можно ли воссоздать человека по днк
Данные по метилированию ДНК позволили воссоздать облик денисовского человека
Рис. 1. Графическое резюме обсуждаемой статьи в Cell. Сначала выявляются гены, в промоторных областях которых у интересующего нас вида (например, у денисовца) сильно изменился уровень метилирования по сравнению с ближайшими родственниками. Затем на основе данных по современным людям — носителям мутаций, выводящим данный ген из строя, — делаются выводы о том, к каким фенотипическим изменениям могло привести изменение метилирования. При этом учитывается, что гиперметилирование промотора обычно ведет к снижению экспрессии гена, поэтому фенотипический эффект может быть похож на эффект мутации, ведущей к потере функции. Разработанный метод испытывается на видах с известной морфологией (неандертальцах и шимпанзе) и, наконец, используется для реконструкции морфологии денисовца
Палеогенетики и антропологи из Израиля и Испании разработали метод реконструкции фенотипических признаков скелета гоминид на основе данных о метилировании промоторных участков генов. При разработке метода использовалась информация о том, как влияет на фенотип современных людей выход из строя того или иного гена. При этом ученые исходили из допущения, что резко повышенный уровень метилирования промотора, снижая уровень экспрессии гена, дает примерно такой же фенотипический эффект, что и мутация, приводящая к потере функции гена. Проверка метода на видах с известной морфологией (неандертальцах и шимпанзе) показала, что предсказанные с его помощью морфологические отличия от Homo sapiens соответствуют действительности примерно в 80% случаев. Применив метод к денисовскому человеку, исследователи сделали 32 обоснованных предположения о морфологии денисовцев. До недавних пор о ней можно было судить лишь по нескольким зубам. Получилось, что денисовцы по многим признакам (таким как низкий лоб, выступающие челюсти и крупная грудная клетка) напоминали неандертальцев, но имели и свои уникальные особенности: например, их череп был шире, а зубная дуга — длиннее, чем у неандертальцев и сапиенсов. Исследование показало, что найденные недавно черепа из Сюйчана (центральный Китай) возрастом 100–130 тысяч лет с большой вероятностью принадлежат денисовцам.
Около 10 лет назад благодаря достижениям палеогенетики мы впервые узнали о денисовцах — вымершем виде людей, чуть более близком к неандертальцам, чем к сапиенсам (Геном денисовского человека отсеквенирован с высокой точностью, «Элементы», 06.09.2012). С тех многое стало известно о вкладе денисовцев в генофонд современного человечества (Предки китайцев и японцев скрещивались с двумя разными популяциями денисовцев, «Элементы», 19.03.2018), а также об эпизодах гибридизации денисовцев с неандертальцами (Прочтен геном доисторической женщины, чьим отцом был денисовец, а матерью — неандерталка, «Элементы», 04.09.2018) и другими архаичными Homo (У алтайских неандертальцев найдены гены архаичных сапиенсов, а у денисовцев — гены гейдельбергских людей, «Элементы», 25.02.2016).
Хотя геном одного из денисовцев, девочки из Денисовой пещеры (Denisova 3), прочтен с высокой точностью, мы по-прежнему очень мало знаем о том, как выглядели денисовцы и чем их морфология отличалась от нашей или неандертальской. Виной тому, с одной стороны, крайняя скудость имеющегося костного материала (Денисовцы жили в Тибете 160 000 лет назад, «Элементы», 13.05.2019), с другой — отсутствие достаточно точных и надежных методов реконструкции фенотипа по генотипу.
Научиться точно предсказывать фенотип по генотипу — важнейшая задача, стоящая перед современной биологией. Ее решение откроет прямо-таки фантастические перспективы перед медицинской генетикой, генной инженерией и другими дисциплинами — как теоретическими, так и самыми что ни на есть практическими. К сожалению, науке до этого еще далеко. Даже имея полный, качественно отсеквенированный геном, мы не так уж много можем сказать о фенотипе его обладателя (см., например, статью Алины Корбут Генетический тест или маркетинговая уловка?). Тем более если речь идет о виде, данные по которому нельзя получить из других источников — как в случае с денисовцами, или, например, с асгардархеями до того, как их удалось культивировать в лаборатории (Обнаружен живой представитель асгардархей, «Элементы», 22.08.2019).
По идее в геноме девочки из Денисовой пещеры (то есть в последовательности нуклеотидов, составляющих геном) содержится — должна содержаться! — подробнейшая информация об анатомии и внешнем облике денисовского человека. Вот только расшифровать ее мы пока не можем, за исключением отдельных признаков, лежащих, что называется, «на поверхности» — таких как цвет глаз, волос или кожи. Об этих признаках что-то можно сказать по несинонимичным (меняющим аминокислоту в белке) нуклеотидным заменам в белок-кодирующих областях генов. Однако большинство интересных признаков (включая признаки скелета, такие как форма черепной коробки, размер зубов или пропорции костей таза) определяются не столько аминокислотными последовательностями отдельных белков, сколько нюансами регуляции активности (экспрессии) множества разных генов. Эти нюансы, в свою очередь, зависят от сложных сетей межгенных взаимодействий, чьи хитросплетения пока никто не умеет надежно расшифровывать, имея на руках лишь нуклеотидную последовательность генома. Теоретически задача должна быть решаемой — и когда-нибудь наука, будем надеяться, к этому придет. Но не сегодня и не завтра.
Но можно поискать и более простые окольные пути. Например, было бы просто прекрасно, если бы удалось измерить уровень экспрессии генов в той же фаланге мизинца Denisova 3, из которой извлекли полный геном. Ведь уровень экспрессии — это некое приближение к оценке интегрального результата работы всего того запутанного клубка регуляторных взаимодействий, о котором говорилось выше. Для оценки экспрессии нужно было бы выделить из мизинца древнюю РНК. Вот только РНК, в отличие от ДНК, очень быстро разрушается и не имеет ни малейших шансов сохраниться в древних костях. Поэтому напрямую оценить экспрессию генов у древних гоминид невозможно.
Однако и здесь возможен окольный путь, который палеогенетики недавно начали разведывать. Один из способов регуляции активности генов — это метилирование цитозинов в динуклеотидах ЦГ (см. CpG site) в промоторных областях генов (см. Метилирование ДНК). Как правило, если у гена сильно метилирован промотор (то есть ко многим цитозинам присоединена метильная группа), то активность гена резко снижается. То, какие именно участки генома, в каких клетках, на каких этапах развития и при каких условиях будут подвергаться метилированию — всё это, или почти всё, должно быть очень хитрым, окольным образом зашифровано в нуклеотидной последовательности генома. Расшифровывать эти наследственные инструкции мы пока не умеем, зато можно просто посмотреть, какие цитозины в геноме метилированы, а какие нет. Это уже даст важную информацию о регуляции активности генов.
К счастью, метилирование цитозинов оставляет в древней ДНК различимые следы. Дело в том, что обычные, неметилированные цитозины в ходе посмертной деградации ДНК имеют обыкновение превращаться в урацилы, а метилированные — в тимины. На этой основе Давид Гохман (David Gokhman) из Еврейского университета в Иерусалиме и его коллеги из Израиля, Германии и Испании пять лет назад разработали метод реконструкции «метиломов» — профилей метилирования геномов ископаемых гоминид (D. Gokhman al., 2014. Reconstructing the DNA Methylation Maps of the Neandertal and the Denisovan).
В новом исследовании, результаты которого опубликованы 19 сентября в журнале Cell, ученые использовали метилом денисовского человека для реконструкции его облика. Метод, который они для этого разработали (рис. 1), основан на допущении, что фенотипические изменения, вызываемые сильным метилированием промотора, похожи на те, что возникают в результате мутаций, нарушающих работу данного гена или вовсе выводящих его из строя (потому что в обоих случаях функциональность соответствующего белка резко снижается).
В работе использовались метиломы денисовца (той самой Denisova 3), двух неандертальцев (алтайского из Денисовой пещеры и европейского из Пещеры Виндия в Хорватии), пяти древних сапиенсов, живших от 45 до 7,5 тысяч лет назад, а также метиломы костей (это важно, ведь в разных тканях профили метилирования могут различаться!) пяти шимпанзе и 55 современных людей.
Первый этап исследования состоял в выявлении участков генома, уровень метилирования которых четко различается у разных видов (differentially methylated regions, DMRs). Учитывались только те DMR, в которых уровень метилирования мало зависит от возраста, пола, состояния здоровья и типа кости, а зависит только от видовой принадлежности. Такие DMR с большой вероятностью отражают именно эволюционные (а не возрастные, половые, тканеспецифичные или средовые) изменения уровня метилирования. Кроме того, рассматривались только самые сильные изменения. Отобранные для анализа DMR должны были включать не менее 50 сайтов CpG и различаться у разных видов как минимум на 50 «процентных пунктов»: например, 80% метилированных сайтов CpG у одного вида и лишь 30% у другого. Для сравнения, колебания условий среды обычно меняют уровень метилирования тех или иных участков генома не более, чем на 10%. Наконец, из всех DMR, удовлетворяющих этим условиям, для дальнейшего анализа были выбраны те, что расположены в промоторных областях белок-кодирующих генов (на расстоянии от 1 до 5 тысяч пар оснований от точки начала транскрипции), потому что известно, что именно в этих участках метилирование цитозинов сильнее всего коррелирует с экспрессией гена.
После применения всех фильтров в изучаемой выборке осталось 154 «промоторных» DMR, уникальных для современных людей (то есть участков, метилирование которых изменилось у сапиенсов по сравнению с другими гоминидами), 171 DMR, метилирование которых изменилось у общих предков неандертальцев и денисовцев после их отделения от сапиенсов, 113 промоторных DMR, специфичных для неандертальцев, 55 специфичных для денисовцев, а также 2031 промоторных DMR, по которым шимпанзе отличаются от всех видов людей. Для подавляющего большинства генов, в промоторах которых находятся отобранные DMR (авторы обозначают эти гены аббревиатурой DMG — differentially methylated genes) и по которым есть данные о корреляции между метилированием и экспрессией, эта корреляция — отрицательная, то есть гиперметилирование соответствует пониженной экспрессии или полному отключению гена, а гипометилирование — высокой активности гена. Исключения из этого правила существуют, и они учитывались авторами при разработке метода.
Чтобы на основе данных по DMR предсказывать морфологию, авторы использовали базу данных HPO (Human Phenotype Ontology), где содержится самая надежная и полная на сегодняшний день информация о том, как мутации, нарушающие работу того или иного человеческого гена (мутации, ведущие к потере функции, loss-of-function mutations), сказываются на фенотипе. Из базы HPO были выбраны только те фенотипические изменения, которые, во-первых, затрагивают скелет, во-вторых — имеют определенную направленность. Например, «нарушение развития тазовых костей» не подходит под данное условие, потому что не имеет направленности, а «укороченные подвздошные кости» — подходят. Всего в базе HPO удалось найти данные по 815 направленным изменениям скелета, которые наблюдаются у людей при поломке того или иного гена.
Эти данные были использованы для того, чтобы по метилому «предсказать» фенотип двух видов с уже известной морфологией: неандертальцев и шимпанзе. При этом предполагалось, что гиперметилирование промотора меняет фенотип в ту же сторону, что и мутационная поломка соответствующего гена. Оценки делались только качественные: какой признак изменен и в какую сторону, а насколько сильно он изменен, авторы даже не пытались предсказать. Направленность изменений тоже удавалось предсказать далеко не всегда. Во многих случаях с одним и тем же признаком оказался связан (по данным HPO) не один, а несколько DMG. Если при этом разные DMG «предсказывали» разнонаправленные изменения признака, то итоговое предсказание состояло в том, что признак изменился, а в какую сторону — неизвестно.
Реконструкции шимпанзе и неандертальцев получились на удивление близкими к реальности. Так, для неандертальцев по данным о метиломе удалось предсказать 64 признака, отличающих неандертальцев от их общих предков с современными людьми. При этом, судя по палеоантропологическим данным, 53 из 64 признаков (82,8%) действительно изменились в неандертальской эволюционной линии. Для 33 изменений удалось по метилому предсказать направленность, и эти предсказания оказались верными в 29 случаях (87,9%). Если сравнивать неандертальцев не с общими предками, а с современными людьми, то здесь авторы насчитали 107 известных скелетных различий. Из них для 75 есть соответствующие фенотипы в базе данных HPO, то есть эти 75 различий в принципе можно было бы предсказать по метилому, если бы метод обладал стопроцентной чувствительностью. В действительности было предсказано 62 отличия из 75 (82,7%), а направленность различий удалось предсказать для 46 признаков, причем в 36 случаях (78,3%) предсказание оказалось верным. Примерно такие же результаты получились и для шимпанзе. Правда, для отличий человека от шимпанзе адекватные данные в базе HPO нашлись не в 70%, а лишь в 41% случаев. Но для тех признаков, которые все-таки там нашлись, точность и чувствительность метода «морфологических предсказаний по метилому» оказалась примерно такой же, как и в случае с неандертальцами.
Таким образом, метод оказался довольно эффективным, что даже удивительно, учитывая, что метилирование промоторов — хотя и важный, но далеко не единственный способ регуляции активности генов. Отчасти это может объясняться тем, что разные способы такой регуляции (включая метилирование ДНК, модификации гистонов и прикрепление регуляторных белков — факторов транскрипции к регуляторным участкам ДНК) часто действуют согласованно, так что по одним признакам, указывающим на повышенную или пониженную активность гена, можно предсказывать другие. Иными словами, если мы видим, что у гена гиперметилирован промотор, то можно ожидать, что и другие признаки снижения активности гена найдутся, если поискать.
Убедившись, что метод работает, авторы использовали его для реконструкции морфологии денисовского человека (всё той же девочки из Денисовой пещеры, Denisova 3 — для других денисовцев пока нет метиломов). Удалось предсказать 56 отличий денисовцев от неандертальцев или современных людей (или от тех и других одновременно). Направленность различий была предсказана для 32 признаков. Результаты по 18 признакам черепа суммированы на рис. 2.
Рис. 2. Реконструкция черепа денисовского человека. Разными цветами показаны реконструированные участки черепа и соответствующие им части черепов современного человека и неандертальца. MH — современный человек, N — неандерталец. Синие стрелки, направленные вверх, означают, что по данному признаку денисовец превосходит сапиенсов или неандертальцев (для времени прорезывания и утраты зубов это означает более раннее время). Коричневые стрелки, направленные вниз, означают, что у денисовца значение данного признака меньше, чем у сапиенсов или неандертальцев. Круги показывают отсутствие различий. Например, лоб у денисовца был ниже, чем у сапиенса, а от неандертальца по этому признаку отличий не было. Рисунок из обсуждаемой статьи в Cell
Получилось, что по большинству признаков, отличающих денисовца от современных людей, денисовцы были сходны с неандертальцами (мощные челюсти, низкий череп с широким основанием, низкий лоб, толстая зубная эмаль, широкий таз, крупная грудная клетка, расширенные кончики пальцев). По трем признакам денисовцы превосходят и сапиенсов, и неандертальцев: это размер головки нижней челюсти, ширина черепа в теменной части и длина зубной дуги (последний факт согласуется с тем, что найденные денисовские зубы действительно очень крупные).
Когда обсуждаемая статья уже была написана и проходила рецензирование, появилось сообщение об идентификации нижней челюсти денисовского человека из тибетской пищеры (см.: Денисовцы жили в Тибете 160 000 лет назад, «Элементы», 13.05.2019). До этого из морфологически информативных денисовских образцов в распоряжении ученых имелись только зубы. Тибетская находка дала возможность проверить предсказания, связанные с четырьмя признаками нижней челюсти. Поскольку авторы сравнивают денисовца с двумя другими видами (неандертальцами и сапиенсами), всего получается восемь предсказаний. Из них подтвердилось семь, что можно считать очень хорошим результатом. Единственное не подтвердившееся предсказание касается ширины «подбородка» (нижней челюсти в ее передней части): по метилому получилось, что денисовцы по данному признаку не отличаются от неандертальцев, а тибетская находка показала, что у денисовцев челюсть шире.
Рис. 3. Портрет денисовской девочки, основанный на предсказанных особенностях строения черепа. Рисунок Maayan Harel из опубликованного в журнале Nature популярного синопсиса к обсуждаемой статье в Cell. Можно посмотреть видео, на котором показаны все этапы создания этой реконструкции
Авторы подчеркивают, что их реконструкция очень похожа на некоторые спорные средне- и верхнеплейстоценовые находки из Китая. Особенно много «денисовских» признаков у двух недавно описанных черепов из Сюйчана возрастом от 100 до 130 тысяч лет (Zhan-Yang Li et al., 2017. Late Pleistocene archaic human crania from Xuchang, China). Для тех частей черепа, которые сохранились у экземпляров из Сюйчана, авторы обсуждаемой работы предсказали 7 отличий денисовцев от сапиенсов. Все эти 7 отличительных особенностей (включая ширину теменной области, большую, чем у сапиенсов и неандертальцев) есть у черепов из Сюйчана. Так что эти черепа с большой вероятностью принадлежат денисовцам (рис. 4).
Рис. 4. Черепа из Сюйчана. Изображение из статьи Z. Li et al., 2017. Late Pleistocene archaic human crania from Xuchang, China
Работа представляет собой важный шаг на пути к разработке методов точного предсказания фенотипа по геномным данным. Существенным ограничением предложенного метода является то, что он дает только качественные, но не количественные предсказания: можно предсказать, что какой-то признак будет выражен сильнее или слабее, но нельзя сказать, насколько. Кроме того, во многих случаях даже направленность различий нельзя предсказать, потому что характер метилирования разных генов, влияющих на один и тот же признак, указывает в разные стороны, и никто не знает, какой из эффектов сильнее. Ничего нельзя сказать и о тех признаках, относительно которых неизвестно, как влияет на них потеря функции того или иного гена.
Что касается достоверности реконструкции денисовской морфологии, то нужно помнить, что данные по метилому есть пока только для одного денисовца. Поэтому нельзя сказать наверняка, какие из реконструированных особенностей скелета характеризуют только девочку Denisova 3, а какие — всю денисовскую популяцию. Авторы приводят ряд аргументов в пользу того, что большинство предсказаний, вероятно, справедливо для всех денисовцев. Во-первых, известно, что большинство признаков, по которым случайно выбранный неандерталец отличается от всех сапиенсов, позволяют отличить от сапиенсов и всех остальных неандертальцев. Во-вторых, анализ был основан на промоторных DMR, уровень метилирования которых в костях современных людей практически не зависит от возраста, пола, состояния здоровья и внешних воздействий и примерно одинаков у всех людей. Поэтому можно надеяться, что паттерн метилирования этих участков у денисовцев тоже не зависел от всего перечисленного, и что у других денисовцев он был примерно таким же, как у Denisova 3.
Еще одно интересное наблюдение состоит в том, что среди генов, мутации в которых связаны с известными наследственными болезнями человека, обнаруживается неожиданно много таких, которые как-то влияют на фенотипические признаки, недавно подвергавшиеся эволюционным изменениям. Показательно, что для морфологических отличий сапиенсов от неандертальцев в медицинских базах данных удается найти «подходящие» гены в 70% случаев (для 75 признаков из 107), тогда как для отличий человека от шимпанзе — только в 41% случаев (для 83 признаков из 201). Возможно, это значит, что сбои в работе генов, недавно подвергавшихся действию отбора, с большей вероятностью приводят к медицинским проблемам по сравнению с генами, которые давно не подвергались эволюционным изменениям. Это согласуется с идеей о том, что стабилизирующему отбору нужно время, чтобы обеспечить высокую устойчивость работы подсистем, подвергшихся действию движущего отбора.
Можно ли создать сверхчеловека при помощи генных ножниц Статьи редакции
Лекция биолога Екатерины Ломерт.
Совсем недавно ученые открыли технологию, с помощью которой можно добавлять или вырезать какие-либо гены в цепочке ДНК. Сейчас ее используют в экспериментах с животными и растениями, чтобы найти в ней еще больше свойств и возможностей. А через несколько лет, возможно, этот метод смогут использовать для «программирования» детей.
О том, что такое CRISPR, как он работает, почему в некоторых странах он разрешен, а в других запрещен и сможем ли мы с помощью этих «ножниц» создать идеального человека, рассказала биолог Екатерина Ломерт на просветительском фестивале «Кампус», который во второй раз прошел в Петербурге в октябре.
С технологией CRISPR связано много интересного, и она в последние годы очень активно развивается. Но, так как биологов здесь не очень много, я думаю, стоит начать с того, что такое ген.
Вспомним школьную биологию: мы все состоим из клеток, и в каждой из которых содержится ДНК, и во всех клетках это ДНК одинаковое. ДНК, по сути, — это одна большая толстая книга. Допустим, кулинарная. Но в этой книге очень много непонятных слов, какие-то странные буквы. И встречаются полезные рецепты.
Вот эти рецепты – это и есть гены, они несут полезную информацию. Допустим, вы нашли интересующий вас рецепт и решили его переписать кратко, чтобы вам было понятно. Это конспект из кулинарной книги, и он соответствует рибонуклеиновой кислоте — РНК. Вы пришли домой и решили приготовить торт по этому рецепту. В данном случае это будет белок.
Белок наиболее функционален: он приводит в движение мышцы. Белки – это гормоны; это антитела, которые защищают вас от инфекции. В общем, большинство функций в организме — это белки. Торт тоже, в принципе, многофункционален: его можно съесть, подарить, дать его кому-нибудь… в лицо.
Если вдруг у вас в этой книжке встретится ошибка, то она передастся и в ваш конспект. В следствие вы можете добавить, например, меньше муки, больше сахара. В общем, получится не торт, а его подобие, и, соответственно, у этого подобия будут совершенно другие функции.
Вряд ли вы уже захотите такой торт кому-нибудь дарить… Это реализация генетической информации в виде, когда у вас все в норме и в виде, когда информация изменена. Генологи уже давно изучают этот процесс.
Наиболее удобно изучать изменения ДНК по каким-то внешним характеристикам. Например, на подопытных мышах очень удобно изучать изменения генов, потому что у человека с ними есть много общих внешних признаков, которые означают, что у нас присутствует какой-то фермент или отсутствует: можно посмотреть у них на окраску глаз, волосатость тельца или на отсутствие или присутствие крыльев. То же самое с локацией: от того, где они растут, можно также определять какие-либо функции.
Генетики изначально изучали только следующим образом генетические признаки: от белка шли к ДНК, и это была прямая генетика. Но это очень долгий процесс: вы, по сути, просто ищете каких-то мутантов с изменениями, и хотите это сделать быстрее.
Тогда ученые начали использовать мутагены, которые вызывают изменения ДНК: это могут быть радиация, ультрафиолет, какие-то химические агенты. Например, на дрозофилах используют раствор йода. И эти объекты меняют ДНК, следовательно, РНК и функции белка. Это уже обратная генетика.
Давайте разберем всеобщие генетические заблуждения. Вам, наверное, рассказывали в школах, что если у родителей голубые глаза, то у ребенка не может быть карих. Еще говорили про доминантные и рецессивные гены, форму ногтей, ямочки на лице. Внешних качественных признаков у человека очень много, но это не все признаки, которые легко определяются каким-то одним геном.
Вернемся к примеру с глазами: то, что у голубоглазых родителей не может быть кареглазого ребенка — неправда. За цвет глаз ответственны минимум четыре гена, и от того, как они сложатся, как раз и будет определяться цвет глаз. Еще интересный пример: у автостопщиков высокая степень отклонения большого пальца — это вариабельный признак, который не зависит от одного гена и достаточно сложно определяется генотипом.
Когда вы складываете в замок руки, какой большой палец оказывается сверху? Долгое время в учебниках по биологии писали, что это признак, который тоже определяется генами. Это неправда. На самом деле, тут больше задействован процесс внутриутробного развития и то, какая рука у вас ведущая.
Замечательный пример сворачивания языка в трубочку: якобы вы либо можете, либо не можете это сделать. Это тоже ерунда, потому что этому можно научиться в течение жизни. Так что если вы не умеете — вперед тренироваться.
Это примеры прямого действия гена, который отражается на внешности. Но чаще всего вы не знаете, какой ген может повлиять на внешние характеристики. А вам нужно изменить этот ген. В этом случае должен быть очень точный метод, который порежет ген в определенном участке, и дальше уже будут происходить изменения с внешними характеристиками.
Таким способом очень удобно изучать модели болезней на человеке. Очень многие наследственные заболевания зависят от одного гена и от изменений в нем. Например, гемофилия, муковисцидоз, фенилкетонурия. Все эти заболевания зависят всего лишь от изменения одного нуклеотида в определенное время. Если вы возьмете какую-то модель, другой организм, и измените ему в этом же месте нуклеотид, который содержится в ДНК, вы получите модель этой болезни и сможете изучать, как лекарственные препараты влияют на излечение этого организма.
Самой популярной моделью для изучения человеческих заболеваний являются мыши. Общий предок у человека с мышами был 80 миллионов лет назад, при этом из изученных 4 тысяч генов всего лишь 10 кардинально отличаются. В среднем около 85 процентов последовательностей генов у человека и мыши одинаковые.
На мышах изучают очень много заболеваний, начиная нейродегенеративными и заканчивая раковыми опухолями. Было бы замечательно, если бы у биологов был механизм, когда в мыши можно изменить определенный ген и изучать любое заболевание. На самом деле, такие механизмы существуют с 70-х годов, но они всегда были малоэффективны, дорогостоящи и занимали очень много времени. А сейчас биологи просто поймали волну: они, по сути, оседлали ДНК и могут с ней делать все, что захотят, и в этом как раз помогает технология CRISPR.
Давайте обсудим, что это такое. Это аббревиатура, и она расшифровывется, как clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Что это за повторы и откуда они взялись? Биологи редко что-то придумывают, и, чтобы что-то сделать, нужно посмотреть, как это делается в другом организме. Также сделали с CRISPR.
На самом деле, его повторности были открыты в 1987 году. Представляете, сколько времени прошло, чтобы начали использовать эту технологию? Только в начале 2000-х поняли, какова функция этих повторов. Они были найдены у микробов и всех одноклеточных организмов, и никто не знал, зачем они вообще нужны.
Один исследователь, Рудольф Барангу, занимался не очень интересной для биолога деятельностью: ему заказали изучить, почему молочнокислые бактерии часто заражаются вирусами. Как и все организмы, бактерии могут быть заражены вирусами. Даже вирусы могут быть заражены вирусами. И Рудольф Барангу исследовал термофильные стрептококки, которые используются при отравлении молочнокислых продуктов.
Зараженные стрептококки плохо сбраживали продукты и имели не очень хороший вкус. И ученый обнаружил, что последовательность и повторы очень похожи на ДНК вирусов, которые заражают бактерию.
И оказалось, что вся система CRISPR — это адаптивный иммунитет бактерии, как выработанные антитела у человека после прививки. Когда бактерию заражает вирус, частичка его генома встраивается в геном бактерии. Этот геном передается дочерним клеткам из поколения в поколение.
И когда дочернюю клетку снова заразит этот вирус, с ДНК синтезируется гидовая РНК, которая является гидом для белка ножниц, Cas9. В сумме этот комплекс гида и ножниц движется в сторону ДНК вируса, связывается с ним и разрезает ее. Вирус деактивирован. Этот механизм был открыт примерно в 2005 году.
Исследователи подумали, как они могут применить это в других клетках, и перенесли эту систему в клетки человека. Оказалось, что, если в клетках человека гидовая РНК соответствует последовательности какого-то места в геноме, то будет происходить то же самое: РНК будет отправляться вместе с ножницами к этому участку и резать в определенном месте.
Что же происходит дальше? Когда у нас в клетках нарушается структура ДНК, сразу же включаются механизмы восстановления — это механизмы репарации. При этом нуклеотиды, которые незащищены, могут отпадать с краев. Таким образом та же последовательность, которая была до этого, не восстанавливается. Меняется полностью структура гена или какой-то другой некодирующей области.
Если вы нарушили структуру гена в организме человека, белок начинает синтезироваться неправильно. Мы наблюдаем болезнь либо отсутствие функций этого белка. Биологи решили сломать эти ножницы, они стали нефункциональными, и теперь их называют dead Cas9. И к этой мертвой Cas9 можно прикреплять все, что угодно.
Можно просто ее использовать вместе с гидами РНК: если она сядет на место в геноме, у вас не будет идти синтез гена, не будет образовываться продукт. Вы можете прикрепить к этим ножницам активаторный белок, который будет влиять на активацию наработки генов. Кроме того, можно еще прикрепить различные модуляторы, которые влияют на окружение гена, и таким образом тоже активно влияют на его функцию. Но это уже из фантастики.
Представим, что мы хотим, чтобы эта система работала только тогда, когда мы ее включим. Давайте пришьем светочувствительный белок, и только при его облучении у нас эта система будет включаться, и мы будем видеть либо активацию, либо, наоборот, нарушения синтеза. Эти системы были быстро разработаны в начале 2010-х.
Первая система применения в клетках была разработана в 2012 году. Это были две девушки — Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Они работали в Европе, и в начале 2013 года подали документы на патент этого изобретения. Представьте себе: такое изобретение принесет очень хорошую прибыль, потому что и сельскохозяйственные организации, и те, кто работает с изменениями геномов животных — все будут платить за использование этой технологии.
Но параллельно в конце 2013 года на патент подал документы Фэн Джан — ученый из американского университета. И развязалась война за патенты. В течение 2013, 2014, 2015 годов шли суды: пытались определить, кто же должен владеть технологией. Дело в том, что, хотя Дженнифер Дудна подала документы на патент первая, документы Фэна Джана прошли намного быстрее: они прошли по упрощенному механизму.
Все закончилось тем, что Фэн Джан выиграл суд, и в Америке он считается тем, кто владеет этой технологией. В Европе все совершенно по-другому: девушки не потерялись и подали в несколько судов в Европе и выиграли их. Теперь война происходит не в Америке, а между Америкой и Европой. Все стало так запутано, что до сих пор идут суды, и не ясно, кто владеет этой технологией. Но ученые могут ею пользоваться в некоммерческих целях. Те же биотические комитеты решили приостановить использование этой технологии для получения в коммерческих целях растений и животных как в Америке, так и в Европе. Весь биологический мир следил за этой битвой.
И тут в 2015 году выходит статья китайских исследователей, которые взяли и изменили гены эмбриона человека. У ученых поднимается паника: как так? Мы можем изменять эмбрионы человека?! Что мы дальше с этим будем делать? Мы можем программировать будущего ребенка?
Эту статью не опубликовал ни один рейтинговый журнал, потому что они просто побоялись. В том же году состоялся саммит, на котором решили, что эту технологию нельзя использовать на эмбрионах человека. Документ о согласии подписали и представители Великобритании. В следующем году, в 2016 году, выходит новость, что Англия становится первой страной, где разрешается редактировать эмбрионы человека.
Сейчас уже, на самом деле, разрешено редактирование эмбриона человека. Но только в исследовательских целях: после изменения генома клетки не могут дальше жить больше 14 дней, не могут дальше развиваться и не могут ни в коем случае быть имплантированы матерью. Эти ограничения вызвали бунт, сразу начались какие-то встречи, ученые говорили, кто за, кто против этой технологии.
Есть определенные последствия применения CRISPR: во-первых, получение дизайнерских детей, когда вы можете полностью программировать признаки вашего будущего ребенка. Далее связанные с этим последствия: евгеника — мы возвращаемся обратно к идеалам, когда можем получить идеального человека со всеми нужными характеристиками. Далее – развитие классовой дискриминации на основе генетических признаков. Ну и, конечно, Gattaca Future.
К тому же, с биологической точки зрения, эта технология влияет на процесс эволюции: мы меняем организм, как хотим, а это влияет на «планы природы». Но это спорный вопрос: ученые и до этого вносили изменения, CRISPR ничего не поменял. Пока что нельзя понять, как эти изменения будут влиять на следующие поколения и как они будут зависеть от того, что уже будет у следующего поколения от генов предыдущего. Поэтому пока что эта технология не может применяться на людях. Но это вопрос времени.
Однако многие предсказывают, что через 10-20 лет CRISPR будет использоваться для клинических испытаний. В том числе, например, в прошлом году были разрешены первые клинические испытания с его помощью. Они уже начались и, возможно, если они будут успешными, то скоро с любым заболеванием можно будет обратиться в клинику и излечиться.
Кроме того, что касается дизайнерских детей… это, скорее всего, будет очень дорого. Потому что, если сейчас оплодотворение в пробирке в Америке стоит около 20 тысяч долларов, то дополнительная генетическая экспертиза и выбор свойств увеличат эту цену еще на 80 тысяч. 100 тысяч долларов может не каждый себе позволить, и возникнет дискриминация.
Сразу ввели торговые документы, закрепляющие возможность или, наоборот, запрещающие использование этой технологии. Разные страны относятся к CRISPR по-разному. Россию в статье журнала «Nature» отнесли к стране с двусмысленным положением к этой технологии. Это, на самом деле, странно, потому что в России вообще никак об этом не думают, просто используют в лабораториях, но, естественно, никуда в коммерцию это не уходит.
Есть страны, где полностью запрещено использование CRISPR: здесь имеются в виду клинические испытания, коммерция. Лабораторные исследования везде разрешены. Кроме того, существуют определенные ограничения на дальнейшее использование. В одном случае — это очень популярная тема у биологов, которая называется «Nature vs. Nurture», то есть «природа против воспитания».
Известно, что не только генотип влияет на взрослый организм, многое зависит и от того, в каких условиях вы воспитывались, что вас окружает. Это подтверждено даже у близнецов, которых разделили при рождении: они могут быть совершенно разными людьми, на них влияет среда, в которой они обитали. Таким образом, даже если вы запрограммируете какие-то признаки, они могут полностью не стать такими, как вы хотели.
Также очень сложно изменить ген на стадии зиготы. До сих пор проводятся исследования, в которых пытаются понять, когда именно нужно менять геном. Потому что мы должны изменить геном у эмбриона в определенный момент, пока еще не началось деление клеток и уже после того, как слились сперматозоиды и яйцеклетки. Это достаточно короткий момент времени, и его нужно поймать. Поэтому это сложная процедура.
Также технология работает не всегда правильно и не всегда действенно. Китайские ученые провели исследования на человеческих эмбрионах: из 86 эмбрионов только в 28 произошли изменения. Но, кроме этих изменений, были еще и другие изменения в геноме. Представьте себе: вы хотите поменять что-то в одном месте, а еще поменялась куча других мест. Может произойти что-то невероятное или человек может не родиться вообще. Это тоже огромные ограничения, с которыми ученые сейчас активно борются. На самом деле, все белки, которые используются в этой технологии, очень точные и они делают точный разрез именно в том месте, которое вы запрограммировали.
Давайте представим, что мы уже живем в мире, когда можно запрограммировать свойства человека, изменить собственные гены. Допустим, мы хотим стать атлетами, спортивными людьми. Как мы это сделаем при помощи изменения генов? Это сделать можно. Есть несколько генов, которые влияют на спортивное телосложение, в том числе, например, ген ACTN4 — мышечный белок. Доказано, что у большинства спортсменов в этом гене есть определенная мутация, которая дает атлетические способности.
Вы наверняка слышали такое понятие, как «генный допинг». Антидопинговое агентство внесло запрещающий генный допинг в 2003 году, когда его еще не было. Он появился только в 2008. Также антидопинговое агентство выделило 2 миллиона долларов, чтобы придумать тест, с помощью которого можно определить, что спортсмен использовал генный допинг. Но ни одним способом это невозможно сделать, потому что ничего чужеродного в организм не вносится. Используются только те белки, которые уже есть в организме человека. Есть один белок, который влияет на увеличение кровяных клеток и тем самым увеличивает снабжение кислородом. Также есть белок, который блокирует развитие и дифференцировку мышц.
Или, например, вы хотите, чтобы в сутках было больше часов, хотите меньше спать и больше успевать. Решение есть: есть ген hDEC2 — ген суррогатных ритмов человека. Выявлено, что мутация в этом гене приводит к сверхбыстрому сну, и человек способен выспаться за 4 часа.
Может быть, некоторые, выпив бокал вина, краснеют. Это в основном характерно у азиатов, и обусловлено мутацией в гене ALDH2 — это один из тех ферментов, которые участвуют в разложении этанола. И если мутация в этом гене отсутствует, то никакого потрясения не происходит. Если мутация есть, то у вас все признаки отравления алкоголем: болит голова, полное покраснение лица и тд.
Мне кажется, многих волнует, как стать умным. Самым большим родительским запросом при дизайне будущего ребенка был бы запрос сделать его умным. На самом деле, это сделать невозможно. Последнее исследование на 80 тысячах человек выявило, что интеллект ассоциирован не менее, чем с 40 генами. То есть нужно поменять очень много всего, чтобы добиться какого-то изменения. В плане интеллекта такое недопустимо.
Зато это точно допустимо в связи с наследственными заболеваниями. Ученые уже умеют лечить от ВИЧ, от лейкимии. И все это благодаря именно CRISPR. Если пока какие-то заболевания мы не можем вылечить, то мы можем проводить разные эксперименты, которые помогут лучше разобраться в этой теме. Например, недавно вышла статья, в которой говорится о похудении. Ученые создали свиней, которые содержат на 20 процентов меньше жира, чем обычные свиньи.
Или есть замечательный цветок, который называется «утреннее сияние». Ученые выключили ген, который ответственен за синтез антоциана, который придает цветочному венку фиолетовый цвет. И цветок стал белым. Бесполезное, конечно, исследование, но зато мы можем что-то менять в растениях.
На самом деле, благодаря таким исследованиям у пшеницы появилась устойчивость к плесени; появился рапс, содержащий мало жира. Очень много исследований на растениях, и я думаю, что скоро это будет очень активно использоваться.
Я считаю, что будущее за сверхчеловеком, все это будет активно развиваться. Биотические комитеты, конечно же, будут активно пытаться остановить этот процесс, но ученых не остановить.
Не доживёт рашка до тех врёмен, когда у американцев будут такие технологии. И увы, не потому что они так долго реализуются.
Так занимайся этим сам😉
Пожалуйста сообщите дополнительно, когда встроите в днк крылья. Я очень хочу летать!
Ps. И жаберки пожалуйста.
Вот это годная идея
Человек-амфибия,дети с тентаклями,большим хером и кошкодевочки.
Скорее будет что-то вроде прав человека на «нормальное тело» гарантированных ООН, как со свободой вероисповедания и прочим подобным. Напомню что на сегодня дети не являются собственностью родителей,к примеру их нельзя продать в рабство,на органы.
Да и по телевизору куча фильмов демонизирующих ученых,желтушных передач.Особенно со страстью наших «православных» политиков играть на теме гмо и сирот,логично будет попугать свою челядь франкейнштейнами,а самим втихоря растить зарубежом арийцев.
В лучшем случае будет запрет на морфологические изменения тела.Жаль что подобное откинет нас в развитии и те у кого не будет ограничений выиграют в перспективе.
так как геологов здесь не очень много, я думаю, стоит начать с того, что такое ген
втф, вы думаете что геологи генетикой занимаются?
А вообще, про неравенство это все глупости, оно существовало всегда. Кто-то рождается в богатой семье в америке, получает лучшее образование, медицину и возможности для реализации, а кто-то рождается в жопе мира и копает картошку в огороде. Но, развитие генного редактирования, сперва позволит лечить богатых, а потом по мере развития технологий, пользоваться смогут все больше людей. Так что за биотехнологиями будущее и никакие комитеты не смогут этому помешать
Существование бедных тёмных аборигенов никак не мешает двигать науку вперёд.
И причём тут гомункулусы и человекоподобные организмы, когда речь о людях+?