Ангелина Потапова

Как подружить гены в клетках: коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки

© Потапова А.В., текст, 2021

© Оформление. ООО «Издательство «Эксмо», 2023

Вступление

2224 год, Москва. Я записываюсь в медицинский центр, чтобы сделать себе трендовую коррекцию зрения – «кошачий глаз». Я слежу за собой и тем, что происходит в индустрии красоты и здоровья. В прошлом году я сделала курс процедур «Идеальная память» и теперь могу пересказать пролистанную вечером книгу «слово в слово». Так делают многие, нужно лишь получить одобрение по месту работы. Некоторые творческие профессии до сих пор «требуют жертв». Например, актерам нельзя сильно менять внешность, а музыкантам – слух. Девиз нашего времени: «Становись здоровее, но не теряй уникальности!»

Почти 100 лет назад наши предки использовали технологию генетического редактирования для лечения заболеваний, которые еще 200 лет назад считались неизлечимыми. Теперь же мы используем эти технологии для улучшения качества жизни. Если бы не откат в прогрессе из-за неумения людей договариваться и страха всего нового, то такие процедуры были бы доступны и 100 лет назад. Но в любом случае, как говорила моя прабабушка, «лучше поздно, чем никогда»!

Сегодня в любой «приличной» клинике можно сделать генетическую коррекцию своего организма. Например, улучшить остроту зрения, в том числе сумеречного, повысить свою способность к запоминанию, увеличить выносливость организма. С тех пор как люди перестали рождаться с генетическими мутациями, несовместимыми с жизнью и нормальным функционированием, медицина сильно шагнула вперед. Теперь нет задачи поддерживать функции организма, все умирают только по двум причинам: несчастный случай или пожилой возраст, хоть со многими признаками старения нам и удалось справиться. Вакцины от неизвестных ранее вирусов и молекулы, блокирующие патогенное действие бактерий, теперь моделирует квантовый компьютер, – не представляю, как люди жили без него раньше.

Недавно листала в своем «виар-паде» книгу по истории медицины, и меня потрясло, что еще 200 лет назад люди уже пытались печатать подобие органов – органоиды. Правда, у них не всегда выходило. Но эти исследования очень помогли нам сегодня с легкостью выращивать не только органы, но и целые системы органов. Именно поэтому средний возраст людей сегодня – 127 лет, наши предки обзавидовались бы!

В этой же книге читала о демографическом кризисе, который начался 150 лет назад. К счастью, повсеместное использование искусственной матки привело к тому, что деторождение – это просто. Остается проблемой лишь то, что некоторые люди по старинке предпочитают естественные процессы, а при естественной беременности и родах иногда рождаются дети, которых сразу же приходится редактировать: мутации предков все еще проявляются.

Иногда будущее гораздо ближе, чем кажется. То, что кажется бредом или фантастикой, уже через несколько десятилетий может стать реальностью. Как вы думаете, насколько сейчас биомедицинские технологии приблизились к тому, чтобы наше будущее стало таким, каким я описала его?

В этой книге я хочу познакомить вас с теми технологиями и научными исследованиями, которые дадут нам возможность приблизиться к, казалось бы, утопическому будущему без заболеваний, от которых человечество до сих пор не может найти лекарство, а также рассказать о тех мифах и опасениях, которые существуют вокруг генетики и биомедицины. Генетические технологии – это то, что меня восхищает, вдохновляет и заставляет думать и работать. Клеточные технологии – та область, которой частично была посвящена моя кандидатская диссертация. Их гармоничный тандем – это возможность приблизить будущее, используя те наработки, которые есть уже сегодня. А какие именно наработки в области генетики и клеточной биологии лягут в основу картины будущего, вы узнаете из этой книги.

Глава 1

В поисках ГМО

Весной 2014-го я прошла на очное собеседование в аспирантуру Сколтеха.

Тогда я познакомилась с технологией геномного редактирования (ей будет посвящена целая глава этой книги), читая публикации Константина Северинова. Он начал заниматься темой редактирования генома одним из первых в России. Профессор тогда набирал себе аспирантов, и мне очень хотелось с ним работать, но финальное собеседование я провалила. Одним из заданий было прочесть статью о редактировании генов, чтобы суметь ответить на любые вопросы по ней. Я очень упорно готовилась, но в самый ответственный момент растерялась и несла полную чушь, еще и на английском. До сих пор помню тот позор. А эта статья потом еще несколько месяцев сидела у меня в голове: подсмотрели у бактерий? Редактирование генома? Как же это круто! Будущее так близко!

ГМО. Что это за зверь и почему его едят?

Однажды мне на полном серьезе написали, что ГМО расшифровывается как «генетически модификационные овощи». Я поняла, что значение термина для одних очевидно, для других – темный лес. Поэтому давайте разбираться, что такое ГМО.

ГМО – это генетически модифицированные организмы. Для того чтобы разобраться с тем, что именно такое ГМО, давайте выясним, что такое ДНК и гены.

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – основа наследственности у людей и почти всех других живых организмов. ДНК содержится почти во всех клетках человеческого организма. ДНК можно рассматривать как язык или код, на котором написаны генетические инструкции для человеческого организма. ДНК состоит из структурных элементов, которые можно сравнить с буквами в словах. Для строительства генов используются всего четыре нуклеотидных основания: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Эти нуклеотиды образуют пары друг с другом: А с Т и С с G.

ДНК человека, содержащая гены, плотно упакована в компактные структуры – хромосомы. Как правило, в большинстве клеток организма содержится по 46 хромосом. Хромосомы передаются нам от родителей – 23 от мамы, 23 от папы.

В каждой клетке есть специальные системы, которые считывают заложенную в ДНК информацию и на ее основе создают новые белки (состоят из аминокислот и выполняют в клетке огромное число функций, от построения белков до регуляции прочтения заложенных в ДНК инструкций).

Ген – участок молекулы ДНК, обычно расположенный в хромосоме (у эукариотов); определяет передачу одного или нескольких признаков от родителя ребенку.

Эукариоты – живые организмы, в клетках которых содержатся оформленные, ограниченные оболочкой ядра. В этих ядрах находится генетическая информация – ДНК. К эукариотам причисляют простейших, животных, растения и грибы.

Ген может выполнять свое предназначение – служить инструкцией для синтеза нормально функционирующего белка – только при условии, что в нем не нарушен состав и порядок нуклеотидных оснований.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Непосредственно генно-модифицированный организм в 1973 году разработали Герберт Бойер и Стенли Коэн. Они экспериментировали с бактериями Escherichia coli и показали, что возможно взять генетический материал у одного организма и перенести его в другой, ничего при этом не сломав.

Считается, что первый шаг на пути к генной инженер американский биохимик Пол Наим Берг, его же назы цом ГМО». В 1972 году он синтезировал первую рекомб ДНК (искусственно созданную цепь ДНК, полученную тате сочетания двух или более последовательностей ген видов). На массовый рынок пищевая продукция с ГА в 1994 году. Тогда в Калифорнии на прилавках появил: чивые к гниению генетически модифицированные пом

Одним из преимуществ генной инженерии является и i позволяет встраивать необходимые гены диких растен нам нужно намного больше поколений, обычно около 10. При этом нужный результат может и не получиться из-за смешивания как необходимых, так и нежелательных признаков. Именно поэтому генная инженерия способна значительно ускорить прогресс в области селекции.

Селекция – улучшение сорта растений или породы животных и выведение новых сортов и пород с помощью искусственного отбора, скрещивания [1].

Согласно сайту GMO Answers чаще всего модифицируют такие продукты как соя, хлопок, кукуруза и рапс. Затем идут картофель, томаты, яблоки, сахарная свекла, рис, кабачки и др.

В 2017 году 24 страны засеяли свои поля биотехнологическими культурами – 12 % сельскохозяйственных территорий всей планеты. Ведущими странами по выращиванию продуктов с ГМО являются Индия, Канада, Аргентина, Бразилия и США. Бразилия и США – лидеры на рынке по производству и потреблению продуктов с измененными генами.

Команда ученых из Пакистана, Германии и США обнаружила неожиданную пользу генетически модифицированных организмов для здоровья человека. Как правило, обсуждая влияние ГМО на здоровье человека, говорят о продуктах, которые идут в пищу. Между тем новое исследование фокусируется на не менее значимом аспекте: положительном влиянии на здоровье фермеров, которые меньше контактируют с пестицидами за счет того, что используют генетически модифицированные растения [2].

ГМО – это организмы, геном которых изменили при помощи генной инженерии. Однако за счет эволюционных процессов гены изменяются сами по себе у всех живых организмов. Отличие лишь одно: в процессе эволюции мы не можем контролировать процесс изменения генома, а в лаборатории, используя современные знания и технологии, способны направлено изменять и улучшать гены.

Важно отметить, что ученые-генетики не нацелены создавать что-либо угрожающее здоровью всего человечества. Специалисты стремятся продвигать научный прогресс и производить те продукты, которые будут нужны людям.

Не содержит ГМО: тренд и здравый смысл

Вы часто сталкиваетесь с надписями на этикетках «Не содержит ГМО»? Однажды я даже увидела эту надпись на шампуне…

Некоторые ГМ-культуры привозят в виде компонентов для пищевого производства. Еще ими кормят скот, и с финансовой точки зрения это очень выгодно для России. Однако во многих странах, в том числе и в нашей, ввели стандарт: считать модифицированным такой продукт, в котором содержится более 0,9 % ГМО. Продукты с ГМО обязаны выставлять на продажу только с этикеткой «Содержится ГМО». Если ГМО отсутствуют, то изготовитель может не писать об этом в маркировке. В таком случае выбор размещать надпись «Не содержит ГМО» или нет остается за изготовителем. Очень часто такая фраза – всего лишь маркетинговый ход, чтобы привлечь людей, которые ищут именно продукты, которые не содержат ГМО.

Зачем это писать?

Некоторые компании используют маркировку пищевых продуктов для того, чтобы пользоваться доверчивостью потребителей и играть на их обеспокоенности относительно состава продуктов. Компании-производители могут делать это только с коммерческой целью: повысить цены на продукт или увеличить собственную долю на рынке. Один из способов сделать это – обеспечить фальшивую открытость с помощью так называемых маркировок отсутствия, например «Не содержит…».

Сведения о том, что продукт чего-то не содержит, могут на самом деле уводить внимание потребителя от других параметров.

Проверяют ли ГМО на безопасность?

В одном из интервью научный журналист и популяризатор науки Александр Панчин дает следующий ответ на этот вопрос: «С проверкой на безопасность ГМО заморачиваются намного больше, чем с проверкой на безопасность не ГМО. Непонятно почему, ведь важно, какая именно возникла мутация, а не то, каким образом она там возникла. Бывали примеры в истории, когда продукты, полученные селекционным путем, оказывались с мутациями, делающими их более вредными для человека. Например, так случилось с картофелем сортов «Ленапе» и «Магнум-бонум». Они оказались сортами с высоким содержанием соланина, и об этом не знали, пока их не выпустили на рынок. Но из-за того, что присутствует общественный скепсис по отношению к ГМО, их подвергают более тщательным проверкам, чем большинство сортов, которые где-либо используются» [3].

ГМО в России: запрещено, но разрешено. Что это значит?

В настоящее время в РФ запрещено выращивать и разводить генно-инженерно-модифицированные растения и животных, за исключением проведения научных работ. Продукция, полученная с применением ГМО или содержащая такие организмы, включая импортные товары, подлежит госрегистрации.

Не ешь ГМО, козленочком станешь!

Несмотря на то что ДНК содержится практически везде и, соответственно, позвоночные животные едят ДНК-содержащую еду миллионы лет, свидетельств тому, что съеденные гены как-то влияют на собственный геном, ученые пока не нашли.

А тем временем в Японии уже продают генетически модифицированные помидоры, которые способны снижать артериальное давление.

В конце 2020 года японская компания Sanatech Seed получила одобрение на продажу своих отредактированных помидорок. А теперь они в продаже. Но что же такого необычного в этих томатах? А то, что в них повышено содержание гамма-аминомасляной кислоты. «Ну и что такого?» – спросите вы? А то, что именно эта аминокислота является важнейшим тормозным нейромедиатором центральной нервной системы. А в исследованиях на грызунах было показано, что она снижает давление и замедляет сердцебиение [4].

На самом деле генетической модификацией в классическом понимании этого термина такие помидоры назвать сложно. В них удалили всего-то элемент, блокирующий синтез чудо-амино-кислоты. Генетически-модифицированными же сейчас называют продукты, в которых изменены гены или даже несколько генов.

В сентябре 2022 года в США все же решили тоже «узаконить» модифицированные фиолетовые помидоры. Чтобы получить разрешение Министерства сельского хозяйства, ученым потребовалось десять лет исследований. В фиолетовых помидорах содержится в 10 раз больше антиоксидантов, чем в ранее существовавших сортах. Это делает их претендентом на «продукты для борьбы с онкологическими заболеваниями».

Несмотря на это, многие производители все так же продолжают писать на этикетках «Без ГМО» и привлекать фанатиков-зожников своей продукцией.

Котики и другие прелести жизни

У некоторых людей аллергия на кошек. Они заводят себе домашнего любимца без шерсти в надежде, что произойдет чудо, и они не будут задыхаться от сухого кашля и заложенного носа. Вот только чуда не происходит. Почему так?

Несмотря на устоявшееся мнение, аллергическая реакция возникает вовсе не на шерсть кошки, а на белки, содержащиеся в слюне, моче и отслоившихся чешуйках кожи. Мелкие частички этого вещества не только находятся на шерстке кошки, но и оседают на полу и мебели.

В 2007 году компания Lifestyle Pets заявила, что создала с помощью генной инженерии гипоаллергенную породу кошек, которой дала название Ашера. Позже выяснилось, что эта информация была ложной, а Ашерой оказалась кошка породы саванна. К сожалению, генетически модифицированных кошек, которые бы не вызывали аллергию у человека, до сих пор не существует. Остается лишь надеяться, что в ближайшем будущем аллергикам посчастливится завести генетически модифицированных питомцев, ведь исследования в этой области уже ведутся.

В том же 2007 году коллектив ученых из Южной Кореи изменил ДНК кота, чтобы тот мог светиться в ультрафиолете, а затем использовал эту ДНК и клонировал из нее других котов, создав пушистых флуоресцирующих котиков. Для этого коллектив исследователей взял кожные клетки кота породы турецкая ангора и, используя вирус, ввел генетические инструкции по производству красного флуоресцентного белка. Затем ученые поместили генетически измененные ядра в яйцеклетки для клонирования, после чего имплантировали эмбрионы кошкам, что сделало их суррогатными матерями. Много пушистых светящихся котиков! Что может быть лучше? Вероятно, только котики, устойчивые к вирусу иммунодефицита.

КОММЕНТАРИЙ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Хотя «о, светящиеся котики» может звучать мило и забавно, науке такие исследования нужны для изучения болезней человека. В тексте речь идет о работе Xi Jun Yin et aL, Generation of Cloned Transgenic Cats Expressing Red Fluorescence Protein, Biology of Reproduction, Volume 78, Issue 3,1 March 2008, Pages 425–431.

В 2011 году ученые создали кошек, устойчивых к кошачьему вирусу иммунодефицита. Для этого они внедрили в кошачью яйцеклетку ген противовирусного белка. Чтобы наблюдать за распространением гена по кошачьему организму, исследователи добавили к нему ген флуоресцентного белка – так генетически модифицированные кошки стали светиться в ультрафиолете зеленым светом, что свидетельствовало об успешной вставке гена [5].

Сегодня в мире известно о трех разновидностях вируса иммунодефицита: у людей – ВИЧ, у обезьян – ВИО, у кошек – ВИК. Эти вирусы не передаются между видами, но имеют ряд сходных черт. Вот почему многие медицинские эксперименты по изучению иммунодефицита можно проводить на кошках, а не на людях.

Предыдущие исследования раскрыли защитную роль белка, который распознает вирусы ВИЧ и ВИО, атакует и разрушает их оболочку. У кошек этого белка нет, и исследователи решили сделать так, чтобы этот белок у них появился. Ученые выяснили, что культура клеток, взятая от ГМ-котов, устойчива к ВИК. Эксперименты по заражению самих животных пока не проводились, но это позволило ученым получить информацию о механизмах действия, которые могли бы оказаться полезными в борьбе с распространением ВИЧ.

Кстати, трансгенных светящихся мышей вывели еще в 1998 году [6]. Сейчас их активно используют для исследований.

Светящиеся живые организмы не редкость в природе, но некоторые из них могут светиться самостоятельно, будто живые фонарики, а некоторые только переизлучают свет в видимом диапазоне с другой длиной волны, например, в ультрафиолете.

Первый механизм называют биолюминесценцией, для него не нужен внешний источник света. В полной темноте могут светиться черви, насекомые и грибы. Биолюминесценция позволяет испускать видимый свет за счет окисления люциферина специальным ферментом люциферазой. Светящихся растений в природе не существует, но в 2019 году российские ученые создали генно-модифицированный табак, способный светиться в темноте. Для этого они вставили в геном растений недостающие для биолюминесценции гены, взятые у грибов [7].

Второй механизм свечения – биофлуоресценция, которая заключается в обратном излучении поглощенного света с измененной длиной волны. К биофлуоресценции способны в основном морские организмы, среди которых наиболее изученные – это медузы и кораллы. Флуоресценцию также обнаружили у рыб, птиц, рептилий, земноводных. В 2020 году американские ученые впервые показали, что практически все известные амфибии флуоресцируют зеленым или желтым, если посветить на них синим светом.

Известно несколько механизмов флуоресценции. Светиться могут пигменты, минералы, а также белки. Спустя почти полвека после открытия в 2008 году Нобелевскую премию по химии вручили за открытие зеленого флуоресцентного белка медуз, GFP, который широко применяется в биологических исследованиях. Но есть еще более неоднозначные работы.

Как показала практика, с помощью генетики можно экспериментировать с полом. Внедрение одного гена превратило эмбрионы самок комаров в самцов. Ученые ввели в геном комаров один мужской ген, и генетические самки выросли самцами по всем фенотипическим признакам.

Однако такие трансгенные комары не могли самостоятельно спариваться, поэтому ученые им помогли размножиться лабораторными методами. Причем большинство самок в их потомстве наследовали введенный ген. Авторы статьи считают, что с помощью трансгенных самцов можно снизить долю кусающих самок в популяции и замедлить распространение болезней, которые переносят комары [8].

Животноводство также находится в зоне интересов генной инженерии. Сегодня приоритетными считаются исследования по созданию трансгенных овец, свиней, коров, кроликов, уток, гусей, кур.

Химеры среди нас

Когда слышишь слово «химера», сразу возникает образ какого-то мифического чудовища, в теле которого находятся несколько существ. Но что, если химеры существуют на самом деле не только среди животных, но и среди людей?

Химера – это организм, состоящий из генетически разнородных клеток.

Часто химерически построены не целые организмы, а лишь их отдельные органы или части [9].

Кто такие люди-химеры на самом деле? Страшные гомункулы? Или люди, превращающиеся по ночам в волков? Ни те, ни другие.

В 2002 году в новостях рассказали о таком необычном случае: американку Лидию Фэйрчайлд во время беременности бросил муж. Недавно она родила своего третьего ребенка и решила подать на алименты. От нее и ее бывшего потребовали анализ ДНК, чтобы подтвердить отцовство и материнство. Результаты показали, что ее бывший муж действительно является отцом малыша. Казалось бы, все хорошо, но проблема заключалась в том, что ДНК-тест не подтвердил, что сама Лидия является матерью этого ребенка. Лидии грозили обвинения в мошенничестве и лишение родительских прав. Суд вызвал свидетеля, акушерку, которая присутствовала на родах третьего ребенка. Провели дополнительные анализы ДНК, которые однозначно говорили о невозможном: Лидия не мать рожденного ею малыша.

Как такое вообще возможно? Могли ли результаты анализа оказаться ошибочными? Недоразумение удалось прояснить только после того, как у женщины взяли образцы тканей разных частей тела. Во взятых прежде образцах кожи и крови содержались одинаковые цепочки ДНК, однако клетки, взятые из шейки матки, отличались: они несли в себе совершенно другую ДНК. Лидия была химерой. В материнской утробе ее клетки слились с клетками ее близнеца. Вместо того чтобы каждому развиться в отдельный организм, близнецы слились воедино. Клетки, из которых развилась кожа, достались зародышу от одного близнеца, а клетки, из которых образовалась шейка матки с яйцеклетками, – от другого. Организм Лидии был создан двумя близняшками, и она стала своему ребенку одновременно и матерью, и тетей.

Похожий случай, если верить новостям, в США произошел с другой семьей. Только на этот раз возникли сомнения в отцовстве. Ребенок, рожденный с помощью процедуры ЭКО, оказался неродным сыном для мужчины, и тот обратился к известному генетику за разъяснениями. Более тщательный анализ показал, что американец является родным дядей собственному сыну, и тут все встало на свои места. Мужчина также оказался химерой, в организме которого присутствовали ДНК его самого и его близнеца.

Химеризм наблюдается у людей, рожденных в паре разнояйцевых близнецов, когда на ранних стадиях развития происходит обмен клетками между эмбрионами, а также в тех случаях, когда две зиготы сливаются воедино, становясь единым эмбрионом.

Это все примеры тетрагаметического химеризма, при котором происходит либо слияние двух яйцеклеток, каждая из которых оплодотворена своим сперматозоидом, либо двух эмбрионов на ранних стадиях развития, вследствие чего разные органы или клетки такого организма содержат хромосомные наборы разных эмбрионов. Но есть и другие виды химеризма.

Например, при микрохимеризме клетки плода проникают в кровеносную систему матери и иногда приживаются в ее тканях, и наоборот, клетки матери проникают через плацентарный барьер к ребенку. Так что мам можно тоже назвать микрохимерами.

Третий вариант – «близнецовый» химеризм, когда из-за сращения кровеносных сосудов гетерозиготные близнецы передают друг другу свои клетки.

Посттрансплантационный химеризм возникает после переливания крови или пересадки органа. В этом случае собственные клетки сосуществуют с клетками донора в организме человека.

А вот при трансплантации костного мозга можно сказать, что врачи сами делают из пациента химеру, пытаясь заставить работать пересаженные клетки вместо хозяйских. Дело в том, что именно в костном мозге образуются все виды клеток крови взамен отмирающих. Поэтому у человека, которому трансплантировали костный мозг, кровь будет содержать ДНК донора. Остальные же органы будут с прежней генетической информацией.

Что же насчет межвидовых химер?

Давайте разберемся, как это происходит. Химеры – не гибриды, которые рождаются в результате скрещивания представителей разных видов. Они возникают, как правило, искусственно, когда исследователи в строго определенный момент развития зародыша вводят ему стволовые клетки неродственного животного. Для этого с помощью генетического редактора, о котором подробно вы узнаете позже, избирательно вырезается ген, отвечающий за формирование того или иного органа. Затем в питательную среду зародыша внедряют стволовые клетки этого же органа, но другого вида. Они и превращаются в орган, чью заготовку уничтожили.

Все это возможно, только если «обработать» эмбрион возрастом несколько дней (он представляет собой около десятка клеток), после чего перенести его для вынашивания в матку животного. То, что «химеризация» происходит на столь раннем этапе развития, вызывает опасения: а не разовьются ли человеческие клетки во что-то помимо искомого органа и не получится ли животное слишком похожим на человека. Подтвердить это для человеческих органов можно только в непосредственном эксперименте.

В 2017 году ученые впервые вырастили эмбрионы-химеры, которые состояли из клеток человека и свиньи [10]. В результате получалась смесь из человеческих и свиных клеток, которую на месяц подсаживали самке свиньи.

Этот процесс оказался очень неэффективным: из 2075 подсаженных эмбрионов в течение 28 дней развивались лишь 186. Однако при этом были признаки того, что человеческие клетки продолжают функционировать как часть химеры.

Несмотря на «страшное» название, цель создания «химер» – спасение человеческих жизней. Подсаживая человеческие стволовые клетки эмбрионам животных на самых ранних стадиях развития, исследователи рассчитывают выращивать с их помощью полноценные человеческие органы для пересадки.

Ученые надеются, что опыты по скрещиванию человеческих и свиных клеток в будущем позволят подобным образом выращивать «идеальные» органы для трансплантации, полученные из собственных клеток реципиента, не несущие риск отторжения после пересадки. Также эксперименты в этой области могут привести к более безопасным и эффективным испытаниям новых лекарственных препаратов.

Атака клонов

Для полной картины нам не хватает только их.

Со времен создания первого клона прошло более 20 лет. Вы помните овечку Долли?

Долли появилась на свет 5 июля 1996 года в Шотландии. Сначала у нее не было даже имени, только лабораторный идентификационный номер 6LL3. Имя Долли появилось позже, его предложил один из ветеринаров, который помогал ученым при ее рождении. Овцу получили из клетки вымени, поэтому ее назвали в честь американской певицы Долли Партон, которой нравилось фокусировать внимание на своем крупном бюсте.

Жизнь Долли была похожа на жизнь самой обычной овцы. Она даже родила шесть ягнят. Однако уже осенью 2001 года у Долли обнаружили артрит, ей стало трудно ходить. Какое-то время заболевание успешно лечили противовоспалительным препаратом.

Четырнадцатого февраля 2003 года на седьмом году жизни Долли пришлось усыпить. Причиной стало прогрессирующее заболевание и тяжелый артрит. Одни ученые не связывали ее смерть с последствиями клонирования: у многих обычных овец были такие же болезни. Другие специалисты предполагали, что причиной ранней смерти могли послужить теломеры, ведь обычно овцы живут 10–12 лет. Позже, в начале XXI века, образовалась третья группа ученых, которая считала, что клонирование стало причиной ускоренного старения.

Теломеры – это концевые участки хромосом, которые защищают ее от повреждений и «склеивания» с другими хромосомами. Доказано, что клетки человека делятся ограниченное число раз и умирают приблизительно после 50 делений. Этот порог в 50 делений назвали пределом Хейфлика. И именно по длине теломер можно понять, сколько еще раз может делиться клетка.

Исследователи из Великобритании решили развеять этот миф и провели исследование. Результаты подтвердили, что клонированные овцы не более предрасположены к артриту, чем обычные [11]. Ученые отмечают, что ни у Долли, ни у современных клонов не было сколько-нибудь необычного уровня предрасположенности к артриту, что риски в этом случае не отличаются от рисков обычных взрослых овец и что возраст клона здесь не принципиален.

Успех эксперимента с Долли вызвал моментальную реакцию общества. Мнения сильно разошлись: одни уподобляли это сотворению Евы из ребра Адама, другие находили в этом сходство с экспериментами доктора Франкенштейна, которые способны погубить все человечество.

Также спорно называть Долли полным клоном. Дело в том, что Долли клонировали посредством замены ядра, но геном передается не только через ядро, есть и митохондриальная ДНК, поэтому можно сказать, что Долли имеет двух матерей.

Митохондрии – органеллы, содержащиеся в эукариотических клетках и обеспечивающие их энергией. В митохондриях есть свой небольшой геном, который у большинства организмов наследуется по материнской линии.

Раз уж речь зашла о митохондриальной ДНК, хочу продолжить эту тему и рассказать вам о детях, рожденных от трех родителей. Это совсем недавние достижения современной медицины.

В 2016 году в Мексике получили первого ребенка от трех родителей [12]. Тогда ученые сообщили о первой успешно проведенной на человеке процедуре, во время которой переносят ядро от одной яйцеклетки к другой. У ребенка, рожденного в результате такой процедуры, присутствуют гены не только отца и матери, но и митохондриальная ДНК от женщины-донора.

Еще с середины XX века разрабатывались методы переноса митохондрий. Первый опробованный на человеке подход – цитоплазматическое донорство – подразумевает инъекцию здоровых митохондрий в яйцеклетку будущей матери вместе с «клеточным соком», то есть цитоплазмой. Цитоплазматическое донорство активно исследовалось американским ученым Жаком Коэном в 90-х годах прошлого века. Однако надо отметить, что у этого подхода есть значительный минус. Поскольку митохондрии матери в ходе процедуры не удаляются, а только дополняются здоровыми органеллами, то ребенок несет одновременно и здоровые, и испорченные органеллы. В ходе деления митохондрии распределяются между дочерними клетками случайно, и в некоторых из них может оказаться значительное количество испорченных органелл, что может привести к развитию болезни.

Сегодня наиболее популярной считается не инъекция митохондрий в яйцеклетку матери, а наоборот, перенос самого ядра из яйцеклетки матери в яйцеклетку донора со здоровыми митохондриями, при этом собственное ядро из него предварительно удаляют.

Метод митохондриальной заместительной терапии (МЗТ) разработали, чтобы женщины, которые страдают дефектами митохондрий, могли родить здорового ребенка. На сегодняшний день у нас есть два разработанных варианта этой процедуры.

В первом варианте используются две неоплодотворенные яйцеклетки (материнскую и донорскую) и отцовскую сперму. ДНК из яйцеклетки матери пересаживают в донорскую яйцеклетку со здоровыми митохондриями и с удаленным собственным ядром, затем донорскую яйцеклетку оплодотворяют спермой отца. С помощью этого метода на свет появился первый в мире ребенок от трех родителей.

Второй вариант заключается в том, что яйцеклетки матери и женщины-донора оплодотворяют спермой отца, а потом ядро из материнской яйцеклетки переносят в донорскую. Этот метод успешно реализовали украинские медики, в результате чего человечество получило второго ребенка от трех родителей. В обоих случаях оплодотворенную яйцеклетку переносят в матку матери для вынашивания, как при обычной процедуре экстракорпорального оплодотворения.

В январе 2019 года в греческом центре репродукции испанские и греческие медики объявили о клинических испытаниях первого метода. В исследовании участвовали 25 женщин. У одной из них до применения этого метода были четыре безуспешные попытки экстракорпорального оплодотворения и две хирургические операции для лечения эндометриоза, но в результате именно этого метода женщина родила здорового мальчика [13].

Вернемся к клонированию.

Клон – группа генетически идентичных организмов или клеток [14].

В вопросе о клонировании остается много сложного и спорного. Необходимо соблюсти все этические нормы по отношению к живому существу.

Сегодня на пути к дальнейшему развитию клонирования стоят многие этические барьеры, тем более если речь идет о человеке. Особенно остро на это реагируют некоторые мировые религии, считая клонирование человека недопустимым. На данный момент не так мало стран, где эта процедура вообще запрещена и преследуется законом. А где-то под запретом именно то клонирование, в процессе которого воспроизводится целый многоклеточный организм [15].

Клонирование в биологии – это появление естественным или искусственным путем нескольких генетически идентичных живых организмов. Надо отметить, что этот термин в том же смысле нередко используется по отношению к одноклеточным организмам и клеткам многоклеточных организмов.

Термин «клонирование» мы можем применять как к растениям, так и к животным.

Все идентичные организмы, которые создали с помощью клонирования, называют клонами.

Мало кто об этом задумывается, однако однояйцевые близнецы – пример естественного клонирования.

Исследования вряд ли прекратятся. И мы должны понимать, что «клонирование» – это не просто часто встречающееся слово в научно-фантастических рассказах. Это реальная технология, которая может быть действительно полезной.

Вслед за Долли с помощью метода переноса ядра из соматической клетки в лишенную собственного ядра яйцеклетку было клонировано 25 видов животных, в том числе собака, корова, свинья, крыса, верблюд и другие.

С помощью клонирования удастся вывести животных и растения с такими важными параметрами, как плодовитость и устойчивость к болезням. Особенно привлекательно выглядит перспектива восстановления популяции вымерших или вымирающих видов.

Критиковать технологии редактирования генов, клонирования и создания генетически модифицированных объектов легко. Всегда найдутся люди, которые скажут, что ВИЧ не существует, а генетически модифицированные продукты приводят к смерти.

Но решение, двигаться ли вперед, изобретать новые препараты или стоять на месте, остается за вами.

Глава 2

Что записано в наших генах?

Во всех своих бедах люди привыкли винить кого-то: соседа, родственников, правительство. Что касается генов, тут еще более интересно. Мы будто собраны из частей своих предков. Чаще всего, когда мы говорим о своей внешности или болезнях, мы повторяем из раза в раз: нос у меня достался от папы, брови – от мамы, живот – от дедушки, а мигрень – от бабушки. Когда я была маленькой, мне часто говорили, что я папина копия, но улыбка мне досталась от мамы. Я всегда обижалась, потому что мне не очень хотелось быть похожей на бородатого и лысого папу, другое дело – красавица мама. Но у генов свои планы. И некоторые признаки достаются нам далеко не от мамы с папой, а от дальних предков, о существовании которых мы знаем только из книжек.

Во всем виноваты неандертальцы и фараоны

Денисовские люди, неандертальцы и кроманьонцы (последние – предки современного человека). Что их объединяет, кроме внешнего сходства? Когда ученые нашли и исследовали первые останки неандертальцев, они решили, что этот вид людей с современным человеком особо никак не связан.

Все три вида людей – денисовец, кроманьонец и неандерталец – были очень похожи, но каждый из них жил на «своей» территории. Дальнейшее изучение ДНК привело к сенсационному заключению: и денисовцы, и неандертальцы, и предки современного человека не только пересекались, но и обменивались между собой генами.

Десятилетие назад исследователи нашли фрагменты (участки) ДНК как неандертальца, так и денисовского человека у всех современных людей, кроме народов Африки.

Но на этом открытия не закончились. Для полной картины ученые разработали специальный алгоритм анализа геномов, который «узнает» сегменты ДНК, попавшие в геном человека от других видов, даже если скрещивания происходили тысячи лет назад и их источник неизвестен. Выяснилось, что 3 % генома неандертальцев произошло от интимной связи с другой древней группой приблизительно 300 тыс. лет назад. В то же время у денисовца обнаружился 1 % еще более древнего неизвестного генетического материала. И самое главное – до 15 % этого древнего генома находится в ДНК современного человека [1].

Итак, и предки современных людей, и денисовские люди, и неандертальцы контактировали с представителями разных ветвей человеческого вида.

К какому же виду или подвиду относятся обнаруженные древние фрагменты ДНК? Пока полной картины нет, но последние исследования подтверждают, что это следы независимой ветви, с которой мы разошлись примерно миллион лет назад, когда жили Homo erectus — предки всех сапиенсов, древний вид гоминид, который появился около 2 млн лет назад.

Иммунный ответ из прошлого

Около 40 тыс. лет назад все три вида людей – неандертальцы, денисовцы и кроманьонцы – заселяли территорию современной Азии. Две совершенно независимые группы ученых из Германии и Франции обнаружили, что связь предков современных людей с неандертальцами и денисовцами привела к усилению защитных сил организма сапиенсов. Неандертальцы и денисовские люди, которые за 200 тыс. лет успели адаптироваться к климату, пище и патогенным организмам Евразии, передали вновь пришедшим туда кроманьонцам повышенную устойчивость к местным условиям, а современному человеку – отличную наследственность в виде способности противостоять инфекциям.

Каким образом контакт с разными древними видами людей повлиял на усиление иммунитета сапиенсов? Виноваты три древних гена, кодирующих белки, которые называются толл-подобными рецепторами. Они распознают бактерии, грибы, вирусы и паразиты и активируют клеточный иммунный ответ. Оба вида вымерших людей повлияли на генетическое разнообразие современного человека, поскольку два сегмента гена толл-подобных рецепторов принадлежат неандертальцам, а один – денисовскому человеку. Грубо говоря, около 13 тыс. лет назад, когда наши прародители стали переходить от кочевого образа жизни к оседлому, им передались гены, которые повышали приспосабливаемость к неблагоприятным природным условиям [2].

Аллель – вариант гена. Каждая мутация – это новый аллель. Следовательно, существует огромное количество аллелей одного гена.

И вот на этом единственном позитивном результате скрещивания разных видов людей можно и остановиться. Потому что современный человек унаследовал от неандертальцев массу неблагополучных генетических особенностей. Со способностью противостоять инфекциям толл-подобные рецепторы могут спровоцировать повышенную чувствительность к аллергенам. Но это еще не все.

«Плохие» гены неандертальцев

В 2016 году ученые-биомедики США, опираясь на электронные карты пациентов, собрали более чем 28 тыс. результатов генетического анализа взрослых европейцев. Анализ образцов показал, что есть четкая взаимосвязь между совокупностью аллелей неандертальского генома и наследственными заболеваниями и предрасположенностью к ним. Например, одни аллели связаны с риском развития неврологических и психических нарушений, сердечно-сосудистых заболеваний, другие могут провоцировать заболевания мочевыводящих путей и нарушение метаболизма. Неандертальские варианты генов влияют на чувствительность кожи к солнечному свету, на образование тромбов и даже на предрасположенность к никотиновой зависимости и расстройствам пищевого поведения [3].

У южноамериканских индейцев ученые выявили неандертальский вариант гена, который предрасполагает его носителей к диабету второго типа. Почему же древние люди подарили нам предрасположенность к некоторым заболеваниям? Дело в том, что сегодня некоторые функции организма просто утратили актуальность.

Например, повышенная свертываемость крови позволяла ранам быстрее затягиваться, а калорийная пища давала энергию для охоты. В современной жизни, в которой еда нам достается без физических усилий (достаточно дойти до ближайшего супермаркета), фрагменты геномов наших древних предков стали причиной тромбозов, неправильного обмена веществ, инсультов, легочной тромбоэмболии.

Секвенирование ДНК вымершего вида людей и сопоставление его результатов с данными медицинских карт современных европейцев – ценное исследование, которое дает возможность определить влияние генов на предрасположенность к заболеваниям, на их развитие и другие особенности человека.

Секвенирование ДНК – это процесс определения последовательности нуклеотидов (А, Т, С и G) в фрагменте ДНК. В результате секвенирования ДНК получают последовательности участков генов, целых генов или полных геномов организмов.

Резистентность к антибиотикам: бактерии из склепа

Группа ученых калифорнийского университета совместно с итальянскими и пуэрториканскими исследователями провела геномный анализ остатков кишечной микрофлоры пяти мумий инков и трех итальянцев X–XVIII веков. Ученые обнаружили устойчивость в отношении антибиотиков пенициллинового ряда, тетрациклинов и ванкомицина.

Результаты говорят о том, что устойчивость к антибиотикам появилась задолго до их эры, которая началась с успеха микробиолога Александра Флеминга. Эволюция антибиотикорезис-тентности (способности микробов противостоять действию антимикробных средств, в том числе и антибиотиков) длится уже пару миллиардов лет, так как основой для большинства антибиотиков в древности послужили природные соединения, которые находились в окружающей среде, например, в почве.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Чтобы проверить, есть ли у человека устойчивость к определенным антибиотикам, в настоящее время нужно взять у него биологический материал – мазок, слюну и др., в зависимости от предварительного диагноза и типа инфекции. Затем нужно вырастить бактерии из такого материала на специальной среде и применить к ним антибиотики. С мумиями так сделать не получится – те бактерии, которые в них были, уже умерли. Поэтому авторы статьи везде пишут, что, исходя из выявленных ими вариантов бактериальных генов, бактерии предполагаемо являются антибиотикорезистентными – проверить, действительно ли те бактерии были таковыми, невозможно.

Оригинальная статья: Santiago-Rodriguez, Т.М.; Forna-ciari, G.; Luciani, S.; Toranzos, G.A.; Marota, I.; Giuffra, V.; Cano, R.J. Gut Microbiome and Putative Resistome of Inca and Italian Nobility Mummies. Genes 2017, 8, 310. https://doi. org/10.3390/genes8110310

Другое дело, что результатом чрезмерного использования антибиотиков в XX веке, бесконтрольного и бессистемного их употребления стало ударное и глобальное распространение устойчивости к широкому спектру лекарств.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Бактерии размножаются очень быстро, а значит, все изменения, которые есть в их генах, они также быстро передают потомкам. Кроме того, бактерии просто могут обмениваться друг с другом генами. Резистентность к антибиотикам – это естественная особенность некоторых бактерий, и она тоже заложена в генах. Значит, такие бактерии будут существовать в любом случае. Однако, когда мы применяем антибиотики, многое зависит как от их количества, так и от того, что именно умеют бактерии в плане сопротивления. Именно те бактерии, которые после применения антибиотиков выживают, размножаются дальше. Значит, чем больше мы будем применять антибиотики при любой простуде, тем меньше они будут действовать, когда и правда нам понадобятся.

В этом открытии значится еще и тот факт, что кишечник, а именно его микробиом, – хранилище генов антибиотикоустойчивости. И здесь напрашивается вопрос о том, почему именно появились эти гены? Какие факторы на это повлияли? Пока вопрос остается открытым [4].

Неандертальцы вернули древние гены

Первые предки неандертальцев и денисовцев покинули Африку 500 тыс. лет назад, до появления человека разумного. Все эти тысячи лет они хранили аллели.

В тот момент, когда предки современных людей пришли на евразийский континент и пересеклись с ними, прошло около 400–450 тыс. лет. Сапиенсы на тот момент составляли лишь около 20 % от числа людей, которые вышли из Африки. В результате «бутылочного горлышка», то есть сокращения генетического разнообразия вида из-за сокращения его численности, они несли в себе малую часть генов общего предка.

То есть многие архаичные аллели в человеке разумном не дошли до Евразии. Неандертальцы и денисовцы, с которыми скрещивались сапиенсы, вернули архаичные гены предкам современного человека.

В результате анализа ДНК современных людей, сделанного в рамках проекта «1000 геномов», часть переданных от неандертальцев генов условно разделили на две группы [5].

Первая группа – это аллели, которые характеризуют общего предка неандертальцев и современных людей, но отсутствуют у евразийцев, которые пришли в Евразию. Они вернулись к ним позже в результате скрещивания с неандертальцами.

Вторая группа – это аллели, которые отсутствовали у общего предка неандертальцев и современных людей и возникли только у неандертальцев, а сейчас присутствуют у всех жителей Евразии. Примечательно, что эти аллели не характеризуют некоторые народы Африки.

У разных евразийцев количество аллелей первой и второй групп неодинаково.

Если в Восточной Азии преобладают варианты генов первой группы, а в Европе – второй, то в Южной Азии и те и другие представлены в достаточном количестве.

В процессе эволюции происходили всевозможные генетические комбинации и случайные мутации, которые до сих пор сохранились в геноме.

Неандерталец не прямой предок современного человека: раскол видов произошел давно, и общий предок пока не установлен. Американские ученые проанализировали генотипы трех древних людей и 279 современных. Оказалось, что наш геном отличается всего на 1,5–7% от генома древних людей [6]. Основная часть генетических изменений произошла еще до разделения неандертальцев и кроманьонцев (наших прямых предков) около 520–630 тыс. лет назад. Исследователи обнаружили доказательства того, что современный человек развивался поэтапно, не сразу отделившись от представителей других родов.

Палеогенетика призвана изучить влияние вымерших веток развития человека на наш род. Так, известно, что все неафриканские люди несут в себе 2–6% неандертальских генов, а некоторые народы Азии, Австралии получили еще и денисовские гены. Благодаря этим данным можно отследить перемещение человека по земному шару в процессе эволюции [7].

Интересно, что отличия в генах современного человека и неандертальца заключаются не только в областях, отвечающих за их регуляцию, но и в разной активности самих генов. Проще говоря, одни и те же гены работают с разной активностью [8].

Взяв на анализ образцы тканей трех неандертальцев возрастом около 120 тыс. лет, ученые обнаружили разницу в регуляции около 760 генов. Эти изменения могут влиять на работу сердечно-сосудистой, иммунной, зубочелюстной систем и опорно-двигательного аппарата.

Найдя в нашем генотипе следы неандертальцев, специалисты заинтересовались, как они могут влиять на современного человека. В одной работе немецкие исследователи в команде с коллегами из Швеции выяснили, что определенный набор вариантов неандертальских генов у женщины помогает лучше переносить беременность [9]. Для исследования были взяты данные около 450 тыс. образцов из биобанка Великобритании, а также данные биобанка Японии. У европейцев, коренных американцев, а также у некоторых азиатов с частотой от 2 % до 22 % обнаружили те самые варианты генов. Они оказались менее склонны к внезапным кровотечениям, выкидышам и в целом рожают больше детей. Все дело в особенном строении рецептора прогестерона – главного гормона, отвечающего за спокойное течение беременности.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Оригинальную статью можно найти вот здесь: Zeberg Н, Kelso J, Pââbo S. The Neandertal Progesterone Receptor. Mol Biol Evol. 2020 Sep l;37(9):2655–2660. doi: 10.1093/ molbev/msaall9. PMID: 32437543; PMCID: PMC7475037.

А если вы с детства не можете набрать массу, то, возможно, в вас просто есть те самые «гены неандертальца».

Екатерина Храмеева и Филипп Хайтович из Сколтеха сравнили генетический материал представителей 11 этнических групп: пяти европейских и по три азиатские и африканские группы [10].

Искали генетические варианты, характерные для неандертальцев, и выясняли, на что они влияют. Оказалось, что некоторые фрагменты генома неандертальца отвечают за состав и сжигание жира! Это связано с их миграцией и изменением обмена веществ.

Существует много признаков, по которым неандерталец выигрывает у современного человека, но, как показывает история, этого все равно было мало. Даже устойчивость, которая была у неандертальцев к вредным продуктам сгорания и дыму, не поспособствовала их выживанию [11]. Когда климатические изменения на юге Африки привели к тому, что территории из лесов превратились в саванны, у древних людей появился новый фактор естественного отбора: выживал тот, кто был менее восприимчив к пыли и аэрозольным частичкам опасных веществ. А появление огня усилило влияние продуктов сгорания на здоровье. Развитие скотоводства способствовало контакту людей и животных, следовательно, люди страдали от аллергии и инфекционных заболеваний. Через тысячелетия эти варианты генов немного затерялись: помимо положительного эффекта устойчивости к вредным воздействиям, они повышали вероятность болезней сосудистой системы, что могло привести к меньшей продолжительности жизни. Новые варианты генов, которые есть у нас, не дают такую большую устойчивость к инфекциям, но и не вызывают негативных последствий.

Как же неандертальцы могли повлиять на наш мозг? Например, у людей с большим количеством неандертальских вариантов гена строение черепа во многом напоминает строение черепа неандертальцев, особенно затылок. Так же в зависимости от того, насколько человек «богат» неандертальскими вариантами генов, отличается количество серого и белого веществ в определенных частях мозга [12].

Популярная в наше время тема – устойчивость к вирусной инфекции ковид-19 – также была изучена на предмет вклада генетических факторов. Более тяжелое течение болезни может быть вызвано наличием определенных генных комбинаций, которые достались нам от неандертальцев [13]. Такая комбинация очень распространена в Бангладеше и Южной Азии и редко встречается в Европе и почти никогда в Африке: вероятно, дело в том, что предки современных жителей теплого континента не выходили за пределы материка и не скрещивались с неандертальцами. Как раз в этих географических областях наблюдается большой процент тяжелых случаев болезни.

А чем же хорош Homo Sapience? Неожиданно, но в геноме наших предков были варианты генов, которые могут быть связаны с творчеством и коммуникацией [14]. Сапиенсы склонны к более глубокому и всестороннему анализу явлений, лучше находят причинно-следственные связи и способны творчески воспроизводить информацию. Большое количество изменений в геноме после разделения веток человеческого вида на Ното и неандертальцев затрудняет процесс поиска того самого гена, который связывают с творчеством и способностью к коммуникациям. Изучать это ученые начали издалека: выявляли гены, влияющие на обучение и память человека. И обнаружили, что совокупность таких генов характерна только для наших предков, появившихся 100 тыс. лет назад и позже. Вероятно, лучшая способность коммуницировать друг с другом и добиваться целей не в одиночку позволила сапиенсам получить эволюционное преимущество в гонке за выживание. Поэтому только умение разговаривать друг с другом и дружить позволит нам развиваться дальше, без этих навыков мы просто вымрем, как неандертальцы.

Пол и ориентация, виноваты ли гены?

Когда речь идет о каком-то признаке, где нужно установить, что его предопределяет – генетика или влияние внешней среды, – правильным ответом будет и то и другое.

Как понять, какой ген отвечает за проявление конкретного признака?

Есть участки ДНК, которые регулируют друг друга: в какой ситуации повышать свою активность, а в какой снижать. Чтобы узнать, насколько велика активность конкретного гена, можно измерить уровень мРНК – посредника между ДНК и новым белком. Чем активнее ген, тем больше мРНК с него считывается. Поэтому по уровню мРНК в интересующей нас клетке можно понять, где какие гены более активны.

РНК (рибонуклеиновая кислота) – это одноцепочная молекула, которая служит для образования белка.

Так, ученые составили карту тканевой генетической активности, чтобы выяснить, насколько активность одинаковых генов различается у мужчин и женщин [15].

Несмотря на большое сходство генотипа мужчин и женщин, существуют гены, которые есть у обоих полов, но их экспрессия (влияние на проявление признака) происходит по-разному. Действительно, исследователи выяснили, что 37 % наших генов работают по-разному у мужчин и женщин хотя бы в какой-то одной ткани. Например, у мужчин с разными вариантами гена DPYSL4 будет разный процент жира в теле. А вот у женщин ген DPYSL4 на жир в теле не влияет.

Всерьез заинтересовались проблемой соответствия участка гена и кодируемого им признака у мужчин и женщин авторы статьи, опубликованной в ВМС Biology [16]. Выборка состояла из 357 мужчин и 187 женщин. Исследователи выявили отличие в 6,5 тыс. генов, отвечающих за развитие тканей. Например, в мышцах мужчин выше активность генов, которые отвечают за большую мышечную массу. А в молочных железах мужчин обнаружили гены, которые не работают в женском организме: скорее всего, они подавляют лактацию.

Это дало ученым возможность сделать предположение о причинах различной подверженности болезням: на такие «полоспецифичные» гены сильнее действует естественный отбор, быстрее накапливаются мутации именно у мужчин. Вспомним, что болезнь Паркинсона развивается у мужчин чаще, чем у женщин. Возможно, на подобные данные в будущем будут опираться при разработке индивидуальной терапии препаратами.

Однако есть и более радостные новости: отличий в работе «генов головного мозга» не выявили [17].

Что же касается только женщин, на сегодняшний день есть информация по поводу взаимосвязи гиперэкспрессии (чрезмерной активности генов, которая усиливает проявление какого-либо признака) генного комплекса ESC/E(Z) и предменструального дисфорического расстройства (ПМДР) – тяжелой формы ПМС, которая является наследуемой [18].

В развитии ПМС ведущая роль принадлежит половым гормонам. Их уровень меняется в зависимости от фазы цикла. Причины возникновения всех симптомов еще не до конца ясны, так как имеет место огромный комплекс факторов. Например, индивидуальные генетические особенности женщины, диета, уровень стресса, количество алкоголя и наличие вредных привычек [19].

В исследуемой группе женщин с ПМДР ученые выявили гиперэкспрессию более половины генов комплекса ESC/E(Z), которые кодируют синтез половых гормонов в ответ на факторы среды по сравнению с контрольной группой [17]. Один и тот же стероидный гормональный стимул яичников вызывает разную реакцию у женщин с ПМДР по сравнению с контрольной группой. Стоит заметить, что дизайн исследования полностью исключал влияние многих внешних факторов, таких как питание, стресс или физическая активность. Более подробный механизм связи с изменением настроения и воздействием на нейроны еще предстоит выяснить.

А что насчет ориентации? Согласно данным одного исследования гомосексуальную ориентацию от 8 до 25 % могут определять гены [20]. Сразу хочется отметить: все-таки на сексуальную ориентацию влияет множество факторов, которые еще предстоит изучить, и притом нет единого «гомо-гена». Кроме того, авторы исследования не использовали чтения полных геномов. Они смотрели вариации в некоторых, далеко не во всех, участках ДНК. Поэтому требуется провести еще много исследований, чтобы наверняка установить генетическую природу ориентации [21].

Но на этом поиски не остановились: группа ученых под руководством Андреа Ганна из Массачусетской больницы в Бостоне взяла генетический материал 409 тыс. человек 40–69 лет, зарегистрированный в UK Biobank, и 68,5 тыс. из базы данных 23AndMe. Этот генетический материал проанализировали, чтобы узнать о наличии каких-то закономерностей в геноме в зависимости от сексуальной ориентации.

И что же? В своей работе ученые использовали огромную выборку, но так и не нашли единого гена, который отвечал бы за гомосексуальность. Были отмечены предрасполагающие комбинации генов, которые при определенных условиях могут проявить себя. А могут и нет. Думаю, что работы в этом направлении еще будут появляться в ближайшее время, ведь геном до сих пор остается не до конца изученным, а вопрос открытым.

Ген гения

Мозг материален, а значит, любое отклонение в его работе можно зафиксировать физически. Нас интересуют генетические мутации при различных вариантах нарушений психики.

Довольно масштабное исследование в 2018 году провела международная группа ученых, а результаты опубликовала в журнале Science [22].

В экспериментальную группу входили данные о генотипах 265 218 пациентов с одним из 25 психических или неврологических расстройств. В контрольную группу взяли информацию о генотипах 784 643 людей без диагноза. А также 17 фенотипов в общей сложности от 1 191 588 человек, чтобы оценить степень влияния генетических факторов риска. Установили, что почти все нарушения психики коррелируют с изменениями работы в одних и тех же участках генома. Их условно назвали «общепсихиатрическими». Например, генетические отклонения в коде ДНК при шизофрении бывают схожи с отклонениями при большинстве психиатрических заболеваний, таких как обсессивно-компульсивное или биполярное аффективное расстройство.

Более ранние исследования также говорят о том, что предрасположенность к депрессивным эпизодам, а именно к патологической форме – большому депрессивному состоянию (БДР) – передается по наследству [23]. Благодаря полигеномному поиску ассоциаций (метод связывает геномные варианты и их фенотипические проявления) проанализировали 135 458 генотипов людей с диагностированной депрессией и 344 901 генотипов здоровых людей. Ученые выявили 44 различных, связанных с местоположением определенного гена на «карте» локусов хромосом. Данные опубликовали в журнале Nature Genetics: почти каждый человек на генетическом уровне является носителем какого-то числа рисковых вариантов депрессивных состояний. Несмотря на то что генов, влияющих на развитие большого депрессивного состояния, много, также немалую роль играют факторы внешней среды, поэтому вряд ли стоит ожидать эпидемии депрессии.

Тот тезис, что предрасположенность ко многим психическим заболеваниям передается по наследству, не ставится под сомнение: тут точно «виноваты» гены. Недавно ученые опубликовали работу, в которой нашли связь между экспрессией определенных генов и степенью проявления заболевания [24]. Активность отслеживалась по уже известной нам методике – по определению количества мРНК. Для аутизма, биполярного расстройства и шизофрении, алкоголизма и депрессии определили закономерности общих и отличающихся нарушений экспрессии генов.

А вот ученые из Центральной больницы Массачусетса и Геномно-Психиатрического консорциума подошли к проблеме с другой стороны: они изучали отличия в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, а не ее экспрессию [25]. Данные включали 500 тыс. генотипов контрольной группы и 233 тыс. экспериментальной. В итоге обнаружили 109 хромосомных участков, ассоциированных с развитием более чем одного заболевания. Причем даже удалось разделить их на три группы в зависимости от типа нарушения: первая группа болезней с навязчивым поведением; вторая – расстройства психотического типа и заболевания, для которых характерны проблемы с эмоциями; третья группа связана с аномалиями неврологического типа, которые проявляются на ранних этапах развития. Некоторые из этих генов, которые, вероятно, контролируют формирование мозга, активируются во втором триместре беременности.

А получится ли выделить конкретные гены, отвечающих за развитие конкретного заболевания? Это сделать очень сложно, но что касается шизофрении, тут говорят о 413 генах, экспрессия которых, по всей видимости, повышается при расстройстве [26]. Исследователи создали статистическую модель, предсказывающую экспрессию определенного гена в головном мозге по наличию конкретных однонуклеотидных вариаций. Всего удалось выявить более 10 тыс. генов, которые влияют напрямую или опосредовано на формирование тканей мозга. Анализ позволяет не только найти конкретные гены, но и обнаружить, какие из них имеют высокую активность при каких-либо заболеваниях. Модель способна предсказать вероятность развития шизофрении на основе нуклеотидов.

Уменьшить количество генов, ответственных за проявление шизофрении, помогло наблюдение за их активностью в течение всей жизни (от раннего утробного до взрослого возраста). Экспериментальная группа состояла из 40 299 человек с подтвержденной шизофренией, а контрольная – из генотипа 65 264 здоровых людей. Удалось обнаружить, что в разном возрасте происходят изменения в разных областях головного мозга. Это исследование поможет более детально изучить саму болезнь и разработать способы ее лечения.

Гены несут ответственность не только за предрасположенность к патологическим состояниям, но и за вполне обычные вещи, такие как интеллект. Стоит заметить, что интеллект – плохо измеримое понятие. Все тесты, направленные на его количественное изменение, показывают лишь то, как человек справляется конкретно с этим тестом. Но все же требуются какие-то стандарты и некоторые методики, которые действительно помогают привести это понятие к какой-то измеримой черте.

На этот раз в центре внимания ученых оказался параметр «общий интеллект» [27]. По данным разработчиков тестов, именно его измеряют в большинстве работ. Формат эксперимента представлял собой анализ ранее проведенных исследований. Интерес исследователей пал на генетическую информацию о почти 270 тыс. человек. Специалисты сосредоточились на однонуклеотидном полиморфизме – тот случай, когда отличие в последовательности ДНК всего в один нуклеотид. Ученые вывили 1016 генов, которые играют важную роль в уровне интеллектуальных способностей. Гены преимущественно экспрессируются в мозге и вовлечены в регуляцию клеточного деления, формирования нервной системы и апоптоза (механизма программируемой гибели клеток).

А вместе с интеллектуальными способностями исследователи решили найти корреляцию продолжительности жизни с уровнем интеллекта [28].

Многие аллели генов, связанные с высоким уровнем когнитивных способностей, оказались характерны для людей с большой продолжительностью жизни.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Существует большое количество генетических причин умственной отсталости. Одни из них связаны с крупными изменениями в геноме – например, дополнительная хромосома 21 при синдроме Дауна. Другие ассоциированы с нарушениями в отдельных генах – например, в гене FMR1 (синдром FRAXA). Здесь приведен пример того, как могут выявлять гены, изменения в которых могут приводить к болезням психики, и того, как далее исследуют их работу.

Что касается другой крайности – умственной отсталости, – существует большое количество данных о генах, которые приводят к этому состоянию. Здесь тоже имеются конкретные сведения об одном из генов, который связан с этим нарушением. В новом исследовании специалисты медицинского факультета Мэрилендского университета в Балтиморе (США) выявили ген, влияющий на нервно-психическое развитие человека [29]. Для того чтобы изучить этот ген подробнее, ученые взяли в экспериментальную группу 350 семей из Пакистана, где довольно часто встречаются случаи близкородственных связей. Поэтому в этой стране процент умственной отсталости населения чуть выше среднего, чем по остальному миру. В результате исследования выявили ген AP1G1. Для более точной интерпретации данных взяли генотипы пациентов с умственной отсталостью из 27 медицинских учреждений Европы и США. Благодаря этому удалось найти еще 10 семей с вариацией гена AP1G1, который связан с умственной отсталостью.

Для того чтобы продемонстрировать важность именно этого гена в выживании и развитии организма, ученые вывели несколько эмбрионов рыбок Данио без гена AP1G1. На четвертые сутки они погибли. Тогда специалисты ввели рыбкам мутировавший вариант этого гена, как у семей из эксперимента: в этом случае потомство рыбок оказалось со значительными деформациями тела и различными отклонениями.

Что еще записано у тебя в ДНК?

Существует множество признаков, по которым население земного шара можно разделить на две группы: мужчин и женщин; тех, кто любит кофе, и тех, кто пьет только чай; левшей и правшей и т. д. Мы сами выбираем, к какой группе примкнуть, или все это предопределено?

Известно, что части тела мозг контролирует «наоборот»: информация в левое полушарие идет с правой стороны тела, а в правое – с левой. В исследовании [30] ученые проанализировали почти 2 млн геномов людей, взятых из уже знакомой базы 23andMe. Оказалось, на то, станет ли человек левшой, влияют комбинации, записанные в 41 паре нуклеотидов, а на амбидекстрию (когда он и левша, и правша) – около 7 пар. Однако только 12 % людей с таким генотипом проявляют в будущем эту предрасположенность. Значит, факторы окружающей среды и методика обучения письму в школах тоже играют большую роль. Примерно 10 % населения земного шара – левши. Этот показатель варьируется от страны к стране.

Теперь давайте перейдем к весу, разберемся, как связан лишний вес с генетикой. Следя за питанием ребенка и организовывая ему физическую нагрузку, можно также контролировать его вес. Однако недавнее исследование говорит о том, что из-за мутаций в гене MC4R даже в детском возрасте можно начать набирать лишние килограммы [31].

Это исследование провели на базе уже имеющихся данных: генотип 6000 участников исследования «Дети 90-х», которые до сих пор следят за своим здоровьем. Когда ученые находили мутацию в гене MC4R, то смотрели на ее связь с лишним весом. Мутацию обнаружили у каждого 340-го человека, и она коррелировала с набором массы тела в детском возрасте. Предполагается, что наличие изменений в этом гене усиливает чувство голода и провоцирует переедание. Авторы работы подчеркивают, что не стоит

сразу винить родителей или самого ребенка в его «пухлости»: возможно, не все зависит только от них. А знание предполагаемой связи генотипа и проблемы ожирения может помочь в будущем в разработке индивидуальных лекарственных средств.

Но если набрать вес или его сбросить нашему организму под силу, то вот вырастить новые органы и части тела – нет. Чего не скажешь о некоторых видах рыбок: они могут регенерировать некоторые ткани, в том числе ткань сетчатки. Нейробиолог Сет Блэкшоу из Университета Джона Хопкинса решил установить, экспрессия каких генов дает данное преимущество [32]. Похоже, что в процессе эволюции мы утратили эту способность, но геном человека и рыбы схож на 70 %, так, может, не все потеряно?

Сетчатка состоит из светочувствительных клеток – палочек и колбочек, – а также из нейронов и синапсов, передающих импульсы в зрительную кору. В процессе эмбриогенеза органы глаз дифференцируются из передней части головного мозга и являются его «отростками». Существуют клетки Мюллера, или мюллерова глия, окружающие нейроны. Эти клетки поддерживают определенную концентрацию ионов для проведения нервных импульсов, удаляют продукты метаболизма и выполняют иммунную функцию. Вместе с тем у рыб клетки Мюллера способны выделять факторы роста нейронов, которые в свою очередь превращаются в клетки сетчатки!

Активированные клетки Мюллера вызывают иммунную реакцию, которая удаляет поврежденную ткань. У мышей эта реакция подавляется работой других генов. А у млекопитающих перестает выделяться ядерный фактор I (NFI) – ДНК-связывающий белок, который мешает клетке получать доступ к определенным участкам ДНК, отключая тем самым нужные гены. Когда ученые блокировали клетки Мюллера, продуцирующие NFI, у мышей начиналась регенерация нейронов сетчатки [33].

Исследование демонстрирует, что у млекопитающих есть потенциал к регенерации нейротканей, но в процессе эволюции он уступил место другим важным механизмам выживания: это связано с тем, что клетки Мюллера несут функцию защиты от механических повреждений. Но если они превращаются в клетки, продуцирующие нейроны, то защищать они уже не могут.

Теперь поговорим о приятном. О том, чего вечно не хватает, – о сне. Давно известно, что здоровым считается сон, который длится около восьми часов. Это время оптимально для того, чтобы исправно функционировал организм и все когнитивные функции были в порядке. Однако такой показатель свойственен не всем: и речь не о сбитом режиме и хроническом недосыпе. Некоторым людям достаточно четырех-шести часов сна, чтобы поддерживать такой же уровень здоровья, как и у тех, кто спит по восемь часов. Эта особенность является врожденной, и «выработать» ее невозможно. Более 10 лет назад ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско нашли те самые пять генов, связанных с состоянием, которое называется «Семейным естественным коротким сном».

В нескольких экспериментах на животных исследователям удалось обнаружить, что эти варианты генов короткого сна замедляют прогрессирование болезни Альцгеймера [34]. Варианты гена защищают нейроны от повреждения, предотвращают нейродегенерацию. Механизмы до конца не изучены, но выводы логичны. Кроме того, существует предположение, что гены короткого сна делают процесс более эффективным в качественном смысле. Вот же счастливчики!

Глава 3

Гены лечат

Еще 20 лет назад словосочетание «генная терапия» вызывало ассоциации с фантастическими фильмами. Как можно генами что-то вылечить?

Еще 20 лет назад я училась в школе. Все, что знала о генах, – это то, как они передаются через поколения. Доминантные они или рецессивные, желтый горошек будет у следующего поколения или зеленый. Закон Менделя и его последствия. Думала ли я, что уже скоро определенные гены можно будет просто отредактировать? Могла ли я представить, что препаратами на основе определенных генов начнут лечить рак, гемофилию и даже бороться со старением?

Снова молодой

Если внешние признаки старения каждому знакомы, то вот процессы, которые провоцируют старение организма внутри, не каждый себе может явно представить. В течение жизни наши клетки непрерывно делятся, образуя себе подобных. Для того чтобы создать новую клетку, необходимо скопировать ДНК исходной.

Как я писала ранее, у хромосомы есть концевые участки – теломеры. Они защищают ДНК от повреждений. При каждом делении эти участки укорачиваются. Но есть фермент теломераза, который способен достраивать теломеры. Искусственная «починка» теломер ранее испытывалась только на культурах выращенных клеток и лабораторных животных, показав значимые результаты. Но в 2015 году доброволица по имени Элизабет Перриш решилась на эксперимент [1]. В 44 года она прошла два курса генной терапии, которые были направлены на то, чтобы предотвратить потерю мышечной массы (это естественный процесс при старении) и увеличить количество теломеразы. Инъекции делались в Колумбии, так как Минздрав США не одобрил этот препарат. Различные издания написали о том, что теломеры «удлинились», женщина помолодела и все остались довольны. Все, кроме ученых, поскольку ни одной научной статьи по данным этого эксперимента опубликовано не было, а подобные «манипуляции» на людях больше не повторялись. К тому же измерение теломер лимфоцитов – не особо хорошая метрика, поскольку их длина может очень сильно меняться даже в течение короткого промежутка времени, до двух лет.

Вылечить неизлечимое

Одним из последних направлений в поиске лекарства против рака остается индивидуальная генная терапия, так как природа раковых заболеваний кроется в ошибках деления клеток и «поломке» собственной ДНК организма. И Американское управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило применение генной терапии препаратом Yescarta для рецидивирующей лимфомы [2]. При этой болезни клетки иммунной защиты В-лимфоциты «сходят с ума» и не выполняют своей функции. Они атакуют здоровые ткани, разрушая организм.

Это уже второй случай одобрения генной терапии: ранее допустили похожую методику препаратом Kimriah для лечения лимфобластного лейкоза у молодых пациентов с неоднократными случаями рецидива. В ходе испытания выздоравливали 83 % пациентов [3].

Цена новой генной терапии для лечения лимфомы препаратом Yescarta составляет 373 тыс. долларов. При этом производители не скрывают, что стоимость может увеличиться.

Суть работы обоих препаратов состоит в следующем: у пациента берут собственные Т-лимфоциты (белые кровяные тельца, которые реагируют на чужеродные вещества в организме) и в лабораторных условиях с помощью специального вируса встраивают в генотип Т-лимфоцитов информацию о том, что В-клетки (клетки иммунитета, которые синтезируют антитела для борьбы с патогенами) пациента – чужеродные агенты и их нужно уничтожать. Далее модифицированные клетки вводят обратно пациенту, и начинается «война». При этом здоровые В-клетки тоже погибают, но побочный эффект при этом уступает ожидаемой пользе для жизни.

Препарат Yescarta разработали для взрослых пациентов. С его помощью 51 % испытуемых добились полной ремиссии болезни. Это большой шаг в лечении рецидивирующих форм лимфом.

Генная терапия может помочь не только в случае онкологии: ее успешно опробовали при лечении гемофилии – наследственного заболевания, при котором даже маленький порез может стать смертельным [4]. Для того чтобы кровь остановилась, должен произойти целый каскад биохимических реакций, в котором принимают участие факторы свертываемости. При гемофилии В фактор IX содержит генную мутацию, и весь процесс свертывания крови нарушается.

Ранее ученые обнаружили, что не все мутации этого фактора вызывают снижение функции свертывания крови. Определенные варианты гена фактора IX могут повышать его активность в 8-12 раз [5]! Десяти добровольцам ввели ген усиленного фактора IX в виде вирус-частицы, которая встраивается в клетки печени. До эксперимента все участники страдали от спонтанных кровотечений. После введения препарата уровень фактора свертываемости вырос, а за год у 9 из 10 пациентов прекратились спонтанные кровотечения. При этом никаких серьезных побочных эффектов выявлено не было.

Ванга бы прозрела, Бетховен бы услышал

Через зрительный анализатор мы воспринимаем большую часть информации из окружающего мира. Потеря зрения становится для человека важнейшей проблемой: жизнь уже не будет прежней.

Но что, если обратиться к генной терапии и помочь организму восстановить зрение? Один пациент с генетической формой врожденной слепоты, при которой люди обычно в раннем возрасте теряют зрение, согласился получить генную терапию [6]. У него в организме была мутация гена, который отвечает за синтез в клетках белка СЕР290. Этот белок «следит» за нормальной работой фоторецепторных клеток. С помощью внутриглазной инъекции пациенту ввели короткую молекулу РНК под названием се-пофарсен: с нее будет считываться информация о строении белка СЕР290 (клеткам как раз не хватало именно этого). Спустя два месяца неожиданно для самих исследователей у пациента восстановилось зрение, и он отчетливо видел последующие 15 месяцев. Требуются дополнительные исследования, но даже этих результатов достаточно, чтобы продолжать работу в этом направлении.

Еще одно врожденное генетическое заболевании глаз – оптическая нейропатия Лебера, повреждение зрительного нерва, при котором нарушается передача сигнала от глаза в зрительную кору, – ученые исследовали, чтобы понять возможность лечения с помощью генной терапии [7]. Болезнь вызывают точечные мутации в митохондриальной ДНК, из-за которых постепенно погибают нервные клетки глаза, и человек теряет зрение всего за год. Препаратов для лечения болезни нет, лишь на начальных этапах стараются проводить поддерживающую терапию, которая замедляет процесс потери зрения.

Решить проблему можно заменой поломанного гена на правильный. Сложность в том, что мутация при этой болезни происходит не в ядерной ДНК, а в митохондриальной. Ученым пришлось создать новый вирус, который доставит ген туда, куда нужно: в вирусную частицу добавили сигнальную молекулу митохондриальной ДНК – метку, позволяющую попасть в митохондрию.

Недавно исследователи отчитались о третьей фазе клинических испытаний, для которой отобрали 37 пациентов [7]. Каждому из них ввели в один глаз плацебо-препарат, а в другой – настоящий (при этом сам испытуемый не был в курсе, где какой). Разница в состоянии двух глаз должна была служить показателем эффективности генной терапии. Когда ученые подводили итоги, оказалось, что тот глаз, который получил плацебо, тоже стал видеть лучше – на 43 %, а глаз с генной терапией – на 62 %. И за два года у 68 % пациентов стал видеть лучше хотя бы один глаз, у двоих это был глаз, в который ввели плацебо-препарат.

Почему же могло так произойти? Давайте рассуждать. Благодаря особому анатомо-физиологическому строения глаза в него можно вводить вирусные частицы с генами, не опасаясь иммунного ответа: зрительный аппарат имеет обособленный кровоток. Однако, если при введении плацебо-препарата зрение улучшилось, значит, существуют какие-то пути сообщения между двумя глазами. В исследованиях на приматах было показано, что вирусная частица перемещается через головной мозг по зрительным нервам. Либо же это спонтанное улучшение зрения, которое не связано с терапией.

Еще одно генетическое заболевание, забирающее у человека зрение, – оптическая нейропатия Кьера. Она поражает зрительный нерв во взрослом возрасте, а ее исход варьируется от ухудшения зрения до дальтонизма и полной потери зрения. За развитие болезни отвечает ген ОРА1, без которого митохондрии, энергетические станции клетки, не могут выполнять своей функции. Биологи из Тринити-колледжа в Дублине разработали новый генный препарат, который защищает зрительные нервы от повреждения в них митохондрий [8]. Пока методика испытана только на лабораторных животных, но исследователи говорят о возможности применять этот препарат на человеке. Генная терапия позволила ученым изменить работу митохондрий в поврежденных клетках и повысить их способность производить энергию. Такую стратегию можно использовать для лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера – и об этом поговорим позже.

Большинство заболеваний, которые приводят к слепоте, связаны с нарушением в работе фоточувствительных клеток. Немного погрузимся в анатомию глаза. Фоточувствительные клетки можно разделить на три типа: палочки, колбочки и фоточувствительные клетки сетчатки. Они расположены по всей сетчатке, воспринимают цвета и передают информацию выше в зрительную кору через другие клетки зрительного пути. При некоторых заболеваниях, в том числе возрастных, палочки и колбочки повреждаются и развивается слепота.

Методика, которая призвана восстановить потерянное зрение, заключается в обходе палочек и колбочек и активации непосредственно второй клетки в цепочке зрительного пути – биполярной [9].

Биполярная клетка сетчатки – клетка зрительной системы, соединяющая через синапсы одну колбочку или несколько палочек зрительной системы с одним нейроном сетчатки.

Для этого биологи выделили ген MCOI, который активирует сигнальные белки – опсины – ив фоторецепторных, и в биполярных клетках сетчатки. В результате инъекции вируса, содержащего этот ген, биполярная клетка активируется, и вновь появляется чувствительность к свету. Эксперимент проводили только на незрячих мышах в лабораторных условиях. Эффект сохранялся в течение шести месяцев. Возможно, доработав методику, удастся усовершенствовать этот подход и вернуть зрение многим людям, потерявшим его.

Наряду с потерей зрения острой проблемой, которая стоит перед врачами и учеными всего мира, является потеря слуха. В 16 % процентах случаев потери слуха виноватым считают мутацию в гене STRC. Этот ген кодирует белок, благодаря которому чувствительные волосковые клетки уха имеют правильную структуру и улавливают колебания, посылая их в мозг. Мутация в гене STRC прерывает процесс передачи нервного импульса [10].

Ученые из Бостонской детской больницы под руководством Джеффри Холта заинтересовались, как можно восстановить слух с помощью генной терапии [11]. Важное условие успеха – это полная сохранность волосковых клеток. Исследователи даже считают, что в будущем станет возможным лечение врожденной патологии у младенцев.

Пока эксперимент провели на лабораторных животных. Для того чтобы доставить правильную версию гена в волосковые клетки, ученые использовали вирусный вектор AAV. У подопытных животных была врожденная потеря слуха как раз из-за мутации данного гена. Через несколько недель после лечения препаратом команда Холта исследовала слуховой аппарат мышек под микроскопом и установила, что 64 % волосяных клеток стали более структурированы. Следующий шаг эксперимента – тестирование на человеческих клетках в лабораторных условиях, а далее уже на людях.

Вирусные векторы – это инструменты, обычно используемые молекулярными биологами для доставки генетического материала в клетки.

Альцгеймер и Паркинсон

К болезням, которые человечество не научилось полностью излечивать, относят болезни Альцгеймера и Паркинсона. По данным Всемирной организации здравоохранения, десятки миллионов людей по всему миру страдают от них, и это число увеличивается. Нужно найти терапию, способную остановить развитие симптомов и продлить людям полноценную жизнь.

При болезни Альцгеймера нейроны неконтролируемо погибают. Из-за этого человек теряет память, ухудшаются речь, когнитивные способности и многое другое. Поражение клеток вызывают патологические накопления в телах нейронов: тау-белков – внутри, амилоидов – снаружи.

Биологи из Института нейродегенеративных заболеваний Массачусетса под руководством Сюзанны Вегманн в лабораторных условиях смогли снизить количество тау-белка в мозге мышей [12]. Именно этот белок вызывает смерть нейронов, активируясь амилоидом. Для этого исследователи использовали участки молекулы белка, которые могут инактивировать тау-белок. Ученые проанализировали разные варианты строения белка-диверсанта и нашли тот вариант, который останавливает работу тау-белка, не задевая генетический код здоровых клеток.

Готовую молекулу упаковали в безвредный аденовирус, сделали инъекцию в двух группах: первая получила препарат только в гиппокамп, а вторая – на весь мозг через кровоток. Для первой группы мышей удалось добиться снижения количества тау-белка на 70–85 %. Во второй группе общее содержание тау-белка в мозге тоже было снижено на 30–50 %. Количество белка было снижено на 50 % даже через год после инъекции. При этом такой способ показал низкую токсичность для клеток мозга на молекулярном и тканевом уровнях. Но это не весь эксперимент. Сюзанна Вегманн решила смоделировать ситуацию болезни Альцгеймера. У подопытных животных образовывались в головном мозге бляшки, которые мешали нейронам развиваться: были повреждения тел и отростков нервных клеток. Для того чтобы использовать препараты на людях, требуются дополнительные исследования, которые подтвердили бы отсутствие влияния на другие части генома.

Для лечения болезни Паркинсона в очередной фазе клинических испытаний генной терапии пациентам введут препарат VY-AADC01, который будет доставлен непосредственно в мозг [13]. Для этого разработчик Voyager Therapeutics начал набор когорты из 20 добровольцев. Ждем результаты!

Интересно, что неврология занимает четвертое место по числу проводимых испытаний генной терапии после онкологии, кардиологии и инфекционных болезней.

Другие неизлечимые болезни

Болезнь Тея-Сакса – генетическое заболевание, из-за которого нарушаются функции головного и спинного мозга. Работа фермента гексозаминидазы А, которого не хватает при этой болезни, заключается в своевременной утилизации ганглиозидов – молекул, которые включает в себя оболочка нервного волокна. В противном случае они накапливаются, и разрушается само тело нейрона.

До настоящего времени специфического лечения болезни разработано не было. Но медики из Массачусетского университета во главе с Мигелем Сен-Эстевесом провели доклинические испытания одного из вариантов лечения болезни Тея-Сакса [14]. И методика, конечно, связана с генной терапией. Исследователи решили доставить (с помощью векторной вирусной частицы) необходимый код для синтеза фермента прямо в мозг пациента, чтобы соответствующие белки принялись за работу и начали синтезировать гексоаминидазу А. В экспериментах на лабораторных животных такой метод позволил повысить уровень фермента в 15 раз по сравнению с контрольной группой. Поэтому использование генной терапии на добровольцах было одобрено.

Первыми пациентами, получившими лечение, стали девочки: первой пациентке было 2,5 года, а второй – семь месяцев. Второй девочке вектор ввели в субарахноидальное пространство (полость между оболочками в головном и спинном мозге) и в таламус (отдел головного мозга), а первой только в субарахноидальное пространство, так как таламус был сильно поражен. Лечение хорошо переносилось и проходило без побочных эффектов. Содержание фермента гексозоаминидазы увеличилось в два раза. В целом общее состояние пациенток улучшилось, хоть и полностью неврологические нарушения не ушли. У первой девочки припадки исчезли. У второй возникли припадки после введения вектора, но на противосудорожных препаратах их удалось полностью купировать. А учитывая, что при болезни Тея-Сакса припадки сложно купируемы и дети не доживают до четырех лет, уже можно говорить об успехе терапии. На момент публикации статьи первой пациентке было 4,5 года [15]. В дальнейшем ученые из Массачусетса планируют увеличить дозу вирусного вектора, несмотря на то что это может вызвать некоторые побочные эффекты. Однако риски оправданы: болезнь смертельна, и приходится выбирать то, что будет максимально выгодным для пациента.

Миодистрофия – это комплекс генетических заболеваний, суть которых в том, что мышечное волокно не может выполнять свою основную сократительную функцию. Причины могут быть различными, как и скорость и симптоматика каждой болезни. Иногда это происходит медленно, но не всегда.

Например, самой известной и распространенной болезнью является миодистрофия Дюшенна. Развивается стремительно и приводит к быстро прогрессирующему параличу. Больные могут не доживать даже до 18 лет. При данной генетической аномалии происходит мутация в гене дистрофина. Этот белок выступает связующим звеном между внеклеточным пространством и сигнальными молекулами. Его функция – координация поступающих сигналов и передача импульса для сокращения волокна. Без него невозможно движение: клетки работают беспорядочно, получая искаженные сигналы, и в результате умирают.

Проблема лечения от миодистрофии заключается в ее поздней диагностике, когда уже большинство мышечных волокон погибло. Группа ученых разработала генную терапию и даже уже тестировала ее на животных. С помощью этой терапии действительно удалось запустить синтез нужного белка, но в эксперименте на лабораторных крысах стадия заболевания была начальной или средней степени выраженности.

Для того чтобы выяснить, возможно ли восстановление на более поздней стадии миодистрофии, группа исследователей из Университета Айовы работала с мышами специально выведенной линии [16]. У такого дизайна эксперимента есть ряд преимуществ. Во-первых, при данной мутации у мышей довольно серьезно проявляется заболевание: нарушена подвижность, снижен вес, а половина не доживает до года. Во-вторых, подобный белок есть и у человека.

Лечение было решено начать на 35-й неделе жизни, так как уже на этом этапе развивались серьезные повреждения. Группе ввели аденовирусный вектор с правильным вариантом гена. Результаты сравнили с контрольной группой, которая не получала никакого лечения.

После генной терапии у тех, кто получил лечение, улучшились показатели выносливости, усилилась сила хвата, и они смогли вставать на задние лапки, чего были лишены в активной фазе болезни. Лечение сказалось и на прибавке в весе, но не достигло показателей здоровых мышей, хоть и выживаемость стала больше. На 60-й неделе жизни животных из контрольной группы усыпили, так как повреждения, которые спровоцировала болезнь, были не совместимы с жизнью. Из экспериментальной группы умерло только одно животное из 14.

Хоть результаты представляются более чем обнадеживающими, ученые отмечают, что не все мышечные дистрофии можно излечить с помощью генной терапии. Ген из эксперимента довольно короткий, его удалось доставить напрямую. При более длинной цепочке, как у дистрофина, это затруднительно. Приходится воздействовать опосредовано через белок-редактор, который «чинит» ген на месте. Но по результатам этого эксперимента можно сделать вывод, что организм, в силу некоторой пластичности, способен восстанавливаться даже не при 100 %-ной починке генома.

Глава 4

Отредактируй меня полностью

В предыдущей главе мы узнали, что многие неизлечимые болезни пытаются лечить на генном уровне. Давайте теперь немного подробнее изучим эту тему. Вы знали, что бактерии научили людей редактировать геном? И многое, о чем мы писали до этого и будем обсуждать в этой главе, заслуга бактерий. Звучит невероятно, но так и есть.

Технологии геномного редактирования – это группа технологий, которые дают ученым возможность изменять ДНК организма. Эти технологии позволяют добавлять, удалять или изменять генетический материал в определенных местах генома. Ученые разработали несколько методов для редактирования генома.

Самый известный сегодня метод – CRISPR/Cas9. Его позаимствовали из естественной системы редактирования генома бактерий. Бактерии захватывают фрагменты ДНК от вторгающихся вирусов и используют их для создания сегментов ДНК, известных как массивы CRISPR.

Массивы CRISPR позволяют бактериям «запоминать» вирусы. Если вирусы атакуют снова, бактерии производят сегменты РНК из массивов CRISPR для нацеливания на ДНК вирусов. Затем бактерии используют Cas9 или аналогичный фермент, чтобы разрезать ДНК, что отключает вирус.

Система CRISPR/Cas9 работает аналогичным образом в лаборатории. Исследователи создают небольшой фрагмент РНК с короткой «направляющей» последовательностью, которая прикрепляется к определенной последовательности-мишени ДНК в геноме. РНК также связывается с ферментом Cas9. Как и у бактерий, модифицированная РНК используется для распознавания последовательности ДНК, а фермент Cas9 разрезает ДНК в целевом месте. После того как ДНК разрезана, исследователи используют собственный механизм восстановления ДНК клетки, чтобы добавлять или удалять фрагменты генетического материала или вносить изменения в ДНК.

Технология геномного редактирования представляет большой интерес для профилактики и лечения заболеваний человека. В настоящее время большинство исследований по редактированию генома проводится для понимания болезней с использованием моделей клеток и животных.

Ученые все еще работают над тем, чтобы определить, является ли этот подход безопасным и эффективным применительно к людям. Он изучается в исследованиях по широкому кругу заболеваний, включая такие моногенные расстройства, как муковисцидоз, гемофилия и серповидноклеточная анемия. В перспективе рассматривается лечение и профилактика более сложных заболеваний: рака, болезней сердца, психических заболеваний и инфекции ВИЧ.

Этические проблемы возникают, когда редактирование генома с использованием таких технологий, как CRISPR/Cas9, используется для изменения генома человека. Большинство изменений, которые вносятся при редактировании генома, ограничены соматическими клетками, отличными от яйцеклеток и сперматозоидов. Эти изменения затрагивают только определенные ткани и не передаются из поколения в поколение. Однако изменения, внесенные в гены в яйцеклетках, сперматозоидах или в генах эмбриона, могут передаться будущим поколениям. Редактирование клеток зародышевой линии и генома эмбриона поднимает ряд этических проблем, включая вопрос о том, допустимо ли использовать эту технологию для улучшения нормальных человеческих качеств (таких как рост или интеллект). Исходя из этических соображений и требований безопасности, редактирование геномных клеток и эмбрионального генома в настоящее время запрещено во многих странах [1–5].

Отредактировать геном и избавиться от всех болезней

В 2018 году, когда родился мой блог, я стала еще больше интересоваться технологией CRISPR/Cas9 и лечением различных заболеваний с ее помощью.

До 2016 года технологию CRISPR/Cas9 испытывали для лечения бета-талассемии на эмбрионах [6, 7]. А в 2018 году произошло то, что потрясло всех, не только генетиков и биологов, но и людей, далеких от науки.

В Китае с помощью ЭКО на свет появились близнецы Лулу и Нана. Что в них необычного? Это первые в мире генетически модифицированные дети.

Китайский ученый Цзянькуй Хэ рассказал о рождении первых в мире детей из генетически отредактированных эмбрионов. По словам ученого, родились близняшки, у которых он хотел создать устойчивость к заражению ВИЧ.

В своем эксперименте он пытался изменить ген CCR5, который кодирует белок, позволяющий ВИЧ проникнуть в клетку, используя метод редактирования CRISPR/Cas9. Он хотел создать у младенцев иммунитет к ВИЧ, носителем которого был их отец. Мать при этом была здорова. Всего ученому удалось отредактировать 16 из 22 эмбрионов, 11 из которых использовались в шести попытках, – одна закончилась беременностью и родами.

По словам Хэ, у одной из девочек отредактированы обе копии нужного гена, а у второй – одна копия, свидетельств повреждения других генов он не нашел [8].

Хэ Цзянькуя и двоих его коллег признали виновными в том, что они нарушили китайское законодательство и умышленно, «в погоне за славой» нарушили порядок проведения медицинских процедур, хотя я думаю, что вряд ли они думали о «славе». Хэ приговорили к трем годам тюрьмы и назначили штраф [9].

До сих пор этот случай обсуждают повсюду. Эта тема будоражит ум. Только представьте, что геном человека можно отредактировать. Сразу в голове возникает целый ряд мыслей о супергероях, сверхспособностях и людях-мутантах. Но в реальности все намного прозаичнее. Мутация в одном и даже в двух генах не превратит человека в супергероя, а лишь изменит какое-то определенное свойство, за которое отвечает этот ген.

Что творят с ВИЧ?

До недавнего времени у человека, который заразился вирусом иммунодефицита, был лишь один вариант терапии – всю жизнь принимать антиретровирусные препараты, чтобы сдержать инфекцию. В 2017 году Лэй Сюй (Lei Xu) из Центра исследований стволовых клеток Пекинского университета и его коллеги провели клиническое исследование, чтобы попробовать создать устойчивость к ВИЧ в клетках крови с помощью CRISPR/Cas9.

Исследователи взаимодействовали с 27-летним пациентом, у которого кроме ВИЧ-инфекции диагностировали еще и Т-клеточ-ную лейкемию. По плану его должны были лечить лучевой терапией, которая убивает существенную часть клеток крови, и пересадка кроветворных клеток ему понадобилась бы в любом случае. Ученые решили совместить лечение с экспериментальной процедурой: после облучения они ввели больному уже отредактированные клетки донора с мутацией в гене CCR5. В этот момент антиретровирусную терапию пришлось прервать, чтобы можно было оценить результат эксперимента.

CRISPR-модифицированные клетки прижились в организме и не вызвали острого отторжения. Через 19 месяцев клетки с мутацией в гене CCR5 все еще можно было найти в крови пациента, причем не только Т-лимфоциты, но и другие клетки крови. Это значит, что отредактированные кроветворные клетки работают полноценно и производят разные типы клеток, у которых мутация сохраняется.

Тем не менее окончательно отредактировать кроветворение пациента не удалось. Среди всех клеток, забранных учеными у пациента для редактирования, внести изменения в геном получилось лишь у 17,8 %. После возвращения в организм новые клетки начали конкурировать со старыми за заселение красного костного мозга. И в течение всего времени наблюдения они составляли лишь 5–8% от общей кроветворной популяции.

Сделать пациента устойчивым к вирусу не удалось: после отмены ретровирусной терапии количество вирусной РНК в крови начало расти, и ему пришлось снова назначить лечение, чтобы инфекция не прогрессировала.

Вместе с тем авторы работы отмечают, что у их исследования есть и позитивный результат. Этот эксперимент сегодня является самым долгим наблюдением за CRISPR-отредактированными клетками в организме человека, и оно показывает, что такие клетки могут быть безопасны. Ученые не обнаружили в клетках никаких незапланированных изменений (следов нецелевого редактирования генома). Клетки также не превратились и в опухолевые, о чем предупреждали некоторые ученые в 2018 году. Таким образом, китайское исследование показало, что CRISPR-модифициро-ванные клетки можно использовать в терапевтических целях без риска для пациента [10].

Мутация CCR5A32 делает Т-клетки человека устойчивыми к заражению ВИЧ. Пересадка костного мозга от донора с мутацией может спасти больного от инфекции, как это было в случае с «берлинским пациентом», а потом с «лондонским», «пациентом города Надежды» и, возможно, «дюссельдорфским» [11–14]. Однако в Европе носителей этой мутации всего несколько процентов от населения, и подобрать полностью совместимого донора довольно сложно. А в некоторых странах (например, в Китае), где носителей практически нет, это и вовсе превращается в невыполнимую задачу.

Еще в 2007 году выяснилось, что есть путь избавления от ВИЧ – приобрести устойчивость вместе с чужими лимфоцитами. Пациенту по имени Тимоти Рэй Браун, которого знают как «берлинского пациента», пересадили кроветворные стволовые клетки от донора с мутацией CCR5A32, а через три года оказалось, что ВИЧ в организме Брауна больше нет. В 2020 году Браун умер от лейкемии.

В марте 2019 года врачи сообщили, что еще один пациент, вероятно, повторил судьбу Тимоти Брауна: его окрестили «лондонским пациентом». Врачи не обнаружили следов ВИЧ в организме пациента в течение более 30 месяцев после пересадки костного мозга. В том же году исследователи сообщили о третьем, «дюссельдорфском», пациенте с ВИЧ и ремиссией после пересадки костного мозга.

В начале 2022 года жительница Нью-Йорка вылечилась от ВИЧ после трансплантации стволовых клеток из пуповинной крови, которая не требует полного генетического совпадения, но имеет мутацию в гене CCR5. Как и у предыдущих пациентов, помимо ВИЧ врачи нашли у нее миеловидный лейкоз, иначе – рак кроветворных клеток костного мозга [15].

Ножницы против

В 2019 году представители компаний CRISPR Therapeutics и Vertex объявили о первом успешном применения CRISPR для лечения наследственных заболеваний. Экспериментальная методика помогла двум пациенткам, одна из которых страдает от бета-талассемии, а другая – от серповидноклеточной анемии [16].

В первой половине 2019 года CRISPR Therapeutics и Vertex для старта клинических испытаний CRISPR-терапии начали набирать в Европе и США добровольцев с наследственными заболеваниями крови. Среди них были две женщины из Германии и США. Хотя их болезни отличаются, обе они связаны с мутациями в гене гемоглобина. При бета-талассемии развивается дефицит эритроцитов, а при серповидноклеточной анемии они приобретают неправильную форму и могут застревать в капиллярах.

Для лечения обеих пациенток исследователи применили один подход. Клетки крови извлекли и отредактировали таким образом, чтобы они вновь начали производить фетальный гемоглобин, который обычно синтезируется только у детей.

Для этого с помощью CRISPR «отредактировали» ген, подавляющий производство «детского» гемоглобина у взрослых людей. Затем при помощи химиотерапии уничтожили старые клетки крови в костном мозге пациенток, а на их место ввели отредактированные.

Процедура значительно облегчила состояние женщин. Например, пациентка с бета-талассемией после лечения смогла несколько месяцев обходиться без переливания донорской крови. До редактирования ей приходилось делать это 16 раз в год и более. Теперь 99,8 % клеток ее крови производили фетальный гемоглобин. У пациентки с серповидноклеточной анемией до лечения сосуды закупоривались дефектными эритроцитами в среднем семь раз в год. Однако в течение четырех месяцев после лечения такого не произошло ни разу: 46,6 % гемоглобина в ее крови относилось к фетальной форме.

Оба случая сопровождались довольно тяжелыми побочными эффектами, включая воспаление легких, боли в животе и образование желчных камней. Исследователи полагают, что это последствия химиотерапии, а не CRISPR.

К июню 2020 года лечение прошли еще несколько человек, и все достигли значимых улучшений [17].

У новых добровольцев ученые также наблюдали успешное приживление отредактированных клеток, они эффективно продуцировали эритроциты после их трансплантации обратно пациенту. У некоторых участников, как и в случае первых двух пациентов, исследователи зафиксировали побочные эффекты, однако их связывают с проведением обязательного курса химиотерапии перед трансплантацией модифицированных клеток.

В конце 2020 года израильские ученые продемонстрировали эффективность технологии генного редактирования CRISPR/Cas9 в лечении метастатического рака. Они разработали новую систему доставки на основе липидных наночастиц, которая воздействует на раковые клетки и разрушает их воздействием на гены [18].

«Это первое исследование в мире, доказывающее, что систему генного редактирования CRISPR можно успешно использовать для лечения рака на модельных животных, – заявил профессор Дан Пеер, глава лаборатории точной наномедицины в Университете Тель-Авива. – Следует подчеркнуть, что это не химиотерапия. Нет побочных эффектов, а раковая клетка подвергается такому воздействию, что никогда уже не становится снова активной. Молекулярные ножницы Cas9 отрезают ДНК раковых клеток, нейтрализуя ее и окончательно предотвращая репликацию».

Для того чтобы изучить эффективность применения этой технологии для лечения рака, профессор Пеер и его команда выбрали два вида рака из самых смертельных: глиобластому и метастатический рак яичников.

Глиобластома – наиболее агрессивный тип рака мозга, ожидаемая продолжительность жизни при котором составляет 15 месяцев после постановки диагноза, а выживаемость на протяжении пяти лет – всего лишь 3 %.

Рак яичников – частая причина смерти среди женщин и самый летальный вид рака женской репродуктивной системы. У большинства пациентов заболевания диагностируются на поздней стадии, когда метастазы уже распространились по организму. Несмотря на прогресс в этой области, такой рак побеждает всего треть пациентов.

Ученые продемонстрировали, что всего одна процедура терапии липидными наночастицами и CRISPR удваивает среднюю продолжительность жизни у мышей с глиобластомой, увеличивая шансы на выживание до 30 %. Лечение метастатического рака яичников повысило выживаемость грызунов до 80 %. Исследователи отмечают, что такие результаты при лечении этих двух агрессивных видов рака открывают множество новых возможностей для использования технологии при борьбе с другими видами рака.

В 2020 году технология получила особое признание, нобелевскими лауреатами по химии стали Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпантье. Премию присудили за развитие метода редактирования генома CRISPR/Cas9 [19].

Однако наука не стоит на месте, и в мае 2021 года исследователи из Гарвардского института создали новый инструмент редактирования генов, который может позволить ученым проводить миллионы генетических экспериментов одновременно. Они назвали этот метод рекомбинированием ретронов, в нем используются сегменты бактериальной ДНК, которые могут создавать фрагменты одноцепочечной ДНК [20].

Этот метод основан на защитном механизме бактерий – ретронах.

Ретрон – это небольшой фрагмент одноцепочечной ДНК, который обоими концами прикреплен к фрагменту РНК. Такая молекула получается в результате считывания ДНК с матрицы РНК (обратной транскрипции) при помощи ретротранскриптазы.

Главное потенциальное применение геномного редактирования с использованием ретронов – внесение небольших мутаций. Такой подход можно использовать, например, для создания большого количества генетических вариантов, чтобы имитировать их влияние на приспособленность и эволюцию. Чтобы имитировать эволюцию каждого варианта из одного генома, биологи предложили фрагментировать этот геном и поместить фрагменты в ретроны, после чего внести каждый вариант в отдельную клетку. Ученые провели такой эксперимент на кишечной палочке и показали, что в ее геноме действительно можно выделить мутации, которые дают преимущество в ходе эволюции – устойчивость к антибиотикам [20].

«Воскрешение» мамонтов

В сентябре 2021 года биолог Джордж Черч и предприниматель Бен Ламм решили создать компанию, которая будет «воскрешать» мамонтов, а если точнее – получать генетически отредактированных морозоустойчивых слонов с признаками мамонтов [21].

Уже сразу после аннонса этот американский стартап получил 15 миллионов долларов на «превращение слонов в мамонтов».

На сайте копании Colossal отметили, что этих животных корректнее называть не мамонтами, а «морозоустойчивыми слонами со всеми основными биологическими признаками шерстистого мамонта». Иначе, видимо, реально сильно попахивает воскрешением.

Эпигенетический редактор

Мы уже выяснили, что изменение последовательности ДНК – очень полезный механизм для лечения некоторых заболеваний, которые не поддаются стандартной терапии. Однако не все так просто. Все мы несовершенны, как и система редактирования генов CRISPR/Cas9. Иногда при работе она задевала важные участки ДНК клеток, что приводило к ошибкам при их последующем делении.

Доценты Калифорнийского университета Люк Гилберт, Вайсман Джеймс Нуньес и их команда разработали новый метод, который вызывает стабильные изменения активности генов, чтобы его можно было наследовать через сотни клеточных делений, а также является полностью обратимым! Его назвали CRISPRoff, и он способен отключать гены без повреждения нитей ДНК, а значит, и без генетических трансформаций материала [22]! Изменения, сделанные с помощью новой технологии, передаются следующим поколениям клеток, и самое главное – их можно отменить в любой момент. Описать такой механизм можно словом «эпигенетический», что означает дословно «над генами». Изменения при нем происходят не в процессе редактирования структуры кода. С помощью химических превращений удается регулировать степень активности, а не последовательность нуклеотидов в ДНК.

Эпигенетическое отключение генов останавливает считывание кода с ДНК и синтез патологических белков, а значит, может препятствовать развитию заболеваний. Как и любая новая технология, метод требует более тщательного изучения.

Но бывают случаи, когда необходимо вмешаться в саму структуру ДНК. Для этого существует метод праймированного редактирования.

Как это работает? Для этого немного вспомним биологию. Есть клетка, в ее ядре содержится ДНК, в которой содержится информация о синтезе белков. Есть вирус, он содержит нуклеиновую кислоту: ДНК или РНК. Вирус заставляет клетку копировать себя.

Для этого вирус проникает в клетку, включает свой фермент – обратную транскриптазу – и «вставляет» нужную последовательность своего кода в ядро клетки, перед этим сделав перевод с языка РНК на язык ДНК.

Обратная транскрипция – это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации в одноцепочечной РНК, осуществляется при помощи фермента – обратной транскриптазы.

Так вот, для редактирования генома используют тот самый принцип обратной транскриптазы, он позволяет сделать точечные замены нуклеотидов или целых участков. Этот метод работает лучше, чем стандартный CRISPR/Cas9. Исследования опубликованы в журнале Nature в 2019 году [23].

В основе стандартной методики CRISPR/Cas9 лежит разрезание ДНК: Cas-9 нуклеаза разрывает связи в обеих цепях ДНК. Далее она сшивает соседние нуклеотиды, беря информацию о нужной замене из соседней хромосомы или из последовательности, которую предоставляет экспериментатор. Такие заимствования могут быть опасными и смертельными для клетки. Существует метод замены оснований, при нем не происходит двуцепочечного разрыва, но варианты редактирования очень ограничены.

С этим под руководством Дэвида Лю решила разобраться группа ученых из Гарвардского университета, разработав метод прайми-рованного редактирования. В чем его суть?

Удлиненная гидовая РНК (ПргРНК) способна выполнять сразу две функции: определять конкретные участки ДНК, нуждающиеся в исправлении, и нести информацию об изменениях, которые нужно произвести.

Cas9 садится на ДНК, расплетает ее на две части. Второй фермент ПргРНК прилипает на противоположную нить и защищает ее. На рабочей нити Cas9 делает одноцепочечный разрыв, а ПргРНК вторым концом присоединяется к месту разрыва. К белку Cas9 подходит еще один фермент, и на основе присоединенной части ПргРНК строит новую последовательность, переписывая ген заново.

В итоге имеем две версии ДНК: старую и новую. Новую ферменты вшивают на место, а старая утилизируется. Но тут еще проблема: цепь с новой последовательностью не комплиментарна нерабочей, поэтому нужно провернуть еще раз такую операцию, но со второй цепью.

Успех такого редактирования составляет от 20 до 50 %, а частота ошибочных вставок около 10 %. У стандартного метода статистика хуже [23]. Но главное преимущество – универсальность метода: его можно применить и в случае потери последовательностей. В частности, удалось изменить гены при серповидноклеточной анемии и при болезни Тея-Сакса. Все же споры о широком применении такого метода еще не остановились и вызывают множество вопросов в ученых кругах.

А вот недавно исследователи смогли полностью удалить вирус иммунодефицита человека из организма мышей с человеческими Т-лимфоцитами с помощью препаратов и генного редактирования [24].

При ВИЧ вирусная частица поселяется в Т-лимфоците и не дает ему выполнять свою функцию – распознавать чужеродные агенты. Со временем организм вовсе перестает противостоять даже обычному ОРВИ. Лекарство, способное полностью удалить ВИЧ из организма, не существует: сегодня можно снизить его концентрацию в клетках человека до минимума и обеспечить полноценную жизнь на антиретровирусных препаратах.

Вирус не поражает клетки мышей, поэтому для начала ученые ввели им гемопоэтические клетки CD34+. После развития их в Т-лимфоциты специалисты ввели вирус. Через 14 дней мышам начали вводить антиретровирусные препараты LASER ART в наночастицах с липидной оболочкой, которая позволяет дольше поддерживать концентрацию препарата в крови. Были и другие группы: только с лечением препаратами и только с генной терапией, плюс контрольная группа безо всякого лечения. Во всех трех опытных группах концентрация вируса в крови снизилась, но лишь у группы с совместной терапией удалось полностью элиминировать вирус из организма. Хоть выборка мала и результаты применения методики далеки от 100 %-ного успеха, предпосылки обнадеживающие.

Для того чтобы определить влияние конкретного участка гена на проявления признака, необходимо либо внести в него мутацию, либо повлиять на активность этого гена. Можно изменить последовательность нуклеотидов при помощи системы CRISPR/Cas9. Однако эффективность не так высока, как хотелось бы. К тому же ген может быть настолько важен для организма, что необратимые изменения могут привести к серьезным последствиям для всего организма. А вот чтобы временно выключить фрагмент, можно использовать РНК-интерференцию (механизм уничтожения чужеродной двуцепочечной РНК). Она способна остановить работу гена на этапе транскрипции, влияя на матричную РНК (посредника между ДНК и новым белком). Но некоторые гены слишком активны, и такой способ также неэффективен.

Транскрипция – это перенос генетической информации с ДНК на РНК.

Есть белок Casl3a, который способен достаточно точно связываться с нужной молекулой РНК. Поэтому для новой системы взяли именно его [25]. CRISPR/Casl3 протестировали на клетках бактерий и растений. Чтобы эффективно использовать его у человека, ученые сделали так, чтобы белок синтезировался в эукариотических клетках, и добавили к нему последовательность, обеспечивающую доставку в ядро. После этого авторы проверили эффективность системы для снижения активности нескольких генов человека на фибробластах и клетках меланомы. Эффективность выключения составила от 30 до 85 %, что в среднем соответствовало эффективности контрольных проб для РНК-интерференции.

Но также при помощи Casl3 авторам работы удалось существенно снизить количество транскриптов для генов, которые с использованием РНК-интерференции подавить не удавалось. Преимуществом CRISPR/Casl3 перед интерференцией оказалась чувствительность связывания.

Однако станет ли метод популярнее своего предшественника, пока не понятно.

Человек с сердцем свиньи

Сегодня генная инженерия зашла настолько далеко, что 57-летнему пациенту с неизлечимой болезнью сердца сделали пересадку этого органа, который взяли у свиньи и генетически отредактировали! Такая манипуляция была последним шансом Дэвида Беннета на жизнь: он уже перенес несколько пересадок клапанов сердца, а пересадить сердце от человеческого донора по неуточненным причинам было невозможно. Случай небывалый: только в конце 2021 года Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США разрешило провести экстренную операцию, которая длилась восемь часов [26].

После операции Дэвид находился на искусственном кровообращении, что нормально для послеоперационного периода, но вскоре его отключили, так как новое сердце прекрасно выполняло свои функции. Врачи отметили, что не наблюдается признаков эндогенного ретровируса свиньи, что возможно при трансплантации органов не от человека.

Вообще, ксенотрансплантация известна еще с 60-х годов прошлого столетия. Тогда пересаживали почки шимпанзе нескольким людям, но реципиентам удавалось прожить не более девяти месяцев после операции. Также известны попытки пересадки сердца бабуина младенцу, родившемуся с дефектом этого органа. Но тогда, в 80-х годах, операция продлила жизнь ребенка всего на 20 дней. Считается, что если брать органы свиней в качестве донорских, то успех операции значительно повышается. В наши дни людям, страдающим диабетом, пересаживают клапаны сердца и клетки поджелудочной железы, которые берут у свиней.

Генетическая модификация ксенотрансплантатов нужна для того, чтобы снизить риск отторжения тканей. Сердце, которое пересадили Беннету, прошло 10 генетических модификаций: ученые отключили четыре гена, среди которых был ответственный за отторжение чужеродной ткани. А еще шесть генов, наоборот, добавили, что сделало орган более толерантным к иммунной системе Дэвида. Но надежды полностью не оправдались: пациент все равно умер спустя два месяца после операции, правда, до сих пор неясно из-за чего. Видимо, предстоит еще выяснить много нюансов, прежде чем технологию возьмут в оборот.

Большую пользу сельскому хозяйству может принести технология выведения потомства определенного пола. Биологи из Лондонского университета Френсиса Крика под руководством Джеймса Тернера опубликовали работу, в которой использовали генное редактирование с помощью методики CRISPR/Cas9, чтобы получить линию потомства мышей одного пола [27]. CRISPR/Cas9 использует специальный белок, нуклеазу, который в процессе деления ДНК может делать разрез цепочки в нужном месте, внося коррективы в гены и «направляющую» РНК, которая показывает, в каком месте сделать разрез. Мишенью для фермента выбрали ген топоизомеразы 1 (Тор 1), работа которого жизненно важна для клеточного деления: без него организм погибает внутриутробно. Для этого составляющие CRISPR-системы разделили по геномам родителей: ген нуклеазы вносили в Y-хромосому отца, а ген, кодирующий направляющую РНК, – в ДНК матери. По отдельности они не оказывают никакого эффекта, но, соединившись в одном организме, эти генетические редакторы не давали строиться ДНК по мужскому типу, и потомство получалось полностью из особей женского пола. При этом количественно потомства появилось больше на 30 %, чем без генной модификации. Скорее всего, произошло такое из-за того, что гибель зародышей одного пола позволила направить все ресурсы на развитие зародышей другого. Ген ТОР 1 имеется у всех животных, и в теории такую методику можно использовать для выведения однополых линий. Но удастся ли привнести новый метод в сельское хозяйство – большой вопрос этического характера, не все люди понимают безвредность ГМО-технологий.

Без отца

Партеногенез – это способность живого организма размножаться без участия второй особи, то есть из одной половой клетки, например яйцеклетки. Для млекопитающих такая способность не характерна. Этому мешает геномный импринтинг, в ходе которого сперматозоид и яйцеклетка навешивают на свою ДНК эпигенетические метки. В результате новый организм «получает» хромосомы с генами, часть из которых «работает» только с отцовской хромосомы, а часть – с материнской. Если в оплодотворении будет участвовать только материнская или только отцовская половая клетка, то организм рискует получить огромную часть неработающих генов и погибнуть. Ученые множество раз пытались разрешить этот вопрос и даже получили потомство от однополой пары мышей. Для этого отключались некоторые участки в геномах. Потомство от отца получилось нежизнеспособным, а от матери – вполне себе здоровым. Яньчань Вэй из шанхайского университета Цзяотун вместе с коллегами попробовал добиться настоящего партеногенеза, то есть вырастить мышь из одной-единственной зрелой яйцеклетки [28].

Для этого они вывели потомство гибридных мышей путем скрещивания мышей двух разных линий, у которых четко прослеживались генетические различия. Так сделали, потому что особи получили набор хромосом, которые явно отличаются между собой, и не стоит труда разобрать, где отцовская хромосома, а где материнская. У самок из гибридного потомства взяли незрелые яйцеклетки и изменили их генетический код: сняли те самые эпигенетические метки с помощью системы CRISPR/Cas9. Затем то же самое сделали с отцовскими хромосомами. В результате получилась имитация подготовки к оплодотворению. Далее клетки простимулировали к делению, получили зародышей, которых пересадили к самке. Но все эмбрионы погибли к 13-му дню. Почему? Исследователи предположили, что дело в материнских генах. Тогда с помощью другой системы CRISPR/Cpfl отредактировали чуть больше материнских генов и повторили то же самое. Выживаемость была очень низкой. При этом даже выжившие мышата умирали в течение суток. Ученые продолжали эксперимент, подбирая те условия, которые приведут к нужному результату.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Любопытно, что одна из мышей, полученных путем партеногенеза, дала потомство. У этих мышат ученые исследовали экспрессию важного гена в головном мозге и пришли к выводу, что нарушений геномного импринтинга у них не было. Получается, даже хотя у их мамы отредактировали не все необходимые гены, это не помешало мышатам родиться здоровыми из-за того, что каждый раз при формировании новой жизни эпигенетические метки стираются и устанавливаются заново.

Наконец, с очередной попытки удалось получить двух мышат с нормальным весом и развитием, отредактировав еще несколько участков по отцовской линии. Это первый случай успешного партеногенеза на живых организмах. Правда, ученые отмечают очень низкую эффективность методики: чтобы получить двух здоровых мышей, пришлось подсаживать самкам сотни зародышей. Это связано с тем, что довольно трудно отредактировать все восемь участков в геноме: ошибка и неудача всего в одном случае ведут к провалу. К тому же ученые отмечают, что не все участки, которые нуждались в редактировании, были ими найдены.

Выключить алкоголизм

По всему миру проблема излечения от алкоголизма становится все более актуальной: время идет, а лекарство для 100 %-ного исцеления до сих пор не найдено. Ученые из США, Университета штата Иллинойс, открыли как применить особую технологию редактирования генов CRISPR-dCas9 для работы в этом направлении [29].

При развитии алкоголизма в возрасте от 11 до 17 лет уменьшается экспрессия гена ARC. Этот ген связан со способностью обучаться и запоминать новую информацию, а также за передачу РНК от нейрона к нейрону.

В одном из экспериментов участвовали лабораторные крысы, у которых были подобные изменения. С помощью редактирования конкретно этого гена крысам удалось вернуть свою трезвую жизнь. Результаты эксперимента все-таки довольно узки: он показал, что можно вылечить алкоголизм у той группы грызунов, зависимость которых пришлась на подростковый период. На людях такие эксперименты не проводились.

Теперь перейдем к братьям нашим меньшим. Домашние животные – следствие искусственного отбора, направленного на то, чтобы животное соответствовало нуждам хозяев. Популярное домашнее животное хомяк не всегда отличается кротким нравом и добродушием. По крайней мере, так считали ученые из США, которые решили подредактировать геном хомяка и сделать его более дружелюбным. Но получилось все наоборот [30].

С помощью технологии редактирования генома ученые собирались выключить ген, который связан с проявлением агрессивного поведения, путем подавления активирующих его рецепторов вазопрессина – гормона, связанного у людей с чрезмерной агрессией. Но все оказалось не так однозначно: подобная коррекция привела к еще большей агрессии и усилила инстинкты самозащиты. Что же, ученым пришлось признать, что психическая регуляция сложнее, чем предполагалось!

Выключить цвет

Изучать воздействие генной терапии в некоторых экспериментах требуется на стадии эмбриона. Но иногда невозможно внести белок – переносчик гена непосредственно в эмбрион. Например, насекомые развиваются в очень плотной оболочке. Однако недавно японские ученые нашли способ доставить CRISPR-коктейль в половые клетки (об этом подробнее в главе 6) [31]. Группа ученых придумала поместить переносчик опосредованно – в тело материнской особи. Там он проникает в половые клетки и наследуется потомством. Новый подход назвали DIPA-CRISPR, или прямой родительский CRISPR. С помощью такого подхода ученым удалось изменить цвет глаз у 22 % потомства рыжих тараканов и у 50 % потомства жуков-хрущаков. Похожие результаты получались и другими методами. Главное, что подход сработал!

Глава 5

Стволовые клетки

В 2018 году я защитила кандидатскую диссертацию. Ох, как нелегко мне дались аспирантские годы! О нелегкой жизни российских аспирантов я смогла бы написать отдельную книгу, это то еще приключение. Тем не менее мне очень нравилось то, чем я занималась. Ночи, проведенные в лаборатории с наушниками в ушах и образцами в руках… Вот такая у ученых медитация. При этом было ощущение, что я занимаюсь чем-то значимым.

Я переехала в Пущино, чтобы работать над диссертацией, мне дали общежитие. Следующие четыре года я жила с прекрасной соседкой и отвратительными тараканами, которые после очередной травли все равно захаживали в гости. Домашний ребенок, который боялся больше всего на свете переехать в другой город, наконец-то познал все прелести жизни: и страх, и ролтон, и компот. И другие закрутки, привезенные из дома.

Первые дни на работе впервые я смотрю, как люди работают с животными. Впервые я работаю с животными! В первый раз было волнительно, страшно. Крыса может меня укусить, а я заражусь чем-то, а что, если она от меня убежит? Далее по накатанной. Когда меня спрашивают: каково это – работать с животными? Я отвечаю, что это такая же работа, как и любая другая. Это как шутки про патологоанатома и гречку. Каждый привыкает к своей работе, кто-то влюбляется в нее все больше со временем, а кто-то понимает, что хочет попробовать себя в чем-то другом. Тем не менее к любой работе привыкаешь.

Так я начала работать над диссертацией, посвященной изучению действия мезенхимальных стволовых клеток при различных кожных травмах. Тема меня затянула, работа на стыке биологии и медицины – это то, о чем я мечтала со школьных времен.

Итак, моя работа была связана со стволовыми клетками. Самая главная способность этих клеток – самообновляться и превращаться в клетки различных органов и тканей. Они являются своего рода «запасными частями», которые можно использовать, если в организме что-то «поломалось». Использование стволовых клеток в различных областях медицины – перспективное направление, которое может помочь избавить человечество от многих заболеваний. «Добыть» эти клетки можно несколькими способами. Самый часто применяемый – донорство костного мозга (материал часто берут из подвздошной кости, проще говоря, верхней части тазовой кости). Есть другой источник стволовых клеток – эмбрион ранней стадии развития. Однако этот способ сомнителен по этическим причинам и недостаточно изучен в медицине. Существует еще один источник стволовых клеток, самый безопасный – пуповинная кровь и пупочный канатик.

Интересно, что, например, содержащиеся в пуповинной крови и пупочном канатике стволовые клетки можно сразу после рождения ребенка сохранить в специальном банке. В среднем объем собранной пуповинной крови составляет от 40 до 100 мл, это зависит от физиологических особенностей пуповины. Впоследствии, если человек серьезно заболеет, он сможет использовать собственные ресурсы. Однако существуют и минусы стволовых клеток из пуповины по сравнению с клетками, взятых из костного мозга. Поскольку в порции пуповинной крови содержится меньшее количество клеток, чем в порции стволовых клеток, полученных из костного мозга, лечение проходит намного медленнее, а количества клеток, полученных из пуповины, необходимо больше.

В своей диссертации я исследовала, как ученые могут использовать мезенхимальные стволовые клетки (МСК) для лечения химических ожогов и механических травм. Это очень эффективный материал для восстановления, так как стволовая клетка способна трансформироваться в клетку ткани. Однако серьезная сложность заключается в том, что также она способна стать «врагом» и превратиться в источник распространения онкологии по организму. Для того чтобы взять от стволовой клетки только ее лучшие качества, мы работали не с ней самой, а с ее факторами роста, которые благотворно влияют на регенерацию.

Предметом моих исследований была поврежденная кожа. Я вводила факторы роста стволовых клеток животным и следила, заживляются ли ткани и каким образом воздействуют компоненты, сравнивая этот процесс с воздействием плацебо (физраствора).

Стволовые клетки и их ростовые факторы изучают во всем мире. Регенеративная медицина в настоящее время практически базируется на исследованиях, включающих применение стволовых клеток в той или иной области. В этой главе я расскажу об удивительных исследованиях с применением стволовых клеток. Почему удивительных? Потому что некоторые из них еще 120 лет назад казались чем-то на уровне фантастики. Впрочем, и опасность в их применении тоже есть.

Опасность стволовых клеток

В чем же опасность стволовых клеток? Это обратная сторона медали. Почти на всех конференциях и даже на защите диссертации у меня спрашивали лишь об одном: «А что, если стволовые клетки превратятся в раковые?»

К сожалению, эти вопросы задавались не без основания. Как только ученые «разведали» удивительные свойства стволовых клеток, практики тут же начали думать, как же можно их применить. И конечно же, как только из каждого утюга стало доноситься, что стволовые клетки – это панацея, сильнейшие мира сего начали их «втюхивать» налево и направо, а те, кто побогаче, познаменитее и постарше, с большим удовольствием пользовались «благами современной цивилизации». Клеточный туризм начиная с 2010 года процветал во многих странах. Но какой ценой? В том, что стволовые клетки стали причиной развития раковых опухолей, много слухов, но были и исследования, подтверждающие их опасность.

В 2016 году американские врачи опубликовали в New England Journal of Medicine статью о случае развития опухоли в результате «лечения» стволовыми клетками в коммерческих клиниках [1].

Мужчина, желающий избавиться от последствий инсульта, решился на введение в спинномозговой канал мезенхимальных, эмбриональных и плодных стволовых клеток. Все эти манипуляции ему сделали в клиниках Китая, Аргентины и Мексики. Через некоторое время у мужчины парализовало ноги и началось недержание мочи, помимо всего прочего, у него дико болела спина.

С помощью МРТ с контрастным веществом, биопсии и анализа ДНК врачи выяснили, что под твердой оболочкой спинного мозга этого мужчины плотное клеточное быстрорастущее новообразование, которое состоит в основном из чужеродных клеток.

У этого образования были все признаки злокачественного, но секвенирование не выявило ни одного изменения в геноме, характерного для рака. Врачи недоумевали, ведь до этого они ни разу такого не видели. После курса лучевой терапии новообразование уменьшилось в размере, а пациент смог шевелить правой ногой. Поэтому, дабы минимизировать такие случаи, ученые все же пытаются и дальше работать над исследованиями стволовых клеток.

В начале 2018 года российские исследователи опубликовали статью в журнале Stem Cell Reports, где рассказали о том, что разработали новый способ мечения ДНК, при помощи которого можно наблюдать за делением и дифференциацией стволовых клеток почти во всех тканях. Метод основан на применении трех модифицированных аналогов нуклеотидов. Последовательное окрашивание трех разных меток в мозге позволило исследователям наблюдать за нейрогенезом у мышей [2].

Стволовые клетки: как они превращаются в органы и эмбрионы

И все же волков бояться – в лес не ходить. Поэтому от опасности перейдем к пользе. Как вы, наверно, уже поняли из описания стволовых клеток, в них таится огромный потенциал для того, чтобы лечить различные заболевания и восстанавливать ткани.

Команда ученых из медицинской школы Перельмана в Университете Пенсильвании нашла белок, который запускает тот самый процесс «инициации»: перехода стволовой клетки в специализированную. Они смогли описать пошагово этот процесс [3]!

Еще в 2002 году исследователи из лаборатории доктора Зарета обнаружили специальный белок FOXA1, который дает доступ другим молекулам белка к структуре ДНК стволовых клеток. Новая работа позволила разобраться, как именно стволовая клетка получает информацию, кем необходимо ей стать.

Для упрощенного объяснения процесса исследователи используют следующую аналогию. Белок FOXA1 – это человек, который открывает дверь в квартиру. Что из себя представляет эта квартира? Эдакая типичная двушка в новостройке с отделкой White Box. Ровные белые стены, тип планировки и высота потолков – это стандартные параметры, которыми обладают все стволовые клетки до превращения в новые. Чтобы сделать в такой квартире ремонт по вашему заказу, требуется дизайнер интерьера: в мире клеток это сигнальные молекулы, которые определяют дальнейшую судьбу каждой стволовой клетки. Они задают цвет обоев, отделку пола и потолков, расстановку мебели. Далее приходит команда работников (определенный набор белков), которая выполняет свою работу. Они берутся активировать те участки генома стволовой клетки, которые соответствуют поставленной задаче. Из пустой комнаты можно сделать и спальню, и гостиную, и детскую: база для этого имеется. Так и эти белки-активаторы: заставляют работать те гены, которые отвечают за рост определенного типа тканей.

FOXA1 обнажает молекулу ДНК стволовой клетки и открывает доступ к информации! Белки считывают тот код, на который указывает FOXA1, и строят новые структуры тканей и органов. Результаты этого исследования дает надежду на переход на новый уровень в выращивании органов и тканей для пересадки их нуждающимся людям.

А вот исследователи из Медицинской школы Университета Вирджинии даже смогли вырастить мышиный эмбрион из стволовых клеток.

Работа основана на результатах предыдущего исследования, в котором определили необходимые условия для искусственного развития эмбрионов рыбок Данио с нуля [4]. Теперь же удалось получить нормальное развитие хорды, то есть будущего позвоночника, зачатков желудочно-кишечного тракта и впервые в мире вырастили нервную трубку – начальный этап развития центральной нервной системы [5]. Американские ученые получили даже первые сократительные движения сердечной мышцы! Но такой эмбрион не сможет вырасти в полноценную мышь: развитие останавливается в середине беременности. Требуются дополнительные исследования. Несмотря на это, такие эмбрионы могут стать отличным инструментом для изучения заболеваний плода на стадии эмбрионального развития, а также для создания возможного лечения таких заболеваний.

Ранее ученые обнаружили, что нервные стволовые клетки активно участвуют в регуляции процесса старения организма. Но не будем долго останавливаться на процессах старения и перейдем к процессам омоложения. Итак, чтоб чудом омолодиться, нужен всего лишь особый коктейль, «магический коктейль Яманаки». Или это все же не так просто, как кажется?

Как приготовить Молодильный коктейль?

И при чем тут стволовые клетки?

Из плюрипотентных клеток происходит все. И если мы научимся управлять этой плюрипотентностью, то для каждого человека будем способны создавать дополнительные ткани.

Плюрипотентные клетки могут дифференцироваться во все типы клеток, кроме клеток внезародышевых органов (плаценты и желточного мешка).

У человека эти клетки существуют на стадии эмбрионального развития, которая называется бластоциста. После этого они специализируются, то есть, теряя плюрипотентность, становятся мультипотентными, и происходит развитие организма.

Японский ученый Синъя Яманака с помощью четырех генов научился получать плюрипотентные стволовые клетки из любых клеток живущих взрослых организмов. Это шикарнейшее открытие! И по сравнению с клонированием оно технологически намного проще. Не нужно переносить ядро, не нужна яйцеклетка. Нет морально-этических проблем! Красота!

Репрограммирование клеток с помощью генов похоже на волшебство! Именно поэтому эти четыре гена многие и называют «магическим коктейлем Яманаки».

Эти четыре гена можно ввести в любые клетки взрослого организма. Например, взять клетки кожи, ввести в них эти гены – и вот оно, чудо! Через некоторое время они превратятся в клетки, совершенно одинаковые с клетками, которые мы выделили бы из бластоцисты, то есть с первыми плюрипотентными стволовыми клетками. Эти клетки получили название индуцированных плюрипотентных стволовых клеток [16]. То есть через введение туда генов произошло репрограммирование: из взрослых они вернулись в эмбриональное состояние и приобрели свойство плюрипотентности.

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – тип плюрипотентных клеток млекопитающих, которые получают из клеточной массы на ранней стадии развития эмбриона.

Для примера возьмем мышиные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, введем в полость бластоцисты, эту бластоцисту имплантируем мышке, и из нее родятся мышата.

Это значит, что мы можем сегодня для каждого человека получать плюрипотентные стволовые клетки и из них делать персональные тканевые либо клеточные препараты, чтобы, например, использовать их в целях регенеративной медицины либо изучать те или иные патологии. А может, оставаться вечно молодым?

Недавно ученые, кажется, чуть-чуть приблизились к ответу на этот вопрос [17].

Исследователи смешали три фактора Яманаки (из четырех) с клетками кожи взрослого человека, чтобы таким образом перепрограммировать эти клетки. Такой «коктейль» вводили в поврежденные клетки сетчатки в задней части глаз слепых мышей и «включали» их с помощью определенных химических веществ. Мыши восстановили большую часть своего зрения. Затем команда взялась за клетки мозга, мышц, почек и восстановила их до гораздо более молодого состояния.

«Одним из наших достижений стало понимание того, что, если вы используете этот набор из трех факторов, мыши не «молодеют до конца», что может вызвать рак или что-то еще. Вместо этого клетки омолаживаются на 50–75 % и потом останавливаются («откат назад»). Как клетки это делают, пока неизвестно», – отметил руководитель научной группы.

На основе этого исследования профессор сформулировал «информационную теорию старения». Идея которой – «откатить» клетки не до «заводских настроек», а до определенной «резервной копии» (как в компьютере). Сейчас эта же команда ученых пытается найти способ равномерно доставить «молодильный коктейль» в каждую клетку.

До этого эксперимента ученые уже несколько раз пытались омолодить клетки у мышей, показывая, что старение можно обратить вспять более одного раза, и сейчас они тестируют такую перезагрузку у приматов. Но могут пройти десятилетия или столетия, прежде чем какие-либо клинические испытания против старения начнутся на людях.

Одна из теорий старения гласит, что теломеры с каждым делением укорачиваются. О теломерах вы уже узнали из первой главы, давайте еще немного углубимся в эту тему. Укорочение теломер связано с тем, что фермент ДНК-полимераза, восстанавливающий структуру ДНК, не умеет копировать концевые участки хромосом. И чтобы не потерять информацию, на концах хромосом находятся теломеры. У них есть и защитная функция – предотвращать склеивание хромосом между собой.

Жизнь клетки зависит от остатка длины теломер: при сильном укорочении она запускает процессы старения и гибели, чтобы избежать склеивания хромосом и серьезных мутаций. Стволовые же клетки делятся очень много раз и содержат фермент теломеразу, который восстанавливает эти участки. Мутации, нарушающие работу этого фермента, вызывают наследственные заболевания. Ученые из Бостонской детской больницы под руководством Сунита Агарвала несколько лет назад показали, что в развитие теломерных заболеваний вовлечен ген, правильная работа которого важна для нормального формирования и стабилизации теломеразы [8]. Исследователи сосредоточились на изучении PAPD5 – белка, подавляющего работу гена PARN. Чтобы найти молекулу, которая будет препятствовать работе белка PAPD5, ученые проанализировали более 100 тысяч химических веществ. Наиболее подходящие молекулы протестировали на культурах клеток, полученных от пациентов с дискератозом, а затем на лабораторных мышах, которым предварительно пересадили стволовые клетки человека с мутациями в гене PARN, ведущими к развитию дискератоза. Действие молекул-ингибиторов PAPD5 приводило к восстановлению длины теломер в трансплантированных клетках, не влияя при этом на способность животных образовывать различные виды клеток крови.

Врожденный дискератоз – генетически обусловленный синдром, при котором костный мозг не вырабатывает достаточно клеток крови. Характерные симптомы при этом: аномалии на кожных покровах, поражение слизистых оболочек, ломкость ногтевой пластины.

А есть ли предел для функционирования стволовых клеток? Биолог Эван Снайдер из Санфордского института медицинских исследований задумал перепрограммировать клетки 114-летнего пациента [19]. До сих пор считалось, что настолько старые стволовые клетки уже теряют свою «суперспособность».

Благодаря выборочному анализу клеток людей, чей возраст перешагнул целый век, удалось заметить особенность: тела этих долгожителей демонстрируют меньшую склонность к возрастным заболеваниям (например, болезням Альцгеймера и Паркинсона). Вероятно, дальнейшее изучение особенностей генов долгожителей даст возможность противостоять многим возрастным болезням, ухудшающим качество жизни!

Глаз из стволовых клеток

В сентябре 2019 года стало известно, что японцы впервые в мире провели человеку пересадку роговицы [6] на основе ИПСК, а не биоматериала погибших доноров, как делалось это ранее.

Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) – тип плюрипотентных клеток млекопитающих, которые получают из клеточной массы на ранней стадии развития эмбриона.

Один из главных плюсов такого трансплантата – отсутствие в нем клеток иммунной системы, а следовательно, низкая вероятность отторжения.

Давайте сначала разберемся, что собой представляет роговица глаза.

Роговица – прозрачная часть одной из оболочек глазного яблока, служит для преломления света.

К сожалению, довольно часто эта часть глаза травмируется либо биохимические процессы в эпителии роговицы нарушаются так, что это снижает ее прозрачность. Зрение при этом ухудшается, и ухудшение нередко прогрессирует.

Выход один – менять роговицу. Например, взять у погибшего донора. Но при этом иммунная система может не принять «чужую» роговицу, тогда произойдет отторжение. К сожалению, бывает такое частенько…

Из ИПСК можно получать клетки различных типов, конечный результат зависит от того, какой смесью факторов на них действовали.

Первым человеком – реципиентом роговицы, эпителий которой вырос из потомков ИПСК, стала 40-летняя гражданка Японии. Она страдала от ретикулярной дисгенезии роговичного эпителия, то есть его клетки не обновлялись должным образом и поэтому не могли обеспечить достаточную прозрачность роговицы. В 2019 году в левый глаз пациентки пересадили тонкий слой ткани роговицы, полученный из ИПСК донора. Уже через месяц ее выписали из больницы, при этом зрение женщины с момента операции улучшилось [10].

До этого положительные результаты трансплантация показала в опыте на кроликах [11]. На мой взгляд, это прорыв в исследованиях с использованием стволовых клеток. В Японии еще в марте 2019 года Министерство здравоохранения утвердило операции по пересадке роговиц из потомков ИПСК четырем добровольцам, именно этот документ дал зеленый свет для таких трансплантаций [12].

Эмбриончики, мини-органы и другие милости

Перейдем от глаза к более сложной системе – эмбриону. Искусственное оплодотворение в последние годы становится предметом этических и научных дискуссий. Самый большой процент замирания беременности как при естественном оплодотворении, так и при ЭКО, происходит на стадии бластоцисты, когда зародыш содержит всего до 100 клеток: на этом этапе нередки случаи выкидышей. Новое исследование позволяет изучать причины ошибок в процессе начального развития эмбриона [13].

Фаза бластоцисты начинается примерно на пятый день от оплодотворения, продолжается несколько дней, и именно тогда происходят клеточные дифференциации, но самое главное – имплантация зародыша к стенке матки. Найти гены, ответственные за этот процесс клеточной дифференциации, довольно тяжело.

Для создания человеческих бластоидов (органоидов бластоцисты) ученые под руководством биолога By Цзюнь из Техасского университета использовали зародышевые стволовые клетки. При нужных внешних условиях они могут развиться в три типа клеток, из которых в бластоцисте затем формируются ткани плода, плацента и желточный мешок. Команда By сделала огромный шаг, показав, что под действием определенной молекулярной смеси стволовые клетки начинают формировать бластоид [9].

Несмотря на то что у ученых уже получается вырастить бластоида, до целого гуманоида еще очень далеко[1]. В первую очередь потому, что по сравнению с человеком способность к регенерации органов и тканей гораздо лучше развита у других живых организмов. Это возможно благодаря особому виду взаимодействия генов, не свойственных нам. И если исследователи смогут досконально изучить «язык» генов, то мы получим ключ к регенерации органов и тканей.

У человека все гены работают по принципу «изолированной петли», то есть гены, отвечающие за проявление конкретных механизмов, работают так всю жизнь. Грубо говоря, клетки сердца всегда останутся клетками сердца. Но вот у актинии все не так: ее клетки способны становиться любым органом, так почему бы не использовать такой потенциал?

Мартиндейл и его команда решили изучить этот вопрос подробнее, чтобы добиться регенерации клеток сердечной мышцы [14]. А в Пенсильвании ученые смогли воссоздать регенерацию клеток эпикарда, внешней оболочки сердца, расшифровав, какие именно молекулярные сигналы необходимо передать стволовым клеткам для их дифференцировки [15].

А вот исследователи из Нидерландов смогли воплотить еще один эксперимент в жизнь: вырастить слезные железы и даже заставить их плакать!

Органоиды – это биологические объекты (часто уменьшенные), структура которых аналогична структуре определенных органов. Очень часто внешне органоиды очень сильно отличаются от «оригинального органа», то есть они могут выглядеть как угодно. Суть таких органоидов в том, что их клетки обычно взаимодействуют почти также, как и у «оригинальных» органов. Именно поэтому так часто используют именно органоиды для исследований каких-либо заболеваний определенных органов, подбора терапии и создания новых методов диагностики.

Вообще, слезные железы необходимы для защиты глаз от повреждений. В новом исследовании сообщается о создании органоидов, подобие настоящих органов, но с меньшим функционалом и размером. С помощью нейромедиатора их заставили выделять реальную слезу. Достигнув результата, ученые приступили к изучению генов, активирующих работу слезных желез. Удалив ген РАХ6, который контролирует развитие глаз и других органов чувств, прекратили экспрессию генов, отвечающих за выделение нейромедиатора и производство слезы. Ранее предполагалось, что синдром Шегрена (аутоиммунное заболевание, которое характеризуется снижением секреции слезных и слюнных желез) связан с нарушением работы как раз этого гена. Теперь новые данные помогут разработать тактики лечения таких пациентов [16].

Успехов в выращивании органоидов смогли добиться европейские ученые, создав в лабораторных условиях органоид-прототип кишечника [17].

Новизна этого исследования состоит в том, что органоид формирует правильную структуру, то есть стволовые клетки буквально знают, в каком направлении развиваться. Также клетки дифференцировались во все виды кишечных клеток, включая редкие и специализированные. А когда-нибудь в будущем мы услышим новости о возможности выращивать настоящие органы в пробирке.

А еще кишечником интересовались исследователи Медицинского центра детской больницы Цинциннати: они вернули «старым» клеткам пищеварительного тракта молодость и способность восстанавливаться [18]. С течением жизни клетки кишечника снижают свои функции: ухудшается всасываемость и регенерация эпителия.

Ученые экспериментировали со стволовыми клетками кишечника мышей и предположили, что белок Wnt, который играет важную роль в управление делением стволовых клеток, приведет к омоложению клеток кишечника. И действительно, восстановление сигнала от белка привело к позитивному эффекту! Заметно улучшился клеточный состав эпителия. Однако, чтобы сделать выводы, нужно провести еще ряд экспериментов.

Умные клетки могут группироваться, самокопироваться и доставлять лекарства

3D-печать захватывает не только легкую промышленность по всему миру, но и, кажется, приходит в медицину!

Идея печатать органы и ткани не новая, она появилась сразу с технологией 3D-печати. Но все не так просто: чтобы вырастить нормально функционирующий орган, мало просто построить клетки в нужном порядке. Наш организм использует сотни механизмов регуляции клеточного деления, в нем участвуют сигнальные молекулы, рецепторы и химические вещества в огромных количествах и определенных пропорциях. Установить, в какой момент какая молекула дает сигнал делиться клеткам и как, очень сложно. Поэтому предыдущие попытки вырастить органоиды в пробирке не увенчались успехом: клетки слишком плотно прилипали к питательной среде, что мешало их делению [19]. Но это помогло сформулировать один важный факт: межклеточное вещество, окружающее клетки, играет огромную роль, и нужно работать в этом направлении.

Так и сделал Маттиас Лутольф с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны. Они выработали новый подход к биопечати [20]. Новый метод позволяет на микроскопическом уровне работать со структурой и использовать способность стволовых клеток к самоорганизации. Такой процесс повторяет естественный: клетки организуются под влиянием окружающего их матрикса.

Суть эксперимента заключалась в следующем: взяли стволовые клетки кишечника человека и поместили их в среду гидрогеля с коллагеном, которая по своим свойствам похожа на внеклеточный матрикс самого кишечника. Клетки отлично перемещались и начали организовываться в структуру. Через несколько дней ученые обнаружили зачатки кишечной эпителиальной трубки длиной от 5 до 15 мм! Причем тканевая организация соответствовала строению тонкого кишечника в норме!

Также команда Маттиаса смогла вырастить подобие эпителиальной выстилки тонкого кишечника мышки – специфической ткани, которая находится непосредственно в его просвете. Сначала клетки были расположены в один ряд, но потом благодаря самоорганизации стволовых клеток появился просвет, превративший ткань в полую трубку. Далее интереснее: клетки начали дифференцироваться почти во все виды, присутствующие в тонком кишечнике: ворсинчатые, бокаловидные, клетки Панета и энтероэндокринные клетки! Они даже реагировали на химические раздражители подобно обычным клеткам кишечника.

Данные эксперименты показывают, что для выращивания новых тканей и органов главная отправная точка – способность стволовых клеток к самоорганизации под влиянием окружающей среды, и в будущем станет возможно «печатать» функционально полноценные органы.

Способность стволовых клеток к самоорганизации не единственное их преимущество. Они обладают свойством самокопирования в больших количествах без потери генетической информации, как это происходит у обычных клеток при делении.

Американским биологам из Университета Тафтса под руководством Сэма Кригмана пришла идея – использовать принципы кинетики в своих экспериментах со стволовыми клетками [21]. Для этого взяли стволовые клетки из эмбриона лягушки и поместили их в соленый водный раствор при температуре 14 °C. За пять суток они развились в подобие кластеров из 3000 клеток. Внутри содержались эпителиальные клетки, а снаружи мерцательные, с ворсинками, благодаря им сферическая масса клеток стала активно двигаться.

В среде с содержанием одиночных стволовых клеток клетки кластера начинали активно «охотиться» на стволовые и включать в свою структуру, а через пять суток получался новый кластер. Правда, во втором и третьем поколениях способность терялась. Тогда благодаря компьютерному моделированию биологи поняли: нужно модифицировать форму кластера и добавить углубление. Теперь они стали похожи на пакманов, и способность к самокопированию больше не терялась, но при этом терялась энергия, а без нее клетки скоропостижно гибли.

Стоит отметить, что в данных экспериментах не задействована генная модификация или химические превращения: все держится чисто на кинетике. По словам исследователей, теперь можно определить, для каких живых организмов возможно самокопирование, как это сложилось эволюционно, а также помочь создать аналогичные структуры искусственных систем.

Наши соотечественники нашли еще одно применение стволовым клеткам: почему бы не использовать их в качестве доставщиков лекарств в нужные структуры [22]?

Самая большая проблема при химиотерапии онкологических заболеваний – отсутствие избирательного действия препарата и огромный побочный эффект на весь организм. Еще одно свойство стволовых клеток – патотропизм. Это означает, что клетка может мигрировать непосредственно в опухоль, следуя зову специфических сигнальных молекул.

Идея не нова, но до сих пор не удавалось грамотно «упаковать» лекарство, чтобы избежать его попадания в кровоток. По словам одного из авторов статьи, они создали и почтальона, и конверт: упаковали препарат винкристин в полиэлектролитные капсулы размером менее микрометра, которые разрушаются под действием инфракрасного излучения. Они выполнены из полимеров и разрушатся только при облучении лазером, когда достигнут своей цели! Эффективность проверена на клетках меланомы, выделенных из реальной ткани пациентов. При желании препарат можно менять на любой другой.

Оживить мертвого или отдать клетки мертвеца живому

Про возможность восстанавливать клетки сетчатки с помощью стволовых клеток донора мы уже говорили выше. Но специалисты по регенеративной медицине не остановились и пошли дальше: пересадили клетки сетчатки умершего человека приматам [23].

Известно, что около 200 млн человек страдают от дисфункции пигментного эпителия сетчатки – эти клетки питают фоторецепторы и обеспечивают поглощение рассеянного света. Именно нарушение их работы может стать одной из причин слепоты.

В ходе эксперимента исследователи взяли стволовые клетки сетчатки трупа человека и пересадили в глаза обезьян. Новые клетки успешно превратились в клетки пигментного эпителия и частично взяли на себя функцию родных клеток эпителия сетчатки. Побочных эффектов не наблюдалось в течение трех месяцев эксперимента.

По словам экспериментаторов, донорские стволовые клетки сетчатки помогают частично восстановить функцию желтого пятна! Однако требуются исследования, которые смогут подтвердить безопасность методики для людей.

А как стволовые клетки могут оживлять мертвых?

Малазийский сумантранский носорог – вид, который полностью вымер. В 2019 году он навсегда исчез с лица Земли. Однако у ученых остался генетический материал этого животного, а значит, благодаря молекулярной биологии можно с этим что-то сделать!

Исследователи возлагают надежду на экспериментальную технологию стволовых клеток: использовать генетический материал носорога, чтобы создать новые половые клетки, а потом пересадить зародыш близкородственному виду [24].

Но тут есть одно «но»: даже при успехе такого эксперимента дальнейшее воспроизведение вида упирается в отсутствие генетического разнообразия, что может привести к дефектам и наследственным заболеваниям.

Восстановить спинной мозг и вырастить головной

Травма спинного мозга может привести к полному параличу тела и конечностей, сделать человека инвалидом. Самостоятельная репарация нервных клеток организмом невозможна, но ученые из Йельского медицинского университета и университета Саппоро в Японии смогли восстановить структуру спинного мозга с помощью инъекций стволовых клеток самого пациента внутривенно [25].

Сообщается, что более чем в половине случаев удавалось успешно излечить людей: восстановились некоторые двигательные функции, чувствительность кожи, а главное – никаких серьезных побочных эффектов. До терапии стволовыми клетками все пациенты находились под наблюдением без явного улучшения состояния.

Джеффри Д. Кочиш, профессор нейробиологии, говорит о том, что идея восстановления поврежденной структуры мозга может помочь и пациентам с инсультом. Раньше это были только теории, сейчас уже все намного ближе к практике, но до массовых применений должно пройти еще очень много испытаний и лет.

Трудность лечения нейродегенеративных заболеваний головного мозга заключается в его обособленности от организма гематоэнцефалическим барьером, который не дает поступать лекарствам направленно.

Команда исследователей из Кореи создала мини-роботов из стволовых клеток, которые способны проникать внутрь и управляться магнитным полем [26]! При инъекции через нос удается обходить гематоэнцефалический барьер: так почему же не создать умное лекарство, которое будет действовать суперизбирательно?

Ученые взяли стволовые клетки человека и снабдили их частичками оксида железа, чтобы с помощью магнитного поля направлять их перемещения. Попав в нужную часть мозга, стволовые клетки могут дифференцироваться в нейроны и клетки глии, помогая лечить многие заболевания и восстанавливать архитектуру коры.

Метод опробовали на лабораторных животных. По словам корейских биологов, новая технология гораздо менее инвазивна, чем хирургия и другие способы введения лекарств в мозг.

А что если повреждения мозга настолько серьезные, что требуется новый мозг? Можно ли его вырастить?

Звучит очень футуристично, но предпосылки для этого имеются. Чтобы развился человеческий мозг, требуется много условий: необходимые стволовые клетки и клетки-предшественники должны находиться в одном месте и получать друг от друга сигналы. Они собираются в отдельные области мозга и имитируют специфические процессы в реальных органах. Впервые успешно получить органоид смогли еще в 2013 году в Австрии. А вот в 2021-м американским ученым удалось вырастить органоиды мозга, в которых наблюдается подобие волн электрической активности, как в живом органе [27]! Кроме того, при изучении органоидов, выращенных с использованием клеток, взятых у пациентов с синдромом Ретта, исследователи наблюдали такие закономерности электрической активности, которые обычно видят у самих пациентов.

Ученые считают, что это исследование послужит ступенькой к лучшему пониманию заболеваний головного мозга.

Синдром Ретта – наследственное заболевание, распространенное среди девочек и относящееся к формам умственной отсталости. Также для него характерны стереотипные движения и эпилепсия.

Идея использовать стволовые клетки в борьбе с облысением не раз обсуждалась учеными, но основатель стартапа dNovo Эрнесто Лухан, окончивший Стенфордский университет, смог доказать реальную возможность этого в своем недавнем эксперименте. Команда исследователей под его руководством прислала в MIT Technology Review удивительное фото крысы, у которой везде отсутствовал волосяной покров, кроме одного бока: на нем виднелся пучок человеческих волос [28].

По словам Эрнесто, такое возможно благодаря «перепрограммированию» генетического кода обычных клеток крови и жировых клеток того же организма. Изначально человек рождается с определенным количеством (около 100 тысяч) волосяных фолликулов, которых с течением времени становится только меньше. Множество причин – от банального старения до коро-навирусной инфекции – убивает стволовые клетки волосяной луковицы. Команда Лухана научилась создавать их путем изменения генной активности. Ученые показали, что перепрограммированные стволовые клетки человеческого волоса могут генерировать волосы. Для этого они оптимизировали процедуру трансплантации, а затем пересадили перепрограммированные клетки мышам с дефицитом шерсти. Волосы начали прорастать через 3 недели после первоначального лечения, а ко второму месяцу в месте лечения выросли новые волосы.

Основатель dNovo считает, что сегодня следует рассматривать клетку не как фиксированную идентичность, а как определенное состояние, которое можно менять.

Впрочем, у каждой теории найдутся и критики: многие считают, что подобный эксперимент не приблизит нас к победе над облысением. К тому же научных статей по исследованиям компании до сих пор нет, а патенты только формируются. «Самая большая трудность подобных экспериментов заключается в том, чтобы перенести эту технологию на людей», – говорит Карл Келлер, профессор из Гарвардского университета.

Сегодня самая передовая методика по борьбе с облысением – пересадка собственных фолликулов в места облысения. В качестве донорской области могут выступать затылочная часть головы, подбородок, ноги.

Если говорить о более сложных и малоизученных заболеваниях, то тут стволовые клетки тоже могут прийти на помощь. Эпилепсия – это хроническое неинфекционное заболевание головного мозга, которое характиризуется повторяющимися припадками с потерей сознания и отключением контроля функций кишечника и мочевого пузыря. Симптоматика обусловлена появлением чрезмерных хаотичных электрических импульсов в головном мозге, а вариация частоты может достигать от одного приступа в год до нескольких в день. Возникновение заболевания может быть связано с наследственной предрасположенностью, внутриутробными травмами или, как в одном случае, – отравлением нейротоксином.

Такая участь постигла морского льва – его выбросило на берег. Его мозг был поврежден из-за воздействия домоевой кислоты, нейротоксина, вырабатываемого водорослями и бактериями, обнаруженными на побережье Северной Калифорнии. Воздействие домоевой кислоты на морских львов вызывает повреждение головного мозга, подобное тому, которое наблюдается у людей с височной эпилепсией, наиболее распространенной формой заболевания.

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско решили помочь морскому льву, заодно и проверить одну теорию [29]. Во время операции на головном мозге они заметили, что приступы обусловлены генерацией импульсов из левого гиппокампа, который при обучении играет роль в памяти. Данная область была покрыта шрамами и сморщена. Хирурги ввели Кронатту (так звали льва) четыре инъекции, содержащие по 50 тыс. клеток гиппокампа, взятого из мозга свиньи. Ранее подобные эксперименты ставили только на лабораторных мышках. Через пять часов животное отошло от наркоза и прекрасно себя чувствовало. В течение недели у львенка еще сохранялись приступы. А еще через 16 месяцев Кронатт выглядел веселым, бодрым и совсем избавился от эпилепсии. Еще рано говорить о применении такой технологии на людях, но даже спасение жизни одного морского льва – уже большой шаг в науке.

В данный момент генная инженерия идет по пути изучения «перепрограммирования» одних типов клеток в другие, как правило стволовые. Они обладают большим терапевтическим потенциалом, который можно направить на выращивание органов и тканей для трансплантации, решая проблему донорства в целом. Сложность самого механизма увеличивает риск ошибки, что может привести к развитию рака и другим нежелательным последствиям. Поэтому требуется какой-то надежный механизм работы с генетическим материалом.

Группа ученых из Медицинской школы штата Луизиана изобрела свой подход, который назвала нанотрансфекцией тканей [30]. Они создали наночип, способный перепрограммировать клетки кожи в клетки кровеносной системы и нервные клетки. Чип состоит из кремниевой основы со множеством микроигл и крошечными каналами. Поверх чипа расположен контейнер с молекулами для генетического редактирования. Эти молекулы можно внедрить на определенную глубину и начать редактирование. Процедура введения биоматериала неинвазивна – нанотрансфекция проводится с помощью зарядов тока, которые пациент практически не ощущает. Под воздействием тока в организм попадают ДНК или РНК, которые затем перепрограммируют нужные клетки. Они могут становиться клетками кровеносных сосудов или нервов без необходимости в использовании менее контролируемых систем с вирусными частицами.

Основное свойство стволовых клеток – это потенциал становиться любой клеткой ткани, в которой они находятся. Такая способность называется «мультипотентностью» (не путать с «плюрипотентностью»: такую характеристику дают только эмбриональным клеткам, способным становиться вообще любой единицей любой ткани во всем организме, от нейрона до клеток крови). Когда мультипотентная стволовая клетка делится, то образуются две дочерние копии, которые могут быть как стволовыми, так и уже какими-то определенными клетками организма. Ученые из университета Хельсинки в Финляндии, а также их коллеги из Швеции и Германии провели работу, посвященную механизму, благодаря которому дочерние клетки определяют, дифференцироваться им или стать мультипотентными [31].

Изучая деление эпителиальных стволовых клеток, исследователи обнаружили, что при попадании в дочернюю клетку достаточно большого количества старых, но при этом более активных митохондрий, она теряет способность самообновляться и превращается в клетку, поддерживающую функцию эпителия. Все дело во внутреннем потенциале митохондрий: в зрелых органеллах содержится больше железо-сенсорного белка, который участвует в переносе электронов. Его активность напрямую влияет на интенсивность клеточного дыхания и на количество молекул АТФ – единиц энергетической активности клетки. При недостатке такого белка у более «молодых» митохондрий при окислении глюкозы молекул АТФ получается меньше. Если такое происходит, то клетка остается стволовой. «Уменьшая количество железо-сенсорного белка, можно регулировать деление стволовых клеток, направляя дифференцировку в нужную нам сторону», – подытоживает профессор Хельсинкского университета Джулия Говениус.

Глава 6

Как подружить гены в клетках?

Как-то в кафе, за чашечкой чая с другом-биологом у меня в голове возникла странная мысль. Если моя книга о генах и клетках, то их как-то надо объединить в одной главе, а проще говоря – подружить! Почему-то на ум сразу пришел образ крокодилов Ген с золотыми цепями ДНК на шее. Да-да, мы пили чай!

Я тогда спросила у друга: «Как подружить гены в клетке?» Он ответил, что нужно их привести в кафе и напоить чаем. Ответ был совсем не биологическим, но интересным.

В реальности же организм – огромная система, где все взаимосвязано. Поэтому «дружить» гены в клетках совсем не нужно. Но вот поэкспериментировать с ними вполне интересно. Интересная коллаборация может получиться!

Просто мозг неандертальца

Мы уже говорили о том, что ученые изучают геном неандертальца, а теперь узнаем о том, как они сумели вырастить органоид его мозга.

В мае 2018 года антропологи под руководством Сванте Паабо решили вырастить органоид мозга неандертальца. Для этого потребовалось изменить работу всего одного гена.

Такую же работу вели исследователи другого института вместе с Элиссон Мюотри из Калифорнийского университета Сан-Диего и уже готовы предоставить первые результаты [1].

Американские специалисты заметили, что одна мутация в гене NOVA1 изменила структуру нервных связей и даже форму органоидов. Ее внесли в ДНК стволовых клеток Homo Sapiens с помощью технологии CRISPR/Cas9. Затем эти стволовые клетки направили по пути развития нейронов.

Культура клеток активно разрасталась и начала принимать форму органоида головного мозга, структурно повторяющего настоящий мозг неандертальца.

Работа калифорнийских ученых дала первые представления о клеточном устройстве неандертальского мозга, и это поможет изучить его отличия от мозга человека разумного.

Удивительные гены в удивительных клетках

Семейство головоногих носит говорящее название: у них отсутствуют четкие анатомические границы между головной частью тела и туловищем. Они имеют мало общего с позвоночными, но эволюционные биологи сделали открытие: гены, активные у головоногих в процессе формирования глазных структур, также отвечают за развитие конечностей [2]. Хрусталик глаза кальмара формируется из длинных клеточных мембран, выступающих наружу, чтобы получился сферический объект. У нас же хрусталик образован обычными клетками, в которых скопилось много белковых структур. Изучая кальмаров вида Doryteuthispealeii, ученые удивились: они обнаружили генетический механизм регуляции, который активен при развитии нижних конечностей. Чтобы подтвердить предположение, в развивающийся эмбрион кальмара ввели химическое вещество, блокирующее этот ген. В результате у них не сформировался зрительный аппарат, что подтвердило гипотезу ученых.

Мы часто слышим о том, что нервные клетки не регенерируют, но ученые уже не раз опровергали это суждение. И вот еще одно исследование, которое в очередной раз доказало, что способность к регенерации у нервных клеток все же есть. Нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали открытие: после повреждения нейроны способны «обнулиться» и вернуться в зародышевое состояние [3]. Чтобы стать полноценным нейроном, им необходимо вырастить специфические приспособления – аксоны, отростки, по которым передаются нервные импульсы. Здесь и начинаются трудности. В своих экспериментах ученые искали внешние факторы, необходимые для выращивания этих аксонов, чтобы вырастить нейроны целиком. Мышкам проводили трансплантацию стволовых клеток, запускающих регенерацию, и сделали неожиданное открытие: эффективно восстанавливались те нейроны, у которых в геноме было повреждение гена Хантингтина. Некоторые изменения в этом гене могут вызывать одноименное смертельное дегенеративное заболевание мозга.

При повреждении головного или спинного мозга нейроны плохо регенерируют, а вот периферические нервные клетки делают это чуть лучше. Так почему в центральной нервной системе такого не происходит? Исследователи Йельской школы медицины нашли 40 генов, участвующих в подавлении регенерации отростков нейронов (аксонов) [4]. Отредактировав несколько генов, они смогли восстановить аксоны в глазных нейронах мышей, пораженных глаукомой. Один из отредактированных генов отвечал за регуляцию иммунного ответа. Устранив его влияние, биологи добились регенерации аксонов у нейронов. В дальнейшем предстоит выяснить, как такое редактирование может отразиться на остальном организме.

Отрастить плавники

Человеческий организм способен к регенерации, но в ограниченных размерах: наша иммунная система не позволяет выращивать целые органы. Но вот другие позвоночные вполне способны к этому.

Чтобы начать образование новых нейронов, клетки Мюллера вырабатывают белок, который блокирует доступ к ДНК. При отключении этого белка у мышей удалось получить производство нейронов сетчатки. Однако есть нюанс: эволюция не просто так отключила нам механизм регенерации, вместо него мы имеем надежную иммунную защиту мозга. При блокировке этого белка иммунитет теряется. Поэтому рано говорить о возможности применения методики у человека.

А еще рыбки могут выращивать себе целые плавники: в этом им помогает особая нуклеотидная последовательность в геноме, которую обнаружили биологи из Института медицинских исследований имени Стоуэрса под руководством Алехандро Алвардо. Способность к регенерации различается даже среди рыб: костные рыбы могут регенерировать даже желудочки сердца и спинной мозг, в то время как другие виды не обладают такой особенностью, что уж говорить о млекопитающих.

Алехандро Алвардо решил понять, где заложены механизмы регенерации конкретно [5]. Ученые взяли две группы рыб: Данио рерио и нотобранха Фурцера. Считается, что разделение видов произошло около 230 млн лет назад. Исследователи сравнили активность генетических элементов методом ChiP9-seq. Суть в том, что из генома выделяются только те последовательности, которые связаны с белками-метками активной ДНК. Чтобы найти нужную ДНК, связанную с этими метками, используют шарики, покрытые антителами к метке. В итоге все ненужное смывается, а важные последовательности секвенируют. Оказалось, совпадающих участков не так уж и много. Это говорит о том, что механизм регенерации сильно изменился в ходе эволюции. Ученые выбрали один из общих генов и проанализировали его активность среди млекопитающих: у способной к регенерации каирской мыши и у домовой без такой способности. На основании другого исследования оказалось, что такой ген активен только у каирской мыши. Также различия были не только в последовательности, но и в степени регуляции самих участков генов: отключение энхансеров (регуляторных элементов) или замена их на человеческий приводили к потере регенерации тканей. Вообще, рыбками Данио интересуются довольно часто: их повышенная способность к регенерации дает почву для открытий. Например, ученые вывели ГМО-линию рыбок, у которых клетки эпителия имели разный цвет. Так можно было наблюдать за каждой конкретной клеткой во время восстановления ткани.

Насущные проблемы и сложные аббревиатуры

Еще одним направлением в генетике является изучение изменений у разных видов в ходе эволюции. Ученые Стэнфордского университета придумали алгоритм самособирающегося многообразия (SAM), который может самостоятельно анализировать разные типы клеток и наблюдать их эволюционные связи [6]. Например, при анализе двух видов червей новый алгоритм выявил существенные различия между ними. Отредактировав алгоритм, ученые научили программу находить не только структурные различия, но и функциональные и узнавать их место на эволюционном древе. Сравнение клеток разных видов может помочь биологам понять, как менялись эти структуры на протяжении эволюции и как они адаптировались к функциональным потребностям различных форм жизни.

Вернемся к проблемам насущным. При делении сперматозоидов основная задача – поддерживать большое количество клеток при сохранении качества генетического материала. Также очень важно противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды. Требуется четкая регуляция процесса. За это ответственны специфические гены, которые развились в процессе эволюции. Интересно, что активность именно этих генов свойственна некоторым злокачественным опухолям. Белки, вырабатывающиеся под влиянием этих генов, вызывают иммунный ответ у людей, страдающих онкологическими заболеваниями. Их назвали раково-тестикулярными агентами.

Клементина фон Тейсер вместе с коллегами взялась исследовать семейство генов MEGA [7]. Их рассматривают в качестве онкомаркеров при диагностике раковых заболеваний. Для этого исследования ученые взяли культуры клеток и тканей человека и мышей и следили за специфическими периодами их активации. У обоих видов в половых клетках активными становились гены семейства MEGA. При исследовании в пробирке интересной оказалась подгруппа генов MEGA А. Частичное выключение этих генов приводило к нарушению деления клеток. Чтобы уточнить влияние этих генов, биологи вывели мышей с выключенным генами MEGA А6 и MEGA А8. Через восемь дней функции яичек заметно снизились, ухудшился сперматогенез и увеличилось количество патологических мутаций. Также отдельно изучили влияние гена MEGA А6 в условиях стресса. Испытуемую группу мышей подвергли голоданию, контрольная получала питание как обычно, но обе группы были с выключенными генами. Изменения в сперматогенезе и делении в яичках больше затронули группу, подверженную голоданию. Это означает, что влияние этих генов на деление сперматозоидов происходит при воздействии неблагоприятного фактора.

В раковых клетках гены семейства MEGA А нарушают системы клетки АМФК (фермент, который отслеживает и регулирует энергетический статус клетки) и ФБФ (фермент, ограничивающий скорость образования глюкозы), которые распознают энергетический голод, клетка погибает, распадаются белковые структуры. По-видимому, гены исследуемого семейства контролируют работу АМФК, так как она подавляет синтез нуклеиновых кислот, белка и других необходимых молекул для создания новых клеток. И то же самое с ФБФ: подавление его работы вызывает распад глюкозы и увеличение синтеза молекул АТФ. Напрашивается аналогия между сперматозоидами и опухолевыми клетками: обоим нужны мощные энергетические ресурсы. Только гаметы используют этот ген «правильно», активируя его в периоды стресса и голода, а раковая – для распространения опухоли.

Для изучения работы генетических механизмов частой исследовательской моделью становятся генно-модифицированные организмы и бактерии. В числе таких одноклеточные структуры под названием JCVI-syn3.0. Как следует из названия, это третья версия, сделанная на основе предыдущих. Первую версию искусственных клеток получили в 2010 году. Для этого взяли клетки микоплазмы (бактерии без клеточной стенки), убрали из ее ядра всю ДНК и заменили на новую, полностью искусственную. Имя им дали CVI-synl.O – в честь института Дж. Крейга Бентера (J. Craig Venter Institute), где создали клетки. Геном имел длину около миллиона пар оснований и 901 ген, для сравнения, геном человека состоит из более 3 млрд пар оснований. После исследователи уменьшали геном до такого набора, чтобы клетка могла нормально жить, так сказать, получали базовый набор. Количество генов снизили до 473, но делиться клетки не хотели. Для того чтобы определить, какого именно сегмента не хватает, биологи стали сравнивать все варианты между первой и третьей версиями [8]. В итоге нашли участок, удаление которого вызывало нарушение деления у обоих вариантов. В этом сегменте было 76 генов, которые последовательно проверяли, а затем смотрели на результаты. В итоге определили семь генов, необходимых для правильного деления, и добавили в клетки версии 3.0. Новый штамм назвали JCVI-syn3.0+126 – по номерам групп, к которым принадлежали гены. Создание искусственных штаммов с высокой точностью помогает изучать клеточные взаимодействия и генные механизмы в лабораторных условиях.

Еще раз о старении

Из предыдущей главы мы уже поняли, что «стволовые клетки» прочно ассоциируются с молодостью и победой над старением. Я уже рассказывала о методике под названием «репрограммирование», в ходе которой клетки тканей «смещают» в сторону стволовых и пытаются вызвать омоложение организма. Но результаты можно наблюдать лишь в отдаленной перспективе.

Исследователи из института Гладстона в США и университета Цинхуа в Китае нашли интересный способ получения плюрипотентных клеток: когда исследователи активировали фактор Яманаки Sox2 или Oct4, «взрослые» клетки превращались обратно в стволовые [9].

В новой работе ученые из США и Китая использовали для искусственного повышения активности данных факторов систему CRISPR-активации на базе модифицированного неактивного белка Cas9. Данный белок используется не для редактирования, а как средство доставки активирующих или тормозящих белков к конкретному участку генома. Сначала в эксперименте специалисты активировали клетки фибробластов, используя два фактора Яманаки и три других фактора активации. Получили подтверждение, что повышается активность тех же участков генома, что и у стволовых клеток. Далее стали активировать их по одному и выяснили, что активация Sox2 обеспечивала превращение фибробластов в плюрипотентные клетки. Полученные клетки сохраняли свою плюрипотентность в течение 20 поколений. Активация фактора Oct4 также привела к превращению мышиных фибробластов в стволовые клетки.

CRISPR-активация – не новый способ активации дифференцировки обычных клеток в стволовые, но до этого эксперимента таких результатов добиться не удавалось. До сих пор ученые пытаются достигнуть лучших показателей превращения зрелых клеток в стволовые с помощью факторов Яманаки различными способами, а так же отслеживать эти клетки и оценивать эффективность проводимых «превращений» [10].

Вернемся к разговорам о вечной молодости. Джефф Безос и Юрий Мильнер – основатели стартапа Altos Labs, который направлен на продление жизни с сохранением ее качества. За основу эксперимента взяли как раз метод «репрограммирования», по некоторым данным, он может не только остановить старение, но и сделать уже состарившиеся клетки моложе [11]!

Если кратко описать принцип работы метода, то он заключается в следующем. В клетке необходимо запустить работу факторов Яманаки, которые в свою очередь запускают переупаковку клеточной ДНК. В результате больше генов становится доступно для считывания, а клетка омолаживается, то есть по своим возможностям и работе больше напоминает молодую клетку. Максимальный результат, на который рассчитывают Джефф и Юрий, – превратить клетки в эмбриональные стволовые, лишенные специализации. Программу «репрограммирования» планируется запускать на некоторое время, чтобы немного снижать клеточный возраст.

Теории нужно подтверждение на практике, поэтому было решено провести эксперимент на генно-модифицированных лабораторных мышах. В недавнем времени их вывела команда ученых во главе с Хуаном К. И. Бельмонте [12]. В их геном встроили регуляторный белок, активирующий факторы Яманаки при введении доксициклина. Группа Бельмонте заставила их стареть ускоренно и показала, что можно продлить жизнь мышей, давая им доксициклин курсами. Но со здоровыми мышами такой эксперимент не проводили. Экспериментаторы Бельмонте (ставшие сотрудниками Altos Aging) изучали влияние «репрограммирования» на отдельно протекающие процессы в организме, например на регенерацию мышечного волокна. Они работали на тех же ГМО-мышках и проверили три режима «репрограммирования». Первую группу мышей поили доксициклином в режиме два через пять (два дня приема лекарства, потом пять дней перерыва) с 12-го по 22-й месяцы жизни, другую – с 15-го по 22-й, а третью – только один месяц, когда им было уже 25 месяцев. Эти режимы имитируют разные стратегии возможного применения у людей: начиная со среднего возраста, начиная с предпенсионного возраста или уже в пожилом возрасте. Планировалось выяснить, не способствует ли «репрограммирование» возникновению опухолевых клеток из-за вмешательства в ДНК. Ни в одной группе по сравнению с контрольной побочных эффектов выявлено не было. Чтобы доказать полное омоложение организма под влиянием такой терапии, нужно было взять клетку каждой ткани и с помощью эпигенетических часов установить их возраст. Исследователи обнаружили, что биологический возраст достоверно (р < 0,05) снижается только при долгосрочной терапии (семь месяцев), и то не во всех тканях, в основном только в коже и почках. Активность генов в клетках достоверно становилась похожей на таковую в молодых только спустя несколько месяцев терапии.

По анализам крови также было понятно, что такой метод применим только для долгосрочной перспективы: мыши, которые принимали доксициклин с 12-го по 17-й месяц жизни, показали содержание веществ в сыворотке, не сильно отличавшееся от контрольной группы. Заметные различия появились лишь к 22-му месяцу терапии, только тогда кровь экспериментальной группы животных стала заметно похожа на кровь молодых мышей. Возможно также, что в возрасте 25-ти месяцев мыши приобретают фенотипы необратимого старения в различных тканях. Вывод напрашивается сам собой: «репрограммирование» нужно применять длительным курсом. При этом множество вопросов осталось без ответа: почему некоторые ткани отвечают на терапию заметно лучше, а другие вообще никак не реагируют? Да и достоверно не известно влияние терапии на организм здоровых мышей: эксперимент так и не проводился.

Пузыри, но не мыльные

Существует такое наследственное заболевание, при котором на коже образуются болезненные пузыри и эрозии. Это буллезный эпидермолиз. Мутация возникает в одном или нескольких из 10 генов, ответственных за функционирование всех слоев кожи. Из-за этого любые прикосновения могут заканчиваться серьезными эрозиями и травмами. Специфического лечения не было до 2017 года, когда немецкие и итальянские ученые смогли сделать прорыв [13]. Медики во главе с Микеле Де Лука из Университета Модены и Реджо-Эмилии пересадили семилетнему мальчику с мутацией в гене LAMB3 кожный трансплантат, полученный из собственной кожи пациента, но отредактированный вирусным вектором, экспрессирующим полноразмерную копию гена LAMB3. Пласты клеток выращивали в лаборатории, а затем подсаживали на поверхность дермы: приживление шло очень хорошо. Все лечение заняло восемь месяцев. После терапии мальчик смог вернуться к нормальной жизни с гораздо меньшими ограничениями.

Однако самое интересное – посмотреть на отдаленный результат. Спустя пять лет исследователи опубликовали отчет о состоянии кожи мальчика [14]. Результаты хорошие: кожа прочная, при травматизации заживает по нормальному сценарию, без пузырей. На груди были язвы, но это тот участок, который не успели трансплантировать из-за начавшейся пандемии коронавируса. Клетки кожного покрова делятся уже без ошибок в генах: изменения исследователи внесли также и в стволовые клетки. В коже сформировались все виды желез, но чувствительность к прикосновениям остается сниженной. Специалисты не обнаружили «бесконтрольных» делений клеток и опухолей. Медики заключили, что трансгенная кожа хорошо прижилась и выполняет свои функции.

Ошибки митохондрии

В каждой клетке организма имеется набор органелл, благодаря которым клетка осуществляет все жизненно необходимые процессы. Еще в первой главе мы выяснили, что митохондрии – это органеллы, которые занимаются окислением органических веществ, производя при этом молекулы АТФ. При этом у митохондрии есть отличительная особенность: в ее цитоплазме содержится кольцевая молекула ДНК, наследуемая только по материнской линии. Мутации в такой ДНК тоже могут вызывать генетические заболевания. Чтобы они проявились, необходимо, чтобы подавляющий процент митохондриальной ДНК (мтДНК) в организме был с мутацией. Чем больше процент, тем тяжелее форма заболевания.

Тенденция понятна: нужно стремиться снизить процент мтДНК с мутацией в клетках. Еще в 2018 году удалось эффективно снизить процент дефектной мтДНК в клетке и заместить нормальной [15]. Михал Минчук и его команда биологов из Кембриджского университета применили это экспериментальное лечение на мышах, и оно увенчалось успехом. Однако такой способ не будет работать, если поврежденной ДНК слишком много.

В новом исследовании Минчук решил использовать инструмент для биологического редактирования под названием DdCBE [16]. DdCBE – редактор доставляли в сердце мыши с использованием векторов аденоассоциированного вируса (AAV), и там он производил нужные ученым изменения мтДНК у взрослых и новорожденных мышей.

Такой способ в будущем может помочь редактировать геном, чтобы вылечивать некоторые генетические заболевания и заставить митохондрии работать правильно.

В предыдущий главе я рассказала о том, что ученые создали органоиды разных органов, и вот не так давно их коллеги смогли вырастить трехмерную модель человеческого пищевода, чтобы эффективнее подобрать терапию от рака этого органа. Исследователи собрали образцы ткани пищевода у здоровых людей, которым делали эндоскопию. Из этой ткани ученым удалось создать стволовые клетки путем репрограммирования таким же образом, как при создании, например, искусственного кишечника, о котором вы уже знаете. Но самое интересное в этом эксперименте то, что они смогли объединить клеточные технологии и технологию геномного редактирования [17]. Так, с помощью CRISPR/Cas9 исследователи удалили ген, регулирующий деление и рост клеток. Благодаря этому в органоидах в больших количествах начали появляться раковые клетки, а сам органоид стал моделью протекания онкологического заболевания. Теперь на этом органоиде можно проводить исследования противораковой терапии, не используя при этом живых пациентов.

Такие исследования дают надежду на то, что вскоре мы сможем проводить абсолютно любые манипуляции с любыми органами, а людям с заболеваниями, при которых требуется трансплантация, не придется ждать годами «свой орган».

Будущее за такими технологиями!

Заключение

Когда я писала эту книгу, то почему-то думала, что она будет без заключения. Ведь я никого не учу, ни к чему не призываю и не побуждаю, не мотивирую.

Все, что я хотела, это рассказать о том, что сейчас, в момент написания этой книги, наука находится на том самом этапе, когда уже изучили достаточно много, чтобы редактировать геном, но еще не нашли те идеальные ножницы, которыми можно будет спасать жизни. На том этапе, когда клетку можно вернуть к ее «первозданному» состоянию, добавив лишь коктейль из четырех генов, но контролировать эти клетки так сложно, что приходится их метить магнитными частицами и применять различные другие хитрости. На том этапе, когда мы при помощи генной терапии пытаемся лечить нейродегенеративные и онкологические заболевания, но найти механизмы возникновения всех на свете синдромов пока не можем.

Изначально я хотела назвать книгу «В поисках ГМО», написать о том, какая генетика классная, как она спасет нас всех, и все у нас будет хорошо. Но, как обычно, по закону жанра, что-то пошло не так. И вот я уже пишу про свои любимые стволовые клетки, которым посвятила более пяти лет жизни, а это ни много ни мало 1/6 моего существования. А потом решаю еще и сдобрить все это генной терапией и смешать напоследок. Я уверена, что если люди научатся договариваться, работать в команде, объединять усилия независимо от национальности, ориентации, расы, то наука сделает огромный шаг вперед и наши дети и внуки не будут страдать от тех заболеваний, которые нас убивают.

ОТ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Мир стремительно меняется, и книга, которую вы сейчас дочитали, показывает направление этих изменений с генетической точки зрения.

Предлагаю напоследок, до того, как вы закроете книгу, провести небольшой эксперимент! Наверняка по ходу чтения у вас возникали мысли о том, что же будет с той или иной новой технологией через пару десятков лет. Запишите эти предположения о будущем. С этими записями дальше можно сверяться раз в 5 лет, а через 20 лет вам будет крайне интересно узнать, каким же вы представляли этот мир, когда были помладше.

Очень надеюсь, что вам понравилось читать о новых исследованиях и научных открытиях. И еще больше надеюсь, что вы узнали для себя что-то новое и интересное.

Литература

Глава 1

1. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений ⁄ С. Г. Инге-Вечто-мов. – СПб.: Изд-во Н-Л, 2010. – 720 с. – ISBN 978-5-94869-105-3.

2. Kouser, S., Spielman, D.J., Qaim, M. (2019). Transgenic cotton and farmers’ health in Pakistan. PLoS ONE 14(10): e0222617. https:// doi.org/10.1371/journal.pone.0222617.

3. Панчин А. Ю. Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей ⁄ А. Ю. Панчин. – М.: ACT, 2015. – 432 с. – ISBN 978-5-17-093602-1.

4. Ma, P., Li, T., Ji, F., Wang, H., Pang, J. (2015, Aug 15). Effect of GABA on blood pressure and blood dynamics of anesthetic rats. Int J Clin Exp Med 8(8): 14296-302. PMID: 26550413; PMCID: PMC4613098. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC4613098/.

5. Wongsrikeao, P., Saenz, D., Rinkoski, T. et al. (2011). Antiviral restriction factor transgenesis in the domestic cat. Nat Methods 8, 853–859. https://doi.org/10.1038/nmeth.1703.

6. Hadjantonakis, A.-K., Gertsenstein, M., Ikawa, M., Okabe, M., Nagy, A. (1998). Generating green fluorescent mice by germline transmission of green fluorescent ES cells. Mechanisms of Development, 76(1–2), pp. 79–90, ISSN 0925–4773. https://doi. org/10.1016/S0925-4773(98)00093-8.

7. Mitiouchkina, T., Mishin, A.S., Somermeyer, L.G. et al. (2020). Plants with genetically encoded autoluminescence. Nat Biotechnol 38, 944–946. https://doi.org/10.1038/s41587-020-0500-9.

8. Aryan, A., Anderson, M.A.E., Biedler, J.K., Qi, Y„Overcash, J.M. et al. (2020 July 28). Nix alone is suffi cient to convert female Aedes aegypti into fertile males and myo-sex is needed for male fl ight. Proc Natl Acad Sci USA.; 117(30): 17702-17709. DOI: 10.1073/ pnas.2001132117. Epub 2020 Jul 13. PMID: 32661163; PMCID: PMC7395513.

9. Abuelo, D. (2009). Clinical signifi cance of chimerism. Am J Med Genet C Semin Med Genet. 15C(2), pp. 148–151. doi:10.1002/ ajmg.c.30213. PMID 19378333

10. Wu, J., Platero-Luengo, A., Sakurai, M. et al. Interspecies Chimerism with Mammalian Pluripotent Stem Cells. 168(3), pp. 473–486. E15, 2017. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.cell.2016.12.036.

11. Corr, S.A., Gardner, D.S., Langley-Hobbs, S. et al. (2017). Radiographic assessment of the skeletons of Dolly and other clones fi nds no abnormal osteoarthritis. Sci Rep 7, 15685. https://doi. org/10.1038/s41598-017-15902-8.

12. Hamzelou, J. (2016, September 27). Exclusive: World’s fi rst baby born with new “3 parent” technique. Newscientist. Retrieved from https://www.newscientist.com/article/2107219-exclusive-worlds-first-babyborn-with-new-3-parent-technique/.

13. Wilkinson, B. (2019, April 11). Controversial ‘three-person’ IVF used for baby boy born in Greece. CNN Health. Retrieved from https://edition. cnn.com/2019/04/ll/health/birth-experimental-ivf-greece-scln-intl/index.html.

14. Максимова E. В. Клонирование: моральные дилеммы И Вестник РУДН. Серия: Философия, 2015. № 2.

15. Pattinson, S.D., Caulfi eld, T. Variations and voids: the regulation of human cloning around the world. BMC Med Ethics 5, 9 (2004). https://doi.org/10.1186/1472-6939-5-9.

15. Ma, P., Li, T., Ji, F., Wang, H., Pang, J. (2015, Aug 15). Effect of GABA on blood pressure and blood dynamics of anesthetic rats. Int J Clin Exp Med 8(8): 14296-302. PMID: 26550413; PMCID: PMC4613098. Retrieved from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/ articles/PMC4613098/.

Глава 2

1. Hubisz, M.J., Williams, A.L., Siepel, A. (2020). Mapping gene flow between ancient hominins through demography-aware inference of the ancestral recombination graph. PLOS Genetics 16(8): el008895. https://doi.org/10.1371/journal.pgen.1008895.

2. Dannemann M., Andrés, A.M., Kelso, J. (2016, January 07). Introgression of Neandertal– and Denisovan-like Haplotypes Contributes to Adaptive Variation in Human Toll-like Receptors. AJHG. 98(1), pp. 22–33. https://doi.Org/10.1016/j.ajhg.2015.ll.015.

3. Simonti, C.N., Vernot, B., Bastarache, L., Bottinger, E., Carrell, D.S. et al. (2016, February 17). The phenotypic legacy of admixture between modern humans and Neandertals. Science. 351(6274), pp. 737–741. DOI: 10.1126/science.aad2149.

4. Rampelli, S.; Schnorr, S.L.; Consolandi, C.; Turroni, S.; Severgnini, M.; Peano, C.; Brigidi, P.; Crittenden, A.N.; Henry, A.G.; Candela, M. Metagenome Sequencing of the Hadza Hunter-Gatherer Gut Microbiota. Curr. Biol. 2015, 25, 1682–1693.

5. Rinker, D.C., Simonti, C.N., McArthur, E. et al. (2020). Neanderthal introgression reintroduced functional ancestral alleles lost in Eurasian populations. Nat Ecol Evol 4, pp. 1332–1341. https://www. nature.com/articles/s41559-020-1261-z.

6. Schaefer, N.K., Shapiro, B., Green, R.E. (2021, July 16). An ancestral recombination graph of human, Neanderthal, and Denisovan genomes. Science. 7(29). DOI: 10.1126/sciadv.abc0776.

7. Mafessoni, F. Encounters with archaic hominins. (2019). Nat Ecol Evol 3, 14–15. https://doi.org/10.1038/s41559-018-0729-6.

8. Colbran, L.L., Gamazon, E.R., Zhou, D. et al. (2019). Inferred divergent gene regulation in archaic hominins reveals potential phenotypic diff erences. Nat Ecol Evol 3, 1598–1606. https://doi. org/10.1038/s41559-019-0996-x.

9. Zeberg H., Kelso J., Pââbo S., The Neandertal Progesterone Receptor, Molecular Biology and Evolution, Volume 37, Issue 9, September 2020, Pages 2655–2660, https://doi.org/10.1093/molbev/ msaall9

10. Khrameeva, E., Bozek, K., He, L. et al. (2014). Neanderthal ancestry drives evolution of lipid catabolism in contemporary Europeans. Nat Commun 5, 3584. https://doi.org/10.1038/ncomms4584.

11. Trumble, B.C., Finch, C.E. (2019, December). Th e Exposome in Human Evolution: From Dust to Diesel. Th e Quarterly Review of Biology. 94(4). DOI: 10.1086/706768.

12. Gregory, M.D., Kippenhan, J.S., Eisenberg, D.P. et al. (2017, July 24). Neanderthal-Derived Genetic Variation Shapes Modern Human Cranium and Brain. Sci Rep 7,6308. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06587-0.

13. Zeberg, H., Pàâbo, S. (2020). Th e major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature 587, 610–612. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2818-3.

14. Zwir, I., Del-Val, C., Hintsanen, M. et al. (2022). Evolution of genetic networks for human creativity. Mol Psychiatry 27, 354–376. https:// doi.org/10.1038/s41380-021-01097-y.

15. Oliva, M., Munoz-Aguirre, M., Kim-Hellmuth, S., Wucher, V. et al. (2020 Sep 11). Th e impact of sex on gene expression across human tissues. Science, 369(6509):eaba3066. DOI: 10.1126/science. аЬаЗОбб. PMID: 32913072; PMCID: PMC8136152.

16. Gershoni, M., Pietrokovski, S. (2017). Th e landscape of sex-diff erential transcriptome and its consequent selection in human adults. BMC Biol 15, 7. https://doi.org/10.1186/sl2915-017-0352-z.

17. Joel, D., Berman, Z., Tavor, I., Wexler, N. et al. (2015, November 30). Sex beyond the genitalia: Th e human brain mosaic. PNAS. 112 (50) 15468-15473. https://doi.org/10.1073/pnas.1509654112.

18. Dubey, N.. Hoff man, J.F., Schuebel, K., Yuan, Q. et al (2017, August). The ESC/E(Z) complex, an eff ector of response to ovarian steroids, manifests an intrinsic diff erence in cells from women with premenstrual dysphoric disorder. Mol Psychiatry. 22(8): 1172–1184. DOI: 10.1038/mp.2016.229. Epub 2017 Jan 3. PMID: 28044059; PMCID: PMC5495630.

19. Timby, E. (2011). Allopregnanolone eff ects in women: clinical studies in relation to the menstrual cycle, premenstrual dysphoric disorder and oral contraceptive use. Doctoral thesis. Umeâ: Umeâ University, p. 81. http://umu.diva-portal.org/smash/record.jsf?lang uage=sv&pid=diva2%3A458846&dswid=2768.

20. Ganna, A., Verweij, K.J.H., Nivard, M.G. et al. (2019, August 30). Largescale GWAS reveals insights into the genetic architecture of same-sex sexual behavior. Science, 365(6456). DOI: 10.1126/science. aat7693.

21. Male homosexuality and maternal immune responsivity to the Y-linked protein NLGN4Y. Bogaert A.F., Skorska M.N., Wang C. et al. (2017) PNAS, 115 (2) 302–306 DOI: https://doi.org/10.1073/ pnas.1705895114

22. Anttila V., Bulik-Sullivan B., Finucane H.K. et al. (2018, June 22). Analysis of shared heritability in common disorders of the brain. Science, 360(6395) DOI: 10.1126/science.aap8757.

23. Wray, N.R., Ripke, S., Mattheisen, M. et al. (2018). Genome-wide association analyses identify 44 risk variants and refi ne the genetic architecture of major depression. Nat Genet 50, 668–681. DOI: https://doi.org/10.1038/s41588-018-0090-3.

24. Gandal M., Haney J.R… Paricshak N.N. et al. (2018, February 9). Shared molecular neuropathology across major psychiatric disorders parallels polygenic overlap. Science, 359(6376); pp. 693–697. DOI: 10.1126/science.aad6469.

25. Brown, N. (2019, December 12). Largest study of its kind reveals that many psychiatric disorders arise from common genes. Press release. Massachusetts General Hospital. Retrieved from https:// www.massgeneral.org/news/press-release/largest-study-of-its-kind-revealsthat-many-psychiatric-disorders%20-arise-from-common-genes.

26. Huckins, L.M., Dobbyn, A., Ruderfer, D.M. et al. (2019). Gene expression imputation across multiple brain regions provides insights into schizophrenia risk. Nat Genet 51,659–674. https://doi. org/10.1038/s41588-019-0364-4.

27. Genome-wide association meta-analysis in 269,867 individuals identifies new genetic and functional links to intelligence. Nat Genet 50, 912–919 (2018). https://doi.org/10.1038/s41588-018-0152-6.

28. Lam, M., Trampush, J.W., Yu, J. at al. Large-Scale Cognitive GWAS Meta-analysis Reveals Tissue-Specifi c Neural Expression and Potential Nootripic Drug Targets. Cell 21(9), pp. 2597–2613. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.celrep.2017.ll.028.

29. McMains, V. (2021, June 21). Genetic cause of neurodevelopmental disorder discovered. University of Maryland School of Medicine. Retrievedfromhttps://www.medschool.umaryland.edu/news/2021/ UM-School-of-Medicine-Researchers-Discover-Genetic-Cause-of-Neurodevelopmental-Disorder.html.

30. Cuellar-Partida, G., Tung, J.Y., Eriksson, N.. Albrecht, E., et al. (2021 January 1). Genome-wide association study identifi es 48 common genetic variants associated with handedness. Nat Hum Behav.; 5(1): 59–70. DOI: 10.1038/s41562-020-00956-y. Epub 2020 Sep 28. PMID: 32989287; PMCID: PMC7116623.

31. Wade, K.H., Lam, B.Y.H., Melvin, A. et al. (2021). Loss-of-function mutations in the melanocortin 4 receptor in a UK birth cohort. Nat Med 27, 1088–1096. https://doi.org/10.1038/s41591-021-01349-y.

32. Blackshow, S., Hoang T., Wang J., Boyd P. et al. (2020, March 23). Crossspecies transcriptomic and epigenomic analysis reveals key regulators of inj ury response and neuronal regeneration in vertebrate retinas.bioRxiv 717876. DOI: https://doi.org/10.1101/717876.

33. Hoang T., Wang J., Boud P. et al. (2020, October 1). Gene regulatory networks controlling vertebrate retinal regeneration. Science, 370(6519). DOI: 10.1126/science.abb8598.

34. Dong, Q., Gentry N.W., McMahon Th. et al. (2022, April 15). Familial natural short sleep mutations reduce Alzheimer pathology in mice. Cell 25(4), 103964. DOI: https://doi.Org/10.1016/j. isci.2022.103964.

Глава 3

1. Guell, М. Gene editing in translational research (2019). Rev. 47. Bioetica & Derecho 5. Retrieved from https:// heinonline.org/HOL/LandingPage?handle=hein. journals/ rebiod47&div=4&id=&page.

2. Fikes, B.J. (2017, October 17). Yescarta, second blood cancer gene therapy, approved by FDA. The San Diego Union-Tribune. Retrieved from https://www.sandiegouniontribune.com/business/biotech/ sd-me-yescarta-cancer-20171018-story.html.

3. Mullin, E. (2017, August 30). FDA Approves Groundbreaking Gene Therapy for Cancer. MIT Technology Review. Retrieved from https://www.technologyreview.com/2017/08/30/149399/the-fda-has-approved-the-first-gene-therapy-for-cancer/.

4. High, K. A., George, L., Sullivan, S. et al. (2016, June 11). AAV-mediated gene therapy for hemophilia B-expression at therapeutic levels with low vector doses. EHA. Retrieved from https://library.ehaweb.org/eha/2016/21st/135342/spencer. sullivan.aav-mediated.gene.therapy.for.hemophilia.b-expression. at.html?f=pl6m3111619..

5. George, L.A., Sullivan, S.K. et al. (2017, December 7). Hemophilia В Gene Therapy with a High-Specifi c-Activity Factor IX Variant N Engl J Med; 377:2215-27. DOI: 10.1056/NEJMoal708538. Retrieved from https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/ NEJMoal708538.

6. Cideciyan, A.V., Jacobson, S.G., Ho, A.C. et al. Durable vision improvement after a single treatment with antisense oligonucleotide sepofarsen: a case report. Nat Med 27, 785–789 (2021). https://doi. org/10.1038/s41591-021-01297-7.

7. Yu-Wai-Man, P., Newman, N.J., Carelli V. et al. (2020, December 9). Bilateral visual improvement with unilateral gene therapy injection for Leber hereditary optic neuropathy. Science Translational Medicine 12(573). DOI: 10.1126/scitranslmed.aaz7423.

8. Maloney, D.M., Chadderton, N., Millington-Ward, S. et al. (2020, November 26). Optimized OPA1 Isoforms 1 and 7 Provide Therapeutic Benefit in Models of Mitochondrial Dysfunction. Front. Neurosci., Sec. Neurodegeneration, https://doi.org/10.3389/ fnins.2020.571479.

9. Batabyal, S., Gajjeraman, S., Pradhan, S., Bhattacharya, S., Wright, W., Mohanty, S. (2021 April). Sensitization of ON-bipolar cells with ambient light activatable multi-characteristic opsin rescues vision in mice. Gene Ther. 28(3–4): 162–176. DOI: 10.1038/s41434-020-00200-2. Epub 2020 Oct 22. PMID: 33087861; PMCID: PMC9191254.

10. Shubina-OleinikO., French C. et al. (2021, Dec 15). Dual-vector gene therapy restores cochlear amplification and auditory sensitivity in a mouse model of DFNB16 hearing loss. Science Advances. Vol 7, Issue 51. DOI: 10.1126/sciadv.abi7629.

11. Wegmann, S., DeVos, S.L., Zeitler, B. et al. (2021). Persistent repression of tau in the brain using engineered zinc finger protein transcription factors. Sci. Adv. 7, eabel611. DOI: 10.1126/sciadv. abel611.

12. Safety Study ofAADC Gene Therapy (V Y-А ADC01) for Parkinson’s Disease (AADC). University of California, San FranciscoVeristat, Inc., Feinstein Institute for Medical Research. Retrieved from https://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT01973543.

13. Oregon Health and Science University Voyager Therapeutics (2013–2020). Retrieved from https://clinicaltrials.gov/ct2/show/study/ NCT01973543? term=AADC&rank=2.

14. Cachôn-Gonzalez M.B., Wang S.Z., Lynch A., Ziegler R., Cheng

S.H., Cox T.M. (2006 Jul 5). Effective gene therapy in an authentic model of Tay-Sachs-related diseases. Proc Natl Acad Sci USA. 103(27): 10373-10378. DOI: 10.1073/pnas.0603765103. Epub 2006 Jun 26. PMID: 16801539; PMCID: PMC1482797. Retrieved from https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16801539/.

15. Flotte, T.R., Cataltepe, O., Puri, A. et al. AAV gene therapy for Tay-Sachs disease. Nat Med 28, 251–259 (2022). Retrieved from: https:// doi.org/10.1038/s41591-021-01664-4.

16. Yonekawa T., Rauckhorst A.J., El-Hattab S. et al. (2022). Largel gene transfer in older myd mice with severe muscular dystrophy restores muscle function and greatly improves survival. Sci. Adv., 8 (21), eabn0379. DOI: 10.1126/sciadv.abn0379. Retrieved from https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn0379.

Глава 4

1. Ormond, K.E., Mortlock, D.P., Scholes, D.T. et al. Human Germline Genome Editing. Am J Hum Genet. (2017, Aug 3). 101(2): 167–176. PubMed: 28777929. Free full-text available from PubMed Central: PMC5544380.

2. Gupta, R.M., Musunuru, K. Expanding the genetic editing tool kit: ZFNs, TALENs, and CRISPR-Cas9. J Clin Invest. (2014, Oct). 124(10): 4154-61. DOI: 10.1172/JCI72992. Epub 2014 Oct 1. PMID: 25271723; PMCID: PMC4191047.

3. Hsu, P.D., Lander, E.S., Zhang, F. (2014 Jun 5). Development and applications of CRISPR-Cas9 for genome engineering. Cell. 157(6): 1262-78.DOI:10.1016/j.celL2014.05.010.Review.PubMed:24906146. Free full-text available from PubMed Central: PMC4343198.

4. Komor, A.C., Badran, A.H., Liu, D.R. (2017 Apr 20). CRISPR-Based Technologies for the Manipulation of Eukaryotic Genomes. Cell. 169(3): 559. D01:10.1016/j.cell.2017.04.005. PubMed: 28431253.

5. Lander, E.S. (2016 Jan 14). The Heroes of CRISPR. Cell. 164(1–2): 18–28. D01:10.1016/j.cell.2015.12.041. Review. PubMed: 26771483.

6. Liang, P, Xu, Y, Zhang, X. et al. (2015). CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes Protein. Cell 6,363–372. DOI: 10.1007/S13238-015-0153-5. PMID: 25894090. PMCID: PMC4417674.

7. Kaminski, R., Chen, Y, Fischer, T. et al. (2016). Elimination of HIV-1 Genomes from Human T-lymphoid Cells by CRISPR. Cas9 Gene Editing. Sci Rep 6,22555. DOI: 10.1038/srep22555. PMID: 27389633. PMCID: PMC4936507.

8. Marchione,M.(2018).Chineseresearcherclaimsfirstgene-editedbabies. Retrieved from https://apnews.com/4997bb7aa36c45449b488el9 ac83e86d.

9. Kinling Lo. (2019). Chinas gene-editing ‘Frankenstein jailed for three years in modified baby case. South China Morning post. Retrieved from https://www.scmp.com/news/china/science/ article/3043894/chinas-gene-editing-frankenstein-jailed-3-years-modified-baby.

10. Xu, L„Wang, J„Liu, Y. et al. (2019). CRISPR-Edited Stem Cells in a Patient with HIV and Acute Lymphocytic Leukemia. N Engl J Med. 381: 1240–1247. DOI: 10.1056/NEJMoal817426. PMID: 31509667. Retrieved from https://www.nejm.org/doi/ full/10.1056/NEJMoal817426?query=TOC#article_citing_articles.

11. Brown, T.R. (2015, Jan). I Am the Berlin Patient: A Personal Reflection. AIDS Research and Human Retroviruses, 31(1), pp. 2–3. DOI: 10.1089/aid.2014.0224

12. Gupta, R.K., Abdul-Jawad, S., McCoy, L.E. et al. (2019). HIV-1 remission following CCR5A32/A32 haematopoietic stem-cell transplantation. Nature 568,244–248. DOI: 10.1038/s41586-019-1027-4.

13. Wilson, C. (2019, March 5). A third person may have become HIV-free after a bone marrow transplant. Newscientist. Retrieved from https://www.newscientist.com/article/2195780-a-third-person-may-have-become-hiv-free-after-a-bone-marrow-transplant/.

14. Gallagher J. Fourth patient seemingly cured of HIV (2022 July 27). BBC News. Retrieved from: https://www.bbc.com/news/health-62312249.

15. McKay B. Woman Appears Cured of HIV After Umbilical-Cord Blood Transplant (2022, February 15). The Wall Street Journal. Retrieved from https://www.wsj.com/articles/woman-appears-cured-of-hiv-after-umbilical-cord-blood-transplant-11644945720-?mod=hp_lead_poslO.

16. CRISPR Therapeutics and Vertex Announce Positive Safety and Efficacy Data From First Two Patients Treated With Investigational CRISPR/Cas9 Gene-Editing Therapy CTX001® for Severe Hemoglobinopathies. CRISPR Therapeutics. Press Release. Retrieved from http://ir.crisprtx.com/news-releases/news-release-details/crispr-therapeutics-and-vertex-announce-positive-safety-and#.

17. Haridy, R. (2019, November 19). Encouraging early results from first human CRISPR gene therapy trials. New Atlas. Retrieved from https:// newatlas.com/medical/encouraging– early-results-first-human-crispr-gene-therapy-trials/.

18. Revolutionary CRISPR-based genome editing system treatment destroys cancer cells (2020, November 18). News Release. Peer-Reviewed Publication American Friends of Tel Aviv University. Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.abc9450 Retrieved from https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-ll/afot-rcglll820. php.

19. The Nobel Prize in Chemistry 2020. NobelPrize.org. Nobel Prize Outreach AB 2022. Wed. 14 Sep 2022. https://www.nobelprize.org/ prizes/chemistry/2020/summary/.

20. Schubert M.G., Wannier T.M. et al. (2021, April 27). PNAS. Vol. 118 I No. 18. https://doi.org/10.1073/pnas.2018181118.

21. Морозов С. Американский стартап получил 15 миллионов долларов на превращение слонов в мамонтов [Электронный ресурс] // N+1. – 2021. – 14 сентября. – Режим доступа: https://nplusl.ru/news/2021/09/14/resurrection-of-mammoths.

22. New, reversible CRISPR method can control gene expression while leaving underlying DNA sequence unchanged (2021, April 9) retrieved 15 September 2022 from https://phys.org/news/2021-04-reversible-crispr-method-gene-underlying.html.

23. Anzalone, A.V., Randolph, P.B., Davis, J.R. et al. (2019). Search-and-replace genome editing without double-strand breaks or donor DNA. Nature 576, 149–157. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1711-4.

24. Dash, P.K., Kaminski, R., Bella, R. et al. (2019). Sequential LASER ART and CRISPR Treatments Eliminate HIV-1 in a Subset of Infected Humanized Mice. Nat Commun 10, 2753. https://doi. org/10.1038/s41467-019-10366-y.

25. Abudayyeh, O., Gootenberg, J., Essletzbichler, P. et al. (2017). RNA targeting with CRISPR-Casl3. Nature 550, 280–284. https://doi. org/10.1038/nature24049.

26. Man gets genetically altered pig’s heart transplant in first-of-its-kind procedure. 2022, January 11). Fox News Retrieved from https://www.bbc.com/news/world-us-canada-59944889.

27. Douglas, C., Maciulyte, V, Zohren, J. et al. (2021). CRISPR-Cas9 effectors facilitate generation of single-sex litters and sex-specific phenotypes. Nat Commun 12,6926. https://doi.org/10.1038/s41467-021-27227-2.

28. Wei, Y., Yang C.-R., Zhao Zh.-Ao. (2022, March 7). Viable offspring derived from single unfertilized mammalian oocytes. PNAS 119(12). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2115248119.

29. Bohnsack, J.P., Zhang H., Wandling G. (2022, May 4). Targeted epigenomic editing ameliorates adult anxiety and excessive drinking after adolescent alcohol exposure. Science Advances 8(18). DOI: 10.1126/sciadv.abn2748.

30. Taylor, J.H., Walton, J.C., McCann, K.E. et al. (2022, May 5). CRIS-PR-Cas9 editing of the arginine-vasopressin Via receptor produces paradoxical changes in social behavior in Syrian hamsters. PNAS 119(19). DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2121037119.

31. Shirai, Y„Piulachs, M.-D., Belles X. et al. (2022, May 23). DIPA-CRISPR is a simple and accessible method for insect gene editing. Cell 2(5); 100215. Retrieved from https://www.cell.com/cell-reports-methods/fulltext/S2667-2375(22)00078-9.

Глава 5

1. Berkowitz, A.L., Miller, M.B., Mir, S.A., et. al. (2016). Glioproliferative Lesion of the Spinal Cord as a Complication of “Stem-Cell Tourism”. N Engl J Med. 375: 196–198. DOI: 10.1056/NEJMcl600188.

2. Podgorny, O., Peunova, N., Park, J.-H., Enikolopov, G. (2018, February 13). Triple S-Phase Labeling of Dividing Stem Cells.

Stem Cell Reports, 10(2), pp. 615–626. https://doi.Org/10.1016/j. stemcr.2017.12.020.

3. Iwafuchi, M., Cuesta, I., Donahue, G. et al. (2020). Gene network transitions in embryos depend upon interactions between a pioneer transcription factor and core histones. Nat Genet 52, 418–427. https://doi.org/10.1038/s41588-020-0591-8.

4. Xu P.-F., Houssin, N., Ferri-Lagneau K.F. et al. (2014, April 4). Construction of a Vertebrate Embryo from Two Opposing Morphogen Gradients. Science 344(6179), pp. 87–89. DOI: 10.1126/ science.1248252.

5. Xu, P.F., Borges, R.M., Fillatre, J. et al. (2021). Construction of a mammalian embryo model from stem cells organized by a morphogen signalling centre. Nat Commun 12, 3277. https://doi. org/10.1038/s41467-021-23653-4.

6. Шутова M. Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки // Биология, ПостНаука. – 2012. – 17 декабря. – Режим доступа: http://postnauka.ru/video/7365.

7. Yang J-H., Науапо М., Griffin Р.Т. (2023) Loss of epigenetic information as a cause of mammalian aging. Cell. Vol. 186, 2, p. 305–326.E27. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.cell.2022.12.027

8. Nagpal, N.. Wang, J., Zeng J., et al. (2020). Small-Molecule PAPD5 Inhibitors Restore Telomerase Activity in Patient Stem Cells, Cell Stem Cell, 26(6), pp. 896–909.e8. https://doi.0rg/lO.lOl6/j. stem.2020.03.016 Retrieved from https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S1934590920301387?via%3Dihub.

9. Lee, J., Bignone, P.A., Coles, L.S. et al. (2020). Induced pluripotency and spontaneous reversal of cellular aging in supercentenarian donor cells. BBRC, 525(3), pp. 563–569, https://doi.Org/10.1016/j. bbrc.2020.02.092. Retrieved from https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S0006291X20303661?via%3Dihub.

10. Cyranoski, D. (2019, September 02). Woman is fi rst to receive cornea made from “reprogrammed” stem cells. Nature News. doi. org/10.1038/d41586-019-02597-2.

11. Hayashi, R., Ishikawa, Y., Sasamoto, Y. et al. Co-ordinated ocular development from human iPS cells and recovery of corneal function. Nature 531, 376–380 (2016). doi.org/10.1038/naturel7000.

12. Cyranoski, D. (2019, March 15). Japan poised to allow reprogrammed’ stem-cell therapy for damaged corneas. Nature News, https://doi.org/10.1038/d41586-019-00860-0.

13. Lesli, M. (2021, March 17). Researchers re-create key human embryo stage in lab. Science, doi: 10.1126/science.abi5723 Retrieved from https://www.science.org/content/article/researchers-re-create-key-humanembryo-stage-lab.

14. Could humans ever regenerate a heart? A new study suggests the answer is yes’ (2017, January 26). Peer-Reviewed Publication University of Florida. Proceedings of the National Academy of Sciences. Retrieved from https://www.eurekalert.org/news-releases/498753.

15. Researchers use stem cells to regenerate the external layer of a human heart (2017, January 11). Peer-Reviewed Publication Penn State. Nature Biomedical Engineering. Retrieved from https:// www.eurekalert.org/news-releases/767684.

16. Bannier-Hhlaount, M., Post Y, Korving, J. (2021, July 1). Exploring the human lacrimal gland using organoids and singlecell sequencing Cell 28(7), pp. 1221–1232.E7. DOI: https://doi. org/10.1016/j.stem.2021.02.024.

17. Lütolf, M. (2020, September 16). Next-gen organoids grow and function like real tissues. EPFL. https://actu.epfl.ch/news/next-gen-organoidsgrow-and-function-like-real-tis/.

18. Nalapareddy, K., Nattamai K.J., Kumar R.S. et al. (2017, March 14). Canonical Wnt Signaling Ameliorates Aging of Intestinal Stem Cells. Cell Reports 18(11), pp. 2608–2621. DOI: https://doi. org/10.1016/j.celrep.2017.02.056.

19. Brassard, J.A., Lutolf, M.P. (2019, June 06). Engineering Stem Cell Self-organization to Build Better Organoids. Cell. 24(6), pp. 860–876. DOI: https://doi.Org/10.1016/j.stem.2019.05.005.

20. Brassard, J.A., Nikolaev, M., Hübscher, T. et al. (2021). Recapitulating macro-scale tissue self-organization through organoid bioprinting. Nat. Mater. 20, 22–29. https://doi.org/10.1038/s41563-020-00803-5 Retrieved from https://www.nature.com/articles/ S41563-020-00803-5.

21. Sam Kriegman, Douglas Blackiston, Michael Levin, Josh Bongard at al. (2021, November 29). Kinematic self-replication in reconfigurable organisms. PNAS. 118 (49) e2112672118. https://doi. org/10.1073/pnas.2112672118.

22. Muslimov, A.R., Timin, A.S., Bichaykina V.R. at al. Biomimetic drug delivery platforms based on mesenchymal stem cells impregnated with light-responsive submicron sized carriers. Biomater. Sci., 2020, 8, 1137–1147. DOI: https://doi.org/10.1039/C9BM00926D.

23. Randell I. Eye see dead people: Retinal cells transplanted from human CORPSES could restore vision in blind people (2021, Janu-aryl4). Retrieved from https://www.dailymail.co.uk/sciencetech/ article-9147361/Health-Retinal-cells-transplanted-corpses-cure-blindness-millions-people.html.

24. Sipalan, J. Back from the dead? Stem cells give hope for revival of Malaysia’s extinct rhinos (2020, August 12). Retrieved from https://www.reuters.com/article/us-malaysia-wildlife-rhino-idUSKCN2580WM.

25. Honmou, O., Yamashita T., Morita T. et al. (2021). Intravenous infusion of auto serum-expanded autologous mesenchymal stem cells in spinal cord injury patients: 13 case series. Clinical Neurology and Neurosurgery, 203,106565, https://doi.Org/10.1016/j. clineuro.2021.106565.

26. Irving M. Stem cell microbots travel from nose to brain to treat disease (2021, November 22). Retrieved from https://newatlas.com/ medical/stem-cell-microrobots-nose-brain/.

27. Lancaster M.A., Renner M., Martin C.A., et al. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature. 2013 Sep. 19; 501(7467):373-9. DOI: 10.1038/naturel2517.

28. Regalado A. Going bald? Lab-grown hair cells could be on the way. MIT Technology Review, 2022, January 18. Retrieved from https:// www.technologyreview.com/2022/01/18/1043751/bald-lab-grown-hair-cells/amp/.

29. Simeone, C. A., Andrews, J. P., Johnson, S. P. et al. (2022). Xenotransplantation of porcine progenitor cells in an epileptic California sea lion (Zalophus californianus): illustrative case, Journal of Neurosurgery: Case Lessons, 3(12), CASE21417. Retrieved Apr 27, 2023, from https://doi.org/10.3171/CASE21417.

30. Xuan, Y, Ghatak, S., Clark, A. et al. (2021). Fabrication and use of silicon hollow-needle arrays to achieve tissue nanotransfection in mouse tissue in vivo. Nat Protoc 16, 5707–5738. https://doi. org/10.1038/s41596-021-00631-0.

31. Dôhla, J., Kuuluvainen, E., Gebert, N. et al. (2022). Metabolic determination of cell fate through selective inheritance of mitochondria. Nat Cell Biol 24, 148–154. https://doi.org/10.1038/ S41556-021-00837-0.

Глава 6

1. Trujillo C.A., Rice E.S., Schaefer N.K at al. (2021, February 12). Réintroduction of the archaic variant of NOVAI in cortical organoids alters neurodevelopment. Science 371(6530). DOI: 10.1126/science.aax2537.

2. Neal, S., McCulloch, K.J., Napoli, F.R. et al. (2022). Cooption of the limb patterning program in cephalopod eye development. BMC Biol 20, 1 https://doi.org/10.1186/sl2915-021 -01182-2.

3. Poplawski, G.H.D., Kawaguchi, R., Van Niekerk, E. et al. (2020). Injured adult neurons regress to an embryonic transcriptional growth state. Nature 581, 77–82. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2200-5.

4. Lindborg, J.A., Tran, N.M., Chenette D.M. (2021, March 2). Optic nerve regeneration screen identifi es multiple genes restricting adult neural repair. Cell Reports 34(9), 108777. DOI: https://doi. org/10.1016/j.celrep.2021.108777.

5. Wang, W., Hu, Ch.-К., Zeng A., Alegre, D. et al. (2020, September 4). Changes in regeneration-responsive enhancers shape regenerative capacities in vertebrates 2020. Science, 369(6508). DOI: 10.1126/ science.aaz309.rep.2021.108777.

6. Gasparini, A. Researchers develop algorithm to compare cells across species. Retrieved 25 May 2021 from https://phys.org/news/2021-05-algorithm-cells-species.html.

7. Fon Tacer K., Montoy M.C., Oatley M.J., Lord T. et al. (2019, May 29). MAGE cancer-testis antigens protect the mammalian germline under environmental stress. Sci. Adv. 5(5): eaav4832. DOI: 10.1126/ sciadv.aav4832.

8. James F. Pelletier, Lijie Sun, Kim S. Wise Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell (2021, April 29). Cell 184(9), pp. 2430–2440.E16. https://doi.Org/10.1016/j. cell.2021.03.008.

9. Liu P., Chen M., Liu Y. et al. CRISPR-Based Chromatin Remodeling of the Endogenous Oct4 or Sox2 Locus Enables Reprogramming to Pluripotency (2018, February 1). Cell Stem Cell 22,252–261. https:// doi.org/10.1016/j.stem.2017.12.001 Retrieved from https://www.cell. com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(17)30501-5.

10. Elbaz J., Puri M.C., Faiz M. et al (2022, Dec 1). Highly efficient reprogrammable mouse lines with integrated reporters to track the route to pluripotency. PNAS. Vol. 119 | No. 49. https://doi.org/10.1073/ pnas.2207824119.

11. Ocampo A., Reddy P. et al (2016, December 15). In Vivo Amelioration of Age-Associated Hallmarks by Partial Reprogramming. Cell 167, 1719–1733. http://dx.doi.Org/10.1016/j.cell.2016.ll.052.

12. Browder, K.C., Reddy, P., Yamamoto, M. et al. (2022). In vivo partial reprogramming alters age-associated molecular changes during physiological aging in mice. Nat Aging 2, 243–253. https://doi. org/10.1038/s43587-22-00183-2.

13. Hirsch, T., Rothoeft, T., Teig, N. et al. (2017). Regeneration of the entire human epidermis using transgenic stem cells. Nature 551, 327–332. https://doi.org/10.1038/nature24487.

14. KueckelhausM.jM.D.,RothoeftT.,M.D.,LauraDeRosaetal.Transgenic Epidermal Cultures for Junctional Epidermolysis Bullosa – 5-Year Outcomes (2021, December 9). N Engl J Med 385: 2264–2270. DOI: 10.1056/NEJMoa2108544. Retrieved from https://www.nejm.org/ doi/full/10.1056/NEJMoa2108544?query=TOC&cid=NEJM%20 eToc,%20December%209,%202021%20DM530136_NEJM_Subscrib er&bid=731782855#figures_media.

15. Gammage, P.A., Viscomi, C., Simard, M.L. et al. (2018). Genome editing in mitochondria corrects a pathogenic mtDNA mutation in vivo. Nat Med 24,1691–1695. https://doi.org/10.1038/s41591-018-0165-9.

16. Silva-Pinheiro, P., Nash, P.A., Van Haute, L. et al. (2022). In vivo mitochondrial base editing via adeno-associated viral delivery to mouse post-mitotic tissue. Nat Commun 13, 750. https://doi. org/10.1038/s41467-022-28358-w.

17. Zhao H., Cheng Y., Kalra A. Generation and multiomic profiling of a TP53/CDKN2A double-knockout gastroesophageal junction organoid model (2022, November 30). Science translational medicine. Vol 14, Issue 673. DOI: 10.1126/scitranslmed.abq6146.

Благодарности

В подростковом возрасте у меня была мечта – написать свою книгу и издать ее. Но когда дело дошло до ее написания, меня стало одолевать сильное внутреннее сопротивление, прокрастинация и приступы синдрома самозванца. Даже сейчас, когда работа над книгой завершена, у меня периодически возникает страх, что ее прочтет кто-то из маститых ученых и она покажется ему недостойной. Но, как говорится, волков бояться – в лес не ходить. Поэтому хочу напоследок выразить слова благодарности тем, без кого эту книгу я не написала бы: редакторам, рецензентам, научным консультантам, корректорам, друзьям и родным.

В первую очередь спасибо Эльмире Якуповой – моей подруге-биологу, иллюстратору – за удивительно милые и необычные рисунки и ценные правки в тексте на протяжении долгой работы над книгой. Кажется, за то время, пока я писала эту книгу, она выучила ее наизусть!

Спасибо Марии Зеленовой – научному редактору – за терпение, поддержку и веру в книгу. Была проделана огромная работа, внесено множество правок, чтоб книга стала намного лучше. И если вдруг вы нашли где-то какую-то ошибку, скорее всего, Маша на нее мне указывала, но каким-то образом я это не учла или проигнорировала.

Хочу поблагодарить Александра Панчина, который прочитал черновой вариант книги и сказал: «Так не пойдет, давай дорабатывай!» При этом подсказал, что и как должно быть. Если бы я переработала книгу со всеми пожеланиями, она была бы невероятной. Но лень родилась раньше меня, поэтому есть, как есть. Но этот вариант в разы лучше черновика, поверьте!

Благодарю Марию Тутукину, она прочла черновой вариант моей книги и помогла выделить важные для читателя понятия.

Хочу поблагодарить издательство «Бомбора»: Мелине Ананян, которая вносила ценные правки и замечания, тем самым улучшив текст книги; Юлию Лаврову, которая была все время на связи и выслушивала мои «отмазки» по поводу еще не готового текста, мотивируя меня все же дописать эту книгу.

Спасибо моей сестре Светлане Кочкиной, которая пришла на помощь при работе со списком литературы, и Елизавете Абрамовой, которая на начальных этапах внесла существенный вклад в работу над текстом книги.

Спасибо моим дорогим друзьям и родным, которые верили в меня и в особенно сложные периоды поддерживали меня словом и делом: Елене Ягольник, Анастасии Рудневой, Анне Шляпниковой, Карине Костроминой, Анастасии Тихоновой, Алексею Кочкину, Василию Сысоеву, Саяну Дондокову, Сергею Антипову, Евгении Овчаренко. А также моим любимым родителям и сыну Брониславу, который за время написания книги подрос и стал интересоваться наукой.

Спасибо сотрудникам Института биофизики клетки РАН, особенно Владимиру Ивановичу Новоселову, Андрею Темнову и Алине Гордеевой за их огромный вклад в становлении меня как ученого и популяризатора науки.

Спасибо Российскому квантовому центру, центру LIFT и Сколтеху, в стенах которых мне наконец удалось завершить работу над этой книгой!

Примечания

1

Гуманоид – человекоподобное разумное существо.

Content

Ангелина Потапова
Как подружить гены в клетках: коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки

Вступление

Глава 1 В поисках ГМО

ГМО. Что это за зверь и почему его едят?

Не содержит ГМО: тренд и здравый смысл

Котики и другие прелести жизни

Химеры среди нас

Атака клонов

Глава 2 Что записано в наших генах?

Во всем виноваты неандертальцы и фараоны

Иммунный ответ из прошлого

«Плохие» гены неандертальцев

Резистентность к антибиотикам: бактерии из склепа

Неандертальцы вернули древние гены

Пол и ориентация, виноваты ли гены?

Ген гения

Что еще записано у тебя в ДНК?

Глава 3 Гены лечат

Снова молодой

Вылечить неизлечимое

Ванга бы прозрела, Бетховен бы услышал

Альцгеймер и Паркинсон

Другие неизлечимые болезни

Глава 4 Отредактируй меня полностью

Отредактировать геном и избавиться от всех болезней

Что творят с ВИЧ?

Ножницы против

«Воскрешение» мамонтов

Эпигенетический редактор

Человек с сердцем свиньи

Без отца

Выключить алкоголизм

Выключить цвет

Глава 5 Стволовые клетки

Опасность стволовых клеток

Стволовые клетки: как они превращаются в органы и эмбрионы

Глаз из стволовых клеток

Эмбриончики, мини-органы и другие милости

Оживить мертвого или отдать клетки мертвеца живому

Восстановить спинной мозг и вырастить головной

Глава 6 Как подружить гены в клетках?

Просто мозг неандертальца

Удивительные гены в удивительных клетках

Отрастить плавники

Насущные проблемы и сложные аббревиатуры

Еще раз о старении

Пузыри, но не мыльные

Ошибки митохондрии

Заключение

Литература

Благодарности

Примечания