Исследователи обращаются к эпигенетическим методам лечения для точной настройки экспрессии генов без изменения кода ДНК.
Молекулярный биолог и лауреат Нобелевской премии Сидни Бреннер, в как-то сказал: «Прогресс в науке зависит от новых технологий, новых идей и новых открытий - именно в таком порядке». Область генной терапии является подтверждением слов Бреннера. Некоторые из самых распространенных генетических заболеваний на Земле, такие как серповидно-клеточная анемия (СКА) и талассемия, были распознаны как имеющие молекулярную причину в 1950-х годах. Хотя идея генной терапии возникла в 1972 году, прогресс технологий, включая вирусную генную терапию и редактирование генов с помощью CRISPR-Cas9, позволил создать безопасные и эффективные средства от обоих заболеваний лишь недавно, в 2023 году.
Редактирование эпигенома прошло аналогичный путь, поскольку недавние технологические прорывы позволили ученым применить открытия, сделанные в предыдущие десятилетия. Редактирование эпигенома представляет собой своего рода генную настройку, изменяя экспрессию генов для восстановления биологической гармонии в больных клетках без изменения последовательности ДНК. Масштабы этой новой технологии огромны и несколько новых и уже существующих биотехнологических компаний исследуют так называемое эпиредактирование для лечения вирусных инфекций, снятия хронической боли, улучшения иммунной функции и снижения риска сердечных заболеваний.
Путь редактирования эпигенома от академических концепций до терапевтических препаратов был отмечен периодами как застоя, так и быстрого развития, когда технологические достижения в разрозненных областях объединялись. Слово «генетический» имеет интуитивно понятное значение: это то, что находится в ДНК. Изменение генетического кода может привести к изменению наблюдаемых характеристик организма. Например, люди, живущие с СКА, и те разрушительные приступы боли и госпитализации, которые вызывает это заболевание, отличаются от своих ближних, не страдающих этим заболеванием, только одним генетическим изменением, которое меняет молекулярную форму их гемоглобина.
К 1980-м годам были открыты и другие похожие эпигенетические явления. Например, у человека и других млекопитающих из 20 000 генов около 200 являются импринтированными: для некоторых из этих генов активна только копия, унаследованная от матери, для других - только копия, полученная от отца. Ученые также обнаружили, что гены несут определенные молекулярные сигнатуры: химические метки на гистонах и на самой ДНК. Что именно делают эти метки, было неясно, и большинство людей, изучавших регуляцию генов в то время, это не волновало.
Со временем стало ясно, что эпигенетические различия в экспрессии генов, вероятно, связаны с различиями в их молекулярных метках. Например, в 1980-х годах ученые обнаружили, что неактивная Х-хромосома изобилует эпигенетическими метками - в данном случае метками метилирования ДНК, подавляющими транскрипцию с ДНК на РНК, - которых нет у активной Х-хромосомы. Однако эти исследования были восприняты широкой общественностью как несколько второстепенное явление. Изучение эпигенетических процессов считалось непонятным, а эпигенетические модификации рассматривались как любопытная причуда генома, но не вполне достойная детального изучения. Фактически, это стало чем-то вроде популярной шутки среди ученых, изучающих регуляцию генов: если вы не понимаете, как работает что-то в ядре, просто обвините в этом хроматин.
Оглядываясь назад, мы можем проследить первопричину того, что эпигенетика была отнесена к незначительной области, как случайность в истории научных открытий. Примерно до 2000 года ученые, заинтересованные в изучении регуляции генов, которую они считали отличной от эпигенетических процессов, в основном использовали идеи и открытия, сделанные в 1960-х годах в бактериях, которые, как мы теперь знаем, контролируют свои гены гораздо более простыми способами, чем мы. Вокруг изучения бактериальной регуляции генов была создана целая область, сопровождавшаяся многими ключевыми открытиями в области транскрипции ДНК, ДНК-связывающих белков и существования регуляторных элементов ДНК. Эти элементы сформировали классическую модель регуляции генов. Однако в ней отсутствовал важнейший фрагмент головоломки: некодирующие модификации ДНК и упаковка хроматина, составляющие эпигеном.
Однако в конце XX века в изучении регуляции генов произошел знаменательный момент «ух-ты». Это событие произошло после того, как в малоизвестном одноклеточном организме под названием Tetrahymena был обнаружен необычный белок, связанный с весьма своеобразным процессом; оказалось, что этот белок пишет химические метки на гистонах. К всеобщему удивлению, этот белок оказался родственником в другом одноклеточном организме, дрожжах, где исследования других ученых показали, что он необходим для включения генов. В течение четырех коротких лет исследователи нашли другие белки, которые могут писать или стирать такие химические метки на гистонах с последствиями для экспрессии генов. Внезапно малоизвестная область эпигенетики вышла на авансцену.
Для ученых, заинтересованных в разработке лекарств, поворотный момент наступил в начале 2000-х годов, когда белок плодовой мушки, регулирующий эпигенетический процесс - стохастическое глушение генов, - оказался родственником человеческого белка, необходимого для того, чтобы доброкачественная гиперплазия предстательной железы прогрессировала до метастатического рака простаты. Этот белок, как оказалось, записывает химические метки на хроматине таким образом, что глушит соответствующий ген. Подобные процессы оказались настолько распространенными, что термин «эпигеном» стал означать совокупность химических модификаций гистонов в определенном гене или наборе генов, которые «сотрудничают» с ДНК, определяя работу этих генов. Изучение эпигенома и того, как он влияет на регуляцию генов, все еще продолжается. Однако ученые не обязательно должны понимать процесс, чтобы использовать его: неполное понимание работы эпигенома не помешало использовать его в молекулярной медицине.
Что общего между СКА, ишемической болезнью сердца (ИБС) и воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК)? Ответ удивителен: несмотря на то что они поражают совершенно разные системы органов и проявляются несхожими симптомами, все три заболевания, а также подавляющее большинство заболеваний человека, которые были изучены, отличаются по степени тяжести от человека к человеку из-за генетических изменений, контролирующих экспрессию генов.
Чтобы подготовить почву для рождения эпигеномного редактирования, необходим был метод, который ученые сейчас используют для изучения генетического риска или защиты от болезней, и который называется исследованием широкогеномных ассоциаций (GWAS). Мы знаем, что СКА, ИБС и ВЗК имеют генетическую составляющую. В то же время у людей с одинаковыми генетическими изменениями могут быть симптомы разной степени тяжести. Для ИБС и ВЗК есть примеры людей с повышенным риском на основе семейного анамнеза и других людей, которые, похоже, защищены от этих заболеваний. Чтобы определить, где в геноме находятся эти уязвимые или сильные стороны, ученые попросили тысячи людей дать разрешение на считывание их ДНК и сравнить ее с состоянием их здоровья при том или ином заболевании. Для каждого заболевания исследователи нашли участки генома, которые были связаны с защитой или риском заболевания. К всеобщему большому недоумению, 90% таких участков не было в самих генах. Напомним, что только 5% нашей ДНК действительно предписывают клеткам создавать белки, а остальная часть генома была бестактно названа нежелательной ДНК. Как может этот предполагаемый хлам, в котором, как было показано, лежат сигнатуры заболеваний, оказывать какое-либо влияние на здоровье?
Результаты GWAS поставили этот вопрос, а эпигеномное картирование дало ответ. Изучив около 800 различных типов клеток и тканей человека, ученые обнаружили, что поразительные 20% нашей ДНК содержат инструкции, указывающие, когда гены должны включаться или выключаться. Подобные регуляторные ДНК встречаются гораздо чаще, чем сами гены;
это похоже на студию звукозаписи, где звук, издаваемый группой из четырех музыкантов, регулируется пультом с несколькими сотнями рычажков и циферблатов.
Как это помогло нам понять генетику заболеваний? Когда ученые сравнили геномную карту признаков риска или защиты от болезней и карту регуляторных элементов, они обнаружили, что 90% первых лежат внутри вторых! По сути, мы теперь знаем, что риск или защита от болезней сердца, иммунной системы, обмена веществ и практически всех других заболеваний на генетическом уровне обусловлены изменениями в том, включены или выключены гены, а не в том, что именно "говорят" гены.
Ярким примером здесь является ИБС, ведущая причина заболеваемости и смертности на планете. Здесь главной генетической причиной является участок регуляторной ДНК, оказывающий сложное воздействие на сосудистую систему. У разных людей меняется не последовательность ДНК генов, кодирующих белок, а последовательность ДНК регуляторного элемента, который контролирует, когда и где образуются определенные белки. Наконец-то мы находимся на расстоянии одной технологии от того, чтобы добраться до самого интересного: как все это объединяется, чтобы создать новую форму генетической медицины.
В одной человеческой клетке содержится 6,6 миллиарда букв ДНК. В книжном виде геном человека занял бы 500 книг размером с учебник для вуза и если бы вы читали по одной букве за раз, то закончили бы ровно через сто лет. Наш геном очень, очень длинный. Это не очень хорошая новость для создания лекарств. Если большинство болезней обусловлено небольшими индивидуальными изменениями, то как мы будем работать с этим в медицине? Даже если мы сможем выявить эти изменения, как мы доберемся до них внутри человеческой клетки?
В биомедицине многие технологии, способствующие развитию медицины, были позаимствованы у природы. Классический пример - рекомбинантная ДНК, благодаря которой мы получили массовое производство инсулина для лечения диабета и иммунотерапию для лечения рака. Технология, позволяющая нам искать определенные участки ДНК внутри живых клеток, также была позаимствована у матушки-природы. В 1960-х и 1970-х годах ученые обнаружили, что все клетки, будь то бактериальные или человеческие, содержат специальные белки, способные распознавать определенные участки ДНК на основе их генетической последовательности. В нашем геноме закодировано 1600 таких белков.
В 1991 году на атомном уровне была определена структура самого распространенного из этих белков в клетках человека: подобно молекулярной гусенице, он состоял из двух или более сегментов, соединенных вместе, причем каждый сегмент затрагивал три буквы ДНК. Это означало, что можно смешивать и сочетать такие сегменты для создания новых ДНК-связывающих белков, чтобы найти любую регуляторную ДНК, представляющую интерес. В 2012 году лауреаты Нобелевской премии Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье вновь обратились к природе, открыв совершенно иной способ достижения той же цели. Белок Cas9, обнаруженный у бактерий в специализированной иммунной системе под названием CRISPR, использует короткую последовательность РНК для поиска интересующего гена путем сопоставления 20-буквенного участка ДНК с целевым геном. Все эти фундаментальные открытия привели к замечательному прорыву: теперь у ученых есть множество способов создать белок, который может найти любой участок ДНК в наших клетках. Именно здесь эпигеном вновь проявляет себя во всей красе.
В начале 2000-х годов ученые использовали все эти открытия для создания инженерных белков, способных находить любой интересующий их ген в живых клетках. Они соединили белок, способный связываться с геном, с белком, записывающим информацию на гистонах, поместили их в клетки и наблюдали, изменит ли модификация эпигенома то, что делает ген. В 2001 и 2002 годах, когда были созданы первые такие «редакторы эпигенома», было совершенно неясно, что изменение эпигенома гена приведет к его включению или выключению по требованию. К всеобщему удивлению и восторгу, этот молекулярный инструмент смог найти путь к гену, переписать его эпигеном и заставить его замолчать.
Но редакторам эпигенома первого поколения пришлось ждать почти два десятилетия, прежде чем появились другие технологии. Ключевую роль сыграли технологии доставки, поскольку исследователям необходимо было убедиться, что редактор эпигенома попадет в нужный орган человеческого тела. Существует несколько таких подходов к доставке. Один из них использует безвредный вирус для переноса гена, кодирующего редактор эпигенома, в позвоночник, где молекулярная нагрузка находит и выключает ген, необходимый для передачи болевого сигнала в мозг. Этот метод проходит клинические испытания для лечения хронической, трудноизлечимой боли. Другая форма вируса-доставщика используется для доставки в мозг редактора эпигенома, который включает ген, необходимый для нормальной электрической активности мозга, и применяется для лечения мышиной модели генетического заболевания, связанного с тяжелыми, постоянными судорогами. Пандемия COVID-19 популяризировала термин «липидная наночастица», и теперь эти частицы используются в клинических испытаниях для отправки в клетки печени редактора эпигенома, который заглушает активность вируса гепатита. Не отстают от них в продвижении к испытаниям на людях эпигеномные редакторы для нейродегенеративных и сердечно-сосудистых заболеваний.
Во всех этих случаях медицинская этика требует, чтобы клинические испытания были сосредоточены на тяжелых заболеваниях с ограниченными возможностями лечения. До получения результатов этих ранних клинических испытаний осталось не менее двух лет. Давайте будем информированными и осторожными оптимистами и посмотрим на ближайшее будущее, в котором эти и другие испытания докажут, что эпиредактирование безопасно и эффективно. Это не является само собой разумеющимся, но надеяться на это вполне оправданно.
Каковы же реалистичные перспективы эпиредактирования? Полезный способ сформулировать прогноз - оценить мощь редактирования генома. Здесь могущественный CRISPR-Cas9 используется для прямого исправления мутаций, вызывающих генетические заболевания. Эта технология демонстрирует поистине великолепный прогресс в исправлении одного гена за раз. Кроме того, она обладает исключительной способностью оказывать сильное бинарное воздействие на целевые гены: до редактирования ген мутирует, после редактирования - полностью восстанавливается.
Эпигеномное редактирование немного больше похоже на резонатор, поскольку с его помощью можно создавать градуированные эффекты и воздействовать сразу на несколько генов. В части, посвященной GWAS, мы обсуждали тот факт, что совместное влияние на регуляцию генов в нескольких позициях генома человека приводит к защите или риску возникновения таких распространенных заболеваний, как сердечно-сосудистые, аутоиммунные и метаболические. Хотя технология все еще требует дальнейшего развития, есть достаточно данных, чтобы увидеть будущее, в котором редактирование эпигенома будет использоваться для корректировки работы сразу нескольких генов с целью создания более здоровой клетки или органа.
Объективно сложно предсказывать будущее в области, где такие революционные открытия, как CRISPR-Cas, которые не ожидал абсолютно никто, появляются с определенной периодичностью. Однако одно можно сказать наверняка: технологический прогресс в генетической медицине не замедлится. Масштабы влияния редактирования эпигенома на здоровье имеют все шансы оказаться на волне этого прогресса.
