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

Безграничный потенциал

Давайте вспомним шарик на вершине ландшафта Уоддингтона. Пользуясь клеточной терминологией, мы называем его зиготой и характеризуем как тотипотентный, то есть обладающий потенциалом сформировать любую клетку в организме, включая и плаценту. Конечно, зиготы по определению крайне ограниченны количественно, и большинство ученых, занимающиеся исследованиями самых ранних стадий развития, пользуются клетками чуть более взрослыми, знаменитыми эмбриональными стволовыми (ЭС) клетками. Эти клетки получаются в результате естественного процесса развития. Зигота дробится и делится несколько раз, образуя в итоге группу клеток, называемую бластоцистой. Несмотря на то, что бластоциста обычно насчитывает менее 150 клеток, она уже является эмбрионом на ранней стадии развития, состоящим из двух четко разделенных структур. В ней присутствует внешний слой, называемый трофэктодермой, из которой позже сформируется плацента и другие внеэмбриональные ткани, и внутриклеточная масса (ВКМ).

На рисунке 2.1 показано, как выглядит бластоциста. Рисунок выполнен в двух измерениях, однако в действительности бластоциста представляет собой трехмерную структуру, так что на самом деле она похожа на теннисный мячик, внутрь которого вклеен шарик для гольфа.

Рис. 2.1. Строение бластоцисты млекопитающих. Из клеток трофэктодермы образуется плацента. В процессе естественного развития клетки внутриклеточной массы (ВКМ) сформируют ткани эмбриона. В лабораторных условиях клетки ВКМ могут выращиваться в культуре как плюрипотентные эмбриональные стволовые (ЭС) клетки будут делиться неограниченное количество раз, оставаясь при этом полным подобием своей родительской клетки. Их мы и называем ЭС клетками, и, как следует из их полного наименования, они способны сформировать любую клетку эмбриона и, в конечном итоге, взрослого животного. Они не тотипотентны — так как не могут образовать плаценту — и называются плюрипотентными, поскольку все остальное им по силам.

Клетки ВКМ могут выращиваться в лаборатории в чашках для культивирования. Очень нежные и прихотливые, они требуют особых условий и крайне внимательного и бережного обращения, но соблюдайте правила, и они вознаградят вас за усердие тем, что ЭС клетки оказались поистине бесценными для понимания того, что необходимо для сохранения плюрипотентного состояния клеток. На протяжении долгих лет многие выдающиеся ученые, в первую очередь Азим Сурани в Кембридже, Остин Смит в Эдинбурге, Рудольф Джениш в Бостоне и Шинья Яманака в Киото, не жалея времени и сил, пытались идентифицировать гены и белки, экспрессированные (включенные) в ЭС клетках. Особые усилия они направляли на определение генов, поддерживающих ЭС клетки в плюрипотентном состоянии. Эти гены чрезвычайно важны, так как ЭС клетки демонстрируют высокую склонность к превращению в клетки других типов в культуре, стоит лишь чуть изменить условия их содержания. Допустите совсем незначительные вариации в выверенном режиме выращивания, и ЭС клетки, делящиеся в чашке для культивирования, тут же начнут дифференцироваться, например, в кардиомиоциты и заниматься тем, что лучше всего остального получается у клеток сердца: сокращаться в унисон друг с другом. Очередное едва уловимое изменение условий содержания, такое как, скажем, нарушение четкого баланса химических соединений в культуральной жидкости, может заставить ЭС клетки отказаться от их первоначального плана превратиться в клетки сердца и приступить к формированию клеток, из которых развиваются нейроны нашего головного мозга.

Ученые, работающие с ЭС клетками, определили огромное множество генов, играющих важную роль в сохранении клеток плюрипотентными. Функциональное назначение различных выявленных ими генов далеко не всегда было одинаковым. Некоторые из них были важны для самообновления, то есть одна ЭС клетка при делении образовывала две ЭС клетки, тогда как другие были необходимы для того, чтобы не позволять клеткам дифференцироваться[9].

Таким образом, к началу XXI века ученые обнаружили способ сохранения плюрипотентных ЭС клеток в чашках с культурой и узнали очень много нового и важного об их биологии. Кроме того, им удалось установить, как именно следует менять состав культурального раствора, чтобы находящиеся в нем ЭС клетки дифференцировались в клетки различных типов, включая клетки печени, сердца, нейроны и так далее. Но насколько это приближает нас к осуществлению мечты, о которой мы говорили выше? Смогут ли исследователи воспользоваться этой информацией, чтобы разработать новые способы обращения собственного времени клеток вспять, закатывания их вверх, в высшую точку уоддингтоновского ландшафта? Можно ли будет взять полностью дифференцированную клетку и обработать ее в лаборатории таким образом, чтобы она стала во всем подобной ЭС клетке, со всем присущим ей потенциалом? И если у ученых имелись веские основания полагать, что теоретически это возможно, то до осуществления этих идей на практике требовалось проделать еще очень и очень долгий путь. Однако эта работа сулила в высшей степени манящие перспективы для ученых, стремившихся с помощью стволовых клеток излечивать людей от самых разнообразных заболеваний.

К середине первого десятилетия нашего века было идентифицировано более двадцати генов, играющих важную роль в развитии ЭС клетках. Далеко не всегда ученым было понятно, каким образом они взаимодействуют между собой, и, конечно же, было совершенно ясно, что в биологии ЭС клеток для нас еще остается слишком много белых пятен. Однако абсолютно точно было известно то, что будет невообразимо сложно взять зрелую клетку и воссоздать в ней широчайший комплекс внутриклеточных условий, существующий в ЭС клетке.

Торжество оптимизма

Иногда величайшие научные прорывы случаются лишь по той причине, что кто-то попросту отваживается игнорировать превалирующий в каком-то вопросе пессимизм. В нашей истории оптимистами, решившими на практике проверить то, что все остальные по определению считали невозможным, были уже упоминавшийся выше Шинья Яманака и помогавший ему в проведении экспериментов докторант Казутоши Такахаши.

Профессор Яманака принадлежит к числу молодых светил в области изучения стволовых клеток и плюрипотентности. Родившийся в Осаке в начале 1960-х годов, он, что весьма необычно, занимал высокие академические посты в узкоспециализированных научно-исследовательских учреждениях Японии и США. Получив медицинское образование, он стал практикующим врачом в области ортопедической хирургии. Своих коллег-ортопедов другие хирурги часто снисходительно называют «мастерами кувалды и зубила». Хотя справедливого в этом определении мало, но все же практическая деятельность хирурга-ортопеда настолько далека от утонченной молекулярной биологии и изучения стволовых клеток, насколько это только можно себе представить.