Недостатки в моделировании генетических заболеваний человека на животных
Наша лаборатория в Медицинской школе им. Кека Университета Южной Калифорнии использует рыб данио-рерио для моделирования человеческих врожденных дефектов лица. Несмотря на скептицизм, данио-рерио имеют позвоночник, схожие типы органов и, что критически важно, множество общих с человеком генов. Мы использовали это сходство для создания моделей таких заболеваний, как синдром Сэтре-Чотцена (аномальное сращение костей черепа) и ранний артрит.
Подобно рыбам, наше тело развивается под контролем около 25 000 генов. Современные методы, такие как молекулярные ножницы на основе CRISPR (удостоенные Нобелевской премии по химии) и специальные химические вещества для «выключения» генов, позволяют изучать их функции. Однако наше недавнее исследование, опубликованное в Nature, показывает, что эти инструменты далеки от совершенства. Эффективность CRISPR в создании лабораторных животных, передающих мутации потомству, не отменяет вопросов к точности моделирования заболеваний простым введением CRISPR в эмбрионы или химическим «заглушением» генов.
Данио-рерио как модель генетических заболеваний человека
Поиск одной мутации среди 3 миллиардов нуклеотидов ДНК человека — кропотливая работа. Чтобы проверить, вызывает ли найденная мутация заболевание, мы вносим такое же изменение в геном лабораторного животного, размножаем его и ищем дефекты, аналогичные человеческим.
Мы изучаем данио-рерио, потому что они маленькие, что позволяет выращивать тысячи генетически модифицированных особей. Используя CRISPR, мы создаем рыб с «сломанным» геном, который передается потомству. Прозрачные эмбрионы рыб, развивающиеся вне матери, идеально подходят для изучения того, как мутации нарушают нормальное развитие.
В погоне за скоростью возникают проблемы
Создание животных с отсутствующими генами — даже у рыб — может занимать год и более. Поэтому многие лаборатории ищут shortcuts (обходные пути):
- Инъекция большого количества CRISPR в эмбрионы с последующим изучением дефектов у этих же животных.
- Химическое «заглушение» (silencing) генов в эмбрионе вместо их постоянного изменения.
Однако точность этих методов ставится под сомнение. При инъекции CRISPR не все клетки изменяются одинаково. Химические вещества для «заглушения» генов часто имеют непреднамеренные побочные эффекты, отравляя эмбрион в целом.
Пример: Исследователи из Испании с помощью химического «заглушения» гена prrx1a и инъекции CRISPR в эмбрионы (с анализом через день) пришли к выводу, что этот ген критически важен для развития сердца. В нашем эксперименте мы полностью удалили ген prrx1a и наблюдали за поколениями рыб без него. Сердца у этих мутантных рыб развивались абсолютно нормально. Мы показали, что дефекты сердца в испанском исследовании были вызваны общим отравлением эмбрионов, не связанным с геном prrx1a. Дефекты у животных после простой инъекции CRISPR также отличались от результатов полного удаления гена.
Наша группа — не единственная, кто заметил эти недостатки. Группа Дидье Стайниера, используя аналогичное полное удаление генов, опровергла исследование, связывавшее ген tek с развитием кровеносных сосудов на основе инъекций CRISPR и «заглушения» генов. Учитывая количество подобных исследований, возможно, потребуется переоценка генов, считающихся причиной многих человеческих заболеваний.
Путь вперед: улучшенное редактирование генома
Стремление к скорости в исследованиях не должно идти в ущерб точности и воспроизводимости.
Хорошая новость: с появлением CRISPR мы знаем, как создавать в лабораторных животных правильные типы мутаций для проверки человеческих заболеваний. Создавая животных (например, данио-рерио) с мутациями, встроенными в их геном, и наблюдая, развиваются ли у их потомства те же заболевания, что и у пациентов, мы можем быть уверены в правильной идентификации гена болезни.
Это важно для точного генетического консультирования будущих родителей и выявления генов-мишеней для профилактики или лечения заболеваний.
Наука постоянно развивается. CRISPR открывает бесконечные возможности для генетики человека, но исследователи должны признавать ограничения новых технологий. Прямая инъекция CRISPR или химическое «заглушение» генов, хотя и быстрые, слишком часто дают вводящие в заблуждение результаты. Для уверенной идентификации мутаций, вызывающих заболевания человека, необходимо продолжать изучение лабораторных животных, инженерно созданных для передачи тех же изменений ДНК, что и у пациентов.