Клеточная алхимия — Naked Science
20 минут
Редакция

Клеточная алхимия

Колдуны и волшебники древности и во сне не могли помыслить о том, на что в действительности способны современные технологии «клеточной алхимии».

5732143689_433149d222_b
©Wikipedia

В 2012 году Нобелевская премия в области медицины и физиологии досталась авторам двух, пожалуй, самых важных открытий со времен расшифровки структуры ДНК. Эксперименты, проведенные японцем Синъей Яманакой (Shinya Yamanaka) и британцем Джоном Гёрдоном (John Gurdon) почти за полвека до вручения премии, сделали возможным то, что многие специалисты называют «клеточной алхимией». Ученые показали, что созревание стволовых клеток, их дифференциацию ? превращение в высокоспециализированные клетки организма ? можно обратить вспять. И запустить снова, в нужном нам направлении.

 

Со времен Левенгука, впервые рассмотревшего ранние стадии эмбриогенеза под увеличительным стеклом, ученые поражались удивительной гармоничности и сложности процесса, в результате которого оплодотворенная яйцеклетка превращается в сложный многоклеточный организм. Самая первая клетка ? зигота ? делится надвое, эти две превращаются в четыре, и так далее. И даже когда дело доходит до миллиардов клеток, каждая из них прекрасно знает, когда и каким образом ей делиться, где ее место и каково предназначение ? и развивается с поразительной согласованностью.

 

Синъя Яманака и Джон Гёрдон

©Kyodo/ Reuters

 

В конце XIX века появилась гипотеза, согласно которой в разных дочерних клетках накапливается разный наследственный материал, который и определяет направление ее развития и дифференциации. Эта идея, казалось бы, подтвердилась, когда известный немецкий анатом Вильгельм Ру (Wilhelm Roux), разделив пополам имевшего всего две клетки зародыша лягушки, вырастил из них два «полузародыша». Однако вскоре его соотечественник Ханс Дриш (Hans Driesch), экспериментируя с иглокожими, получил из двух разделенных клеток два совершенно одинаковых и совершенно полноценных организма. Вскоре к тому же результату привели опыты с 8-клеточными бластомерами тритона. Выходило, что, по крайней мере, на этом этапе развития делящиеся клетки эмбриона совершенно идентичны и несут одинаковый генетический материал.

 

Кстати, Ханс Шпеман (Hans Spemann), рассекавший зародыши тритона с помощью тонкого волоса, позаимствованного у собственной дочери, впервые и озвучил фантастическую по тем временам возможность переноса содержащего наследственность ядра из зрелой, высокоспециализированной клетки в яйцеклетку – с тем, чтобы проверить, превратится ли она в такую же зрелую клетку, или будет развиваться по пути обычного эмбриона. Несколько десятилетий спустя ? в 1950-х ? такой эксперимент был проведен с зародышем лягушки.

 

Ханс Дриш (Hans Driesch), экспериментируя с иглокожими, получил из двух разделенных клеток два совершенно одинаковых и совершенно полноценных организма

©EMSL

 

Из клетки, находившейся на стадии бластулы и уже начавшей дифференцироваться, удалось выделить ядро и перенести его в очищенную от собственной ДНК яйцеклетку. Действительно, такая клеточная химера вырастала во вполне нормальную и благополучно плававшую лягушку. Однако когда аналогичные попытки были предприняты с клетками более зрелыми и дифференцированными, число успешно выросших лягушек резко сократилось, ну а из клеток взрослого эндотелия получались лишь мертвые эмбрионы с глубоко нарушенным развитием. Эти результаты позволили предположить, что клетки, взрослея и специализируясь, постепенно теряют возможность развиваться по пути нормального эмбриона.

 

Тут на сцене появляется один из будущих лауреатов ? англичанин Джон Гёрдон, который провел тысячи экспериментов по переносу клеточного ядра на зародышах шпорцевых лягушек. В целом он подтвердил предыдущие выводы: эффективность развития нормальных эмбрионов падает по мере созревания клеток-доноров клеточного ядра. Важнее здесь то, что это правило на некоторых клетках не работало: несмотря на высоко дифференцированную стадию развития, они странным образом сохраняли способность снова давать рождение совершенно нормальным организмам. Получается, что все клетки не только несут идентичный генетический материал, но и их созревание не включает каких-то совершенно необратимых процессов, и каким-то способом может быть обращено вспять.

 

Извлечение ДНК

©CIMMYT

 

Опыты Гёрдона стимулировали целое направление экспериментальных работ по переносу ДНК из взрослых организмов в яйцеклетки ? тому, что сейчас принято называть клонированием. В 1983 году эта задача была впервые успешно решена на мышах (с более чем 90% благополучно выросших особей), однако ядра выделялись снова из клеток зиготы, а не взрослого организма. Со «взрослыми» клетками млекопитающих это не удавалось раз за разом, настолько, что авторы экспериментов в конце концов объявили эту задачу принципиально невыполнимой.

 

По счастью, не все к ним прислушались, и в 1996 году такие попытки увенчались появлением на свет успешно клонированной Долли, для которой ДНК была выделена из зрелой клетки молочной железы овцы. А годом спустя Джейме Томсону (Jamie Thomson) с коллегами удался  следующий прорыв ? разработка методов культивирования в лаборатории недифференцированных эмбриональных стволовых клеток человека (hESC).

 

Дело оставалось за главным: соединить эти два достижения и научиться выращивать человеческие клетки. Если мы, например, возьмем ДНК из клеток человека, пораженных каким-нибудь генетическим заболеванием, то сможем вырастить с их помощью «взрослую» высокоспециализированную ткань, на которой это заболевание можно детально исследовать, учиться восстанавливать повреждения. Или, скажем, взяв здоровые клетки больного, выращивать из них новую ткань для трансплантации. Или даже превращать их в целые органы, готовые к пересадке…

 

Овца Долли – первое теплокровное животное-клон

©wikimedia

 

Первые успешные попытки проделать это были предприняты, однако, на лабораторных мышах с врожденным иммунодефицитом. Взяв такую клетку, ученые «в пробирке» скорректировали нарушения в ее геноме, затем стимулировали ее развитие в гемопоэтические стволовые клетки ? предшественницы клеток крови ? и благополучно «привили» их больным грызунам. Те продемонстрировали частичное восстановление нормального производства В- и Т-лимфоцитов, а следом ? и некоторое возвращение здорового иммунитета. Аналогичные результаты были получены с выращиванием из стволовых клеток «вылеченных» дофаминэргических нейронов и пересадкой их мышам с болезнью Паркинсона.

 

К сожалению, все эти работы были исключительно разовыми проектами, крайне сложными, многоступенчатыми, дорогостоящими и доступными лишь избранным лабораториям. При этом в обществе поднялась волна страхов за возможное «клонирование человека», о чем ученые до поры вообще-то и не заикались. Тем не менее, в США при Джордже Буше финансирование ряда направлений, связанных с hESC, было жестко ограничено, законодательные ограничения появились и в других странах. Отдельные ограничения, разумеется, касались работы с человеческими яйцеклетками ? все это могло резко замедлить развитие технологий и исследований.

 

Однако ключевые выводы уже были сделаны. Во-первых, стало точно известно, что все соматические (неполовые) клетки взрослого организма несут одинаковый геном. Во-вторых, стало понятно, что в цитоплазме клетки имеются все необходимые молекулярные системы для того, чтобы не только превращать ее в ту или иную специализированную клетку, но и ? при использовании точно выверенного набора химических сигналов ? возвращать ее в исходное состояние. Это состояние, из которого клетка может затем развиться практически в любую взрослую форму, называется плюрипотентным, а сам процесс изменения специализации клетки ? ее перепрограммированием.

 

В 2004 году в обзоре «Первые полвека ядерной трансплантации» Гёрдон писал: «Мы уверены, что способность яйцеклетки к перепрограммированию рано или поздно будет расшифрована на уровне конкретных молекул, и эти механизмы удастся использовать для перепрограммирования соматических клеток, которые удастся выращивать in vitro («в пробирке» ? NS)». Однако тогда задача выглядела невероятно трудной, и Гёрдон полагал, что еще лет 50 понадобится лишь для первого этапа работы ? понимания молекулярных механизмов, управляющих дифференциацией клеток.

 

Тем более весомыми оказались эксперименты, проведенные в лаборатории нашего второго лауреата ? японского профессора Синъи Яманаки. В начале 2000-х годов ученый исследовал участие ряда белковых факторов в возвращении клетки к плюрипотентной фазе (т.н. индуцированной плюрипотентности), а затем он поступил весьма остроумно. Вместо того, чтобы погружаться в детали работы бесчисленных регуляторных белков, ученый вспомнил, что, в конце концов, работа их должна обеспечивать изменения в активности каких-то конкретных генов ? и вскоре эти гены ему удалось выявить.

 

Синъя Яманака в лаборатории

©Chris Goodfellow

 

Нельзя сказать, что работа оказалась простой. Из многих сотен вариантов Яманака со своей командой отсеяли практически всех, и в итоге остановились на 24-х генах, участвующих в индуцировании плюрипотентного состояния. Воспользовавшись этим, ученые, наконец, сумели перепрограммировать мышиные фибробласты (клетки соединительной ткани), вернув их в юное плюрипотентное состояние. В конечном итоге Яманака остановился всего на четырех белках-факторах перепрограммирования, которые получили его имя. Вот этот список: Oct4, Sox2, KLF4 и c-Myc ? этого «магического зелья» «клеточным алхимикам» достаточно для того, чтобы вернуть взрослую соматическую клетку в раннее детство и получить из нее индуцированную плюрипотентную стволовую клетку (iPSC).

 

Вскоре к работе над iPSC подключилось множество исследовательских групп, и технологии их получения и дальнейших манипуляций стали быстро совершенствоваться. Буквально через год ? в 2007-м году ? были проведены первые успешные эксперименты по перепрограммированию человеческих клеток. Можно было переходить к практическому использованию этих результатов. Перепрограммирование позволило получить клеточные линии для исследования целого ряда сложных заболеваний ? болезни Паркинсона, различных форм иммунодефицита, диабета, рака. Сегодня «клеточная алхимия» развивается уже сотнями лабораторий по всему миру, где изучают болезни и способы их лечения, а наравне с тем ? и жизнь, и развитие здоровых клеток. На них можно проверить действие новых лекарственных препаратов, изучить эффекты радиации и генетической терапии. Из них выращивают ткани для пересадки ? и такие ткани организм больного никогда не отторгает, ведь выращены они из его собственных клеток. Делаются уверенные шаги по выращиванию целых органов для трансплантации. И если вскоре вместо того, чтобы пломбировать очередное дупло в зубе, мы сможем просто заказать себе новый, то это ? благодаря «клеточной алхимии».

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 18:50
7 минут
Василий Парфенов

С момента появления систем автономного вождения многие задавались вопросом: а как они будут выглядеть в идентичных условия? К счастью, у нас наконец-то появилась возможность сравнить два самых известных автомобильных автопилота: системы разработки Tesla и Waymo — дочерней структуры Alphabet, владеющей Google. Машины проехали по одному маршруту, но сделали это совершенно по-разному, что весьма удивляет.

7 часов назад
31 минута
Василий Парфенов

Минувшая неделя озарилась одним из самых впечатляющих достижений человечества — успешной посадкой сложнейшего робота весом более тонны на поверхность другой планеты. Более того, этот процесс впервые снимали на видео сразу несколько камер в высоком разрешении. Опубликованный NASA ролик оказался не только занимательным зрелищем, но и самой настоящей научно-детективной короткометражкой.

Вчера, 19:26
10 минут
Мария Азарова

Исследование предоставило доказательства более плохого состояния костей тех, кто придерживается веганской диеты. Также исследователи обнаружили комбинацию биомаркеров, связанных с питанием, которые могут способствовать здоровью костной ткани.

2 марта
42 минуты
Редакция

Все знают, что нефть — это углеводороды. Но из чего она образовалась? Правда ли, что из динозавров? И сколько миллионов лет нефти, из которой сегодня делают бензин и сотни других важных окружающих нас вещей? Разбираемся, какие запасы нефти залегают в России и сколько их осталось, почему их до сих пор не добыли, а также, как это связано с существами, которые жили миллионы лет назад.

2 марта
5 минут
Сергей Васильев

Моделирование показало, что через миллиард лет атмосфера нашей планеты переживет резкие изменения и потеряет весь свой кислород, отбросив жизнь к древнейшим анаэробным формам.

Вчера, 07:05
10 минут
Василий Парфенов

Американские исследователи проанализировали данные опросов молодежи в возрасте от 18 до 23 лет с 2007 по 2017 год и обнаружили несколько факторов, коррелирующих с общей тенденцией к снижению популярности случайного секса, то есть нерегулярных половых связей вне постоянных романтических отношений. Среди наиболее заметных — возросшая вовлеченность в компьютерные игры, жизнь под одной крышей с родителями и меньшее употребление алкоголя.

26 февраля
10 минут
Василий Парфенов

Даже при разработке точнейших научных инструментов случаются разные технические сюрпризы — и хорошо, если приятные. К счастью, именно так вышло на этот раз. Ученые получили очередную порцию данных с космического аппарата Parker Solar Probe и здорово удивились. На сделанном в оптическом диапазоне снимке ночной стороны Венеры видны детали поверхности, обычно скрытые плотными облаками. Теперь предстоит решить загадку: либо камера оказалась чувствительна к инфракрасному диапазону излучения, либо случайно обнаружилось «окно» для наблюдений через атмосферу этой планеты.

21 февраля
20 минут
Василий Парфенов

Кого и что только ни успели уже обвинить в технологической катастрофе, которая произошла на этой неделе в США. Но эмоции плавно оседают, и начинают появляться первые результаты разбирательства. А они порой вызывают искреннее недоумение, честно говоря.

15 февраля
9 минут
Василий Парфенов

Новость, которую странно публиковать на серьезном научно-популярном портале, но от реальности не убежишь. Уфологи всего мира могут радоваться: американские военные официально признали, что изучали места крушения НЛО и в их распоряжении есть некие аномальные объекты, свойства которых выходят за рамки известных науке материалов.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: