Текст книги "Читая между строк ДНК. Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем"

Автор книги: Петер Шпорк

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 18 страниц)

Искусственное оплодотворение – риск?

Фундаментальные исследования в эпигенетике прежде всего преследовали цель изучить те комплексные изменения, которые происходят в клетках в момент оплодотворения на самом раннем этапе развития любой жизни. Результаты создают повод для беспокойства. Обнаружены свидетельства, что искусственные факторы сильно искажают естественные процессы. Например, это можно сказать об экспериментах по клонированию живых существ и – что имеет непосредственное отношение к человеку – искусственных и экстракорпоральных оплодотворениях (ЭКО).

Результаты исследований и опытов на животных постоянно показывали, что риск возникновения пороков развития у детей, зачатых в результате ЭКО, несколько повышен, говорит Бернхард Хорстхемке из университета Эссена. Паника тут неуместна, «поскольку абсолютные цифры очень низкие. Но необходимо более подробное исследование, поскольку не известно, что именно происходит с эпигеномом яйцеклетки при ЭКО».

Однако и без того у данного феномена предполагают много причин. Возможно, гормональная терапия матери провоцирует формирование яйцеклеток с неправильной эпигенетической программой, чего не произошло бы при естественном оплодотворении. Вероятно, риск пороков развития повышает сравнительно зрелый возраст большинства родителей. А может быть, к нежелательным последствиям приводят эпигенетические модификации сперматозоидов фактически бесплодного мужчины.

Представляется, однако, что гормональная терапия и первоначальное пребывание оплодотворенной яйцеклетки в искусственной биохимической среде пробирки приводят к тому, что первые клетки зарождающейся жизни некорректно воспроизводят программирование своего импринтинга, предупреждает Бернхард Хорстхемке. Дополнительные ошибки могут возникнуть, когда сразу после оплодотворения перепрограммируется множество других эпигенетических структур.

Михаэль Людвиг, гормонолог из Гамбургского эндокринологического центра, который совместно с Бернхардом Хорстхемке в течение многих лет изучает возможные последствия ЭКО, рассматривает сегодняшние наблюдения только как «вершину айсберга». В результате искусственного оплодотворения, вероятно, все эпигенетические сигналы «образуются не так, как должны». Хотя это лишь в самых редких случаях приводит к выраженным последствиям, заметным сразу после рождения или в первые годы жизни. Но вполне можно допустить, что повышенный риск заболевания проявится у этих людей лишь несколько десятилетий спустя, как и в случае со многими другими эпигенетически запрограммированными болезнями. Сегодня мы, естественно, пока еще не можем это зафиксировать.

Намного яснее положение вещей при клонировании животных самым распространенным сегодня методом. Тут многочисленные модификации эпигенома в оплодотворенной яйцеклетке почти никогда не протекают без дефектов. Метод заключается в том, что генные инженеры берут ядро обычной соматической клетки, имеющей совершенно иной второй код, чем яйцеклетка или сперматозоид, и пересаживают его в яйцеклетку, из которой предварительно удалено ядро. Подавляющее большинство созданных таким образом клонов практически не способны к развитию. Но, несмотря на это, в отдельных случаях яйцеклетка более или менее правильно перепрограммирует геном, что граничит с чудом. А ранняя смерть животных, как и в случае с первой клонированной овцой Долли, частые уродства и болезненность более чем объяснимы ввиду значимости второго кода.

Жуткая перспектива клонирования человека в ближайшем будущем неосуществима уже чисто технически. Стоит предупредить даже тех, кто готов потратить много денег на второе рождение своего домашнего любимца: во всяком случае, у самок лишь случай решает судьбу многих признаков. За это отвечает один из наиболее известных и изученных эпигенетических процессов – так называемая инактивация Х-хромосомы. Как известно, в отличие от самцов у самок млекопитающих имеется две Х-хромосомы. Но одна из этих половых хромосом отключается во всех клетках на очень ранней стадии развития. Происходит это так: хромосома чрезвычайно плотно наматывается на гистоны и упаковывается так, что становится абсолютно недоступна для механизма считывания генов.

Для сведения генным инженерам, которые хотят создать идентичные существа: отключение в клетке отцовской или материнской Х-хромосомы происходит по воле случая. Например, у самки трехцветной кошки черепаховой окраски и ее клона, несмотря на абсолютно тождественный генетический код, разноцветные пятна располагаются совершенно по-разному. Один из генов, отвечающих за цвет меха, находится в женской половой хромосоме и активируется случайным образом в период эмбрионального развития. Для белых участков он абсолютно пассивен, для рыжих считывается ген одного из родителей, а для черных – другого.

Этот занятный феномен – наверняка не последний сюрприз, обнаруженный в ходе исследования эпигенетических процессов, которые сопутствуют зачатию и рождению. Нас ждет еще много интересного.

7
Проект эпигеном: биомедицина на пути в XXI век

Из Берлина в центр будущей революции

Он не обижается, когда его принимают за студента или докторанта. А это происходит с 32-летним генетиком постоянно. Александр Майсснер – серо-голубые глаза, темно-русые небрежно причесанные волосы, трехдневная щетина – не только молод, но и безупречно сдержан. Во время интервью молекулярный биолог, слегка склонив голову, смотрит на меня снизу вверх почти застенчиво. Ученый сосредоточен – для него важно ответить на вопросы как можно конкретнее и понятнее. Кажется, что Майсснер не перестает удивляться растущему интересу к его персоне.

А между тем у Александра Майсснера есть все шансы стать звездой в своей области. С 2008 года он занимает должность доцента всемирно известного Гарвардского университета (Кембридж, США), а также стал членом Института Бродов. То есть он сотрудник научно-исследовательской структуры, которая была основана очень богатыми спонсорами, супругами Эли и Эдит Брод, в 2003 году и с самого начала своего существования считалась в высшей степени респектабельной. Институт предоставляет щедрое финансирование и первоклассное техническое оборудование. И тем самым обеспечивает ведущим исследователям в биологических науках из двух лучших бостонских высших учебных заведений – Гарвардского университета и Массачусетского технологического института (МТИ) – возможность участвовать сразу в нескольких совместных программах по развитию биомедицины.

Группа Майсснера состоит из семи человек и специализируется на подготовке клеток к последующему секвенированию; другая группа проводит затем собственно расшифровку генома. Майсснер раскрывает один из секретов успеха этих программ: в Институте Бродов каждый делает только то, для чего имеет оптимальное оборудование и в чем лучше всего разбирается.

Директор института – не кто иной, как Эрик Ландер, один из основных участников работы по расшифровке генома человека. Научный руководитель докторанта Майсснера тоже один из столпов генетики – Рудольф Йениш из Уайтхэдского института биомедицинских исследований при МТИ, который со своей группой уже многие годы развивает генную инженерию и исследование стволовых клеток.

Алекс, как все называют Майсснера после семи лет жизни в США всегда знал, чего хочет. И ради этого он готов ходить в институт по семь дней в неделю. До 25 лет он жил и учился в Берлине. Потом его потянуло в США, и в лаборатории Йениша он подключился к изучению стволовых клеток. «К Йенишу я пошел, потому что хотел работать в одной из ведущих лабораторий и освоить новейшие технологии», – признается Майсснер.

Там как раз пытались усовершенствовать клонирование – в надежде однажды вырастить генетически тождественные стволовые клетки пациентов, чтобы иметь возможность лучше изучить ход развития болезней. Очевидно, в процессе клонирования, как и в процессе выращивания определенных соматических клеток из стволовых, речь идет в значительной мере о программировании и перепрограммировании генома, то есть об эпигенетике.

Итак, Майсснер быстро научился ориентироваться в мире ацетильных и метильных групп, гистонов и микро-РНК. В итоге он внес заметный вклад в успешные эксперименты Рудольфа Йениша с так называемыми индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (и ПСК), которые получаются не клонированием, а в результате генно-инженерного перепрограммирования. «В последние годы я занимался исследованием стволовых клеток и эпигенетикой, – говорит Майсснер, – и благодаря своим новым должностям могу сочетать то и другое в более серьезном масштабе – исследование стволовых клеток в Гарварде и эпигенетику в Институте Бродов».

Сейчас Алекс взялся за гигантскую задачу – изучение человеческих эпигеномов. «Можно с полным правом утверждать, что такое исследование – ближайшая и важнейшая цель геномики», – заявляет молодой ученый.

Похоже, Майсснер снова абсолютно прав и очень вовремя поступил на работу в один из важнейших мировых центров эпигенетики. Ибо здесь эта наука вступает в совершенно новую фазу, которая вскоре может произвести настоящую революцию в молекулярной биологии и медицине.

Такой прогноз – никак не преувеличение, поскольку уже бесспорно доказано: механизмы второго кода принимают участие в развитии раковых и аутоиммунных заболеваний (астмы, аллергии), психических недугов и метаболического синдрома. Уже установлены важнейшие факторы, способствующие изменению эпигеномов: развитие в утробе матери и в раннем детстве, экологически вредные вещества, наркотики и медикаменты, старение, физическая активность и питание.

Однако эти взаимосвязи пока лишь обозначены. Весьма вероятно, что тот, кому удастся их прояснить, поможет человечеству сделать большой шаг вперед на пути к новой жизни, где будет немного меньше страданий и значительно больше здоровья.

190 миллионов долларов на решение грандиозной задачи

«Наша цель – расшифровать эпигеном ста или более различных типов человеческих клеток», – так Майсснер определяет свой нынешний проект. Он специализируется на метилировании ДНК, его коллега Брэдли Бернстейн занимается модификациями гистонов, и еще одна группа исследует различные РНК, действующие в эпигеноме.

Ученый осознает громадный объем этой задачи. «Над проектом „Геном человека“ на протяжении многих лет работало множество групп, – говорит Майсснер. – Но в нашем случае речь идет не об одном отдельном геноме, а о сотнях эпигеномов – и они устроены, конечно, гораздо сложнее».

Предстоит исследовать как минимум сто типов тканей, взятых у многочисленной группы людей. Для каждого из них сначала необходимо изолировать как можно больше клеток, однозначно идентифицируемых по типам. Эту стандартную сложную процедуру исследователи проводят на клетках кожи, поджелудочной железы, мозга и так далее. Затем последует трудоемкая фаза биохимического препарирования, а потом из-за индивидуальных различий второго кода тысячи клеток каждого типа будут автоматически анализироваться. Только таким образом при помощи сложных математических формул можно статистически определить, какие эпигенетические переключатели действительно типичны для той или иной ткани.

Причем автоматические анализаторы не просто производят многоступенчатый поиск генного текста, как раньше, они должны также распознать, где прикреплены метильные группы, какие химические довески несут гистоновые хвосты на самых разных участках генома и какие рибонуклеиновые кислоты клетка синтезирует именно для эпигенетической работы.

Однако Алекс Майсснер и его коллеги прекрасно подготовлены для выполнения этой задачи, что они доказали совсем недавно. В ведущем научном журнале «Нейчур» они опубликовали успешно выполненное ими картирование эпигенома 17 разных клеток мыши, которое содержало несколько любопытнейших – по крайней мере для специалистов – сюрпризов. Например, ученые показали, что стволовые клетки, долгое время находившиеся на искусственном вскармливании, эпигенетически поразительно похожи на раковые. Это важное указание на то, какие эпигенетические решения реализуются в хроматине при перерождении здоровой ткани. Ученые Института Бродов открыли также, что метилирование ДНК отключает многие гены не на их контрольных участках, как предполагалось ранее, а совсем в других местах, и многое другое.

Прежде чем начать картирование человеческого эпигенома, Майсснеру пришлось ждать запуска гораздо более крупного проекта, в который сегодня включена его группа: новая программа «Дорожная карта эпигеномики» стартовала 30 сентября 2008 года. Тогда Национальный институт здравоохранения США значительно повысил престиж эпигенетики как научной области. Его директор Илайас Зерхуни объявил, что до 2014 года для поддержки ряда ведущих исследовательских групп эпигенетиков в США и Канаде планируется выделить более 190 миллионов долларов.

Илайас Зерхуни надеется на получение «сравнительных данных, которые сможет использовать все научное сообщество, чтобы лучше понять, как функционирует эпигенетическая регуляция и как она воздействует на здоровье и болезни». Благодаря этому уже в ближайшие годы могут быть получены ответы на некоторые основополагающие вопросы: почему стволовая клетка идет по тому или иному пути развития? Какие переключатели должны задействовать генетики, чтобы превратить клетку кожи в нервную, а клетку соединительной ткани – в клетку миокарда и так далее? И какая эпигенетическая программа делает некоторые клетки злокачественными, неработоспособными или особенно восприимчивыми к болезням?

Совместно с группой Брэдли Бернстейна Майсснер получит приблизительно 15 миллионов долларов из общего котла Национального института здравоохранения США. Оба уже наняли новых сотрудников и отправились в «шоп-тур» – заказать для своих лабораторий несколько самых современных и дорогих геномных анализаторов. Наконец-то они начали работу, в результате которой подробная карта эпигеномов дополнит карту человеческих генов, представленную общественности Клинтоном, Вентером и Коллинзом в июне 2000 года.

На этом пути у них будет много попутчиков, поскольку Институт здравоохранения США финансирует исследования и в трех других учреждениях, картирующих эпигеномы клеток. Еще они поддерживают научные центры, которые разрабатывают новые приборы для эпигенетических опытов и обработки данных, а также исследовательские группы, работающие над обнаружением неизвестных пока эпигенетических переключателей. И наконец, Национальный институт здравоохранения финансирует группу, которая должна объединить и обработать все новые результаты.

В 2014 году ученые собираются продемонстрировать первые карты человеческих эпигеномов, которые точно покажут, где у второго кода многочисленных проанализированных тканей есть типичные особенности. Чрезвычайно амбициозный план, поскольку на данный момент ни один эпигеном человеческой клетки не расшифрован полностью. То, что Майсснер и компания вообще могут взяться за эту грандиозную задачу, связано прежде всего с головокружительным техническим прогрессом: лабораторные роботы для секвенирования, которые расшифровывают генный текст вместе с включателями и выключателями, становятся все быстрее и дешевле.

Всего несколько лет назад европейские исследователи столкнулись с большими трудностями в аналогичном проекте. Они запустили первый этап изучения человеческого эпигенома и в 2006 году все-таки опубликовали модели метилирования трех хромосом человека. Но затем им пришлось сдаться из-за недостаточных технических возможностей.

Сегодня перспектива куда благоприятнее. «Если все сложится удачно, секвенирование всего эпигенома одного типа клеток будет занимать только две-три недели», – признается Майсснер.

При условии достаточного количества приборов и денег такими темпами удастся уложиться в намеченные сроки. А поскольку техника будет совершенствоваться и дальше, Майсснер надеется закончить анализ первых ста типов тканей даже досрочно. «Тогда у нас еще осталось бы время для нового этапа, когда, например, все это с помощью скрининговых методов можно будет распространить на следующие четыреста популяций культур клеток», – говорит он. Ведь на первом этапе необходимо исследовать только небольшой набор самых важных тканей. Наряду со здоровыми, дифференцированными клетками, которых у человека насчитывается 200 типов, это стволовые клетки и клетки, играющие главную роль в разных заболеваниях.

Расширение работ во второй фазе, вероятно, приблизило бы исследователей к их настоящей цели. Они хотят лучше понять процесс дифференцирования клеток и развития болезней. Для этого ученые будут сравнивать второй код клеток, находящихся в разных фазах и на разных направлениях развития. Кроме того, будет выясняться, какие эпигенетические переключатели типичны для больной ткани.

Есть надежда, что под конец молекулярные биологи узнают о большей части решающих моментов в жизни клетки.

Эпигенетика меняет онкологию

Было время – меньше десяти лет назад, – когда даже некоторые дипломированные биологи не знали понятия «эпигенетика». Мне тоже как-то пришлось задать наивный вопрос во время одного интервью в японском Институте раковых исследований, когда руководитель лаборатории с заметной гордостью рассказывал мне о последнем высочайшем достижении – некоем эпигенетическом средстве, которое уже успешно проходит вторую фазу клинических испытаний на различных видах опухолей человека.

«А что такое эпигенетическое средство?» – спросил я и порадовался вежливости японцев, которые никогда не покажут, насколько малосведущим считают своего собеседника. Ответ прозвучал так: будущее лекарство блокирует гистондеацетилазы. То была одна из моих первых встреч с модификацией гистонов. Эти ферменты изменяют белки, которые всегда октетом образуют нуклеосомы – те самые «барабаны», на которые более или менее плотно наматываются нити ДНК.

Тогда это объяснение мне мало что открыло. А последовавшая за ним лекция стала, без сомнения, ключевым моментом, окончательно пробудившим во мне интерес ко второму коду. Я записал: гистондеацетилазы (HDAC) – ферменты, которые удаляют ацетильные группы с хвостов гистонов, в результате чего внезапно усиливается взаимное притяжение нуклеосомы и ДНК (гистоны упаковывают ДНК плотнее, чем прежде). Следствие: деактивируется контролируемый на этом участке ген. С помощью гистондеацетилаз, к которым относятся также продлевающие жизнь сиртуины, клетка участвует в принятии решения о том, какие участки ДНК она может считывать, а какие нет. И в зависимости от затронутого процессом гена это может даже привести к перерождению клетки.

До того момента я полагал: рак развивается потому, что одна из клеток обладает модифицированными генами, которые не способны функционировать или начинают выполнять неправильную функцию. Что, конечно, верно. Но это – не единственное возможное объяснение. Итак, я узнал, что рак вполне может иметь иную, эпигенетическую причину, когда сами гены не претерпевают изменений. Клетки становятся злокачественными, потому что биохимические переключатели постоянно включают «злые» или отключают «добрые» гены.

Для онкологии это открытие стало неожиданной удачей. Ибо, в отличие от генетических мутаций, изменения второго кода принципиально обратимы. К тому же они сравнительно легко поддаются фармакологическому лечению – нужно только найти правильные точки приложения и правильные лекарственные препараты.

Разумеется, эпигеномы клеток меняются с возрастом. По этой причине, например, однояйцевые близнецы со временем все меньше походят друг на друга. Это также одна из причин – наряду с накоплением генетических дефектов, – почему мы в старости больше предрасположены к таким заболеваниям, как рак. Каждая неконтролируемая эпигенетическая модификация повышает риск, что будет отключен хороший, защищающий от рака ген. Когда мы стареем, клетки, видимо, все чаще ошибочно отключают свои так называемые гены-супрессоры опухолей. Таким образом они лишают себя самого эффективного оружия против рака.

Ведь именно кодируемые этими генами белки распознают канцерогенные изменения, ежедневно появляющиеся во множестве здоровых клеток. Белки – супрессоры опухолей в этом случае исправляют изменения или, когда это невозможно, запускают апоптоз, программу самоуничтожения клетки. В этом случае клетка жертвует собой в интересах всего организма.

Но даже участвующие в этом «гены самоубийства» предварительно могут эпигенетически блокироваться, что оказывает такое же действие, как отключение генов – супрессоров опухолей. В обоих случаях клетки очень легко перерождаются, и если уж опухоль образовалась, то из-за неправильного второго кода она часто бывает особенно агрессивной и тяжело поддается лечению. Большинство обычных противораковых препаратов более или менее целенаправленно подталкивают раковые клетки к самоубийству. Но если система апоптоза или генной супрессии уже отключена эпигеномами, химиотерапевтические средства не смогут повредить раковым клеткам. Болезнь принимает неизлечимую форму.

Теперь я понимаю, почему японский онколог так радовался по поводу нового лекарства: блокируя гистондеацетилазы, это вещество частично настраивает программирование раковых клеток на доброкачественность. Оно активирует прежде отключенные гены и в конце концов дает понять равнодушным раковым клеткам, насколько они вредны. В ответ на это опухолевые клетки в идеальном случае самоуничтожаются, либо же до «самоубийства» их доведут традиционные противораковые медикаменты, которые снова начнут действовать.

Итак, новое средство обладает способностью непосредственно уничтожать некоторые злокачественные новообразования, а также помогает онкологам традиционными средствами подавить неизлечимые ранее опухоли. Но прежде всего это лекарство позволяет рассчитывать на необычайно широкий спектр действия. Поскольку оно поддерживает целительные процессы на многих уровнях, вероятно, со временем им можно будет лечить многие виды рака.

Почти все эпигенетики, с которыми я разговаривал в прошедшие годы, подчеркивают, что раковые исследования – одна из основных движущих сил новой дисциплины. «Наряду с открытием импринтинга успеху нашей дисциплины способствовала эпигенетика опухолей», – так считает, например, Бернхард Хорстхемке из Эссена. Уже в 1989 году он вместе со своей сотрудницей Валери Грегер доказал, что некоторые формы так называемых ретинобластом – злокачественных опухолей в сетчатке глаза – развиваются в результате отключения одного гена из-за прикрепившихся к нему метильных групп.

Работающий в Монреале израильский эпигенетик Моше Шиф высказывается совершенно недвусмысленно: «Эпигенетика играет важнейшую роль в развитии рака. Большинство карцином – эпигенетические заболевания». Йорн Вальтер из Саарландского университета заключает: «В области лечения рака эпигенетика, несомненно, изменит многое».

Во всем мире ученые ищут новые противораковые препараты, изменяющие эпигеном злокачественных клеток. Тот самый вежливый японец – один из них. Хотя его блокатор гистондеацетилаз все еще не вышел на рынок – в отличие от двух других, аналогично действующих веществ, которые уже применяются врачами-онкологами. Вальпроевая кислота, известная как средство против эпилепсии, успешно применяется в борьбе с определенными, особо тяжелыми формами рака груди. Вориностат тоже разрешен в США для лечения так называемых кожных лимфом. За этим названием скрывается рак лимфатических узлов, который развивается в коже. По-видимому, это средство настолько эффективно, что онкологи испытывают его также и в Германии, а в сочетании с другими препаратами – даже в лечении иных разновидностей опухолей, например рака легких.

Неудивительно, что практически все фармацевтические компании мира, занимающиеся исследованиями и имеющие онкологические лаборатории, проявляют интерес к блокаторам гистондеацетилаз, точно так же как и к другой группе эпигенетических лекарственных средств – блокаторам ДНК-метилтрансфераз (DNMT). Это те самые ферменты, которые прикрепляют метильные группы непосредственно к ДНК и таким образом отключают гены. Иногда они отключают также гены – супрессоры опухолей, следовательно, их подавление может способствовать тому, что раковые клетки станут менее злокачественными и будут легче поддаваться терапии.

Надежду на прогресс в лечении рака, связанную с новой группой медикаментов, подкрепляют два препарата, уже разрешенные к применению в США: азацитидин (или 5-азацитидин) и азадеоксицитидин (или 5-азадеоксицитидин). Как и вальпроевую кислоту, врачи довольно успешно применяли их против разных особо тяжелых форм рака груди.

Хотя подавление злокачественных опухолей эпигенетическими средствами только делает первые шаги, большинство специалистов возлагают на него большие надежды. А именно – на лежащий в основе этих препаратов новый и чрезвычайно широкий механизм действия. Итак, многочисленные примеры демонстрируют, что эпигенетика меняет терапию раковых заболеваний. Пройдет еще некоторое время, прежде чем станет окончательно ясно, как и где онкологи смогут наиболее эффективно модифицировать эпигеномы раковых клеток.

И может быть, действительно сбудется оптимистический прогноз Моше Шифа: «Эпигенетический путь – именно он определит будущее онкологии».