Авторы «GP» поставили перед собой цель: перекодировать клетки человека, чтобы противостоять вирусам
Рождение проекта Genome в 2016 году было встречено с почти истерикой про «секретные встречи» и ужасными предупреждениями об ученых, создающих человеческие геномы, сделанные с нуля, которые будут выращивают в лабораториях детей.
Но через два года амбициозный проект по синтезу геномов, в том числе и человеческих, продвигается, и погружается в практическую работу по созданию лучших геномов, чем те, которые создала природа. Поскольку около 200 ученых, участвующих в проекте «Genome Project», встретились в Бостоне во вторник, группа объявила о своей первой цели: создании клеток, которые никогда не могут быть заражены вирусами, и, возможно, также были бы устойчивы к другим убийцам.
«Существует очень веская причина полагать, что мы можем создавать клетки, которые были бы полностью устойчивы ко всем известным вирусам», — сказал Джефф Боке, директор Института системной генетики Медицинского центра NYU Langone и один из четырех лидеров проекта. «Должно быть также возможно разработать другие свойства клеток, в том числе устойчивость к прионам и раку».
Авторы проекта также объявили о крупнейшем корпоративном партнерстве. Парижский Cellectis объявил во вторник, что он предоставляет свои инструменты для редактирования генома, TALENs, со-лидеру проекта GP Джорджу Чарчу для его лаборатории в рамках проекта, создания вирусных и прион-устойчивых человеческих клеток. Такие клетки, «могут быть использованы для создания универсальных клеток CAR-T», которые могут не исходить от пациента, а от здоровых доноров.
Проект GP основывается на первоначальном проекте генома человека, который «считал» 3 миллиарда молекулярных букв генетического плана человечества. В конце концов, предположения о том, что проект GP на самом деле будет делать, сказал Боке: «Приятно иметь конкретную цель. Если цель будет реализована десятками лабораторий, которые, как ожидается, будут работать над проектом (и поднять их финансирование), ультра-безопасные клетки могли бы сделать для лечения то, что пастеризация сделала для молока».
Устойчивость к вирусам и многое другое будет достигнута с помощью процесса, называемого перекодированием, которое заменяет избыточный код. Каждая трех-буквенная строка букв ДНК, называемая кодоном, кодирует производство определенной аминокислоты. Например, код CAG нужен для глутамина, AAA для лизина и TGG для триптофана. Сотни и тысячи аминокислот связаны между собой, образуя такие белки, как инсулин, коллаген, дистрофин, миозин и тысячи других, необходимых для жизни.
Есть только 20 аминокислот (и сигнал «стоп»), но 64 комбинации четырех нуклеотидов ДНК. И жизнь может обойтись только одним кодоном для каждой аминокислоты. Перекодировка означает выбор триплета GTT для, скажем, валина и везде, где в геноме появляется какой-либо из трех избыточных кодонов (GTC, GTA и GTG), заменяет его на GTT.
«Перекодировка означает, что каждый экземпляр одного кодона заменяется другим, эффективно удаляя один кодон из таблицы «генетического кода», — сказал Боке.
Как это может работать? Гены вирусов включают избыточные кодоны. Если вирус вошел в клетку, и попытался захватить генетический механизм клетки для получения большего количества вирусов, он не сможет этого сделать. Вирус не сможет заставить клетку продуцировать вирусные белки и, следовательно, вирусы — это то, что происходит с вирусной инфекцией. «Это перекодировка для вирусного сопротивления» — говорят ученые.
Когда Джордж Чарч и его коллеги заменили все 321 экземпляр одного избыточного кодона другим в E. coli, бактерии стали устойчивыми к вирусу бактериофага T7. В 2016 году лаборатория Чарча прошла еще дальше, заменив семь избыточных кодонов примерно в половине генома бактерий. Список составил 62 214 изменений. Чтобы сделать свои вирусно-защищенные клетки для человека, которые он намерен создать в течение 10 лет, проекту GP потребуется внести по меньшей мере 400 000 изменений в 20 000 генов человеческого генома, говорит Джордж Чарч.
И поэтому лидеры проекта GP непреклонны в том, чтобы писать геномы, а не редактировать их с помощью таких инструментов, как CRISPR.
«Мы ничего не имеем против CRISPR, — сказал Боке. «Мы любим его и используем его все время. Но мы говорим об изменениях, которые просто очень большие. Это похоже на редактирование большой истории: если вы меняете в ней много всего, то лучше просто переписать всю ее полностью».
Для геномов это означает синтез ДНК по одному нуклеотиду за раз и объединение тысяч из них. Технологии для того, чтобы сделать это быстро и дешево пока не существует. Стоимость синтеза 10 букв ДНК около 1 доллара; геном человека содержит 3 миллиарда, и полная стоимость генома будет 30 миллионов. Но команда GP выражает уверенность в том, что она может стимулировать инновации, и снизить затраты на синтез в 1000 раз.
Если перекодированные клетки человека будут устойчивы к ВИЧ, гепатиту, гриппу и любому другому вирусу, они могут стать основой для терапии стволовыми клетками.
Клетки также могут быть перекодированы, чтобы снизить риск стать злокачественными. Наиболее неустойчивыми двумя буквами в геноме являются CG, которые имеют сверхвысокую скорость мутации. Иногда эти мутации вызывают рак. Многие аминокислотные кодирующие триплеты включают CG. Если бы они были заменены синонимичными кодонами, клетки все равно делали бы правильные аминокислоты, но с меньшей вероятностью могли бы образовывать опухоли.
Чарч заявил, что хочет синтезировать все человеческие гены в конечном итоге, сшивая 200-буквенные длины, которые возможны с использованием современных технологий. В результате критики проекта GP заявили, что он планирует разрабатывать «сверх-людей», прямо в оплодотворенной яйцеклетке. Руководители проекта говорят, что у них нет такого намерения. Но на всякий случай, если чьи-то мысли движутся в этом направлении, в повестке дня был отчет рабочей группы GP по этике написания геномов.