С помощью системы генетического редактирования CRISPR/Cas эмбрионы человека избавили от мутации, вызывающей болезнь сердца.

В 2015 году в журнале Protein & Cell появилась без преувеличения эпохальная статья китайских исследователей, в которой они описывали, как им удалось отредактировать гены в человеческом эмбрионе. Использованные в экспериментах эмбрионы изначально не смогли бы развиваться, как надо – яйцеклетки были оплодотворены сразу двумя сперматозоидами, а в таких случаях дальше самых-самых первых этапов эмбриогенеза дело не идет – так что результаты лишь указывали на возможность подобной процедуры с человеческим материалом. Тем не менее, сразу после выхода статьи среди специалистов в генной инженерии и биотехнологии возникал бурная дискуссия о том, этично ли вот так вмешиваться в человеческие гены.

Встреча человеческого сперматозоида и человеческой яйцеклетки. (Фото Dennis Kunkel Microscopy, Inc. / Visuals Unlimited / Corbis.)

Эмбрионы человека после редактирования генов продолжили делиться, как ни в чем не бывало. (Фото: Oregon Health & Science University.)

Шухрат Миталипов. (Фото: Leah Nash / NYT / Redux / eyevine.)

Заодно масса людей узнала про метод CRISPR/Cas – именно с его помощью правили гены у эмбриона. Этот метод мы неоднократно описывали, так что сейчас напомним лишь, что изначально систему CRISPR/Cas обнаружили в бактериях, у которых она служит для защиты от вирусов; впоследствии же оказалось, что молекулярную машину CRISPR/Cas можно использовать для точного исправления последовательности ДНК в клетках животных и растений (впрочем, насчет точности метода в последнее время появляются некоторые сомнения). Перспективы у CRISPR/Cas оказались настолько заманчивыми, что исследователи все-таки решили, что можно использовать метод и с человеческими зародышами. И вот сейчас, спустя два года после пресловутой статьи в Protein & Cell выходит статья в Nature, в которой описывается, как человеческий зародыш с помощью CRISPR/Cas избавили от опасной мутации, приводящей к сложному сердечному расстройству.

Шухрат Миталипов и его коллеги из Орегонского университета науки и здоровья взяли более ста яйцеклеток, чтобы оплодотворить их сперматозоидами, у которых была мутация в гене MYBPC3. Дефекты в этом гене ведут к развитию гипертрофической кардиомиопатии: стенка сердечной мышцы становится ненормально толстой, волокна в ней располагаются неправильно, в итоге нарушается ритм сокращений, возникает сердечная недостаточность и т. д. Мужчине, чьи сперматозоиды использовали в эксперименте, из-за генетической кардиомиопатии в свое время пришлось поставить имплантат-дефибриллятор. Цель же исследователей была в том, чтобы получить эмбрионы без мутации в MYBPC3.

Молекулярный аппарат для редактирования генов вводили в оплодотворенную яйцеклетку, причем в некоторые яйцеклетки CRISPR/Cas вводили сразу же после оплодотворения, а в другие – спустя несколько часов. Редактирующая машина должна была исправить мутацию в отцовских генах. Яйцеклетка после прибытия сперматозоида какое-то время ждет, осваиваясь с полученным «грузом», а потом начинает подготовку к делению. Перед делением вся ДНК удваивается, соответственно, в эмбрионе появляется вторая копия мутантного гена. Если редактирующая машина войдет в зародыш чуть погодя, ей надо будет исправить дополнительную копию нужного гена, но она не всегда это делает – в результате получается то, что называется мозаицизмом: у эмбриона есть две разные копии одного и того же гена, и впоследствии какие-то клетки получают нормальную версию, а какие-то – мутантную. Предварительные опыты с мышиными эмбрионами показали, что если ввести CRISPR/Cas-редактор почти одновременно с оплодотворением, то мозаицизма можно избежать. Новые эксперименты это только подтвердили: из 58 яйцеклеток, которым вводили CRISPR/Cas сразу после оплодотворения, у 42 зародышей редактирование прошло успешно, а мозаичным по редактируемому гену оказался только один. С другой стороны, среди 54 эмбрионов, которым вводили редактирующую машину через 18 часов после оплодотворения, мозаичными оказались целых тринадцать. (Сами редактирующие молекулы, сделав свое дело, быстро распадались.)

Важно подчеркнуть, что здесь зародыши были абсолютно нормальными, в них не было никаких хромосомных аномалий, как в зародышах из китайской статьи, и, в принципе, если бы их пересадили женщине, из них могли бы получиться здоровые дети без мутации и без кардиомиопатии. С другой стороны, легко заметить, что эффективность метода CRISPR/Cas не стопроцентная – лишь 75% эмбрионов удалось избавить от мутации. Если же говорить о возможном применении CRISPR/Cas в клинике, то крайне желательно, чтобы он работал во всех зародышах, а не в 75%.

Наконец, есть известная проблема точности CRISPR-редактирования, о которой мы писали буквально на днях. Авторы работы уверяют, что никакого «левого редактирования» в подопытных эмбрионах не случилось. В то же время сама мутация в гене MYBPC3 была достаточно редкой: действительно, изменения в MYBPC3 обычно оказываются наиболее вероятной причиной гипертрофической кардиомиопатии, но ведь изменения в ДНК могут быть разными. И в некоторых случаях, нацеливая машину CRISPR/Cas на какой-нибудь дефект в нужном гене, мы можем вдруг обнаружить, что похожие цели есть и в других участках нашей необъятной ДНК, только в других участках они никакие не дефекты.

Но в целом исследователи добились своей цели – они показали, что редактирующий метод CRISPR/Cas работает на здоровых эмбрионах, которые могут нормально развиться. И даже если до клиники дело не дойдет, из таких экспериментов можно получить массу полезных данных. Например, сейчас вдруг удалось увидеть, что зародыши исправляют свою ДНК после вмешательства CRISPR/Cas не так, как другие клетки. Ферменты системы CRISPR/Cas вырезают фрагмент ДНК с мутацией, так что клетке приходится ставить тут заплатку. В качестве шаблона для заплатки вместе молекулярным редактором в клетку запускают образец – кусочек ДНК с нужной последовательностью, на основе которой клетка латает собственную хромосому; и именно так делают, например, стволовые клетки. Зародыши же поступают иначе – они не обращали никакого внимания на ту ДНК, которую им ввели извне, используя материнские хромосомы в качестве образца для заплатки на хромосомы отцовские.