Текст книги "Человек редактированный, или Биомедицина будущего"

Автор книги: Сергей Киселев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 12 страниц)

Генетическая рекомбинация, или Поделись своим геномом

Бактериофаги, как и другие вирусы, имеют белковую капсулу, внутри которой содержится молекула ДНК или, реже, РНК. У них нет собственного обмена веществ, поэтому вне живой клетки они размножаться не могут.

Фаг проникает в бактерию, а дальше происходит нечто поразительное: его ДНК встраивается в геном бактерии. Для чего? Для того, чтобы генетический материал фага мог передаваться в ряду клеточных делений бактериальной клетки, пока не придет время его активации, которое определяется внешними факторами. В случае активации (это может произойти сразу после попадания вируса в клетку бактерии) генетическая информация с ДНК фага считывается бактериальными ферментами, то есть происходит транскрипция его собственной ДНК и синтезируются белки для сборки капсида (оболочки) вируса.

Далее наступает процесс сборки новых бактериофагов, после которого бактерия может погибнуть – лизироваться. Бактериальная стенка разрушается, и ее содержимое вытекает наружу, но теперь оно состоит из уже собранных фаговых частичек – размножение произошло. Кстати, именно свойство бактериофагов лизировать (растворять) определенные виды бактерий стоит запомнить – это пригодится, когда мы подойдем к теме редактирования генома.

Рис. 2. Генетическая рекомбинация. Вирусные частицы могут переносить генетический материал между различными клетками и организмами случайным образом

Ученые в своих экспериментах по перенесению бактериофагов с одних бактерий на другие, обладающие иными свойствами, обнаружили, что новые, вновь собранные частицы бактериофагов несут не только свой геном: они также могут захватывать какие-то фрагменты генетического текста бактерии – своего временного хозяина – и переносить этот генетический текст в другую бактерию, а могут и позабыть кусочек своей ДНК в геноме бактерии. Получается, что с помощью бактериофагов происходит обмен генетическим материалом, и это придает бактерии новые свойства.

Эксперимент, в котором был продемонстрирован такой обмен, поставил американский генетик и биохимик Джошуа Ледерберг в 1947 году. За открытие данного процесса, получившего название генетическая рекомбинация, то есть обмен генетическим материалом, в 1958 году ему была присуждена Нобелевская премия.

Процесс генетической рекомбинации между вирусами (неважно, бактериофагами или вирусами животных и человека) и клетками любых живых организмов универсален – принцип его остается неизменным.

Сегодня известно, что вирусы могут встраиваться в хромосому человека, состоящую из молекулы ДНК, потом вырезаться оттуда и встраиваться опять, но уже в другой район хромосомы. При этом вырезание и встраивание порой происходят неточно, в результате чего вирус может захватывать с собой и переносить отдельные участки генома, фрагменты генетической информации из одного места в другое.

Мы прекрасно знаем, что вирусы способны инфицировать людей, переходя от человека к человеку. Один чихнул – и вирус перелетел на другого. Это значит, что люди могут обмениваться фрагментами генетического текста просто в ходе обыденной жизни – за счет вирусов. Страшно, да?

На самом деле бояться особенно нечего по двум причинам. Во-первых, мы уже говорили в главе 1, что человек за жизнь накапливает миллионы мутаций. Передача чужого гена с вирусом – лишь один из примеров того, как эти изменения могут происходить. Однако возникает вопрос: не опасны ли они? Да, наверное, мутации, переданные вирусом, могут представлять опасность, но только в смысле возникновения вирусного заболевания, поскольку клетки взрослого организма имеют ограниченный срок жизни – они способны лишь к определенному количеству делений. Во-вторых, и это самое главное, – наш вирус, даже если он опасный, не попадет в клетки зародышевого пути, а значит, и изменения, которые он вызовет, не передадутся по наследству.

И все же полностью исключить такую возможность нельзя. Если вирус каким-то образом проникнет в оплодотворенную яйцеклетку и встроится в геном, то вызванные им изменения будут передаваться по наследству.

Пусть так, но существуют ли доказательства того, что эта гипотетическая возможность когда-либо реализуется?

За доказательствами далеко ходить не надо. Анализ генома млекопитающих показывает, что вирусы хорошо похозяйничали в клетках, в том числе клетках зародышевого пути, и многие изменения в них возникли как Раз из-за посещения их вирусами в процессе эволюции, геноме человека обнаружено исключительно большое количество древних вирусов; считается, что около трети генома человека представлено вирусной ДНК. Сегодня вирусам приписывают очень большую роль в эволюционном развитии жизни на Земле: именно они, по мнению многих биологов, стали одним из механизмов эволюции. Ее главным двигателем считается уже не только случайная мутация, которая происходит при репликации ДНК, но и активный перенос генетического материала с помощью вирусов посредством процесса генетической рекомбинации.

Но не только эволюцией мы обязаны вирусам. Вполне возможно, что от них в огромной степени зависит формирование и функционирование нервной системы человека. Ученые предполагают, что наша память, особенно длительная, может быть связана с «прыжками» элементов вирусных геномов в некоторые другие позиции нашего генетического текста, записанного в ДНК нейронов. Тем самым в геноме фиксируется произошедшее биологическое изменение: соседние гены могут начать работать по-другому, и это воспринимается нами как память о событии. Поскольку время жизни нейрона сравнимо со временем жизни всего организма (в данном случае человека), то это один из предполагаемых и возможных механизмов сохранения информации.

Таким образом, даже вопросы долговременной памяти связаны с генетикой, потому что ДНК – это главный долгожитель среди всех существующих в организме молекул. Время жизни РНК исчисляется несколькими часами: все время требуются новые молекулы, чтобы делать новые белки. Сами белки после выполнения своей работы тоже перерабатываются на новые белко-молекулы; среднее время их жизни – около суток. А руководит этим бесперебойным производством ДНК, именно эта молекула вместе со всей содержащейся ней информацией сохраняется на протяжении жизни организма.

Тут необходимо упомянуть затронувшую многих пандемию СОVID-19 и наличие антител после болезни или вакцинации. Память о столкновении организма с вирусом в результате инфицирования или прививки выражается в форме наличия в крови антител, доступных для тестирования. Но даже антитела, хотя это долгоживущие белковые молекулы, имеют период полураспада от двух до двадцати дней. Спрашивается, где же может сохраняться информация об антителе – специфическом белке против вируса, чтобы иммунитет к этому вирусу оставался у человека через месяцы и даже годы? Правильно, только в молекуле ДНК. Поэтому самым важным для защиты от инфекции является наличие клеточной памяти, то есть присутствие в организме лимфоцитов, в ДНК которых закодирована последовательность, позволяющая синтезировать соответствующие антитела в виде белка. О том, как это работает, мы поговорим чуть позже.

Бомба замедленного действия

Фрагменты генетического текста вирусов распределены по всему геному. Если вирусный фрагмент встроился в какой-то ген, работа последнего может принципиальным образом измениться. Выживет при этом данная особь или нет, зависит от того, насколько сильно нарушилась работа гена. Конечно, вероятность попадания вируса в полтора процента генома, то есть в те участки генетического текста, которые кодируют белки, во много раз меньше, чем в остальной генетический текст, но именно это событие может придать негативное значение слову «мутация». Соответствующий ген, скорее всего, не будет кодировать нужный белок – ведь его структура нарушена.

Но вирусные кусочки текста могут оказаться и в тех десяти процентах генома, которые сами не являются генами (то есть не кодируют никаких белков), а управляют их работой – осуществляют тонкую настройку, определяя, в какой момент синтез какого белкового «кирпичика» необходим для строительства клетки. Попадание вируса в эту часть генома может привести к совершенно разным последствиям – как положительным, так и отрицательным или, до поры до времени, ни к каким. Тогда вирусный фрагмент может оказаться некой бомбой замедленного действия, которая сработает в определенных условиях.

Что это за условия? Самые разные. Например, существуют патологии, которые проявляются с возрастом. В молодости повышенная или пониженная работа гена, вызванная случайным вирусным фрагментом в области регулирования его работы, не будет заметно сказываться, потому что происходит активный метаболизм, ненужные белки быстро утилизируются или разрушаются и выводятся из организма, а недостаток одного из белков компенсируется каким-то другим. Однако с годами клеточный мусор будет накапливаться, скорость синтеза белков падает, и это может привести к развитию определенной патологии.

Спокойно! Вы модифицированы!

Сегодня мы знаем достаточно много вирусов, которые живут во всех нас. Это и вирус герпеса, и еще целый вирусов на основе ДНК, которыми наши клетки могут быть инфицированы. Вирус герпеса известен всем чаще всего он проявляется язвочкой, которая вскакивает у больного на губах или в носу. «Ой, заразился», – думает бедняга. Но на самом деле этот человек также стал генетически модифицированным из-за вируса герпеса, который поселился в его организме теперь навсегда.

К счастью, потомству этот вирус не передается. Он имеет определенную локализацию; попал, например, в геном клеток слизистой вокруг рта и спокойно живет там в латентном состоянии, пока у человека не ослабнет иммунитет – в этом случае вирус немедленно начинает размножаться и проявляется в виде язвочки на губах.

Но что происходит с вирусом, который сначала заразил один организм, а потом попал от него к другому? Несет ли он на себе какой-то отпечаток своего пребывания в организме первого? Да, за счет неточного вырезания из генома вирус может прихватить фрагмент генома хозяина...

Можно сказать, что такой вирус приобретает нечто человечье, но и человек приобретает нечто вирусное. Отсюда с абсолютной точностью следует очевидный вывод:

Мы все немножко генетически модифицированы!

Обмен фрагментами генома происходит не только между человеком и вирусами, но и внутри человека между его клетками регулярно происходит обмен генетической информацией. Эти события происходят в результате описанной Джошуа Ледербергом генетической рекомбинации. Суть в том, что один генетический фрагмент обменивается кусками генетического текста с другим генетическим фрагментом. Это нормальный, естественный процесс, который имеет место во всех живых организмах, в том числе и у млекопитающих. Во время мейоза[5]5
  Деление ядра половой клетки, приводящее к уменьшению количества хромосом в два раза; в результате образуются гаметы, несущие гаплоидный набор хромосом. – Прим. ред.


[Закрыть] происходит обмен генетическим материалом (фрагментами ДНК) между гомологичными (подобными) хромосомами, это явление носит название кроссинговер. Например, имеются восемнадцатая хромосома, доставшаяся от отца, и восемнадцатая хромосома, доставшаяся от матери, и они поменялись между собой какими-то частями. По сути, хромосомы остались теми же самыми, и гены в них те же и в той же самой линейной последовательности.

Но помните, мы уже говорили, что папин геном отличается от маминого на два миллиона букв, то есть вроде бы одинаковые хромосомы отличаются на сорок тысяч букв. А в результате рекомбинации, то есть обмена кусочками генетического текста, у нас уже нет ни чисто папиной, ни чисто маминой хромосомы, а возникает новое генетическое сочетание, которое обеспечивает еще большее разнообразие будущим внукам, чем различие в два миллиона букв. Стремление к наибольшему генетическому разнообразию – это закон природы.

Рис. 3. Кроссинговер происходит с частотой один миллион букв на клетку во время деления

Генно-инженерные технологии

С момента открытия Джошуа Ледербергом процесса генетической рекомбинации прошло более семидесяти лет, но и сегодня это открытие считается одним из важнейших, поворотных событий в истории человечества. В частности, на его основе были созданы генно-инженерные технологии – или, как их еще называют, технологии рекомбинантной ДНК, – без которых сегодня немыслимы многие области медицины, сельского хозяйства, пищевой, нефтяной и других видов промышленности.

Открытие генетической рекомбинации показало, что генетический текст (ДНК) можно в каком-то месте разрезать и в этот разрез вставить фрагмент любого генетического текста из того же самого или другого организма. Как вы уже знаете, это умеет делать вирус. Дело оставалось за малым: понять, как это смогут сделать генные инженеры.

Каким же образом вирус разрывает генетический текст? Должен быть какой-то инструмент, «ножницы», нарушающие целостность нити ДНК.

И такой инструмент был обнаружен. Им оказались ферменты рестрикции (рестриктазы). В данном случае ученые нашли ферменты, которые нарушали целостность молекулы ДНК в определенном месте.

Рестриктазы узнают в молекуле ДНК коротенькое слово генетического текста из четырех – восьми определенных букв и вносят в это место ДНК двухцепочечный разрыв.

Они были обнаружены в бактериях, но оказалось, что подобно генетическому коду многие биологические процессы универсальны, и ферментам рестрикции было совершенно все равно, чью ДНК и где разрезать. Они не имели видовой специфичности и прекрасно работали как в клетке, так и вне ее, в пробирке. За открытие рестриктаз в 1978 году американцы Даниел Натане и Хамилтон Смит вместе со швейцарским генетиком Вернером Арбером получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии.

Именно эти два свойства генетического кода ДНК и ферментов – универсальность и сохранение свойств вне клетки, в пробирке – положили начало всем биотехнологическим и биомедицинским достижениям XX и XXI веков.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) бактериальной клетки ничем не отличается от ДНК клетки человека, кроме содержания генетического текста. Давайте представим себе генетический текст бактерий как текст тоненькой брошюрки, а генетический текст человека как текст многотомного издания. Но если мы оба текста разрежем на отдельные буквы, слова и даже предложения, то, перемешав, сможем составить новый текст с тем смыслом, который захотим ему придать. Помню, в детстве я слышал историю о том, как один заключенный, прочитав много детективов, из отдельных фраз и фрагментов прочитанного составил свой детектив, который пользовался большой популярностью. Так и здесь: если разрезать два генетических текста, а потом их фрагменты смешать в одной пробирке – вне клетки, вне организма, – то за счет рекомбинации два разных фрагмента могут объединиться в один. И неважно, что один фрагмент ДНК взят из бактерии, а другой из клетки человека. Рекомбинация все равно произойдет, и образуется новая, синтетическая молекула, в которой часть будет представлена бактериальным геномом, а часть – фрагментом генома человека.

Потом этот искусственно созданный геном, содержащий ген человека, мы можем ввести в бактерию. В результате в бактериальной клетке прекрасно начнет работать ген человека, который мы туда вставили с помощью технологии рекомбинантной ДНК; более того, он будет передаваться по наследству и окажется у всех многочисленных потомков этой бактерии.

Перенос генов и начало биотехнологии

Впервые осуществил и продемонстрировал перенос гена из одного организма в другой известный американский ученый Пауль Берг, лауреат Нобелевской премии 1980 года. Свой эксперимент ученый провел в 1971 году, но тогда речь шла только о генах микроорганизмов, поскольку технологии рекомбинантной ДНК по переносу генов между клеткой бактерии и клеткой человека еще не существовало. Тем не менее Пауль Берг был первым, кто показал, что ген одного микроорганизма может работать под контролем генетического текста (ДНК) другого микроорганизма.

Немного позже биохимик Герберт Бойер и генетик Стенли Коэн воспользовались открытием Пауля Берга и в середине 1970-х годов впервые перенесли ген инсулина человека в бактериальную клетку. Задача состояла в том, чтобы заставить ее синтезировать инсулин человека – белок, который можно было бы использовать для лечения больных диабетом.

С практической точки зрения главным достижением Г. Бойера и С. Коэна было открытие того, что любой ген человека можно переместить в подходящую бактериальную клетку, и бактерия будет безропотно производить белок, закодированный им, вне организма человека.

Рис. 4. Перенесение гена инсулина человека в бактериальную клетку

Наверное, может возникнуть вопрос: а зачем переносить ген именно в бактериальную клетку? Ведь все это есть и в клетке человека! Да, конечно, но... Для выращивания бактериальных клеток используются очень дешевые питательные среды – отходы пищевого производства, перегонки нефти, газ. Бактерия делится примерно один раз в двадцать – тридцать минут, а клетка человека – раз в несколько дней. Представьте себе, что вы на микробиологическую чашку Петри посадили одну-единственную клетку, в которую ввели одну-единственную копию синтетического гена. Назавтра, достав из инкубатора чашку Петри, вы увидите небольшую, но хорошо заметную глазом точку размером в один-два миллиметра, ведь там уже находится больше 10⁷ клеток! Десять миллионов копий гена за одну ночь можно получить в этой бактериальной колонии, которая состоит из потомков одной-единственной клетки и получила название клон (а сам процесс стали называть клонированием). Представляете, сколько инсулина человека смогут производить десять миллионов клеток!

Клонирование – это получение точной копии в поколениях. Само слово «клон» по-гречески означает «ветвь», «отпрыск», «потомок». Более ста лет назад в США термин «клон» (ветвь) пытались ввести в растениеводстве, чтобы различать сельскохозяйственные растения, полученные вегетативным путем (из укорененных частей растений), а значит, точные копии. Ведь при опылении одного растения другим уже происходит оплодотворение – смешиваются два генома, получается новый геном.

Однако тогда термин «клон» не прижился, зато получил вторую жизнь в молекулярной биологии, генной инженерии, биотехнологиях и биомедицине.

Таким образом, применив биотехнологические подходы, включающие клонирование и выделение инсулина человека из бактериальной биомассы, человечество полностью решило проблему инсулиновой зависимости. И сегодня все люди, страдающие инсулинозависимыми формами диабета, пользуются рекомбинантным инсулином, который производится бактериями.

Инженерия живого

Перед генетикой, дерзнувшей проникнуть в святая святых живого организма, чтобы определять возможность наследования признака (причем не на протяжении веков и тысячелетий), стали возникать проблемы, далеко выходящие за собственно генетические рамки.

Когда Пауль Берг открыл явление переноса генов, его самого это открытие повергло в шок: если любой ген одного организма может быть перенесен в другой организм, то что из этого может получиться?! Не перемешаем ли мы все живое на Земле? Основатель генной инженерии первым предположил возможные отрицательные последствия своего открытия.

В 1974 году Берг отправил в крупнейшие научные журналы письмо, в котором призвал приостановить как минимум на год любые операции с рекомбинантной ДНК и созвать всемирную конференцию для обсуждения потенциальных рисков таких технологий. Он и сам приложил большие усилия к организации этой конференции. В ней должны были участвовать ученые-биологи, медики и юристы. Последним предстояло оценить моральную сторону подобных деяний, то есть соединения генов низших организмов с генами человека. Страх того, что мир искусственных монстров может внезапно вырваться из пробирки в окружающую среду, был очень велик.

Неужели этот страх оправдан и мы должны ограничивать себя в познании? Ежедневно на планете Земля появляются сотни новых видов живых существ и сотни видов исчезают бесследно. Процесс естественного создания нового генетического текста идет постоянно – за счет переноса генов, за счет мутации от ультрафиолета, естественной радиации, да и просто от случайных событий при копировании текста ДНК. Миллионы видов, триллионы особей, квадриллионы случайных событий... А остаются существовать только те варианты генетического текста, благодаря которым их носители случайно, но наилучшим образом приспособились к окружающей среде. Сравните окружающую среду для бактерии на капустном листе и в тепличных лабораторных условиях. В лаборатории нет ни перепадов температур, ни аномальной влажности, ни наличия конкурирующих видов – все только для одного клона, обладающего ценными качествами. Но именно поэтому все бактериальные штаммы, все линии клеток, которые используются в генной инженерии, могут существовать только в лабораторных условиях – в природе они сразу погибнут.

За почти полвека, прошедшие со времени Асиломарской конференции, технологии значительно шагнули вперед. Вместо человека-ученого, который ставил уникальные эксперименты и открывал что-то новое в природе, сегодня роботизированные комплексы могут делать все операции по клонированию, анализу клеток, секвенированию генома (чтению генетического текста). Нужен лишь техник-лаборант, который умеет обращаться с реактивами и выключать свет.

КОНФЕРЕНЦИЯ В АСИЛОМАРЕ

Первая и последняя конференция по рекомбинантной ДНК и генной инженерии состоялась в 1975 году в Асиломаре, Калифорния, США.

В конференции, проходившей на ядерном полигоне, приняло участие более сотни специалистов из разных областей. Кстати, тогда вклад нашей страны в генетические исследования был оценен весьма достойно: пять ведущих биологов СССР принимали участие в этом обсуждении. О главной теме конференции можно судить по карикатурам, которые тогда появились: сидят ученые в каком-то бункере и обсуждают, что нужно сделать, чтобы созданная ими жизнь не вырвалась наружу. А в советских школах на уроках биологии шутили, что это будет как в мультфильме «Бременские музыканты», когда появилась ослиная голова и закукарекала, или перенесут какой-нибудь ген трактору, и тот замычит.

С одной стороны, это доказывает, что природа на самом деле устроена достаточно сложно (и не просто же так за открытия, которые подарили человечеству новые технологии, несколько десятилетий назад присуждались Нобелевские премии). С другой стороны, благодаря ученым-первооткрывателям сегодня эти эксперименты стали обыденной технологией, которую каждый может воспроизвести на кухне. Интернет полон информации о том, как это сделать и каких результатов добиваются люди.

Недавно даже появились люди, которые почему-то стали называть себя хакерами в биологии – биохакерами. В бытовых условиях они пытаются воспроизвести то, чем занимаются большие биотехнологические корпорации. Они выделяют ДНК, проводят простейшие опыты по молекулярному клонированию и пытаются модифицировать свой организм... Короче, «развлекаются». Они уже могли бы нанести миру большой вред в смысле получения новых и опасных микроорганизмов, однако пока, к счастью, ничего, кроме вреда, нанесенного самим себе, от них нет.