Ученые рассказали об особенностях восстановления ДНК эмбрионов
Ранние человеческие эмбрионы по-разному восстанавливают ДНК в зависимости от повреждения, которое возникает при редактировании генома. Ученые обнаружили, что повреждения одной цепи устраняются значительно надежнее, чем разрывы обеих цепей. Однако даже более точный метод сопровождался нежелательными генетическими изменениями, поэтому его безопасность для репродуктивной медицины остается неподтвержденной. Что показали эксперименты и почему успешная правка гена еще не означает безопасность — в материале «Известий».
Почему восстановление ДНК важно для редактирования генома
Редактирование генома позволяет вносить заданные изменения в последовательность ДНК. Но результат зависит не только от того, насколько точно инструмент распознает нужный участок. Значение имеет и то, как клетка обрабатывает возникшее повреждение.
При использовании классической системы CRISPR–Cas9 фермент разрезает обе цепи ДНК в выбранном месте. После этого клеточные механизмы должны восстановить молекулу. В ранних человеческих эмбрионах такой процесс может сопровождаться потерей крупных участков генетического материала.
Редактирование оснований ДНК позволяет изменять отдельные элементы последовательности без запланированного разрыва обеих цепей. В частности, адениновые редакторы предназначены для преобразования пары оснований A–T в G–C. В новом исследовании ученые сравнили, как ранние эмбрионы справляются с повреждениями, которые создают разные инструменты.
«Исследование показывает, что ранние человеческие эмбрионы способны эффективно восстанавливать одноцепочечные повреждения ДНК, тогда как восстановление двуцепочечных разрывов на этом этапе развития значительно менее надежно», — пояснил первый автор работы Штепан Ержабек.
Что показало введение редактора в виде белка
Исследователи проверяли не только разные инструменты, но и способы их доставки. Редактор можно вводить как готовый белок либо в виде матричной РНК — молекулы, по которой клетки сами производят этот белок. Сотрудники института Ива Пихова и Михал Долежал участвовали в получении и очистке белковых редакторов, использованных в экспериментах.
«Сотрудничество по этому исследованию началось еще в 2021 году, и в последующие годы мы подготовили несколько вариантов редакторов для экспериментов, которые проводили наши коллеги в Колумбийском университете», — рассказал Долежал.
По его словам, введение редакторов непосредственно в виде белков оказалось совместимо с нормальным ранним развитием эмбрионов. Один из вариантов аденинового редактора, доставленный в виде белка при оплодотворении, позволил изменить все исследованные копии целевой последовательности PCSK9. Эмбрионы достигали стадии бластоцисты, а из них удалось получить стволовые клеточные линии с внесенной правкой.
Однако способ доставки имел значение: введение редактора в виде мРНК могло сопровождаться остановкой развития. Таким образом, результаты зависели не только от выбранной генетической мишени, но и от свойств инструмента и формы его введения.
Зачем из эмбрионов получили стволовые клетки
Одним из важных результатов стало получение стволовых клеток из отредактированных эмбрионов шестого дня развития. Эти клетки предоставили ученым дополнительный материал для подробного генетического анализа.
В раннем эмбрионе количество клеток ограничено. Получение клеточной линии позволяет расширить возможности исследования и более детально изучать последствия вмешательства. Кроме того, ученые могут наблюдать, сохраняются ли внесенные изменения при последующих делениях. В данном случае речь идет о поколениях клеток, выращиваемых в лаборатории.
По данным пражского института, такой подход позволяет изучать последствия генетических правок глубже, чем при анализе только исходного эмбриона. При этом получение стволовой клеточной линии само по себе не подтверждает безопасность вмешательства для всех тканей будущего организма. Оно дает исследователям инструмент для дальнейшей проверки.
Какие нежелательные изменения обнаружили ученые
Высокая эффективность целевой правки не исключала повреждений в других участках генетического материала. В статье описаны редкие разрывы хромосом в области мишени и хромосомные нарушения. Ученые также обнаружили изменения соседних оснований и участков вне выбранной мишени. Эти правки могли распределяться между клетками неодинаково.
Так возникает генетический мозаицизм: клетки одного эмбриона различаются по некоторым изменениям ДНК. Поэтому обнаружение правильной целевой последовательности не означает, что весь геном всех клеток остался неизменным.
Как отмечает Колумбийский университет, непредсказуемое распределение таких изменений затрудняет оценку последствий. При высоком содержании мРНК некоторых редакторов эмбрионы также прекращали развиваться.
Эти результаты показывают, почему при проверке метода необходимо учитывать несколько показателей одновременно: точность заданной правки, наличие дополнительных изменений, состояние хромосом и развитие эмбриона. Более надежное восстановление одноцепочечных повреждений уменьшает часть проблем, связанных с разрывом обеих цепей. Однако оно не устраняет все возможные последствия редактирования.
Почему нормального развития в первые дни недостаточно
Название статьи указывает на высокую эффективность редактирования PCSK9 и нормальное развитие человеческих эмбрионов. Но наблюдение касалось раннего лабораторного этапа — до формирования бластоцисты.
Этот результат не позволяет сделать вывод о дальнейшем развитии плода, здоровье ребенка или отдаленных последствиях генетического вмешательства. Для исследователей раннее развитие и сохранность генома — отдельные вопросы, которые требуют разных проверок.
«Наша цель состояла не в разработке метода генетической модификации человеческих эмбрионов, а в том, чтобы с помощью фундаментальных исследований лучше понять, как работают механизмы восстановления ДНК на ранних этапах развития человека», — пояснил он.
По словам ученого, редакторы оснований существенно улучшают точность по сравнению с подходами, создающими двуцепочечные разрывы. Тем не менее многие вопросы безопасности необходимо решить, прежде чем рассматривать клиническое применение таких инструментов в человеческих эмбрионах.
Как исследование связано с наследственными заболеваниями
В перспективе точечные изменения генома на самых ранних этапах развития могут представлять интерес для предотвращения некоторых наследственных заболеваний. Однако вмешательство в эмбрион отличается от редактирования отдельных клеток уже сформировавшегося организма.
Национальный институт исследования генома человека США разделяет соматические вмешательства и изменения, которые могут передаваться следующим поколениям. Соматическое редактирование затрагивает клетки тела и обычно не наследуется потомством.
Если изменение, внесенное на раннем этапе развития, сохраняется в клетках, из которых впоследствии образуются половые клетки, оно потенциально может передаваться потомкам. Поэтому последствия такого вмешательства требуют отдельной оценки.
Новая работа расширяет знания о восстановлении ДНК, но не устанавливает безопасность рождения детей после такого вмешательства. Авторы указывают, что выявленные нежелательные последствия пока препятствуют применению исследованных подходов в репродуктивной клинике.
Для чего результаты могут быть полезны уже сейчас
Основное значение исследования связано с возможностью точнее изучать первые дни человеческого развития. Инструменты редактирования позволяют исследователям создавать определенные повреждения и наблюдать, как клетки на них отвечают.
В Колумбийском университете рассматривают такой подход как способ лучше понять причины генетических нарушений и прекращения развития эмбрионов. В дальнейшем эти знания могут помочь исследованиям, направленным на повышение надежности и безопасности вспомогательных репродуктивных технологий.
Работа проходила под надзором этического комитета Колумбийского университета. Директор пражского института Ян Конвалинка отметил, что обсуждение подобных экспериментов необходимо и за пределами научного сообщества.
«Я считаю этическую дискуссию вокруг таких исследований обоснованной и необходимой. Цель фундаментальной науки — расширять границы знаний и одновременно помогать нам лучше понимать возможности и ограничения современных технологий», — заявил он.
По его оценке, ценность работы заключается как в новых данных о раннем развитии, так и в уточнении ограничений доступных методов. Исследование помогает определить, какие вопросы еще предстоит решить, прежде чем лабораторные результаты смогут стать основанием для медицинского применения.
