Рустам Гильфанов: генетика предполагает, эпигенетика располагает, как меняется подход к здоровью человека в XXI веке и причем тут CRISPR-Cas

«Измените стиль жизни — и вы положите начало цепочке биологических изменений, которые станут незаметно, но неуклонно помогать и вам, и, возможно, всем вашим потомкам до конца их жизни на Земле». Эта фраза принадлежит немецкому нейрофизиологу П. Шпорку, называвшему эпигенетику революционной наукой, под знаком которой пройдет XXI век.

Так, если генетика отвечает за процессы, которые меняют гены и ДНК, эпигенетика изучает меняющуюся активность генов на фоне прежней структуры ДНК. Как работают механизмы эпигенетики и способна ли она справиться с социальным неравенством в мире? Какие еще вмешательства в геном спасут человечество от неизлечимых заболеваний? Помогают или мешают ученым большие данные?

Эпигенетика — младшая сестра генетики

Греческая приставка «эпи-» означает «сверх» или «над» — иными словами, мы имеем дело со сверхгенетикой. И роль эпигенетических механизмов действительно сложно переоценить, когда речь заходит о развитии эмбриона: из младенческих клеток с одинаковой ДНК вырастают специализированные клетки взрослого человека. Ученые пришли к выводу, что активность генов меняется в ответ на стимулы внешней среды: качество питания, уровень стресса, физическую активность, режим дня.

К слову, поначалу новую науку как серьезную научную дисциплину не воспринимали — хотя заговорили о ней давно. Еще в 40-х годах XX века английский биолог К.Уоддингтон предложил концепцию «эпигенетического ландшафта», которая объясняла, как формируется организм [1]. В ее основе метафора: если развитие организма — река, то исток — оплодотворение, а устье — физическая зрелость. Рельеф же местности, где течет река — внешние условия, которые определяют развитие организма.

На рубеже XX-XXI веков окончательно стало понятно, что эпигенетические механизмы влияния на геном не только контролируют работу систем отдельного организма,  но и наследуются новыми поколениями. Так, в 2003 году  ученые Р. Джиртл    и Р. Уотерленд из США накормили беременных мышей агути фолатами, витамином B12, холином и метионином. В итоге у особей с желтой шерстью и ожирением появились здоровые мышата [2]. Оказалось, что добавки в корм инактивировали ген, провоцирующий отклонения. Эффект витаминов оказался долгосрочным: в новых поколениях агути тоже рождались нормальные мышата.

Затем в 2005 году в Science появилась работа М.Скиннера из Вашингтонского университета, который добавлял в корм беременных крыс пестицид. Это фактически привело к бесплодию их детей мужского пола — количество жизнеспособных сперматозоидов резко сократилось, от чего страдали еще четыре поколения [3].

Не только мыши: прогностическая адаптация младенца

Гипотеза  находила  все  новые   подтверждения.   В конце   2000-х  годов   ученые из Голландии и США осмотрели нидерландцев, которые появились на свет после Второй мировой войны. Их зачали в 1944-45 годах — в период голода и сильного стресса. В итоге малыши родились маловесными, и с возрастом начали страдать от ожирения, диабета и сердечно-сосудистых заболеваний чаще, чем те, кто родился на несколько лет позже или раньше [4].

Наконец, ученые П. Глюкман и М. Хансон из Новой Зеландии выдвинули «гипотезу несоответствия», которая объясняла этот феномен [5]. Они предположили, что в организме плода происходит прогностическая адаптация к будущим условиям жизни (мать ест мало, значит снаружи еды не очень много, нужны метаболические перестройки на запасание

пищи впрок). Если прогноз подтвердится, ребенок родится с крепким иммунитетом. Если нет, адаптация превратится в дезадаптацию — заболевание. К примеру, ожирение.

Среди таких эпигенетических механизмов особую роль играет метилирование ДНК, связанное с пищей, эмоциональным фоном и другими аспектами. Об этом механизме еще в 70-х годах писал российский профессор Б.Ф. Ванюшин [6]. Считается, что метилирование может «выключить» или «включить» определенный ген. А фолиевая кислота, витамин В12 и аминокислота метионина выступают своеобразными донорами метильных групп, которые нужны для адекватного метилирования. Оно же помогает инактивировать  Х-хромосому   у плода,  принимает  участие  в геномном  импринтинге   и в клеточной дифференцировке, позволяя женщине выносить малыша без отклонений — в частности, без синдрома Дауна. А если будущая мать принимает таблетки с йодом, она напрямую влияет на интеллект ребенка.

Так стало ясно, что на этапах планирования беременности и самого вынашивания вполне реально повлиять на будущее ребенка — его эмоциональную устойчивость, мозговую деятельность и физическую активность, которые помогут ему в условиях серьезной конкуренции на рынке труда и позволят достичь высокого социального статуса.

Хорошая новость: если генетическая информация относительно стабильна, эпигенетическая может быть обратима. Поэтому ученые сегодня пытаются бороться с самыми частыми заболеваниями и мутациями, которые возникли из-за эпигенетического сбоя. Неслучайно XXI век многие эксперты называют веком эпигенетики.

CRISPR/Cas как панацея

И если эпигенетика уже сделала свое черное дело, вполне можно включить «молекулярные ножницы» системы редактирования геномов CRISPR/Cas.

Впервые в 1987 году ее описал японский ученый Е.Исино [7]. В природе CRISPR/Cas — это система адаптивного иммунитета бактерий, с помощью которой они противостоят различным возбудителям. Работает это так: после того, как в бактерию проникает вирус, специфические Cas-белки быстро вырезают из него фрагменты. Затем они встраивают их в  CRISPR-кассету в определенной последовательности. Суть процесса запоминание врага в лицо и формирование специализированной иммунной защиты.

Вскоре у ученых появилась надежда с помощью стрептококковой системы CRISPR-Cas9 редактировать геномы других организмов и бороться с генетическими заболеваниями. Сегодня систему CRISPR/Cas9 уже используют для лечения ряда заболеваний. Так,  весной  2020 года  объявили  о первом  введении  системы  напрямую  в сетчатку человека, страдающего от амавроза Лебера, который приводит к слепоте. Новый метод предполагает исправление мутаций в гене RPE65 путем точечной замены нуклеотидных оснований.[8]. А два года назад в журнале New England Journal of Medicine также   появились   результаты    успешной   коррекции   мутаций   у пациентов   с бета-талассемией и серповидноклеточной анемией [9].

И за использование таких «молекулярных ножниц» системы CRISPR/Cas9 для точечной редакции генома француженка Э. Шарпантье и американка Дж. Дудна в 2020 году получили Нобелевскую премию по химии.

Но на этом возможности CRISPR/Cas9 не заканчиваются: геномное редактирование также успешно можно использовать для борьбы с раком. В 2019 году  появилось исследование на мышах: ученые применяли систему, чтобы разрушить ген липокаина-2, связанный с размножением клеток рака молочной железы [10].

Еще одно отдельное важное направление, над которым сейчас работают ученые — борьба с вирусными заболеваниями типа гепатитов и ВИЧ. Исследователи предполагают, что возбудитель который живет в организме в виде вирусной ДНК, встроенной в клеточный геном, можно просто вырезать. Именно так и сделали американские биологи, «очистив»  клеточную  культуру  Т-хелперов  человека от ВИЧ [11]. А в сентябре 2021 года компания Excision BioTherapeutics объявила о том, что в Управлении по контролю за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрили проведение клинических испытаний препарата против хронической ВИЧ-инфекции, в основе которого лежит технология CRISPR/Cas. Испытуемыми станут добровольцы с ВИЧ типа 1. Совсем скоро мы узнаем, удалось ли ученым обхитрить коварный вирус.

Big Data в науке: за и против

Конечно, генетические и эпигенетические исследования сегодня трудно представить без ИТ-технологий. Мы знаем, что в вычислительной эпигенетике в дополнение к экспериментальным исследованиям широко используются биоинформатические методы. И учитывая взрывной рост наборов данных эпигеномов, вычислительные методы играют все более важную роль.

К примеру, чтобы картировать эпигенетическую информацию по всему геному используют экспериментальные методы ChIP-on-chip, ChIP-seq и бисульфитное секвенирование. Все они генерируют большие объемы данных и требуют эффективных способов их обработки и контроля качества. С одной стороны, это безусловное подспорье для ученых. Только представьте: когда-то секвенирование всего генома занимало годы, и на него тратили миллиарды долларов. Сегодня метод секвенирования нового поколения позволяет сделать то же самое за сутки и $1200.

С другой стороны, ряд экспертов технологии Big data воспринимают с изрядной долей скепсиса — ведь за огромными объемами данных исследователи просто не поспевают. Кроме того, само обращение к суперкомпьютерам полностью меняет работу ученых. Так, итальянский биолог Ф. Мазоччи в 2015 году отметил, что в эпоху информации и суперкомпьютеров классический научный метод устаревает: исчезают теории, гипотезы, дискуссии [12]. Ученые перестают искать модели, а корреляция, которую предлагают большие данные, заменяет причинную связь. Исследователь М. Фрике, в свою очередь, предостерегает коллег чересчур полагаться на машинные данные: «наука, управляемая данными, будет обнаруживать много ложных связей. Это может легко привести к ложному выявлению связей между несвязанными явлениями и чудовищной вспышке самоодурачивания» [13].

Насколько такие опасения оправданы, покажет время. Одно ясно точно — по старинке ученые работать уже не будут, ведь в лечении самых сложных заболеваний явно намечается прорыв.

Об авторе

Рустам Гильфанов – IT-предприниматель, венчурный партнер фонда LongeVC.

Источники:

1. Waddington  C.H.  (1942). Canalization  of development   and   the   inheritance of acquired characters. Nature. 150, 563–565;
2. Waterland R.A. and Jirtle R.L. (2003). Transposable elements: targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation. Mol. Cell. Biol. 23, 5293–5300;
3. Anway M.D., Cupp A.S., Uzumcu M., Skinner M.K. (2005). Epigenetic transgenerational actions of endocrine disruptors and male fertility. Science. 308, 1466–1469;
4. Heijmans B.T., Tobi E.W., Stein A.D., Putter H., Blauw G.J., Susser E.S. et al. (2008). Persistent   epigenetic   differences   associated    with   prenatal   exposure   to famine   in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105, 17046–17049;
5. Gluckman P.D. and Hanson M.A. (2004). Living with the past: evolution, development, and patterns of disease. Science. 305, 1733–1736;
6. Vanyushin B.F., Tkacheva S.G., Belozersky A.N. (1970). Rare bases in animal DNA. Nature. 225, 948–949;
7. Ishino Y, Shinagawa H, Makino K, Amemura M, Nakata A (1987). “Nucleotide sequence of the iap gene, responsible for alkaline phosphatase isozyme conversion in Escherichia coli, and identification of the gene product”. J Bacteriol. 169 (12): 5429–33.
8. Suh, S., et al. (2020) Restoration of visual function in adult mice with an inherited retinal disease via adenine base editing. Nature Biomedical Engineering. 169–178.
9. H. Frangoul et al., (2020). CRISPR-Cas9 Gene Editing for Sickle Cell Disease and β-Thalassemia. https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMoa2031054
10. P. Guo et al., 2019. Therapeutic genome editing of triple-negative breast tumors using a noncationic and deformable nanolipogel).
11. Kaminski R., Chen Y., Fischer T., Tedaldi E., Napoli  A.,  Zhang  Y.  et  al.  (2016). Elimination of HIV-1 genomes from human T-lymphoid cells by CRISPR/Cas9 gene editing. Sci. Rep. 6, 22555.
12. Fulvio  Mazzocchi.  (2015). Could  Big  Data  be  the  end  of  theory   in  science?. EMBO Rep. 16, 1250-1255;
13. Martin Frické. (2015). Big data and its epistemology. J Assn Inf Sci Tec. 66, 651-661;