Человек редактированный, или Биомедицина будущего - Киселев Сергей Владимирович
Эти ранние зародышевые стволовые клетки называют эмбриональными — по месту их нахождения или плюрипотентными — по их функциональным возможностям. Плюрипотентность (от лат. pluri — много) означает способность дифференцироваться в большое количество разнообразных клеточных типов. Эти клетки уникальны своим потенциалом: из них можно получить клетки и крови, и мозга, и кишечника, и печени, и... еще пару сотен других. Но откуда их взять для взрослого человека, организм которого уже прошел этап эмбрионального развития?
А что, если попробовать использовать для этого обычную соматическую клетку? Ведь в конце концов, геном и у одноклеточного эмбриона, и у стоклеточного зародыша, и у взрослого организма одинаков. Просто для развития и жизнедеятельности организма не нужна работа всех генов во всех клетках одновременно. На ранних стадиях развития сначала работают одни комбинации генов, через пару дней некоторые гены выключаются и включаются другие, еще через неделю возникает новая комбинация и т. д. Если же мы возьмем взрослый организм, то в каждой определенной его клетке на протяжении всей жизни должна работать стабильная комбинация некоторых генов, причем в разных специализированных клетках потребуется активность разных генов, а остальные будут выключены (репрессированы).
Тонким балансом между активностью одних и репрессией других генов как раз и достигается клеточное совершенство — гомеостаз, то есть саморегуляция, направленная на поддержание стабильного состояния. Но что произойдет, если в специализированной клетке взрослого организма активировать те гены, которые нужны на стадии стоклеточного эмбриона, то есть репрограммировать ее — заставить выполнять программу эмбриональной клетки? Для этого можно провести генную терапию. Мы используем вирус, в котором находится нужный ген, по каким-то причинам не работающий в клетке, затем вводим нашу конструкцию в ДНК клетки, и вот — извольте! — в ней начинает работать ген, привнесенный вирусом.
Именно так поступили японские исследователи под руководством Синъя Яманака с клетками мыши, а чуть позже и человека. В 2006 году были опубликованы результаты этого исследования. Ученые применили к клеткам, полученным из взрослого организма, генную терапию четырьмя транскрипционными факторами, которые активно работают на стадии эмбрионального развития. И — о чудо! — эти клетки репрограммировались в эмбриональное состояние плюрипотентности, а эту четверку транскрипционных факторов назвали «магическая четверка» (magic four).
Это значит, что любую клетку нашего организма в лабораторных условиях можно перевести в плюрипотентную стволовую! Представьте, ведь потом из них можно получить любую клетку организма — и это действительно может оказаться прорывом в регенеративной медицине. Я не буду вдаваться в подробности технологии и ее научные основы, скажу лишь, что всего через шесть лет после появления первой статьи Синъя Яманака получил за эту технологию Нобелевскую премию. Такой короткий срок повторяет рекорд Вильгельма Рентгена — первого в мире лауреата Нобелевской премии по физике, который в 1895 году впервые применил свои лучи и получил изображение металлического кольца на ладони, а в 1901 году ему была вручена Нобелевская премия. Только эти два открытия, две технологии, два человека — Вильгельм Рентген и Синъя Яманака — не попали под действие известного правила номинантов: чтобы получить премию, надо жить долго.
Итак, применяя генную терапию для клетки, мы можем изменять ее судьбу, но, к сожалению, не всегда бесследно. Введенные вирусы, гены, дополнительные последовательности ДНК представляют потенциальную, хотя и не очевидную опасность. Однако если точечно активировать «магическую четверку» генов с помощью направленного действия активаторной CRISPR/Cas9-системы, клетка репрограммируется до состояния плюрипотентной стволовой без всякого генетического следа от проведенного воздействия.
При использовании CRISPR/Cas9 исследователи вводят свою генно-инженерную конструкцию прицельно, направляя ее на каждый конкретный ген. Конечно, выбрать его весьма непросто — необходимы большая работа и хорошее понимание процесса. Но зато если мы поймем, какой ген в каждом патологическом процессе является ключевым, и сможем с помощью этой системы на него воздействовать, то подобный подход позволит решить многие медицинские и биологические проблемы. В частности, CRISPR/Cas9 позволяет углубить наши знания об устройстве живой клетки и о тех сложнейших процессах реализации (проявления) генетической информации, которые в ней происходят.
Многие помнят изображение хромосом в школьных учебниках в виде буквы X. Оно очень распространено, хотя надо понимать, что такой вид хромосомы имеют только в момент, когда клетка начинает переходить к процессу деления — митоза. Именно своим перекрестьем они прикрепляются к определенным структурам во время метафазы (стадия митоза) и расходятся по разным клеткам. Они так и называются — метафазные хромосомы. В этот момент они сильно конденсированы, то есть генетический материал в них очень плотно упакован, ведь хромосомы содержат нить ДНК длиной несколько десятков сантиметров, генетическую информацию которой надо поделить между двумя дочерними клетками без потерь.
Сам процесс деления клетки продолжается недолго. Большую часть времени клетка пребывает в интерфазе — состоянии между делениями, когда занимается своей «профессиональной» деятельностью. Длительность интерфазы у клеток разной специализации сильно различается. Например, нейроны находятся в стадии интерфазы практически на протяжении всей жизни организма; можно считать, что они не делятся. А вот активированные лимфоциты будут делиться примерно один раз за промежуток времени от двух до двадцати четырех часов, в зависимости от степени их активации. Им же надо бороться с инфекцией! Именно после встречи с инфекцией они становятся активированными и начинают делиться. В любом случае клетка уделяет значительное время выполнению своих специальных функций, то есть определенная часть генетической информации должна быть постоянно доступна для считывания.
Как вы понимаете, с ДНК, плотно упакованной в крошечных «червячках» метафазных хромосом, сложно считывать информацию. Поэтому хромосомы деконденсируются — молекула ДНК раскручивается и заполняет собой все ядро. Если окрасить каждую хромосому в свой цвет, ядро в этот момент по раскраске будет напоминать трехмерный пазл или очень сложную головоломку — 3D-шар. Различные фрагменты одной хромосомы соседствуют с фрагментами другой, переплетаясь, а некоторые очень отдалены. И это не хаос а стабильно сохраняющееся состояние генетического материала в интерфазе — фазе «профессиональной» деятельности клетки.
На этом этапе клеточного цикла хромосомы занимают хромосомные территории в пространстве ядра. Расположение соседних территорий и определяет закрытость или открытость генетических файлов, то есть комбинаций тех генов, которые должны работать в специализированной клетке, ведь они раскиданы по разным хромосомам (и это правильно: «не клади все яйца в одну корзину»), но работать должны скоординированно. Для этого считывающие транскрипционные комплексы (помните наши ленточные магнитофоны XX века и современные стримеры?) собираются в определенных местах ядра, и необходимые гены располагаются там же, даже если они на разных хромосомах и работают под воздействием одного транскрипционного комплекса, так как находятся в одном определенном месте. Для понимания работы всего генетического аппарата обнаружение активных генов с разных хромосом, находящихся физически в одном месте, имеет огромное значение. Это уже не изучение одного-единственного гена в пробирке, а исследование синхронизированной работы генов в клетке.
Технологии секвенирования нового поколения и современные информационные технологии позволили предсказать такие возможные генетические комплексы. Но, увы, только теоретически. С определенной вероятностью, довольно высокой — девяносто пять, девяносто, восемьдесят пять, восемьдесят процентов, — можно сказать, что эти два, три, четыре, пять... генов действительно находятся рядом и используют одну и ту же транскрипционную машину. Но как это подтвердить на сто процентов? Вот если бы можно было увидеть своими глазами! Оказалось, что можно, и в решении этой проблемы ученым помогли... медузы.
