Синтетические человеческие хромосомы представляют собой один из последних рубежей биологии. По словам автора статьи, ученого-генетика Дэниела Гарсия Суото (Университет Виго, Испания), эти хромосомы могут совершить революцию в медицине и генетических исследованиях. Такова новая реальность в сфере геномики. Источник: The Conversation.
По сути, хромосома – это большое количество ДНК, хранящее генетическую информацию в генах, выполняющих роль своеобразных инструкций.
У человека каждая клетка обычно содержит 46 хромосом, организованных в 23 пары. Это то, что определяет людей, как вид, отличая от шимпанзе и орангутанов, кариотипы которых имеют 24 пары хромосом.
Функционально хромосоме требуется несколько компонентов: для правильного разделения в процессе деления клетки необходима центромера. Ей также необходимо защитить свои концы теломерами, чтобы предотвратить деградацию ДНК.
Кроме того, у хромосомы должно быть несколько элементов репликации. Они обеспечивают стабильное размножение хромосомы в каждом новом поколении клеток.
Таким образом, создание «а-ля карт» человеческой хромосомы включает в себя проектирование и сборку названных элементов при помощи генной инженерии, чтобы сформировать функциональную и стабильную структуру. Вместе со специфическими генами и их регуляторными элементами эта искусственная хромосома могла бы быть внедрена в клетки человека и выполнять те же функции, что и натуральная хромосома.
От векторов клонирования к искусственным хромосомам
Для международного проекта «Геном человека» были созданы векторы клонирования, позволившие изолировать и амплифицировать (т.е. создать дополнительные копии участков ДНК с определенными генами) нашу ДНК, чтобы затем вводить ее в бактерии или дрожжи, чтобы они могли ее размножить. Эти векторы могут быть признаны примитивными искусственными хромосомами человека.
С тех пор технологии эволюционировали, позволив добиться больших успехов в молекулярной биологии и генной инженерии. Четверть века назад были созданы искусственные микрохромосомы с настоящей центромерой, теломерами и небольшими фрагментами ДНК, интересующими генетиков.
В 2024 году результаты американо-британского исследования, опубликованные журналом Science 21 марта, обозначили новую веху: создание новой искусственной хромосомы, намного длиннее предыдущих векторов, которая имитирует всю сложность натуральной человеческой хромосомы.
Применение в медицине
Когда гены искусственной человеческой хромосомы экспрессируются (т.е. преобразуются) внутри клетки, их можно использовать для изучения генетических заболеваний. В отличие от трансгенных организмов, экспрессия которых зависит от точки интеграции, искусственные хромосомы обеспечивают точный контроль над дозировкой генов.
Интуитивно понятно, отмечает Суото, что если мы введем три копии гена, полученные в ходе экспрессии белки будут тройными. С помощью этого подхода, например, были созданы мыши с искусственной человеческой хромосомой для моделирования трисомии хромосомы 21, чтобы изучить синдром Дауна.
Эти искусственные хромосомы также могут лечить наследственные заболевания, обеспечивая контролируемую и продолжительную экспрессию генов.
В частности, несколько лет назад с использованием этого метода была разработана терапия бокового амиотрофического склероза. В ходе исследования больным мышам были привиты стволовые клетки, несущие эту хромосому, что значительно увеличило продолжительность их жизни.
С другой стороны, искусственные хромосомы нового поколения обладают тем преимуществом, что способны нести множество генов одновременно, в отличие от традиционных векторов, которые содержат только один или два гена. Это позволяет им функционировать как сложные биотехнологические фабрики, производящие необходимые белки для различных применений.
Например, они могут служить персонализированной терапией против таких заболеваний, как рак, при котором требуется скоординированное использование нескольких белков.
В отличие от других векторов, предложенных для генной терапии, таких как аденовирус или ретровирус, искусственные хромосомы не интегрируются в наш кариотип (т.е. совокупность признаков полного хромосомного набора), что позволяет избежать генетической нестабильности.
Кроме того, они более безопаснее, чем редактирование генов с помощью CRISPR-Cas9, которое, хотя и является революционным, нередко вызывает побочные эффекты.
Генетическое улучшение людей
Достигнутые успехи в этой технологии, отмечает Дэниел Суото, поднимают сложные этические проблемы. Среди них возможные побочные эффекты, риск необратимого изменения генетического наследия человека, отсутствие равенства в доступе к данной терапии и вероятность ее неправильного использования.
Известные такие прецеденты, как случай с американцем Джесси Гелсингером, умершим в 1999 году из-за тяжелого иммунного ответа на генную терапию, проводимую в Пенсильванском университете. В начале мая этого года еще один молодой пациент умер во время экспериментальной генной терапии фармкомпании Pfizer, предпринятой для излечения мышечной дистрофии Дюшенна. Эти инциденты вызвали сильную социальную стигму против генных методов лечения, преодолеть которую будет нелегко.
В то же время использование методов лечения генетического улучшения человека, в том числе благодаря искусственным хромосомам, становится все более актуальной темой из-за постоянного прогресса в области генной инженерии.
Голоса противников ставят под сомнение эти практики по этическим соображениям, предупреждая о возможных рисках для природы и человеческого достоинства. С другой стороны, сторонники либеральной евгеники человека подчеркивают, что эти вмешательства должны быть добровольными и что следует уважать репродуктивную свободу родителей проводить генетические модификации своих детей.
Найти баланс между этими позициями и определить, что является этически приемлемым, остается серьезной проблемой. Преодоление этих препятствий будет иметь важное значение для использования терапевтического потенциала искусственных хромосом, одновременно защищая целостность и достоинство человека. Эти дебаты, сообщает Суото, требуют сбалансированного подхода, который поощряет ответственные инновации и равный доступ к этой новейшей технологии.