Геном - це сукупність всієї спадкової інформації у клітині - генів та некодуючих ділянок. Зазвичай генетична інформація закодована у вигляді послідовностей чотирьох нуклеотидних азотистих основ - аденіну, гуаніну, цитозину та тиміну в структурі молекули ДНК. Утім гени деяких вірусів, що не є клітинами, записані в молекулі РНК, у якій тимін замінений урацилом, але це теж називається геномом. Послідовності цих основ, яких у геномі може бути багато мільярдів, визначають структуру та функціонування організму. І навіть заміна однієї основи може призвести до генетичних захворювань.
У 90-х роках минулого століття технології досягли такого рівня, що ми навчилися з достатньою точністю визначати нуклеотидні послідовності, та зробили це з геномами багатьох організмів, зокрема і людини. Але “прочитати” геном - не означає зрозуміти його. Щоб визначити, що кодують окремі послідовності, вчені їх спочатку вимикають. Схоже на те, якби ви хотіли зрозуміти, як працює інопланетний радіоприймач, і по черзі вимикали б кожну деталь. Редагування геному надає цю можливість, тож є важливим інструментом дослідження в генетиці. Окрім цього, за допомогою редагування можна створювати модельні організми, які мають необхідні для дослідження певного питання властивості. Наприклад, під час вивчення раку редагування геному часто використовують для виведення мишей із досліджуваним онкологічним захворюванням.
Ну а одним із найбільш гостроцікавих та спірних застосувань цих технологій є, звісно, ж лікування захворювань, здебільшого генетичних. Суть полягає у виправленні помилкових генів або наданні клітині відсутніх функцій. Такі методи лікування вже зараз існують. Наприклад, низка країн схвалила для використання терапію спінальної м’язової дистрофії препаратом “Золгенсма” за допомогою методу редагування геному.
Дослідження з використанням технології редагування геному людини головно зосереджені на винайденні лікування онкологічних та спадкових хвороб, що мають чіткий генетичний фактор, на який можна націлитися. Проте наразі мова переважно йде лише про моногенні захворювання, коли хворобу спричинює один або два дефектних гени. У такому разі ціль є зрозумілою. Але не менше захворювань є результатом складної взаємодії різних генів та факторів довкілля, наприклад, шизофренія або цукровий діабет. Поки що невідомо, як вилікувати такі захворювання, особливо із застосуванням технологій редагування геному.
Модифікації геному можуть передатися потомству тільки у випадку, якщо зміни внесені в зиготу чи статеві клітини - яйцеклітини або сперматозоїди. Вчені наразі не схвалюють проведення таких втручань, оскільки нам все ще не вистачає необхідних знань про безпечність геномного редагування. Та здебільшого для лікування захворювань достатньо внести зміни лише у певну групу соматичних клітин, наприклад, клітини крові, що не може передатися у спадок. Тож у такому разі ми змінюємо лише конкретних особин, а не їхнє майбутнє потомство.
Способів редагувати геном є багато, але найпопулярнішими є методи “цинкових пальців”, TALEN та CRISPR. Приводом для Нобелівської премії 2020 року стала саме остання з них і найсучасніша технологія - CRISPR, яка дає змогу вносити дуже точні зміни у геном.
Ця технологія не є стовідсотково винаходом вчених, вони її підгледіли у бактерій та архей, що протягом багатьох мільйонів років використовували систему CRISPR для захисту від вірусів. Вона розшифровується як Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, що в перекладі означає короткі кластерні паліндромні повтори. Назва чітко зображає суть: у геномі бактерій є ділянка із повторюваними фрагментами, які розділяють унікальні ділянки. Останні є частинками геному вірусів, які колись проникли до клітини, але були поборені, а їхні фрагменти вбудовані у власний геном організму, щоб у майбутньому могти розпізнати збудника. Це наче фоторобот. Коли мікроорганізм знову атакується якимось вірусом, то його знаходять білки Cas, що несуть інформацію у вигляді РНК про вірусні фрагменти з ділянки CRISPR. Якщо ця інформація збігається з фрагментом ДНК або РНК нового вірусного нападника, то Cas його розпізнає, розрізає та врешті знешкоджує вірус.
Цьогорічні нобелівські лауреати Еммануель Шарпентьє та Дженіфер Дудна 2012 року описали технологію, завдяки якій CRISPR/Cas можна використати, щоб націлено розрізати молекули ДНК в будь-яких клітинах. Вони показали, що білку Cas замість вірусного фрагмента можна внести РНК, відповідну ділянці ДНК, яку потрібно розрізати в геномі. Наприклад, дефектний ген. Крім молекули з “фотороботом” цільової послідовності, до клітини вводять молекулу-взірець, за яким розрізана ДНК буде полагоджена уже правильним чином. Механізм роботи технології редагування CRISPR є відносно простим, дешевим та точним, щоб нею могли користуватися численні лабораторії у всьому світі, тому багато вчених покладають на неї великі надії.
Уряди країн по-різному ставляться до таких технологій. Наприклад, у більшості з них заборонені експерименти з модифікацією людських ембріонів, і ситуація ще більше ускладнилася після заяви китайського дослідника Хе Цзянькуя. Наприкінці 2018 року він повідомив, що провів редагування геному ембріонів, у результаті якого на світ з’явилися двоє дівчаток, стійких до ВІЛ. А цьогоріч Міжнародна комісія по клінічному використанню редагування геному людських клітин зародкової лінії у своїх рекомендація сильно обмежила доцільні випадки редагування ембріонів та статевих клітин. Проте вчені знаходять лазівки та цілком законно ставлять досліди з людськими ембріональними клітинами, які не мають шансів стати дітьми.