Текст уведомления здесь

Грубый, как клешня

После успешного редактирования системой CRISPR-Cas клетки человека рискуют стать раковыми

Клетки человека, успешно отредактированные системой CRISPR-Cas9, скорее всего потом окажутся раковыми — узнали те, кто 11-го числа прочел свежий номер Nature Medicine. На фоне таких новостей стоимость «криспровых» фармкомпаний начала падать. «Чердак» кратко рассказывает о том, что именно напугало биржу биотехнологий, и рушат ли новые данные наши надежды на светлое генно-модицифированное будущее.
Добавить в закладки
Комментарии

Тревожные известия принесли сразу две независимые группы исследователей, статьи которых опубликовал журнал Nature Medicine в начале этой недели. Первая группа исследовала воздействие CRISPR-Cas9 на клетки сетчатки глаза человека, вторая — на плюрипотентные стволовые клетки.

Ученые пришли к одному и тому же выводу: белок p53, который специализируется на регулировании жизненного цикла клетки и не позволяет ей стать раковой, способен противостоять вмешательствам системы CRISPR-Cas в геном. Соответственно, если клетки человека были успешно отредактированы при помощи CRISPR-Cas, у них, с большой вероятностью, ген p53 или совсем не работает, или в результате мутации работает не совсем хорошо, иначе он бы помешал редактированию. А это значит, клети без подобного «противоракового предохранителя» с ненулевой вероятностью станут через некоторое время опухолевыми.

Бег с препятствиями

Система CRISPR-Cas9 — это иммунитет бактерий, они используют ее для борьбы с вирусами и бактериофагами, разрезая их ДНК, словно ножницами. Эту способность ученые открыли в начале 2000-х годов, а в 2012—2013 годах показали, что системы CRISPR-Cas могут работать не только в клетках бактерий.

Cas9 в действии. Источник: Shibata et al. / Nature Communications / CC BY 4.0

Сразу же после этого в воздухе запахло немалыми деньгами: простой и эффективный инструмент редактирования генома сулит огромные завоевания в области медицины и биотехнологий. Теперь мы можем с относительной простотой чинить «поломавшиеся» гены или вовсе заменять одни куски генома на другие.

Помимо сельского хозяйства и прочих сегментов рынка, уже охваченных ГМО, CRISPR-Cas — это еще и перспективный медицинский инструмент, способ лечить наследственные заболевания, причина которых как раз в «поломанных» генах. Поэтому ученые уже не первый год проводят многочисленные испытания системы и на модельных животных, и на клетках человека in vitro, и даже экспериментировали с эмбрионами, готовясь к полноценным клиническим исследованиям.

Капитализация компаний, которые планируют как можно скорее вывести на рынок «криспровые» решения для медицины и биотеха, уже исчисляется миллионами долларов, а за право обладать патентом на систему уже не первый год бьются Институт Броуда (Кембридж, США) и калифорнийский Беркли, в лабораториях которых проводились первые успешные эксперименты по применению CRISPR-Cas в качестве инструмента редактирования геномов клеток животных.

Отчаянный забег в генетически совершенное будущее, однако, отталкивается от веры в то, что правильный инструмент у нас уже есть и для его доработки осталось буквально чуть-чуть. Но на этом пути уже появлялись неожиданные препятствия. Так, в 2017 году эксперименты с мышами показали, что применение CRISPR-Cas9 к конкретному гену вызывает множество непредвиденных мутаций в генах, которые не были целью системы. Тогда молекулярные биологи нервно вздрогнули, но — обошлось, примерно год спустя воспроизвести эксперимент не удалось, и статья была отозвана.

О новой проблеме в январе 2018 года сообщили биологи из Стэнфорда. Дело в том, что вторая часть системы — белок Cas9 — чаще всего берется из стафилококка S. aureus или стрептококка S. pyogenes. Обе бактерии — давний враг рода человеческого, поэтому ученые задались вопросом, не будет ли организм человека расправляться и с извлеченным из них Cas9. Опасения подтвердились, что, однако, не слишком обеспокоило ни исследователей, ни предпринимателей, ведь клетки изымаются из организма, редактируются с помощью CRISPR-Cas9, а затем возвращаются обратно уже без посторонних компонентов, так что вероятность иммунного ответа минимальна. К тому же можно применять и другие типы Cas9 — от менее патогенных бактерий. И вот — опять?

В понедельник, после выхода уже упомянутых статей, акции трех крупных фарм, занимающихся разработкой «криспровых» технологий, резко пошли вниз, и одна из них, CRISPR Therapeutics, до сих пор не оправится от удара.

Как отреагировала биржа NASDAQ на новости в Nature Medicine. Графики отображают стоимость акций трех биотехнологических компаний: CRISPR Therapeutics (розовый), Editas (голубой) и Intellia Therapeutics (фиолетовый). Красным обозначен сводный профильный индекс NASDAQ Biotechnology. Изображение: Yahoo Finance
Как отреагировала биржа NASDAQ на новости в Nature Medicine. Графики отображают стоимость акций трех биотехнологических компаний: CRISPR Therapeutics (розовый), Editas (голубой) и Intellia Therapeutics (фиолетовый). Красным обозначен сводный профильный индекс NASDAQ Biotechnology. Изображение: Yahoo Finance

Результат новых исследований ученых из США и Швеции, по словам доктора биологических наук, профессора Сколковского института науки и технологий и Университета Ратгерса в США Константина Северинова, нельзя считать неожиданным, так как научное сообщество хорошо осведомлено о специфических свойствах гена p53.

Для этого надо вновь вернуться к истории о том, зачем нужен белок р53. Дело в том, что ДНК животных и человека повреждается в течение жизни естественным образом. Воздействие продуктов клеточного метаболизма, радиации и химических веществ может «выбивать» или химически изменять в ДНК азотистые основания, «сшивать» цепи ДНК или, наоборот, разрывать одну или обе ее нити. К счастью, клетки умеют бороться с повреждениями, запуская сложный механизм починки поврежденного генома. А если «зашить» разрыв не удается, то клетки программируемо самоуничтожаются. Запускает апоптоз, т. е. клеточную гибель, как раз белок p53.

Клетке все равно, разрывается ли цепь ее ДНК от естественных причин или в результате манипуляций генного инженера. И то и другое она воспринимает как повреждение, и в дело вступает p53, запуская процесс клеточного самоубийства. В результате большинство клеток, в которых сработал CRISPR-Cas9, уничтожаются.

Этот феномен может объяснить то, что ученые обнаруживали раз за разом в различных клетках: «выгрызающий» часть генома CRISPR-Cas9 работает довольно неэффективно, то есть редактирование наблюдается только у небольшого количества клеток, в которые он вводится.

— Какое-то время уже было известно, что эффективность редактирования сильно зависит от того, в каких клетках вы это делаете, — объясняет Константин Северинов. — В плюрипотентных эмбриональных клетках редактирование идет неэффективно, а в некоторых других эффективность очень высокая. В одной из [вышедших 11-го числа] работ ученые показали, что те немногие эмбриональные клетки, в которых редактирование все же произошло, имели мутацию в гене p53.

Другими словами, если клетка пережила редактирование, то ген p53 в ней, вероятнее всего, был испорчен, и, по словам Северинова, это делает ее потенциально онкогенной. Соответственно, после процесса редактирования какое-то, возможно весьма значительное, количество клеток будет иметь не только желаемое изменение, введенное в ходе редактирования, но и испорченный ген белка p53.

Но ничего по-настоящему страшного, говорит ученый, в этом нет. Выход Северинов видит в том, чтобы просто тщательнее проверять отредактированные клетки и убеждаться, что в них не поврежден ни ген p53, ни другие гены-онкосупрессоры. Это не сильно затормозит внедрение технологии, хотя и потребует дополнительных затрат времени и усилий — придется тщательно перебирать клоны, получившиеся в процессе редактирования.

— Не все отредактированные клетки имеют испорченный ген p53. Есть те, у которых он нормальный. Значит, придется проверять больше клеток — продуктов редактирования и отбирать только нужные клетки. В любом случае золотой стандарт применения технологии CRISPR-Cas включает полногеномное секвенирование отредактированных клеток, поэтому это не будет большой проблемой, — говорит Северинов.

Проблема, по его словам, лежит в другой плоскости. Сейчас Cas9 используют не столько для редактирования конкретных генов, сколько для проведения широкомасштабных генетических скринов в ходе научных исследований.

— CRISPR-Cas позволяет создавать библиотеки клеток, в которых, например, изменена или выключена функция каждого из десятков тысяч генов, которые есть у человека. С помощью таких библиотек ищут гены, изменения в которых приводят к раковому перерождению, лекарственной устойчивости и т.д. Для правильной интерпретации результатов вы должны быть уверены, что в ходе редактирования вы изменили только целевые гены и ничего больше. Если параллельно с изменением какого-то гена вы заодно изменили и p53, то вы не сможете сказать, что ответственно за изменение клетки — конкретный ген или совокупный эффект его изменения плюс изменения p53, а может, чего-то еще. Но это проблема не практической медицины, а достоверности научных исследований, — пояснил ученый.

Заведующий лабораторией геномной инженерии МФТИ Павел Волчков к этому добавляет, что генная инженерия в медицине движется в сторону более щадящих методов работы с ДНК — без внесения двойных разрывов, например путем точечной замены нуклеотидов в цепи ДНК.

— Для всех было изначально очевидно, что двухцепочечные разрывы вызывают остановку клеточного цикла, а вся система репарации на этом и основана, — говорит он. — Если бы p53 не останавливал клеточный цикл, то мы не могли бы эффективно осуществлять гомологичную рекомбинацию по месту произведения двухцепочечных разрывов. На самом деле мы уже уходим от этой условно варварской манипуляции с двухцепочечным разрывом. Он сейчас используется, потому что это первое, что было открыто. [А это] то, для чего эффекторы у бактерий и созданы — уничтожать вирусы путем разрезания их ДНК и РНК. [В инструментах же нового поколения] тоже нужна стадия репарации, «починки» генома, но не через стадию двухцепочечных разрывов. Просто нуклеотид меняется на аналог, который не используется в ДНК, но при последующем синтезе ДНК этот нуклеотид будет считан как, допустим, аденина. И, соответственно у вас [при копировании этой цепи] произойдет изменение нуклеотида, — поясняет Волчков.

CRISPR-Cas редакторы генома, которые действуют без внесения двойного разрыва ДНК, с меньшей вероятностью вызовет реакцию p53. Поэтому полностью хоронить медицинские проекты «на движке» CRISPR-Cas не стоит. Хотя те из них, что предполагают внесение именно двухцепочечных разрывов, теперь будут вынуждены утроить свою бдительность при отборе отредактированных клеток и, возможно, как-то еще убедить и инвесторов, и регулирующие институты, и потенциальных клиентов в том, их инструменты не вызывают рак.

Прямо сейчас, по-видимому, именно этим и заняты в CRISPR Therapeutics, где были вынуждены приостановить клинические испытания своего «криспрового» лекарства от серповидноклеточной анемии (которое, собственно, как раз опирается на внесение двухцепочечных разрывов в ДНК) до тех пор, пока не убедят в его безопасности Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA), выдающее разрешение на подобные испытания.

На России эти события пока вряд ли как-то отразятся. Пока что манипуляции с геномом человека и его эмбрионов в нашей стране, как сказал в марте «Чердаку» директор Института живых систем БФУ им. Канта Максим Патрушев, прямо ни запрещены, ни разрешены — они вообще «находятся вне системы регулирования». Запрещено лишь создание эмбрионов в целях производства биомедицинских клеточных продуктов. Что же российские чиновники считают правильным подходом в генной и ГМ-клеточной терапии, мы узнаем, по-видимому, в ноябре этого года, когда Минздрав представит свои предложения по исследованиям и регистрации продуктов, предполагающих изменение генома человека.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Крылья, ноги, хвост… Главное — многоразовость!

Почему Россия наконец повернулась к многоразовым ракетам лицом и что из этого выйдет

Илон Маск считает, что многоразовые ракеты должны садиться на хвост, опираясь при этом на «ноги». Часть российских ракетчиков — что первым ступеням лучше планировать на крыльях и садиться на шасси. Другая их часть — что выгоднее всего парашют. Кто прав и кто на самом деле выиграет гонку за многоразовость?
Добавить в закладки
Комментарии

Несколько лет назад в нашей космической отрасли было трудно найти более «однозначную» тему, чем многоразовые ракеты. Практически все отечественные специалисты, чья позиция освещалась СМИ, говорили одно и то же: опыт шаттлов показал, что многоразовые носители дороже одноразовых. Поэтому смысла идти в русле решений SpaceX, создавая многоразовые первые ступени для ракет и многоразовые же космические корабли, особо нет.

За этим последовали 2016—2017 годы, когда SpaceX впервые запустила «бэушную» ракету — и все быстро изменилось. Фонд перспективных исследований объявил о том, что в России создается сверхлегкий носитель с многоразовой первой ступенью, оснащенной крыльями. Однако при внимательном рассмотрении выясняется, что новый проект — это уменьшенный «Байкал», концепция которого была представлена еще в 2001 году. Есть ли у проекта, возникшего 17 лет назад, шансы догнать уходящий поезд многоразовости?

Какие плюсы у возврата ступени на крыльях

Любая первая ступень ракеты взлетает на десятки километров, то есть имеет очень большую «даровую» энергию, которую можно использовать для возврата к космодрому. Она может просто спланировать от точки разделения со второй ступенью до посадочной полосы. Но у обычной ступени очень плохая аэродинамика — это просто цилиндрический бак от горючего и окислителя, он далеко не спланирует. Поэтому еще в 2001 году родился проект «Байкал». Его первая ступень должна была оснащаться большим прямоугольным крылом, которое на старте оставалось сложенным, а после отделения второй ступени и полезной нагрузки разворачивалось и позволяло первой ступени нормально планировать. [ ... ]

Читать полностью

Как на Урале строили первый в СССР промышленный ядерный реактор

19 июня 1948 года под Челябинском заработал первый в СССР промышленный ядерный реактор

Реактор с кодовым обозначением А-1 решили построить между озерами севернее Челябинска, где впоследствии вырос закрытый город Озерск, подальше от любопытных глаз. Предназначен он был не для получения электричества. Первую в мире АЭС запустили только в 1954 году, а в А-1 собирались синтезировать плутоний. Как возводили один из ключевых военных объектов страны — в материале «Чердака».
Добавить в закладки
Комментарии

Атомы плутония-239 легко распадаются и, если собрать достаточно много радиоактивного металла в одном месте, позволяют запустить цепную реакцию с лавинообразным выделением энергии. Ядерное оружие, которое в 1945-м появилось у США и спешно разрабатывалось в СССР, требует именно таких материалов: плутония-239 или урана-235. Но уран-235 оказалось крайне сложно выделять из природного сырья, где преобладает уран-238. Плутоний-239 физики сочли более перспективным: его нет в природе, зато его можно синтезировать в ядерных реакторах.

Активная зона уран-графитового реактора. Фото: Игорь Кубединов / ТАСС
Активная зона уран-графитового реактора. Фото: Игорь Кубединов / ТАСС

Что значат числа рядом с элементами?

Число после названия элемента обозначает общее количество протонов и нейтронов в атомном ядре. У каждого элемента есть строго определенное число протонов, а нейтронов встречается то больше, то меньше. Эти разновидности, отличающиеся количеством нейтронов, называются изотопами элементов.

Новые распоряжения и сорванные сроки [ ... ]

Читать полностью

Живые сенсоры

Что окольцованные птицы и животные могут рассказать нам об окружающем мире

В августе на МКС заработает антенна российско-германского проекта ICARUS, при помощи которой ученые будут отслеживать передвижения птиц и животных. «Чердак» встретился с орнитологом Мартином Викельски, руководителем ICARUS, чтобы узнать, как проходит последний этап подготовки к запуску проекта, как сегодня окольцовывают птиц и животных и как козы предсказывают землетрясения.
Добавить в закладки
Комментарии

— Мартин, вы работаете над проектом ICARUS. Что это за проект?

— Проект ICARUS (International Cooperation for Animal Research Using Space — Международное сотрудничество по изучению животных при помощи космоса) — это совместный российско-германский проект, обе стороны вносят равный вклад в его реализацию. Со стороны России есть потрясающие космические системы, со стороны Германии — технологические разработки. Очень важно, что мы можем реализовать этот проект действительно быстро, потому что оборудование для проекта — антенна и бортовой компьютер — доставлено на МКС. Мы одни из первых, кто делает интернет вещей через спутниковые системы. По сути, это CDMA, множественный доступ с кодовым разделением каналов, такая цифровая коммуникация между космосом и землей в упаковке.

Проект посвящен изучению животных. Это очень важно еще и потому, что животные — наиболее совершенные «датчики» изменений в окружающем мире. Созданные человеком устройства хороши, они могут быть очень сложными, но животные чувствуют изменения в природе миллионы лет — они всегда лучше «покажут», если что-то начнет меняться в окружающей среде.

Мартин Викельски. Фото: Алиса Веселкова / Chrdk.

Мартин Викельски. Фото: Алиса Веселкова / Chrdk.

[ ... ]
Читать полностью