Лечение рака крови с помощью редактирования генома. Спасена 13-летняя девочка

Основная статья: Хромосома
Основная статья: Генетика
Основная статья: Искусственный геном

2022: Онкологию удалось вылечить, применив революционный метод редактирования ДНК

В середине декабря 2022 года британские врачи вылечили 13-летнюю девочку по имени Алиса от острой формы лейкемии с помощью базовой коррекции генома. Технологию изобрели шесть лет назад, но использовали впервые.

Рак у Алисы обнаружили весной 2021 года, болезнь быстро прогрессировала. Когда химиотерапия и пересадка костного мозга не сработали, врачи встроили в геном девочки модифицированные донорские T-лимфоциты – клетки, способные убивать опухоли. Все другие методы лечения лейкемии Алисы оказались безуспешными.

Поэтому врачи больницы Грейт Ормонд Стрит использовали редактирование генома, чтобы совершить подвиг биологической инженерии и создать для нее новое живое лекарство. Спустя шесть месяцев рак не был обнаружен, но Алисса все еще находится под наблюдением на случай его возвращения.

Т-клетки должны быть защитниками организма - искать и уничтожать угрозы, но для Алисы они стали опасностью и вышли из-под контроля. Ее рак был агрессивным. Химиотерапия, а затем пересадка костного мозга не смогли избавить ее от рака. Если бы не экспериментальное лекарство, единственным выходом было бы просто сделать Алиссу как можно более комфортной.

Редактирование оснований в базе генома позволяет ученым увеличить точную часть генетического кода и затем изменить молекулярную структуру только одного основания, преобразуя его в другое и изменяя генетические инструкции. Большая команда врачей и ученых использовала этот инструмент для создания нового типа Т-клеток, способных выслеживать и убивать раковые Т-клетки Алиссы. Они начали со здоровых Т-клеток, полученных от донора, и приступили к их модификации.

• Первая базовая модификация отключила механизм нацеливания Т-клеток, чтобы они не нападали на тело Алиссы.
• Вторая правка удалила химическую метку под названием CD7, которая есть на всех Т-клетках.
• Третья правка была плащом-невидимкой, который предотвращал гибель клеток от химиотерапевтического препарата.

Через один месяц у Алисы наступила ремиссия, но ей еще раз пересадили костный мозг, чтобы поддержать иммунитет, а через полгода после редактирования генома тесты раком отрицательные.

Алиса стала первой из 10 детей, которые пройдут клинические испытания. Ученые считают, что этот метод станет новой отраслью в медицине и совершит прорыв в лечении рака. Поскольку позволяет заставить иммунную систему убивать раковые опухоли.^[1]

2021: Создание геномной ДНК, которая «размножается»

В конце ноября 2021 года профессор Нориказу Ичихаши и его коллеги из Токийского университета впервые успешно индуцировали экспрессию генов из ДНК, характерной для всего живого, и продемонстрировали эволюцию путем непрерывной репликации внеклеточно, используя только бесклеточные материалы, такие как нуклеиновые кислоты и белки. Способность размножаться и эволюционировать является одной из определяющих характеристик живых организмов.

Однако до конца октября 2021 года не было создано искусственных материалов с такими характеристиками. Для того, чтобы создать искусственную молекулярную систему, способную размножаться и эволюционировать, информация, закодированная в дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), должна быть переведена в рибонуклеиновую кислоту (РНК), белки должны быть экспрессированы, а цикл репликации ДНК с этими белками должен продолжаться в системе в течение длительного времени. До сих пор не удавалось создать реакционную систему, в которой экспрессировались бы гены, необходимые для репликации ДНК, и одновременно эти гены выполняли бы свою функцию.

Группе удалось перевести гены в белки и реплицировать исходную циркулярную ДНК с переведенными белками с помощью циркулярной ДНК, несущей два гена, необходимых для репликации ДНК и бесклеточной системы. Более того, ученые также успешно усовершенствовали ДНК, превратив ее в ДНК с 10-кратным увеличением эффективности репликации, продолжая этот цикл репликации ДНК в течение примерно 60 дней. Добавив гены, необходимые для транскрипции и перевода, в искусственную геномную ДНК, разработанную группой ученых, со временем можно будет создать искусственные клетки, которые смогут расти автономно, просто подавая им низкомолекулярные соединения, такие как аминокислоты и нуклеотиды. В случае, если такие искусственные клетки удастся создать, можно ожидать, что полезные вещества, которые на ноябрь 2021 года производятся с помощью живых организмов, станут более стабильными и легко контролируемыми.

Данное исследование проводилось под руководством профессора Нориказу Ичихаши, научного руководителя проекта разработки саморегенерирующейся искусственной системы репликации-транскрипции-трансляции генома. В этой области исследований группа стремится выяснить основные принципы в отношении структуры и функции геномов для создания платформенной технологии использования клеток.^[2]

2019

В начале ноября 2019 года министр здравоохраненияВеликобритании Мэтт Хэнкок (Matt Hancock) заявил, что всем британским новорожденным будут делать секвенирование генома. Подробнее здесь.

В начале апреля 2019 года было объявлено о создании первого генома живого организма, полностью сгенерированного на компьютере. Этим достижением отметились специалисты Швейцарской высшей технической школы Цюриха. По их словам, дальнейшее совершенствование технологии позволит получать полностью искусственные формы биологической жизни.

Ученые разработали новый метод, значительно упрощающий производство больших молекул ДНК, содержащих огромное количество генов. Такой способ помог им построить первый геном бактерии, полностью сгенерированный компьютером.

Специалисты работали с геномом безвредной бактерии вида Caulobacter crescentus, который содержит четыре тысячи генов. Такую бактерию часто можно обнаружить в реках и озерах по всему миру. В честь нее геном был назван Caulobacter ethensis-2.0. 

К началу апреля 2019 года сгенерированный компьютером геном представляет собой одну большую молекулу ДНК, а не живой организм. Однако испытания показали, что 580 из 680 искусственных генов оказались функциональными, отметили исследователи.

Это объясняется тем, что в геноме бактерии записаны не только белковые последовательности, но и регуляторные участки и молекулы РНК, для работы которых сохранение правильной конформации очень важно. По-видимому, не все из них оказались известны заранее, и поэтому подверглись «оптимизации», которая их и сломала.

2016: Популяционные геномные исследования евразийцев и австралийцев

Проведены большие популяционные геномные исследования евразийцев и австралийцев, а также большое геномное исследование палеолитических европейцев.

2015: Секвенирован геном европейца с включениями из неандертальского генома

Секвенировали геном европейца с недавними включениями из неандертальского генома возраста 37-42 тыс. лет; проведено геномное исследование большой популяции европейцев и азиатов бронзового века, а также большое геномное исследование древних и современных коренных американцев, палеоэскимосов и инуитов.

2014: Секвенирован геном человека культуры кловис

Секвенировали геном человека культуры кловис, возраст 12,6 тыс. лет; секвенировали геном со стоянки Мальта, возраст 23 тыс. лет; секвенировали геном из Усть-Ишима, возраст 45 тыс. лет; секвенировали верхнепалеолитические возрастом 36-38 тыс. лет.

2011-2012: Получен геном австралийского аборигена и секвенировали геномы неолитических европейцев

Получен первый геном австралийского аборигена, секвенированный из пучка волос возрастом 90 лет. В 2012 году ученые секвенировали геномы неолитических европейцев.

2010: Расшифрован первый древний геном человека

Расшифрован первый древний геном человека; получены черновики первого генома неандертальца и первого генома денисовца; стартовал проект «1000 геномов».

1970-2020: Старт развития популяционной генетики

Активное развитие популяционной генетики началось с конца 70-х гг. ХХ в., но только в самые последние годы достигнуты значительные успехи в области расшифровки древнего и современного человеческого генома. Наибольший интерес у следящей за этой новой информацией публики вызывает сопоставление данных о палео-ДНК с информацией о генетических особенностях современных представителей того или иного этноса.

Какими данными о человеческом геноме оперируют современные палеогенетики? Речь идет об особых маркерах - последовательностях в наборах нуклеотидов, расположенных на трех основных составляющих передающегося по наследству генома человека - 23 пар хромосом, находящихся в ядре клетки, а также митохондриальной ДНК (мтДНК). Двадцать две парные хромосомы (аутосомы), две половые хромосомы X и Y, а также мтДНК человека содержат вместе примерно 3,1 млрд пар оснований нуклеотидов-органических соединений аденина (А) с тимином (Т) и гуанина (G) с цитозином (С).

Постепенно при передаче информации, закодированной в последовательностях цепочек нуклеотидов, накапливаются разнообразные мутации, которые закрепляются в ДНК и передаются по наследству. Набор информации с накопленными на конкретный момент мутациями ДНК называется гаплотипом, а группы родственных гаплотипов - гаплогруппами. При этом 22 аутосомные хромосомы формируются от обоих родителей, мтДНК наследуется только по материнской линии, хотя присутствует и у мужчин, и у женщин, а Y-хромосома передается только от отца к сыну.

Таким образом, в руки исследователей попадает интереснейший инструмент, который позволяет выстраивать генеалогические цепочки и связывать ушедшие поколения с ныне живущими по материнской (мтДНК) И отцовской (Y-хромосома) линии. Огромное количество аутосомных маркеров позволяет с высокой долей вероятности реконструировать некоторые особенности человеческого облика, например, цвет волос и радужной оболочки глаз или пигментацию кожи.

Анализ мтДНК у современных и древних популяций ведется достаточно давно - с 1990-х гг. Это связано как с ограниченным по количеству набором нуклеотидов, за ключенных в оболочке мтДНК (16,5 тыс. пар), так и с ее устойчивостью и хорошей сохранностью в палеоантропологическом материале. К настоящему времени накоплен обширный объем информации о мтДНК многочисленных народов Земли, рассчитан общий женский предок всего современного населения «митохондриальная Ева», проживавшая в Африке около 185 тыс. лет назад, - построено разветвленное дерево гаплогрупп мтДНК человека. Однако использование мтДНК в палеогенетике для изучения этногенеза осложняется социальными практиками людей - патрилокальными формами семейных отношений, которые характерны для большинства современных сообществ и с большой долей вероятности имели широкое распространение в древности. При такой форме брака генетический набор, на следуемый по отцовской линии, остается на месте либо перемещается вместе с популяцией, а мтДНК активно перемешивается вместе с приходом женщин в данную популяцию из других популяций. Эта особенность, которая приводит к большой гетерогенности исследуемых с точки зрения мтДНК популяций и осложняет выделение гаплогрупп, характерных для того или иного населения, уже отмечена в ходе многочисленных исследований современных и древних этносов.

C этой точки зрения гораздо больший потенциал сулит исследование Y-хромосомы, анализ которой вошел в арсенал эволюционной генетики лишь в самое последнее время. В этой хромосоме содержится значительно больше данных - до 60 млн пар нуклеотидов, а передача ее по наследству исключительно по мужской линии позволяет осуществлять пространственный анализ распространения тех или иных гаплогрупп и анализировать степень их участия в формировании того или иного этноса более обоснованно.^[4]