Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
После обнаружения этой проблемы вирус отправили на доработку и устранили из него участок, который при встраивании в геном мог повысить активность работы соседствующих с местом вставки генов. В 2014 году в журнале The New England Journal of Medicine вышла статья о результатах применения нового вируса353. За пациентами, проходившими курс генной терапии, наблюдали от 16 до 43 месяцев: случаев рака зафиксировано не было. Это можно было бы объяснить простым везением, если бы не один важный факт. Было обнаружено, что раньше вставка вируса вблизи некоторых генов, участвующих в развитии рака, приводила к ускоренному делению клеток. Это и являлось предпосылкой для возникновения опухолей. У пациентов, которых лечили новым вирусом, такого эффекта не наблюдалось.
Здесь самое время рассказать сказку о “спящей красавице”. Так назвали участок ДНК, обнаруженный в геномах некоторых рыб, – особый транспозон, “скачущую” последовательность ДНК. Полноценные транспозоны кодируют белок (транспозазу), способный вырезать транспозон и копировать его в другие участки генома клетки. “Спящая красавица” в прямом смысле “спала”: из-за накопленных мутаций транспозаза перестала работать: вырезание и копирование транспозона прекратилось. Проанализировав последовательности транспозона из разных видов рыб, ученые смогли реконструировать эволюционную историю этого участка ДНК и предположить, как выглядела функциональная предковая последовательность354. После исправления всех накопленных мутаций с помощью генной инженерии “спящую красавицу” удалось пробудить. Транспозон встроили в геномы клеток рыб, мышей и даже изолированных клеток человека.
Там “спящая красавица" начала радостно “скакать" с хромосомы на хромосому, вызывая мутации.
“Зачем ученым воскрешать спящий транспозон?" – спросите вы. Представьте, что в результате очередного скачка “спящей красавицы" клетка начнет активно делиться. Молекулярные генетики могут прочитать последовательность ДНК рядом с местом вставки транспозона и понять, какой ген был затронут (ведь похожих на этот транспозон последовательностей ДНК в клетках млекопитающих нет). Место в геноме, где мы обнаружим “спящую красавицу", с высокой вероятностью окажется окрестностью гена, участвующего в регуляции клеточного деления. Этот подход позволил обнаружить массу генов, связанных с развитием рака355, но может быть использован и для изучения других функций генов.
Примером применения “спящей красавицы" является все та же генная терапия356. Терапевтический ген можно обрамить последовательностями ДНК, которые узнаются транспозазой, а полученную конструкцию вместе с геном транспозазы (лишенным обрамляющих последовательностей) поместить внутрь плазмиды. В клетке синтезируется транспозаза, которая перенесет терапевтический ген в геномную ДНК. Поскольку ген транспозазы при этом не перенесется, вставка не будет скакать в потомках полученных клеток, а значит, можно будет избежать лишних мутаций.
Генная терапия позволяет лечить не только наследственные заболевания, но и некоторые формы рака357. Здесь есть много разных подходов, один из которых технически очень похож на описанный выше метод лечения врожденного иммунодефицита. Раковые клетки – это измененные клетки, часто отличающиеся от обычных некоторыми молекулами на своей поверхности. Поэтому иммунная система в принципе могла бы распознать клетки опухоли и уничтожить их, однако иногда у клеток иммунной системы не находится правильного рецептора. В этом случае иммунного ответа на раковые клетки не возникает, и опухоль продолжает расти.
К счастью, можно найти гены, кодирующие рецепторы, специфически распознающие некоторые разновидности опухолей. У пациента можно взять его собственные клетки иммунной системы, внести в их геном ген недостающего рецептора с помощью вируса и тем самым обучить их бороться с опухолью. Затем клетки возвращаются обратно пациенту. Принципиальная возможность такой терапии была показана еще в 1999 году, когда были созданы генетически модифицированные лимфоциты, разрушающие отдельные клетки меланомы358. Несколько лет спустя эффективность этого подхода была подтверждена исследованиями на животных. При этом удавалось бороться не только с некоторыми опухолями, но и с вирусами, к которым тоже можно подбирать подходящие рецепторы.
Одно из преимуществ описанного метода лечения рака – его безопасность, особенно если сравнивать с химиотерапией или радиотерапией. В современных лабораториях можно создавать и тестировать разновидности рецепторов, не встречающихся в природе, обладающих исключительной избирательностью в том, с какими клетками им взаимодействовать. А значит, можно изобрести оружие против рака очень высокой точности. Еще одно преимущество – снижение вероятности повторного появления опухоли, ведь клетки иммунной системы никуда не денутся. Наоборот, в процессе борьбы с опухолью они размножатся и будут готовы отразить новую атаку в будущем. К тому же такие клетки способны уничтожать даже некоторых предшественников раковых клеток, которые могли остаться незамеченными и привести к повторному возникновению заболевания.
Ярким доказательством эффективности данной биотехнологии являются результаты клинических испытаний, опубликованные в 2013 году в журнале Science. С помощью генетически модифицированных клеток иммунной системы удалось вылечить пятерых пациентов с тяжелой формой лейкемии, которая не поддавалась лечению стандартными методами17. У всех безнадежных пациентов была достигнута ремиссия. Сейчас лечение рака с помощью этого метода продолжается в рамках клинических исследований, но я думаю, что скоро он вытеснит другие методы и станет доступен повсеместно.
Первый доведенный до практического применения способ лечения рака, основанный на генной терапии, был чуть менее впечатляющим. Лекарство гендицин, разработанное китайской биотехнологический компанией Shenzhen SiBiono GeneTech, представляет собой безопасный аденовирус, способный доставить в клетки пациента противоопухолевый ген p53, который часто испорчен в раковых клетках. При нормальном функционировании p53 заставляет потенциальные раковые клетки “кончать жизнь самоубийством”359. Поэтому и возникла идея, что, восстановив функции гена p53 в раковых клетках, можно избирательно прекратить их существование. Хотя в клинических испытаниях подхода были достигнуты определенные успехи360, остаются некоторые нерешенные проблемы. Например, непонятно, как сделать так, чтобы вирус успешно поразил все раковые клетки? Если мы убьем только часть раковой опухоли, это не решит проблему, а лишь отсрочит развитие болезни.
Перейдем к следующему примеру генной терапии. Одно из самых распространенных генетических заболеваний – дальтонизм, при котором люди не различают некоторые цвета, чаще всего красный и зеленый. Светочувствительной частью человеческого глаза является сетчатка, содержащая несколько миллионов колбочек и более ста миллионов палочек – клеток, реагирующих на свет. Палочки содержат белок родопсин – зрительный пигмент, отвечающий за сумеречное зрение, чувствительный к свету низкой интенсивности. Колбочки бывают трех типов с разными светочувствительными пигментами – фотопсинами, отвечающими за восприятие красного, зеленого и синего цвета в условиях более яркого освещения. Когда свет определенной длины волны попадает на зрительный пигмент, запускается каскад химических реакций, приводящий к тому, что светочувствительные клетки передают сигнал особым нечувствительным к свету клеткам сетчатки, а те передают сигнал дальше в мозг.
Красный и зеленый фотопсины расположены на Х-хромосоме. У мужчин Х-хромосома одна. Если на этой хромосоме ген одного из фотопсинов мутировал и один из двух белков не работает, то мужчина не сможет различать красный и зеленый цвета. У женщин Х-хромосомы две, поэтому у них есть запасная копия обоих генов, и они значительно реже страдают дальтонизмом.
Многие птицы, рептилии и рыбы – тетрахроматы, то есть имеют четыре типа колбочек с разными пигментами (синим, зеленым, красным и ультрафиолетовым). Большинство млекопитающих – дихроматы. Люди и некоторые родственные нам приматы – трихроматы. Оказывается, наши древние предки утратили два типа зрительных пигментов (синий и зеленый), а ультрафиолетовый пигмент в результате накопленных мутаций стал новым синим (на самом деле мы все еще могли бы видеть ультрафиолет, если бы не хрусталик глаза, непроницаемый для такого света). Потом наши более современные предки приобрели один дополнительный зрительный пигмент (новый зеленый)361, 362. Вот такая непростая эволюция!
Как возник наш зеленый зрительный пигмент? У наших сравнительно недавних предков произошло удвоение (дупликация) гена красного зрительного пигмента. Вместо одного гена появилось два. Когда происходит такое мутационное событие, у естественного отбора возникает замечательная возможность “поэкспериментировать” – гены начинают меняться быстрее обычного. Если раньше мутация, меняющая спектр поглощения красного зрительного пигмента, могла привести к нарушению зрения, то теперь, пока есть запасная копия гена, вторая может свободно мутировать. Если в ходе этого процесса организм научится различать больше цветов (и это будет полезно), мутации зафиксируются естественным отбором. Механизм эволюции путем дупликации генов достаточно распространен363. В случае с красным зрительным пигментом было экспериментально показано, что достаточно заменить в нем всего три аминокислоты, чтобы сделать его зеленым364.
