Текст книги "Трещина в мироздании"

Дженнифер Даудна, Сэмюел Стернберг;Пер. САнгл. С.
Трещина в мироздании
Редактирование генома: невероятная технология, способная управлять эволюцией

© Jennifer A. Daudna, Samuel H. Sternberg, 2016

© С. Ястребова, перевод на русский язык, 2019

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2019

© ООО “Издательство Аст”, 2019

* * *

Нашим родителям, Дороти и Мартину Даудна (Дж. Д.)

и Сюзанне Ниммрихтер и Роберту Стернбергу (С. С.)

Наука не представляет себе глубины собственного воображения.

Ральф Уолдо Эмерсон

Пролог
Волна

Мне снится, что я стою на берегу моря.

По обе стороны от меня длинная полоса светлого песка с вкраплениями темных песчинок простирается вдоль воды, очерчивая большую бухту. Я осознаю, что это берег гавайского острова, на котором я выросла, – край бухты Хило, где я когда-то проводила выходные с друзьями, наблюдая за соревнованиями по гребле на каноэ или разыскивая ракушки и стеклянные шары, упавшие за борт с японских рыболовецких судов и иногда выносившиеся на берег волнами[1]1
  Имеются в виду кухтыли – поплавки для сетей. В наши дни они обычно пластиковые, но раньше выдувались из стекла в виде больших полых шаров (примеч. науч. ред.).


[Закрыть].

Но сегодня тут не видно ни друзей, ни каноэ, ни рыболовецких суденышек. Берег пуст, песок и вода неестественно спокойны. За волнорезом лучи света нежно играют на поверхности океана, будто хотят унять мой страх, зародившийся еще в детстве, – страх, преследующий каждого жителя города Хило независимо от его возраста. Пока я была ребенком, на остров ни разу не приходили волны цунами, но все мы видели фотографии. Мы знаем, что город находится в зоне затопления.

Как по заказу, вдалеке появляется она. Волна.

Сначала она совсем небольшая, но с каждой секундой растет, возвышается передо мной стеной, ее пенистые гребни заслоняют небо. За ней – другие волны, и все они катятся по направлению к берегу.

Я скована страхом – но, когда цунами подходит ближе, ужас уступает место решимости. Позади себя я замечаю небольшую деревянную хибарку. Она принадлежит моей подруге Пуа, и перед ней валяется множество досок для серфинга. Я хватаю одну из них и плюхаюсь в воду, выгребаю в бухту, огибаю волнорез и направляюсь прямо в набегающие волны. Я успеваю поднырнуть под первую из них до того, как она настигнет меня, и, оказавшись по другую сторону от нее, скатываюсь по второй волне. В эти мгновения я наслаждаюсь открывшимся видом. Он прекрасен: гора Мауна-Кеа, а за ней – Мауна-Лоа, устремляются ввысь, в небо, защитными стенами возвышаясь над бухтой.

Я зажмуриваюсь – и открываю глаза в своей спальне в Беркли, штат Калифорния, за тысячи миль от дома, в котором выросла.

Сейчас июль 2015-го, и это самый захватывающий, самый ошеломительный год моей жизни. Я уже давно вижу подобные сны, но теперь мне легко распознать их глубинный смысл: берег – это мираж, но волны и клубок эмоций, которые они вызывают – страх, надежда, трепет, – чрезвычайно реалистичны.

Меня зовут Дженнифер Даудна. Я биохимик, и большую часть своей карьеры я провела в лаборатории, исследуя вещи, о которых большинство неспециалистов ничего не слышали. Однако в последние лет пять я оказалась вовлечена в работу, которую можно считать подлинным прорывом в науках о жизни, и теперь их развитие невозможно удержать в стенах какого бы то ни было исследовательского центра. Меня и моих коллег захватила непреодолимая сила, мало чем отличающаяся от цунами моих снов – с той лишь разницей, что в реальности эти волны помогла вызвать я сама.

К лету 2015-го года биотехнологический метод, который я помогла разработать всего за несколько лет до этого, набрал в своем развитии такую скорость, какую я и представить себе не могла. И возможные последствия его применения обретают подлинно сейсмический масштаб – не только для медико-биологических наук, но и для жизни на Земле в целом.

Эта книга – история развития этого метода и моя собственная история. И ваша тоже. Пройдет не так много времени, прежде чем плоды, которые принесет новая технология, окажутся и у вас на пороге.

Люди тысячелетиями изменяли окружающий мир ради своих целей, но результаты их деятельности никогда не были настолько масштабными, как сейчас. Промышленная революция вызвала изменения климата, угрожающие экосистемам по всему земному шару, и она же вместе с другими формами человеческой деятельности стала предпосылкой резкого ускорения вымирания видов, в ходе которого исчезает множество популяций самых различных существ – наших соседей по планете. Эти перемены побудили геологов предложить новое название для эпохи, в которую мы живем, – антропоцен, эра человека.

В биологическом мире тоже происходят кардинальные перемены, вызванные человеческой деятельностью. В течение миллиардов лет жизненные формы усложнялись согласно закономерностям, которые выявил Дарвин: организмы совершенствовались благодаря череде случайных генетических изменений, часть которых обеспечивала преимущества для выживания, конкуренции и размножения. До сих пор и наш собственный вид формировался под действием аналогичного процесса; несомненно, вплоть до недавнего времени мы во многом зависели от его милости. Десять тысяч лет назад, когда возникло сельское хозяйство, люди начали сами влиять на эволюцию путем селекции растений и животных, однако исходный материал – случайные мутации в ДНК, лежащие в основе доступных генетических вариаций, – все еще появлялся самопроизвольно и бессистемно. Поэтому попытки нашего вида преобразовать природу были трудными и имели ограниченный успех.

Теперь все кардинально переменилось. Ученые сумели полностью взять этот древний процесс под контроль человека. Используя мощные биотехнологические инструменты для экспериментов с ДНК внутри живых клеток, они теперь могут манипулировать составом этой молекулы и рационально изменять гены, определяющие облик любого биологического вида на планете, включая и наш с вами. А с появлением новейшего и, вероятно, самого эффективного инструмента генной инженерии, CRISPR-Cas9 (коротко – CRISPR), геном – всю ДНК организма, включающую каждый его ген, – стало почти так же просто редактировать, как обычный текст.

Зная, чем именно кодируется в геноме тот или иной конкретный признак, ученые могут использовать CRISPR, чтобы вставить, отредактировать или удалить связанный с ним ген у фактически любого растения или животного. Этот способ гораздо проще и эффективнее, чем любая другая существующая технология манипуляции генами. Буквально в одночасье мы оказались на пороге новой эпохи генной инженерии и нового уровня владения биологией – революционной эры, в которой возможности ограничены только коллективным воображением человечества.

Царство животных было первой экспериментальной площадкой для испытаний этого нового средства редактирования генов – и до сих пор остается самой большой из таких площадок. К примеру, ученые использовали CRISPR для создания генетически “усиленной” версии биглей, в результате чего получились собаки с мускулатурой, которой позавидует сам Шварцнеггер, – и для этого понадобилось всего лишь поменять одну “букву” ДНК в гене, контролирующем развитие мышц. В другом случае, “выключив” у свиней ген, отвечающий на сигналы гормона роста, исследователи создали микропигов – свиней размером не больше упитанной кошки, ставших популярными домашними животными. Ученые из китайской провинции Шэньси проделали нечто подобное и с мясо-шерстными кашемировыми козами, отредактировав геном этих животных таким образом, чтобы у них вырастали и более крупные мышцы (и за счет этого они давали больше мяса), и более длинная шерсть (что означает получение большего количества кашемировых волокон). Генетики даже используют CRISPR для превращения ДНК азиатского слона в максимальное подобие ДНК шерстистого мамонта, надеясь когда-нибудь воскресить этого вымершего доисторического зверя[2]2
  Стоит отметить, что это вряд ли возможно. Дело не только в том, что для этого нет достаточно сохранных клеток мамонтов, но и в том, что современные слоны не скрещиваются даже с самыми близкородственными видами. Причины такой избирательности пока неизвестны, но есть вероятность, что виной тому некие генетические барьеры. См. Eleftheria Palkopoulou et al. Genomic history of extinct and living elephantids, Proceedings of the National Academy of Sciences, Mar 2018, 115 (11), E2566 – E2574; DOI:10.1073/pnas.1720554115. – Здесь и далее постраничные сноски, обозначенные астериском (*), если не указано иное, принадлежат переводчику. Сноски, обозначенные цифрами, ведут в конец книги и принадлежат автору.


[Закрыть].

Параллельно с этим в экспериментах с растениями CRISPR широко используется для редактирования геномов сельскохозяйственных культур; это открывает перспективы для кардинального улучшения питания людей во всем мире и повышает уровень мировой продовольственной безопасности. Эксперименты по редактированию генома дали устойчивый к различным болезням рис, томаты, которые теперь портятся гораздо медленнее, соевые бобы с более полезным для здоровья содержанием полиненасыщенных жиров и картофель с меньшим количеством сильного нейротоксина. Причем специалисты в области пищевой промышленности достигают подобных улучшений не с помощью трансгенных технологий – то есть вставки участка ДНК одного вида в геном представителя другого вида, – но благодаря точно подобранным улучшениям генов, затрагивающим всего несколько “букв” собственной ДНК организма.

Но хотя потенциальные возможности применения CRISPR в растительном и животном мире весьма впечатляют, все же наибольшие перспективы сулит редактирование генов нашего собственного вида – и оно же, по мнению многих, представляет наибольшую угрозу для будущего всего человечества.

При этом, как ни парадоксально, ряд преимуществ в области здравоохранения, скорее всего, будет получен в результате CRISPR-экспериментов с позвоночными или даже насекомыми. В проведенных недавно экспериментах технологию CRISPR использовали, чтобы “гуманизировать” ДНК свиней, что дает надежду на то, что эти животные однажды послужат донорами органов для людей. CRISPR также удалось запрятать в геномы новых линий комаров: ученые надеются, что внедрение новых признаков в дикие популяции комаров поможет в конечном счете уничтожить заболевания, передаваемые ими – такие как малярия и лихорадка Зика, – или даже полностью истребить самих комаров – переносчиков болезней.

Впрочем, при лечении многих болезней CRISPR потенциально можно будет применять для редактирования и “ремонта” генов самих пациентов. Пока что мы наблюдали лишь малую часть возможностей технологии, но и то, что мы увидели в последние несколько лет, кажется головокружительным. В человеческих клетках, выращенных в лаборатории, эта новая технология редактирования генома уже была использована, чтобы исправить мутации, ответственные за муковисцидоз, серповидноклеточную анемию, некоторые формы слепоты, тяжелый комбинированный иммунодефицит и многие другие недуги. CRISPR дает ученым возможность решать такие задачи, находя и исправляя отдельные “опечатки” в молекулах, составляющих геном длиной 3,2 миллиарда “букв” ДНК, но эту же технологию можно использовать и для значительно более сложных модификаций. Исследователи поправили ошибки в ДНК, вызывающие мышечную дистрофию Дюшенна, вырезав только поврежденный участок мутировавшего гена и не затронув остальную его часть. В случае гемофилии А биологи применили CRISPR, чтобы точно переставить более полумиллиона “букв” ДНК, которые в геномах больных инвертированы – то есть расположены в порядке, обратном нормальному. CRISPR можно использовать даже для лечения ВИЧ-инфекции и СПИДа – либо путем вырезания ДНК вируса из инфицированных клеток пациента, либо путем редактирования ДНК самого пациента таким образом, чтобы его клетки невозможно было заразить ВИЧ.

Список потенциальных терапевтических применений редактирования генома можно продолжать бесконечно. Поскольку CRISPR обеспечивает точное и сравнительно простое редактирование ДНК, он превратил все генетические заболевания – по крайней мере, те из них, для которых известны вызывающие их мутации, – в потенциально излечимые. Медики уже начали бороться с некоторыми видами рака с помощью усовершенствованных иммунных клеток, чьи геномы “усилены” отредактированными генами, помогающими клеткам-хозяевам отлавливать раковые клетки. Хотя пройдет еще немало времени, прежде чем основанные на CRISPR варианты терапии станут общедоступны для пациентов, их потенциал четко виден уже сейчас. Редактирование генома дает надежду на то, что у нас появятся новые методы лечения, меняющие жизнь пациента, а в ряде случаев способные даже спасти ее.

Существуют и другие перспективы применения технологии CRISPR: ее можно использовать не только для лечения заболеваний, но и для их профилактики в будущих поколениях. Метод CRISPR настолько прост и эффективен, что ученые смогут использовать его для модификации человеческих клеток зародышевого пути – потока генетической информации, соединяющего одно поколение с другим. И, несомненно, эта технология – когда-нибудь, где-нибудь – будет использована для наследуемых изменений генома нашего вида, и это навсегда изменит генетическую картину человечества.

Если предположить, что безопасность и эффективность технологии редактирования генов человека будут доказаны, кажется логичным и даже предпочтительным исправлять болезнетворные мутации на самых ранних стадиях развития – до того, как опасные гены причинят вред своему обладателю. Но как только мы научимся превращать мутировавшие гены эмбриона в нормальные, появится искушение улучшить нормальные гены до предположительно более “продвинутых” версий. Должны ли мы начать редактировать геном еще не рожденного ребенка, чтобы снизить риск того, что у него когда-нибудь разовьются болезни сердца, болезнь Альцгеймера, диабет или рак? А можно ли наделять этих детей полезными признаками, такими как повышенная сила мышц или улучшенные умственные способности? Можно ли менять их внешний вид – скажем, цвет глаз и волос? Стремление к совершенству кажется едва ли не вшитым в природу человека, но, если мы все же пойдем по этой скользкой дорожке, нам может не понравиться то, куда она нас приведет.

Проблема вот в чем. В течение примерно сотни тысяч лет[3]3
  Исследования последних лет говорят о том, что возраст человека разумного как вида больше. Работа 2017 года, в ходе которой изучались остатки Homo sapiens из марокканской пещеры Джебель-Ирхуд, показывает, что нашему виду как минимум 200 тысяч лет. См. Jean-Jacques Hublin et al. New fossils from Jebel Irhoud, Morocco and the pan-African origin of Homo sapiens, Nature, volume 546, pages 289–292 (08 June 2017), DOI: 10.1038/nature22336.


[Закрыть] существования людей современного типа геном Homo sapiens формировался под одновременным действием двух сил – случайных мутаций и естественного отбора. А теперь – впервые в истории – мы получили возможность редактировать не только ДНК ныне живущих людей, но и ДНК будущих поколений – по сути, направлять эволюцию собственного вида. Это беспрецедентный случай в истории жизни на Земле. Он лежит за пределами нашего понимания. И это ставит перед нами невероятный, но жизненно важный вопрос: как мы, представители капризного вида, неспособные договориться друг с другом столь о многих вещах, посчитаем возможным распорядиться этой грандиозной силой?

Контроль над эволюцией человеческого вида – это было последнее, что могло бы прийти мне в голову в 2012 году, когда мы с коллегами опубликовали статью об основах технологии редактирования генома CRISPR. Начать это исследование нас побудил интерес к совершенно другой области биологии – к механизмам, с помощью которых бактерии защищаются от заражения вирусами. Однако в ходе нашего исследования иммунной системы бактерий, названной CRISPR-Cas, мы раскрыли механизмы работы невероятной молекулярной машины, способной с непревзойденной точностью разрезать на части вирусную ДНК. Возможность применения той же машины для проведения манипуляций над ДНК в клетках других организмов, включая человека, сразу стала нам очевидна. И когда эта технология получила широкую известность и стала распространяться, я не могла не погрузиться в детали многочисленных исследований, основанных на результатах той нашей работы.

Когда ученые использовали CRISPR в экспериментах с эмбрионами приматов для создания первых обезьян с отредактированными генами, я задавалась вопросом, сколько времени пройдет, прежде чем какие-нибудь ученые-бунтари попытаются проделать то же самое с людьми. Поскольку я биохимик, мне никогда до этого не приходилось работать с модельными животными[4]4
  Модельные животные – это организмы, строение которых в достаточной степени похоже на строение человека; в ходе экспериментов на модельных животных можно уточнять механизмы развития и протекания болезней человека и определять эффективность лекарств против этих болезней.


[Закрыть], с человеческими тканями и уж тем более с пациентами-людьми; привычная мне экспериментальная обстановка была ограничена чашками Петри и пробирками, которые использовали сотрудники моей лаборатории. Но теперь я своими глазами видела, как технологию, которую я помогла создать, применяют в исследованиях, способных радикально изменить и наш вид, и мир, в котором мы живем. А вдруг мы, сами того не желая, усугубим социальное или генетическое неравенство или запустим новую волну евгеники? К каким последствиям применения CRISPR нам готовиться?

Меня подмывало оставить эти рассуждения тем, кто специализируется на проблемах биоэтики, и вернуться к воодушевляющим биохимическим исследованиям, которые и вывели меня на CRISPR. Но в то же время как первопроходец в этой области я чувствовала, что обязана принять участие в дискуссии о том, каким образом могут и должны быть использованы технологии, основанные на CRISPR. В частности, мне хотелось убедиться, что в обсуждениях участвуют не только исследователи и специалисты по биоэтике, но и самые различные группы заинтересованных лиц, в том числе социологи, политические деятели, представители духовенства, законодатели и рядовые граждане. Учитывая, что научный прогресс оказывает влияние на все человечество, я считала своим долгом привлечь к дискуссии как можно больше участников из самых разных частей общества. Более того, мне казалось, что разговор следует начать немедленно, до того как новые случаи применения технологии сведут на нет любые попытки управлять ее развитием.

Поэтому в 2015 году, когда я руководила собственной лабораторией в Беркли и ездила по миру, представляя на семинарах и конференциях результаты своих исследований, я начала посвящать все больше времени вещам, до тех пор для меня совершенно несвойственным. Я отвечала на десятки вопросов репортеров обо всем – начиная с “дизайнерских детей” и гибридов свиньи и человека и заканчивая генетически модифицированными “сверхлюдьми”. Я разговаривала о CRISPR с губернатором штата Калифорния, с членами Управления по научно-технической политике Белого дома, с ЦРУ и даже выступала в Конгрессе США. Я организовала первую встречу для обсуждения этических вопросов, которые ставит техника редактирования генома, в особенности CRISPR, в самых разных областях – от репродуктивной биологии и генетики человека до сельского хозяйства, защиты окружающей среды и общественного здравоохранения. И, вдохновившись этой первой встречей, я помогла организовать гораздо более крупный Международный саммит по вопросам редактирования генома человека, собравший ученых и представителей других профессий из Соединенных Штатов, Великобритании, Китая и всего мира.

Во всех обсуждениях мы вновь и вновь возвращались к вопросу о том, каким образом нам следует управлять всей мощью новой технологии редактирования генома. Мы пока не нашли ответ, но шаг за шагом подбираемся к нему.

Редактирование генома вынуждает нас разобраться в непростой задаче: где провести этические границы при манипуляциях человеческими генами. Некоторые люди считают любое воздействие на гены мерзким и извращенным попранием священных законов природы и величия жизни. Другие воспринимают геном просто как программное обеспечение – нечто такое, что мы вполне можем исправить, почистить, обновить и улучшить; сторонники этой точки зрения полагают, что оставлять людей, которым можно помочь, заложниками ошибок в их генах – не только иррационально, но и аморально. Рассуждения такого толка побудили одних участников дискуссии требовать полного запрета редактирования генома еще не рожденных детей, в то время как их оппоненты призывают разрешить ученым проводить любые манипуляции с генами без всяких ограничений.

Мои собственные взгляды на проблему меняются (в том числе и в настоящее время), но меня поразил комментарий, сделанный в январе 2015 года на конференции, которую я организовала для обсуждения проблем редактирования генов в человеческих клетках зародышевого пути. Семнадцать человек, включая соавтора этой книги (и по совместительству моего бывшего аспиранта) Сэма Стернберга, сидели за столом для совещаний в калифорнийской долине Напа и вели жаркий спор о том, будет ли разрешено редактировать клетки зародышевого пути, и если да, то когда это случится. Внезапно кто-то придвинулся ближе к столу и очень тихо сказал: “Наступит время, когда неэтичным будет не воспользоваться редактированием генов эмбриональных клеток ради того, чтобы облегчить страдания человека”. Эта реплика кардинально поменяла ход нашей дискуссии, и она каждый раз всплывает у меня в памяти, когда я встречаюсь с родителями или будущими родителями, столкнувшимися с разрушительными последствиями генетических заболеваний.

Пока мы рассуждаем, исследования CRISPR продвигаются вперед. В середине 2015 года китайские ученые опубликовали результаты эксперимента, в котором они вводили CRISPR в человеческие эмбрионы. Исследователи использовали отбракованные, нежизнеспособные эмбрионы, но их исследование тем не менее стало важной вехой: впервые была сделана попытка прицельно отредактировать ДНК эмбриональных клеток человека.

Достижения подобного рода вызывают вполне оправданную тревогу. Однако мы не можем не заметить и фантастических возможностей, которые редактирование генома открывает для помощи людям, страдающим от инвалидизирующих наследственных заболеваний. Представьте себе, что человек, узнавший, что несет в себе мутантную копию гена HTT[5]5
  Этот ген кодирует белок гентингтин. Варианты этой молекулы, которые образуются в клетках с мутациями в гене HTT, вызывают хорею Гентингтона – нарушение умственной деятельности и движений.


[Закрыть] (а это почти наверняка означает раннее наступление деменции), получит доступ к основанному на CRISPR лекарству, способному устранить мутацию еще до проявления каких-либо симптомов заболевания. Никогда раньше мы не были так близки к созданию методов излечения наследственных заболеваний, и важно, чтобы, пока идут споры по поводу редактирования геномов человеческих клеток зародышевого пути, мы не настроили общественность против CRISPR и не затруднили внедрение технологии в клиническую работу для лечения недугов, не передающихся по наследству.

У меня вызывают невероятный энтузиазм возможности, которые сулит нам редактирование генома. Исследования CRISPR – и те, что ведутся в научных лабораториях, и те, что проходят в биотехнологических стартапах (а последние уже получили более миллиарда долларов от венчурных инвесторов), – быстро приносят новые данные. Подстегивая развитие отрасли, научные работники и некоммерческие организации предлагают недорогие инструменты, основанные на CRISPR, ученым со всего мира, и таким образом исследования можно вести непрерывно и беспрепятственно.

Однако научный прогресс нуждается не только в исследованиях, инвестициях и инновациях: не менее важно участие общественности. До нынешнего времени революция CRISPR проходила по большей части за закрытыми дверьми лабораторий и биотехнологических стартапов. Изданием этой книги и рядом других действий мы надеемся вытащить эту революцию на всеобщее обозрение.

В первой части этой книги, которая называется “Инструмент”, мы с Сэмом рассказываем захватывающую предысторию технологии CRISPR: как она начиналась с исследований иммунной системы бактерий и какие преимущества получила в результате десятилетних разработок методов переписывания ДНК внутри клеток. Во второй части – “Задача” – мы исследуем бесчисленные возможности практического применения CRISPR на животных, растениях и человеке – как будущие, так и уже реализованные, – и обсуждаем невероятные перспективы и заметные трудности, ждущие на этом пути. Вы заметите, что книга рассказана от моего лица. Но ее писали мы оба, и мы оба разделяем большую часть выраженных в ней мнений. Мы выбрали такой способ изложения ради большей ясности и для того, чтобы наиболее полно раскрыть детали неповторимых впечатлений, полученных мной в течение многих лет.

Эта книга не задумывалась как строгое изложение истории CRISPR или как исчерпывающая хронология ранних этапов технологии редактирования генома. Мы скорее хотели подчеркнуть некоторые наиболее важные достижения в этой области и дать представление о том, как наша собственная работа сочеталась с результатами исследований других научных коллективов. Мы дали ссылки на источники там, где это было уместно, и призываем заинтересовавшихся читателей обращаться к дополнительным публикациям, чтобы получить больше информации о предмете, о котором мы пишем. Наконец, мы с огромным уважением отдаем должное бесчисленному множеству ученых, сыгравших ключевые и бесценные роли в изучении CRISPR и редактирования генома, и извиняемся перед теми коллегами, работы которых мы не смогли упомянуть из-за ограниченного объема книги.

Мы надеемся, что данная книга развеет мифы об этой восхитительной области науки и вдохновит вас разобраться в ней. Глобальная дискуссия по поводу редактирования генома уже началась; это исторический спор о будущем нашего мира – не больше и не меньше. Волна приближается. Давайте подплывем к ней и оседлаем ее вместе.