Технологія CRISPR допомагає редагувати наші ДНК

Короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами (англ. CRISPR — Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) — це прямі повтори та унікальні послідовності в ДНК бактерій і архей, що розділяють їх, які спільно з асоційованими генами (Cas) забезпечують захист клітини від чужорідних генетичних елементів.

Кілька років тому разом з моєю колегою, Емануель Шарпентьє, я винайшла нову технологію редагування геномів.
Вона зветься CRISPR-Cas9.
Технологія CRISPR дозволяє науковцям робити зміни в ДНК клітин, що може дозволити нам лікувати генетичні хвороби.
Вам, можливо, буде цікаво знати, що CRISPR з'явилась завдяки іншому дослідницькому проєкту, який був присвячений вивченню того, як бактерія бореться з вірусними інфекціями.
Бактерії доводиться мати справу з вірусами в їх середовищі, і ми можемо уявляти вірусну інфекцію, як часову бомбу, що цокає, - у бактерії є тільки кілька хвилин, щоб знешкодити бомбу до того, як бактерія буде знищена.
Багато бактерій мають у клітинах адаптивну імунну систему, яка зветься CRISPR, яка дозволяє їм виявляти вірусну ДНК та знищувати її.
Частиною системи CRISPR є протеїн під назвою Cas9, який може розшукати, розрізати та, зрештою, зіпсувати ДНК вірусу певним чином.
І під час дослідження, коли ми намагалися зрозуміти діяльність цього протеїну, Cas9, ми усвідомили, що ми могли б використати його функцію як технологію для генної інженерії - як спосіб для науковців вилучати або додавати певні шматочки ДНК у клітини з неймовірною точністю - що б відкривало можливості робити те, що у минулому не було можливим.
Технологія CRISPR вже використовувалась для зміни ДНК в клітинах мишей або мавп, і також інших організмів.
Китайські науковці показали недавно, що вони можуть використовувати CRISPR навіть для зміни генів у людському ембріоні.
Науковці з Філадельфії показали, що можна використовувати CRISPR для вилучення ДНК інтегрованого вірусу ВІЛ з інфікованих людських клітин.
Можливість проводити редагування геному, подібного гатунку, також підіймає етичні питання, які ми повинні брати до уваги, бо ця технологія може бути використана не тільки на клітинах дорослих, але і на ембріонах організмів також, включаючи наш власний вид.
Так що разом з моїми колегами я закликаю до глобального обговорення технології, одною з винахідників якої я є, щоб ми могли розглянути усі етичні та соціальні ускладнення подібної технології.
Що я хочу зробити зараз, це розказати вам, що це за технологія CRISPR, що вона може робити, на якому етапі ми зараз, і чому я вважаю, що нам потрібно бути розсудливими щодо способу, у який ми вживаємо цю технологію.
Коли віруси інфікують клітину, вони вводять свою ДНК.
І у бактерій система CRISPR передбачає, що ДНК буде вийнята з вірусу та вставлена маленькими шматочками в хромосому - в ДНК бактерії.
І ці інтегровані шматочки ДНК вірусу вставляються в місце під назвою CRISPR.
CRISPR означає: короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами.
Трохи незграбно - тепер ви бачите, чому ми використовуємо акронім CRISPR.
Це механізм, який дозволяє клітинам з плином часу записувати віруси, яки їм зустрічалися.
І, що важливо, ці шматочки ДНК потрапляють до нащадків цих клітин, так що клітини захищені від вірусів не тільки в одному поколінні, але на багато поколінь клітин наперед.
Це дозволяє клітинам зберігати записи про інфекції, і, як говорить моя колега Блекі Віденхефт, сховище CRISPR - це фактично генетична карта щеплень у клітинах.
Помістивши шматочки ДНК до бактеріальної хромосоми, відразу клітина робить маленьку копію молекули під назвою РНК, яка зображена помаранчевим на малюнку і є точною копією вірусної ДНК.
РНК - це хімічна двоюрідна сестра ДНК, що дозволяє їй взаємодіяти з молекулами ДНК, послідовність будови яких відповідна РНК.
Так що маленькі шматочки РНК зі сховища CRISPR асоціюються - вони зв'язуються - з протеїном під назвою Cas9, який зображений білим на малюнку, та утворюють комплекс, що функціонує як вартовий у клітині.
Він обшукує всі ДНК клітини, щоб знайти ділянки, які відповідають пов'язаним РНК.
І коли знаходить їх - як ви бачите тут, блакитна молекула - це ДНК - цей комплекс об'єднується з тою ДНК і дозволяє ножу Cas9 відрізати вірусну ДНК.
Він виконує дуже точний розріз.
Так ми можемо вартовий комплекс Cas9 РНК уявляти, як пару ножиць, які можуть перерізати ДНК - ці ножиці роблять дволанцюговий розріз у спіралі ДНК.
І, що важливо, цей комплекс піддається програмуванню, так що він може бути запрограмований на розпізнання певних послідовностей ДНК, і перерізати ДНК в тій ділянці, де вони виявлені.
І я хочу вам повідомити, що ми довідались, що ця діяльність може бути використана у генній інженерії, щоб дозволити клітинам робити дуже точні зміни в ДНК на ділянках, де був виконаний цей розріз.
Це аналог способу, у який ми використовуємо програми обробки текстів для виправлення помилок у документі.
Ми передбачаємо використання системи CRISPR у генній інженерії тому, що клітини мають здатність виявляти пошкоджену ДНК та виправляти її.
Якщо клітина рослини чи тварини виявляє дволанцюговий розріз у їхній ДНК, вона може полагодити цей розріз, або склеївши разом кінці пошкодженої ДНК з невеличкою, крихітною зміною послідовності в цьому місці, або вона може залатати розріз, інтегрувавши новий шматок ДНК у цю ділянку.
Так, якщо ми маємо спосіб зробити дволанцюговий розріз в ДНК в точно визначених місцях, ми можемо підштовхнути клітини лагодити ці пошкодження, або руйнуванням, або включенням нової генетичної інформації.
Так, якщо ми у змозі програмувати технологію CRISPR робити розрізи у ДНК, наприклад, в місці мутації, яка веде до кістозного фіброзу, або поряд з нею, ми можемо підштовхнути клітини полагодити цю мутацію.
Генна інженерія - наука не нова, вона розвивається з того часу, відколи існують технології розшифровки послідовності ДНК, копіювання ДНК,
навіть маніпулювання ДНК.
Ці технології були багатообіцяючими, але проблема полягала в тому, що вони були або неефективними, або досить складними в застосуванні,
і більшість науковців не приймала їх для використання у своїх лабораторіях, або, звичайно, для багатьох клінічних застосувань.
Тож з'явилась можливість взяти технологію, подібну до CRISPR, та використати її, тому що вона відносно проста.
Ми можемо порівняти старіші технології генної інженерії з тим, якби вам доводилось оснащувати ваш комп'ютер новими дротами кожного разу, коли ви хотіли б запустити нову програму, в той час як технологія CRISPR подібна до програми для геному, ми можемо легко її програмувати, використовуючи ці маленькі шматочки РНК.
Так що, як тільки зроблено дволанцюговий розріз в ДНК, ми можемо викликати виправлення, і тим самим потенціально отримати вражаючі результати, як-от можливість коректувати мутації, які ведуть до серповидноклітинної анемії або спричиняють хворобу Гантінгтона.
Я, насправді, думаю, що найперше застосування технології CRISPR буде щодо захворювань крові, де відносно легше доправити цей інструмент у клітини, у порівнянні з твердими тканинами.
Прямо зараз багато роботи ведеться з дослідження людських хвороб на тваринних моделях, наприклад, мишах.
Технологія, яка використовує дуже точні зміни, дозволяє нам вивчати спосіб, у який ці зміни у клітинній ДНК зачіпають або тканини, або, як у цьому випадку, увесь організм.
У цьому прикладі технологія CRISPR була використана для порушення гену шляхом невеличкої зміни в ДНК в гені, який відповідає за чорний колір хутра цих мишей.
Уявіть, ці білі миші відрізняються від їхніх забарвлених однопослідних товаришів лише малесенькою зміною в одному гені з цілого геному, і в іншому вони абсолютно нормальні.
І якщо ми встановимо послідовність ДНК цих тварин, ми дізнаємось, що зміна в ДНК трапилась точно в місці, де ми її спричинили, використав технологію CRISPR.
Додаткові експерименти проводяться на інших тваринах, які зазвичай використовуються для створення моделей людських хвороб, таких як мавпи.
І ми зрозуміли, що ми можемо використовувати ці моделі для тестування використання нашої технології в певних тканинах, наприклад, щоб з'ясувати, як доправити інструмент CRISPR до клітин.
Ми також хочемо краще зрозуміти, як контролювати спосіб, у який ДНК відновлюються після розрізу, і ще з'ясувати, як контролювати та обмежувати будь-які побічні або ненавмисні ефекти використання технології.
Я думаю, що ми побачимо клінічне застосування цієї технології, звичайно, на дорослих, на протязі найближчих 10 років.
Я вважаю, що скоріш за все ми побачимо клінічні випробування і, можливо, навіть схвалені лікування за цей час, і думки про це викликають велике хвилювання.
І через це збудження навколо нашої технології виникла велика зацікавленість в стартап-компаніях, які були створені для комерціалізації технології CRISPR, багато венчурних капіталістів інвестували в ці компанії.
Але ми повинні взяти до уваги, що технологія CRISPR може бути використана для, скажімо, поліпшення, уявіть, що ми можемо спробувати створити людину, яка матиме покращені властивості, такі як міцніші кістки, або меншу вразливість до серцево-судинних захворювань, чи навіть матиме якості, які можна розцінювати як бажані, наприклад, будь-який колір очей або вищий зріст, і тому подібне.
"Дизайнерські люди", якщо ваша ласка.
Наразі генетична інформація для розуміння, які типи генів спричинять ці риси, ще в більшості невідома.
Але важливо розуміти, що технологія CRISPR дає нам інструмент, щоб робити подібні зміни, як тільки відповідні знання стануть доступними.
Постає безліч етичних питань, які ми повинні детально розглянути, і ось чому я та мої колеги закликаємо до глобальної паузи у будь-яких клінічних застосуваннях технології CRISPR на людських ембріонах, щоб дати нам час дійсно розглянути усі можливі наслідки такого застосування.
І вже є важливий прецедент подібної паузи з 1970 років, коли науковці зібралися разом, щоб закликати до мораторію на використання молекулярного клонування, поки безпечність тієї технології була б ретельно перевірена та затверджена.
Так що генномодифікованих людей серед нас поки що нема, але це вже не є загадкою для науки.
Генномодифіковані тварини та рослини з'являються тут і зараз.
І це накладає на нас величезну відповідальність проаналізувати як ненавмисні наслідки, так і визначені впливи наукового прориву.
Дякую.

Бруно Джуссані: Дженіфер, ця технологія має величезні наслідки, як ви зауважили.
Ваша позиція щодо паузи або щодо введення мораторію, або надання гарантій надзвичайно відповідальна.
Є, звичайно, терапевтичні результати її застосування, проте є і не терапевтичні результати, і виглядає, що вони набирають обертів, особливо в медіа.
Ось одне з останніх видань "Економіста" - "Редагування людства".
У ньому йдеться про генетичні поліпшення, не про терапію.
Яку реакцію ви отримали в березні від ваших колег з наукового світу, коли ви запропонували, що ми повинні наразі взяти паузу і все обдумати?
Дженніфер Дудна: Мої колеги, на мій погляд, були в захваті від можливості обговорити все відкрито.
Що цікаво, коли я розмовляю з людьми, з моїми науковими колегами в тому числі, погляди на це питання надзвичайно різняться.
Так що очевидно, що ця тема потребує ретельного розгляду та обговорення.
БГ: Наближається велика зустріч у грудні, яку збираєте Ви та Ваші колеги разом з Національною Академією Наук США та іншими, що Ви сподіваєтесь отримати в результаті цієї зустрічі на практиці?
ДД: Я сподіваюсь, що ми зможемо поширити погляди багатьох різних зацікавлених осіб та підприємців, які хочуть вирішити, як використовувати цю технологію відповідально.
Цілком можливо, що консенсусу досягти не вдасться, але ми повинні, принаймні, зрозуміти, які питання постають, коли ми рухаємось далі.
БГ: Ваші колеги, такі як Джорж Черч, наприклад, з Гарварду, вони говорять: "Так, етичні питання в головному стосуються лише безпеки.
Ми тестуємо знову й знову на тваринах та в лабораторіях, і як тільки ми відчуємо, що це досить безпечно, ми переключимось на людей."
Це виглядає зовсім іншим підходом, що ми повинні, насправді, скористатись можливістю та рухатися далі.
Чи можливо розділення у науковій спільноті щодо такого підходу?
Скажімо, чи не вийде так, що одні будуть очікувати, бо вони мають етичні перестороги, а інші - спокійно рухатись далі, оскільки в деяких країнах це дозволено або взагалі не регулюється?
ДД: Ну, я вважаю, що стосовно будь-якої нової технології, особливо подібної, будуть різні погляди, і, я вважаю, це цілком зрозуміло.
Я думаю, що, зрештою, ця технологія буде використовуватись для модифікації людського геному, але я вважаю, що робити це без детального розгляду та обговорення ризиків та потенційних ускладнень було б безвідповідально.
БГ: Існує безліч технологій та інших напрямів науки, які розвиваються за експонентою, як і Ваша.
Я маю на увазі штучний інтелект, автономних роботів і таке інше.
І ніхто, здається, якщо не брати до уваги автономних бойових роботів, ніхто, здається, не пропонує подібну дискусію в тих випадках, закликаючи до мораторію.
Ви не вважаєте, що Ваша дискусія може послугувати зразком для інших напрямків?
ДД: Ну, я вважаю, що науковцям буває складно залишити лабораторію.
Говорячи про себе, мені теж трохи некомфортно це робити.
Але я впевнена, що залучення до початку розвитку цієї технології насправді ставить мене та моїх колег у відповідальну позицію.
І я би сказала, що я, звісно, сподіваюсь, що інші технології будуть розглянуті у такий самий спосіб, ніби ми б хотіли розглянути щось, що може створити ускладнення в інших галузях окрім біології.
БГ: Дженніфер, дякую, що прийшли на TED.
ДД: Дякую.