Текст книги "Секреты наследственности человека"

Автор книги: Сергей Афонькин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 21 (всего у книги 26 страниц)

Голая ДНК

В процессе гонки за новыми сенсационными результатами генной терапии, исследователи, бережно паковавшие ДНК то в ретровирусы, то в липосомы, то в липоплексы, несколько подзабыли давнишние результаты Джона Холланда, доказавшего, что и «голая» ДНК (nacked DNA) может проникать в клетки сама по себе. Этот феномен неожиданно дал о себе знать, когда сотрудник Фелгнера Роберт Малоун исследовал различные варианты искусственно полученных липидов в надежде выбрать наиболее надежный вариант для создания липоплексов. В качестве контроля в своих опытах он использовал голую ДНК без каких-либо добавок. К его удивлению инъекции такой ДНК непосредственно в мышцы лабораторных животных приводили к появлению там белков, которые эта ДНК кодировала.

Отрезки ДНК являются слишком огромными молекулами, чтобы беспрепятственно проникать сквозь клеточную мембрану как это делают молекулы спирта или небольшие ионы. Хотя механизм захвата клеткой голой ДНК до сих пор остается непонятным, это не помешало биологам немедленно заняться исследованиями новой возможности вводить ДНК в клетки вообще без всяких лишних методических ухищрений. Например, было показано, что инъекции в мышиные мышцы плазмид, содержащих ген, кодирующий гормон эритропоэтин, значительно стимулирует у этим грызунов процесс кроветворения. Возможно, такая технология в применении к человеку окажется дешевле введения самого эритроноэтина (что порой практикуется в определенных медицинских случаях).

Не исключено, что методика введения чистой ДНК послужит для создания в самом ближайшем будущем широкого спектра принципиально нового поколения вакцин. При классической вакцинации в организм вводятся убитые вирусы, бактерии или же отдельные их белки, что позволяет иммунной системе заранее познакомиться с возможными интервентами и приготовиться к отражению их атаки в будущем. В случае ДНК-вакцин пациент будет получат не сам белок, а лишь зашифрованную в плазмидной ДНК информацию о нем.

Такой метод не фантастика, а уже состоявшаяся реальность. Например сотрудница Филипа Фелгнера Сюзан Паркер вводила мышам плазмиды с генами вируса гриппа. Затем таким мышам давали летальную дозу вирусов, от которой контрольные длиннохвостые пациенты неукоснительно дохли. Опытные же грызуны благополучно выживали. Более того. Введение мышам плазмиды с геном белка оболочки вируса иммунодефицита человека (ВИЧ) стимулирует у них иммунитет и образование соответствующих антител. В лабораторных экспериментах мышиные Т-лимфоциты атаковали клетки с белками ВИЧ на поверхности. Разумеется, результаты подобных опытов нельзя впрямую переносить на человека, но возможность получения таким образом вакцины против СПИДа в перспективе проглядывает вполне отчетливо. Возможности нового управления в иммунологии столь заманчивы, что всемирно известная биохимическая компания Merck уже приступила к клиническим испытаниям для создания ДНК-вакцин против герпеса, малярии и СПИДа. На очереди туберкулез, папиллома, гепатит, борьба с хламидиями…

Приоритетные направления

Из всего выше сказанного ясно, что у исследователей в руках существует уже достаточно разнообразных методов введения ДНК в клетки человека. На каких же приоритетных направлениях генной терапии они используются в первую очередь? На первом месте стоят пока не врожденные заболевания, а раковые опухоли. Только в 1997 г. в США было зарегистрировано 1 миллион 380 тысяч новых случаев рака. Не удивительно поэтому, что половина всех клинических исследований, проводящихся с применением генной терапии, направлена на борьбу с онкологическими заболеваниями.

Нередко иммунная система человека не в состоянии идентифицировать возникающие раковые клетки как чужеродные и, следовательно, подлежащие немедленному уничтожению. Эффективным приемом противоопухолевой терапии может быть «привлечение внимания» лимфоцитов и макрофагов к таким трансформированным онкогенным клеткам. Для этого их выделяют у пациента и вводят в них ген интерлейкина – вещества, стимулирующего активность клеток иммунной системы. Вместе с ним можно также «вставить» в раковую клетку ген так называемого фактора GMCSF – вещества, которое вызывает повышенное внимание макрофагов и гранулоцитов. Макрофаги же чаще всего являются клетками, которые первыми «докладывают» иммунной системе о появлении в организме непрошенных интервентов. Далее онкогенные клетки с введенными в них генами доставляют на место. В результате иммунная система начинает распознавать их и уничтожать, заодно расправляясь и с их опухолеродными соседями. Более того, по данным группы Майкла Блезе (клиника генной терапии национального института исследований генома человека), занимавшегося подобными экспериментами, активированные таким образом лимфоциты начинают циркулировать с током крови по всему телу, нападая и на иные ненормальные клетки.

Помочь иммунной системе человека более тщательно отслеживать и убивать клетки опухолей можно иным способом. Для этого раковые клетки человека вводят мышам. Лабораторные грызуны прекрасно их распознают и образуют соответствующие антитела. К сожалению, непосредственно мышиные противораковые антитела вводить человеку бесполезно – они будут расценены иммунной системой как чужеродные белки и быстро уничтожены. Зато с помощью методов генной терапии можно проделать вот какой трюк: выделить мышиный ген, кодирующий антиопухолевое антитело и наиболее важную его часть «пришить» к гену рецепторов человеческих лимфоцитов, ответственных за поиск и уничтожение раковых клеток. После такой генно-терапевтической помощи лимфоциты человека начинают поиск потенциально опасных клеток не в пример тщательнее контрольных.

Как уже говорилось, раковые клетки возникают в результате необратимого повреждения ДНК. Существует специальный механизм, стопорящий деление поврежденных клеток. Такая блокировка (биологи говорят «супрессия») находится под контролем гена р53. Он не позволяет клетке приступить к очередному делению до тех пор, пока все повреждения в ДНК не будут восстановлены. Если же восстановить ее целостность по каким-либо причинам не удается, в клетке включается механизм запрограммированной гибели (апоптоз), и она совершает самоубийство. Ясно, что мутации самого гена р53 очень часто приводят к раку, поскольку поврежденные клетки уже ничто не останавливает. Так вот, введение этого гена непосредственно в уже возникшую опухоль или даже просто в кровяное русло часто приводит к заметным терапевтическим эффектам!

Другие возможные подходы на пути противораковой генной терапии состоят в следующем. При образовании некоторых опухолей составляющие их клетки начинают демонстрировать на своей поверхности специфические белки. Так ведут себя, к примеру, клетки меланом – рака кожи. Следовательно, можно заняться так называемой превентивной иммунизацией – заранее ввести пациенту голую ДНК с генами, кодирующими эти белки. Наконец, разрабатывается так называемая «суицидная» генная терапия, когда в раковые клетки вводят гены, делающие их суперчувствительными к определенным веществам. В нашем рассказе уже упоминался выделенный из вируса герпеса ген тимидинкиназы. Его недавно удалось ввести в раковые клетки мозга человека. Тимидинкиназа превращает нетоксичное для человека вещество ганцикловир в способное поражать делящиеся раковые клетки соединение. Следовательно, все клетки опухоли, получившие такой ген, будут неизбежно уничтожены. Более того, даже из одной «прооперированной» генно-терапевтическим способом раковой клетки тимидинкиназа может мигрировать по межклеточным каналам в соседние, обделенные этим геном раковые клетки.

Подобные результаты впечатляют. Правда, надо отдавать себе отчет, что многие из описанных экспериментов находятся на стадии лишь лабораторных разработок. Многие пациенты, подвергающиеся таким все же еще не слишком отработанным методикам лечения, находятся на терминальных стадиях рака (им терять уже нечего), поэтому возникает проблема адекватного контроля. Подбор же добровольцев для его осуществления – задача сама по себе непростая.

Параллельно с антираковыми разработками, основанными на генно-терапевтических методиках, исследователи занимаются попытками корректировать и различные другие заболевания, включая амиотрофический латеральный склероз и поражающие нервную систему болезни Паркинсона и Альцгеймера. На этом фоне идея пилюли от старческого склероза или досадного дрожания рук уже не кажется полной фантастикой.

Евгеника будущего

Однако как все же быть с врожденными генетическими заболеваниями, когда неисправный ген работает в каждой клетке тела? Безусловно, коррекция всех таких генов в геле пациента представляется делом далекого будущего. Однако уже в наши дни может быть разработана и применена методика, предотвращающая появление наследственных аномалий в случаях, когда с точки зрения классической генетики такое событие кажется неизбежном. Действительно, представим себе ситуацию, когда оба родителя имеют по единственной копии какого-либо дефектного гена. Совершенно очевидно, что любой их ребенок также будет обладать данным дефектным геном, поскольку нормальной копии от родителей он получить не может.

Уже в первой половине XX века некоторые генетики задумывались над подобными проблемами. Для обозначения области науки, изучающей возможности улучшения генетической природы человека был придуман даже специальный термин – евгеника (от древнегреческого «эу» – хороший, подлинный, настоящий). До появления генно-терапевтических методик, по сути, единственной действенной рекомендацией, которую могли предложить евгенисты, был подбор супружеских пар, основанный на научных рекомендациях. К сожалению, практика показывает, что в столь деликатной сфере человеческих отношений доводы разума часто оказываются далеко не на первом месте. Теперь же, ни в коем случае не оказывая давление на свободное волеизъявление партнеров, биологи могут подкорректировать результаты их взаимного выбора.

Процедура пренатальной генной коррекции в теории выглядит следующим образом. Оплодотворение выделенной и тела будущей матери яйцеклетки происходит in vitro – вне организма В результате нескольких делений образуется группа клеток будущего зародыша. В них тем или иным способом вводят нормальный ген. Определив, в какие именно клетки он успешно внедрился, отбирают одну подобную «прооперированную» клетку и вводят ее в матку женщины, предварительно соответствующим образом гормонально подготовленную для успешного проведения подобной процедуры. В результате на свет появится ребенок, все клетки которого будут нести копию нормального гена, отсутствовавшего у его родителей.

На пути практической реализации описанной схемы без сомнения возникнет множество трудностей. Главная из них состоит в том, что уже после нескольких делений клетки зародыша теряют свой универсальный потенциал и не могут стать прародительницами нового зародыша. Такая возможность принципе существует, что доказывают успешные опыты по клонированию животных, но длится она очень недолго. Именно в этот промежуток времени биологам-евгенистам надо будет успеть проделать все свои генно-терапевтические процедуры. Однако если их удастся успешно осуществлять, человечество получит мощный метод ликвидации хотя бы части отрицательного генетического груза, который оно уже успело накопить в процессе борьбы с врожденными дефектами, которые в животном мире отсекаются жестокой рукой естественного отбора.

Инвентаризация генов человека

Инвентаризация – периодическая проверка наличия и состояния материальных ценностей и основных и оборотных фондов в натуре, а также денежных средств.

Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия 2002

– Наши гены полны молекулярной белиберды!

– Завещание Говарда Хьюза

– Стоимость проекта – 3 миллиарда долларов!

– Возможно ли гадание по ДНК?

Спрятавшиеся фразы

Конец XX века был ознаменован двумя научными штурмами, которые объединили в одну команду коллективы ученых многих стран мира. Первый рывок связан с выходом человека в космос. Второй – с началом проекта по расшифровке генома человека, то есть, по определению всех его нуклеотидных последовательностей в ДНК. Оба эти проекта имеют много общего. С одной стороны, они впечатляют своей масштабностью. С другой стороны, и глобальные космические исследования, и тотальное молекулярно-генетическое препарирование ДНК человека вызывают немало критики. Окупает ли себя картинка, которая открывается человечеству с покоряемых им научных вершин, те расходы, которые тратятся специалистами на ее получение?

Ученые, непосредственно вовлеченные в реализацию подобных проектов, всегда найдут аргументы «за» поддерживание своих исследований, а для того, чтобы найти аргументы «против», надо быть экспертом. Например, руководитель геномной программы США Ф. Коллинз выступает с впечатляющими прогнозами, что дадут на протяжении первых десятилетий XXI века исследования генома человека. Речь идет и о генной терапии, и о профилактических мерах, снижающих риск многих опасных заболеваний, об успешном лечении многих форм рака, и о генной коррекции на стадии всего лишь нескольких зародышевых клеток эмбрионов человека. Более того, по его оценкам, уже в первой половине XXI века станет возможным расшифровка генотипа отдельного индивида, и эта процедура будет относительно недорогой, не превышающей одну тысячу долларов США.

Подобным утверждениям вполне можно поверить, коль скоро в ведущем научном журнале Nature уже публикуется информация о полной расшифровке нуклеотидных последовательностей отдельных хромосом человека.

Что в подобных заявлениях соответствует реальным ожиданиям, а что является лишь рекламным трюком, направленным на привлечение внимания общественности к соответствующим научным разработкам? Для того чтобы оценить долю реальных результатов в подобных декларациях, надо снова вспомнить школьные азы биологии и проследить историю рождения проекта «геном человека».

В 1953 г. два молодых исследователя – Джеймс Уотсон и Френсис Крик выяснили, как устроена «самая главная молекула» нашего организма, которую образно можно уподобить таинственной кощеевой игле, хранившейся в яйце, спрятанном за семью печатями в ларце. Так же глубоко и надежно оказались запрятаны в клетке молекулы ДНК. Свитые в тугие спирали хромосом, они хранятся в ядре каждой клетки тела. В молекулах ДНК, которые писатель Ю. Чирков образно сравнил с магнитофонной лентой, на которой записана величественная симфония жизни, зашифрована информация об устройстве всех белков организма. Неудивительно, что во второй половине XX века биологи с энтузиазмом взялись за изучение этой информации.

Наш соотечественник биолог Владимир Яковлевич Александров как-то остроумно заметил, что для биологических исследований нужно выбирать «наиболее болтливые объекты». Так оно и происходит на практике. Не случайно основы генетики были получены при изучении мух дрозофил, а не африканских слонов. С быстро размножающимися двукрылыми удобно работать, а «рассказать» о законах наследственности они могут не меньше, чем любое другое существо. Именно поэтому биологи в первую очередь взялись за изучение ДНК, выделенной из наиболее просто устроенных объектов – вирусов и бактерий. Вскоре эта работа увенчалась полной расшифровкой генома некоторых столь просто устроенных объектов.

Например, полная запись нуклеотидной последовательности генома вируса фХ174 укладывается всего в 180 строк, в каждой из которой по 30 знаков. Иначе говоря, ее можно напечатать всего лишь на трех стандартных листах машинописи. Геном человека, представленный в таком виде, занял бы невообразимо толстый том толщиной более чем в полмиллиона страниц!

Ясно, что работа по его расшифровке в 60-х и 70-х годах XX века была не по силу ни одной самой современной биологической лаборатории. Более того, до конца 80-х годов XX века никто из биологов и не ставил перед собой такой задачи. Дело в том, что нуклеотидные последовательности ДНК человека – отнюдь не сплошь информационные «откровения», прочитав которые можно получить ценную информацию о множестве новых неизвестных белков с интригующими функциями. В геноме человека примерно 30–50 % этих последовательностей представляют собой унылые и ничего не значащие повторы нуклеотидов, напоминающие бормотание умственно отсталого пациента. Это означает, что, решая задачу «в лоб» – то есть, расшифровывая все последовательности нуклеотидов человеческой ДНК подряд, около половины времени и средств придется потратить практически впустую!

Более того, вскоре выяснилось, что гены, кодирующие белки высших организмов и человека в частности, бывают нередко буквально разорванными на несколько частей, между которыми находятся согни ничего не значащих нуклеотидных последовательностей. Такие «бессмысленные» участки ДНК называют нитронами. Если сравнить ДНК с литературным текстом, то ситуация выглядит при этом следующим образом. Сначала идет осмысленная фраза. За ней следует несколько страниц полной буквенной белиберды, которую можно получить, случайно ударяя по клавишам пишущей машинки. И лишь далее попадается второй осмысленный кусочек текста. К примеру, строка из всем известного стиха «Идет бычок, качается…», будет выглядеть при этом так:

Идеткпсрстьывлвагфыпвсбычокпнешщрьвспнкачаетсяиамргул

Попробуйте-ка выделить из этой последовательности букв полезную информацию! Примерно с такой задачей и сталкиваются молекулярные биологи, расшифровывающее последовательности ДНК «буква за буквой».

Почему гены человека устроены именно так – вопрос сложный, и здесь останавливаться на нем не стоит. Важно другое – читая текст, знакомые строки вычленить из массива случайного сочетания букв все-таки удается. В случае с ДНК сделать это неизмеримо труднее, поскольку не известно, кодирует данное сочетание нуклеотидов какой-либо белок или нет.

Существует и еще одна трудность. Даже выделив последовательность нуклеотидов, точно соответствующую одному гену, пока очень сложно предсказать, как будет выглядеть пространственная конфигурация соответствующего белка. А ведь именно от нее зависит биологическая активность каждого белка. Аналогия тут проста. Если половинки кусачек соединить как-нибудь иначе, то успешно работать таким инструментом будет невозможно. Примерно такая же ситуация и с белками. Вспомните процесс варки яиц. Под воздействием температуры происходит денатурация белка. Он меняет свою пространственную форму и полностью утрачивает биологическую роль, а ведь последовательность его аминокислот осталась прежней!

Поэтому биологи до последнего времени шли другим путем. Они сначала изучали клеточные белки, в первую очередь те, которые играют важную биологическую роль, а потом уже искали в ДНК соответствующие этим белкам гены. Данная стратегия прекрасно себя оправдала, поскольку именно таким способом к сегодняшнему дню было выделено и изучено множество важнейших генов человека.

Завещание сумасшедшего миллиардера

Так и шел бы дальше естественным образом процесс постепенного накопления сведений о человеческих генах, если бы в дела ученых не вмешалась смерть одного-единственного человека. Речь идет об американском миллиардере Говарде Хьюзе, основателе игровой империи Лас-Вегаса. Создававший и воплощавший в жизнь глобальные проекты, он окончил свои дни сумасшедшим затворником, патологически опасавшимся микробов, и поэтому запрещавший убирать комнату отеля, в которой провел последние годы своей жизни. В завещании Хьюз выделил астрономическую сумму в 4 миллиарда долларов для генных исследований. Денежный поток, который был ютов влиться в финансирование генетических экспериментов в США, казался настолько мощным, что его представлялось трудным разделить на тысячи мелких ручейков, способных вертеть научные колеса отдельных лабораторий. Большим деньгам надо было найти масштабное применение! Необходимо было придумать нечто глобальное, способное поглотить этот финансовый Монблан.

Так родился глобальный проект «Геном человека», задача которого – определить все нуклеотидные последовательности человеческой ДНК, в которых, по современным оценкам ученых, спрятана информация примерно о тридцати тысячах генов. В США авторитетная комиссия специалистов сочла такую грандиозную задачу вполне выполнимой. Отказываться от такой кучи денег в силу любых соображений было явно глупо. Стоимость реализации проекта была оценена в 3 миллиарда долларов, а время его выполнения должно было уложиться в 15 лет. К работе над столь грандиозной задачей были привлечены не только американские ученые, но и сот рудники молекулярно-биологических лабораторий многих стран мира, в том числе и в России.

Неудивительно, что среди ученых нашлось немало специалистов, выразивших горячее желание поучаствовать в щедро оплачиваемых разработках. Оппонентов, которые решались бы при этом публично подвергать острой критике проект, находилось немного. Тем не менее, они были. Например, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор прямо утверждал, что проект «Геном человека» не имеет научной ценности и является лишь «уловкой для добывания денег», хотя на общественность он может производить благоприятное впечатление, благодаря своей масштабности.

Ему вторил наш соотечественник, директор Института белка, академик РАН Александр Сергеевич Спирин, который был ярым противником реализации проекта. Он утверждал, что расшифровка всей нуклеотидной последовательности ДНК человека – задача скорее техническая, чем научная. «Сосредоточение больших интеллектуальных сил и материальных средств на подобной проблеме обескровит науку и может затормозить ее развитие в других, оригинальных областях. Целое поколение научной молодежи будет фактически выведено из сферы творчества», – так комментировал Спирин в конце XX века сложившуюся ситуацию корреспондентам «Известий».

Не вызывает сомнений, что возникающие в процессе реализации проекта технические проблемы удается решать. Уже во второй половине 80-х годов японская фирма «Сейко инструменты и электроника» создала секвенатор – прибор, способный практически без вмешательства человека определять нуклеотидные последовательности кусков ДНК. Вначале скорость его работы была сравнима со скоростью работы квалифицированного сотрудника лаборатории, однако со временем интенсивность работы новых вариантов подобных автоматических дешифраторов начала возрастать.