СТОП-СИГНАЛ

Грамотное управление этими сигналами обещает успешное клонирование стволовых клеток c целью их дальнейшего использования, рождение здоровых детей из пробирок, создание эффективных вакцин против СПИДа и туберкулеза, а также действительное избавление от рака.

Прошло уже более четверти века со дня выделения вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) и рождения Луизы Браун, первого ребенка из пробирки (test-tube baby). Никто не мог предполагать, что эти две области знания на уровне ДНK – носителя генетической информации – самым тесным образом связаны друг с другом…

В конце 2007 г. ученые научились репрограммировать фибробласты, одну из разновидностей клеток кожных покровов человека и животных, и получать из них индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPS – induced Pluripotent Stem cells), способные давать начало клеткам нервной ткани, печени и сердечной мышцы (кардиомиоциты).

Такая переделка осуществляется с помощью введения в клетки определенных генов, запускающих процессы перезаписи генетической информации и возвращающих зрелые клетки в эмбриональное состояние.

Для репрограммирования была использована комбинация из четырех белков. Но выход клеток iPS составил не более 1 %. Причина низкого KПД усилий ученых кроется в метилировании, т.е. процессе присоединения метильных групп СН₃ к ДНK и белкам-гистонам (специальные хромосомные белки).

Метилирование является механизмом эпигенетики*, или «надгенетики», влияющим на активность генов. Оно отличается от мутации, например замены одной буквы ген-кода на другую.

Метилирование называют еще модификацией, или видоизменением без нарушения сути (передаваемой информации). Оно может замедлять считывание информации, записанной в генах, а то и вовсе «выключать» его. Известно, что в процессе развития плода большинство генов метилируется, что приводит к их выключению (включение эмбриональных генов наблюдается при опухолях).

Репрограммирование зрелых клеток, приводящее к образованию iPS, способствует отщеплению метильных групп и «разблокированию» генов. То же справедливо и в отношении гистонов, удерживающих спираль ДНK и регулирующих передачу генетической информации с ДНK на РНK.

Для любителей точности: речь идет об аминокислоте лизине в 4-м и 27-м положениях от начала протеиновой цепи гистона Н3 (Нistone 3). K каждому из лизинов особые ферменты присоединяют по две или три метильные группы, в результате чего гистоновая молекула как бы «распускается», а виток молекулы ДНK увеличивает свою кривизну, благодаря чему на ДНK могут «сесть» молекулы регуляторных белков.

В iPS клетках начинают активно работать гены, отвечающие за удвоение ДНK, без чего невозможно клеточное деление. Однако, как выяснили сотрудники Массачусетского технологического института, к концу второй недели наблюдается процесс торможения, возникающий в результате метилирования ДНK (и гистонов тоже). Этот процесс защищает клетки от «несанкционированного» деления, а значит, и перерождения.

Таким образом, в нашем геноме автоматически срабатывает противораковая защита. Вот почему в норме весьма малое число клеток оказывается «склонным» к делению, что должно обнадеживать человечество, которое так боится рака.

Массачусетским ученым удалось повысить KПД процесса репрограммирования путем выключения гена фермента, метилирующего ДНK, и блокирования самого фермента, что привело к повышению доли iPS клеток до 5 % и 7,5 % соответственно!

Еще большего эффекта добились гарвардские ученые, которые использовали вальпроевую кислоту (Valproic), повысившую «выход» iPS клеток до 12 %. Это открывает перспективы реального терапевтического применения клонирования стволовых клеток.

Сотрудники Института биомолекулярной медицины в Мюнстере получили iPS из нервных стволовых клеток с помощью комбинации всего лишь двух протеинов, что позволило сформировать клетки не только нервной системы, но и кишечника. Последние синтезируют хорошо известный онкологам альфа-фетопротеин, образующийся у плода (а также в опухолях). В Мюнстере были получены и сократительные клетки сердечной мышцы (кардиомиоциты), что вселяет надежду в души кардиологов и кардиохирургов. Такие клетки не давали роста тератом, т.е. эмбриональных опухолей. Немецкие ученые также смогли получить жизнеспособную мышь-химеру, сочетающую в себе клетки исходного родительского генотипа и iPS клетки.

В Kиотском университете впервые получили индуцированные плюрипотентные стволовые клетки из клеток печени и эпителия желудка взрослой мыши. При пересадке 1 млн перепрограммированных клеток мышам японские ученые вырастили клетки нервной системы и мышц, хряща и слизистой оболочки кишечника, что лишний раз доказывает плюрипотентность iPS клеток, т.е. их способность превращаться в клетки различных специализированных тканей. Пересадка стволовых клеток привела к рождению мышей-химер с пятнистой шкуркой. K большому удовлетворению ученых, опухоли у подобных мышей не обнаруживаются.

Подводя итог, можно сказать, что наука сделала еще один важный шаг в понимании эмбриональных стволовых и iPS клеток. Скептики, которые не против добавить ложку дегтя в бочку меда, излишнего энтузиазма по отношению к стволовым клеткам не испытывают и указывают на опасность «озлокачествления» последних. Однако можно порадоваться, что в здоровых клетках достаточно генных тормозов, препятствующих не только образованию опухолей, но даже и простому делению.

Тем не менее, на пути исследователей, мечтающих о клонировании на пользу всему человечеству и финансовых перспективах в этой области, природа возвела новый и пока трудно преодолимый барьер в виде метилирования. Оно «тормозит» клетки иммунной системы. Это объясняет, почему ученые не могут получить эффективные вакцины против вируса СПИДа и туберкулезной бациллы и что блокирует лечение раковых больных с помощью пересадки костного мозга. Из-за метилирования часто безуспешными оказываются и попытки родить «детей из пробирки».

Врачи желают скорейшего клонирования стволовых клеток, однако здоровые клетки (со здоровым геномом) «отказываются» делиться! А без деления не получить достаточно дешевых клеточных масс, с помощью которых доктора надеются не только лечить, но и омолаживать людей.

---

* Сравнительно новая наука, изучающая наследуемые изменения в фенотипе (внешнем виде), вызываемые механизмами, не связанными с изменением последовательности ДНK.

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ

(Nature, 2008, № 7200, р. 45, 49, 56;
№ 7204, р. 646; № 7205, р. 711, 795;
Science, 2008, № 5885, р. 26; № 5889, р. 699;
Nature Biotechnology, 2008, № 6, р. 637; № 7, р. 795)