Бороться с вирусами с помощью вирусов? Генный драйв предлагает новую стратегию борьбы с инфекциямиБороться с вирусами с помощью вирусов? Генный драйв предлагает новую стратегию борьбы с инфекциями
Если ваша иммунная система или медикаменты не могут остановить вирусную инфекцию, то почему бы не направить вирус против него самого?
Такую провокационную идею выдвигают несколько лабораторий. Они изучают, может ли преднамеренное введение сконструированных вирусов людям, инфицированным их естественными родственниками, "загнать" в эти вирусы чужеродный ген, который в конечном итоге уничтожит инфекцию.
Пока ни одна лаборатория не смогла таким образом уничтожить инфекцию у животных, но одна группа исследователей показала, что теоретически это возможно. Эти так называемые генные драйверы используют геномный редактор CRISPR для проведения генетической операции, которая ускоряет распространение гена в потомстве. До сих пор ученые внедряли генные драйверы в животных, таких как грызуны и комары, чтобы контролировать их численность.
Но в препринте, опубликованном на прошлой неделе, исследователи сообщили об аналогичной работе с герпесвирусом-1 (HSV-1). Когда мышам вводили как модифицированные, так и немодифицированные герпесвирусы, генный драйвер уничтожал до 90% вирусов - вероятно, достаточно для того, чтобы инфекция HSV-1 не вызывала таких симптомов, как болезненные простудные высыпания. Второй группе удалось внедрить генные драйверы в HSV-1, который рос в зараженных клетках в лабораторных условиях.
Работа по созданию вирусных генных драйверов еще далека от того, чтобы вылечить инфицированного человека. Никто не знает, например, какую генетическую модификацию должен распространять драйвер, чтобы уничтожить инфекцию. Но другие ученые видят в этом потенциал. Новые исследования "убедительны", - утверждает Ребекка Шапиро, молекулярный микробиолог из Университета Гельфа, которая экспериментировала с генными драйверами на грибках. "Это открывает множество интересных возможностей для использования подобных методов генного драйва для модификации вирусных популяций и, возможно, использования их в качестве новых терапевтических средств".
Исследователи разрабатывали генные драйверы в основном на животных, размножающихся половым путем. Они создавали генетически модифицированных самок или самцов, чьи шансы передать ген потомству значительно превышают 50% - обычную менделевскую вероятность того, что потомок унаследует тот или иной вариант гена. Большинство экспериментов направлено на распространение модификаций, которые убивают потомство или делают его стерильным - возможная стратегия борьбы с вредителями. Однако до сих пор такие работы проводились только в лабораториях из-за опасений, что выпуск животных с генными драйвами может привести к тяжелым последствиям, например, к случайному уничтожению целого вида или нанесению вреда животным, не являющимся объектом исследования.
В отличие от людей, вирусы при репликации не занимаются "генным сексом" друг с другом. Они просто приказывают зараженным клеткам считывать их гены и производить новые вирусы. Но если несколько вирионов заражают одну клетку - как это происходит с герпесвирусами - они часто занимаются чем-то сродни сексу, беспорядочно меняя генетические последовательности внутри ядра. Такая "рекомбинация" приводит к появлению вирусного потомства, которое распространяет новые геномы, а генный драйв перехватывает этот естественный процесс, чтобы внести и усилить генетические изменения, которые в конечном итоге могут вывести из строя целую популяцию вирусов.
HSV-1, HSV-2, цитомегаловирус человека (hCMV), вирус Эпштейна-Барра и другие герпесвирусы - особенно привлекательные кандидаты для борьбы с ними с помощью генного драйва, поскольку они могут вызывать пожизненные латентные инфекции, которые периодически вспыхивают и вызывают симптоматическое заболевание. Некоторые препараты могут сдерживать реактивацию вируса, но у людей с ослабленной иммунной системой эти препараты часто не помогают, и герпесвирусы начинают буйствовать, повреждая многие части органы и даже вызывая летальный исход. Это особенно актуально для людей с нелечеными ВИЧ-инфекциями или для тех, кому пересаживали органы или костный мозг.
Три года назад вирусологи Мариус Уолтер и Эрик Вердин из Института исследований старения имени Бака продемонстрировали, что генный драйв может быть осуществим в герпесвирусах. В экспериментах на клеточных культурах они показали, что hCMV, наделенные генным драйвером, созданным с помощью CRISPR, могут распространять его на другие hCMV в инфицированных клетках. Генный драйв состоял в основном из генетических последовательностей, кодирующих два компонента CRISPR: фермент для разрезания ДНК, известный как Cas, и направляющую РНК, которая направляет фермент в определенное место в вирусном геноме, где он делает разрыв, позволяя копии генетической кассеты CRISPR-Cas вставить себя. Исследователи присоединили к комплексу ген для флуоресцентного маркера, чтобы можно было отслеживать, как драйвер в ходе цепной реакции распространяется на новые герпесвирусы.
Исследование также указало на то, что генный драйв может уменьшить, а то и вовсе уничтожить вирусную популяцию. Направляющая РНК отправляла драйвер на установку внутри определенного вирусного гена. Цель была выбрана не для того, чтобы помешать вирусу, но ген кодировал белок, который защищает патоген от иммунной атаки. Когда вставка отключала ген, это снижало уровень защитного белка и делало вирус более уязвимым.
Работа, появившаяся в журнале Nature Communications в сентябре 2020 года, привлекла мало внимания. "Публикация работы во время пандемии не лучший способ заставить людей обратить на нее внимание", - рассказывает Уолтер. Те немногие исследователи, которые прочитали эту статью, отнеслись к ней скептически, сомневаясь, что вирусный генный драйв уничтожит достаточно вирусов для значительного сокращения популяции, вспоминает Вердин. Один из аргументов, который мы услышали: "О, у вас не получится собрать в одной клетке достаточное количество вирусов, чтобы это сработало". Но препринт, опубликованный 8 декабря Уолтером, Вердином и их коллегами, показывает, что генный драйв может распространять гены среди большей части вирусной популяции в организме мышей, по крайней мере, в некоторых инфицированных тканях.
Уолтер и Вердин рассматривают свою работу как эксперимент по проверке концепции, как и группа под руководством вирусолога Дай Хуншэна из Южного медицинского университета Китая и его коллег, которая описывает свой успех в клеточных культурах с генным драйвером HSV-1 в публикации от 4 декабря в bioRxiv. Дай отмечает, что в культурах тканей генные драйверы HSV-1 работали лучше, чем гены hCMV. "Генный драйв HSV-1 распространялся стабильно и со скоростью, недостижимой для hCMV", - говорит он.
Но эксперимент на мышах показывает, что генный драйв HSV-1 должен распространяться еще быстрее. Как показал флуоресцентный маркерный ген, генный драйв распространялся с разной скоростью по участкам организма мышей, причем различия были наиболее выражены в мозге: в коре головного мозга маркер распространялся на 25% вирусов, в то время как в стволе мозга он попадал в 90% вирусов. Тем не менее, по словам Уолтера, полученные результаты говорят о том, что эта технология может однажды помочь людям. "В естественных условиях происходит достаточно коинфекций, чтобы генный драйв мог быть использован", - считает он.
Все исследователи подчеркивают, что генные драйвы для герпесвирусов еще далеко не готовы к испытаниям на людях. Уолтер планирует в будущем провести эксперименты на животных моделях, надеясь показать, может ли генный драйв подавить хроническую инфекцию HSV-1 настолько, чтобы предотвратить реактивацию и возникновение заболевания.
Бритт Глаунсингер, биохимик из Калифорнийского университета, специализирующаяся на изучении герпесвирусов, считает концепцию перспективной, но предупреждает, что модифицированные вирусы могут сами вызвать заболевание - особенно у людей с ослабленным иммунитетом, - если генный драйв недостаточно ослабит вирусы, на которые он нацелен. Тем не менее она говорит, что "с нетерпением ждет момента куда это приведет".
