Разрушение генома как побочный эффект.

Когда исследователи работают с технологиями Crispr-Cas9, они должны балансировать между безопасностью и большей эффективностью метода. Источник.

Предсказанное фантастами редактирование генома давно вышло из-под покровов таинственности. Уже не где-то в закрытых лабораториях, а просто на грядках обычного человека можно встретить специфически модифицированные растения, с которыми селекция в том виде, к какому мы привыкли, имеет мало общего. Теперь технологии добрались и до медицинских задач. Стремительно развивается метод изменения генов посредством различных молекулярных комплексов — CRISPR-Cas. Этот механизм был заимствован у бактерий, которые таким образом отбиваются от вирусов. Сегодня по всему миру сотни лабораторий работают над его усовершенствованием для скорейшего внедрения в клиническую практику.

Позволяя изменять отдельные элементы генетической последовательности точно и целенаправленно, CRISPR-Cas обладает просто огромным потенциалом. Основанное на этом подходе лечение уже используется в борьбе с раком и наследственными заболеваниями. Это та самая фантастическая генная терапия.

Будучи не одним инструментом, а целым набором различных приспособлений, этот метод имеет в своём арсенале так называемые генетические ножницы — молекулярный комплекс CRISPR-Cas9, использующийся наиболее широко. В отличие от более новых методов редактирования, он способен разрезать двухцепочечную ДНК там, где необходимо внести изменения.  

Такое повреждение активирует в клетке два естественных механизма восстановления, что и становится лазейкой для редактирования. Дело в том, что один из механизмов быстро восстанавливает концы повреждённой ДНК, но, не обладая достаточной точностью, может делать только это. Другой же ответ клетки довольно точен, но весьма замедлен и к тому же далеко не во всех случаях активируется. А самое главное, для точного восстановления ДНК второму механизму требуется шаблон.

Медленный вариант называется гомологичным восстановлением, и он позволяет точно интегрировать отдельные сегменты цепочки в нужную область гена. Такая лазейка позволяет очень гибко использовать этот метод для восстановления различных генов, вызывающих заболевания.

«В принципе, его можно использовать для лечения любого заболевания», — говорит Джейкоб Корн, профессор биологии генома в Высшей технической школе Цюриха (ETH Zürich), вырастившей 21 нобелевского лауреата.

Взлёт и падение.

Да, гомологичный вариант крайне выгоден, но запускается не всегда. Чтобы заставить клетку использовать именно его, учёные стали блокировать «ремонт на скорую руку» посредством специальной молекулы AZD7648. В принципе, такой ход вполне способен обеспечить ускорение разработки более эффективных методов генной терапии, первые исследования которых прошли, к общей радости, весьма успешно.

Однако, как оказалось, слишком успешно, чтобы быть правдой.

Исследовательская группа под руководством профессора Корна обнаружила, что применение AZD7648 имеет серьёзные побочные эффекты. Исследование было опубликовано в журнале Nature Biotechnology.

AZD7648 отлично выполняет свою работу, способствуя точному восстановлению повреждённого участка ДНК, а значит и точному редактированию генов. Однако в значительной части клеток такая модификация привела к масштабным изменениям и повреждениям целевой части генома. Обнаружено, что ввод этой молекулы привёл к простому удалению тысяч и тысяч оснований ДНК — её строительных блоков. Исследователи пишут, что в некоторых случаях отламывались целые участки хромосом, делая геном крайне нестабильным. Словом, редактирование с помощью этой технологии влечёт непредсказуемые последствия для клеток.

«Когда мы проанализировали геном в тех местах, где он был отредактирован, он выглядел правильно и точно. Но когда мы проанализировали геном в целом, мы увидели масштабные генетические изменения. Их не видно, если анализировать только короткий отредактированный участок и его непосредственное окружение», — поясняет первый автор исследования Грегуар Кулло, научный сотрудник группы Корна.

Масштабы ущерба.

Учёные были обескуражены: масштабы негативных последствий были слишком велики. Мало того, в действительности, есть основания подозревать, что полная картина ущерба пока даже и не видна. При анализе модифицированных клеток обычно рассматривался не весь геном, а только отдельные участки, а значит необходимы новые тесты, подходы и правила, чтобы выяснить степень и потенциал ущерба.

Зловещий акцент проблеме придаёт ещё и тот факт, что, пока вы читаете эту статью, молекула AZD7648 проходит клинические испытания в качестве возможного средства против рака. Отчасти поэтому результаты исследований, показавшие насколько эффективным и точным является редактирование генов CRISPR-Cas9 при добавлении этой чудо-молекулы, так воодушевляли.

«Это вызвало у нас подозрения, и мы присмотрелись повнимательнее», — говорит профессор Корн.

Была проанализирована последовательность строительных блоков ДНК не только вокруг отредактированного участка, но и в более широкой среде. Уже на таком участке обнаружились не просто нежелательные, но даже катастрофические побочные эффекты от использования злосчастного ингибитора.

«…Не всё так замечательно, — говорит Корн. — Для нас это серьёзная неудача, потому что, как и другие учёные, мы надеялись использовать новую технологию для ускорения разработки генной терапии».

Команда впервые описала эти неприятности в своей статье, вышедшей чуть больше недели назад, но, хвала богам, мир тесен, и их коллеги стали критичнее проверять итоги своих исследований ещё до выхода означенной публикации. Они также планируют опубликовать свои результаты, но уже известно, что худшие опасения нашли подтверждение.

«Мы призываем к осторожности при использовании этой молекулы для редактирования генома, — заявляет Кулло. — Требуется широкомасштабное тестирование, чтобы выяснить, как геном реагирует на редактирование с использованием этой молекулы».

Конец формы

Новое начало.

Тем не менее исследователи не теряют оптимизма, считая, что это вовсе не конец методу редактирования генов с помощью CRISPR-Cas, а начало дальнейших достижений. Так, возможно, потенциальную опасность удастся предотвратить, используя не одну молекулу для стимуляции гомологичного восстановления, а целый коктейль из разных веществ.

«Есть много возможных кандидатов. Теперь нам нужно выяснить, из каких компонентов должен состоять такой коктейль, чтобы не повредить геном, — говорит профессор. — Развитие любой новой технологии — тернистый путь. Споткнуться — вовсе не означает отказаться».

И действительно, перспективы системы CRISPR-Cas достойны того, чтобы засучить учёные рукава. Генная терапия на её основе уже успешно применяется в клинической практике. Например, в последние годы сто пациентов, страдающих наследственным заболеванием — серповидно-клеточной анемией, — прошли лечение с помощью CRISPR-Cas. Причём без AZD7648.

«Все пациенты считаются излечившимися, и у них нет побочных эффектов, — говорит Корн. — Поэтому я с оптимизмом смотрю на то, что подобная генная терапия станет общепринятой. Вопрос в том, какой подход является правильным и что нам нужно сделать, чтобы сделать эту методику безопасной для как можно большего числа пациентов».

АРМК, по материалам ETH Zurich.