Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Панчин Александр

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 последовательность [354] . 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.

354

Ivics Z. et al.: Molecular reconstruction of Sleeping Beauty, a Tc1-like transposon from fish, and its transposition in human cells. Cell 1997, 91(4):501–10.

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 рака [355] , но может быть использован и для изучения других функций генов.

355

Collier L.S., Largaespada D.A.: Transposons for cancer gene discovery: Sleeping Beauty and beyond. Genome Biol 2007, 8 Suppl 1:S15.

Примером применения «спящей красавицы» является все та же генная терапия [356] . 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.

356

Aronovich E.L. et al.: The Sleeping Beauty transposon system: a non-viral vector for gene therapy. Hum Mol Genet 2011, 20(R1):R14–20.

Генная терапия позволяет лечить не только наследственные заболевания, но и некоторые формы рака [357] . 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.

357

Schmitt T.M. et al.: T cell receptor gene therapy for cancer. Hum Gene Ther 2009, 20(11):1240–8.

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 меланомы [358] . 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.

358

Clay T.M. et al.: Efficient transfer of a tumor antigen-reactive TCR to human peripheral blood lymphocytes confers anti-tumor reactivity. J Immunol 1999, 163(1):507–13.

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 методами [17] . 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.

17

Brentjens R.J. et al.: CD19-targeted T cells rapidly induce molecular remissions in adults with chemotherapy-refractory acute lymphoblastic leukemia. Sci Transl Med 2013, 5(177):177ra38.

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 успехи [360] , 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.

359

Roth J.A. et al.: p53 tumor suppressor gene therapy for cancer. Oncology (Williston Park) 1999, 13(10 Suppl 5):148–54.

360

Chen G.X. et al.: Clinical utility of recombinant adenoviral human p53 gene therapy: current perspectives. Onco Targets Ther 2014, 7:1901–9.

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!

361

Collin S.P., Trezise A.E.: The origins of colour vision in vertebrates. Clin Exp Optom 2004, 87(4–5):217–23.

362

Jacobs G.H.: Evolution of colour vision in mammals. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2009, 364(1531):2957–67.