Базовое редактирование точно меняет гены человеческих эмбрионов, но пока небезопасно для клиники

Исследование, проведённое учёными Колледжа врачей и хирургов имени Вагелоса при Колумбийском университете, показало, что новые методы позволяют точно редактировать гены в человеческих эмбрионах и дают исследователям ценные инструменты для изучения раннего развития человека, но также выявили серьёзные риски, которые в настоящее время исключают их использование в клинической практике.

Редактирование генома — важный инструмент для понимания функций генов; редактирование в ранних человеческих эмрионах помогает узнать о самых первых шагах развития. Уже известно, что по мере роста ранние эмбрионы получают значительное количество повреждений ДНК, и многие эмбрионы, полученные с помощью ЭКО, прекращают развитие в первые дни.

Вводя подобные повреждения целенаправленно с помощью редакторов, исследователи стремятся выяснить, как эмбрионы восстанавливают генетический материал, и в перспективе разработать подходы к снижению риска генетических аномалий и неудач при ЭКО.

Руководителем проекта является Дитер Эгли, доцент кафедры биологии клеток развития факультета педиатрии Колледжа врачей и хирургов имени Вагелоса Колумбийского университета.

В статье, опубликованной 9 сентября в Nature , команда Эгли использовала метод базового редактирования — более «щадящий» инструмент по сравнению с ранними подходами — чтобы внести точечные изменения в отдельные буквы ДНК одноклеточных человеческих эмбрионов. Ученые затем отслеживали развитие каждого эмбриона в течение 6–7 дней — на стадии, когда эмбрионы при ЭКО могут быть имплантированы — и проверяли, были ли изменения внесены правильно и передались ли всем клеткам эмбриона. Редактирование в ряде случаев приводило к непредсказуемым изменениям и потому сейчас небезопасно для клинического применения. «Но, учитывая наши результаты, в настоящее время невозможно сделать это безопасно», — говорит Эгли.

«Первой целью учёного является открытие новых знаний, которые, как мы надеемся, приведут к новым способам помощи людям. Но выявление рисков не менее важно, потому что оно устанавливает границы для значимого использования мощной технологии. Я думаю, что наше исследование будет препятствовать ненадлежащему использованию этих методов в клинике, потому что мы ясно демонстрируем риски».

Человеческие эмбрионы трудно редактировать точно.

Около 10 лет назад лаборатория Эгли первой в их группе попыталась использовать CRISPR — тогда относительно новую технику — для редактирования гена в ранних человеческих эмбрионах.

CRISPR действует как «ножницы»: он разрезает обе нити ДНК, после чего клетка восстанавливает сломанные концы.

Лаборатория Эгли скептически относилась к успеху этой схемы, поскольку ранее было показано, что человеческие эмбрионы плохо справляются с восстановлением двухцепочечных разрывов. При попытках редактировать эмбрионы с помощью CRISPR в большинстве случаев возникали ошибки: удалялись большие участки хромосом и даже целые хромосомы по мере развития эмбрионов.

Поэтому учёные стали искать менее травмирующие способы изменения последовательности ДНК.

За последние годы появились редакторы нового типа, которые действуют бережнее: базовые редакторы скорее напоминают «карандаш с ластиком» — они заменяют одну букву на другую в одной цепи ДНК, не разрезая обе нити.

В новом исследовании команда Эгли совместно с международными коллегами попыталась исправить однобуквенные мутации в трёх генах. Один из них, PCSK9, связан с повышенным уровнем холестерина и сердечно‑сосудистыми заболеваниями; два других, HBG1 и HBG2, участвуют в синтезе гемоглобина и при мутациях могут приводить к болезням крови, таким как серповидноклеточная анемия и бета‑талассемия.

Когда базовое редактирование вводили в оплодотворённые яйцеклетки до первого деления, оно успешно модифицировало целевые участки, и внесённые изменения сохранялись во всех дочерних клетках получающегося эмбриона (100%).

Однако исследователи заметили и нежелательные эффекты: редактор вызывал и другие изменения в геноме, в том числе крупные хромосомные делеции — хотя они встречались реже, чем при использовании CRISPR. «Это говорит нам кое‑что о том, как тип повреждения ДНК, вызванный редакторами оснований, восстанавливается или не восстанавливается клеткой», — отмечает Эгли.

Базовый редактор также приводил к появлению дополнительных изменений во время развития эмбриона, в том числе рядом с целевым участком, что приводило к мозаицизму — состоянию, когда разные клетки эмбриона имеют разные генетические изменения. По словам Эгли, «мозаицизм создаёт ряд возможностей, делая невозможным прогнозирование результатов и, таким образом, препятствует значимому применению для использования в клинике».

Ещё один риск выявили при повышенной экспрессии мРНК некоторых версий базовых редакторов: эмбрионы при высоких уровнях такой мРНК переставали развиваться, что указывает на дополнительную проблему, которую нужно понять и избежать, прежде чем методы станут безопасными.

Применение редактирования.

Эгли по‑прежнему видит долгосрочную перспективу: редактирование генов на ранних стадиях эмбриогенеза могло бы помочь людям с наследственными заболеваниями иметь здоровых детей, потому что редактирование до того, как мутация распространится по миллиардам клеток, потенциально эффективнее, чем попытки вмешательства позже.

Тем не менее, исправить выявленные проблемы с базовым редактированием будет непросто. «По самой своей природе, чтобы редактировать ген, сначала нужно повредить ДНК», — говорит Степан Джерабек, научный сотрудник лаборатории Эгли и ведущий автор статьи. «Когда для предотвращения болезней доступны другие технологии без такого риска, редактирование генов не является предпочтительным методом», — добавляет Эгли.

В научной работе в лаборатории эти методы уже помогают изучать биологические механизмы, управляющие самыми ранними днями развития человека.

Лаборатория Эгли планирует использовать базовое редактирование для изучения влияния повреждений ДНК в эмбриогенезе, что может привести к методам снижения риска генетических аномалий и уменьшения числа неудач имплантации у пациентов, проходящих ЭКО. Другая исследовательская группа уже использовала базовое редактирование для изучения роли белка Nanog в эмбриональном развитии человека.

«Мы также мало знаем о том, как геномная нестабильность на ранних стадиях развития влияет на здоровье во взрослом возрасте. Новые мутации могут возникать спонтанно, ДНК повреждается и восстанавливается, и это важно понять. Инструменты редактирования, применённые к человеческим эмбрионам, могут помочь понять здоровье и болезни в самых разных областях», — говорит Эгли.