Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности - Несса Кэри

Вот всего лишь один расчет. По самым скромным оценкам, на обеспечение инсулином и оборудованием для измерения уровня сахара в крови каждого диабетика в Соединенных Штатах затрачивается ежемесячно около 500 долларов. За год эта цифра вырастает до 6000 долларов, следовательно, если человек болеет диабетом в течение сорока лет, то на него будет израсходовано 240 тысяч долларов. Прибавим сюда затраты на все виды лечения, которые потребуется пройти даже тем диабетикам, которые скрупулезно следят за своим здоровьем, поскольку никто из них не застрахован от осложнений, провоцируемых их болезнью. Нетрудно будет подсчитать, что затраты на поддержание здоровья каждого человека, болеющего диабетом, в течение его жизни составят не менее миллиона долларов. А только в Соединенных Штатах насчитывается как минимум миллион человек, страдающих диабетом 1 типа. Это означает, что в самом лучшем случае экономика США расходует свыше миллиарда долларов каждые четыре года только на борьбу с диабетом 1 типа. Так что, какой бы затратной ни оказалась дорога iPS клеток в клиники, они потенциально способны принести инвесторам громадные прибыли, если использование их окажется дешевле, чем расходы на нынешнее лечение диабетиков на протяжении всей их жизни.

И это мы коснулись только диабета. А сколько еще, кроме него, болезней, панацеей от которых могли бы стать iPS клетки! В первую очередь, они смогли бы помочь больным, страдающим нарушениями свертываемости крови, такими как гемофилия, болезнью Паркинсона, остеоартритом и слепотой, вызванной дегенерацией желтого пятна. По мере того как ученые будут разрабатывать все новые технологии производства искусственных структур, которые могут быть имплантированы в наши организмы, мы научимся использовать iPS клетки для замены поврежденных кровеносных сосудов при заболеваниях сердца, для регенерации тканей, пораженных раком, и его лечения.

Исследования в области iPS клеток финансирует и Министерство обороны США. Военные всегда нуждаются в больших запасах крови, чтобы в любой боевой ситуации иметь возможность лечить раненный личный состав. Красные кровяные тельца не похожи на большинство клеток нашего организма. В них нет ядер, а это значит, что они не могут делиться и тем самым образовывать новые клетки. Благодаря этой особенности красные кровяные тельца представляют собой наиболее подходящий с точки зрения безопасности материал, с которого можно было бы начать клинические испытания iPS клеток, так как они остаются в организме лишь несколько недель. Кроме того, мы не отторгаем эти клетки так же, как могли бы поступить, например, с донорской почкой, по той причине, что наша иммунная система распознает эти клетки несколько иначе. Разные люди могут иметь совместимые красные кровяные тельца — это знаменитая система групп крови АВО плюс некоторые дополнительные факторы. Было подсчитано, что с помощью всего лишь сорока доноров с каждой группой крови можно было бы создать банк клеток iPS, который бы полностью удовлетворил все наши потребности[16]. Поскольку iPS клетки способны продолжать делиться, производя все больше и больше iPS клеток, если выращивать их в правильных условиях, мы могли бы стать обладателями поистине неисчерпаемого банка клеток. Существуют проверенные и надежные способы извлечения незрелых стволовых клеток крови и методик их выращивания, воздействуя на клетки различными стимуляторами таким образом, чтобы они дифференцировались и превращались (в конечном итоге) в красные кровяные тельца. В результате, стало бы возможным создать огромный банк красных кровяных телец различных групп, чтобы всегда располагать достаточными запасами крови соответствующей группы, необходимой для переливания пациентам, поступившим с поля боя или выжившим в автомобильной аварии.

Получение iPS клеток стало одним из тех редких событий в биологии, которые не просто расширяют границы известного, но и открывают совершенно новые, немыслимые прежде возможности. По мнению многих, Шинья Яманака является главным претендентом на то, чтобы в самом ближайшем будущем разделить Нобелевскую премию с Джоном Гердоном, поскольку трудно переоценить практическую ценность проделанной ими работы. Но хотя их достижения по праву считаются исключительными, сама природа делает то же самое намного эффективнее и быстрее.

Когда сперматозоид и яйцеклетка сливаются, два ядра перепрограммируются цитоплазмой яйцеклетки. Ядро сперматозоида, в частности, очень быстро утрачивает большую часть своей молекулярной памяти о том, чем оно было прежде, и становится едва ли не чистым холстом. Именно этот феномен перепрограммирования использовали и Джон Гердон, и Иэн Вилмут с Китом Кэмпбеллом, когда помещали взрослые ядра в цитоплазму яйцеклеток и создавали новые клоны.

При слиянии яйцеклетки и сперматозоида начинается стремительный процесс перепрограммирования, на который затрачивается всего лишь 36 часов. Когда Шинья Яманака впервые получил iPS клетки в ничтожных количествах, то — в самых удачных его экспериментах — лишь крохотная доля созданных клеток, значительно менее одного процента, оказалась перепрограммирована. Для того чтобы вырастить первые перепрограммированные iPS клетки, потребовалось несколько недель. С тех пор удалось достичь существенного прогресса в повышении количества создаваемых клеток и скорости перепрограммирования взрослых клеток в iPS клетки, но при этом мы ни на шаг не приблизились к показателям, демонстрируемым при естественном оплодотворении. Почему?

Ответом на этот вопрос является эпигенетика. Дифференцированные клетки особым образом эпигенетически модифицируются, и происходит это на молекулярном уровне. Вот почему фибробласты кожи в обычных условиях всегда останутся кожными фибробластами и никогда не превратятся, например, в кардиомиоциты. Когда дифференцированные клетки перепрограммируются, чтобы стать плюрипотентными клетками — с помощью переноса ядра соматической клетки или четырех факторов Яманаки,—то специфическая для данной дифференциации эпигенетическая отличительная черта должна быть удалена, чтобы ядро стало более похожим на ядро только что оплодотворенной зиготы.

Цитоплазма яйцеклетки невероятно эффективна в обращении вспять эпигенетической памяти наших генов, действуя как гигантский молекулярный ластик. Именно это и делает она с огромной скоростью, когда ядра яйцеклетки и сперматозоида, слившись, образуют зиготу. Искусственное перепрограммирование для создания iPS клеток больше похоже на действия первоклассника, выполняющего домашнюю работу — он то и дело стирает неловко написанную букву в одном и том же слове и, в конце концов, протирает в странице дырку, так как работает ластиком слишком усердно. Хотя мы постепенно и начинаем все больше разбираться в участвующих в этом процессах, нам по-прежнему еще очень и очень далеко до воссоздания в лабораторных условиях того, что происходит в природе естественным путем.

До сих пор мы рассуждали только о феномене эпигенетики. Теперь настало время поговорить о молекулах, лежащих в основе всех удивительных явлений, которые мы уже успели рассмотреть, и многих других, с которыми нам еще предстоит познакомиться.