Клетка: из зрелости – в детство

Каждый из нас когда-то был одной клеткой. С того самого момента, когда сперматозоид слился с яйцеклеткой, образуя зиготу, и до тех пор, пока эта клетка не поделилась на дочерние. Потом каждая из этих клеток поделилась еще раз, и еще, и еще… 

Сейчас в каждом из нас около пятидесяти триллионов клеток. Какие-то из них проводят нервные импульсы, другие производят соляную кислоту в желудке или инсулин в поджелудочной железе, а некоторые толстым слоем «облагораживают» талию. Так из одной оплодотворенной яйце­клетки получилось множество разных типов дифференцированных клеток. ­Говорят, что зигота тотипотентна, т.е. способна дать начало вообще любым клеткам организма, даже тем, которых у читателей этой статьи уже давно нет – например, клеткам плаценты эмбриона. 

Хотя тотипотентность в процессе развития теряется очень быстро, клетки эмбриона на самых ранних стадиях развития сохраняют плюри­потентность – способность порождать любые клетки, которые в принципе имеются во взрослом организме. В ходе дальнейшего развития организма эмбриональные стволовые клетки постепенно теряют свою плюрипотентность: сначала они превращаются в мультипотентные – способные давать начало многим, но уже не всем клеточным типам, затем в олигопотентные – предшественники только немногих типов клеток, и так далее. Наконец, ­многие клетки в конце концов становятся терминально ­дифференцированными, ­т. е. приобретают свою окончательную форму и функцию и далее уже не делятся (ярким примером таких дифференцированных клеток являются эритроциты – клетки крови, которые лишены клеточного ядра). 

Впервые эмбриональные стволовые клетки были получены из мышиных эмбрионов английскими исследователями М. Эвансом и М. Кауфманом в Кембридже в 1981 г., причем Эванс за это достижение был впоследствии удостоен Нобелевской премии. Но прошло еще 17 лет, прежде чем американец Д. Томсон смог сделать то же самое с эмбриональными стволовыми клетками человека. Довольно скоро после этого эмбриональные стволовые клетки, содержащиеся в клеточной культуре вне организма, научились превращать в клетки почти любых типов. На горизонте замаячила революция в медицине: внезапно появилась реальная возможность замещать больные клетки или погибшие в результате инфаркта или инсульта, болезни Паркинсона или Альцгеймера, при травмах спинного мозга, диабете, слепоте, и даже при утере зубов и волос… 

На фоне таких головокружительных перспектив ­неразрешимой оставалась одна принципиальная задача: откуда брать эмбриональные стволовые клетки для взрослого пациента? Ведь они должны быть генетически идентичны собственным клеткам организма, иначе иммунная система их отторгнет. 

Все изменилось в первом десятилетии нынешнего века, когда японский ученый С. Яманака (2006) показал, что даже терминально дифференцированные клетки можно «перепрограммировать», вернув в плюрипотентное состояние. Такие клетки сейчас принято называть iPS-клетками (от англ. «индуцированные плюрипотентные стволовые клетки»). 

Оказалось, что для перепрограммирования клеток достаточно ввести в них сконструированные на основе вирусов активные генетические конструкции, несущие четыре определенных гена. Белки, кодируемые этими генами, представляют собой так называемые транскрипционные факторы, которые связываются с определенными участками ДНК в регуляторных районах других генов, меняя их активность. 

Комбинация этих генов может вернуть почти любой клетке «эмбриональные способности», но в некоторых случаях для превращения одного типа клеток в другой требуется приложить гораздо меньше усилий. ­Например, чтобы вернуть плюрипотентность клеткам-предшественникам нейронов, достаточно ввести в них один ген, а клетку печени можно превратить в клетку поджелудочной железы, вырабатывающую инсулин, парой других генов. Но вот какие именно гены меняют свою активность под влиянием этих перепрограммирующих факторов, в результате чего клетка меняет свою сущность, в большинстве случаев пока остается загадкой. Позднее, кстати сказать, были разработаны и другие способы перепрограммирования клеток – без участия вирусных конструкций, а с помощью только белков, специальных регуляторных РНК или других, небольших, молекул, способных регулировать активность генов. 

Главная причина, по которой iPS-клетки привлекают такое пристальное внимание (Яманака получил все престижнейшие научные премии, кроме Нобелевской, которая тоже наверняка не за горами), лежит вовсе не в их интереснейших свойствах, а в этической плоско­сти. Ведь для получения плюрипотентных эмбриональных стволовых клеток нужны человеческие эмбрионы на ранних стадиях развития. В начале 2000-х гг. велись даже острые дискуссии о том, насколько этичным было бы клонировать пациента, получить генетически идентичные ему эмбриональные стволовые клетки из эмбриона и использовать их для медицинских целей. 

Можно по-разному относиться к допустимости такой практики, признавать или не признавать дробинку из сотни развивающихся клеток за человеческое существо, но обойти моральные вопросы здесь все равно не удаст­ся, а достичь удовлетворяющего всех консенсуса, как показывает жизнь, невозможно. Открытие iPS-клеток дало надежду, что появился – или вскоре появится – «этически чистый» и неограниченный источник стволовых клеток. И хотя пока такие клетки по своим свойствам не полностью аналогичны эмбриональным клеткам, а также обладают высоким потенциалом вызывать раковые опухоли, мало кто сомневается в их перспективном будущем. 

Сегодня перепрограммирование клеток прочно заняло место в списках самых многообещающих биомедицинских технологий. Возможно, свой вклад в эту ­историю смогут внести и ученые, работы которых ­связаны с исследованиями регуляции активности генов. 

Известно, что эти процессы в ходе развития клетки регулируются за счет биохимической реакции метилирования, когда специальные ферменты присоединяют метильную группу СН₃ к цитозину – одному из азотистых оснований, входящих в состав нуклеотидов ДНК. Такому изменению подвергается только тот цитозин, который в цепочке ДНК соседствует с другим азотистым основанием – гуанином. И таких кусочков ДНК много именно в регуляторных областях генов.

Объемистая метильная группа служит отличным ориен­тиром для специальных белков, которые связываются с метилированной ДНК и мешают проявлению активности генов. У клеток, которые продвинулись по пути­ специализации достаточно далеко, метилированы и, соответственно, инактивированы многие гены – ­просто потому, что они этим клеткам уже не нужны. 

Химическая связь между метильной группой и ДНК очень прочна. Конечно, при делении клетки во вновь построенную цепь ДНК будет включаться нормальный цитозин, и через несколько циклов деления в каких-то дочерних клетках метилирование в этом месте может исчезнуть. Однако большинство дифференцированных клеток теряет способность к делению, да и в тех клетках, что ее сохранили, активно работают ферменты, поддержи­вающие метилирование. 

Но значит ли это, что метилирование необратимо? Оказывается, нет. В 2009 г. были открыты сразу два способа, которые клетки используют для активного деметилирования, и оба они оказались основаны на системе репарации* («ремонта») ДНК , которую клетка сама же сначала целенаправленно повреждает! 

Изучением процессов деметилирования генов ­сегодня занимаются и в группе взаимодей­ствий биополимеров Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) в содружестве с учеными из Парижского университета. Вполне вероятно, что на основе результатов исследования работы систем репарации ДНК удастся создать новые, более эффективные методы перепрограммирования клеток.

Литература

Аксенова Л. Особенности национальной регенерации // Наука и жизнь. 2012. № 2. С. 32—37.

Мальцева В.В., Болдырев А.А. Снова о стволовых клетках // Химия и жизнь. 2009. № 9. С. 18—23.  

Хохедлингер К. Персональные целители // В мире науки. 2010. № 7. С. 24—31.

*О системе репарации ДНК читайте в «НАУКЕ из первых рук» (№ 6, 2006 г.; № 3, 2007 г.; № 4, 2009 г.)