6 мин
21 ноября 2019 г.

Трансгенные обезьяны важнее ГМО-детей

Куда нас приведут исследования обезьян с человеческим геном?
Автор: Денис Тулинов

Новость об эксперименте китайского биофизика Цзянькуя Хэ, который на эмбриональной стадии внес мутацию в геном двух девочек-близняшек, якобы защитив их от ВИЧ, стянула на себя внимание научного мира, медиа и публики. На этом фоне не так заметно прошла другая новость: в том же Южном Китае, только на тысячу с лишним километров к западу от лаборатории Хэ, группа биологов вырастила макак с человеческим вариантом гена, влияющего на развитие мозга. По уверениям авторов эксперимента, трансгенные обезьяны получились чуть умнее обычных — их краткосрочная память улучшилась.  

При том, что содеянное Хэ вызвало громкий скандал — ученый впервые преступил черту, которую генетики во всем мире гласно и негласно согласились не пересекать, — его работа вряд ли претендует на нечто большее, чем быть опасным прецедентом. Научной и даже технической новизны в ней нет. Опыт же с модификацией ДНК макак не подразумевает громкого скандала и встает в ряд прочих исследований трансгенных приматов, но это и позволяет считать его в перспективе более значимым — как исследовательская программа он обещает миру куда более серьезные последствия. 

Оценить их нам помогут три ключевых аббревиатуры: CBP, iGEM и DARPA. И речь пойдет совсем не о «планете обезьян». 

Казус Хэ меняет игру

За дальнейшей судьбой Цзянькуя Хэ любопытно будет проследить. Южный университет науки и технологий в Шэньчжэне сразу открестился от его экспериментов и уволил ученого. Министерство здравоохранения провинции Гуандун проводит расследование, а генетики из разных стран поочередно выступают с осуждением. По словам Хэ — а публикации в рецензируемом научном журнале до сих пор нет, есть лишь слайды и заявления — он направленно «сломал» в эмбрионах ген CCR5, кодирующий рецептор на лейкоцитах, который позволяет ВИЧ проникать в клетки. Такая мутация есть у каждого десятого европейца, она защищает от вируса, но у китайцев почти не встречается. 

Девочки родились от отца — носителя ВИЧ. Тем самым Хэ якобы избавил их от риска заражения. Но у такого решения столько подводных камней, от непредусмотренных мутаций и мозаицизма до имеющихся иных безопасных способов предотвратить передачу ВИЧ, что авторитетные китайские биологи из институтов Академии наук КНР в Пекине и Шанхае высказались в PLOS Biology так: «Мы были в ярости от этого крайне безответственного проступка, который явно нарушал нормативную и медицинскую этику Китая и стран всего мира». Редкий накал эмоций для статьи в научном журнале, пусть и критической. 

В августе 2019 г. ждем рождения третьего младенца с блокированным Хэ геном CCR5, а пока группа ученых в журнале Nature обратилась с открытым письмом к мировому сообществу, где они предлагают ввести мораторий на клиническое редактирование ДНК зародышевой линии человека (спермии, яйцеклетки, эмбрионы). Свою позицию обозначила и экспертная комиссия ВОЗ: «В настоящее время безответственно применять клиническое редактирование генома зародышевой линии человека». Звучат и иные голоса (в июне 2019 г. о планах повторить эксперимент Хэ с некоторыми модификациями заявил Денис Ребриков, проректор по научной работе РНИМУ им. Н.И. Пирогова. Позже он подтвердил свое намерение), но все эксперты сходятся в том, что казус Хэ ставит вопрос ребром. Всем работающим на этом поле срочно нужно договариваться, вырабатывать единые правила и механизмы контроля. 

Судя по острой реакции ученых и медиков на выходку Хэ и по доминирующему тону их комментариев, стандарты на ближайшие годы скорее будут ужесточаться, нежели наоборот, и опыты по редактированию ДНК человека начнут тщательно сдерживать, даже в Китае. Их позволят в очень редких случаях исправления дефектов у малой выборки людей. В таком исследовательском климате фокус еще сильнее сместится на модификацию обезьян: станут множиться генетические эксперименты с приматами, и оттуда будет поступать львиная доля знаний о взаимодействии генов. 

Ключевой вопрос в том, какие это будут эксперименты. И где их проведут. 

Этика и практика: очеловечить в пробирке 

Осенью 2010 года в журнале Nature Reviews Genetics вышла статья четырех биологов, где они задаются вопросом — этично ли вносить в геном обезьяны ДНК человека, лишь для того чтобы выяснить функцию того или иного гена? Есть сильный соблазн взять уникальную для нашего вида генетическую последовательность, вырастить животное с этой последовательностью и посмотреть, как изменится его поведение. Так можно изучать вклад генов в развитие характерных для человека свойств психики, вплоть до владения языком и самосознания. Словом, изучать то, как и какие гены делают нас людьми. 

По мнению авторов, хотя трансгенных обезьян используют для изучения моделей болезней, моральный вызов к этому не сводится. Даже вполне физически «здоровый» гуманизированный шимпанзе может быть отвергнут сородичами, если чужая ДНК слегка изменит его облик или повадки. У него не будет нормальной социальной жизни, он будет страдать. Авторы приходят к выводу, что даже такая практика этически неприемлема. На тот момент они еще не знают и не пишут про CRISPR, но генно-инженерный соблазн уловили весьма точно.

Спустя два года ученые показали, что систему адаптивного иммунитета бактерий, использующую «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», можно приспособить для точного разрезания цепочек ДНК. Так появилась техника CRISPR, она усилила соблазн многократно. Вскоре китайские генетики первыми применили эту технику для создания модифицированных макак. В 2015 году директор Национальных институтов здравоохранения США объявил, что они прекратят использовать шимпанзе для целей биомедицины, но исследования с нечеловекообразными приматами продолжатся. Еще через год метод CRISPR впервые был применен для редактирования клеток человека — пациенту с раком легкого ввели инъекцией его же T-лимфоциты после нокаута в них одного гена. Это сделали китайские онкологи, в больнице китайского города Чэнду.

В 650 километрах южнее Чэнду вы найдете кампус Зоологического института Китайской академии наук. Там создают трансгенных обезьян разными методами генной инженерии. Свежая работа — пять особей, выращенных с встроенным в ДНК человеческим геном MCPH1. Этот ген влияет на внутриутробное развитие мозга плода, его еще называют ‘микроцефалин’, но его роль толком не изучена. По размеру мозга и типичному поведению трансгенные животные не отличались от обычных, а вот их краткосрочная память и скорость реакции в задачах на отсроченный подбор фигуры по образцу оказались лучше. 

Вероятно, человеческий ген MCPH1 все же повлиял на развитие мозга макак. Судя по сканам и срезам тканей, их нейроны созревали медленнее, миелиновая оболочка на нервных волокнах появилась позже, и экспрессия синаптических генов запустилась с запозданием. Авторы эксперимента пишут: «Мы предполагаем, что задержка нервного созревания у трансгенных обезьян могла увеличить их временное окно пластичности нейронной сети, сходное с неотенией в развитии мозга человека». Вот почему макаки лучше справлялись с тестами — их мозг был чуть пластичнее, они могли быстрее учиться. Кажется, авторы нашли инструмент, используя который можно влиять на когнитивные способности.

Чтобы далее развернуть поиск подобных генов, нужны три условия. У Китая они есть. 

Массовое производство приматов

Зоологический институт КАН управляет в том числе фермой по выращиванию обезьян. Там живет свыше двух тысяч особей, многие несут в себе трансгены. По мере надобности животных перемещают между отделениями хирургии, генетики, визуализации. Берут анализы, снимают биометрию, тестируют. В часе езды расположена еще одна ферма на полторы тысячи особей, за нее отвечает Куньминский университет науки и технологии. На выращивание обезьяны уходит 4-5 лет, содержание обходится дороже тех же мышей, но за последние годы при поддержке правительства подобные фермы возникли также в Шэньчжэне, Ханчжоу, Сучжоу и Гуанчжоу. Популяция макак для исследовательских целей в стране постоянно растет и достигла многих десятков тысяч — с первым условием все в порядке. 

Нечеловекообразные обезьяны служат моделями разных заболеваний, включая нейродегенеративные болезни, аутизм, депрессию, шизофрению и так далее. Китай даже экспортирует животных в другие страны. По количеству лабораторных макак у США сравнимые цифры, но до 43% из них используются в штатах для изучения ВИЧ/СПИД, и вдобавок Конгресс недавно настоял на снижении объема экспериментальной работы с ними. Китай же становится мировым центром исследований приматов и будет наращивать свой обезьяний ресурс, но второе условие еще важнее — страна планирует использовать обезьян целенаправленно для изучения мозга. 

Аббревиатура CBP стоит за China Brain Project, научной инициативой, на которую правительство делает серьезную ставку. Подобные инициативы с 2013 года запущены в США и ЕС, но китайская выделяется акцентом на работе с нечеловекообразными приматами. Последние «являются превосходными моделями для изучения когнитивных функций человека, механизмов патогенеза и терапевтических подходов при заболеваниях головного мозга. Среди китайских нейробиологов растет интерес к использованию нечеловекообразных приматов, и во многих институтах создаются исследовательские центры под эксперименты с ними». Приоритеты CBP обозначены явно и внятно.

Исследования приматов будут сопряжены, главным образом, с генной инженерией. Это третье условие. Для лидерства в биотехнологиях нужны специалисты высокого класса, владеющие передовыми методами, и Китай интенсивно их готовит. Это видно по динамике участия китайских университетов в iGEM (International Genetically Engineered Machine), главном международном соревновании по синтетической биологии и генной инженерии. Если в 2012 году заявки подали 29 китайских команд (из 250 участников со всего мира), то в 2016-м их уже было 63 (из 299), в 2017-м — 83 (из 312), в 2018-м — 103 (из 343), а на iGEM-2019 заявились 117 китайских команд (из 375). Для сравнения статистика США, ближайшего конкурента: 94, 76, 73, 79, 65. Прочие позади с большим отрывом. 

Для Китая iGEM — это инвестиция в будущее, CBP рассчитан до 2030 года. Прикинем ход событий. 

Генная инженерия для мозга

Итак, имеются разрозненные, казалось бы, обстоятельства, сочетание которых в перспективе дает кумулятивный эффект. В Китае вырастили огромную колонию обезьян для исследований, делают серьезную ставку на генную инженерию и запускают проект по изучению мозга, в основе которого — трансгенные и геноредактирующие технологии плюс нечеловекообразные приматы как модели. У США потенциал в нейронауках выше, обезьян в распоряжении не меньше, но их BRAIN Initiative не нацелена напрямую на ГМ обезьян, и эксперименты такого рода, вероятно, испытают там больше ограничений. 

Впрочем, американские ученые считают, что количество обезьян следует увеличить и активнее применять методы генного редактирования. Такие предложения в мае 2019 года озвучила Рабочая группа BRAIN Initiative. В июле NIH выделено свыше $2 млн на создание Координационного центра и расширение колонии мартышек, доступных для нейронаучных исследований.

Неслучайно главные попытки уникальных или «спорных» генно-инженерных опытов последних лет пришли из Китая. Как и Цзянькуй Хэ, генетики из Куньмина тоже преступили черту, создав макак с геном человека. И неспроста их статья вышла лишь в китайском журнале, а у Хэ публикации нет вовсе. Но если Хэ вменяют само вмешательство в зародышевую линию, то в случае с MCPH1 дерзость в том, что трансген ввели не для изучения модели болезни и тестирования лекарств. Проверяли именно эффект человеческого гена. Обезьяны в этом смысле совершенно здоровы. 

Такие исследования будут накапливаться: технически они возможны, генов у человека много. Если вводить их по два и три, изучая эффекты комбинаций, то поле деятельности непаханое. И мало ввести трансген человека, тогда уж нужно вырезать ген обезьяны, чего авторы не сделали (но непременно сделают на следующем витке). Впрочем, не столь важно, в каком уголке мира подобные эффекты откроют, разве что у США и Китая сейчас на руках главные козыри. Но если эта линия работ продолжится, то ученые получат ценнейшие знания: как конкретные изменения ДНК сказываются на уме и психике. 

Что можно сделать с такими знаниями с учетом технической возможности еще на стадии эмбриона отредактировать ДНК человека? Будем реалистами — практика вмешательства в зародышевую линию будет приходить в мир малыми шажками, стартуя с исправления очень редких и неустранимых иным способом дефектов. Все зависит от того, насколько она будет успешной. Впереди маячит развилка: либо  быстро проявятся некие побочные эффекты и тема надолго закроется, либо поначалу все пойдет гладко, а возможные баги скажутся, например, лишь через два-три поколения. Или же багов не будет вовсе? Короткий ответ — мы не знаем. Для этого и нужны исследования, в том числе на приматах. 

Еще одна развилка: от исправления дефектов и далее, через снижение рисков заболеть, к конструированию новых свойств. Цвет глаз или кожи не интересует, это мелочи. Речь идет о мозге. В нем определенно найдется что «исправить». По эволюционным меркам мозг современного человека — сырой продукт, он возник недавно и еще не протестирован миллионами лет. Он полон когнитивных искажений и неврозов. Человек не был спроектирован как апгрейд обезьяны — закреплялось первое, что работает, плюс то, что хотя бы не сильно мешает. В итоге наш мозг — это клубок компромиссных решений. Не всегда самых эффективных. 

Опасаются, что ГМ-технологии создадут элиту с улучшенными генами. Опасаться стоит другого. 

Это ни на что не похоже

В мае 2019 года журнал Science публикует статью ученых из Массачусетского технологического института. Они обучили искусственную нейронную сеть распознавать объекты на фото, имитируя крошечный участок зрительной коры макак. После обучения сеть могла уже сама генерить картинки, которые возбуждают этот участок у живых обезьян. Синтетические изображения были весьма причудливого вида, там нет ничего узнаваемого из реального мира, но именно на них нейроны откликались сильнее всего. По желанию авторов сеть также создавала изображения, которые выборочно перевозбуждали один конкретный нейрон. 

Первый автор статьи замечает: «Если бы у нас была хорошая модель для нейронов, которые вовлечены в переживание эмоций или развитие различных расстройств, мы могли бы использовать эту модель для управления нейронами, чтобы помочь облегчить эти расстройства». Мысль здравая, ведь при помощи генеративных сетей гипотетически можно управлять любой популяцией нейронов, а в качестве стимулов использовать не только зрительные, но и звуковые или тактильные. Неизвестно, знают ли авторы про опыты Николаса Тинбергена с птенцами чайки или про идею «универсальных законов искусства» Вилейанура Рамачандрана, профессора Калифорнийского университета в Сан-Диего, но они своей работой открыли способ направленно создавать ключевые гиперстимулы для разных систем мозга. 

Заметим, что гиперстимулы для людей могут быть и семантическими, то есть вызывать нужную реакцию за счет смысла, заложенного в текст, видео или мем. Такой гиперстимул будет воздействовать на мозг сильнее, чем контент, создаваемый обычным путем, и будет, вероятно, так же причудлив, как сгенерированные картинки. Предъявив его человеку, вы вызовете заданное состояние психики гораздо быстрее, точнее и надежнее. Так можно работать с эмоциями и лечить депрессию, например, как намекает первый автор. А еще вдобавок можно помочь генеративным сетям — сделать мозг более восприимчивым к тому или иному классу стимулов. Например, прицельно изменив ДНК. 

Сегодня ключевые стимулы для нейронов ищут на обычных приматах. Если создать особей с генами человека, их мозг может предпочесть чуть иные стимулы — мы не узнаем, пока не проверим. Но если отличия будут, они сообщат нам важнейшую вещь: как вариации генома связаны с вариациями восприятия. На большой выборке испытаний и генов можно даже обучить искусственный интеллект. Он поймет, как нужно изменить ДНК, чтобы мозг лучше откликался на заданный стимул, или же каким должен быть эффективный стимул при заданной ДНК. Модель будет примитивна поначалу, но позволит добывать знания и тестировать гипотезы. Со временем подбор генной модификации под гиперстимул перестанет быть чисто теоретической задачей. 

Чтобы быть на вершине, нет нужды вмешиваться в свой геном. Достаточно контролировать гиперстимулы для остальных. 

Генетическое неравенство наоборот

Обычно в связи с редактированием генов говорят о новом неравенстве, которое разделит людей на простых и улучшенных. Узкий слой граждан якобы будет иметь доступ к передовым технологиям и подкорректирует ДНК своих будущих детей, которые получат заведомое преимущество. Права человека, дискриминация, евгеника. Этот сценарий не учитывает, однако, что привилегированным родителям нужны твердые гарантии, прежде чем они пойдут на такой шаг без видимых причин. Нужно убедиться, что редактирование дает, во-первых, требуемый эффект и, во-вторых, что даже спустя много лет у потомков не вылезут проблемы. Такой гарантии сразу им никто не даст. 

Генная инженерия и исследования мозга — живые науки, где знания и методы обновляются в реальном времени, пока вы читаете эти строки. Так, на CRISPR-ножницы возлагают много надежд, но и они порой режут молекулы в произвольных местах и не во всех клетках работают одинаково. Ученые ищут способы повысить их точность, но идеал вряд ли достижим, поэтому вопрос в разумном принятии риска. Если супруги дважды теряют рожденных детей из-за мутаций в ДНК материнских митохондрий, они решаются на заместительную терапию — ядро из яйцеклетки жены переносят в уже безъядерную яйцеклетку женщины-донора и оплодотворяют в пробирке. Таким путем в 2016 году родился мальчик от трех родителей. При всем старании ученых часть митохондриальной ДНК матери он все же унаследовал. 

Лишь со временем генная инженерия выйдет за рамки медицины, распространится в обществе и станет ближе к косметической хирургии. Но самые влиятельные и богатые окажутся последними людьми, кто отредактирует свою зародышевую линию. Скорее, наступит момент, когда нетронутость ДНК превратится в привилегию, в один из признаков принадлежности к элите. Именно потому, что замена генов, связанных с развитием мозга, — чересчур серьезное дело, а научные знания о роли таких генов можно применить с меньшим риском для себя и с большим успехом. В таком сценарии «улучшенными» будет большинство. 

Представьте себе модифицированных макак особого типа. Они не служат моделью аутизма или болезни Альцгеймера, на них не тестируют лекарства. Их гены изменены, и в сравнении с обычными макаками эти особи более склонны к определенным зависимостям. Или же они более конформны в социальном поведении, или же острее реагируют на некий подпороговый стимул. Подобных обезьян совсем нетрудно вообразить, если проследить логику уже начатых исследований. Так на живых моделях будут проверены важные гены человека. И так генетическая инженерия получит шанс превратиться в социальную. 

Социальным инженерам пригодится еще одна новая технология. Ее уже тестируют.

Ключевое умение отыграть назад

Население Земли превысило 7,7 млрд человек, и по прогнозам ООН к 2050 г. оно вырастет еще на 2 млрд. Если к тому времени спрос на коррекцию ДНК окажется высок, обеспечить всех желающих индивидуальной процедурой будет трудно технически. Но и не придется. Генетики знают, как тиражировать в природе нужную мутацию гена со скоростью геометрической прогрессии, — эта техника называется «генный драйв», ее много раз проверили на насекомых, а ученые Калифорнийского университета в Сан-Диего впервые испытали ее на млекопитающих, мышах. 

Суть генного драйва проста: обычно в половую клетку от каждого родителя попадает по одинарному набору хромосом, отсюда вероятность передать потомству один из двух вариантов конкретного гена стремится к 50%; если же в хромосому одного из родителей встроить «драйв», он вырежет кусок из второй хромосомы. Клетка попробует восстановить его, взяв за шаблон хромосому с «драйвом», ведь та цела и невредима. В итоге обе хромосомы будут нести нужный вариант гена, и потомство унаследует его плюс «драйв» — он вырежет кусок уже на следующем цикле полового размножения, и так далее. Так можно передать конкретную генетическую комбинацию от одного родителя дальше всем поколениям. 

Генный драйв не идеален, у него есть ограничения, и люди долго достигают половой зрелости. Но с неизбежностью математики он работает с ускорением на каждой итерации, и если Цзянькуй Хэ нарушил одно негласное табу, то применить драйв на человеке пока безумцев не нашлось — а технически это возможно уже сейчас. Будет огромной удачей, если так начнут распространять синтезированные гены для борьбы с болезнью Альцгеймера, например, тормозящие деградацию нервной системы, а не те, что усиливают ее восприимчивость к гиперстимулам. Потенциальная мощь генного драйва тревожит специалистов, и для Правительства США это уже вопрос национальной безопасности. Биологи ищут способы противостоять CRISPR. 

В генной инженерии началась классическая гонка снаряда и брони, и страны лидеры в этой области будут обладать обоими типами технологий. В агентстве Пентагона DARPA открыли программу «Безопасные гены» (Safe Genes), просчитав возможные сценарии применения биотехнологий и играя на опережение. В 2017 году агентство выделило $65 млн на разработку систем anti-CRISPR, которые смогут блокировать направленное изменение ДНК или делать его обратимым. И пусть на сегодня главные риски связаны с редактированием растений и насекомых, но сегодня в завтрашний день не все могут смотреть. Те же, кто смотрят, неизбежно учитывают сценарии генного редактирования человека. 

Как они будут развиваться в реальности, зависит от многих условий и событий, как и от воли отдельных людей и сообществ. Впервые у человечества возникает искус и возможность управлять своей эволюцией, изменять свою внутреннюю природу — до того мы изобретали лишь разные способы менять мир вокруг. Куда нас приведет развитие технологий генного редактирования, выберем ли мы остановиться у некоей черты или найдем способ успешно жить с ними? Мы не знаем, будущее в этом отношении не предопределено, это открытый финал. Но обдумывать вероятные следствия вполне уже пора. Хотя бы для того, чтобы они не застали врасплох. И чтобы осознать: в будущем без развитой генной инженерии вы не сможете не только улучшать свои гены, но и даже не допустить их «улучшения».

Россия на iGEM-2019 представлена одной командой. Столько же у Кении и Нигерии. У Гонконга – 9.

 

Похожие материалы

Как работает ДНК? Популярно объясняем азы генетики!

Текст
5 мин

ГМО-близняшки: как редактировать ДНК человека?

Тест
3 мин

Он отредактировал младенцев: генетик Хэ и его преступления

Текст
9 мин