Позже, уже в начале 2000-х, у пяти пациентов, которым проводили генную терапию сцепленного с X-хромосомой ТКИД, развилась лейкемия рак красного костного мозга. Это произошло из-за того, что ретровирус ошибочно активировал некий онкоген (один из генов, вызывающих рак), и это привело к неконтролируемому размножению клеток. Этот инцидент подчеркнул неотъемлемый риск, присущий методу, при котором пациентам вводятся большие количества чужеродного агента, а в их геномы случайно встраиваются несколько тысяч букв ДНК. Я помню, как тогда подумала, что эта область клинических исследований, в принципе столь многообещающая, может оказаться неприемлемо рискованной.
Кроме того, генная терапия по своей сути неэффективна для широкого ряда генетических заболеваний, которые не вызваны отсутствием или мутацией генов. Такие заболевания не могут быть исправлены простым добавлением новых генов в клетки. Возьмем, к примеру, хорею Гентингтона, при которой измененный ген вырабатывает белок аномального строения и действие этого гена полностью нивелирует действие другого, здорового. Так как мутантный ген доминирует над нормальным, простая генная терапия то есть добавление еще одной нормальной копии гена с помощью специально видоизмененного вируса никак не поможет в случае хореи Гентингтона или других заболеваний, наследуемых по доминантному типу.
В таких (и подобных) случаях врачам придется найти способ починить проблемные гены, а не просто заменить их. И если бы они научились восстанавливать дефектный код, вызывающий расстройства, то научились бы лечить как рецессивные, так и доминантные наследственные заболевания, не боясь при этом добавить ген не туда, куда следует.
Эта возможность интриговала меня с самого начала карьеры. В начале 1990-х, уже получив степень доктора философии[24] в Гарвардском университете, я в течение многих вечеров обсуждала эту идею с коллегами по лаборатории в Колорадском университете в Боулдере, где я была постдоком[25]. В те дни мы с моим другом и коллегой Брюсом Салленджером спорили обо всем подряд от президентских выборов 1992 года (мне нравился Пол Цонгас, а Брюсу Билл Клинтон) до различных стратегий генной терапии. Один из вопросов, который мы обсуждали, был таким: возможно ли отредактировать молекулы РНК то самое связующее звено между ДНК и белком в клетке таким образом, чтобы исправить мутации, которые эти молекулы наследовали от ДНК? Помимо всего прочего, это была тема исследовательского проекта Брюса. Иногда мы также обсуждали другую возможность: редактирование исходного кода таких дефектных РНК то есть самой ДНК генома. Мы оба считали, что этот метод изменил бы все. Вопрос состоял лишь в том, удастся ли когда-нибудь воплотить эту идею в действительность.
На протяжении 1980-х, в то время как некоторые исследователи оттачивали методы переноса генов с использованием вирусов, другие искали более простые пути трансформации клеток млекопитающих, используя ДНК, изготовленную в лаборатории. Эти базовые методы предназначались прежде всего для фундаментальной науки, но со временем ученые начали также исследовать их потенциал для лечения клеток человека.
У этих подходов было несколько ключевых преимуществ перед более сложными техниками переноса генов. Прежде всего они были гораздо более быстрыми; вместо того чтобы упаковывать гены в перенастроенные вирусы, ученые могли вводить созданную в лаборатории ДНК напрямую в клетки или делать так, чтобы клетки сами поглотили ее: для этого последние погружались в специально приготовленную смесь ДНК и фосфата кальция. Во-вторых, хотя в этих более простых методах и не применялось встраивание новых генов в геномы клеток при помощи вируса, клетки могли объединять чужеродную ДНК со своей собственной пусть и не слишком эффективно.
Мыши часто становились первыми подопытными животными, на которых тестировались эти техники, и ученые поражались тому, насколько эффективными оказывались такие методы применительно к маленьким созданиям. Вводя новую ДНК в оплодотворенные яйцеклетки мышей и затем имплантируя эти яйцеклетки в женские особи, исследователи обнаружили, что они могли перманентно встроить чужеродную ДНК в геномы представителей следующего поколения и вызвать наблюдаемые изменения в развивающихся животных. Эти достижения означали, что любой ген, который ученые были способны изолировать и клонировать в лаборатории, можно было попробовать ввести в клетку и изучить его поведение там; добавляя этот ген в клетки, ученые могли наблюдать его воздействие на организм и лучше понять его функции. Хотя моя научная работа в то время была в основном посвящена формам и функциям молекул РНК, я осознавала, что потенциальные последствия этих открытий были огромны.
Вопрос состоял в следующем: каким именно образом ДНК находит путь к геному? Марио Капекки, профессор университета Юты, пытался ответить на этот вопрос в начале 1980-х, сделав одно необъяснимое наблюдение: когда в один геном подселяли сразу много копий какого-нибудь гена, эти копии интегрировались в геном вовсе не беспорядочно, как этого можно было бы ожидать, а прямо наоборот. Капекки обнаружил, что копии гена, вместо того чтобы распределяться хаотическим образом по разным хромосомам генома, всегда собирались вместе в одной или немногих областях, при этом многие копии накладывались друг на друга, как будто их так собрали таким образом умышленно. Впоследствии ученый установил, что именно так оно и было[26].
Капекки наблюдал результаты процесса, называемого гомологичной рекомбинацией, в тот момент это был уже хорошо известный феномен, однако ученый не ожидал наткнуться на него в этом эксперименте. Наиболее известный пример гомологичной рекомбинации происходящая во время формирования яйцеклеток и сперматозоидов редукция каждого двойного набора хромосом (половину которого мы получили от матери, а половину от отца) до одинарного, который затем объединится со вторым таким же набором (у другого партнера) в ходе полового размножения[27]. В этом процессе избавления от лишнего клетки выбирают смесь отцовских и материнских хромосом; каждая пара хромосом вступает в своего рода половой акт, обмениваясь крупными фрагментами ДНК таким образом, что генетическое разнообразие в пределах одной хромосомы увеличивается. Несмотря на головоломную сложность смешивания, сопоставления и пересборки цепей из миллионов букв ДНК, клетки могут выполнять эти задачи безупречно именно благодаря процессу гомологичной рекомбинации. Тот же процесс происходит во всех царствах живых существ: к примеру, бактерии с его помощью обмениваются генетической информацией, а биологи пользуются преимуществами гомологичной рекомбинации для проведения генетических экспериментов на дрожжах в течение многих лет.
Тем не менее открытие того факта, что клеткам лабораторных млекопитающих также свойственно явление гомологичной рекомбинации, имело огромное значение. Марио Капекки писал в конце своей статьи 1982 года:
Будет интересно определить, сможем ли мы использовать [вовлеченные в процесс ферменты], чтобы путем гомологичной рекомбинации направленно воздействовать на гены, расположенные в определенных участках хромосом[28].
Другими словами, гомологичная рекомбинация позволяет ученым с безупречной точностью вставлять гены в подходящие места генома а это поразительное усовершенствование по сравнению со случайной вставкой генов с помощью вирусов. И, что еще важнее, гомологичная рекомбинация может дать ученым возможность переписывать дефектные гены, помещая здоровые гены прямо в то место, где произошла мутация.
Спустя всего три года после экспериментов Капекки эта возможность воплотилась в реальность в примечательной научной работе, статью о которой опубликовал Оливер Смитис с коллегами. Работая с человеческими клетками, взятыми из опухолей мочевого пузыря, ученые поставили перед собой задачу заменить доморощенные копии гена бета-глобина в клетках на искусственные рекомбинантные версии, сконструированные в лаборатории. Невероятно, но это сработало[29]. Ученым не пришлось использовать никаких необычных трюков они просто смешали ДНК с фосфатом кальция и опрыскали клетки полученной смесью некоторые из клеток поглотили чужеродную ДНК, создали пары из разработанных в лаборатории цепочек ДНК и собственных подходящих последовательностей в геноме, а затем посредством некоторой молекулярной гимнастики заменили старые на новые.
Казалось, клетки могут проделывать большую часть сложной работы по модификации собственных геномов без посторонней помощи. Это означало, что ученые могли доставлять гены более мягким способом, не используя вирусы для запихивания новой ДНК в геном. Заставляя клетки думать, что рекомбинантная ДНК была лишь дополнительной хромосомой, которой нужно найти пару с подходящим геном, уже имеющимся в геноме, ученые могли гарантировать, что новая ДНК соединялась с изначально находящейся в клетке посредством гомологичной рекомбинации.
Ученые назвали этот новый подход к манипуляции с генами направленным воздействием на гены. Сегодня этот метод известен под другим именем: редактирование генома.
Потенциал этой технологии для генетических исследований был невероятно заманчив. Однако Смитис знал, что гомологичная рекомбинация может быть также использована и в качестве терапии. Если бы ученые смогли провести аналогичное направленное воздействие на гены в стволовых клетках пациентов, страдающих от серповидноклеточной анемии, то мутировавший ген бета-глобина можно было бы заменить на нормальную, здоровую последовательность. Открытие Смитиса было сделано в рамках экспериментального подхода, однако в один прекрасный день оно потенциально могло быть использовано для лечения заболеваний.
Другие лаборатории также вступили в конкуренцию за усовершенствование этой техники направленного воздействия на гены. Одной из них была лаборатория Капекки. В 1986-м, когда я была на втором курсе магистратуры, он показал, что гомологичная рекомбинация достаточно точна для того, чтобы исправлять даже точечные мутации в геноме и корректировать недостаточность ферментов в клетках[30]. Два года спустя Капекки предложил общую стратегию направленного воздействия на любой ген с известной последовательностью нуклеотидов в любом геноме. Он также предположил, что гомологичную рекомбинацию можно использовать не только для исправления и ремонта генов, но и для их инактивации в исследовательских целях[31]; выключая гены и наблюдая, что получится в результате, ученые могли определять функции этих генов.
Редактирование генома посредством гомологичной рекомбинации