Сиддхартха Мукерджи – Ген. Очень личная история (страница 98)

Какое-то время это «будущее будущего» казалось биологически недостижимым. В 1974-м, лишь через три года после[1072] изобретения технологии рекомбинантной ДНК, генно-модифицированным вирусом SV₄₀ инфицировали ранние эмбриональные клетки мыши. Задумка была дерзкой. Эмбриональные клетки, зараженные вирусом, смешали с клетками нормального зародыша, чтобы создать из клеточной мозаики эмбриологическую химеру. Таких мозаичных эмбрионов имплантировали в матку мыши. Все органы и ткани зародышей происходили из смеси клеток: кровь, мозг, сердце, мышцы и, самое главное, половые клетки. Если бы инфицированные эмбриональные клетки дали начало некоторым из сперматозоидов и яйцеклеток новорожденной мыши, то гены вируса передавались бы от грызуна к грызуну вертикально, через поколения, вместе с остальными генами. Вирус тогда мог бы превратиться в троянского коня, навсегда спрятавшего свои и клонированные гены в геноме многих поколений животных, результатом чего стали бы первые генетически модифицированные высшие организмы.

Сперва все шло по плану, но затем два неожиданных эффекта загнали эксперимент в тупик. Во-первых, хотя клетки с генами вируса совершенно точно появлялись в крови, мышцах и нервной системе мыши, доля модифицированных сперматозоидов и яйцеклеток была чрезвычайно мала. И как бы ученые ни старались, им не удалось добиться эффективной вертикальной передачи генов. Во-вторых, даже если вирусные гены и находились в мышиных клетках, их экспрессия была полностью отключена: эти инертные гены не производили ни РНК, ни белки. Спустя годы ученые обнаружат, что вирусные гены заглушались навешиванием на них эпигенетических меток. Сегодня мы знаем, что в клетках есть древние детекторы, которые распознают гены вируса и проштамповывают их химическими знаками «стоп», чтобы предотвратить их активацию.

Такое ощущение, что геном давно предвосхитил попытки изменить его. Он создал идеальный тупик. У фокусников есть одна старая поговорка: прежде чем заставить вещь исчезнуть, научись возвращать ее обратно. Генотерапевты учили этот урок заново. Незаметно подкинуть ген в клетку и эмбрион было несложно. Настоящий вызов заключался в том, чтобы сделать его вновь заметным.

Неудачи этих первых экспериментов ввергли сферу генотерапии в застой почти на десятилетие – пока не произошел перелом: биологи открыли эмбриональные стволовые клетки[1073], или ЭСК. И чтобы понять будущее генотерапии человека, мы должны с ними разобраться. Рассмотрим какой-нибудь орган, например кожу. Пока животное развивается, клетки на поверхности его кожи растут, умирают и слущиваются. Масштаб клеточной смерти порой бывает катастрофическим – допустим, после ожога или сильного ранения. Чтобы замещать отмершие клетки, большинство органов освоило технологии регенерации.

Эту функцию выполняют стволовые клетки (СК), особенно в случае катастрофических клеточных потерь. СК – это клетки уникального типа, обладающие двумя характерными свойствами[1074]. Во-первых, они могут дифференцироваться в клетки других функциональных типов – в нейроны, например, или клетки кожи. А во-вторых, они способны возобновляться – то есть образовывать новые стволовые клетки, которые, в свою очередь, могут дифференцироваться в функциональные клетки того или иного органа. Стволовая клетка походит на деда, который все продолжает производить детей, внуков и правнуков, поколение за поколением, никогда не теряя собственной плодовитости. Это основное средство регенерации тканей и органов.

Бо́льшая часть стволовых клеток «прописана» в определенных органах и тканях, и выбор направлений дифференцировки у них ограничен. СК в костном мозге, скажем, могут стать только клетками крови. СК в кишечных криптах предназначены для производства клеток кишечника. А вот у ЭСК, которые появляются из внутреннего слоя эмбриона животного[1075], возможностей куда больше: они могут давать начало любому типу клеток организма – клеткам крови, мозга, кишечника, мышц, костей и кожи. Это свойство ЭСК биологи обозначают словом плюрипотентность.

У ЭСК есть еще одна, третья, необычная характеристика – они очень причудливы. Их можно выделить из эмбриона какого-нибудь организма и вырастить в лаборатории в чашке Петри. В культуре такие клетки можно поддерживать очень долго. Эти крошечные прозрачные сферы, собирающиеся в гнездоподобные завитки под микроскопом, напоминают скорее растворенный орган, чем формирующийся организм. И действительно, когда эти клетки впервые добыли из мышиных эмбрионов в кембриджской лаборатории, они не вызвали большого ажиотажа у генетиков. «Похоже, мои клетки никому не интересны»[1076], – сетовал эмбриолог Мартин Эванс в начале 1980-х.

Но настоящая суперсила ЭСК выражается, опять же, в переходе: как и в случае ДНК, генов и вирусов, дуалистичность их природы делает эти клетки мощным биологическим инструментом. ЭСК ведут себя в культуре подобно остальным пригодным для экспериментов клеткам. Их можно растить в чашке Петри, замораживать в пробирках и возвращать к жизни оттаиванием. Их можно размножать в жидкой питательной среде поколение за поколением. В них можно с относительной легкостью внедрять новые гены и вырезать из их геномов имеющиеся.

Но при этом, если поместить ту же клетку в правильные условия и окружение, из нее буквально вырвется жизнь. ЭСК, смешанные с клетками раннего эмбриона и имплантированные в мышиную матку, начнут делиться и формировать слои. Они дифференцируются в клетки всех типов: крови, мозга, мышц, печени – и даже в сперматозоиды и яйцеклетки. Получившиеся клетки, в свою очередь, образуют органы и будут чудесным образом включены в состав многослойного, многоклеточного организма – настоящей мыши. Это животное таким образом «унаследует» результат каждой экспериментальной манипуляции, проведенной в чашке Петри. Генетическая модификация клетки в чашке окажется генетической модификацией организма в утробе. Это и есть переход – от лаборатории к жизни.

Экспериментальная легкость, которую подарили эмбриональные стволовые клетки, позволила преодолеть и вторую, еще более серьезную проблему. Если использовать для доставки гена в клетку вирус, то практически невозможно предусмотреть место внедрения этого гена в клеточный геном. Человеческий геном, состоящий из 3 миллиардов пар нуклеотидов, превышает размеры большинства вирусных геномов в 50–100 тысяч раз. Ген, вносимый вирусом в геном, подобен конфетной обертке, которую бросили с самолета в Атлантический океан: нет никакой возможности предсказать, куда она упадет. Практически все вирусы, способные к интеграции своего генома в хозяйский, – вроде ВИЧ или SV₄₀ – склонны встраиваться в случайные места человеческого генома. Генотерапии такой произвол чинит дьявольские препятствия. Вирусные гены могут попасть в неактивную зону, этакий медвежий угол генома, и потому никогда не экспрессируются. Они могут попасть в ту область хромосомы, которую клетка умеет без особых усилий глушить. Хуже того, внедрившись, они могут повредить какой-то важный ген или активировать ген, вызывающий рак, и тогда запахнет настоящей катастрофой.

ЭСК же позволили ученым вносить[1077] генетические изменения не в случайные, а в заданные точки генома, в том числе в пределах гена. Если вы захотите изменить ген инсулина[1078], то довольно простые, но гениальные технические манипуляции дадут гарантию, что остальные клеточные гены вы не затронете. А благодаря тому, что генетически модифицированные ЭСК в принципе могут образовать клетки всех типов и в итоге целую мышь, вы можете быть уверены в рождении животного именно с этим измененным геном инсулина. Более того, если модифицированные ЭСК в конце концов произведут у взрослой мыши сперматозоиды или яйцеклетки, грызуны будут передавать измененный ген из поколения в поколение, и мы обеспечим вертикальный, наследственный перенос нужного признака.

У этой технологии были далекоидущие последствия. Природа располагает единственным способом достичь направленного изменения в гене – естественным отбором случайных мутаций. Если, скажем, воздействовать на животное рентгеновским излучением, генетические изменения могут остаться в его геноме навсегда, но невозможно сфокусировать внимание луча на одном конкретном гене. Естественный отбор должен сохранять мутацию, которая обеспечит лучшую приспособленность организма, и в итоге она будет встречаться в генофонде все чаще и чаще. Но в этой схеме ни мутация, ни эволюция не обладают преднамеренностью или направленностью. В природе у механизма, управляющего генетическими изменениями, водительское место остается пустым. «Часовщик» эволюции, напоминает нам Докинз[1079], врожденно слепой.

Однако, приручив ЭСК, ученые научились намеренно манипулировать буквально любым интересующим геном и навсегда сохранять изменения в геноме животного. Мутации и отбор за один шаг – это была ускоренная эволюция в лабораторной чашке. Технология оказалась столь преобразующей, что пришлось придумать новое слово для обозначения полученных организмов: их стали называть трансгенными – от «через, между» и «гены». К началу 1990-х в лабораториях по всему миру были получены сотни линий трансгенных мышей, предназначенных для расшифровки функций генов. В геном одних мышей был внедрен ген медузы, позволявший им светиться в темноте под синими лампами. Другие мыши, несущие особые варианты гена гормона роста, вырастали в два раза крупнее своих обычных соплеменников. Были и грызуны с генетическими изменениями, которые предрасполагали к болезни Альцгеймера, эпилепсии или преждевременному старению. Мыши с активированными «генами рака» буквально пожирались многочисленными опухолями и служили биологам моделями для изучения человеческих новообразований. В 2014-м создали мышей с мутацией в гене, контролирующем коммуникацию между нейронами мозга. Они значительно превосходили собратьев по показателям памяти и когнитивным способностям. То были саванты[1080] мира грызунов[1081]: они быстрее формировали воспоминания, дольше их сохраняли и учились выполнять новые задания почти в два раза быстрее, чем обычные мыши.