ДНК-диверсанты

Малярия — это группа инфекционных заболеваний, вызываемых паразитическими одноклеточными организмами рода Plasmodium. Они попадают в кровь человека при укусе самок комаров рода Anopheles, также известных как малярийные комары. Эти насекомые распространены по всему свету, кроме Антарктиды, Крайнего Севера и Восточной Сибири. Больше всего малярией болеют в Африке, и прежде всего — дети. Каждый год малярия уносит жизни почти полумиллиона человек, большинство жертв — дети в возрасте до пяти лет.

Ученые уже несколько лет размышляют над тем, как с помощью методов генной инженерии одолеть малярию. Один из способов — внесение в комаров генов, которые не дадут в них поселиться плазмодиям. Но есть проблема. Допустим, мы создадим несколько тысяч безопасных малярийных комаров и выпустим их в окружающую среду. Как обеспечить распространение нужного гена в дикой популяции?

У генетически модифицированных комаров будут две копии противомалярийного гена (по одному на каждой хромосоме). Только одна из хромосом (какая — решает случай) унаследуется потомством. Поэтому если спариваются измененный комар и дикая особь без нужного гена, потомству перейдет только одна копия гена. И эта копия достанется лишь примерно половине следующего поколения комаров (поскольку мутантная хромосома наследуется с 50-процентной вероятностью). В результате противомалярийные гены постепенно исчезнут из популяции — естественный отбор их вряд ли поддержит.

Чтобы предотвратить элиминацию (устранение) гена из дикой популяции, можно воспользоваться технологией, известной как генный драйв. Она заключается в том, чтобы каким-либо образом скопировать нужный нам ген с одной хромосомы на другую. Тогда организм, у которого была только одна копия гена, обзаведется двумя копиями и передаст его потомкам со 100-процентной вероятностью. Как это делается?

Один из способов — применение эндонуклеаз рестрикции, ферментов, которые совершают разрез в двойной цепи ДНК в определенном месте. Если внести разрыв в хромосому, то начнется процесс ее восстановления. В ходе него в разрезанную цепочку копируется неповрежденный участок с соседней хромосомы. Однако эндонуклеазы совершают разрез в том случае, если они «узнают» специфическую комбинацию нуклеотидов. Таких комбинаций на хромосоме может быть много, поэтому мы рискуем разрезать хромосому на множество кусочков. Это, а также другие факторы, осложняют использование эндонуклеаз рестрикции для генного драйва.

Заменить эти ферменты способна технология CRISPR/Cas9, позволяющая произвести разрез именно в том месте, который нам нужен. Нуклеаза Cas9 внесет разрыв в двойной цепочке ДНК в участке (сайте-мишени), «указанном» РНК-гидом или sg-РНК. Это такая короткая молекула нуклеиновой кислоты, комплементарная сайту-мишени, поэтому, синтезировав достаточно длинный РНК-гид, вероятность разреза не в том месте можно минимизировать.

В 2015 году ученые из Имперского колледжа Лондона создали при помощи CRISPR/Cas9 генный драйв, который способствует распространению мутации, вызывающей бесплодие у малярийных комаров. Самки с мутантным геном на обеих хромосомах бесплодны, а самцы могут распространять его в популяции. Так можно не только уменьшить популяцию анофелесов до уровня, при котором заражение малярийным плазмодием станет редкостью, но также бороться с развитием сопротивления к пестицидам и уничтожать инвазивные виды.

Генный апокалипсис

Однако возникают опасения, что бесконтрольное распространение гена может вызвать непредвиденные последствия в живой природе. По мнению эволюционного эколога Джеймса Коллинза из Университета штата Аризона, высказанному в интервью журналу Science, неизвестно, как генный драйв повлияет на динамику популяций и состояние экосистем. Например, полное уничтожение вида или даже сильное снижение численности приводит к распространению других видов. Поэтому нельзя выпускать модифицированных комаров на волю без учета всех рисков. Однако как испытать генный драйв, если само его тестирование требует, чтобы насекомые находились в диких условиях?

Ученые называют данную проблему Уловкой-22, поскольку ее решение противоречит самой себе. Однако биологи из Гарвардского университета и Массачусетского института технологии придумали, как сделать так, чтобы генный драйв мог сначала способствовать распространению мутантного гена, а через несколько поколений привести к его исчезновению.

Смысл в том, что копирование необходимого участка ДНК с одной хромосомы на другую происходит ступенчато. Генный драйв осуществляется с помощью трех элементов, каждый из которых состоит из одного или нескольких генов. Элемент А копируется и вставляется в гомологичную хромосому при наличии элемента В, а элемент В — в присутствии элемента С. Сам элемент С распространяется в популяции через обычное наследование, передаваясь только половине потомства.

Спаривание генетически модифицированных насекомых с дикими комарами приведет к тому, что все потомство будет нести в себе элементы А и В, но только половина — элемент С. В результате, по законам наследования, А и В сначала быстро распространятся в популяции, а через некоторое количество поколений практически исчезнет элемент С, за ним элемент В и, наконец, А. Распространение мутантного гена будет зависеть от того, сколько насекомых выпущено в естественную среду. Можно сделать так, что носителями мутации окажутся практически все особи, живущие на определенной территории, однако в более крупной популяции гены распространиться не смогут. Если испытания принесут успех, всерьез встанет вопрос о применении технологии там, где есть явная угроза здоровью людей со стороны малярийных комаров.

Все решено

Некоторые некоммерческие организации, такие как «Друзья Земли» (Friends of the Earth) и Совет за ответственную генетику (Council for Responsible Genetics), выступали против генного драйва, называя его технологией генного вымирания (gene extinction technology). Они предлагали ввести мораторий. Однако в декабре 2016 года стороны конвенции ООН о биологическом разнообразии одобрили использование генного драйва, призвав к осторожности при полевых испытаниях.

В некоторых странах технологию уже протестировали. Результаты пяти полевых испытаний, проведенных с 2011 по 2014 год на Панаме, островах Кайман, а также на северо-востоке бразильского штата Баия, показали, что численность диких комаров снизилась на 90 процентов. Теперь в Бразилии собираются выпустить на волю миллионы генетически модифицированных насекомых для борьбы с лихорадкой Зика, денге, желтой лихорадкой и чикунгуньей.

Итак, возможность воздействия на природные экосистемы генной инженерией доказана. Однако можно ли модифицировать геномы непосредственно человека, чтобы избавиться от наследственных заболеваний? Или сделать людей невосприимчивыми к малярийному плазмодию?

В феврале 2017 года Национальные академии наук и медицины США опубликовали доклад, в котором специалисты допустили изменение ДНК людей для борьбы с мутациями, вызывающими серьезные нарушения в работе организма. Фактически это означает исправление дефектных генов у зародышей человека. Это поможет справиться с такими болезнями, как хорея Гентингтона или фатальная семейная бессонница. Однако применение технологий генного драйва будет ограничено популяциями диких животных, поскольку использование их на людях не только сомнительно с этической точки зрения, но и нецелесообразно: ген будет распространяться слишком медленно.