что такое модифицированный ген
Мифы нашего времени: генетически модифицированные организмы. Так ли страшен черт?
Disclaimer: автор статьи не имеет отношения к биологии — не является ни биологом, ни биохимиком, ни генетиком и не обладает хоть сколько-то родственной профессией. Эта статья — всего лишь попытка разобраться с ворохом информации и реальности об одной из угроз современного мира. Так что если вы ближе к биологии и генетике, заранее предупреждаю, вы можете пострадать при чтении статьи, например, лопнуть от смеха. Фактически данная статья является компиляцией статей по теме ГМО (ссылки приведены в тексте).
Что такое ген и генотип
С самого начала определимся, о чем пойдет речь. Для начала — что такое ген? Как известно, носителем наследственной информации (генома) является ДНК — длиннющая молекула, выглядящая как двойная спираль, которая содержится в каждой клетке организма и хранит полную информацию об организме. В редких случаях (у вирусов) носителем наследственной информации является РНК. 
На картинке — ДНК, обрабатываемая ДНК-лигазой (картинка из Википедии)
ДНК — колоссальная по размерам молекула, если ее спираль просто развернуть, эта линия будет длиной в несколько сантиметров. ДНК содержит последовательность генов (геном), которые вместе с условиями окружающей среды (условиями роста) и определяет фенотип — внешний вид организма (да и внутренний тоже), его особенности, особенности внутренних процессов. Каждый ген кодирует производство какого-то белка или функциональной РНК, которые впоследствии и участвуют в биохимических процессах организма. 
Различных белков огромное множество с различным назначением, например, в человеческом организме есть белок гемоглобин, который используется организмом для обеспечения внутренних органов кислородом, есть инсулин, который регулирует уровень глюкозы в крови, и множество других. 
Инсулин. За его производство в организме отвечает один из генов 11-ой хромосомы.
Очевидно, что у разных людей разные ДНК, ведь люди не похожи друг на друга (и не у людей тоже — фактически каждый организм, за исключением разве что самых простейших, обладает своей собственной уникальной ДНК). ДНК постоянно меняется — под воздействием внешних факторов (радиации, ультрафиолета и прочего) в ДНК возникают мутации — изменения генов, «выключение/включение» генов и прочие трансформации. По теории эволюции, наиболее удачные мутации закрепляются, особи с неудачными мутациями отсеиваются. Мутации ДНК происходят чаще, чем принято думать. Человеческое тело ежесекундно пронзается сотнями высокоэнергетических космических частиц, естественно, многие из этих частиц попадают в ДНК и вызывают в нем изменения. Многие из этих изменений исправляются самим организмом (см. выше картинку с ДНК-лигазой, которая как раз и занимается репарацией ДНК), но некоторые оказываются устойчивыми и приводят к различным мутациям. Мутации могут быть вредными (например, в клетке «ломается» механизм внутреннего контроля размножения и получается раковая клетка), могут быть нейтральными и полезными — полезные закрепляются в процессе эволюции. Отметим, что по теории эволюции закрепляются положительные мутации, то есть те, которые позволяют виду выживать в текущих условиях. Человек же закрепляет то изменение растений (и животных), которое выгодно ему, а не окружающей среде — более сочные и крупные яблоки, более дойные коровы и так далее. Для этого существует селекция и генетическая модификация.
Традиционная селекция
В настоящее время применяют методы искусственного получения полиплоидов, воздействуя на растения разными мутагенами (в основном колхицином), разрушающими веретено деления клетки. Таким образом из диплоидных (2n) можно получить тетраплоидные (4n) формы.
Индуцированные рентгеновыми лучами мутанты были выделены у многих злаков (ячменя, пшеницы, ржи и др.). Они отличаются не только повышенной урожайностью, но и укороченным побегом. Такие растения устойчивы к полеганию и имеют заметные преимущества при машинной уборке.
Может, подобные методы селекции уже не применяются? Пожалуйста — современный метод селекции TILLING. Зародыши пшеницы обрабатываются сильным мутагенным и канцерогенным веществом Ethyl methanesulfonate, что приводит к мутациям около половины генов растения. После чего сканированием определяется растение, в котором изменен конкретный нужный нам ген, и путем постепенного скрещивания c нормальным видом добиваются получения более-менее вменяемого растения с нужным модифицированным геном. И, скорее всего, с кучей других модифицированных генов, которые никак не проявили себя на контроле.
Таким образом, традиционная селекция широко использует такие методы: как облучение рентгеном, облучение радиацией, использование токсических веществ. Очевидно, что при этом меняется солидная часть генокода, причем никто не контролирует, что именно изменилось в коде и какие последствия эти изменения могут вызвать.
Генетическая модификация
Переходим к теме нашего повествования. Генетически модифицированные организмы по современной классификации — это организмы (бактерии, растения, животные), в генетический код которых искусственно внесены определенные изменения — например, дополнительные гены, изменение активности уже существующих генов и тому подобное.
Ключевое слово тут искусственное изменение. При этом используются разные методы генной инженерии, например, сейчас в основном используются специальные вирусы — ведь именно вирусы очень хорошо умеют внедряться в клетку и менять ее генный код на свой. Небольшая модификация вируса — и он уже меняет код не на свой, а на тот, который нужен нам.
Есть и другие методы модификации, отдельно отмечу только метод TALEN (Transcription activator-like effector nuclease), который позволяет создавать неидентифицируемые ГМО — то есть такие генетически модифицированные организмы, в которых факт модификации невозможно доказать никакими анализами (в более «старых» методах модификации существует возможность доказательства по определенным бордерным последовательностям. Это дорого и сложно, но возможно. Подробнее см. статью «Не пойман — не ГМО»).
В общем, фактически единственное отличие традиционной селекции от генетической модификации в том, что в генной модификации мы знаем, что меняем, знаем, что хотим получить и целенаправленно. В традиционной — не знаем, просто смотрим, нужный получился или нет.
Аргументы за
Аргументы «за» легко найти у производителей генетически модифицированных организмов, а также просмотреть в базе данных генетических модификаций. Это и повышенная урожайность, и наличие определенных веществ (например «золотой рис» — рис с повышенным содержанием витамина A, подробнее чуть дальше), устойчивость к гербицидам, позволяющим изменять механизмы опрыскивания гербицидами посевов, выработка определенных токсинов против вредителей (например, картошка с устойчивостью к колорадскому жуку), что позволяет сократить использование тех же пестицидов, и так далее.
Страхи против ГМО обычно связаны именно с ГМО, употребляемыми в пищу. Но этим их область употребления не ограничивается. При помощи генной модификации, например, выведены: кошки, светящиеся в темноте, кошки, которые не вызывают аллергию, бактерии, вырабатывающие определенные лекарственные средства, и много других полезных вещей.
Аргументы против
Разберем аргументы «против», которые употребляют противники ГМО. Аргументы приведены в порядке убывания бредовости. Ниже даны комментарии по поводу.
Добавят в помидоры гены камбалы, а человек будет это есть и у него жабры вырастут
Для среднего обывателя, может, и необязательно знать, что ген и генотип — это разные вещи. И что не бывает гена помидора или гена камбалы. И что при модификации меняется не генотип, а отдельные гены, причем не искусственные, а вполне себе обычные гены (могут быть из растений или животных, а могут быть просто «включенные» гены самого растения). Но вот почему те же самые гены, съеденные отдельно в виде обычной камбалы и обычного помидора, не приводят к вырастанию жабр, а объединенные в один организм приводят — лично для меня загадка.
Кстати, шутка про помидор с геном камбалы весьма старая и является всего лишь шуткой. Самый известный генетически модифицированный помидор — это сорт Flavr Savr, модификацией которого пытались избавиться от «невкусности» магазинных помидоров — в нем просто «отключили» ген, ответственный за «слом» клеточных стенок при созревании помидора (то есть никаких новых генов не добавляли, просто сделали недействующим один из существующих, ответственный за выработку пектина). Первоначально линия была довольно популярной, но из-за истории с опытами Пуштаи (см. дальше) и начавшейся всеобщей истерии по поводу ГМО ветку закрыли, больше ГМО-помидоры на рынок не поступали никогда.
А откуда знать, что они там изменили?
Многие люди не в курсе, что все ГМО подлежат обязательной регистрации, и есть открытая база данных всех ныне существующих ГМО-организмов:http://www.isaaa.org/gmapprovaldatabase/default.asp. Как минимум указывается описание изменения.Кроме того, опять-таки стоит сравнить с традиционной селекцией, где уже точно неизвестно, какие именно части изменились в геноме.
Распространение ГМО привело к тому, что даже помидоры в супермаркетах безвкусные
Обычно в этом контексте вспоминают именно помидоры. Следует все-таки отметить, что магазинные помидоры действительно отнюдь не такие вкусные, как собственноручно выращенные. Но эти помидоры никакого отношения к ГМО не имеют, это продукт обычной селекции, которую собственно попросили сделать помидор, у которого а)все плоды созревает в одно и то же время; б)все плоды которого можно довезти до магазина в товарном виде.
Подробнее — статья на elements.ru — «Почему помидоры стали невкусными». И еще одна статья в ЖЖ.
Проблема в том, что плохая «лежкость» помидора является следствием его вкуса — главные составляющие вкуса помидора (глютамат и прочее) при высоком содержании (во вкусных зрелых помидорах) приводят к «слому» клеточных стенок из-за высокого содержания пектина, и сам помидор становится очень уязвимым — обычный садовый помидор очень трудно довезти до полок магазина, он мягкий, мнется и портится. Поэтому селекцией вывели помидор, в котором такого слома не происходит, сам помидор крепче, но вот вкус в итоге пострадал, поскольку со сломом выработки пектина в ходе традиционной селекции поломалась и выработка глютамата и прочих вкусняшек.
Надо есть только натуральную, проверенную веками пищу
При Екатерине II “земляная груша”, “тартуфель” начал внедряться в России как средство борьбы с голодом. 8 февраля 1765 года указом императрицы все губернаторы обязывались лично заботиться о разведении продукта. Но сельские власти отнеслись к делу формально и тихо саботировали. В отписках в Петербург сообщалось: “Оных яблоков ноне в появе не было”, “по Божескому изволению ни единого того яблока урожаю не оказалось”, “яблоко то мирянам не показалося”, “не только приплоду, но и что посажено в земле не оказалося”.
Распоряжение о посеве картофеля, не имевшее принудительного характера, было сделано еще в 1837-1838 годах и не вызвало в народе никаких толков. Впоследствии же, когда волнение уже вспыхнуло, народ ухватился и за него, отыскивая в нем доказательств его убеждения в продаже крестьян какому-то господину. Награды, обещанные за посевы картофеля, были непонятны крестьянам, и они старались найти в действиях начальства какой-то особенный, тайный смысл. Будучи обеспечены в хлебе, они видели в картофеле такой же не нужных для них овощ, как и всякий другой. Награды эти могли иметь значение в губерния не хлебородных, в которых картофель мог заменить собой недостаток в хлебе.
То есть картошка, «проверенная временем», в целом не насчитывает и пары веков использования, а современные сорта — даже нескольких десятков лет (например, популярный сорт «Невский» внесен в реестр Украины только в 1984 году).
И это картошка, один из основных продуктов питания. В тему можно упомянуть весьма любимые многими мандарины, апельсины и прочие экзотические фрукты, которые массово здесь есть не могли всего-то сотню лет назад.
Любителям «натурального» можно задавать простые вопросы — зачем природа создала кучу ядовитых ягод, растений и животных, которые человеку есть нельзя? Аргумент «проверенные временем» тоже не проходит — есть пример проверенного временем и давно используемого растения, которое вызывает рак (подчеркиваю, не служит стимулирующим фактором, не сопутствующим признаком, а именно напрямую вызывает рак мочевыводящих путей).
ГМО недостаточно исследованы и нет исследований, доказывающих их полную безопасность
Читатели, которые знакомы с формальной логикой и приемами ведения дискуссий, моментально должны раскусить нелепый прием во фразе «не доказана полная безопасность». Для тех, кто не понял — гуглим «чайник Рассела». Если кратко — формально невозможно доказать полную безопасность чего-либо, по той простой причине, что принципиально невозможно доказать отсутствие чего-либо.
А существует ли и доказана ли опасность ГМО? Безусловно, существует — например, при помощи ГМО вполне можно вывести, например, помидоры с цианидом и они будут смертельно опасны. И тут читателю предоставляется очередное упражнение в логике — значит ли это, что все ГМО априори опасны и их производство и исследования следует запретить?
Более того, абсолютно безопасных продуктов не бывает. Даже банальный дигидрогена монооксид смертельно ядовит при разовом применении в объемах от 10 литров. Поэтому вопрос стоит ставить так — являются ли коммерческие ГМО-продукты более опасными, чем традиционные не-ГМО продукты. Результаты экспериментов показывают, что нет, не более опасны. И даже если предположить теоретическую опасность, то реальные положительные эффекты от применения ГМО намного превосходят гипотетический вред от него же.
И опять стоит напомнить, что продукты традиционной селекции проверяются на добровольных основаниях. То есть, как правило, не проверяются никем.
Научные исследования подтверждают вредность ГМО
Greenpeace против ГМО
Да, популярная «общественная» организация Greenpeace является ярым противником ГМО и всячески протестует против его применения и исследования. Доходит вплоть до того, что самые ярые активисты уничтожают экспериментальные посевы ГМ-пшеницы — результаты пятилетней работы ученых.
Кто такие Greenpeace? Теоретически — борцы за экологию, с засильем корпораций, которые отравляют планету и так далее. Практически же это давным-давно организация, сделавшая себе имя на мифической «защите природы» и зарабатывающая деньги экологическим рэкетом. Недавно я наткнулся на эмоциональную, но любопытную статью по теме Greenpeace, факты в которой говорят сами за себя.
Но, может, Greenpeace приводит разумные аргументы против ГМО? Почитаем. Видим те же популистские лозунги про «неиследованность», а также повторение старого анекдота про помидоры с геном камбалы. (Организация, борящаяся против ГМО и при этом не отличающая ген от генома — это весьма показательно, я считаю. Подчеркиваю, это официальный сайт). Но даже они подтверждают, что ГМО исследуется уже более 20 лет.
ГМО-растение может скреститься с диким и уйти в дикую природу
ГМО-семена специально делают бесплодными, чтобы фермеры были вынуждены покупать их каждый год
Оба мифа сведены вместе, чтобы продемонстрировать, что творится в головах отдельных людей. Да-да, многие противники ГМО употребляют оба этих аргумента одновременно.
Сначала появился первый аргумент — что ГМО-растения могут взаимно оплодотворяться с дикими и уйти в дикую природу. В самом «продвинутом» варианте — что ГМО-растения сами отрастят себе ноги и сами уйдут. Всерьез рассматривать последнее не будем, но для рассмотрения самой возможности «ухода в дикую природу» должны выполняться несколько условий: наличие рядом с полями близкородственных растений, способных к взаимному опылению с гм-растениями, сам факт такого опыления и главное — что получившийся гибрид действительно выживет в дикой природе (то есть будет обладать свойствами, позволяющими ему активно бороться с сорняками и прочими растениями, которые уже занимают некультивированные земли). Поскольку ни целью селекции, ни целью гм-модификации почти никогда не является получение растения, способного выжить в дикой природе — то данную опасность следует признать серьезно преувеличенной.
Тем не менее, некоторые семена производители делают стерильными (в основном из-за обвинений предыдущего пункта). Это дало плод для спекуляций вроде «производители ГМО подсадят фермеров на свой продукт и заставят его покупать каждый год». Почему у фермеров при этом отшибет память и они забудут, как выращивать неГМО-растения и почему фермерам в данном случае будет запрещено покупать обычный селекционный (неГМО) материал — обычно не уточняется.
Так вот, фермеры, как правило, уже закупают семенной материал каждый год. Дело в том, что выращивание семенного материала и выращивание собственно продукта, который дальше идет на продажу (в хлеб, на корм скоту. ) — это разные занятия и фермерам удобнее покупать готовый семенной материал, чем выделять земли для выращивания семенного материала, тщательно контролировать его рост, обеспечивать хранение семенного материала и так далее.
Кроме того, закупка семенного материала фермерами проводится регулярно также из-за того, что гибридные (мутантные) версии растений, которые они выращивают, при семенном скрещивании с обычными (переопылении) теряют свои гибридные свойства уже во втором-третьем поколении (вырождаются) — см. закон расщепления по Менделю. Чтобы не терять свойства гибридов, их надо скрещивать исключительно между собой, то есть выделять специальные поля для этого, следить за стерильностью этих полей от негибридных вариантов — в общем, всем этим фермерам, как правило, заниматься не очень хочется, для этого есть отдельные специальные производители семенного материала.
Правительство не стало бы запрещать ГМО, если бы оно было безвредным
Данным аргумент базируется на странной уверенности, что правительство первоначальной целью ставит пользу от своего служения обществу. В большинстве же случаев (особенно в наших странах, в данном контексте я имею в виду Россию и Украину) основная цель правительства — удержание своего места, если надо будет — любой ценой. Если большинство населения не будет любить, например, самолеты — будте уверены, правительство их тоже запретит.
Да, градус истерии достиг таких высот, что правительство, например, Украины, выпустило постановление об обязательном уведомлении покупателя, содержит ли или не содержит ГМО отдельные продукты, что по букве закона ведет к таким парадоксам, как необходимость маркировки «без ГМО» даже на соли, воде и салфетках.
Здравый смысл все-таки возобладал и в Украине и в Росии подобную маркировку отменяют, а взамен вводят обязательную маркировку, если продут содержит более 0,9% ГМО.
В Индии наблюдается череда самоубийств фермеров из-за ГМО
Миф утверждает, что из-за большого распространения ГМО в Индии наблюдается череда самоубийств фермеров, которые их выращивали. На самом деле прямой связи между ГМО и самоубийствами индийских фермеров не обнаружено. Подробности здесь.
Монополист Монсанто травит людей
ГМО-технологии это лишь орудие в монополизации мирового сельхоз. производства американским химическим концерном Монсанто. Смысл внедрения этих биотехнологий лишь в повышении прибыли любой ценой, Монсанто плевать на безопасность потребителей и природы. Они в основном выпускают на мировой рынок семена растений, генетически модифицированных для устойчивости к ими же производимым пестицидам, чтобы продавать свою канцерогенную отраву в удесятеренных дозах. Отсюда.
ГМ соя с генами арахиса может вызывать у людей аллергию
Самый разумный аргумент из рассматриваемых. Действительно, если модифицированная соя будет производить белок, который есть в арахисе, то возможны негативные эффекты у людей с аллергией на арахис.
Но для ГМ обычно точно известно, что именно менялось и какой именно новый белок будет производиться, то есть случаи аллергенности можно проверить уже на этапе предварительных исследований. И в данном случае нужна не маркировка «содержит ГМО», а маркировка, какие именно белки содержит данное ГМО (видели на шоколаде надпись «может содержать арахис»? Вот нечто в таком стиле), против которой, собственно, никто и не возражает. А если человек добровольно кушает продукты, на которых написано, что у данного человека данный конкретный продукт может вызвать аллергию — то в этом виновато отнюдь не ГМО.
Интересные факты
Почти вся папайя, которая сейчас выращивается в мире — это ГМ-сорта. «Натуральная» папайя была уничтожена вредителем, к которому ГМ-папайя устойчива. Так что если не хотите кушать ГМ-организмы — никогда не покупайте папайю.
Благодаря Greenpeace и прочим экологам на поля Китая только сейчас поступил «золотой рис» с повышенным содержанием витамина A. Потребовалось дополнительно 12 лет исследований, чтобы данные экологи все-таки угомонились. По приблизительным оценкам, за это время в Китае около 8 миллионов детей умерли или серьезно заболели от нехватки витамина A.
И извинение всем читающим. Картинка для привлечения внимания в начале поста не имеет никакого отношения к ГМО. Более того, лягушка с лишними ногами вообще не продукт человеческой деятельности. 
Всему виной всего лишь небольшой червяк-паразит. Именно он, попадая в лягушку, заставляет ее отращивать лишние ноги. Цель — попасть в желудок к определенным птичным, где данный паразит дальше комфортно живет. Модифицированная лягушка не только похожа на кузнечика (привлекательнее для птиц), но и менее подвижна, что делает ее легкой добычей.
Вот еще любопытный пример паразита: 
Гриб-паразит муравьев, который умеет захватывать контроль над центральной нервной системой муравья и полностью подчинять его себе. Цель все та же — получить оптимальные условия для своей жизни и возможности оставить потомство.
Эти факты приведены для демонстрации, что сама природа чрезвычайно разнообразна и наши пока довольно нелепые, маленькие, осторожные попытки редактирования генома — мелочь по сравнению с тем, что природа уже может показать. Если примитивный гриб может контролировать нервную систему более сложного организма, а примитивный паразит — заставлять лягушку менять свою морфологию, то почему человеку не следует применять то, что уже давным-давно умеют делать даже простые атомные частицы?
Вместо заключения
Лично я после оценки всех «за» и «против» считаю ГМО прогрессивной научной технологией, позволяющей человечеству решить некоторые актуальные проблемы, а страшилки по их поводу считаю либо очень сильно преувеличенными, либо полностью выдуманными. Подавляющее большинство предубеждений против ГМО разбиваются о тот простой факт, что в магазинах полно продуктов, полученных в результате радиационного, рентгеновского и химического мутагенеза, и это почему-то никого не смущает. Некоторые аргументов «за» и «против» ГМО рассмотрены в статье и, надеюсь, послужат поводом для дополнительных рассуждений. Более подробную информацию по теме можно собрать по приведенным ссылкам.
Редактирование людей: как и зачем ученые проводят операции с геномом
Каждый из живых организмов на Земле носит в клетках наследственный материал своих предков. Эти данные называются геномами, и они нужны непосредственно для создания и поддержания деятельности организма. Генная инженерия работает над изменениями в наследственной информации. Рассказываем, что происходит с редактированием геномов прямо сейчас.
Читайте «Хайтек» в
Применение генной инженерии в научных исследованиях
Для изучения функции того или иного гена может быть применён нокаут гена. Так называется техника удаления одного или большего количества генов, что позволяет исследовать последствия подобной мутации.
Для нокаута синтезируют такой же ген или его фрагмент, измененный так, чтобы продукт гена потерял свою функцию. Основные методы реализации: цинковый палец, морфолино и TALEN.
Для получения нокаутных мышей полученную генно-инженерную конструкцию вводят в эмбриональные стволовые клетки, где конструкция подвергается соматической рекомбинации и замещает нормальный ген, а измененные клетки имплантируют в бластоцисту суррогатной матери. У плодовой мушки дрозофилы мутации инициируют в большой популяции, в которой затем ищут потомство с нужной мутацией. Сходным способом получают нокаут у растений и микроорганизмов.
Логичным дополнением нокаута является искусственная экспрессия, то есть добавление в организм гена, которого у него ранее не было. Этот способ генной инженерии также можно использовать для исследования функции генов. В сущности процесс введения дополнительных генов таков же, как и при нокауте, но существующие гены не замещаются и не повреждаются.
Используется, когда задачей является изучение локализации продукта гена. Одним из способов мечения является замещение нормального гена на слитый с репортерным элементом, например, с геном зеленого флуоресцентного белка GFP. Этот белок, флуоресцирующий в голубом свете, используется для визуализации продукта генной модификации.
Хотя такая техника удобна и полезна, её побочными следствиями может быть частичная или полная потеря функции исследуемого белка. Более изощрённым, хотя и не столь удобным методом является добавление к изучаемому белку не столь больших олигопептидов, которые могут быть обнаружены с помощью специфических антител.
В таких экспериментах задачей является изучение условий экспрессии гена. Особенности экспрессии зависят прежде всего от небольшого участка ДНК, расположенного перед кодирующей областью, который называется промотор и служит для связывания факторов транскрипции.
Этот участок вводят в организм, поставив после него вместо собственного гена репортерный, например, GFP или фермента, катализирующего легко обнаруживаемую реакцию. Кроме того, что функционирование промотора в тех или иных тканях в тот или иной момент становится хорошо заметным, такие эксперименты позволяют исследовать структуру промотора, убирая или добавляя к нему фрагменты ДНК, а также искусственно усиливать его функции.
Зачем нужна генная инженерия человека
В применении к человеку генная инженерия могла бы применяться для лечения наследственных болезней. Однако, технически, есть существенная разница между лечением самого пациента и изменением генома его потомков.
Задача изменения генома взрослого человека несколько сложнее, чем выведение новых генноинженерных пород животных, поскольку в данном случае требуется изменить геном многочисленных клеток уже сформировавшегося организма, а не одной лишь яйцеклетки-зародыша. Для этого предлагается использовать вирусные частицы в качестве вектора.
Вирусные частицы способны проникать в значительный процент клеток взрослого человека, встраивая в них свою наследственную информацию; возможно контролируемое размножение вирусных частиц в организме. При этом для уменьшения побочных эффектов учёные стараются избегать внедрения генноинженерных ДНК в клетки половых органов, тем самым избегая воздействия на будущих потомков пациента.
Также стоит отметить значительную критику этой технологии в СМИ: разработка генноинженерных вирусов воспринимается многими как угроза для всего человечества.
С помощью генотерапии в будущем возможно изменение генома человека. В настоящее время эффективные методы изменения генома человека находятся на стадии разработки и испытаний на приматах.
Долгое время генетическая инженерия обезьян сталкивалась с серьёзными трудностями, однако в 2009 году эксперименты увенчались успехом: в журнале Nature появилась публикация об успешном применении генноинженерных вирусных векторов для излечения взрослого самца обезьяны от дальтонизма. В этом же году дал потомство первый генетически модифицированный примат (выращенный из модифицированной яйцеклетки) — обыкновенная игрунка ( Callithrix jacchus).
Хотя и в небольшом масштабе, генная инженерия уже используется для того, чтобы дать шанс забеременеть женщинам с некоторыми разновидностями бесплодия. Для этого используют яйцеклетки здоровой женщины. Ребёнок в результате наследует генотип от одного отца и двух матерей.
Однако возможность внесения более значительных изменений в геном человека сталкивается с рядом серьёзных этических проблем. В 2016 в США группа учёных получила одобрение на клинические испытания метода лечения рака с помощью собственных иммунных клеток пациента, подвергаемых генной модификации с применением технологии CRISPR/Cas9.
В конце 2018 года в Китае родились двое детей, геном которых был искусственно изменён (выключен ген CCR5) на стадии эмбриона методом CRISPR/Cas9, в рамках исследований, проводимых с 2016 года по борьбе с ВИЧ. Один из родителей (отец) был ВИЧ-инфицированным, а дети, по заявлению, родились здоровыми.
Поскольку эксперимент был несанкционированным (до этого все подобные эксперименты на человеческом эмбрионе разрешались только на ранних стадиях развития с последующим уничтожением экспериментального материала, то есть без имплантации эмбриона в матку и рождением детей), ответственный за него учёный не предоставил доказательств своим заявлениям, которые были сделаны на международной конференции по редактированию генома.
В конце января 2019 года властями Китая были официально подтверждены факты проведения данного эксперимента. Тем временем учёному было запрещено заниматься научной деятельностью и он был арестован.
Как редактируют человеческий геном?
«Цинковые пальцы» встречаются и в составе человеческих белков. Благодаря этому методу можно сконструировать цепь ZFN так, что она будет узнавать определённый участок ДНК. Это дает возможность точечного воздействия на заданные участки в составе сложных геномов.
Домены «цинковые пальцы» встречаются в составе человеческих факторов транскрипции – белков, регулирующих процесс синтеза РНК с матрицей ДНК. При создании искусственных нуклеаз можно сконструировать цепочку из «цинковых пальцев» так, что она будет узнавать определенный участок ДНК.
Если такая цепочка будет достаточно длинной, она может распознавать относительно протяженные последовательности ДНК, состоящие из ряда тринуклеотидных фрагментов. Это означает реальную возможность точечного воздействия на заданные участки в составе больших сложных геномов.
Однако у метода «цинковых пальцев» обнаружились и серьезные недостатки: во-первых, это не вполне строгое распознавание тринуклеотидных повторов, что приводит к заметному числу расщеплений ДНК в «нецелевых» участках.
Во-вторых, метод оказался весьма трудозатратным и дорогостоящим, поскольку для каждой последовательности ДНК необходимо создать свою оптимизированную белковую структуру zinc-finger нуклеазы. Поэтому система «цинковые пальцы» широкого распространения не получила.
В 2011 году журнал Nature Methods назвал систему TALEN (Transcription Activator-like Effector Nucleases) «методом года» благодаря широкому спектру возможных применений в разных областях фундаментальной и прикладной науки.
TALEN — один из способов направленного внесения разрыва в ДНК с последующим его «залечиванием» — для выключения генов у мышей. Сразу после них эту технологию применили для внесения в мышиный геном мутации, приводящей к развитию одного из наследственных синдромов. Авторам метода моделирования генетически обусловленных болезней удалось не только «испортить» мышиный геном, но и исправить его обратно.
Метод обеспечивает точное воздействие на заданные участки ДНК и может быть использован практически в любой современной молекулярно-биологической лаборатории.
В основе этой системы — особые участки бактериальной ДНК — CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, или короткие палиндромные кластерные повторы). Разделяют эти повторы спейсеры — короткие фрагменты чужеродной ДНК. Последние встраиваются в геном после того, как ДНК рекомбинирует с её геномом.
Примеры редактирования человека
Заболевание 44-летнего жителя Аризоны Брайана Мадо проявилось еще в раннем детстве. Оно неизлечимо и наследуют его в основном мужчины. Мукополисахаридоз II типа — это метаболическое расстройство: у людей с ним есть мутация в гене, ответственном за производство фермента, который участвует в расщеплении сложных углеводов. В итоге они накапливаются в клетках и вызывают многочисленные патологии органов.
Мужчина решил принять участие в клиническом испытании нового метода — генной терапии. Это лишь первая фаза исследования, а всего до регистрации терапии (то есть до разрешения применять этот метод для всех больных с синдромом Хантера) их должно быть три.
Метод, который использовали в случае Брайана Мадо, позволяет редактировать геном прямо в теле человека — и при этом достаточно точно попадать в конкретный участок ДНК. Редактирование происходит с помощью так называемых «цинковых пальцев».
Китайский исследователь Хэ Цзянькуй отредактировал геномы человеческих эмбрионов перед процедурой искусственного оплодотворения, в результате чего на свет появились двое детей с измененной ДНК.
С помощью системы CRISPR/Cas9 исследователь отредактировал геномы эмбрионов семи пар во время репродуктивного лечения. В результате одной из беременностей от здоровой матери и ВИЧ-инфицированного отца родились две девочки-двойняшки с измененной ДНК. Хэ Цзянькуй пояснил, что удалил у детей ген CCR5, благодаря чему они получили пожизненный иммунитет к ВИЧ.
Для восстановления зрения можно использовать оптогенетические технологии, с помощью которых работой нейронов можно управлять с помощью светочувствительных белков бактерий и вспышек лазера.
Руководствуясь этой идеей, биологи создали вирус, который может проникать в ганглионарные нейроны. Эти нервные клетки отвечают за передачу сигналов из сетчатки в мозг человека. Попавший в ганглионарный нейрос вирус заставляет его производить подобные сигнальные молекулы. Однако эта процедура не возвращает зрение сама по себе, так как белки бактерий реагируют на свет не так, как палочки и колбочки сетчатки.
Чтобы решить эту проблему, профессор Базельского университета Ботонд Роска и профессор Питтсбургского университета Хосе Сахель создали специальные очки, которые преобразуют поступающие в них изображение в понятный мозгу формат и стимулируют ганглионарные клетки вспышками лазера. В результате пациент может видеть силуэты крупных предметов и объектов и совершать другие сложные действия