Знание-сила, 2009 № 06 (984)

Забег сильнейших

Рафаил Нудельман

У журнала Science, органа Американской ассоциации содействия науке и второго по престижности научного издания в западном мире, есть славная традиция — вскоре после завершения каждого очередного календарного года публиковать список его научных достижений, которые, по мнению экспертов редакции, являются важнейшими — причем в порядке их важности.

В начале 2009 года Science вновь представил читателям свой «забег сильнейших». Главным научным достижением 2008 года в журнале названо «перепрограммирование клеток». Что это такое — перепрограммирование? Грубо говоря — это направленная переделка клеток из одного вида в другой. Дело в том, что каждый вид клеток в нашем теле имеет свою, заданную специализацию: скажем, некоторые клетки поджелудочной железы «от природы» запрограммированы вырабатывать инсулин, а некоторые клетки печени точно так же запрограммированы вырабатывать холестерол, а нервные клетки запрограммированы на проведение электрохимического сигнала, тогда как мышечные — на сокращение и т. д. и т. п.

Эта специфическая для каждого вида клеток программа их работы определяется тем, какие гены в этих клетках работают, а какие выключены. Но выражение «запрограммированы от природы» несколько грубо. На самом деле программы закладываются в клетки постепенно, по мере появления разных тканей и органов в ходе развития эмбриона. Какой-то пока еще непонятный механизм выключает в клетках одного вида одни гены, в клетках другого вила — другие и так далее. Одновременно в эмбрионе откладывается — так сказать, «на всякий случай» — запас не вполне дозрелых, или стволовых клеток разного вида, которые еще не совсем специализированы в тот или иной вид, но в случае нужды могут быть быстро «призваны под ружье».

Такая нужда появляется, например, в случае болезни. И слишком часто бывает, что «запаса» не хватает и болезнь развивается, порой со смертельным исходом. Поэтому очень важно было бы найти способ искусственно создавать запасные клетки любого нужного вида. Тут-то и возникает идея переделки клеток: взять здоровые клетки у этого же человека и перепрограммировать их так, чтобы они стали взрослыми или хотя бы стволовыми клетками того или иного вида, которые потом можно было бы размножить в лаборатории до нужного количества. Но как это сделать?

Долгое время считалось, что чем дальше уходит клетка по пути специализации, тем менее обратим этот процесс, что взрослые клетки так необратимо специализированы, что никакой переделке, никакому перепрограммированию не поддаются. Напротив, самые первые стволовые клетки, которые откладываются «про запас» на самых ранних стадиях эмбрионального развития, могут — при соответствующих условиях — превращаться во взрослые клетки любого вида, они, как говорят, тотипотентны (от слова «тоти» — все). По мере роста и взросления эмбриона стволовые клетки тоже несколько взрослеют и становятся отчасти специализированными — в том смысле, что теперь они уже могут превращаться не во все, а лишь в некоторые виды взрослых клеток, они, как говорят, уже не тотипотентны, а всего лишь плюрипотентны (от слова «плюри» — много).

А после рождения, во взрослом организме, стволовые клетки тех или иных тканей уже специализированы настолько, что могут превращаться только во взрослые клетки своего типа (так, стволовые клетки костного мозга взрослого человека уже так близки к взрослым, что могут превращаться, преимущественно, только в красные клетки крови). У этих стволовых клеток есть и другой недостаток — их крайне трудно добывать из живых тканей (костный мозг в этом смысле исключение). Так что в целом, как видим, на роль исходного материала для изготовления необходимого для медицины терапевтического (то есть лечебного) запаса всякого рода клеток подходят только стволовые клетки эмбрионов — лучше тотипотентные, но в крайнем случае плюрипотентные тоже.

Первый шаг на этом пути был сделан в июле 1996 года, когда шотландский ученый Вильмут и его коллеги впервые сумели искусственно получить нужную эмбриональную клетку путем переделки взрослой клетки. Вот как это было сделано. Из вымени взрослой овцы была извлечена клетка, а из нее — ядро со всеми его генами. Часть генов этого ядра была включена, а часть выключена (именно поэтому клетка была специализирована только на то, чтобы производить молоко). Затем из яичников какой-то другой овцы была извлечена яйцеклетка. Ее ядро было удалено, а взамен в нее было пересажено специализированное ядро клетки вымени. Полученный «гибрид» был подвергнут короткому удару током, который «сварил» ядро с чужой протоплазмой. И в результате всей этой процедуры произошло желаемое: все выключенные гены специализированного ядра включились заново, так что «гибридная» клетка стала фактически эмбриональной (тотипотентной).

Это было доказано тем, что когда ее подсадили в матку третьей овцы, клетка стала развиваться — сначала в эмбрион, а потом и в целое животное — знаменитую овечку Долли. Понятно, что все гены у этой овечки были такие же, как в исходной клетки вымени, то есть как у первой овцы. Иными словами, она была генетическим подобием, или клоном, своей мамы. Любой ее орган и любую ее ткань можно было, в случае надобности, без опаски пересаживать в маму. Она была ходячим запасом любых ее клеток.

Казалось бы, задача решена: нужно применить ту же методику к человеку и на первых же этапах эмбрионального развития его клона, когда в эмбрионе уже отложился запас тотипотентных стволовых клеток, извлечь эмбрион, убить его и вынуть из него эти клетки. Повторяя эту процедуру, можно получить любое нужное количество запасных тотипотентных клеток, которые можно будет превращать в любые нужные этому человеку взрослые клетки, причем поскольку это клетки клона, то при пересадке этому человеку они не будут вызывать иммунного отторжения.

Такая перспектива, однако, вызвала глубокое этическое отторжение большинства людей. К тому же оказалось, что полученные методом клонирования эмбрионы содержат скрытые генетические нарушения, дальние последствия которых трудно предвидеть. Это означало, что метод клонирования (очень эффективный для получения клонов животных) не подходит для человека. Стало быть, он не решает задачу создания запаса стволовых клеток и нужно искать что-то другое.

Однако открытие Вильмута, пусть и не решив задачу, тем не менее проложило путь к ее решению. Задумавшись над тем, почему вообще Вильмуту удалось превратить ядро взрослой клетки в ядро клетки эмбриональной, то есть включить все выключенные гены взрослого ядра, ученые пришли к выводу, что решающую роль в этом сыграла протоплазма яйцеклетки. Этот вывод побудил заняться детальным изучением яйцеклеточной протоплазмы в поисках тех, доселе неизвестных факторов, которые «обратили необратимое»: включили выключенные гены и тем самым перепрограммировали взрослую клетку в эмбриональную.

На этом пути ученых ожидал второй успех. Им действительно удалось найти и выделить из яйцеклеточной протоплазмы несколько белков, которые обладали этой «перепрограммирующей» активностью. Поскольку любой белок создается по «инструкции» определенного гена, то экспериментаторы стали искать гены упомянутых белков. Эти гены тоже были найдены (они получили название «эмбриональных маркеров», потому что, как оказалось, они работают у животного только в эмбриональном состоянии и выключаются во взрослом).

Тогда возникла мысль проверить, работают ли они сами по себе, без всякой протоплазмы, то есть могут ли они сами превратить взрослую клетку в эмбриональную, минуя всю процедуру Вильмута. Такая проверка требовала введения генов-маркеров в ДНК взрослой клетки (например, прицепив их к генам какого-нибудь — предварительно ослабленного — вируса, который обладает способностью, заражая клетку, встраивать свои гены в его ДНК). Предполагалось, что тогда маркеры вызовут образование в ней своих «перепрограммирующих» белков (которые, как уже сказано, в нормальной взрослой клетке не производятся), а эти белки заставят клетку стать эмбриональной — так сказать, «индуцируют» в ней эмбриональность.

Такой эксперимент произвели в 2006 году японские исследователи Яманаки и Такахаши. Вместо того чтобы соединять ядро взрослой клетки и «выпотрошенную яйцеклетку, как это делал Вильмут, они просто ввели во взрослую клетку (из кожи хвоста взрослой мыши) 4 гена из числа «эмбриональных маркеров» и убедились, что взрослые мышиные клетки действительно претерпели перепрограммирование и превратились в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, сокращенно (iPS) — клетки. Следующий важнейший шаг был сделан в следующем, 2007 году, когда тот же Яманаки и две другие группы, из США, сумели повторить эту индукцию на взрослых клетках человека. Оказалось, что для их перепрограммирования в (iPS) — клетки нужны — и достаточны — те же четыре эмбриональных маркера, что и для мыши.

Успех Яманаки открыл путь к созданию искусственных стволовых клеток так сказать «из материала заказчика», то есть из взрослых клеток любого человека. Эти клетки поддаются дальнейшему размножению в лабораторных условиях и способны в силу своей плюрипотентности превращаться во многие виды взрослых клеток.

Пока, однако, на этом пути есть несколько трудностей. Прежде всего еще не выяснена детальная структура (iPS) — клеток, непонятно, насколько опасно присутствие в их ДНК вирусных генов, с помощью которых они были созданы, неизвестно, как эти клетки будут вести себя при пересадке, — короче, есть целый ряд вопросов, которые необходимо выяснить, прежде чем метод Яманаки можно будет считать вполне безопасным и надежным. А кроме того, этот метод пока и не очень эффективен, мягко говоря, — на каждые 10 тысяч взрослых клеток, отобранных для эксперимента, превращается в (iPS) — клетку только одна!

Это странное обстоятельство, возможно, объясняется тем, что процесс перепрограммирования взрослой клетки, то есть включения ее выключенных генов, чрезвычайно сложен. По мнению ученых, в процессе специализации ненужные гены выключаются путем очень тесной упаковки белковых молекул, которыми обмотаны все ДНК клетки. В результате эта упаковка закрывает все подходы к ненужным генам, и они не могут работать. Стоит, однако, этим белкам разойтись чуть свободнее, и проход открывается, так что ген может включиться обратно.

Детальные исследования показали, что в ходе жизни взрослой клетки плотность упаковки белков вокруг ее ДНК непрерывно меняется, так что даже «выключенные» гены на какие-то доли секунды могут получить возможность «общения» с окружающей средой. Если в такой удачный момент в образовавшийся просвет случайно войдут «перепрограммирующие» белки, они могут сыграть роль «клиньев», постоянно удерживающих раскрывшуюся упаковку от обратного сжатия, и тогда включившиеся гены так и останутся включенными, и клетка превратится в стволовую. Но такое «расклинивание», понятно, является делом случая и редкой удачи — и вот почему, возможно, доля получаемых в экспериментах (iPS) — клеток столь мала.

Тем не менее даже при таком ничтожном КПД метод (iPS) — клеток уже позволил добиться крайне важного, с точки зрения практической медицины, успеха. В 2008 году нескольким группам исследователей удалось перепрограммировать взрослые клетки, полученные от людей, страдающих разнообразными болезнями (включая диабет первого типа, болезнь Дауна, болезнь Хантингтона, прогрессирующий мышечный паралич и т. д.), и превратить их в (iPS)-клетки. Огромное значение этого успеха для практической медицины состоит в том, что теперь эти больные клетки удастся размножать в лабораторных условиях (что до сих пор, как правило, не удавалось сделать со взрослыми больными клетками), а значит — можно будет наконец детально исследовать их «порчу» и искать химические или генетические пути ее лечения.

Но, кроме того, успешное превращение взрослых клеток в (iPS) с помощью нескольких «эмбриональных маркеров» побудило других исследователей к поиску еще более эффективных маркеров, которые могли бы способствовать таким превращениям. И на этом пути группа Жу из Соединенных Штатов добилась в 2008 году второго важного успеха. Эти исследователи нашли во взрослых клетках такие белки, которые могут играть роль своего рода «рубильников» — их действие напрямую «перебрасывает» взрослую клетку из одного вида в другой, минуя промежуточный этап превращения ее сначала в эмбриональную, а потом этой эмбриональной — в другую взрослую. Жу и его коллегам удалось найти три гена таких «белков-рубильников» для случая превращения обычных клеток поджелудочной железы в инсулин производящие бета-клетки. После введения этих генов (с помощью вируса) в обычные клетки, около 20 % (!) таких клеток стали производить инсулин, то есть превратились в бета-клетки.

Все эти успехи существенно приближают науку к разработке эффективных методов переделки клеток в любом нужном направлении в любом нужном количестве, и не случайно журнал Science назвал их важнейшим научным достижением минувшего года вообще.