Благо и зло испорченного гена

Появившееся в конце 2018 года сообщение о рождении в Китае двух девочек с отредактированным геномом вызывало волну комментариев о нарушении этических научных норм и недопустимости постановки экспериментов с неизвестными последствиями на людях, тем более на эмбрионах, которые станут детьми. По замыслу автора эксперимента Цзянкуя Хэ (贺建奎, Hè Jiànkuí) из Южного университета науки и технологий (КНР), манипуляции на геноме должны были придать родившимся детям устойчивость к ВИЧ. Он пытался воспроизвести мутацию в гене рецептора хемокинов CCR5 (C–C chemokine receptor type 5), которая появилась тысячи лет назад, распространилась среди древних людей в Европе и действительно делает своих обладателей устойчивыми к инфицированию ВИЧ, однако в то же время имеет некоторые негативные последствия. История этого открытия представляет отдельный интерес.

Как нашли людей, устойчивых к инфицированию ВИЧ

Ген рецептора хемокинов CCR5 привлек внимание ученых и широкой публики в ­1990-х годах, когда выяснилось, что мутация в нем обеспечивает устойчивость к ВИЧ-инфекции, а в случае инфицирования замедляет развитие СПИДа. Ген кодирует белок-рецептор, который участвует в работе иммунной системы. Рецептор расположен в клеточной мембране лейкоцитов и при необходимости сигнализирует им, что пора двигаться в очаг воспаления. Сигнал этот он подает при связывании с хемокинами — небольшими белковыми молекулами, как раз и предназначенными для управления миграциями клеток (подробности в публикации [1]).

Эпидемия СПИДа началась с единичных зарегистрированных случаев в 1981 году, быстро превратившись в проблему здравоохранения глобального значения. Огромные усилия были направлены на поиск лекарственных средств и исследование путей заражения. В 1996 году сразу три группы исследователей обнаружили, что есть люди, устойчивые к инфицированию ВИЧ, и эта устойчивость связана с утратой работающего рецептора CCR5 [2–4]. Этот рецептор используется вирусом иммунодефицита как своего рода посадочная площадка при входе в клетку. Открытие было сделано при обследовании партнеров ВИЧ-инфицированных, многократно подвергавшихся риску инфицирования, но оставшихся ВИЧ-негативными. Оказалось, что у них синтезировался «огрызок» рецептора CCR5 из-за того, что в кодирующем его гене был утрачен небольшой фрагмент (32 «буквы»-нуклеотида), и это приводило к остановке синтеза белка.

Напомним, что каждый человек имеет по две копии гена — один получает от матери, другой от отца. У обследованных устойчивых граждан повреждены были обе копии. А вот если у человека была только одна поврежденная копия, то белок-рецептор синтезировался, но в меньших количествах. При этом заражение ВИЧ возможно, но размножение вируса у такого пациента происходило медленнее. Из-за этого все симптомы инфекции проявлялись позже.

Что именно дефект рецептора CCR5 придает устойчивость к ВИЧ, подтвердили несколькими способами. Исследователи показали, что культуры клеток, полученные от доноров с двумя дефектными копиями гена, не поддерживали размножение ВИЧ. Среди ВИЧ-инфицированных пациенты с двумя дефектными копиями гена попадались крайне редко (всего несколько человек в сотнях исследований; вирус может использовать и другие рецепторы). Даже носители одного дефектного варианта гена реже встречались среди ВИЧ-инфицированных. Оценка защитного эффекта, основанная на нескольких десятках исследований, показывает, что у носителей двух дефектных копий гена риск инфицирования снижен примерно в 17 раз, а у носителей одной дефектной копии — всего лишь на 13% [5].

Много ли устойчивых к ВИЧ?

Частота встречаемости дефектного гена CCR5 сильно отличается у представителей разных этнических групп (рис. 1). Самая высокая частота у эстонцев и северных русских — более четверти являются носителями одной или двух копий дефектного гена. К югу и востоку частота снижается, составляя в Южной Европе лишь 5–10% носителей одной дефектной копии и существенно менее 1% носителей двух таких копий. А у коренного населения Центральной и Южной Африки, Юго-Восточной Азии и Нового Света этот вариант гена практически не встречается ([6, 7]).

Неспециалисты (в том числе журналисты) часто не вникают в то, что одна копия дефектного гена почти не защищает от инфицирования, и пишут, что 25% русских устойчивы к ВИЧ. Как следует из приведенных выше данных, это не так. Защищены лишь носители двух копий дефектного CCR5, а их среди русских 1–2%.

Защитный эффект мутации демонстрирует следующий факт. В начале 1980-х годов, когда вирус иммунодефицита человека уже получил распространение в Европе и Америке, но контроль над ним еще не был установлен, многие больные гемофилией, получавшие регулярные переливания крови, были инфицированы. Обследование неинфицированных пациентов с гемофилией показало, что среди них у 16,3% (7 человек из 43) оба гена CCR5 были дефектны [8]. Это намного больше упомянутой выше популяционной частоты 1–2%. Повышена частота носителей двух дефектных вариантов гена и среди неинфицированных наркоманов, применяющих внутривенное введение наркотика. По сути дела, это иллюстрация процесса отбора устойчивых индивидов, которые остаются неинфицированными даже в условиях высокого риска.

Распространение дефектного гена

Что же могло привести к распространению мутации, защищающей от ВИЧ, в европейских популяциях? Явно не ВИЧ — он появился в Америке и Европе всего лишь 40 лет назад, и защищающий от инфицирования дефектный ген в это время уже существовал. Логично предположить, что это была какая-то инфекция в прошлом. Но какая и когда? Было выдвинуто несколько предположений разной степени обоснованности. Одна из моделей указывала на то, что дефектный вариант CCR5 распространялся в XIII–XIV вв. — именно тогда, когда чума выкосила треть населения Европы. Если мутантный ген защищал от чумы, то его частота должна была возрасти среди выживших. Но более поздние исследования показали, что чума ни при чем. У древних европейцев, из останков которых удалось выделить ДНК, частота дефектного CCR5 была примерно такая же, как у современного населения Европы. К тому же в захоронениях умерших от чумы и умерших от голода этот показатель был одинаковым. Дефектный вариант гена найден и в останках людей бронзового века, живших 5000 лет назад.

Другие модели рассчитывали, могла ли сформироваться современная картина распределения частот в результате миграций викингов, которые разнесли дефектный вариант по всей Европе и ее окрестностям, или в результате римских завоеваний, или по причине иных исторических событий. Но есть две этнические группы, исследование гена CCR5 в которых показывает, что отбор по этому гену происходил относительно недавно. Это евреи, расселявшиеся в Европе в течение последних 2000 лет, и европейские цыгане, предки которых покинули Индию 1000 лет назад.

В различных группах евреев-ашкеназов частота дефектного варианта CCR5 составляет в среднем 13,8%. У евреев-сефардов, марокканских и йеменских евреев она не превышает 2–5%, что соответствует значениям этой частоты у народов, проживающих в тех же регионах (табл. 1).

Отличия ашкеназов от сефардов и других групп евреев указывают, что частота дефектного гена CCR5 у ашкеназов возросла после того, как они отделились от сефардов [9]. Для того чтобы объяснить столь сильное различие по частоте мутации между ашкеназами и сефардами притоком генов от европейских популяций, надо предположить, что такой приток составил 80%, что не соответствует оценкам по другим системам генетических маркеров [10]. Следовательно, приходят к заключению исследователи, частота мутации у ашкеназов повысилась в результате отбора [9]. Вряд ли осмысленно предположение, что отбор действовал только на ашкеназов, а у остальных народов Европы мутация распространилась в результате миграций. Однако и роль случайных изменений частот дефектного варианта CCR5 нельзя сбрасывать со счетов: этот фактор особенно сильно мог действовать в еврейских популяциях, так как они прошли через многократные периоды снижения и роста численности.

У венгерских цыган частота этого дефектного варианта составляет 12,2% [11]. Цыгане расселились в Европе в Средние века. Частота дефектного CCR5 на их прародине, в Индии, не превышает 3–5%. Для цыган приток генов европейского населения выше, чем для евреев, и роль отбора для них могла быть менее значима. Однако, как и в еврейских популяциях, все эти процессы настроили частоту дефектного гена на «европейский уровень».

Безусловно, необходимо учитывать эффект основателя (когда от популяции отделяется небольшая по численности группа, которая может иметь сильно отличающиеся от исходной частóты вариантов генов) и случайные изменения частот вариантов генов, особенно в небольших расселяющихся группах. Однако совокупность приведенных данных свидетельствует скорее в пользу отбора, который действовал на территории Европы как до некоторого момента 3 000 лет назад, так и позже, в период расселения описанных выше групп. Причины отбора так и остаются неизвестными. Это может быть какая-либо инфекция, угрожавшая жизни древних европейцев и переставшая быть опасной для современного населения, или инфекционный агент, исчезнувший к настоящему времени.

Логично было бы заключить, что наиболее интенсивным отбор был в тех регионах, где сейчас наиболее высока частота дефектного варианта, то есть у северных русских, эстонцев и финнов. Напомним, там частота носителей составляет 25%. Но почему не близко к 100%? Почему бы всем не обзавестись мутацией, если она защищает от опасного заболевания? Примерно в то же время, что и дефектный ген CCR5, отбору подвергался вариант гена лактазы, обеспечивающий взрослым способность пить цельное молоко. И вот он как раз в Северо-Западной Европе достиг почти 100% частоты, ничто ему не помешало, и теперь практически все датчане и голландцы могут наслаждаться молоком.

Причин того, что повышение частоты определенного варианта гена остановилось, может быть несколько. Во-первых, устойчивость к некоторым инфекционным и паразитарным заболеваниям, например малярии, может обеспечиваться изменениями в нескольких генах. Тогда частота каждого отдельного варианта повышается до такого уровня, чтобы суммарный эффект был достаточен для выживания большинства. Во-вторых, мутация может обладать вредным эффектом, и этот эффект может зависеть еще и от внешних условий, например от климата. Тогда частота повышается до такого уровня, на котором защитный и вредный эффект сбалансированы. Могут быть и другие причины.

Нужно ли портить ген CCR5 у современных людей?

Ответ на вопрос, стоило ли рисковать, чтобы искусственно испортить ген CCR5 у эмбрионов так, как пытался это сделать Цзянкуй Хэ, уже сформулирован. Защиту от ВИЧ можно обеспечить гораздо более простыми способами, без генетических вмешательств. Кроме того, китайскому ученому не удалось воспроизвести природную мутацию, эффект которой известен. А защищают ли те изменения, которые он внес, от инфицирования ВИЧ, и не дают ли каких-либо побочных эффектов, неизвестно. Именно непредсказуемость вносимых в геном изменений делает использованный метод редактирования генома небезопасным и недозволенным для применения на человеке.

Но если бы удалось воспроизвести проверенную тысячелетиями природную мутацию, какие преимущества могли бы получить носители дефектного варианта гена?

Выясняется, что помимо устойчивости к ВИЧ дефектный CCR5 улучшает прогноз при энтеровирусной кардиомиопатии, понижает риск некоторых аутоиммунных заболеваний и имеет положительные эффекты в случае еще нескольких не очень распространенных нарушений здоровья. Но в то же время у его носителей повышена смертность при гриппе, хуже прогноз при инфицировании вирусом лихорадки Западного Нила, чаще встречается дисфункция сердца при тропической болезни Шагаса, отмечены нарушения функций мозга (обзор и ссылки: [1, 13, 14]).

Новейшее исследование, проведенное на более чем 400 тыс. добровольцев, показывает, что у носителей двух дефектных копий гена на 20% меньше шансов дожить до 76 лет, тогда как носители одной дефектной копии не отличаются по продолжительности жизни от тех, у кого мутации нет [13, 14]. Правда, исследование проведено на людях старше 40 лет, и пока неизвестно, какие эффекты в отношении жизнеспособности и репродуктивной активности имеет мутация у людей более молодых. Тем не менее это исследование также показывает, что цена за ­генетическую устойчивость к ВИЧ — потеря здоровья от других, более распространенных заболеваний.

Светлана Боринская,
докт. биол. наук, зав. лабораторией анализа генома Института общей генетики РАН

От редакции. Благодарим С. А. Боринскую за оперативный комментарий к заметке К. А. Мошкова «На генетическом олимпе нет ни серебряных, ни бронзовых призеров» [15], куда вкралась мелкая, но досадная неточность, касающаяся геногеографических исследований мутации CCR5delta32. Мы рады, что среди наших читателей и авторов есть чуткие профессионалы с орлиным взором!

См. также: комментарий автора статьи от 03.10.19

1. Ellwanger J. H., Kaminski V. L., Chies JAB. CCR5 gene editing — Revisiting pros and cons of CCR5 absence // Infect Genet Evol. 2019 Mar; 68:218–220.
2. Liu R, Paxton W. A., Choe S, Ceradini D, Martin S. R., Horuk R, MacDonald M. E., Stuhlmann H, Koup R. A., Landau N. R. Homozygous defect in HIV-1 coreceptor accounts for resistance of some multiply-exposed individuals to HIV-1 infection // Cell. 1996 Aug 9; 86(3):367–77.
3. Samson M, Libert F, Doranz B. J., Rucker J, Liesnard C, Farber C. M., Saragosti S, Lapoumeroulie C, Cognaux J, Forceille C, Muyldermans G, Verhofstede C, Burtonboy G, Georges M, Imai T, Rana S, Yi Y, Smyth R. J., Collman R. G., Doms R. W., Vassart G, Parmentier M. Resistance to HIV-1 infection in caucasian individuals bearing mutant alleles of the CCR-5 chemokine receptor gene // Nature. 1996 Aug 22; 382(6593):722–5.
   Главный автор статьи Марк Парментье (Marc Parmentier) недавно рассказал захватывающую историю о том, как от исследований гормонов щитовидной железы брюссельская лаборатория пришла к открытию рецептора ВИЧ и его роли в устойчивости к инфекции.
   Дополнительная литература: Parmentier M. CCR5 and HIV Infection, a View from Brussels // Front Immunol. 2015 Jun 8; 6:295.
4. Dean M, Carrington M, Winkler C, Huttley G. A., Smith M. W., Allikmets R, Goedert J. J., Buchbinder S. P., Vittinghoff E, Gomperts E, Donfield S, Vlahov D, Kaslow R, Saah A, Rinaldo C, Detels R, O’Brien S. J. Genetic restriction of HIV-1 infection and progression to AIDS by a deletion allele of the CKR5 structural gene. // Science. 1996 Sep 27; 273(5283):1856–62.
   Руководитель этой группы Стефан О’Брайен, сделавший очень много для исследования ВИЧ, в 2011 году возглавил Центр геномной биоинформатики им. Ф. Г. Добржанского, созданный в СПбГУ по мегагранту.
5. Боринская С. А., Кожекбаева Ж. М., Залесов А. В., Ользеева Е. В., Максимов А. Р., Куцев С. И., Гараев М. М., Рубанович А. В., Янковский Н. К. Снижение риска инфицирования ВИЧ и летальности у гетерозигот по делеционному аллеля CCR5del32 гена хемокинового рецептора: исследование случая фокусной нозокомиальной ВИЧ-инфекции и мета-анализ // Acta Naturae. 2012. Т. 4. № 1 (12). С. 44–54
   
6. Balanovsky O., Pshenichnov A., Solovieva D., Kuznetsova M., Voronko O., Balanovska E., Pocheshkhova E., Churnosov M., Tegako O., Atramentova L., Lavryashina M., Evseeva I., Borinska S., Boldyreva M., Dubova N. Is spatial distribution of the HIV-1-resistant CCR5del32 allele formed by ecological factors? // Journal of Physiological Anthropology and Applied Human Science. 2005. 24(4):375–382
   
7. Solloch U. V., Lang K, Lange V, Böhme I, Schmidt A. H., Sauter J. Frequencies of gene variant CCR5-Δ32 in 87 countries based on next-generation sequencing of 1.3 million individuals sampled from 3 national DKMS donor centers // Hum Immunol. 2017 Nov; 78(11–12): 710–717
   
8. Salkowitz J. R., Purvis S. F., Meyerson H, Zimmerman P, O’Brien T. R., Aledort L, Eyster M. E., Hilgartner M, Kessler C, Konkle B. A., White G. C. 2nd, Goedert J. J., Lederman M. M. Characterization of high-risk HIV-1 seronegative hemophiliacs // Clin Immunol. 2001 Feb; 98(2):200–11
9. Maayan S, Zhang L, Shinar E, Ho J, He T, Manni N, Kostrikis L. G., Neumann A. U. Evidence for recent selection of the CCR5-delta 32 deletion from differences in its frequency between Ashkenazi and Sephardi Jews // Genes Immun. 2000 Aug; 1(6):358–61
10. Ostrer H, Skorecki K. The population genetics of the Jewish people // Hum Genet. 2013 Feb; 132(2):119–27
    
11. Juhász E, Béres J, Kanizsai S, Nagy K. The Consequence of a Founder Effect: CCR5-∆32, CCR2–64I and SDF1–3’A Polymorphism in Vlach Gypsy Population in Hungary // Pathol Oncol Res. 2012 Apr; 18(2):177–82
    
12. База данных частот аллелей ALFRED
    
13. Wei X, Nielsen R. CCR5-∆32 is deleterious in the homozygous state in humans // Nat Med. 2019 Jun;25(6):909–910
14. Luban J. The hidden cost of genetic resistance to HIV-1 // Nat Med. 2019 Jun; 25(6):878–879
15. К. А. Мошков. На генетическом олимпе нет ни серебряных, ни бронзовых призеров // ТрВ-Наука. № 279 от 21.05.2019