Дезоксирибонуклеиновый код

Из школы мы помним, что ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это код, шифрующий все живое. Код этот состоит всего из составных блоков, которые называются нуклеотидами, а внутри нулеотидов имеются азотистые основания: А — аденин, Г — гуанин, Т — тимин, Ц — цитозин. По сути, всего четыре буквы как-то умудряются сохранять невероятное разнообразие даже в масштабах одного биологического вида. В 1953 году ученые Френсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс не без помощи рентгенограмм Розалинды Франклин подтвердили гипотезу, что ДНК (наши гены) выглядят как двойная спираль, а в 1962-м получили за это Нобелевскую премию по медицине и физиологии.

Двойная спираль соединяет две нити ДНК по комплементарному принципу — одна сторона кода соответствует другой. Аденин соединяется с тимином, гуанин соединяется с цитозином. В наших клетках нити безустанно раскручиваются и скрепляются в новые. Это и есть рекомбинация ДНК.

Во время процесса рекомбинации случаются ошибки. Мы не машины, и даже наши гены далеко не машины — что-то путается, теряется, заменяется. А еще и окружающая среда влияет на процесс — космические лучи, ультрафиолет. К счастью, у ДНК есть способность к репарации. То есть определенную часть ошибок код лечит у себя сам без всякого вмешательства! Нарушения в этом механизме в том числе влияют на возможность развития рака. К примеру, один авиаперелет на большой высоте без механизма репарации мог бы нанести нашему организму непоправимый вред.

В каждой нашей клетке (во взрослом организме их примерно 100 триллионов) постоянно происходит рекомбинация ДНК — две части нити распадаются и соединяются с новыми азотистыми основаниями по определенным правилам. Некоторые внезапные ошибки организм поправляет сам, но иногда ошибка закрадывается в код еще в процессе формирования самой первой клетки, то есть в момент зачатия, когда мамин кусочек кода встречает папин. Такие ошибки механизм репарации исправить не в силах — он появляется вместе с ними и ничего уже изменить не может. Ошибки в коде (генные мутации, которые можно благодарить за эволюцию) приводят к опасным и неизлечимым заболеваниям. Их не исцелить ибупрофеном и даже операцией. Здесь нам нужен скальпель молекулярного уровня, а лекарством может служить биологическая «программа». Этим и занимается геномная медицина.

Подглядывая за бактериями

Это досадно, но человек вовсе не самое совершенное существо на планете Земля. Во всяком случае, так показывает практика. В природе встречается очень много других, более приспособленных и развитых организмов. Например, бактерии. Конечно, нам будет сложно потягаться с ними хотя бы в том, на сколько миллионов лет эти организмы старше нашего с вами. И хоть мы все же намного сложнее, простейшие далеко не так просты, как кажутся. Тысячелетия эволюции позволили им выработать любопытнейшие механизмы, отвечающие за выживание в агрессивной среде.

Главный враг бактерии — вирус. Он нападает на клетку и впрыскивает в нее свою ДНК. По коварным планам злодея клетка должна видоизмениться и полностью подчиниться его власти. Но бактерии научились защищаться. Они выработали механизм, который выявляет в их генетическом коде вирусный и вырезает его. Далее в работу вступает репарация, то есть система восстанавливается и уже без вредоносного кода в себе продолжает свою работу.

Как бактерия режет свою ДНК? Звучит ведь это достаточно зловеще. Возвращаясь к тому, что такое нить ДНК, мы отмечаем, что речь идет о двух половинках, связанных между собой определенной последовательностью букв. Выявляя в своем коде пораженный вирусом участок (локус), бактерия сама создает еще один маленький фрагмент кода, который соединяется с обозначенным участком и как бы разрывает его. Такая система называется CRISPR/Cas9. Первая часть расшифровывается как «короткие палиндромные повторения, регулярно расположенные группами» (даже ученые все же просто говорят CRISPR), то есть 20 букв — шифр, который бактерия подводит к нити своей ДНК. Cas9 — это белок, который и позволяет бактерии отправить в преисподнюю вредоносный код.

Любопытен также и способ, с помощью которого бактерии определяют поврежденные участки в ДНК. Из поколения в поколение они передают список «жаливших» их вирусов и соответствующих программ, так что внутри каждой бактерии имеется целая энциклопедия опасных кодов — остается лишь в нужный момент с помощью механизма CRISPR/Cas9 выбрать подходящий и вырезать его.

Скальпель для молекул

Возможно, бактерии не хотели делиться своими секретами, но в 2013 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна из Университета Беркли, ничего не спросив у простейших, открыли механизм CRISPR/Cas9 человечеству. В руках ученых оказался скальпель, способный вырезать из генетического кода поврежденный фрагмент, давая возможность нитям залечить свои раны.

Здесь стоит отметить следующее: вообще, ученые уже давно манипулируют ДНК. Кроме углубления в понимание процесса и его модели, они научились секвенировать геном (то есть определять последовательность букв в коде), копировать его. Но до этого момента им все еще было непонятно, как можно «выцепить» конкретный участок гена и провести на нем одном операцию, не трогая остальной шифр. Это стало возможным сейчас, с помощью технологии CRISPR/Cas9. Зная, как в ДНК шифруется болезнь, мы создаем кусочек кода, отправляем его в клетку и вырезаем заразу.

На данный момент группы ученых эффективно испытывают технологию на мышах и приматах. Кроме этого, научные команды в Великобритании и США получили разрешение испытывать CRISPR/Cas9 на людях.

В чем проблема

Начнем с того, что если мы хотим излечить опасное генетическое заболевание, то речь идет о манипуляциях с генетическим кодом всего одной клетки. То есть начинать генную терапию придется на уровне первой клетки, которая дает начало всему организму. Изменение в коде взрослого человека с сотней триллионов клеток выглядит как очень сложная задача, которую, тем не менее, пытаются решить в ходе экспериментов. Недавно ученые в Китае экспериментировали с клетками Т-лимфоцитов пациента, больного раком. Им впервые удалось изменить геном взрослого человека.

Китайские ученые были первыми, кто провел испытания CRISPR/Cas9 на клетках человека. Специалисты создали «биопрограмму», которая вырезает из ДНК человеческих эмбрионов участок, отвечающий за формирование опасной болезни крови — бета-талассемии (разновидность анемии). В результате эксперимента в 5—10% эмбрионов мутация, ответственная за возникновение болезни у взрослых людей, действительно была исправлена. Однако заглянув дальше, ученые увидели, что ДНК эмбрионов оказалась «перекусана» еще в нескольких местах. В будущем наличие этих пробелов может отразиться на организме непонятным на данном этапе образом. Стало очевидно следующее: отправляемый в клетку скальпель-шифр из 20 букв соединяется с предназначенным участком, но также может нарушить нить ДНК в других местах, где совпадения будут на 19 и 18 аминокислот. Это процесс, которым ученые пока не научились управлять.

Нормально ли все это?

А нормально ли в принципе проводить такие опыты на людях? Например, в Китае подобные манипуляции ученым не запрещены, но отчет об их работе отказались публиковать одни из самых главных научных журналов в мире — Nature и Science.

Сами исследователи уже успели поссориться из-за патента на технологию: Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна первыми опубликовали научную статью, однако патент получил Фен Дженг из Института Броуда, который просто воспользовался шансом сделать это в ускоренном режиме.

Ученые, открывшие CRISPR/Cas9, убеждены, что на этот раз не стоит совершать ошибку, не договорившись всем миром заранее об этических принципах экспериментов с генами. Их аргумент прост: пока несовершенная, но очень перспективная технология редактирования генов рано или поздно станет технологией, на которой будут делать бизнес. Где здесь рамки? Остановится ли человечество на лечении генетических заболеваний или пойдет дальше — начнет создавать суперлюдей? Фильмы о будущем обещают нам возможность выбирать цвет глаз для своих детей, но нормально ли это? На эти и другие вопросы пытается ответить специальная комиссия по вопросам генома, организованная после открытия CRISPR/Cas9.

Какой бы сомнительной ни была эффективность, ученые уже начинают испытывать CRISPR/Cas9 на людях, в частности на больных раком.

Фото: singularityhub.com, vlab.org, medistoriya.ru, ytimg.com, sciencemag.org, vice.com.

Тонометры в каталоге Onliner.by

Читайте также:

• «Медицина — очень консервативная область». Белорусский стартап обещает минимизировать врачебные ошибки
• История знаменитых фото. Пионеры в противогазах и первый в мире полет самолета
• Ледовый ужас Кордильер. Как Уаскаранская лавина погубила 40 тысяч человек

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. nak@onliner.by