Що таке геном і для чого його редагувати?

18:21 18 жовтня Київ, Україна

Геном - це сукупність всієї генетичної інформації в клітині - генів і некодованих ділянок, простіше кажучи код життя всередині всіх живих організмів. Зазвичай генетична інформація закодована у вигляді послідовності чотирьох нуклеотидних азотистих основ - аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну в структурі молекули ДНК. Втім гени деяких вірусів, які не є клітинами, записані в молекулі РНК, в якій тимін замінений урацілом, але це теж називається геномом. Послідовності цих основ, яких в геномі може бути багато мільярдів, визначають структуру і функціонування організму. І навіть заміна однієї основи може привести до генетичних захворювань.

А для чого його редагувати?
У 90-х роках минулого століття технології досягли такого рівня, що ми навчилися з достатньою точністю визначати нуклеотидні послідовності, і зробили це з геномами багатьох організмів, в тому числі і людини. Але "прочитати" геном - не означає зрозуміти його. Щоб визначити, що кодують окремі послідовності, вчені їх спочатку вимикають. Схоже, якби ви хотіли зрозуміти, як працює інопланетний радіоприймач, і по черзі відключали б кожну деталь. Редагування генома надає цю можливість, тому є важливим інструментом дослідження в генетиці. Крім цього, за допомогою редагування можна створювати модельні організми, які мають необхідні для дослідження певного питання властивості.
Ну а одним з найбільш цікавих і спірних застосувань цих технологій є, звичайно, ж лікування захворювань, в основному генетичних. Суть полягає у виправленні помилкових генів або наданні клітці відсутніх функцій. Такі методи лікування вже зараз існують. Наприклад, низка країн схвалила для використання терапію спінальної м'язової дистрофії препаратом "Золгенсма" за допомогою методу редагування генома.
 
Чи можна за допомогою зміни геному вилікувати будь-які генетичні захворювання?
Дослідження з використанням технології редагування генома людини головним чином зосереджені на винаході лікування онкологічних і спадкових хвороб, що мають чіткий генетичний фактор, на який можна націлюватися. Однак поки мова переважно йде тільки про моногенні захворювання, коли хворобу викликає один або два дефектних гени. У такому випадку мета зрозуміла. Але немало захворювань є результатом складної взаємодії різних генів і факторів навколишнього середовища, наприклад, шизофренія або цукровий діабет. Поки невідомо, як вилікувати такі захворювання, особливо із застосуванням технологій редагування генома.
Редагуючи геном, ми змінюємо конкретних особин або їхнє майбутнє потомство?
Модифікації генома можуть передатися потомству тільки в разі, якщо зміни внесені в зиготу або статеві клітини - яйцеклітини або сперматозоїди. Вчені поки що не схвалюють проведення таких втручань, оскільки нам все ще не вистачає необхідних знань про безпеку геномного редагування. Але в основному для лікування захворювань досить внести зміни тільки в певну групу соматичних клітин, наприклад, клітини крові, які не можуть передатися у спадок. Тому в такому випадку ми міняємо тільки конкретних особин, а не їхнє майбутнє потомство.

Ну а як редагують геном? Це про технологію CRISPR?
Способів змінити геном багато, але найпопулярнішими є методи "цинкових пальців", TALEN і CRISPR. Приводом для Нобелівської премії 2020 стала саме остання з них і найсучасніша технологія - CRISPR, яка дозволяє вносити дуже точні зміни в геном.
Ця технологія не є стовідсотковим винаходом вчених, вони її підгледіли у бактерій і архей, що протягом багатьох мільйонів років використовували систему CRISPR для захисту від вірусів. Вона розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, що в перекладі означає короткі кластерні паліндромні повтори. Назва чітко зображує суть: в геномі бактерій є ділянка з повторюваними фрагментами, які поділяють унікальні ділянки. Останні є частинками генома вірусів, які колись проникли в клітини, але були приборкані, а їхні фрагменти вбудовані у власний геном організму, щоб в майбутньому мати можливість розпізнати збудника. Це як фоторобот. Коли мікроорганізм знову атакує якийсь вірус, то його знаходять білки Cas, що несуть інформацію у вигляді РНК про вірусні фрагменти з ділянки CRISPR. Якщо ця інформація збігається з фрагментом ДНК або РНК нового вірусного нападника, то Cas його розпізнає, розрізає і в кінці знешкоджує вірус.
 
Нинішні нобелівські лауреати Еммануель Шарпентьє і Дженніфер Дудна 2012 описали технологію, завдяки якій CRISPR / Cas можна використовувати, щоб націлено розрізати молекули ДНК в будь-яких клітинах. Вони показали, що білку Cas замість вірусного фрагмента можна внести РНК, відповідну області ДНК, яку потрібно розрізати в геномі. Наприклад, дефектний ген. Крім молекули з "фоторобота" цільової послідовності, в клітку вводять молекулу-зразок, за яким розрізана ДНК буде виправлена вже правильним чином. Принцип роботи технології редагування CRISPR є відносно простим, дешевим і точним, щоб нею могли користуватися численні лабораторії в усьому світі, тому багато вчених покладають на неї великі надії.
А міняти людський геном взагалі законно?
Уряди країн по-різному ставляться до таких технологій. Наприклад, в більшості з них заборонені експерименти з модифікацією людських ембріонів, і ситуація ще більше ускладнилася після заяви китайського дослідника Хе Цзянькуя. В кінці 2018 він повідомив, що провів зміни геному ембріонів, в результаті яких на світ з'явилися дві дівчинки, стійкі до ВІЛ. А в цьому році Міжнародна комісія з клінічного використання редагування генома людських клітин зародкової лінії в своїх рекомендаціях сильно обмежила доцільні випадки зміни ембріонів і статевих клітин. Однак вчені знаходять лазівки і цілком законно ставлять досліди з людськими ембріональними клітинами, які не мають шансів стати дітьми.