Космос для не космонавтов - Денис Игоревич Юшин
Изменение генов происходит не только в процессе передачи информации от родителей к эмбриону, но и, например, с возрастом или под воздействием химических веществ или радиации.
Что такое генная терапия и как она работает?
Генная терапия – это введение, удаление или изменение генетического материала, в частности ДНК или РНК (рибонуклеиновая кислота), в клетке пациента для лечения определённого заболевания.
Тут, к слову, обязательно следует отметить, что это «придумано» природой задолго до появления человека. Более того, человек вряд ли появился бы без этого механизма.
Редактированием кусочков геномов различных организмов всегда занимались вирусы и некоторые бактерии. Поэтому люди, безусловно, неплохо начали применять и развивать технологию видоизменения генов, но совершенно точно не изобрели её.
Итак, на сегодня существует три основных стратегии использования генной терапии, в рамках которых производится восстановление клеток- или тканей-мишеней до здорового состояния:
• замена мутировавшего гена, вызывающего заболевание, здоровой копией этого гена;
• инактивация («выбивание», «удаление») мутировавших генов, которые функционируют неправильно, из последовательности;
• введение нового гена в организм для борьбы с болезнью.
О роли вирусов в генной терапии
Для доставки требуемых генов в клетки специалисты используют так называемые векторы, в роли которых чаще всего выступают вирусы. Тут требуется ряд пояснений, поэтому предлагаю начать с того, какие вирусы в природе вообще встречаются и почему именно их учёные используют в качестве векторов.
Ответить на вопрос «почему?» достаточно просто: вирусы максимально близки к совершенству в части проникновения в наши организмы и, как следствие, доставки и добавления своего генетического материала в клетки.
Именно после того, как вирус добавил свой генетический материал в ядро клетки нашего организма, она начинает, согласно полученной «инструкции», создавать копии этого вируса, которые, появившись в нашем организме, довольно быстро и эффективно заражают соседние клетки – так и развивается вирусная инфекция.
Способность вирусов проникать в организм и доставлять генетический материал в клетки привела к отсутствию необходимости создания этого механизма с нуля. Нужно было только научиться модифицировать вирусы так, чтобы лишить их способности вызывать инфекционное заболевание.
Времени на освоение этого механизма ушло достаточно много. Если то, как вирус доставляет генетический материал в клетки, учёные выяснили в 1952 году, то лишь в 1971 году, 19 лет спустя, они начали использовать вирусные инъекции для генной терапии человека.
Какие вирусы чаще всего используют для генной терапии
Ретровирусы
Начиналась генная терапия с использования именно этого типа вирусов, которые заражают клетки одной цепью РНК, используя собственный механизм (фермент обратной транскриптазы) для производства ДНК, которая затем вводится в геном клетки организма-хозяина. Самым распространённым типом ретровируса, применяемым для терапии, является лентивирус.
Ретровирусная терапия имеет существенные ограничения, так как ретровирусы способны к интеграции только в геном активно делящихся клеток, поэтому многие оказываются к ней устойчивыми.
Аденоассоциированный вирус (AAV)
AAV, небольшой вирус, способный заражать людей и некоторые виды обезьян, стал довольно часто примениться по нескольким причинам:
• вызывает только слабый иммунный ответ;
• заражает и активно делящиеся клетки, и редко делящиеся;
• сохраняется в клетках без прямой вставки в геном хозяина (остается во внехромосомном состоянии).
Основным недостатком AAV является его низкая пропускная способность, то есть невозможность вставить в него большие куски генов, но учёные работают над тем, чтобы преодолеть это ограничение.
CRISPR/CAS9 – революция в генной инженерии
Эта технология редактирования генов в 2014 году была названа «самым большим биотехнологическим открытием века». И это действительно так. С CRISPR появилась возможность проводить генетические эксперименты, которые всего за год до этого можно было бы назвать фантастикой. Это касается не только наследственных заболеваний, но и генов, которые способствуют приобретенным заболеваниям, включая СПИД, рак и болезни сердца.
CRISPR/Cas9 – это метод, который позволяет осуществлять высокоточную и быструю модификацию ДНК в геноме. Теоретически с помощью данного метода можно задать любой набор генетических инструкций в организме.
Чем CRISPR/CAS9 отличается от предыдущих методов генной инженерии?
Начнём со скорости. Редактирование генов с помощью любых других методов занимает месяцы, а то и годы, тогда как с CRISPR/Cas9 это время сокращается максимум до нескольких недель. Почему я говорю об этом в книге про освоение космоса? Да потому что способность настолько быстро и точно разрезать и склеивать гены дают широчайшие возможности для создания новых видов биотоплива, материалов, лекарств и продуктов питания для сложных условий в гораздо более короткие сроки при относительно низких затратах.
Этот метод позволяет работать одновременно работать с несколькими генами, что даёт возможность очень быстро манипулировать свойствами в клеточной линии, растении или животном, сокращая процесс от нескольких лет до нескольких недель, что очень важно, когда мы говорим об освоении новых планет или, скажем, создании лунной базы. Что важно, CRISPR/Cas9, помимо прочего, отличается тем, что не является видоспецифичным, поэтому может использоваться на организмах, ранее устойчивых к генной инженерии.
Одна из создателей CRISPR/Cas9 французский генетик Emmanuelle Marie Charpentier описывает технологию так:
«Представьте себе текст со словами и программное обеспечение, которое позволяет заменять буквы в тексте с большой точностью, удалять слово или несколько слов, заменять их на другие.
Иными словами – это инструмент для редактирования текста, который работает с большой точностью, только все это происходит с нашими ДНК и генами. Это похоже на программируемые ножницы, которые способны распознавать определенные места ДНК и изменять их».
Как всегда, природа сама всё «придумала»
В рамках больших фундаментальных исследований учёные пытались выяснить, как бактериям удаётся бороться с вирусными инфекциями, чтобы попробовать использовать этот метод для человека.
Да, бактерии тоже подвержены вирусным инфекциям, но, в отличие от людей, у них есть буквально пара минут, чтобы «обезвредить» попавшую в них «бомбу» до того, как они погибнут.
Тут-то учёные и обнаружили, что в клетках многих бактерий существует адаптивная именная система, CRISPR, в состав которой входит белок Cas9, способный искать, расщеплять и в итоге уничтожать вирусную ДНК.
Подробно изучив активность белка Cas9, специалисты пришли к выводу, что могут использовать его в генной инженерии. Чуть позже они действительно научились это делать.
Погружаться в принципы работы этого метода смысла нет, так как книга не об этом,
