Клеточные трагедии, часть 6
Начать с начала
Полина Лосева, «Чердак»
Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей и опасностей и так же неизбежно заканчивается смертью. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. В этот раз мы поговорим о том, как сжечь за собой мосты и начать жизнь заново. Людям не всегда легко даются радикальные перемены, но, может быть, у клеток получается лучше?
«Клеточные трагедии» – это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Почитайте и другие тексты о нелегкой жизни клеток: в них рассказывается о смертях и самоубийствах, стрессе, шоке, самоопределении и старости.
Многие фильмы начинаются так: с поезда на пустую платформу небольшого города сходит незнакомец. В руке чемодан с личными вещами, вид таинственный. Откуда он пришел? От чего сбежал? Сможет ли он начать жизнь с нуля в новом городе? В большинстве фильмов от прошлого незнакомцам убежать не удается – их настигают преследователи, воспоминания и старые травмы. Тем не менее образ загадочного беглеца остается притягательным, а интернет изобилует мотивирующими текстами и инструкциями по поджогу своих мостов. Десять лет назад такие инструкции появились и для клеток.
Клеточное детство
Переезжая в другой город и меняя профессию, человек в некотором роде возвращается в детство: дает себе возможность снова выбрать, где жить, кем быть и с кем общаться. Для клетки детством является стволовое, или недифференцированное, состояние (подробно о стволовых клетках – здесь). В этом состоянии клетка не имеет особенностей строения и функций, характерных для «взрослых» клеток органов и тканей. Кроме того, стволовая клетка имеет широкие перспективы: под действием внешних факторов она может стать клеткой одного из множества типов. Информация о белках, которые нужны клетке для выполнения всех возможных функций, записана в ее ДНК. И стволовой клетке вся эта информация доступна. Но по мере дифференцировки клетка постепенно скручивает ненужную ДНК, оставляя себе только ту информацию, которая пригодится ей на выбранном пути.
Мы уже сравнивали этот процесс с упаковкой вещей. Пока человек молод, у него есть большой набор книг, которыми он может воспользоваться. Но по мере того, как он чем-то увлекается и на этом специализируется, ненужные книги пакуются в коробки и оборачиваются скотчем. На молекулярном уровне это означает следующее: нить ДНК, как правило, намотана на белки гистоны (уложена в коробки) – так она занимает меньше места. Если нужно считать информацию, гистоны легко отваливаются от ДНК, а потом налипают обратно. Но можно навесить на гистоны и ДНК химические группы (обклеить скотчем), которые будут лучше их скреплять. Тогда сбросить гистоны и раскрутить ДНК не получится, а информация станет недоступной.
Таким образом, у клетки по мере «взросления» сужается спектр возможностей: чем меньше информации она может использовать, тем меньше у нее вариантов, кем быть и что делать. Аналогично, наш таинственный незнакомец в поисках вдохновения смотрит на полку, которая когда-то была полна разнообразных книг. Но с годами там остались стоять только инструкция по использованию лобзика и «Энциклопедия юного столяра». И тогда он решает начать все сначала.
Большая уборка
Возвращение клетки к истокам называют дедифференцировкой. До сих пор неизвестно, насколько часто она происходит в организме человека. За исключением онкологических заболеваний, когда раковые клетки теряют свойства своей ткани, такие случаи удается обнаружить редко. Но клеточные биологи решили взять ситуацию в свои руки. С тех пор, как стало понятно, что из стволовых клеток можно выращивать разные ткани, возник вопрос, как именно добывать стволовые клетки человека в «промышленных масштабах». Брать их у живых людей травматично, иногда опасно (если это стволовые клетки головного мозга, например), к тому же их немного. Брать клетки у зародышей человека неэтично. Поэтому появилась идея научиться репрограммировать взрослые клетки, то есть возвращать их в стволовое состояние силой.
Герои фильмов обычно в процессе уборки находят любимую, но давно позабытую хоккейную клюшку и решают наверстать упущенные возможности, бросив уже сложившуюся жизнь. Но перезагрузить свою жизнь не самая простая задача. Для этого потребуются радикальные действия: вытащить все коробки, разрезать скотч и разложить по полкам заново. Иными словами, нужно снять лишние метки с гистонов и ДНК и раскрутить все обратно, чтобы клетка снова получила доступ ко всей информации. Но как это сделать?
Первый метод был предложен еще в середине прошлого века и заключался в переносе ядра из какой-нибудь клетки взрослого человека в яйцеклетку (из которой предварительно удаляли собственное ядро). После этих манипуляций, под действием каких-то (не до конца изученных) веществ из цитоплазмы яйцеклетки ДНК ядра раскручивалась – и перед нами оказывалась клетка, которая снова может все. Можно сказать, что мы неудавшегося столяра отправляли в родной город к маме. Ответственная мама брала инициативу в свои руки, все разрезала, разбирала и расставляла по местам.
Это способ удобный и довольно эффективный, но проблема в том, что «мам» на всех не хватит. Каждый раз приходится забирать яйцеклетки у женщин-волонтеров, что не только неэффективно, но и связано с этическими трудностями. Хорошо бы научить клетку делать уборку самостоятельно и начинать новую жизнь прямо на месте, без переездов.
Японские ученые во главе с Синъей Яманакой предположили, что в наших генах могут быть закодированы какие-то белки, которые способны эту уборку запустить. Они брали взрослые клетки кожи и заражали их вирусами, несущими разные гены. Вирусы сами по себе были безопасными, зато встроенные в них гены работали активнее, чем собственные гены клеток. Оказалось, что достаточно заставить работать четыре (а в некоторых случаях – и один) ключевой ген, чтобы ДНК раскрутилась. В результате получилась культура клеток, очень похожих на клетки эмбриона на ранней стадии развития. Полученные клетки назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. Индуцированными – так как ученые заставили их развернуть свою ДНК, стволовыми – потому что из этих клеток можно получить любые клеточные типы, а плюрипотентными – потому что их возможности (потенция) безграничны.
Если при переносе ядер требовался переезд и некоторая внешняя среда, то есть «мама», которая со всем разберется, то метод Яманаки действовал на клетку изнутри. Его можно назвать технологией внутриклеточного гипноза. Достаточно «дать» клеткам определенную «установку» («Чистота – залог здоровья!», «Наведи порядок!»), чтобы они сделали уборку сами. Этот метод настолько привлек внимание научного сообщества, что в 2012 году за него присудили Нобелевскую премию, а технологию продолжают совершенствовать до сих пор.
Изначально Яманака активировал работу генов с помощью вирусов. Потом ученые начали вводить в клетки белки, кодируемые этими генами. А совсем недавно предложили использовать популярную технологию CRISPR-Cas, чтобы избирательно связываться с нужными генами и запускать их работу. Наконец, оказалось, что можно просто подсовывать клетке «ножницы для скотча», то есть обрабатывать ее молекулами, которые срезают метки с гистонов и ДНК. И этого тоже достаточно, чтобы клетка начала новую жизнь.
Вторая молодость
Репрограммирование рисует заманчивые перспективы: пусть у нас есть общество (организм человека), где много профессионалов в одной области (клеток, например, кожи) и мало – в другой (клеток мозга). Мы берем специалистов оттуда, где они в избытке, стираем им память (репрограммируем), размножаем, обучаем заново (дифференцируем) и забрасываем этот десант в новую область (имплантируем пациенту). Но где-то в этой идиллии кроется подвох. Вопрос, который мучает научное сообщество уже второй десяток лет, волнует и зрителей фильмов о таинственном незнакомце: можно ли полностью оставить позади и забыть прошлую жизнь? По мере того как в лабораториях по всему миру повторяли эксперименты по репрограммированию клеток, стало понятно, что эта процедура дает очень нестабильные результаты.
Во-первых, эффективность ее составляет в лучших случаях несколько процентов, то есть существенная часть усилий и реактивов тратится впустую. Во-вторых, не все клетки в равной степени поддаются гипнозу. Это может зависеть и от лаборатории, и от протокола, и от конкретных пациентов.
Так или иначе, когда репрограммированные клетки сравнивают с настоящими эмбриональными, часто обнаруживаются отличия. Новообращенные то отказываются учиться снова (дифференцируются не во все типы), то манкируют своими обязанностями (хуже делятся). Считается, что это может быть связано с возрастом пациента, у которого взяли клетки. За долгие годы скотч склеивается намертво, и даже после репрограммирования некоторые метки на ДНК сохраняются. Хотя в некоторых экспериментах и эти метки исчезают, если уборку провести несколько раз подряд. Кроме этого, могут оставаться активными отдельные гены или белки, характерные для предыдущей специализации клетки. Пусть наш бывший столяр разобрал все книги, расставил обратно по полкам и выкинул прошлое из головы, но как только взгляд его падает на лобзик, лежащий на столе, он тотчас же вспоминает все, и репрограммирования как не бывало.
Исправившимся верить?
Низкая эффективность репрограммирования привела к тому, что его все еще не используют в клиниках. Исключение составляет японская группа ученых, которым еще в 2014 году удалось вырастить из репрограммированных клеток слой пигментного эпителия сетчатки и ввести их в глаз пациентке с макулодистрофией (распространенным заболеванием, при котором разрушается эпителий сетчатки и падает острота зрения). Сейчас, когда прошло уже три года, можно сказать, что ученые смогли остановить потерю зрения. Правда, и улучшения зрения они не добились. В других странах, тем не менее, клинических исследований пока нет. Если мы не можем точно контролировать репрограммирование клеток и последующую дифференцировку, то как мы можем рассчитывать на то, что новообращенные стволовые клетки будут вести себя в организме именно так, как нам хочется?
Единственный способ интегрировать наших таинственных незнакомцев в общество – ограничить их контакты с окружающими. По такому принципу устроен новый метод лечения диабета, который сейчас проходит клинические исследования. На данный момент технология устроена так: женщина-волонтер отдает ученым один из эмбрионов, полученных в результате экстракорпорального оплодотворения. Они извлекают оттуда клетки, дифференцируют их в клетки поджелудочной железы, заключают в капсулу с микроскопическими порами и имплантируют в организм. Получается, что искусственная железа может напрямую обмениваться молекулами с окружающей средой, клетки чувствуют количество глюкозы в крови и выделяют инсулин. Но выйти за пределы капсулы, распространиться по организму и неконтролируемо в нем размножиться ее обитатели не могут. Однако эксперименты с эмбриональными клетками во многих странах (в том числе в России) запрещены. Поэтому если эта технология окажется успешной, то вполне вероятно, что капсулы-импланты будут заселять именно индуцированными плюрипотентными клетками. И даже если это звучит как дискриминация, подобные «гетто» на данный момент – самый надежный способ обращения с незнакомцами, порвавшими со своим прошлым.
Параллельно возникла и другая идея: что если репрограммировать клетки не полностью, а частично? Возможно, это позволит избежать старения клеток, в том числе стволовых клеток взрослого организма. Иными словами, не полное забвение, а легкая уборка, зато везде. Ученые вводили мышам те же вирусы, что и группа Яманаки, но уже не в отдельные клетки, а внутривенно. Мышам, вероятно, понравилось. По крайней мере, они прожили не 18 недель, как контрольная группа, а 24. Однако с такими экспериментами стоит быть осторожными: если вирусы работают в организме слишком долго, отдельные клетки репрограммируются целиком и превращаются в опухоли. Но на людях эту технологию пока не проверяли, поэтому нам остается только ждать новостей и завидовать мышам-долгожителям.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru