы узнаете, как все работает, мы, люди, также склонны вмешиваться: взламывать. Это не удивительно. Живая клетка очень похожа на компьютер.
Вы можете видеть это так. Операционная система ячейки — это пары AC и GT. Если вы знаете порядок, вы можете проникнуть в свою камеру и внести изменения. Это все еще звучит очень футуристично сейчас? Нет, например: всего за несколько лет стоимость анализа всего набора ДНК резко упала.
Десять лет назад это стоило бы 10 миллионов долларов, сегодня это может стоить 1000 долларов или меньше. Провидцы говорят, что эта технология станет новым видом Интернета. Подумайте об автомобилях, которые узнают вас по ДНК. Но также подумайте о биотерроризме или Facebook, который свяжет вашу ДНК с вашим поведением на платформе социальных сетей.
Здравоохранение
Обещание CRISPR/Cas9 заключается в том, что мы можем навсегда вылечить наследственные заболевания. Не только для одного человека, но и для последующих поколений. В краткосрочной перспективе это, безусловно, относится к заболеваниям, связанным с одним геном, таким как болезнь Гентингтона, серповидно-клеточная анемия и муковисцидоз. С болезнями, вовлекающими несколько генов, бороться гораздо сложнее.
Изменение ДНК, при котором мы, как человечество, играем в бога: искусственный отбор вместо естественного отбора. В некотором смысле мы уже делаем это, например, через изменения в нашем образе жизни.
Хороший пример — исследование в Великобритании. Большое генетическое исследование с использованием 150 000 наборов показало, что за последние 50 лет произошло увеличение аллелей гена, связанного с никотиновой зависимостью.
Мы играем в бога?
Люди этого генотипа чаще, чем в среднем, склонны начинать курить и умирать в более раннем возрасте из-за болезней, связанных с курением. Но социальные взгляды на курение также значительно изменились за последние 50 лет. Это повлияло на (естественный) отбор, в результате которого этот генотип увеличился в одном-двух поколениях в популяции. Есть шанс, что это снова изменится в течение значительного времени, теперь, когда курение становится все менее и менее популярным.
Разница в том, что теперь мы можем напрямую модифицировать гены с помощью CRISPR/Cas9. Это намного более радикально и далеко идуще. Предостережение здесь, однако, заключается в том, что временные рамки, от которых эффективность демонстрируется в ходе лабораторного эксперимента до реальной терапии пациентов, очень велики. Это может занять от 10 до 15 лет.
Генная терапия
Некоторые гены оказывают непосредственное влияние на определенные синдромы. Генная терапия проводится уже много лет, но с CRISPR/Cas9 это можно сделать быстрее, проще и эффективнее. В марте 2017 года стало известно, что исследователи во Франции успешно вылечили подростка с помощью генной терапии CRISPR от серповидно-клеточной анемии. По мнению экспертов, это «веха» и «очень многообещающе».
В Соединенных Штатах FDA (Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов) одобрило генную терапию для лечения детской лейкемии. Под названием CAR-T иммунные клетки пациентов модифицируют таким образом, что они начинают бороться с болезнью. В статье в журнале Wired Алекс Марсон, биолог и врач из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, рассказывает о подобном методе: «Реагировать на определенный антиген, который распространен в определенных раковых клетках. Таким образом, Т-клетки атакуют только те клетки, которые испускают этот сигнал».
Соматическая генная терапия
Это наиболее вероятная форма генной терапии: соматическая. Это означает, что клетки удаляются из организма, модифицируются в лаборатории, а затем повторно вводятся. Это отличается от изменений в зародышевых клетках. Если вы внесете в него изменения, он будет передан следующим поколениям.
Если вы вносите однократное изменение, которое затем передается последующим поколениям, это называется «генным драйвом». Например, говорят об изменении генов некоторых комаров, чтобы эти комары не могли передавать малярию людям. Другой пример — американский остров «Винъярд Марты». Там ученые планируют генетически модифицировать мышей, чтобы они больше не могли передавать болезнь Лайма клещам.
Дизайнерские младенцы
В 2017 году в Nature была опубликована публикация группы исследователей под руководством Шухрата Миталипова. Они применили генную инженерию к 58 эмбрионам. Цель состояла в том, чтобы изменить ген, связанный со смертельным заболеванием сердца. По словам исследователей, процедура прошла успешно у 48 из 58 эмбрионов.
Проверить это пока невозможно, потому что (пока) не разрешено выращивать эти генетически модифицированные эмбрионы на людях. Как вы прочтете ниже, это не помешало некоторым ученым попробовать это.
Созданный ребенок (2009)
Кстати, они были не первыми. Уже в 2009 году родился первый ребенок, которого «спроектировали». Отец ребенка видел, как большинство женщин в его семье умирали от различных видов рака, возникающих в результате мутаций в гене BRCA-1.
Отец и его жена попросили разрешения на экстракорпоральное оплодотворение и скрининг оплодотворенных яйцеклеток. Из исследованных яиц врачи выбрали одно без мутации BRCA-1. Это означает, что в следующем поколении эта мутация уже не могла встречаться в этой семье.
В СМИ поднялся большой шум. По мнению экспертов, при этом медицинская наука движется по скользкому пути. В конце концов, если мы все еще собираемся отфильтровывать дефекты с помощью генетического отбора, будем ли мы отбирать положительные характеристики, такие как мышечная сила и интеллект? Будут ли у нас дизайнерские дети?
Первый ребенок CRISPR (2018 г.)
В конце ноября 2018 года китайский врач Цзянькуй Хэ оказался в новостях. Используя метод CRISPR/Cas9, он удалил из эмбрионов ген, делающий людей восприимчивыми к вирусу ВИЧ. Он сделал это не по своей воле, а по просьбе родителей. Эти модифицированные эмбрионы превратились в младенцев по имени Лулу и Нана.
Он сам ожидал, что его встретят как героя, но его коллеги не смогли сказать об этом доброго слова. Несколько ответов: «Слишком рискованно, безответственно, чудовищно».
Слишком рискованно, безответственно, чудовищно
Ученые после рождения Лулу и Наны
Тем не менее, это странно, потому что вмешательство Хе входит в список 10 простых генетических модификаций, составленный Джорджем Чёрчем. Он включает в себя изменение гена CCR5, чтобы один ребенок из близнецов больше не мог заразиться ВИЧ.
Лечение
Однако молекулярный генетик Ганс Клеверс (Утрехтский университет) не удивлен. В ответе de Volkskrant он сказал: «Я думаю, что рано или поздно это будет предложено в качестве лечения в таких странах, как Украина или Бразилия, потому что процедура настолько проста».
Самое сложное — это определить, что является условием, а что нет, и хотите ли вы вмешаться. Исследование, проведенное UMC в Амстердаме, показало, что две трети респондентов хотели генетической модификации своих эмбрионов, когда речь шла о наследственных заболеваниях, таких как кистозный фиброз, нарушение обмена веществ или ВИЧ (при условии, что это безопасно).
Jianku HeBook Эбена Киркси
В 2020 году Эбен Киркси выпустил книгу The Mutant Project. В этой книге он описывает предысторию и метод работы Jianku He. Интервью с Эбеном КирксиМнение голландцев
Как относятся к этому голландцы? В 2016 году исследователи провели исследование генетической модификации тела и будущего эмбриона. Это были самые впечатляющие результаты:
- 85,2% за изменение генетической аномалии в собственном теле;
- 65,7% модифицировали бы эмбрион ребенка, если бы сами имели наследственный генетический дефект;
- 29,6% модифицировали бы эмбрион ребенка, если бы сами были здоровы;
- 15,2% модифицировали бы эмбрион ребенка, чтобы сделать его умнее, например, повысить интеллект.
Обсуждение этой темы будет продолжаться в ближайшие месяцы и годы. Вообще говоря, можно сказать, что есть два лагеря. Группа родителей хочет дать своим детям самое лучшее стартовое положение, и группа родителей считает, что они не имеют права решать это за своего ребенка.
[ВСТРЕЧА] В ноябре 2015 года я организовал встречу о генетической модификации. Несмотря на быстрое развитие технологий, информация, предоставленная во время встречи, по-прежнему актуальна.
Достижения в области генетики
Терри Вриенхук был приглашенным спикером на встрече. Он является консультантом отдела генетики Университетского медицинского центра в Утрехте. В 2011 году он получил докторскую степень за исследование генетического фона шизофрении. Используя передовые ДНК-чипы, он искал генетические различия между больными шизофренией и здоровыми людьми.