Ученые из Калифорнии разработали метод относительно эффективного редактирования генома T-лимфоцитов. Фактически, они смогли применить систему CRISPR/Cas9, которую не удавалось использовать раньше из-за сложностей с доставкой компонентов системы в лимфоциты.
Система CRISPR/Cas9 была открыта совсем недавно и уже стала очень популярной из-за выдающегося сочетания эффективности и безопасности. Больше всего шума в медиа производит ее потенциальное применение для редактирования ДНК эмбрионов, в особенности, человеческих. Редактирование эмбриональных геномов – идея этически неоднозначная и с практической точки зрения довольно бесполезная: почти все медицинские проблемы, которые могло бы решить редактирование, вроде рождения здорового ребенка в семье с передающейся из поколения в поколение болезнью, может решить селекция эмбрионов – она и дешевле, и безопаснее. Зато из-за этической неоднозначности эта область у всех на слуху, а ведь есть и другие сферы применения CRISPR/Cas9, заслуживающие порой и большего внимания. Ранее о системе CRISPR/Cas9 и ее применении в терапии различных болезней мы писали в очерках «Редактирование генома: за и против» , «Новый шаг в редактировании генома», «Как бактерия распознает чужих».
Генетическая модификация клеток крови могла бы пригодиться для лечения многих заболеваний, даже не связанных непосредственно с кровью, ведь в крови присутствуют и клетки иммунной системы, например, лимфоциты. Так или иначе, меняя геном клеток крови, можно было бы лечить серповидноклеточную анемию, β-талассемию, СПИД и другие иммунодефициты, например, тяжелый комбинированный иммунодефицит, лимфомы, лейкозы, вероятно, некоторые опухоли других органов, аутоиммунные заболевания, в частности, диабет.
Например, вирус ВИЧ, в первую очередь, проникает в Т-лимфоциты. Из-за того, что вирус в них размножается, клетки гибнут. Дефицит T-клеток делает заболевшего человека беззащитным перед инфекциями и онкологическими заболеваниями, и он погибает. Вирус может хранить свои копии и в других клетках, но болеет и умирает человек именно из-за того, что у него не остается T-клеток. Вирус проникает в Т-клетки через рецепторы на их поверхности. Ему необходим, в первую очередь, рецептор CD4, который есть у всех людей на поверхности некоторых лимфоцитов, и играет важную роль в их жизнедеятельности. Кроме рецептора CD4 вирусу нужен еще один, вспомогательный, рецептор. Некоторым штаммам – CXCR4, некоторым – CCR5, некоторым подойдет любой. Это не такие важные рецепторы как CD4, и их можно удалить с поверхности T-лимфоцитов. На свете живет определенное количество людей, у которых CCR5 рецептор попросту отсутствует, и они невосприимчивы к CCR5-зависимым штаммам ВИЧ. Рецептор CXCR4 участвует в процессе имплантации эмбриона в матке и в эмбриональном развитии нервной системы, но T-клетки взрослого человека могут без него обойтись. T-клетки и стволовые клетки крови обладают неплохим пролиферативным потенциалом, поэтому, если взять у человека немного таких клеток, модифицировать их геном и выпустить обратно в кровяное русло, у человека, даже если вирус сохраняется у него в организме, будет достаточно клеток, в которые он не сможет проникнуть, и человек сможет нормально себя чувствовать.
Последнее время все более перспективным кажется направление иммунотерапии опухолей. В норме в организме человека клетки время от времени перерождаются в раковые, но иммунная система их вычисляет и убивает. Проблемы начинаются тогда, когда только что образовавшиеся раковые клетки приобретают способность скрываться от Т-клеток. Иммунная система человека калибруется так, чтобы убивать врагов, но не трогать своих. Раковые клетки занимают промежуточное положение, поскольку гораздо больше похожи на обычные человеческие клетки, чем, скажем, на бактерия на обычную клетку. При этом иммунная система не может всю жизнь относиться к инспектируемым клеткам слишком придирчиво, иначе разовьется аутоиммунное заболевание. Но ученые нашли способ сделать T-клетки более злыми полицейскими, когда это надо. Для этого надо выключить рецептор PD-1, отвечающий за гашение иммунного ответа. Антитела к этому рецептору помогали добиться неплохих результатов в лечении опухолей, но клетки, лишенные PD-1 рецепторов были бы эффективнее и работали бы гораздо дольше.
Генетически модифицированные T-лимфоциты уже были успешно применены для лечения B-клеточных лейкозов (рассказ об этом можно прочитать в очерке «Генотерапия лейкоза: снова успех»). В этом случае клетки модифицировались с помощью специально созданных вирусов так, чтобы распознавать и убивать любые B-клетки, в том числе злокачественные. Выздоровев, такие пациенты должны из-за отсутствия B-клеток регулярно получать инъекции антител, но это единственные неприятные последствия, а метод позволил спасти уже несколько жизней безнадежно больных людей.
Невирусная модификация клеток выглядит, однако, предпочтительнее вирусной. Вирусы встраиваются обычно в случайное место в геноме, могут вызывать мутации, превращающие клетки в злокачественные. Такие эпизоды имели место в истории генной терапии. О них можно не задумываться, спасая людей от верной смерти, но современные ВИЧ-инфицированные, как правило, и без генной терапии могут надеяться на достаточно продолжительную и качественную жизнь.
Система CRISPR/Cas9 была позаимствована у природы, а точнее у бактерий. У них она работает чем-то вроде приобретенного противофагового (противовирусного) иммунитета. Встретившись с вирусом один раз, бактерия оставляет в своем геноме фрагменты вирусного. С этих фрагментов может синтезироваться РНК с нужными сигнальными последовательностями. Если тот же вирус снова попадет в бактериальную клетку, синтезированная бактерией РНК провзаимодействует с вирусным геномом по принципу комплеметарности. Затем вступает в дело специальный бактериальный фермент Cas9, который умеет разрезать такие взаимодействующие структуры.
Этот механизм и используется при терапии. Если доставить в клетку РНК, комплементарную гену, который нужно исправить, фермент Cas9 (можно в виде ДНК или РНК) и правильную копию гена, дальше они справляются сами.
Система CRISPR/Cas9 выгодно отличается от остальных эффективностью и безопасностью. Для модификации генома клетки с ее помощью надо, чтобы система работала только непродолжительное время в самом начале, а потом, когда геном будет отредактирован, в ней больше нет необходимости. Обычно для этого используют РНК-трансфекцию. Нужные молекулы РНК вводятся в клетку, с некоторых из них синтезируются нужные белки, некоторые нужны именно как РНК, они выполняют свою работу и деградируют – РНК и белки живут в клетках недолго. Остается только отредактированный ген. Встраивающиеся в геном вирусы останутся на том случайном месте, в которое они встроились, на всю оставшуюся жизнь клетки.
Проблема заключалась только в том, что T-клетки плохо поддаются генетической модификации, а эффективность работы CRISPR/Cas9 с ними вообще мала. Выход был найден, когда ученые решили доставлять комплекс Cas9 с направляющей РНК с помощью электропорации. Электропорация – метод доставки в клетки разных молекул. Под воздействием коротких электрических импульсов в клеточных мембранах возникают поры, сквозь которые молекулы могут проникать внутрь. Поры вскоре закрываются, и клетка дальше живет своей жизнью.
Система CRISPR/Cas9 умеет вносить разрывы в указанное место в ДНК с помощью направляющих молекул РНК. В клетках есть собственная система починки разрывов в ДНК. Если разрыв произошел только в одной из цепей, то разрыв в ней чинится по принципу комплементарности. Ферменты берут за образец уцелевшую цепь, и достраивают поврежденную. Если разрыв происходит в обеих (а так и происходит, если CRISPR/Cas9 работает эффективно), то образца нет, и разрыв латается случайными нуклеотидами. Таким способом можно сделать ген неактивным.
Но в клетки можно ввести не только фермент-нуклеазу и направляющие РНК, но и образец ДНК, сверяясь с которым, ферменты ликвидируют разрыв. Тогда можно не только инактивировать какой-либо ген, но и отредактировать его нужным образом.
Анализ авторов работы показал, что клеток, в которых рецептор CXCR4 просто утратил активность было около 40 % среди обработанных. Примерно в 20 % клеток ген был не просто инактивирован, а заменен той последовательностью, которая с этой целью дополнительно вводилась в клетки. Это очень хороший результат, которому могут позавидовать даже вирусы.
CRISPR/Cas9 – очень перспективная методика для модификации любых клеток в любых целях. Благодаря своей эффективности и безопасности она может существенно ускорить развитие генной терапии и решить часть ее проблем.
