ЗНАНИЙ
advertisement
14 В процессе естественного развития организмов, при диф ференциации и специализации клетки «отключают» часть сво их генов, которые определяют их свойство превращаться в клетки других типов. Поэтому фибробласты кожи в обычных условиях всегда останутся кож ными фибробластами и никог да не превратятся, например, в клетки сердечной мышцы – кардиомиоциты. В разных тканях и органах (например, в коже, костном моз ге, головном мозге и т.д.) содер жатся запасы стволовых клеток, специфических для каждой тка ни. Это так называемые взрослые стволовые клетки или клетки предшественники. Они более дифференцированы, чем плю рипотентные эмбриональные клетки, но сохраняют способ ность к пролиферации. Эти клетки необходимы ор ганизмам для роста тканей, вос полнения естественных утрат клеток и для восстановления тка ней после травм. Из них могут развиваться уже только те типы клеток, которые нужны организ му для регенерации данного кон кретного органа. Данные гены получили название факторов Яманаки. Например, клетки верхнего слоя кожи – эпидермы – полнос тью заменяются приблизительно каждые пять недель в результате постоянного деления стволовых клеток в более глубоких слоях этой ткани. Недиференцированные плюрипотентные стволовые клетки характеризуются высо кой гибкостью: они могут сох ранять способность к делению и создавать новые стволовые клетки или превращаться в дифференцированные зрелые клетки. Регуляторные системы, придающие клеткам гибкость, одновременно являются и сис темами, позволяющими им сбиваться с пути. Существенное ÑÒÐÀÍÀ ÇÍÀÍÈÉ влияние при этом имеют усло вия окружающей среды. Учёных очень интересовал вопрос: какие условия обеспечи вают состояние плюрипотен тности клеток? Первые успехи в перепрограммировании клеток В конце 1950х годов в Анг лии Джон Гердон начал экспе рименты с клетками лягушек. Он использовал неоплодотворён ные яйцеклетки, удаляя их ядра и перенося в эти клетки ядра из со матических клеток взрослой ля гушки. В результате ему удалось получить живых лягушек, раз вившихся из этих клеток. Чем бо лее дифференцированной (спе цифичной) была донорская клетка, из которой брали ядро, тем менее успешным был резуль тат, если говорить о количестве животных, полученных из яй цеклеток с заменёнными ядрами. Джон Гердон продемонс трировал, что ядра из разных со матических клеток содержат всю информацию, необходимую для развития полноценного орга низма, если их поместить в соот ветствующую среду, то есть яй цеклетку. При этом ядро «забыва ет», к какому клеточному типу оно принадлежало раньше и ста новится «наивным» ядром эмб риона, способным заново начать процесс развития организма. Так было положено начало клонированию – воссозданию живого организма из клеток взрослой особи. Эпигенетические модифи кации программы развития не изменяют генетического кода и программируют клетки на годы вперед. При определённых обс тоятельствах этот слой эпигене тической информации может быть удалён. Работа с яйцеклетками весь ма сложна и трудоёмка. Гораздо проще было бы научиться переп рограммировать соматические клетки организма, которые дос таточно легко получить, напри мер, из кожи. Особые усилия направлялись на определение ге нов, поддерживающих эмбрио нальные стволовые клетки в плюрипотентном состоянии. Эти гены очень важны, пос кольку эмбриональные стволо вые клетки демонстрируют высо кую склонность к превращению в клетки других типов при их выра щивании в культуре, стоит лишь немного изменить условия их со держания. В обеспечении состоя ния плюрипотентности участвует много генов, но их функциональ ная роль различается. В 2007 году учёным с помо щью генетических манипуляций удалось искусственно перепрог раммировать эпигеном сомати ческих клеток, т.е. возвратить их на самую раннюю стадию разви тия стволовых клеток. Профессор Шинья Яманака и доктор Казу тоши Такахаши нашли у мышей четыре гена Oct4, Sox2, Klf4 и c Myc, необходимые для превраще ния полностью дифференциро ванных клеток в плюрипотен тные. Данные гены получили наз вание факторов Яманаки. Эти четыре гена активны в оплодотворённой яйцеклетке, которая после оплодотворения сразу перенастраивается на «на чало жизни». При их введении в фибробласты мышей были полу чены так называемые «индуци рованные плюрипотентные стволовые клетки» (induced pluri potent stem cells, iPSклетки). Когда дифференцирован ные клетки перепрограммируют ся, чтобы стать плюрипотентны ми клетками – с помощью пере носа ядра соматической клетки в зиготу или четырёх факторов Яманаки, – то специфическая для данной дифференциации эпигенетическая программа дол жна быть удалена, чтобы ядро стало похожим на ядро только что оплодотворенной зиготы. № 1 2014 15 Получение iPSклеток стало одним из тех событий в биологии, которые не прос то расширяют границы из вестного, но и открывают со вершенно новые, немыслимые прежде возможности. Подбирая условия культиви рования, учёные добились, что iPSклетки дифференцировались как клетки головного мозга. Ког да полученные клетки пересади ли в мозг крысам, страдающим болезнью Паркинсона, при кото рой происходит отмирание до фаминвырабатывающих нер вных клеток, состояние живот ных заметно улучшилось. Материалы исследований на тему iPSклеток публикуются еженедельно. Но при всех достигнутых ус пехах большой проблемой при менения iPSклеток стало то, что те четыре гена, которые учёные внедряют для перепрограммиро вания, часто вызывают рак, то есть являются потенциальными онкогенами. Стволовые клетки, пролиферация, «эмбрионализация» и рак Согласно теории онкогена, в нормальных клетках имеются протоонкогены, которые в про цессе злокачественной трансфор мации патологически активиру ются. Однако это представление применимо лишь к дифференци рованным клеткам, но не к стволо вым. В стволовых клетках обнару жены активированные онкогены. Протоонкогены – это нор мальные гены, которые контро лируют процессы клеточного де ления, дифференциации и соз ревания. Тот набор злокачественных свойств, который должен был бы появиться у клетки в результате 34 мутаций, уже наличествует в стволовых клетках: они клоноген ны, минимально дифференциро ваны, иммортализованы («бес смертны»), обладают автономным делением, повышенной инвазив ностью (способностью вторгаться в другие ткани и там размножать ся) и активированными онкогена ми. Малигнизируются (становятся злокачественными) только ство ловые и малодифференцирован ные клетки, которые не нуждаются в генетических изменениях, пос кольку они изначально обладают полным набором «злокачествен ных» свойств. «Поведение» нор мальных зародышевых стволовых клеток не отличается от «поведе ния» раковых клеток. Дифференцированные клетки не способны трансфор мироваться, а стволовые практи чески «трансформированы», но в норме не дают опухолевого рос та. Такие условия возникают при различных патологических про цессах в организме с нарушени ем гомеостаза. Развитию опухолей явно способствуют предшествующие длительные воспалительные процессы и хронические инфек ции. При этом происходит пос тоянная гибель клеток, посте пенно исчерпывается восстано вительный потенциал органа, а сигналы на пролиферацию кле ток продолжают поступать. В связи с этим рак сравнивают с незаживающей раной. Поражённый орган стано вится неспособным восстано вить численность функциональ но полноценных клеток, проис ходит накопление не завершив ших дифференцировку молодых клеток, неспособных адекватно возместить потребности органа и «эмбрионализацию» ткани. Это сопровождается нарушениями взаимодействия клеток и измене нием тканевого гомеостаза. Мутации и эпигеномные из менения на уровне онкогенов и ингибиторов онкогенов являются необходимым, но недостаточным условием злокачественной тран сформации. Дадут ли изменённые клетки опухолевый рост, опреде ЭПИГЕНЕТИКА И СТВОЛОВЫЕ КЛЕТКИ ляется не трасформированными онкогенами, а состоянием восста новительных систем конкретного органа и гомеостаза. Иными сло вами, рост опухоли не является ав тономным событием, но зависит от состояния окружающих тканей. Без подавления воспалитель ных процессов в сочетании с вос становлением способности пора жённого органа к функцинально полноценной регенерации даже полное уничтожение злокачес твенной опухоли не устранит ус ловий её повторного возникнове ния, и спустя некоторое время можно будет ждать рецидива бо лезни. Прекращение потока сиг налов, стимулирующих клеточ ное деление, должно прекратить опухолевый рост или предотвра тить угрозу рецидивного роста. Многочисленные сообще ния о снижении частоты опухо левого роста на фоне длительно го применения аспирина и дру гих нестероидных противовоспа лительных средств подтверждают важность подавления хроничес ких воспалительных процессов и избыточной пролиферативной активности для профилактики и лечения онкопатологии. Поскольку злокачественная опухоль (неоплазия) – болезнь не генов, а организма, для успеш ной терапии и профилактики рака необходимы усилия, нап равленные не только на уничто жение перерождённых клеток за счёт внешних воздействий (об лучение, химиотерапия). Известно, что стандартная химиотерапия помогает прибли зительно в четверти случаев. Хи миотерапия печально известна также подавлением иммунной системы. Необходимо перенаце ливание собственных систем го меостаза (восстановления, защи ты) организма на подавление опухолевого роста. Главной системой гомеоста за организма является иммунная система. Именно она ведает сис темной (на уровне организма) 16 противоопухолевой защитой. Важной задачей является снятие подавляющего влияния расту щей опухоли на активность собственных лимфоцитов. Лечение стволовыми клет ками предполагает их перенос в больной организм, в котором наблюдается значительная ги бель собственных клеток, а ос тавшиеся клетки не в состоянии полноценно функционировать. В такой ситуации, без сомнения, нарушен гомеостаз организма. Организм будет не в состоянии должным образом контролиро вать пересаженные стволовые клетки, и остаётся только дога дываться, как они себя поведут. Поэтому одной пересадки стволовых клеток недостаточ но без устранения причин па тологии. Будущее клеточных биотехнологий В настоящее время учёные разрабатывают методы, которые позволят превращать соответс твующие клетки тела в стволовые без помощи генной инженерии, а лишь посредством создания та ких условий культивирования, которые вызовут необходимые эпигенетические перестройки в геномах клеток. Взрослые клетки хранят в себе информацию обо всех клет ках организма, нужно лишь най ти эффективный способ извле чения её, перепрограммируя клетки. Можно будет взять пол ностью дифференцированные клетки и обработать их в лабора тории таким образом, чтобы они стали подобны эмбриональным стволовым клеткам со всем при сущим им потенциалом. Эмбриональные стволовые клетки демонстрируют высокую склонность к превращению в клетки других типов в культуре, например, кардиомиоциты или нейроны головного мозга, стоит лишь немного изменить условия ÑÒÐÀÍÀ ÇÍÀÍÈÉ их содержания, баланс химичес ких соединений в среде их выра щивания. Затем нужно будет опреде лить, каким образом, в каком направлении и до какой степени оптимально дифференцировать стволовые клетки перед пересад кой в тело человека, чтобы шан сы на выздоровление были мак симальными, а риск развития ра ка – минимальным. Уже сейчас техника работы с клетками модифицирована для прямого превращения челове ческих фибробластов в нервные клетки человека без предвари тельного создания iPSклеток. Вполне вероятно, что лече ние стволовыми клетками благо даря эпигенетике со временем станет ненужным. Если учёные освоят переключение эпигене тических программ одной диф ференцированной клетки не посредственно на программу другой, они смогут превращать, например, клетку кожи в нер вную клетку или в синтезирую щую инсулин клетку поджелу дочной железы и так далее. Следует также помнить, что при трансплантации чужерод ных клеток и органов, иммунная система больного воспринимает их как чужеродные и пытается отторгнуть. Пациенты вынужде ны всю жизнь принимать имму ноподавляющие лекарственные препараты, которые обладают целым рядом чрезвычайно тяжё лых эффектов. Если основной проблемой трансплантологии является дос тижение толерантности («терпи мости») организма реципиента к пересаживаемой донорской тка ни, то в онкологии проблема прямо противоположная. Такой «конфликт интересов» является причиной того, что пациенты с пересаженными органами под вержены огромному риску гибе ли от инфекций и воспалитель ных процессов, а также от злока чественных заболеваний. Принципиально новый вы ход из этой ситуации даёт ра бота с собственными клетками пациентов. Переноситься будут полученные дифференциро ванные клетки самого пациен та или даже готовые органы, выращенные в лабораторных условиях. Усовершенствование био технологических методов позво лит значительно удешевить про цессы, сделав эти технологии массовыми и доступными для всех пациентов. Наряду с применением пе ресадок клеток и органов необ ходимо устранять причины раз вившейся патологии, лечить хронические воспаления и дру гие вялотекущие патологические процессы, нарушающие внут ритканевой и внутриорганиз менный гомеостаз. Развитие этих направлений создаст совершенно новые воз можности терапии прежде неиз лечимых заболеваний, кажущие ся сейчас фантастическими. Возможно, ктото из наших юных нынешних читателей сам, своим трудом и знаниями, будет участвовать в совершении этого научного прорыва. СЛОВАРИК Ген – единица наследственности, фрагмент ДНК, содержащий код одного белка. Геном – полный набор всех генов, содержащихся в наследственном материале организма. Гомеостаз – постоянство внутренней среды организма. Дифференцировка – распределение клеток по их специализации с эпигенетическим закреплением соответствующих структурных и функциональных особенностей. Ингибирование – подав ление, угнетение. Клоногенность – способность одной клетки давать начало клону – группе генетически идентичных клеток. № 1 2014
