Знаковое одобрение первой CRISPR-терапии прокладывает путь к лечению на основе более эффективных и точных редакторов генома.
8 декабря Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств (FDA) США одобрило терапию CRISPR-Cas9 для лечения серповидно-клеточной анемии. Незадолго до этого, 16 ноября, ее одобрили британские регулирующие органы. Множество других CRISPR-Cas9-терапий проходят клинические испытания в качестве средств лечения целого ряда заболеваний.
Как бы ни были совершенны эти методы лечения, это только начало. "Мы склонны называть их первым поколением редактирования генома", - говорит Кит Готтесдинер, главный исполнительный директор компании Prime Medicine из Кембриджа, которая занимается разработкой методов редактирования генома. "Они могут делать замечательные вещи, но их возможности довольно ограничены".
Однако сейчас появляется новое поколение систем на основе CRISPR, которые преодолевают эти ограничения. Эти системы редактируют ДНК с большей точностью и универсальностью, чем это удавалось первоначальным редакторам генома. Они могут вносить изменения, например, включать гены, чего не могли первоначальные инструменты. По словам Марианны Карлон, специалиста по легочным заболеваниям из лаборатории респираторных заболеваний и торакальной хирургии Левенского католического университета (Нидерланды), одобрение классического CRISPR-Cas9 "создает основу" для следующего поколения методов редактирования генома.
Редактирование оснований
Редактирование генома дает возможность исправить мутации, вызывающие муковисцидоз, который поражает легкие и пищеварительную систему. Но для этого классические подходы CRISPR-Cas9 малопригодны: "CRISPR гораздо лучше разрушает вещи, чем исправляет их", - поясняет Готтесдинер.
Вместо этого Карлон исследует метод лечения муковисцидоза, который использует метод редактирования оснований, позволяющий изменять отдельные буквы ДНК, или основания, например, превращая A в G или C в T. Редактирование оснований основывается на ферменте Cas9, используемом в оригинальной системе CRISPR, чтобы направить эти изменения в нужное место. Но в отличие от старого варианта CRISPR-Cas9, редактирование оснований в данном случае не разрезает обе нити ДНК в этом месте. Вместо этого Cas-9 направляет другие ферменты к выбранному участку, где они выполняют работу, необходимую для изменения оснований ДНК.
За семь лет, прошедших с момента появления первых сообщений о редактировании оснований, исследователи разработали способы уменьшить количество нежелательных изменений ДНК, которые оно вызывает, и уменьшить размер его компонентов, чтобы их было легче доставлять в клетки. Терапия с редактированием оснований уже используется в ранних клинических испытаниях, в том числе для лечения повышенного уровня холестерина и одной из форм лейкемии. Однако за поразительную точность этой методики приходится расплачиваться ее негибкостью: с ее помощью можно изменять только определенные последовательности ДНК и нельзя вставлять в геном целые куски ДНК.
Прайм-редактирование
В 2019 году новая система CRISPR, названная прайм-редактированием, обещала устранить эти ограничения. Прайм-редактирование может изменять отдельные основания ДНК, а также вставлять или удалять небольшие участки ДНК в целевых местах. Это более гибкая система, чем редактирование оснований, поскольку она может нацелиться и исправить практически любой участок генома. Но она также и сложнее. "У нее много возможностей, но это делает ее довольно сложной в работе", - отмечает Карлон.
С 2019 года исследователи повысили эффективность прайм-редактирования, разработав более совершенные ферменты; другие усовершенствования предотвращают вмешательство естественных механизмов репарации ДНК клетки и внесение ошибок. В следующем году Prime Medicine планирует получить разрешение FDA США на проведение клинических испытаний прайм-редактирующего препарата для лечения хронической гранулематозной болезни, генетического иммунного расстройства.
Тем временем исследователи расширяют границы этой методики, разрабатывая способы вставки все более крупных фрагментов ДНК в целевые участки генома. Это открывает возможности для замены целых генов, полагает Омар Абудайех, инженер-биолог из Массачусетского технологического института, а значит, облегчает разработку терапии для лечения генетических заболеваний, таких как муковисцидоз, которые могут быть вызваны множеством различных мутаций в определенном гене. Вместо того чтобы разрабатывать терапию для исправления каждой мутации, возможно, в один прекрасный день можно будет заменить дефектную копию гена на новую. "Тогда у вас будет средство, применимое к каждому пациенту с этим заболеванием", - говорит он. "Все работают над разными способами сделать это".
Редактирование эпигенома
Помимо изменения последовательности самого гена, системы CRISPR могут изменять способ экспрессии генов путем изменения эпигенома, включая ряд химических модификаций ДНК, которые могут влиять на активность генов.
Технологии, нацеленные на эпигеном, развиваются не так быстро, как редактирование оснований. Отчасти это объясняется тем, что ученые полагали, будто изменения эпигенома стираются во время деления клетки, объясняет Дерек Янц, главный научный сотрудник компании Tune Therapeutics. "Это распространенное заблуждение", - говорит он. "Эпигенетика очень долговечна".
В мае ученые из Tune представили данные, свидетельствующие о том, что они могут отключить ген PCSK9, регулирующий уровень холестерина, у человекообразных приматов, не изменяя оснований в самой ДНК. Для этого они использовали метод добавления химических меток, называемых метильными группами, которые прикрепляются к ДНК и регулируют активность гена. По словам Янца, эффект сохраняется по крайней мере в течение 11 месяцев. Длительный эффект может дать редактированию эпигенома преимущество перед некоторыми препаратами на основе РНК, которые необходимо повторно вводить каждые несколько недель или месяцев. А тот факт, что лечение не связано с изменением ДНК, снимает опасения по поводу безопасности, которые возникают у регулирующих органов в связи с применением CRISPR-Cas9, говорит Янц.
По словам Лей Стэнли Ци, биолога-синтетика из Стэнфордского университета, этот результат также является примером того, как улучшенное понимание эпигенома может продвинуть эти методы лечения вперед и справиться с заболеваниями, которые другие формы CRISPR-редактирования не могут решить. Например, Tune надеется использовать редактирование эпигенома для лечения вируса гепатита В, заглушая вирусную ДНК, которая может сохраняться в клетках даже после противовирусного лечения.
Хотя такие применения далеки от редактирования с помощью CRISPR-Cas9, использованного в первом одобренном CRISPR-препарате, разрешение регулирующих органов помогает утвердить редактирование на основе CRISPR в качестве жизнеспособного способа лечения заболеваний, говорит Ци. Это, в свою очередь, может повысить интерес к редактированию эпигенома. "Это одобрение - огромное событие", - говорит он. "После этого, я думаю, мы перейдем на ускоренный режим работы".
