Знание-сила, 2014 № 07 (1045)

Руслан Григорьев

Как лечить хромосому

Все живые существа, которые размножаются сексуальным путем, содержат в клетках набор из определенного числа генетических молекул — так называемых хромосом. При этом каждая хромосома представлена в клетке дважды — одна от отца, другая (с теми же по функции генами) от матери. У человека таких хромосомных пар 23 (из них одна пара — половые хромосомы, о которых ниже) и этот набор повторяется во всех клетках человеческого организма, за исключением половых. Половые клетки (сперматозоиды у мужчин и яйцеклетки у женщин) образуются путем деления клетки- предшественницы на две дочерние, в результате чего в каждой из этих дочерних клеток остается только половина набора — 23 единичных хромосомы. Когда при оплодотворении сперматозоид соединяется с яйцеклеткой, они образуют зародышевую клетку, в которой каждая из хромосом получает себе подобную в пару. Деление этой зародышевой клетки происходит иначе, чем в случае половых клеток: перед каждым делением парный набор хромосом удваивается, так что каждая из телесных клеток растущего зародыша (а в дальнейшем и всего организма) получает полный набор из 23 хромосомных пар.

Так вот, иногда при образовании половых клеток случается так, что какая-то пара хромосом почему-либо не расходится полностью и остается в сперматозоиде или яйцеклетке. Тогда в зародышевой клетке эта хромосома, понятно, будет представлена не двумя, как в норме, а тремя хромосомами одного и того же вида. Такое явление как раз и называется «трисомия». Бывает, кстати, и тетрасомия, и даже пентасомия, но уже намного реже. Вполне возможна также и моносомия, — когда какая-то хромосомная пара зародышевой клетки представлена всего одной хромосомой. Так или иначе, все эти «хромосомные аномалии» всегда влекут за собой те или иные — иногда крайне тяжелые — дефекты развития зародыша. Скажем, самая частая трисомия человека — трисомия шестнадцатой по счету хромосомы, или, как говорят для краткости, трисомия 16, которая случается, в среднем, один раз на каждую сотню беременностей, дело автоматически, в 100 % случаев, кончается выкидышем. Но порой не поймешь, что хуже — выкидыш или рождение ребенка с набором (или, как говорят врачи, «синдромом») тяжелых умственных и физических отклонений от нормы.

Та болезнь, о которой пойдет речь, — это трисомия 21, вызывающая всем известный синдром Дауна.

Строго говоря, очерк этот посвящен не самой болезни Дауна, а двум новостям «с передней линии» — той, где врачи и ученые совместно ищут средства борьбы с этим тяжелейшим недугом. В последнее время появились две хорошие новости. Первая касается раннего выявления болезни. Средства такого выявления были известны и раньше, они сводятся к анализу материнской крови во время беременности, но прежние методы страдали двумя существенными недостатками. Во-первых, эта проба крови требовала такого «вторжения» в женский организм (конкретней — прокалывания околоплодного пузыря), которое часто приводило к выкидышу. Но еще существенней было то, что такой анализ давал уверенный ответ только на достаточно продвинутой стадии беременности — во втором триместре, примерно на 15-й неделе.

Почему это недостаток и к тому же существенный? Дело в том, что многие родители, даже узнав о болезни ребенка, зачастую отказываются от аборта. Это особенно характерно для стран с распространенной религиозностью. Например, в США 60 % женщин при опросе заявили, что, получив позитивный результат «анализа на Даун» на 15-й неделе, они ни за что не сделают аборт. А вот против аборта в первом триместре беременности категорически возражают всего 30 % женщин. Так вот, в июле 2013 года авторитетный медицинский журнал New England Journal of Medicine опубликовал сообщение о том, что разработан совершенно новый метод «анализа на Даун», свободный сразу от обоих этих недостатков. Во-первых, он не требует вторжения в околоплодный пузырь. А во-вторых, он дает уверенный ответ уже на 9-й (!) неделе беременности, что резко улучшает шансы на безвредный (для женщины) аборт и тем самым может существенно повлиять на решение родителей. Чувствительность нового метода весьма высока: он верно обнаруживает трисомию в 98 % случаев и верно различает трисомии 21, 18 и 13 в 99,5 % случаев. Как пишет журнал, этот метод, по ряду причин, еще требует доработки, но уже сейчас можно думать, что он произведет подлинную медицинскую и психологическую революцию в своей области.

Вторая новость — уже из области лечения, но она требует своего объяснения — в данном случае, в вопрос о половых хромосомах. Выше я говорил, что таких у человека две — женская X и мужская Y. Они образуют одну пару из 23-х, а половыми они называются потому, что некоторые из расположенных на этих хромосомах генов содержат программы на производство, соответственно, мужских и женских половых гормонов (прежде всего, эстрогена и тестостерона). Если зародышевая клетка получила от матери хромосому X, а от отца хромосому Y, то ребенок будет мальчиком, если и от матери, и от отца придут хромосомы X, — родится девочка. Иными словами, у мужчин пара половых хромосом имеет вид XY, а у женщин — XX. И это различие может быть источником существенной аномалии, потому что у мужчин каждый ген хромосомы X представлен одним экземпляром, а у женщин — двумя. А поскольку хромосома X очень велика и содержит много генов, то наличие у женщин двух таких хромосом может привести к избыточному производству многих белков. Как говорит поговорка, «все, что слишком, уже чересчур», и вот в ходе эволюции были отобраны только такие женщины, у прародительницы которых когда-то случайно возникла защита против этой аномалии.

Вот в чем состоит эта защита. На одной из двух Х-хромосом женского зародыша имеется ген, по программе которого уже на ранних стадиях беременности во всех клетках зародыша образуется особая молекула (ученые обозначают ее символом XIST). Эта молекула тотчас обволакивает свою хромосому X и полностью, на всю дальнейшую жизнь, выключает ее из работы. Тем самым опасность «лишних белков» оказывается исключенной, что называется, «в зародыше». Само собой понятно, что и в этом процессе могут быть сбои: неполное выключение или, наоборот, выключение, так сказать, чрезмерное, когда такая же молекула обволакивает и вторую Х-хромосому. И тот, и другой сбой, увы, тоже ведут к неприятным последствиям, но для нас сейчас достаточно и уже сказанного, потому что теперь мы сможем понять, в чем состоит достижение профессора Джин Лоуренс и ее коллег из Медицинской школы университета штата Массачусетс (США). Эти исследователи показали, что та же молекула способна обволакивать и выключать из работы не только вторую X у женщин, но и ту лишнюю хромосому, которая в трисомии 21 вызывает болезнь Дауна.

Это была новость в кратком изложении, теперь — некоторые подробности. Исследователи получили в свое распоряжение стволовые клетки, то есть предшественников нервных клеток человека, страдающего синдромом Дауна. Эти клетки они размножили на подходящей питательной среде, а затем ввели в них некоторое количество специально созданных биологических молекул, так называемых «сконструированных нуклеаз с цинковыми пальцами». Тут мне придется в третий раз сделать отступление, но оно и само по себе того стоит.

Дело в том, что пока мы с вами занимались своими повседневными делами, ученые тоже не теряли времени и за последние годы сделали вполне реальным то, что раньше считалось совершенно фантастическим, — возможность видоизменять данные нам от природы хромосомы. Они нашли в организме молекулы, которые занимаются там «починкой» случайных нарушений структуры хромосомы и для этого «разрезают» их или, напротив, «сшивают» в нужных местах. Эти молекулы получили название «нуклеаз». На следующем этапе были найдены пути создания таких нуклеаз искусственным путем, «в пробирке». Затем был сделан еще один шаг: ученые научились конструировать такие нуклеазы по своему усмотрению — так, чтобы они разрезали хросомому в нужном месте и вставляли в это место нужный исследователям ген или убирали ненужный. Тем самым молекулярная биология сегодня подошла вплотную к тому, чтобы «лечить» генетические аномалии, то есть удалять неисправные гены из любого места любой хросомомы и вставлять вместо них такие же, но нормальные гены. Сегодня это уже возможно в пробирке, но такое достижение позволяет ученым выяснить, как может реагировать клетка в целом и весь организм на подобного рода замены отдельных генов и безопасно ли производить такого рода операции на зародышах. Перспективы, открываемые таким лечением (равно как и его сложности и опасности) легко себе представить и без дальнейших объяснений.

Так вот, до сих пор все занимались «лабораторным исправлением» одиночных генов. А группа профессора Лоуренс сделала следующий шаг — применила эту методику к «лечению» целой хромосомы — той, «третьей лишней», которая вызывает болезнь Дауна. С помощью одного из четырех ныне существующих видов «сконструированных нуклеаз», а именно — нуклеазы, молекула которой похожа на ножницы, в центре которых вместо винтика сидит атом цинка, они ввели в стволовую клетку, содержащую три 21-е хромосомы, ген XIST, причем нуклеаза была сконструирована так, чтобы ввести этот ген прямиком в одну из трех 21-х хромосом. Операция оказалась удачной: этот ген заработал, то есть по его программе в клетке стали появляться молекулы XIST. Но главное — эти молекулы стали обволакивать лишнюю 21-ю хромосому и полностью выключать ее из действия. Иными словами, эта операция привела к устранению трисомии 21 — правда, пока только в пробирке. Но лиха беда начало — уже это лабораторное достижение позволило ученым сравнить дальнейшие судьбы стволовых нервных клеток, получивших «лечение» и не получивших его. Оказалось, что операция устранила два последствия трисомии 21 на клеточном уровне. Не прошедшие операцию клетки размножались медленнее и дифференцировались (то есть приобретали разную специализацию) плохо, тогда как в прошедших операцию клетках эти «дауновские» дефекты были устранены.