22.12.2023. - Взгляд назад. Первая терапия генного редактирования

Взгляд назад. Первая терапия генного редактирования

В 2007 году Лучано Марраффини пошел по тогдашнему научно одинокому пути: понять CRISPR, который был открыт у бактерий всего десять лет назад. Семнадцать лет спустя мы все знаем, что такое CRISPR: революция в медицине; научный прорыв, который бывает раз в жизни; самый многообещающий инструмент генной терапии из когда-либо открытых. Но тогда «сгруппированные короткие палиндромные повторы с регулярными промежутками» были просто любопытными генетическими фрагментами без известной цели. «Когда я начинал, не было ничего, что указывало бы на то, что однажды это поможет людям вылечить генетические заболевания», — вспоминает Марраффини. Но что интересно, одна теория утверждала, что CRISPR является частью бактериальной защитной системы, используемой бактериями для борьбы с вторжениями вирусов (называемых фагами) и чужеродных генетических фрагментов (называемых плазмидами). Марраффини, тогда постдок в Северо-Западном университете, был специалистом по патогенным бактериям и изучал, как они проникают в нас. Обратившись к CRISPR, он перевернул этот сценарий, пытаясь понять, как они сами реагируют на вторжение. Если бы CRISPR был оружием, он хотел бы знать, как его создавали и размахивали.

Его концептуальный поворот оправдал себя: в течение двух лет он опубликовал новаторские результаты CRISPR и в процессе помог стать пионером развивающейся области геномной медицины. Оказывается, CRISPR — это генетический скальпель, который разрезает ДНК захватчика с поразительной точностью. Как показали прорывные исследования Марраффини и других, трансляция CRISPR-Cas9 (белка, необходимого для его функциональности) на людях позволяет ученым отсекать не ДНК захватчиков, а наши собственные генетические ошибки, которые вызывают болезни. Эти открытия быстро принесли свои плоды. И Великобритания, и США недавно одобрили первую генную терапию на основе CRISPR для лечения серповидно-клеточной анемии, и на горизонте ожидаются новые одобрения. В ближайшее время весной 2024 года ожидается получение разрешения на лечение заболевания крови бета-талассемией, которое связано с анемией и плохим ростом. Другие методы лечения на основе CRISPR оцениваются для лечения лейкемии, рака пищевода, легких и шейки матки, сообщает Хантингтон. заболевания и другие серьезные состояния.

«Я думаю, это потрясающе», — говорит Марраффини, профессор Рокфеллеровского отделения семьи Кейден. «Большинство ученых, особенно в области биомедицинских наук, надеются оказать положительное влияние на общество. Для меня большая честь сделать что-то, что поможет людям». Марраффини впервые увлекся наукой еще ребенком в Росарио, Аргентина, где футуристическая фантастика, такая как «Бегущий по лезвию», пробудила его воображение. Тем не менее, в старшей школе он изучал финансы — практический путь, который поощряли его родители, архитектор и учитель. Но перспектива карьеры в сфере управления капиталом не вдохновила его, и в Университете Росарио он переключился на изучение биотехнологии. Это было в начале 90-х, и недавние открытия в генетике очаровали его: всего за несколько лет был запущен проект «Геном человека», была опубликована первая приблизительная карта всех 23 пар хромосом человека и первая одобренная на федеральном уровне карта. Лечение генной терапией в США было успешно использовано для лечения 4-летней девочки с иммунным расстройством.

После того, как Марраффини окончил учебу, ему позвонила агрибиотехнологическая компания «Монсанто», и он проработал там пару лет, пытаясь ускорить селекцию растений с помощью генетики. Но это тоже казалось неудовлетворительным. «Я хотел иметь возможность играть с некоторыми организмами — заниматься наукой так, чтобы у вас не было слишком много ограничений», — вспоминает он. «Если вы работаете с растениями, вам придется долго ждать, пока они вырастут. Но бактерии растут очень быстро». Так он получил степень доктора философии. студент лаборатории знаменитого микробиолога Олафа Шнивинда Чикагского университета, где он изучал, как бактериальные захватчики используют белки и ферменты для колонизации наших тканей, уклоняются от нашей иммунной системы и производят болезнетворные токсины. Именно здесь его внимание привлек CRISPR. Он углубился в свои исследования в лаборатории Эрика Зонтхаймера Северо-Западного университета, который изучал РНК-интерференцию (РНКи), недавно открытый клеточный механизм, который использует собственную последовательность ДНК гена для подавления экспрессии генов. (Несколько лет назад Томас Тушл из Рокфеллера показал, что можно использовать РНКи в клетках человека.)

«Единственное, что общего у RNAi с CRISPR, — это то, что он использует малые РНК», — говорит Марраффини. «Именно поэтому я связался с Эриком. Он сразу увидел потенциал CRISPR, хотя в его лаборатории не было опыта в этом». Вскоре Марраффини обнаружил систему CRISPR в Staphylococcal epidermidis, обычном члене микробиома кожи человека. Там он предотвращал выход плазмид из-под контроля. (Плазмиды имеют загадочные отношения с бактериями; они могут быть как вредными, так и полезными.) Это было подтверждением того, что CRISPR действительно является частью бактериальной защитной системы. Далее ему предстояло выяснить, как оно было развернуто. Следующий год Марраффини провел, работая над S. epidermidis, и в статье 2008 года показал, что CRISPR использует направляющую РНК для разрушения ДНК плазмиды. Таким образом, эти захватчики больше не могут размножаться. Другое исследование показало, что система CRISPR также хранит генетические клипы захватчика в виде так называемых «спейсеров» в своей собственной ДНК, так что, если он встретит ту же последовательность в будущем, он сможет активировать иммунный ответ. CRISPR окажется широко распространенной защитной системой, встречающейся в природе у 40 процентов бактерий и практически у всех одноклеточных организмов, известных как археи.

Но как насчет потенциала CRISPR для манипулирования ДНК человека? В 2008 году это казалось такой же научной фантастикой, как биоинженерные репликанты из «Бегущего по лезвию», и все же это не выходило за рамки возможного, как осторожно отметили Марраффини и Зонтхаймер в своей новаторской статье. «Способность управлять конкретным адресным разрушением ДНК, — писали они, — может иметь значительную функциональную полезность, особенно если система может функционировать вне своего естественного бактериального или архейного контекста». Вскоре после этого, в 2010 году, Марраффини приехал к Рокфеллеру и открыл Лабораторию бактериологии, где начал проверять, действительно ли система CRISPR может функционировать вне своего естественного контекста. Вдохновленный Освальдом Эйвери, исследователем из Рокфеллера, который доказал, что ДНК является носителем генетического материала, используя штамм Streptococcus pneumoniae, Марраффини вырезал систему CRISPR – вместе с ее важнейшим белком-споттером Cas9 – из родственного штамма Streptococcus pyogenes. и вставил его в S. pneumoniae, у которого не было защитной системы. Именно внутри этого модифицированного организма он впервые запрограммировал Cas9 обнаруживать и нарезать любую последовательность ДНК, на которую он нацелен.

В 2012 году будущие лауреаты Нобелевской премии Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье расщепили ДНК с помощью Cas9 в пробирке. Год спустя, в плодотворном сотрудничестве с Фэн Чжаном из Института Броуда, Марраффини показал, что то же самое можно сделать и с человеческими клетками. Исследователи из других учреждений, в том числе из Гарвардской церкви Джорджа, которая разработала первый метод прямого геномного секвенирования еще в 1984 году, пришли к аналогичным выводам. С тех пор Марраффини продолжает делать новаторские открытия о том, как работают различные системы CRISPR-Cas, иногда в сотрудничестве с другими лабораториями Рокфеллера. Выявлено шесть типов и 19 подтипов. Учитывая чрезвычайное разнообразие бактерий и фагов, численность которых может превосходить бактериальные виды в 10 раз, вероятно, будут идентифицированы и другие типы. Некоторые из этих систем отсекают ДНК фага или плазмиды, другие — РНК, а третьи — их комбинацию. Некоторые не атакуют захватчика напрямую, а вместо этого запускают миссию камикадзе, которая уничтожает клетку и фаг вместе с ней, что, как недавно обнаружила лаборатория Марраффини, происходит в одном из вариантов.

Его лаборатория также работает над открытием и характеристикой новых систем антифаговой защиты — не-CRISPR-укреплений в бактериальных зубцах. Как и в случае с CRISPR, эти пока еще не открытые механизмы могут однажды привести к появлению новых инструментов и методов лечения. Марраффини также является соучредителем и советником двух компаний, которые непосредственно разрабатывают методы CRISPR-Cas для лечения различных заболеваний. Intellia Therapeutics разрабатывает проекты по лечению заболеваний печени, легких и двух заболеваний свертываемости крови (гемофилии А и В). Лечение двух редких генетических заболеваний — транстиретинового амилоидоза, характеризующегося накоплением белка, вырабатываемого печенью, и наследственного ангионевротического отека, вызывающего повторяющиеся эпизоды сильного отека, — оба проходят клинические испытания.

Элиго, с другой стороны, стремится обратить защитную систему бактерий против себя или, по крайней мере, против других бактерий. «Цель состоит в том, чтобы использовать CRISPR для лечения бактериальных инфекций», — описывает он. «Точно так же, как CRISPR может убить фаг, вы можете запрограммировать его на уничтожение бактерии. С технологической точки зрения это непросто сделать, но это то, к чему мы стремимся». В конце концов, дивный новый мир редактирования генов оказался не таким уж и научно-фантастическим. Это просто наука. «Нам удалось настолько хорошо запрограммировать эту естественную систему, что мы смогли поразительно быстро внедрить ее в клиническое применение», — говорит Марраффини. «История CRISPR действительно является свидетельством важности фундаментальных исследований».

Источник