Dmitry Madera, Capo del Dipartimento di Genetica Molecolare presso BIOCAD, Senior Lecturer presso SPCFU, Ph.D.
Nel 2002 si è laureato presso la Facoltà di Biologia dell'Università statale di Moscaspecializzazione in genetica. Ha difeso la sua tesi per il grado di Dottore in Filosofia in Biologia sul programma per lo studio della funzione e dell'espressione genica presso l'Università del Massachusetts, dopo di che ha lavorato presso il National Institutes of Health, studiando gli aspetti molecolari dello sviluppo del cancro e come influenzarli. Nel 2015 ha diretto il laboratorio di genetica molecolare presso BIOCAD e da allora è stato impegnato nello sviluppo di prodotti per la terapia genica. L'autore di un brevetto internazionale che descrive una nuova nucleasi della famiglia Cas9 e articoli nel campo dello sviluppo del cancro.
Esperimento Jiankui, rischio oncologico nelle ragazze nate e bersaglio di mutazioni
Cosa ne pensi dell'esperimento del biofisico cinese He Jiankui, che ha modificato il genoma di due embrioni?Espertiaffermazioneche le ragazze nate potrebbero avere mutazioni. Come evitarlo?Dopo aver studiato la fonte originale (lo studio del MIT – Hi-Tech) e il commento del genetista Fyodor Urnov, mi sono reso conto che i media sono un po' distortiSì, le ragazze hanno maggiori probabilità di avere mutazioni.Questo si riferisce a quelle mutazioni che non si sa dove si manifesteranno esattamente.E ora è difficile stabilire esattamente dove siano sorte le mutazioni casuali risultanti da CRISPR/Cas9.Per fare questo, devi fare un confronto con i genitori delle ragazze.
Formalmente, questa è un'affermazione corretta: ci possono davvero essere mutazioni ofmirate, e non c'è nulla che tu possa fare al riguardo.E gli attuali metodi di editing genetico non lo impediscono.essere pericoloso.
Alla fine del 2018, lo scienziato cinese He Jiankuiha annunciato di essere stato in grado di creare gemelle geneticamente modificate con immunità innata all'HIV. Ha detto che ha curato gli embrioni delle coppie sottoposte a fecondazione in vitro e uno dei sette tentativi ha avuto successo. L'esperimento ha innescato una nuova ondata di discussioni sull'etica dell'interferenza con il codice genetico umano.
Tuttavia, Fedor Urnov, specialista del montaggioIl genoma dell'Università della California, in un'intervista al MIT Technology Review, ha osservato: "L'affermazione che ha riprodotto il CCR5 prevalente è una palese dichiarazione falsa", e ha aggiunto che può essere descritto solo come "travisamento intenzionale".
Un nuovo studio del MIT ha dimostrato che gli scienziati nosono stati in grado di riprodurre la versione prevalente di CCR5. Sebbene il team mirasse al gene giusto, i ricercatori non hanno copiato la variazione desiderata del Delta 32, ma hanno invece creato nuove edizioni, il cui effetto non è chiaro: possono causare mutazioni.
Affermare che He Jiankui non è stato in grado di mutare il gene CCR5 (il gene che permetteHa effettivamente raggiunto il suo obiettivo, e CCR5 è stato effettivamente mutato e non funziona più, il che significa che l'HIV non può infettare le cellule umane.Sì, apparentemente non è riuscito a replicare uno specifico allele naturale trovato nelle popolazioni umane, ma nonostante ciò, CCR5 è "messo fuori combattimento" e non funziona, il che significa che Jiankui ha raggiunto l'obiettivo minimo.
Per prevenire le mutazioni bersaglio,è necessario migliorare i metodi per l'editing del genoma, per aumentarne l'accuratezza. Pertanto, in futuro sarà possibile ridurre il rischio di mutazioni a livello di fondo e quindi calmarsi sul fatto che le mutazioni si verificano in modo naturale. Come si suol dire, non è necessario essere più santi del Papa.
- Cioè, quando queste ragazze cresceranno, non sarà realistico capire esattamente quali mutazioni hanno avuto a seguito delle azioni di Jiankui?
- Parlando specificamente di CCR5, quindi, ovviamente,è possibile E per l'intero genoma - in linea di principio, ora è possibile, se si prende il materiale genetico del padre e della madre e lo si confronta con il proprio. Quindi sarà chiaro quali genitori hanno opzioni e quali di quelli presenti nel genoma delle ragazze, né mamma né papà hanno. Un'altra cosa è che sarà impossibile scoprire quali mutazioni sono sorte a seguito di CRISPR / Cas e quali a caso. Puoi solo confrontare la frequenza di queste mutazioni: quante mutazioni normali si verificano alla nascita e quante di queste ragazze le hanno. Se ci sarà un ordine di grandezza in più, allora tutto sarà chiaro.
La tecnologia di editing genomico CRISPR/Cas9 ha il potenziale per eliminare migliaia di malattie ereditarie che in precedenza si pensava fossero incurabili.
La principale differenza tra uno strumento geneticomodifica di CRISPR / Cas9 da altri metodi esistenti abbastanza a lungo: questa è la possibilità di cambiamenti direzionali del DNA. CRISPR / Cas9 ti consente di influenzare in modo specifico la sequenza del DNA e persino di cambiare il gene rotto con quello corretto. Per fare questo, un enzima speciale, nucleasi, introduce uno spazio nel posto giusto nel genoma, dopo di che viene attivato il sistema di riparazione: i meccanismi interni della cellula per ripristinare il genoma. In questo caso, il DNA viene riparato nel sito dell'interruzione, di regola, con errori casuali, che probabilmente portano alla perdita o all'inserimento di più lettere nella sequenza e alla comparsa di mutazioni. Pertanto, cerca come campione la sequenza desiderata nei genomi vicini. Secondo la tecnologia, la cellula deve trovare questa sequenza in frammenti di DNA speciali. La loro genetica si è introdotta nella cellula per prenderla e introdurla autonomamente in se stessa. Tuttavia, le mutazioni casuali nel sito di rottura si verificano molto più spesso della riparazione diretta lungo il campione.
Un'altra domanda, Konstantin Severinov (uno specialista russo nel campo della biologia molecolare e di CRISPR/Cas – Hitech) una volta ha espresso un'idea interessante che se ci fosse stato qualcosa di completamente terribile, le ragazze semplicemente non sarebbero sopravvissute allo stadio dell'embriogenesi.Molto probabilmente, nulla di fondamentale del loro genoma è stato influenzato.L'unica cosa che mi spaventa è l'oncologia.malattie simili.
- Perché? L'oncologia diventa più probabile a seguito della modifica del genoma umano?
Diamo un'occhiata alle cause del cancro. Ce ne sono tre: mutazioni ereditarie, cioè alleli speciali che portanola probabilità di un aumento del rischio di cancro, come Angelina Jolie; cause virali – papillomavirus umano, per esempio; e mutazioni casuali.Temo l'insorgenza di mutazioni di quest'ultimo tipo nelle ragazze dell'esperimento cinese, soprattutto se c'è stata un'alta frequenza di mutazioni.In questo caso, la probabilità di qualsiasi tipo di insorgenza del tumore è diversa da zero.
Dmitriy Madera. Foto: Science Bar Hopping
Come modificare il genoma umano, i principali paesi e il destino della genetica russa
- Quanto è più facile condurre tali esperimenti con gli animali?
— Modificare il genoma di ciascun animalehai bisogno del tuo protocollo. Devi modificare un topo o una mucca utilizzando protocolli diversi. E l'uomo, come ogni altro animale, ha bisogno del suo sviluppo per poter modificare il suo genoma nel modo più efficace. Pertanto, non si può dire che sia più difficile modificare una persona che una mucca. Devi solo farlo diversamente rispetto a un topo o un ratto. Ma gli approcci rimangono gli stessi. Non c'è niente di molto diverso in noi.
- Questo èil problema sta solo nel campo dell'etica e delle leggi? E se fosse deciso, ci sarebbero più esperimenti?
- Senza dubbio.E poi, in realtà ci sono molti esperimenti. Vado alle conferenze e incontro spesso i colleghi. Ad esempio, l’Università dell’Oregon sta conducendo eccellenti esperimenti sulla modifica del genoma umano e sulla crescita degli embrioni. Vengono semplicemente distrutti successivamente in una certa fase iniziale. Tali esperimenti non sono vietati. Infatti, l'unica limitazione è l'impianto di un embrione e la sua coltivazione fino alla nascita.
- Quali paesi sono leader nella ricerca sulla modifica del genoma umano oggi?
— Adesso ce ne sono due di questi leader, tra loro e tuttiil resto è un abisso assoluto. Questi sono gli Stati Uniti e la Cina. Nessuno è nemmeno più vicino, tanto sono lontani dal resto del mondo nella loro ricerca.
- È collegato con finanziamenti o basi scientifiche?
- Con entrambi.La Cina sta investendo molti soldi nella ricerca, il suo governo è molto preoccupato per questo. E se prima copiavano semplicemente la tecnologia, ora gli scienziati cinesi stanno facendo cose interessanti. E negli Stati Uniti esiste semplicemente una base scientifica molto forte. In realtà, dove sono stati scoperti tutti questi CRISPR/Cas? La maggior parte degli scopritori di questo metodo, ad eccezione di Jennifer Doudna, sono cinesi, ma lavorano negli Stati Uniti. Pertanto, c'era una tale sinergia tra i due paesi.
— Cosa impedisce alla Russia di svilupparsi in quest’area? Anche il presidenteegli ha affermatosulla priorità della ricerca nella direzione della genetica.
- Lo dirò, oggi ci sono già finanziamentiricerca - viene assegnato un sacco di soldi. Ma, naturalmente, tutto ciò non viene fatto in un'ora. Abbiamo bisogno di una base scientifica e di una scuola. In Russia, in termini di genetica, tutto è triste dopo il lisenkoismo. Prima di Lysenko, la scuola di genetica sovietica era una delle migliori al mondo. Vavilov è andato a Morgan (Thomas Morgan - uno dei fondatori della genetica, il premio Nobel - "High Tech"), e hanno comunicato a parità di condizioni. Dopo Lysenko, tutto è stato distrutto in modo barbaro. E da allora non possiamo recuperare. Sì, il denaro è molto importante. Ma è anche necessario che i bambini vadano a studiare, in modo da coinvolgere specialisti stranieri. E se c'è una scuola, ci sarà l'editing genomico in Russia.
- In che modo ciò sarà influenzato dalle recenti raccomandazioni riguardanti la comunicazione tra scienziati russi e stranieri - per riferire tutti i contatti, per comunicare praticamente, come in Unione Sovietica?
- Questo è molto spaventoso. La cosa peggiore che si può fare per la scienza russa e ucciderla completamente sono queste raccomandazioni. E capisco che questi sono solo consigli e non devono essere seguiti. Ma le persone, sai, hanno paura. E iniziano a realizzarli in modo proattivo. Soprattutto non scienziati, ma burocrati della scienza. Inizieranno a smettere di comunicare con scienziati stranieri. Conosco la storia quando i colleghi studiosi tedeschi per una volta sono venuti a una conferenza in Russia, e gli studiosi stranieri spesso non vengono da noi e non sono stati ammessi all'evento a causa di questi requisiti. La scienza è internazionale e devi comunicare e interagire con i colleghi il più possibile, e poi andrà bene. Condanno fermamente questi requisiti.
Trattamento di sordità, malattie pericolose e consegna di farmaci
— Il genetista russo Denis Rebrikovandando amodificare il genoma degli embrioni per le coppie con problemi di udito. Quanto è probabile il successo di un simile esperimento?
— Denis Vladimirovich ha tenuto conto di tutti i suoi erroriCollega cinese. Eseguirà il sequenziamento dell'intero genoma. E l’esperimento stesso si svolgerà in un ambiente più controllato, non in condizioni semi-sotterranee, come nel caso di Jiankui. Penso che il successo, in linea di principio, da un punto di vista metodologico sia possibile, e si scopre che non tutto è così spaventoso, soprattutto quando si utilizzano metodi moderni. E il livello di mutazione potrebbe essere a livello di fondo. Per quanto riguarda questi bambini malati, sì, questa è una mutazione monogenica, ed è dominante, cioè è abbastanza facile distruggerla, cosa che i genetisti stanno già facendo bene. E in effetti è tutto, non c’è più alcun ostacolo.
— Come si concilia tutto ciò con la legislazione russa?
- Per quanto riguarda gli aspetti legislativi, Rebrikovfunziona solo su questo. E in questo senso, è molto interessante sapere cosa succede lì. Mi piacerebbe davvero che riuscisse a sfondare questo muro legislativo. Sebbene il suo esempio e la malattia che ha scelto, secondo l'opinione di molti miei colleghi e dei miei, non siano così rilevanti. Ma il campo si sta aprendo enorme, quindi lascia che sia il primo e mostri un buon risultato. E inoltre sarà possibile espandere il "repertorio".
- Quali altre malattie pericolose possono essere trattate con CRISPR / Cas?
— Certo, la fibrosi cistica è una cosa molto seriamalattia. È possibile utilizzare l'editing genetico nel trattamento della distrofia muscolare di Duchenne, almeno in alcuni pazienti che presentano una mutazione più o meno adatta a questa. In generale, ci sono più di 10mila malattie genetiche monogeniche e qui la domanda è quale metodo sia più conveniente e più semplice per il trattamento. Ad esempio, l’atrofia muscolare spinale non dovrebbe essere trattata con l’editing, ma semplicemente con la terapia di sostituzione genica.
Fibrosi cistica- malattia ereditaria sistemica,causata da una mutazione nel gene per il regolatore transmembrana della fibrosi cistica e caratterizzata da danni alle ghiandole esocrine e grave disfunzione degli organi respiratori. La fibrosi cistica è di particolare interesse non solo per la sua diffusa prevalenza, ma anche perché è stata una delle prime malattie ereditarie ad essere trattata. La fibrosi cistica fu riconosciuta per la prima volta come entità distinta da Dorothy Andersen nel 1938.
Miodistrofia di Duchenne- causato da cancellazioni o duplicazioni di unoo diversi esoni o mutazioni puntiformi nel gene della distrofina. La manifestazione principale è la debolezza muscolare, difficoltà a muoversi fin dall'infanzia, che progredisce nel tempo. La morte avviene solitamente nella seconda o terza decade di vita. La sua durata media è di 25 anni, ma ci sono persone che vivono più a lungo.
- Quando gli scienziati saranno in grado di farlo? Qual è l'intervallo di tempo?
- Guarda, gli animali sono già in cura.È vero, prima “mutilano”, ovviamente (cioè creano animali modello per studiare le malattie), e poi curano. Ma tutto questo arriva solo in una clinica cosciente e, di regola, dura dai 5 ai 15 anni. E a quanto ho capito, poiché si tratta di un approccio completamente nuovo, i primi studi clinici richiederanno molto tempo. Ciò significa che dovremo aspettare 15-20 anni. Allora sarà così: vieni, fatti diagnosticare e curare immediatamente.
Dmitry Madera. Foto: Science Bar Hopping
- Cioè, non si tratta di modificare il genoma degli embrioni, ma di trattare gli adulti?
— Entrambi gli approcci saranno possibili.
- Parliamoneediting genicosenza doppia rottura. Perché gli scienziati non potevano farlo prima?
"Il fatto è che non è affatto facile."Quando ho letto per la prima volta la pubblicazione di Nature, ho pensato: "Oh, come ho fatto a non pensarci?" Scherzi a parte, c'è voluto molto lavoro, perché inizialmente c'era un'idea simile, ma quando gli scienziati l'hanno provata, non ci sono riusciti. Poi hanno iniziato a modificare la trascrittasi inversa, essenzialmente mutandola per farla funzionare diversamente. E già ad una certa iterazione ha iniziato a funzionare e ha cominciato a produrre qualcosa del genere. È stato un processo che ha richiesto molto tempo e finanziamenti. Pertanto, non sono sorpreso che sia passato del tempo dall’invenzione del semplice CRISPR/Cas all’avvento del metodo che utilizza la trascrittasi inversa. Perché non è banale.
- Quali opportunità si stanno aprendo grazie a questo nuovo metodo?
- Le opportunità sono grandi, perché orasi scopre che possiamo, con minimi rischi di insorgenza di mutazioni target, cambiare in modo molto specifico qualsiasi gene, allele. Ad esempio, se vogliamo stabilire una mutazione puntuale, creare una cancellazione o una sostituzione complessa. Questo ci dà grandi opportunità, perché, nel complesso, di solito una o due mutazioni o delezioni che si presentano sono piccole e possono essere ripristinate entro 40-50 nucleotidi.
In effetti, c'erano tecnologie un po 'prima -editor di nucleotidi che hanno semplicemente preso e sostituito, ad esempio, "A" con "G" o "C" con "T". Tali lavori erano e sono ancora usati, ma, naturalmente, non è tutto semplice lì, perché si scopre che modificano non solo il DNA, ma anche l'RNA, e non dicono che è molto grande - non stanno modificando esattamente un nucleotide e l'intera "finestra". Forse questo si svilupperà successivamente anche in un uso pratico. Ma finora ci sono molti problemi. Ho ricordato questo metodo perché non comporta interruzioni a doppio filamento. E sorse un po 'prima di questi studi recenti.
— Ingegneri delle università del MIT e di HarvardusatoCRISPR per creare un sistema di somministrazione dei farmaci che li rilasci solo in un momento specifico. Come avviene esattamente ciò?
- Parlando specificamente di questo metodo, quindil'essenza è che il DNA è un polimero e Cas12a lo taglia, distruggendo così la struttura del polimero. Se il DNA viene incorporato nell'idrogel, le sostanze precedentemente fissate nell'idrogel con filamenti di DNA vengono quindi rilasciate da esso. Cioè, qui, il DNA agisce semplicemente come materiale fisico che può essere decomposto in modo controllato. In generale, gli idrogel vengono utilizzati su ferite e altre lesioni quando è necessario un rilascio graduale di farmaci da essi.
In linea di principio, CRISPR/Cas potrebbe fornire qualcosanecessario per una posizione nel genoma. Questo è tutto ciò che può fare. Ma non può trasportare la medicina nella cellula. Quindi non è del tutto corretto parlare del suo utilizzo per la somministrazione di farmaci.
Ma per consegnare CRISPR / Cas comefarmaci nella cellula; sono necessari metodi di consegna. Ed esistono - possono essere virali e non virali. I virus, ovviamente, si sono evoluti nel corso della loro storia al fine di fornire alla cellula materiale genetico. Si moltiplicano così. E i metodi non virali sono semplicemente metodi chimici, quando vengono creati alcuni portatori contenenti al loro interno molecole di acido nucleico, non necessariamente DNA, a proposito, può anche essere RNA o proteine. Di solito sono alcune goccioline di grasso che proteggono ciò di cui hanno bisogno per liberare nucleasi e proteasi, e gli anticorpi possono anche essere appesi su di loro per dare loro specificità per una particolare cellula. E questi complessi lipofili forniscono farmaci alla cellula. E ci sono opere legate a polimeri complessi o nanoparticelle d'oro, che, come un cannone, bruciano cellule, volano dentro di loro e forniscono il loro contenuto, come un cannone genomico.
- È possibile prolungare in modo significativo la vita di una persona grazie all'editing genico? Quanto si può fare e quali malattie devono essere curate in questo modo?
- Problema complesso.Il fatto è che esistono mutazioni che negli animali provocano un certo prolungamento della vita, un rallentamento dell'invecchiamento. Di solito sono associati al sistema di riparazione del DNA. In molti modi, l’invecchiamento è una conseguenza dell’accumulo di errori casuali che portano all’attivazione di elementi retrovirali e, di conseguenza, il genoma non viene regolato e inizia a lavorare contro il suo ospite. C’è un punto qui, non sappiamo come funzionerà nelle persone. Sfortunatamente, e questa è stata una grande sorpresa, i meccanismi di invecchiamento e di protezione contro di esso sono molto specie-specifici. E per gli esseri umani, gli stessi topi risultano non essere un modello del tutto adeguato. E quanto più adeguato è il modello e quanto più a lungo vive, tanto più difficile è lavorarci. Ad esempio, lo stesso SIRT6 - nelle specie a vita lunga è uno, e nelle specie a vita breve è diverso, esiste una chiara correlazione. Sembrava che prendi e inserisci SIRT6 da un elefante a una persona. Oppure diverse copie della SIRT6 umana (il gene che codifica per la proteina sirtuina-6 aiuta a correggere i danni al DNA - rotture del doppio filamento e sostituzioni nelle lettere nucleotidiche genetiche - Hi-Tech). Questo potrebbe funzionare, oppure no. Esiste una tale possibilità e ovviamente ci proverei. Ma se parliamo di prolungare la vita, molto probabilmente dovremo modificare i geni associati alla riparazione del DNA. Oggi, tuttavia, per un organismo come l'uomo questa è solo un'ipotesi.