Тайны ДНК и сможем ли мы отредактировать потомство

Почему не стоит дарить молодоженам сертификат на секвенирование генома, сможем ли мы когда-нибудь отредактировать потомство и о чем мечтают врачи-генетики.

Структура ДНК открыта 65 лет назад, 15 лет назад расшифрован геном человека. Сейчас речь идет о редактировании генома. Что это означает, почему серьезные клиники не занимаются развлекательной генетикой и есть ли смысл в генетическом тестировании на рак. Корреспондент «Правмира» беседует с главным специалистом по медицинской генетике Минздрава РФ, директором Медико-генетического научного центра РАМН, член-корреспондентом РАН Сергеем Ивановичем Куцевым и заведующей лабораторией наследственных болезней обмена веществ Медико-генетического научного центра РАМН, председателем экспертного совета Всероссийского общества редких (орфанных) заболеваний, д.м.н. Екатериной Юрьевной Захаровой.

Более 300 наследственных заболеваний уже лечатся

– Сергей Иванович, что в диагностике генетических болезней для вас сегодня кажется фантастикой?

– Еще несколько лет назад невозможно было представить, что мы сможем понять причину очень многих заболеваний. Классический пример – эпилепсия. Раньше, когда я еще учился, мы говорили, что эпилепсия бывает, когда есть какой-то патологический очаг – опухоль, травма или перинатальное поражение.

А на самом деле оказалось, что есть очень много генов, мутации в которых приводят к эпилепсии, сейчас их известно уже более 500. И более 70% всех случаев эпилепсии у детей обусловлены генетическими причинами.

Раньше мы говорили о том, что в данном случае нет генетической причины, но, пересматривая этих пациентов или их биоматериал, мы находим генетическую патологию, которую раньше нельзя было идентифицировать. Это связано с развитием методов генетического анализа, таких как полногеномное исследование.

– А что это дает? Ведь раньше никто не хотел сдавать анализы на генетику, потому что лечения все равно нет.

– Во-первых, количество наследственных болезней, для которых есть лечение, увеличивается с каждым годом. Уже сейчас их, по разным подсчетам, более трехсот. Правда, из 7 тысяч, которые описаны, это не так много, но все же наука подбирается к разным заболеваниям. И в диагностике – это просто потрясающий результат развития науки, развития генетики.

А второе, что нельзя было представить себе раньше, – это технология редактирования генома, то есть возможность исправления генетического дефекта. 30 лет назад мы ожидали прорыва в области генотерапевтических подходов, когда ген прикреплялся к специальному вектору, который мог транспортировать этот ген в клетку. Но, к сожалению, такого прорыва не получилось по многим причинам

И вот, буквально несколько лет назад, появилась технология редактирования генома, когда мы можем исправлять дефект в клетках организма больного наследственным заболеванием. И это очень большая, хорошая перспектива.

– А если этот ген отвечает не только за заболевание?

– В том-то и дело, что мы ничего не меняем в структуре генома. Эта технология позволяет вырезать мутантный участок и встроить новый, нормальный, такой, какой должен быть. И в этом технология очень перспективна.

– Она уже работает?

– Конечно, но для большей части заболеваний пока в пробирках. Есть уже клинические испытания первой и второй фазы, и есть примеры, когда используют технологию для лечения наследственных заболеваний, например, мукополисахаридоза. Но мы должны еще, конечно, увидеть отдаленные результаты. Любая медицинская технология, любой препарат всегда имеет побочные эффекты.

Сможем ли мы отредактировать потомство

– Хочу подчеркнуть, что, когда мы говорим о технологии редактирования генома, это касается редактирования соматических клеток. То есть генетики предлагают таким образом лечить онкологические, инфекционные, наследственные заболевания. Мы исправляем дефект соматических клеток, из которых состоит организм. Мы просто вносим в генетический аппарат те или иные изменения, пользуясь механизмами, которые существуют в природе.

Другой вопрос, и это уже этическая проблема, когда мы говорим о редактировании генома половых клеток.

– Так это как раз всех интересует, чтобы у потомства определенные качества усилить, а что-то убрать навсегда.

– Я хочу сказать, что среди серьезных исследователей об этом речь в настоящее время не идет. Одно дело – фантазии журналистов и околонаучных кругов, и другое дело – работа серьезных ученых, тем более врачей.

Во-первых, когда мы говорим о качествах характера или способностях, это признаки, которые являются мультифакторными, то есть они не определяются только генетикой, даже генетикой в меньшей степени, а в большей степени факторами внешней среды.

– Внешней среды?

– Да, и такие частые болезни, как бронхиальная астма, артериальная гипертензия – это все заболевания тоже мультифакторные. Генетическая предрасположенность есть, но большую роль играют факторы внешней среды. Следовательно, говорить, что что-то можно изменить в геноме, чтобы избежать в перспективе ишемической болезни сердца или приобрести спортивные успехи – это из области фантастики.

Давайте посмотрим генетическую предрасположенность к спортивным успехам. Серьезные учреждения этим не занимаются, только коммерческие структуры, которые зарабатывают на этом деньги. Просто есть ряд научных работ, когда берут 300 спортсменов и 300 людей, которые не обладают спортивными достижениями, сравнивают эти две группы и находят некую статистическую разницу в некоторых частотах определенных аллелей генов.

Допустим, изменение в гене встречается в контроле с частотой в 1%, а у спортсменов с частотой в 3% – аж в три раза больше. Но 1% или 3% – это ни о чем. Если мы возьмем 20 тысяч спортсменов и 20 тысяч обычных людей, эта статистическая разница нивелируется, ее уже нет. Поэтому мы все прекрасно понимаем, что это из разряда развлекательной генетики.

Когда мы говорим о редактировании генетического аппарата, чтобы избежать, профилактировать развитие наследственного заболевания, это подразумевает процедуру экстракорпорального оплодотворения, и перед ЭКО возможно редактирование половых клеток. Мы возражаем против того, чтобы это использовалось в клинической практике, потому что, когда редактируется генетический аппарат в одной клетке, можно получить редактирование (мы это называем off target) не только того гена, который нужно отредактировать, но еще и каких-то других генов.

Поэтому на научном совете Минздрава я выступил с совершенно четким предложением о моратории на редактирование генома половых клеток и зародышей на ранней стадии развития. Этого не должно быть, потому что это опасно. Эти изменения могут проявиться в других генах или наследоваться в последующих поколениях этого индивидуума – это довольно опасная вещь, не говоря уже о морально-этических проблемах.

Из области развлекательной генетики

– Сейчас уже некоторые молодые семьи до зачатия ребенка хотят полностью проверить всю ДНК на наличие мутаций.

– Даже подарки такие делают, я знаю, на свадьбу молодоженам. Не знают, что дарить, и оплачивают им секвенирование генома. Но исследование генетического аппарата без каких-либо клинических показаний бессмысленно. Во-первых, при таком исследовании можно не увидеть патологических изменений, которые могут приводить к наследственным заболеваниям. Можно предположить, что это вариант нормы, а на самом деле это мутация. Можно выдать вариант нормы за патологическую мутацию. Все это связано с тем, что мы еще не вполне знаем все разнообразие генома человека.

Такого рода исследования – тоже из раздела развлекательной генетики: можно получить диагноз, которого на самом деле нет, и надолго стигматизировать семью или вообще разрушить брак.

Можно обнаружить мутации заболеваний, которые проявляются в позднем возрасте, например, в 40 лет. Например, человеку 18 лет, он узнал об этом заболевании, а лечения для болезни нет, и дальше что? Это вопрос не решенный.

Мы расшифровали геном, и следующая большая задача – это изучение индивидуальных особенностей генетического аппарата, то есть индивидуального разнообразия генома, разрешение которой еще далеко.

– А если есть предрасположенность к онкологическим заболеваниям, есть смысл в таком исследовании?

– Хорошо, давайте перейдем в область онкологии. Порядка 10% этих заболеваний имеют наследственную природу. Чаще всего это рак молочной железы и рак яичников, это мутации, в частности, в двух генах BRCA1 и BRCA2.

Генетики предлагают такой подход – если в семье было два и более случаев онкологических заболеваний, соответственно, есть смысл исследовать эти два гена у членов семьи. Если мы находим у пациента мутации в этих генах, тогда существуют определенные схемы профилактики, это может быть, скажем, маммография раз в полгода. Для чего? Чтобы создать группу риска и более часто ее мониторировать.

– А всегда ли наличие мутации в гене приведет к болезни?

– Из всякого правила бывают исключения. В генетике есть такое понятие – пенетрантность. (Пенетрантность определяет вероятность заболевания при наличии мутации. – Ред.). И для некоторых мутаций пенетрантность – 100%, то есть если есть мутация, то обязательно болезнь проявится, а для других мутаций – 70%, то есть при наличии мутации в 30% случаев болезнь не развивается. Значит, есть какие-то особые взаимодействия между генами, а точнее сказать, между белками, которые кодируются генами. Вот про эти «защитные механизмы» мы еще очень мало знаем.

21-я хромосома

– Я хочу спросить про 21-ю хромосому, наличие трех копий которой приводит к синдрому Дауна. Почему она какая-то хлипкая, нестабильная?

– Тут такая ситуация: у любого человека будет нерасхождение 21-й хромосомы в каком-то проценте половых клеток обязательно. Хромосомные аберрации возникают в половых клетках случайным образом, могут быть с любой хромосомой. Допустим, нет первой или дополнительная вторая хромосома – это огромные хромосомы, в них тысячи генов. В этой ситуации в первые же дни эмбрионального развития зародыш деформируется настолько, что даже не способен имплантироваться в слизистую оболочку матки. В чем это будет проявляться? Не будет этой беременности. Считается, что 90% всех зачатий, которые существуют в человеческой популяции, ничем не заканчиваются. В 21-й хромосоме не такое большое количество генов, беременность наступает, и рождаются дети с синдромом Дауна.

Пока не придумали, как снизить риск хромосомной патологии. Фолиевая кислота уменьшает частоту нерасхождения хромосом, всех, не только 21-й. Но, кроме фолиевой кислоты, ничего не известно. Потом, фолиевая кислота – это тоже не панацея. Известно, что риск рождения ребенка с синдромом Дауна увеличивается с возрастом родителей, потому что увеличивается пул аномальных клеток, это биология, и пока невозможно к этому механизму подобраться.

– От чего еще это зависит? От среды, от каких-то вредных привычек, от образа жизни?

– Конечно, да. Но жить-то вредно, это мы все знаем, и от этого никуда не деться, поэтому в данном случае вы не сделаете абсолютно ничего. Здоровый образ жизни – это верно.

Существует «декалог Кастильо», 10 правил, которые нужно соблюдать, для того чтобы с большей вероятностью получить нормальное потомство. Но эти вещи достаточно банальны – нужно хорошо и разнообразно питаться, есть больше фруктов и овощей, избегать курения и алкоголя; нужно жить в экологически чистой зоне; нужно больше гулять на свежем воздухе, больше заниматься спортом и так далее.

Это мы с вами и так знаем, но, к сожалению, не делаем, а это действительно уменьшает вероятность нерасхождения хромосом.

Как выглядит работа генетика

– Екатерина Юрьевна, что для вас ДНК?

– Вообще, ДНК с точки зрения химии не очень интересная структура, скучная, я бы сказала. Потому что она по строению очень простая, состоит всего из четырех блоков, которые многократно повторяются.

Но в то же время в простоте ДНК есть огромный потенциал и изящество, и прежде всего в том, что она может формировать двойную спираль и имеет возможность к копированию. И в такой простой структуре содержится информация огромной сложности, и мы далеко не все до сих пор понимаем в тексте, который записан в книге нашей ДНК.

– Расскажите, что это за приборы?

– Это амплификаторы, ПЦР-машины – термостаты, которые очень точно управляют температурой. В этих приборах можно получить много-много копий фрагмента ДНК, который нас интересует.

В этих маленьких пробирочках находятся ДНК человека, которые мы хотим обследовать. Мы ставим их в амплификаторы, задаем программу и в результате нагрева и охлаждения получаем много копий фрагмента ДНК.

А это камера для электрофореза, здесь фрагменты ДНК разделяются в акриламидном геле.

Вот фрагменты ДНК, которые мы изучаем. Так они выглядят. Никакой цветной спирали, как на картинках, нет.

Так выглядят сухие пятна крови, которые берутся для исследования.

Нужно, чтобы ДНК вышло из клеток, для этого добавляется специальный раствор, который эти клетки разрушает. На этих колоночках есть специальный сорбент, который захватывает эту ДНК. После центрифугирования ДНК остается на этой колонке. С помощью другого раствора мы эту ДНК с колонки снимаем, и в пробирке уже находится очищенная ДНК.

Последовательность ДНК выглядит так после обработки с помощью геномного анализатора. Каждый из пиков соответствует определенной букве, которых всего 4. На этой картинке фрагмент гена одного из пациентов. Последовательность должна точно соответствовать референсной. На картинке видно наложение двух пиков, так выглядит мутация. И дальше нужно понять – эта мутация имеет повреждающее значение или это вариант нормы.

Чип, на котором анализируют сразу множество генов с помощью технологии секвенирования (Next-generation DNA sequencing techniques). Они загружаются в секвенатор нового поколения. В этот чип можно уместить образцы пяти пациентов для анализа всех кодирующих участков 6000 генов, для которых известна связь с заболеванием (клинические экзомы). Но есть чипы для анализа и большего числа образцов. Также с помощью секвенирования нового поколения можно проанализировать вообще весь геном человека. И это в скором будущем, наверное, станет таким же обычным тестом, как анализ гормонального профиля или биохимии крови.

Сейчас Екатерина Захарова доктор медицинских наук

– Чем непосредственно занимаются генетики?

– Есть врачи-генетики, которые проводят консультирование семьи и должны заподозрить наследственное заболевание, и лабораторные генетики, которые занимаются биохимическими анализами и молекулярно-генетическими тестами.

Врач-генетик должен понять, есть ли у человека наследственное заболевание. И когда уже получены результаты, он должен провести с семьей беседу – рассказать о рисках для других членов семьи, прогнозе заболевания, обсудить с семьей возможные варианты, как с этим заболеванием жить.

Генетик должен хорошо разбираться в синдромах и в том, как проявляются наследственные заболевания. И если есть подозрение на болезнь, отправить на генетическое тестирование. Потом результаты тестирования проанализировать и пообщаться с семьей.

Екатерина Захарова

В ближайшем будущем будут роботы, которые будут делать все манипуляции с биообразцами – выделять ДНК, загружать образцы в приборы, проводить секвенирование генов, анализировать найденные варианты с помощью специальных программ. Но потом именно генетик должен все это интерпретировать.

Самое сложное – это анализ данных, и большую часть времени лабораторные генетики проводят не с пипетками в руках, а за компьютером, чтобы анализировать базы по мутациям или метаболитам, научные публикации.

15 лет назад геном был прочитан. Правильнее про это открытие можно сказать так: мы эту книгу прочитали, но не все про нее поняли. Это примерно как с древними языками – что-то понятно, но многое осталось тайной.

Тогда, чтобы секвенировать геном человека, работали десятки лабораторий во всем мире, и этот проект был очень дорогой. Сейчас стоимость секвенирования – примерно одна-две тысячи долларов, в перспективе, через несколько лет стоимость полной расшифровки генома человека будет стоить не более ста долларов.

Но, знаете, как говорил известный генетик Виктор МакКьюсик: «Вся медицина – это генетика», и в этой простой и изящной молекуле ДНК еще очень много тайн, которые нам предстоит узнать!

Мы ждем, что будем легко ставить диагноз и тут же назначать лечение

– Екатерина Юрьевна, в будущем чего вы ждете такого, что сейчас кажется фантастикой?

– Что мы будем легко ставить диагноз и тут же назначать лечение. Что генетики, наконец-то, будут так же лечить, как и врачи любой другой специальности, а не только консультировать и проводить тесты.

– А вы, Сергей Иванович?

Да, я тоже мечтаю о том, что когда-нибудь наш центр трансформируется в многопрофильное учреждение, в котором можно будет быстро поставить диагноз, подобрать корригирующую терапию, создать систему для редактирования генома.

– Индивидуально?

Да, персонализированный подход, как нынче любят говорить.

И еще я мечтаю, чтобы мы имели хирургические отделения, чтобы можно было сразу же откорректировать тот или иной порок развития, чтобы такие пациенты имели свой «дом», куда можно было бы обратиться, когда появляется какое-нибудь осложнение в заболевании. Для меня был бы фантастическим решением – комплексный подход к ведению наших пациентов. Потому что они у нас замечательные.

– И чтобы это было не дорого еще.

Хотелось бы, чтобы это было за счет государства. Если протоколы редактирования генома смогут развиться в ближайшее время, это будет все равно гораздо дешевле, чем лечить пациента дорогостоящими препаратами в течение всей его жизни.

БФ «Правмир» помогает оплатить проведение генетических исследований для постановки диагноза и начала лечения. Содействие развитию института выявления таких заболеваний и проведение генетических исследований – задача программы «Код Жизни». За несколько лет работы нашего фонда десятки детей и взрослых смогли пройти обследование и выявить заболевание, и мы хотим сделать такую работу системной. Кроме того, там, где государство не может обеспечить больных людей с редкими заболеваниями необходимыми лекарствами, оборудованием и лечением – приходим на помощь мы.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: