Я — не моя ДНК. Генетика предполагает, эпигенетика располагает

Супер-Баффи была звездой столицы киноиндустрии, фильмы с ее участием приносили миллионы долларов, все от мала до велика ее обожали, а залы кинотеатров были переполнены во время показа фильмов с ее участием. Она была совершенно очаровательной, смешной и удивительно харизматичной. Но имела одну проблему: она была собакой, и жизнь ее была гораздо короче, чем у людей, поэтому со временем она уже не могла зарабатывать деньги для продюсеров и агентов Голливуда, всегда жаждущих продлить как можно дольше успех своих звезд, особенно тех, что беспрекословно подчиняются их командам или, по крайней мере, после первого недовольного рычания легко поддаются на уговоры ради печенья.

Действительно, Супер-Баффи не могла сделать пластическую операцию или прибегнуть к ботоксу, чтобы сохранить молодость и, следовательно, продлить время появления на экранах кинотеатров. Однако не все, что относилось к старению и закату звезды этой собаки, было завязано на презренном металле: миссис Донован, хозяйка собаки, любила ее как собственную дочь и хотела, чтобы она была рядом как можно дольше.

Но факт есть факт: собаки живут меньше, чем люди, и поэтому Супер-Баффи, несмотря на навязчивую опеку тех, кто ее окружал (и использовал), умерла. Слезы фанатов заполонили все первые полосы, а слезы белых воротничков с бульвара Сансет затопили кабинеты офисов. А миссис Донован, несмотря на то что тоже глубоко скорбела — естественно, больше, чем все остальные, — казалась удивительно спокойной на фоне отчаяния окружающих ее людей. У нее был секрет: она, в отличие от всех остальных, была готова. Неслучайно ведь Голливуд называют местом, где сбываются мечты!

Миссис Донован заранее заморозила клетки своей питомицы, и теперь они хранились в надежном месте — в главном здании биотехнологической компании, находящейся в Калифорнии, которая авторитетно заявляла, что сможет клонировать ее любимую Супер-Баффи.

Спустя тридцать тысяч долларов собака снова была дома. На первый взгляд она была прежней, но, конечно, Супер-Баффи не была абсолютно такой же, как ее прототип. Она не обладала ни той естественностью в работе на камеру, которую искали режиссеры, ни тем взглядом, который смешил детей, сидящих на первых рядах кинотеатров. Миссис Донован старательно ничего не замечала и, казалось, игнорировала происходящее, пока собака не укусила ее белую, почти прозрачную руку, чего Супер-Баффи никогда бы не сделала. Именно тогда, смотря на кровь, текущую из раны, миссис Донован пробормотала: «Эта Супер-Баффи совершенно точно не моя Супер-Баффи».

На следующий день собаку вернули в компанию, которая ее создала, и адвокаты со всего мира до сих пор спорят, нужно ли возмещать сумму, запустившую процесс.

Клонирование эпигенетики — сложная задача

Мораль этой выдуманной истории очевидна: возможно, мы способны создать живое существо с той же самой последовательностью ДНК, что и у первоначальной особи, то есть с той же самой генетикой, но в лабораторных условиях мы ни на йоту не приблизимся к воспроизведению эпигенетики.

Так, в гипотетическом случае создания клонов они были бы всего лишь плохими копиями первоначальных особей просто потому, что клон обладает тем же самым геномом, что и донор, но их эпигеномы различаются, а разная эпигенетика обусловливает разное поведение, разные черты характера и разные болезни. А если вы не согласны, то скажите это несчастной овечке Долли, которая отличалась от своей мамы ожирением, диабетом и артритом.

Позвольте мне рассказать вам в более академической форме, что с ней случилось, что было до нее и что произошло после.

Овечка Долли — первое клонированное животное?

В феврале 1997 года клонирование овцы Долли, млекопитающего (как и мы, люди), развязало полемику, и сегодня, двадцать лет спустя, мы так и не смогли прийти к соглашению.

Отправимся на двадцать лет назад и остановимся на моменте, когда Иэн Уилмут из института Рослина в Эдинбурге объявил, что получил овцу, рожденную 5 июля предыдущего года, из одной взрослой тканевой клетки другой овцы.

Несмотря на то что Долли не была первым клонированным животным, ее рождение послужило началом новой эпохи, так как впервые клонирование было произведено из дифференцированной клетки взрослого животного. Как сам Уилмут впоследствии заявил, можно было сказать, что Долли «родилась» в возрасте шести месяцев и семи недель.

Как это объясняется?

Мы знаем, что млекопитающие обычно размножаются половым путем, при котором сперматозоид самца оплодотворяет яйцеклетку самки и образовывается новый эмбрион. Долли же была клонирована путем пересадки ядра клетки молочной железы взрослой овцы в яйцеклетку другой овцы. После создания эмбрион был помещен в матку суррогатной матери.

Как создаются клоны? Как была создана Долли?

Процедура клонирования овечки Долли основана на ядерной пересадке, и ее концепция довольно проста. Ученые заменили ядро яйцеклетки, стимулировали развитие эмбриона и внедрили его в матку таким образом, чтобы в процессе вынашивания появилась особь, генетически идентичная особи, ядро клетки которой она получила. В случае с Долли процедура была следующей:

1. Во-первых, были извлечены клетки молочной железы овцы породы дорсет белого окраса. Эти клетки, как и все остальные в организме особи, содержат полный набор генов. Однако так как это специализированная клетка (клетка молочной железы), активны только те гены, которые необходимы для выполнения ее функции.

2. Когда клетки были извлечены, их переместили в специальную питательную среду, которая позволила им расти и делиться, — таким образом была выведена популяция копий клеток-прототипов.

3. Далее одну из этих клеток переместили в другую питательную среду, где клетка вошла в так называемую фазу покоя, в которой клеточное деление приостанавливается. Эта фаза необходима, так как зарождение жизнеспособных эмбрионов требует времени для перепрограммирования генома ядра и замены функции, которую изначально клетка выполняла (в данном случае часть молочной железы), на новую функцию — эмбриональную, и это перепрограммирование оказалось более эффективным в случае, когда оно начиналось в фазе покоя, а не в фазе деления.

4. Следующий шаг заключался в том, чтобы извлечь не-оплодотворенную яйцеклетку другой овцы, в нашем случае шотландской черномордой, которая отличается от породы финн-дорсет черным окрасом головы, о чем мы можем догадаться из названия. Из этой

яйцеклетки было извлечено ядро, то есть она осталась без собственного генома (хромосом, содержащихся в ядре), но с метаболическими механизмами, необходимыми для формирования здорового эмбриона.

5. После этого извлечения была произведена ядерная трансплантация, которая заключалась в том, чтобы поместить ядро клетки-донора в яйцеклетку, лишенную собственного генетического материала (для ясности: ядро породы финн-дорсет в яйцеклетку породы Шотландской Черномордой). Клетку-донор поместили рядом с яйцеклеткой, лишенной ядра, и направили на них слабый электронный импульс. Разряд привел к слиянию двух клеток в единую форму, как два мыльных пузыря сливаются в один (добавим метафоричности нашему повествованию). Стоит отметить, что ядерная трансплантация может быть достигнута и другими способами, например введением ядра в яйцеклетку с помощью очень тонкой иглы.

Рис. 1. Процесс «создания» Долли — первого в истории клонированного крупного млекопитающего

В случае «создания» Долли вслед за первым электрическим разрядом, приведшим к слиянию яйцеклетки и клетки молочной железы в одно целое, последовал второй разряд, целью которого было моделирование естественного оплодотворения и включение механизмов, запускающих перепрограммирование ядра, которое с этого момента перешло в фазу клеточного деления и формирования эмбриона.

Когда мы говорим о процессе клеточного перепрограммирования, то имеем в виду сложный и практически не изученный механизм. Известно только, что в процессе перепрограммирования имеет значение макромолекулярная структура цитоплазмы яйцеклетки.

Когда в журнале Nature была опубликована статья Иэна Уилмута с пошаговым описанием клонирования Долли, большая часть научного сообщества не признала достоверность его выводов. Но на тот момент Долли уже была неотвратимой реальностью (мы помним о том, что Уилмут опубликовал свою статью в феврале 1997 года, восемь месяцев спустя после рождения овечки в июле 1996 года) — реальностью, которая неожиданно стала одной из незыблемых догм биологии.

Так мир узнал о рождении самой знаменитой в истории овцы. Подобная сенсация была встречена роковыми предсказаниями со стороны не только прессы, но и всех слоев общества. Некоторые из этих предсказаний, не перестанем повторять это, были основаны не на научных фактах, а на богатой фантазии. Например, одна американская газета уверяла, что Долли была плотоядной и ела других овец. Пришествие овцы-каннибала!

Другие пророчества гласили, что по какой-то неведомой причине, о которой редакторы этих сенсационных новостей умолчали, к тому времени уже всем известная Долли была стерильна и тот факт, что она была клонирована с помощью дифференцированной клетки, а не происходила от слияния яйцеклетки и сперматозоида, означает, что генетический след станет причиной многих проблем. Именно так утверждали журналисты, специализирующиеся на научной составляющей статьи.

Вопреки всем прогнозам и к разочарованию тех, кто ждал появления армии клонированных овец-каннибалов, готовой расправиться с человечеством, как при вторжении инопланетян, не только рождение, но и сам факт существования Долли были откровенной насмешкой над горе-прорицателями. Теломеры овечки — структуры, расположенные в концевых участках хромосом, укорачивающиеся по мере взросления особи, — соответствовали уже более зрелому возрасту, но Долли не демонстрировала признаков преждевременного старения. Генетический след тоже, казалось, не создал явных проблем, более того, выяснилось, что животное не бесплодно: Долли произвела потомство, и ее потомки были и есть совершенно здоровы.

Так что в качестве заключения можно сказать, что самые страшные опасения не подтвердились: клонирование Долли — успех с большой буквы!

Подождите… Настоящий успех?

Однако для того чтобы понять и оценить в полной мере последствия и значимость клонирования Долли, нужно немного углубиться в историю. Первые попытки клонирования восходят не к Долли, как многие ошибочно полагают. На самом деле эту тему исследовали еще до рождения овечки и ставили соответствующие эксперименты в различных лабораториях. Можно сказать, что первые результаты были получены в 1980-е годы XX века в процессе разработки метода ядерной пересадки, который позволил заменить ДНК, содержащуюся в ядре зиготы, на ДНК ядра другой клетки. Результатом этой пересадки стало животное-реплика животного — донора ядра. Но для того, чтобы эта стратегия увенчалась успехом, донором должен быть эмбрион в начальной стадии развития, в то время как попытки клонирования с помощью клеток взрослых животных неизменно проваливались. Многие биологи пришли к выводу, что клонирование с использованием взрослых клеток невозможно, так как ДНК внутри ядра взрослых клеток претерпевает эпигенетические изменения, которые считались необратимыми, потому что эти клетки были предназначены для специализированной работы ткани, которой они принадлежали, например для производства или выделения молока.

Однако в 1997 году успех рождения Долли доказал, что ДНК взрослой клетки может перепрограммироваться или, как минимум, быть перепрограммированной, став частью яйцеклетки.

Очевидно, что реакция СМИ на клонирование Долли оказала влияние на выводы и мнение участников ток-шоу, обозревателей со всего мира и любого жителя любой точки земного шара в частности. Посмотрим, можно ли клонировать овец… может, и людей можно… Такая возможность всегда казалась угрозой человечеству (и виной этому в большей степени научная фантастика). Вопреки необоснованным страхам, параноидальным теориям и домыслам, эксперименты с клонированием животных активно продолжаются по сей день. Реальность такова: информация об эксперименте с Долли была повсеместно опубликована, потому что он увенчался успехом после сотен неудачных попыток. И несмотря на технический прогресс, достигнутый с 1997 года, успех продуктивного клонирования зависит от многих факторов, большую часть которых очень сложно контролировать. Именно поэтому процент неудачных попыток в образовании жизнеспособных клонов все еще очень высок.

Кроме того, к сложностям самого процесса ядерной пересадки нужно добавить проблемы, связанные с имплантацией эмбриона в матку. На самом деле Долли была единственным удовлетворительным результатом из 277 попыток, что, в конечном итоге, дает очень низкий процент (0,36 %) в сравнении с естественным путем оплодотворения.

На конференции по эпигенетике в Кистоуне в феврале 2002 года «отец» Долли Иэн Уилмут перечислил трудности, связанные с клонированием млекопитающих. Действительно, клонирование животных было опробовано на овцах, коровах, мышах, козах и обезьянах, но во всех случаях была констатирована низкая эффективность этого метода.

С другой стороны, даже в случае успеха оказались неизбежны проблемы, которые проявляются у клонированных особей в виде дыхательной недостаточности, сердечно-сосудистых заболеваний, иммунодефицита и короткой продолжительности жизни по сравнению с «нормальными» особями соответствующей породы. Необходимо заметить, что эти пороки поражают и животных, полученных обычным образом, хотя у них уровень заболеваемости гораздо ниже.

В целом весь этот список трудностей связан с техническими вопросами, которые еще не решены. Известно (и здесь мы возвращаемся к началу этой главы), что большая часть технических сложностей, которые необходимо устранить, возникает из-за эпигенетических дефектов.

Мурашки по коже, правда?

А сейчас несколько фактов, чтобы параноики могли спать спокойно

Доказано, что многие клонированные животные рождаются с проблемами, даже с серьезными аномалиями. Причина кроется в том, что у нормальных особей, не клонированных, в сперматозоидах происходит удлинение теломер (концевых участков хромосом, которые укорачиваются по мере старения) в течение первых этапов эмбрионального развития. В клонированных же организмах длина теломер взрослой клетки остается неизменной: она не увеличивается, что отражается на развитии таких аномалий, как преждевременное старение и рак. Из этого можно заключить, что как минимум до того момента, как наука сможет продвинуться в этом вопросе, пропуск этапа оплодотворения будет сказываться на особях, созданных или рожденных, так сказать, нетрадиционным способом.

Геном организма практически одинаков во всех клетках (отличается он в гаметах и В- и Т-лимфоцитах). Однако каждая клетка организма будет располагать разной эпигенетической информацией в зависимости от ее типа, функции, этапа развития, пролиферации, активности и т. д. Поэтому в настоящее время воспроизвести все эпигенетические модификации клетки в определенный момент — задача невыполнимая.

Какие именно факторы отвечают за то, что клонирование животных не всегда проходит успешно?

Процесс репродукции приводит к сильному стрессу клеток, которые в нем участвуют. Кроме того, для репродукции используются сложные технологии, которые оказывают влияние как на клетки, так и на их ядра, так что коэффициент результативности, как мы убедились, довольно низкий.

Вспомним еще раз, что в случае овечки Долли клонирование прошло успешно после неудачного использования 277 яйцеклеток. Так что до сих пор поставить клонирование млекопитающих на поток, как в одном из эпизодов «Звездных войн», не получается.

Спокойно, обитатели Галактики, сегодня войны клонов возможны только благодаря магии кино.

В прессе недавно было объявлено, что получилось клонировать стволовые клетки человеческого эмбриона. Неужели мы приблизились к клонированию людей? Нет, потому что, как мы уже говорили, проблема этого метода в том, что в процессе клонирования используются уже специализированные клетки взрослых организмов, в которых теломеры состарились (то есть укоротились), что и является главным препятствием для клонирования человека.

Конечно, мы также не должны забывать о совершенно закономерно возникающих в отношении клонирования этических и законодательных ограничениях.

Для особо настойчивых, которые до сих не верят: даже если, несмотря на все препятствия, о которых мы упомянули (среди которых законодательный запрет на клонирование), все же найдутся желающие клонировать людей без оплодотворения, теоретически они смогли бы добиться успеха (так же, как смогли клонировать овечку Долли). Однако — и это очень важно — даже если клонирование удастся, клоны будут подвержены серьезным заболеваниям, вызванным преждевременным старением клеток в процессе эмбрионального развития.

После того как мы предельно ясно обрисовали возможные варианты создания человеческого клона, перейдем к научной теории и соотнесем все, что знаем о клонировании, с интересующей нас областью — эпигенетикой, чтобы раскрыть, до какой степени эта наука необходима в нашем развитии. Мы стремимся доказать, что на самом деле именно она является основным препятствием на пути клонирования.

Существует два метода получения эмбриональных клеток.

С одной стороны, метод собственно клонирования, который заключается в том, что извлекается ядро оплодотворенной яйцеклетки и в нее помещается ядро взрослой соматической клетки. В результате получается эмбрион-клон человека — донора соматического ядра. В процессе эмбрионального развития появляется возможность отделить эмбриональные клетки. Это вызывает неизбежные этические противоречия, так как эмбрион таким образом разрушается и используется как источник для стволовых клеток, хотя мог бы превратиться в живого человека, если бы ученые не препятствовали его развитию.

Другой метод состоит в том, чтобы взять взрослую клетку и способствовать ее «перепрограммированию» в эмбриональную клетку, то есть, например, превратить клетку кожи или крови в эмбриональную плюрипотентную клетку Таким образом мы можем избежать этических вопросов, потому что не трогаем никакие эмбрионы ни на каком этапе. Необходима только группа клеток с плюрипотентными свойствами, чтобы воспроизвести любой тип ткани. Проблема этого метода заключается в том, что перепрограммирование клеток влечет за собой появление тератом (опухолей эмбрионального происхождения, сформированных зародышевыми плюрипотентными клетками) с прогрессивным прорастанием.

Априори дела обстоят следующим образом: доказано, что окружающая среда влияет на эпигенетику эмбриональных клеток. То есть профиль метилирования ДНК (одной из классических эпигенетических меток) выращенных в лабораторных условиях клеток подвержен воздействию внешних факторов.

Во взрослом организме существует огромное количество клеток и тканей, не способных регенерироваться, и всего несколько стволовых клеток, способных изменяться в конкретные ткани, например сателлитные мышечные клетки, которые регенерируют поврежденную мышцу (но только в молодом организме, не в постаревшем), или гемопоэтические стволовые клетки, которые производят кровяные клетки.

Поэтому открытие допустимого источника стволовых клеток стало бы поворотным моментом для решения многих медицинских проблем, связанных с отсутствием регенерации, и предоставило бы целый ряд возможностей для регенеративной медицины. Представим на минуту, что бы это означало для пациентов: пережившие инфаркт могли бы рассчитывать на стволовые клетки, которые трансформировались бы в сердечную мышцу, клетки поджелудочной железы стали бы доступны для больных диабетом, даже для лечения спинного мозга нашлись бы нервные клетки.

На данный момент — мы не устанем это повторять — существуют этические, законодательные и методологические ограничения, связанные с получением стволовых клеток для этих целей. Но в долгосрочной перспективе это может стать лучшим лечением для тех серьезных заболеваний, которые мы только что перечислили, и многих других, так как, помещая стволовые клетки в определенную среду (что отражается на их эпигенетике), мы смогли бы дифференцировать те типы клеток, которые интересуют нас в каждом конкретном случае.

И все же, обсуждая эту тему, важно помнить, что одно дело — заполучить клетки и совсем другое — воспроизвести ткани и мышцы, которые являются структурами высокой сложности. Сегодня существует множество исследовательских групп, которые работают над регенерацией органов ex vivo (вне организма).

Скорее всего, да, так как медицинские технологии движутся в очень многообещающем направлении. Ярким примером является изучение лекарств с магнитными частицами, которые с помощью магнитных полей направляются в поврежденные зоны организма.

Эта технология — не только пример, демонстрирующий, как происходит развитие в этой области. Кто знает, может, в ближайшем будущем ученые смогут производить стволовые клетки и направлять их в те места организма, где необходима регенерация, чтобы вызвать их дифференцировку.