В каждой области науки происходят важные события. Наш век — это век, когда каждое исследование не только опровергается, но и рассматривается в разных измерениях, а результаты выходят за рамки возможного. Если раньше ответы, которые дает нам самый маленький строительный блок человека, были немыслимы, то сегодня даже этих ответов недостаточно. Наши гены — это огромные структуры, которые делают нас такими, какие мы есть, и оставляют следы даже за миллионы лет до наших предков. Каково же состояние генных технологий сегодня? Какие исследования проводятся в этом направлении?
Информационного загрязнения очень много. Генетически модифицированные продукты, вакцины, генная терапия, супердети, искусственное мясо… Мы устали от того, что все встают перед камерой и делают заявления на любой социальной платформе, используя слухи или фальшивую информацию. Какие ошибки мы знаем в области генетики, чему нам еще предстоит научиться и что означает CRISPR, одно из важных событий эпохи? Мы спросили доктора Бурака Бербера, научного сотрудника, добившегося значительных успехов в области молекулярной биологии в Турции, и он ответил со всей ясностью. Давайте все вместе сосредоточимся на наших генах.
Что такое CRISPR? В каких областях он используется?
Это инструмент редактирования генов, который появился благодаря открытию механизма под названием Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Название может показаться сложным, но чтобы упростить его для наших читателей, мы можем называть так повторяющиеся строки, обнаруженные в бактериальной ДНК. Точная функция этих повторяющихся областей была раскрыта за последние 20 лет, а в 2020 году Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна получили Нобелевскую премию за новый метод редактирования генов, разработанный ими с использованием этого механизма.
Так какой же механизм используется в регуляции генов?
На самом деле это защитный механизм, который бактерии вырабатывают против бактериофагов (вирусов, заражающих бактерии), которые их заражают. Система CRISPR работает вместе с ферментами, называемыми Cas. В этих повторяющихся последовательностях ферменты Cas несут фрагменты, которые вырезаются из бактериофагов и добавляются к бактериальной ДНК, и если бактерия повторно заражается бактериофагом этого типа, эти ферменты распознают фаговую ДНК и уничтожают ее, разрезая. Таким образом, бактерия получает защиту от этого вида фага. Если говорить немного подробнее о процессе открытия механизма, то следует упомянуть Родольфа Баррангу, доктора философии, который работал на фабрике по производству йогуртов Donisco.
ЗАЛОЖЕН ФУНДАМЕНТ ЗАВОДА ПО ПРОИЗВОДСТВУ ЙОГУРТОВ
Только не говорите, что его обнаружили на фабрике по производству йогурта…
Да, когда он проводил исследования по получению лучшего йогурта, то считал, что бактерии, используемые в процессе ферментации, должны стать более устойчивыми к бактериофагам, чтобы йогурт заквашивался более качественно. Его исследования сыграли важную роль в открытии CRISPR. Он обнаружил, что у бактерий, которые приобрели устойчивость к зараженным им видам бактериофагов, в их геномах увеличилось количество повторяющихся последовательностей, и что среди этих повторяющихся последовательностей была информация о последовательностях, принадлежащих заражающим бактериофагам. Эта информация сыграла важную роль в открытии Дженнифер Дудна и Эммануэля Шарпантье. Дженнифер и Эммануэль создали фермент Cas, используемый в этой системе, и продемонстрировали, что, если вставить в этот фермент нужный участок гена, то целевой участок гена будет успешно разрезан. Существует множество различных типов ферментов Cas. Причина, по которой система получила название CRISPR-Cas9, заключается в том, что фермент Cas9 показал наиболее эффективную активность и использовался в то время. В настоящее время Cas13 также широко используется в исследованиях по редактированию генов. Организмы, геномная последовательность которых вам известна, дают возможность вмешаться в нужный вам участок гена. Здесь также стоит упомянуть Фенга Чжана. Благодаря разработанному им механизму система CRISPR-Cas стала доступна в клетках человека. Сегодня проводятся исследования на растениях, животных и людях.
ПОВРЕЖДЕНИЕ ГЕНОВ ОБНАРУЖИВАЕТСЯ В ПЕРИОД ОТ 1 ДО 6 МЕСЯЦЕВ
Каковы причины повреждения генов?
Повреждение гена может выражаться в изменениях, которые нарушают его функцию. Из гена вырабатывается промежуточная молекула — мРНК, а из мРНК образуется белок. Если в последовательности гена появляется дефектный участок, белок образуется неправильно и может вызвать нарушения внутриклеточных функций. На эти структурные изменения могут влиять экологические и наследственные факторы.
Сколько времени требуется для обнаружения поврежденного гена?
Обнаружение поврежденного гена сегодня не является простым процессом. Его можно выявить при правильной диагностике и постановке диагноза. Современные исследования в основном основаны на том, что мутации, вызывающие заболевание, были зарегистрированы ранее. Прогресс идет по данным пациентов с похожими находками с данной мутацией. Проводится секвенирование целого генома или экзома из образца крови или ткани, взятого у пациента, и биоинформационный анализ, чтобы выяснить, есть ли поврежденный ген, о котором сообщалось в прошлом и который может вызывать заболевание. В нашей стране мы пока не можем проводить эти анализы очень быстро. Результаты могут быть получены в период от 1 месяца до 6 месяцев. Я знаю, что есть регионы, о которых сообщают более чем через 6 месяцев.
ЛЕЧЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНО РАЗРАБОТАННЫМИ ВИРУСАМИ
Каковы современные методы генной терапии?
B-талассемия (ZYNTEGLO), СМА (Zolgensma), В-клеточная лимфома (YESCARTA, TECARTUS), дистрофический эпидермолизный буллез (мутации гена COL7A1 — VYJUVEK), церебральная адренолейкодистрофия (мутация гена ABDC1, SKYSONA), гемофилия А (ROCTAVIAN), дистрофия сетчатки, связанная с мутацией RPE65 (LUXTURNA) и другие генные терапии, одобренные Управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств США. В целом генетическая терапия заболеваний крови более благоприятна, чем других заболеваний тканей, поскольку клетки крови можно легко получить и культивировать. Генетически модифицируя клетки крови и вводя их обратно человеку, можно заставить эти клетки бороться с такими заболеваниями, как лимфома. Тканезависимые генетические модификации, такие как SMA, осуществляются с помощью специально разработанных вирусов. Хотя эти специально разработанные вирусы не могут реплицироваться самостоятельно, они обеспечивают необходимую область генов и тканевую привязку. К сожалению, поскольку сегодня разработано очень мало тканеспецифичных вирусов, такие препараты, как Золгенсма, продаются за миллионы долларов.
«МЫ ВЕРИМ, ЧТО КАЖДЫЙ ОРАТОР ГОВОРИТ ПРАВДУ».
Мир пережил крупную пандемию, вызванную коронавирусом. В период пандемии произошло невероятное информационное загрязнение и появилось множество предположений о методах лечения, разработанных во время пандемии. Одним из самых ярких стало рассуждение «Они изменили нашу генетику». Неужели в любой ген можно вмешаться извне и изменить его за столь короткое время?
Это, безусловно, не так. Самая главная причина заключается в том, что наши знания в области биологии недостаточны в этом отношении. Особенно на таких платформах, как Youtube, мы считаем, что каждый издатель видео или спекулятивный оратор дает правильный контент. Утверждения, представленные в документах, на самом деле не имеют никакого отношения к делу. Однако те, кто следует за такими людьми, не преследуют документы и не исследуют их достоверность. Мы легко верим тому, что говорят. Я чувствую, что вера в ученых в нашем обществе значительно снизилась. Особенно те, кто выступает с ненаучными рассуждениями с такими титулами, как профессор, доктор наук, значительно подорвали веру общества в ученых. Поэтому мне очень грустно. Что касается темы, то в период пандемии были разработаны два типа вакцин. Так называемая инактивированная вакцина используется для обеспечения распознавания нового типа вируса, который наши иммунные клетки не распознают, она создается путем выделения только поверхностной структуры вируса. ДНК вируса при этом уничтожается. Таким образом, чужеродная белковая структура вируса попадает в иммунные клетки, и они ее усваивают. Для этого необходимо произвести большое количество белков вируса. Как вы могли заметить, во время пандемии вирус сильно мутировал. Каждый раз, когда он мутирует, созданные вами вакцины рискуют стать недействительными. Потому что белок в структуре вируса меняет форму. Это означает, что белок, которому вы обучаете свои иммунные клетки, теперь изменился. Вы можете быстро реагировать на такие изменения с помощью вакцин нового поколения на основе мРНК (мессенджерной РНК).
Во-первых, мРНК не может присоединиться к геному. Это означает, что мРНК не может пройти через клеточное ядро и влиться в геном, который является наследственным материалом. мРНК переносит генный код, необходимый для производства различных генов в нашем геноме, в цитоплазму клетки. В цитоплазме клетки с помощью рибосом также производятся белки. Каждый генетический код на мРНК соответствует аминокислоте. Например, кодирующий CUA обеспечивает производство аминокислоты лейцина. Еще один момент — мРНК не может долго находиться в цитоплазме клетки, она деградирует и разрушается. В мРНК-вакцинах мРНК, содержащие в структуре вируса генетический код шиповидного белка, были разработаны и введены людям. Клетки в наших мышцах вырабатывают эти шиповидные белки, которые распознаются нашими иммунными клетками. Это временный процесс. Поскольку белки-шипы не несут никакой информации в геноме, они разрушаются в клетке через определенный период времени. МРНК также разрушаются через очень короткое время после выполнения своей функции. В нашем организме миллиарды клеток, несущих одну и ту же ДНК. Наша генетическая информация вряд ли изменится. Сперматозоиды и яйцеклетки — самые чувствительные клетки, в которых наш геном может быть поврежден. Точно так же, поскольку мРНК не может участвовать в структуре генома, она не может изменить генетику и в этих клетках. Не стоит сравнивать CRISPR с вакцинацией мРНК. Поскольку механизм ее действия совершенно иной, она не имеет ничего общего с редактированием генома. Поэтому нет смысла бояться мРНК-вакцин. Различные реакции и неожиданные побочные эффекты могут возникнуть сразу после производства белка-шипа. Генетика каждого человека уникальна и содержит различия. Из-за этих различий кто-то из нас легко пережил коронавирус, а кто-то из-за этого умер. Аналогичная ситуация произошла с низкой частотой у пациентов, развившихся после применения мРНК-вакцины. Одним из побочных эффектов, развивающихся при производстве белка Spike, могут быть сердечные приступы. Причиной этого является не мРНК вакцины, а структура белка вируса и реакция иммунных клеток. Сердечные приступы могут участиться и у инфицированных людей. На этом фоне играют роль многие факторы, такие как метаболические взаимодействия, реактивность иммунных клеток, возраст человека и генетические различия. По этим причинам вакцинация мРНК не имеет прямой связи с сердечными приступами.
КАК ПОЛЕЗНЫЕ, ТАК И ВРЕДНЫЕ
Какой вред наносят генетически модифицированные продукты питания, которые мы называем ГМО, здоровью человека в долгосрочной перспективе?
Для того чтобы рассуждать о том, вредно это или нет, прежде всего, если мы попытаемся понять, что именно представляет собой ГМО, мы сможем говорить о том, будет ли это вредно или нет. Основная цель ГМО — сделать растения более продуктивными, придать им устойчивость к неблагоприятным условиям. Если вы спросите, какими способами они это делают, то я хотел бы просветить вас, приведя различные примеры. Один из самых известных примеров — ГМ-кукуруза. Например, так называемая ВТ-кукуруза — это кукуруза, несущая ген инсектицидного эндотоксина, производимого бактерией Bacillus thuringiensis. Перенеся в кукурузу ген, заставляющий эту бактерию вырабатывать эндотоксин, убивающий насекомых, ученые добились производства токсина, обозначенного как Cry1ac. Мендельсон и др. упомянули о возможных последствиях в обзорном исследовании 2003 года. Этот токсин может представлять опасность не только для патогенов, которые заражают или повреждают кукурузу, но и для полезных организмов. Вероятность этого оценивается как низкая. Кроме того, продолжительность его пребывания в почве может варьироваться в пределах 20-40 дней. При этом другие живые существа в почве также могут подвергнуться воздействию этих токсинов. Существует также вероятность развития аллергических реакций на токсины у людей, питающихся этой кукурузой. Однако только потому, что генетика кукурузы была генетически модифицирована, не существует такой ситуации, как изменение нашей генетики. Конечно, это не означает, что каждый ГМО-продукт будет производить токсины. Это лишь один из приведенных мною примеров.
Другим важным патогеном для растений являются вирусы. В своей обзорной статье Нираула и Фондонг (2021) утверждают, что введение в геном растений участков антивирусных генов против вирусов, заражающих растения, не влияет на здоровье человека или животных, что это положительное биотехнологическое развитие для защиты растений и что растения приобрели собственные иммунные системы против опасных вирусов в процессе эволюции с помощью аналогичных методов.
В 1999 году в Китае были выведены томаты, устойчивые к вирусу огуречной мозаики (CMV), путем индуцирования томатов на производство гена белка Coat. Этот вирус является одним из самых опасных и эффективных вирусов, способных поражать более 1000 видов растений. С развитием биотехнологий проводится все больше испытаний и получаются разрешения. Пока невозможно сделать однозначный вывод о вреде или пользе ГМО-продуктов. Необходимо продолжать всесторонние исследования. Наша страна находится в очень рискованном периоде с точки зрения источников семян. Каждое семя, поступающее в нашу страну, должно подвергаться генетическому анализу, а генетическая информация, которую мы будем брать за основу, должна быть получена из семян наших предков. Хотя в этом направлении проводятся важные исследования, для нашего здоровья важно ужесточить механизмы контроля, хотя они и сильно отстают. Как я уже говорил, ГМО-продукт — это просто этикетка. Нам необходимо изучить множество вопросов: каким методом, какой генетической модификации он подвергся, на какой механизм он действует, производит ли он токсины, влияют ли токсины на здоровье человека, и решить, можно ли использовать эти продукты в нашей стране или нет.
ИСКУССТВЕННОЕ МЯСО СТАНЕТ ПОПУЛЯРНЫМ В СЛЕДУЮЩЕМ ВЕКЕ
Искусственное мясо сейчас разрабатывается в лабораторных условиях. Эти продукты даже предлагаются к продаже в США. Как вы думаете, надежно ли это? Насколько такие продукты повлияют на привычки людей в еде и питье?
Начиная с того, как она производится, мы можем получить представление о ее надежности. В научных исследованиях мы можем проводить эксперименты, выращивая определенные типы клеток в среде, которую мы называем культурой клеток. Посадив клетку в стерильную чашку Петри, вы можете обеспечить ее выживание и пролиферацию, создав соответствующие условия по содержанию аминокислот, питательных веществ и рН. Если вы спросите: «Как производится мясо?», то это происходит благодаря стволовым клеткам. Стволовые клетки — это клетки-прародители, которые могут делиться на все клетки, эти клетки превращаются в мышечные клетки для производства мяса, и триллионы мышечных клеток собираются вместе, чтобы сформировать ткань и структуру мяса. В 2012 году, когда эта технология только появилась, производство мяса, необходимого для гамбургера, стоило 325 тысяч долларов. В настоящее время эта цена упала до диапазона 10-80 долларов. Для того чтобы накормить человечество, требуется в 28 раз меньше места и в 11 раз меньше воды, чем для производства коровьего мяса. Таким образом, ее можно рассматривать как важную разработку против риска столкнуться в будущих поколениях с еще более худшими сценариями, чем те, которым мы подвергаемся в результате глобального потепления. Можно спорить о том, сможет ли оно заменить коровье мясо. Однако важно, что его стоимость невысока, а пищевая ценность может контролироваться в стерильных лабораторных условиях. Честно говоря, я положительно отношусь к будущим голодным периодам. Конечно, важно, чтобы весь генетический контроль осуществлялся и потреблялся. В настоящее время тестируется не только коровье, но и куриное и утиное мясо. В ближайшие годы способ питания может значительно измениться. Мы переживаем интересную эпоху. Следующее столетие будет совсем другим. Если население планеты будет продолжать расти в том же духе, то, видимо, подобные продукты будут развиваться все больше и больше.
В БУДУЩЕМ МОГУТ БЫТЬ СОЗДАНЫ СОВЕРШЕННЫЕ ЛЮДИ
Перед пандемией появились новости о том, что в Китае с помощью технологии CRISPR были созданы супердети. Утверждалось, что эти дети идеальны с точки зрения интеллекта и болезней. Как вы оцениваете эти исследования? Возможно ли создание сверхлюдей?
К сожалению, эта информация была искажена. 26 ноября 2018 года Хэ Цзянькуй в прямом эфире на Youtube объявил о том, что младенцы CRISPR устойчивы к ВИЧ. Младенцы-близнецы были подвергнуты генетическому редактированию в эмбриональный период, что вызвало дефект в гене CRR5 — рецепторе, с которым связывается ВИЧ. Причиной выбора гена CRR5 стало наличие людей с 32-базовой делецией в гене CRR5 в 1 проценте населения Восточной Европы. Несмотря на отсутствие 32-базовой области у этих людей, они были признаны здоровыми и устойчивыми к ВИЧ. Цзянькуй хотел воспользоваться этой ситуацией и удалил тот же регион методом CRISPR. Однако это привело к возникновению различных мутаций в удаленном регионе. Судьба малышей-близнецов Лулы и Наны сегодня неизвестна. За эти исследования Цзянькуй был заключен в тюрьму. После трех лет заключения он был освобожден в апреле прошлого года и объявил о своем возвращении к научной деятельности. Он не предоставил информации о том, как его финансируют, но объяснил, что пытается разработать генетические методы лечения редких заболеваний. Применять подобные исследования в геноме человека пока очень опасно. Ведь возможное воздействие на неизвестные участки генов, которое мы называем off-target, может привести к гибели человека или к таким заболеваниям, как рак. Мы, ученые, еще недостаточно изучили геном человека, чтобы оплодотворить яйцеклетку и внести в нее генетические изменения. Даже если все названия генов известны, все равно находятся новые гены с точки зрения функций и механизмов действия, выявляются различные взаимодействия. В условиях такой неопределенности проводить подобные работы довольно рискованно. Возможно, когда-нибудь в будущем будет создан совершенный человек. В ближайшем будущем такое пока не представляется возможным. Необходимо также определить, что такое совершенство, но я не хочу вдаваться в подробности. Надеюсь, смысл сказанного понятен.
0
НАШИ ГЕНЫ ВЛИЯЮТ НА НАШУ ЖИЗНЬ!
Влияют ли наши гены на нашу повседневную жизнь, на наши привычки в еде и питье и даже на наше поведение?
Да, конечно. Я могу объяснить это так. То, как гены действуют в нашем организме, очень важно. Коул и его коллеги (2020) обнаружили, что различия в тестовых рецепторах на языке или генах пищеварительных ферментов влияют на то, нравится нам еда или нет. Они играют активную роль в том, что вы предпочитаете одни продукты другим. Если вы считаете, что все взаимодействия происходят химическим путем, то наше генетическое разнообразие может по-разному реагировать на эти химические воздействия. Например, люди с особым вариантом гена обонятельного рецептора могут чувствовать запах бета-ионона. Было обнаружено, что такие люди более склонны к употреблению чая. Многие гормональные и физиологические факторы могут играть активную роль в вашем рационе и пищевых привычках. В то время как механизм вознаграждения вашего мозга помогает вам чувствовать себя лучше, направляя вас на продукты, которые дают вам больше энергии в периоды, когда ваше психологическое состояние нарушено, он также может играть активную роль в изменении вашей метаболической ориентации. (Любопытные исследователи могут ознакомиться с исследованием Алонсо-Алонсо и др. 2015 года).
1
ГЕН ИНТЕЛЛЕКТА ОТ МАТЕРИ
В турецком обществе хорошее и плохое поведение ребенка приписывается матери или отцу. Какие генные характеристики человека наследуются от матери, а какие — от отца?
Известно, что митохондриальная ДНК передается ребенку из материнской яйцеклетки. Поскольку у матери XX хромосомы, а у отца — XY, предполагается, что дети с большей вероятностью унаследуют гены, связанные с X-хромосомой, от матери — 2 к 1. Однако это лишь вероятность. По этой причине некоторые исследователи предполагают, что интеллект зависит от Х-хромосомы и может в большей степени зависеть от матери. Опять же, как я уже повторял, это результаты наблюдений, а не данные, полученные в результате научного эксперимента. Есть исследование, показывающее, что ген под названием LinRNA H19 монопараллельно экспрессируется в коричневой жировой ткани, передаваемой от матерей, и обеспечивает защиту от ожирения (Schmidt et al. 2018). В другом исследовании есть информация о том, что дети матерей с низким уровнем серотина подвержены таким проблемам, как рассеянность и неспособность сосредоточиться (Halmøy, A. et al. 2010). Я считаю, что хорошее и плохое поведение должно быть связано с воспитанием и психологией. Факторы окружающей среды — это более важный фактор, чем генетика.
2
МНОГИЕ БИОЛОГИ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОЛОГИ НУЖДАЛИСЬ В
Куда движется молекулярная биология в Турции?
Молекулярная биология теряет кровь в Турции. Мы находимся в стране, где не хватает возможностей для создания возможностей для нашей молодежи, которая может стать очень важной жемчужиной и внести значительный вклад в национальную экономику, а также для предоставления ей возможностей для исследований. По этой причине большинство успешных молодых людей продолжают свои исследования в этой области за рубежом. К сожалению, объем поддержки недостаточен. В сферу биотехнологий требуются значительные инвестиции. Наши молодые люди остаются без работы. Сферы деятельности, где они могут работать, очень ограничены. По этой причине, поскольку будущее не просматривается, количество мест на экзаменах ÖSYM продолжает снижаться. Хотя нам нужны биологи и молекулярные биологи, компетентные во многих областях, молодые люди, заинтересованные в этой сфере, устремляются за границу, потому что мы не можем создать для них подходящие бизнес-модели. Работодатели думают: «Чем занимается биолог? Нам необходимо добиться достаточной осведомленности общественности об их эффективности. Хотя биологи должны играть активную роль в исследованиях генома растений, животных, человека, окружающей среды, изменения климата, загрязнения воды, сельского хозяйства, авиации, космических исследований, эти коллеги остаются на втором плане из-за социального восприятия. Молекулярные биологи — это не люди, которые работают на приборе в больницах и выдают результаты. Это представление необходимо разрушить в нашем обществе. Молекулярные биологи могут иметь представление, специализируясь на всех тех предметах, которые я только что описал. Это хорошо подготовленные люди, которые могут играть активную роль во многих областях, таких как метаболизм клеток растений, животных и человека, генетика, создание наборов для измерения показателей крови, используемых в больницах, генетический анализ для выявления вирусных заболеваний, таких как коронавирус, и анализ генетических тестов на заболевания. Я надеюсь, что когда-нибудь наша профессия станет уважаемой в нашем обществе.
3
Можете ли вы рассказать о своих последних работах?
В рамках программы TÜBİTAK 2214 я проходила обучение в аспирантуре в США вместе с ассистентом. В настоящее время мы готовим наши исследования, в которых сообщим о важных результатах. Поэтому я не могу сообщить подробности до того, как они будут опубликованы. Сейчас мы работаем над созданием компании, связанной с анализом генома. Мы создали собственное программное обеспечение, которое анализирует информацию о геноме пациентов и выявляет нужные мутации. Могу сказать, что я стараюсь интенсивно управлять всеми процессами.
