Підручник з Біології і екології. 11 клас. Шаламов - Нова програма

§ 43. Генна інженерія людини

Генетична модифікація може використовуватися для лікування вроджених захворювань людини

Із часу свого зародження медицина здійснила значний прорив у лікуванні захворювань. Люди більше не вмирають від застуди, а апендицит, який у Середньовіччі призводив до 100 % летального наслідку, тепер може бути прооперований у будь-якій районній лікарні. Проте досі існують захворювання, вилікувати які медицина не здатна. Насамперед це генетичні хвороби, зумовлені вродженими порушеннями ДНК. Для деяких із них можлива терапія, спрямована на усунення або полегшення симптомів. Так, наприклад, при фенілкетонурії в організмі порушується процес метаболізму амінокислоти фенілаланіну. Це спричиняє накопичення в тканинах токсичних проміжних продуктів її розкладу, які негативно впливають на роботу головного мозку, спричиняючи розвиток ідіотії. Полегшити перебіг захворювання й усунути його симптоми дозволяє дієта з пониженим умістом фенілаланіну. Але звичайна медицина не здатна лікувати першоджерело захворювань — власне генетичні дефекти. Надії на їх лікування покладають на нову галузь медицини, спрямовану на виправлення генетичних дефектів на рівні молекул ДНК — генну (генетичну) терапію.

Генна терапія може здійснюватися як у організмі, так і поза ним

Існує два основних способи генної терапії: in vivo та ex vivo1 (рис. 43.1). У першому випадку лікувальний фрагмент ДНК доставляють безпосередньо до клітин і модифікація відбувається в організмі, у другому ж — клітини виділяють із тіла, модифікують їх геном поза організмом і повертають оновлені назад.

Найчастіше для доставки ДНК до клітин організму людини використовують видозмінені віруси. Такий спосіб доставки зручний тим, що віруси мають еволюційно досконалі механізми проникнення в клітину. При цьому віруси-носії не здатні розмножуватися й спричиняти хвороби в тілі людини.

Рис. 43.1. Способи генної терапії людини

1. «Лікувальний» ген.

2. Уведення вірусу до організму.

3. Хворий орган (наприклад, печінка).

4. Виділення клітин з організму.

5. Зараження виділених клітин вірусом із «лікувальним» геном.

6. Повернення клітин із виправленим геномом до організму.

1 З лат. in vivo — у живому та ex vivo — поза живим.

Але в такої доставки є й ряд недоліків. Наприклад, вбудовування «лікувальної» ДНК може відбутися не там, де планувалося. Тоді функція якогось важливого гена може бути пошкоджена. Так, на жаль, сталося під час випробувань генної терапії складного комбінованого імунодефіциту — у частини пацієнтів вірус спричинив появу лейкемії. Згодом цей недолік терапії було виправлено. Якщо ж використовувати віруси, що не вбудовують свою ДНК до геному клітини, то терапію час від часу доведеться повторювати, оскільки «лікувальні» фрагменти ДНК із часом втрачатимуться.

Окрім вірусів, для доставки ДНК до клітин in vivo використовують ліпідні пухирці (ліпосоми), полімерні комплекси, неорганічні наночастинки (золото, Fe3O4, SiO2), спеціальні пептиди чи їхнє поєднання. Такі способи переносу поступаються ефективністю вірусам, але майже не збурюють імунну систему й лише зрідка можуть стати причиною алергій.

Розробляються й упроваджуються способи генної терапії на рівні окремих клітин і тканин

На сьогодні досягнуто значного успіху в генетичній модифікації окремих типів клітин. Так, у більшості широконосих мавп зір дихроматичний — у колбочках наявні два види світлочутливого білка йодопсину, унаслідок чого вони не можуть відрізняти червоний від зеленого (у випадку з людиною такий стан називають дальтонізмом). За допомогою мікроін'єкції вірусу вдалося ввести ген третього виду світлочутливого білка до колбочок сітківки ока мавп (рис. 43.2). Тести показали, що мавпи, які пройшли процедуру генетичної модифікації, набули здатності відрізняти червоний від зеленого, тобто отримали зір, подібний на людський. Дослідницька спільнота сподівається, що подібна технологія дозволить лікувати дальтонізм у людини. До речі, у такий же спосіб у людей уже було вилікувано деякі спадкові захворювання сітківки.

Рис. 43.2. Ін’єкція вірусного препарату до ока дозволить лікувати дальтонізм

У численних клінічних випробуваннях вдалося провести успішні модифікації клітин кісткового мозку, що дозволяє лікувати таласемію (відсутність або зменшення кількості β-ланцюгів гемоглобіну) та серпуватоклітинну анемію.

У 2012 році Європейська медична агенція та Європейська комісія вперше дозволили продаж геннотерапевтичного препарату на території Європи. На жаль, ціна курсу лікування в 1 млн доларів США зробила цей препарат найдорожчим за всю історію медицини. Із 2016 року в Європі продається другий препарат, який безпечно лікує важкий комбінований імунодефіцит.

Рис. 43.3. Використання перепрограмованих лімфоцитів дозволяє боротися з раковими пухлинами

1. Відбір лімфоцитів.

2. Вирощування лімфоцитів у лабораторний умовах.

3. Генна модифікація лімфоцитів.

4. Уведення модифікованих клітин.

5. Знищення лімфоцитами клітин пухлини.

Інший відомий приклад використання генетичної інженерії людини — генна модифікація клітин імунної системи для боротьби з раковими захворюваннями (рис. 43.3). Для її здійснення лімфоцити відбирають із крові пацієнта. Далі в лабораторних умовах ex vivo редагують їх геном із метою «навчити» розпізнавати ракові клітини. Далі «перепрограмовані» лімфоцити повертають назад до організму, де вони борються з клітинами пухлини. Нині вже відомі випадки успішного використання подібної терапії для лікування лімфоми та лейкемії1: більше половини пацієнтів повністю виліковувалися від раку.

Існує й інший шлях генотерапії онкологічних захворювань, коли до організму вводять віруси, що заражають винятково ракові клітини і вбудовують до їх геному гени, що спричиняють загибель клітин пухлин.

Крім лікування спадкових хвороб і раку, ще одним напрямком генної терапії є боротьба з інфекціями. Так, під час досліджень вдалося створити лімфоцити, не чутливі до зараження ВІЛ або такі, що продукують антитіла до цього вірусу. Це дозволило вилікувати людей від інфекції.

Можлива також генна терапія не лише окремих клітин, але й цілих тканин. У 2017 році було вилікувано хлопчика з бульозним епідермолізом — спадковим захворюванням шкірних покривів, під час якого на шкірі виникають пухирі та виразки. У пацієнта були виділені клітини епідермісу, після чого була проведена їхня генетична трансформація ex vivo. Далі штучно вирощені ділянки шкіри були знову трансплантовані пацієнтові. Унаслідок через деякий час спостерігалося повне відновлення шкірних покривів.

Останнім часом найбільші перспективи генної терапії людини покладають на систему бактеріального противірусного імунітету CRISPR/Cas9 (рис. 43.4). Завдяки їй можна внести зміни у визначене місце геному шляхом пошкодження ДНК чи вбудовування туди терапевтичного фрагмента.

1 Лімфома — вид онкологічних хвороб, що проявляється накопиченням ракових клітин у лімфатичних вузлах; лейкемія — інший вид ракових захворювань, під час якого відбувається злоякісне переродження клітин кровотворної тканини.

1. Cas9.

2. Спрямовувальна РНК.

3. Розрізання ДНК.

4. ДНК-приклад.

5. Втрата фрагменту ДНК.

6. Вбудовування фрагменту ДНК.

Рис. 43.4. Схема генної модифікації заснована на системі CRISPR/Cas9

Спрямовувальна РНК визначає, який фрагмент ДНК буде змінено, комплементарно зв'язуючись з одним із ланцюгів ДНК. Надалі ДНК може бути пошкоджена (ліворуч) або в неї може бути вбудовано лікувальний ген із уведеного додатково ДНК-прикладу (праворуч).

Можливості генної інженерії людини породжують етичні проблеми

Значно ширші перспективи, як і численні етичні питання, відкриває генетичне редагування ембріонів людини. У цьому випадку модифікація може здійснюватися безпосередньо на стадії яйцеклітини або зиготи, а значить зміни будуть успадковані всіма клітинами організму. Маючи навички маніпулювання геномом людини, людство могло б не лише лікувати генетичні захворювання, але й створювати людей із наперед заданими ознаками: розумніших, сильніших, витриваліших. Сукупність підходів і методів, спрямованих на покращення людської природи, називають євгенікою. Злочинне використання в нацистській Німеччині євгенічної філософії, як обґрунтування расизму, стало причиною масового винищення євреїв, циган, слов'ян та інших народів як «нижчих рас». Варто розуміти, що неможливо достовірно стверджувати, що людина менш розвинена за однією ознакою, не досягне успіху в інший сфері й не змінить життя людей на краще. І допоки наука не знає точних механізмів генетичного визначення, якщо такі й існують, позитивних рис (розумність, фізична сила, винахідливість) і негативних рис (схильність до алкоголізму, злочинної поведінки), то здійснити покращення «людської природи» неможливо.

Під час розгляду питань генної терапії ембріонів виникають й інші етичні проблеми. Хто буде нести відповідальність за визначення долі людини, яка ще не народилася? Кого звинувачувати, якщо генетична модифікація не викличе очікуваного ефекту або ж, навпаки, спричинить негативні наслідки для життя й здоров'я? Чи маємо ми право розпоряджатися життям людини на свій розсуд до її народження? Ці та інші питання не раз порушувалися письменниками-фантастами: досить згадати роман Роберта Хайнлайна «Діти Мафусаїла», кінофільми «Гаттака» і «Той, хто біжить по лезу». Тому в більшості країн втручання до геному ембріонів суворо заборонене1. Ба більше, заборонено й будь-яке втручання у спадковий матеріал, що немає на меті лікування чи попередження хвороби!

1 У листопаді 2018 року китайський дослідник Хе Цзянькуй зробив заяву щодо успішного здійснення редагування геному ембріонів двох новонароджених дівчаток із метою вироблення в них нечутливості до ВІЛ. Увесь світ засудив його роботу.

Існують й інші проблеми генної терапії людини. Так, лікування спадкових хвороб збільшує природний приріст населення Землі, що пришвидшує виснаження обмежених ресурсів нашої планети. Також клітини спадкової лінії (попередники гамет і самі гамети) геннотерапевтично вилікуваної людини продовжують нести алелі спадкових порушень (бо втручання до спадкової лінії людини суворо заборонено!), що будуть передані нащадкам. Тобто лікуючи генні хвороби, людство накопичує їхній «генетичний вантаж», що згодом буде ширитися людськими популяціями через краще виживання вилікуваних носіїв. І як це вплине згодом на людство, до кінця не зрозуміло.

Однак нам варто пам'ятати, що генетична модифікація людини — неминуча реальність, із якою вам, читачі та читачки, доведеться зіштовхнутися в майбутньому, тому відповіді на ці питання потрібно шукати вже зараз.

У деяких країнах дозволено клонування людини з метою отримання стовбурових клітин для трансплантації

На сьогодні існують розвинені технології, що дозволяють успішно здійснити клонування людини. Під час репродуктивного клонування здійснюється повноцінне створення генетично еквівалентних людей. Подібний сценарій не раз згадувавася у фантастиці: генетично ідентичні клони використовувалися для потреб армії, промислових робіт, заселення нових планет. І хоча такі експерименти заборонені законодавчо, наука має всі можливості для їхньої реалізації. Якщо говорити про репродуктивне клонування, то варто розуміти, що створення клону не означає створення копії людини. Річ у тім, що інтелектуальні, психологічні, соціальні характеристики й навіть здоров'я залежать не стільки від генів, скільки від способу життя. Тому перспективність ідеї клонування геніїв доволі сумнівна. Також таке клонування породжує численні психологічні, юридичні й соціальні проблеми: як це бути чиїмось клоном, хто тепер є біологічними батьками, який правовий статус клону тощо.

Інша, актуальніша, задача — терапевтичне клонування, що дозволене в деяких країнах (Велика Британія, США). Воно має на меті отримання ембріонів, які слугуватимуть джерелом ембріональних стовбурових клітин. Останні здатні спеціалізуватися в будь-який тип клітин дорослого організму, тому їх використовують для вирощування органів і тканин, потрібних для трансплантації. Важливість такого клонування полягає в тому, що ембріон-клон буде генетично ідентичним людині, якій потрібна трансплантація, що дозволить уникнути імунного відторгнення тканин, яке є великою проблемою сучасної трансплантології. Однак законодавство вимагає, щоб терапевтичний клон був знищений через два тижні. Це породжує принципові етичні питання: чи можна розцінювати таке знищення як акт убивства? Чи вартує трансплантація частини тіла однієї людини, загибелі ембріона? Дискусія щодо цих питань наразі триває.

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Генетична модифікація клітин людини

  • А призводить до змін у ДНК усіх клітин організму
  • Б проводиться лише всередині організму
  • В застосовується для терапії всіх генетичних захворювань
  • Г здійснюється за допомогою вірусів

• 2. Для доставки лікувальної ДНК до клітин людини НЕ використовують

  • А віруси
  • Б бактерій
  • В наночастинки
  • Г полімерні матеріали

• 3. Генна терапія раку за допомогою модифікованих лімфоцитів здійснюється

  • А зміною геному ембріона
  • Б in vivo
  • В завдяки стовбуровим клітинам
  • Г ex vivo

• 4. Укажіть процес, що законодавчо заборонений у більшості країн світу.

  • А клонування ссавців
  • Б симптоматичне лікування фенілкетонурії
  • В генна модифікація гамет
  • Г генна терапія ВІЛ-інфекції

• 5. Увідповідніть проблеми, що виникають під час генної терапії, і причини їх появи.

  • 1 виникнення алергії
  • 2 розвиток пухлин
  • 3 втрата лікувальних фрагментів ДНК із часом
  • 4 низька ефективність генної модифікації клітин
  • А уведення лікувальної ДНК за допомогою чужорідних молекул
  • Б руйнування вірусів імунною системою
  • В неправильне вбудовування фрагментів ДНК у геном
  • Г відсутність вбудовування лікувальної ДНК у геном

У житті все просто

• 6. Які генетичні хвороби людини вже можна лікувати шляхом генної терапії? Від чого залежить можливість генотерапії того чи того порушення?

• 7. Розробіть класифікацію етичних і екологічних питань, що виникають через використання генної терапії. Які з них варто вирішити найближчим часом, а які можна й згодом?

• 8. Із якою метою може здійснюватися клонування людини?

У житті не все просто

• 9. Розробіть алгоритм генної терапії гемофілії. Для цього опишіть послідовність етапів і генетичних операцій, необхідних для лікування цього спадкового захворювання.

• 10. Як для генної терапії можна використати магнітне поле чи ультразвук?

Проект для дружної компанії

• 11. Підготуйтесь і проведіть дебати між двома командами на тему «Чи варто дозволяти генетичне редагування геному ембріонів людини?». Нехай одна команда підтримує дозвіл, а інша — ні. Обговоріть проблему з огляду на біологічні, економічні, соціальні й юридичні аспекти.