Хорошо известно, что эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) могут дать начало любым типам тканей. Именно эту их особенность – она называется «плюрипотентность» – врачи и ученые всего мира надеются использовать в лечении нейродегенеративных заболеваний, последствий травм, инфарктов, инсультов и т.д.
Джон Гёрдон удалил ядро яйцеклетки лягушки и заменил его ядром клетки эпителия кишечника головастика. Из модифицированной таким образом клетки развился нормальный головастик. В ходе последующих экспериментов были клонированы млекопитающие.
В отличие от клеток эмбриона специализированные тканевые клетки в обычных условиях не могут превращаться «во что угодно». И на протяжении очень длительного времени считалось, что вернуть им такую способность технически невозможно.
Замена ядра
Фундамент совершенно нового представления о клеточной специализации заложил в 1962 году выпускник Оксфорда Джон Гёрдон (John B. Gurdon), работавший в Калифорнийском технологическом институте. Он уничтожил ультрафиолетовым излучением ядро оплодотворенной яйцеклетки лягушки Xenopuslaevis, а затем пересадил в нее ядро из специализированной клетки эпителия кишечника головастика. После такой манипуляции часть икринок превратились в плавающих и нормально развивающихся головастиков.
Этот опыт доказал, что, оказавшись в ситуации раннего эмбриогенеза, ядро специализированной клетки начинает выполнять те же функции, что и ядра клеток эмбрионов. Значит, в нем не происходит никаких изменений, которые делали бы невозможным повторение самых ранних этапов дифференциации. Более того, в определенных условиях клетка кишечника или кожи может развиться в целый организм. Поначалу научная общественность отнеслась к выводам Гёрдона с недоверием. Молодого исследователя обвиняли чуть ли не в шарлатанстве, и, чтобы доказать свою добросовестность, ему пришлось многократно повторять «сомнительные» эксперименты.
Шинья Яманака изучал гены, активные в стволовых клетках. Когда он перенес эти гены в фибробласты, взятые из кожи, последние превратились в плюрипотентные стволовые клетки, которые потом развились во все виды клеток взрослой мыши. Они были названы индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (иПСК).
Уже в 90-е годы XX века немного модифицированным методом переноса ядра в цитоплазму яйцеклетки были клонированы первые млекопитающие: сначала знаменитая овечка Долли, затем мышь, собака, волк, свинья и др. Основа для этих опытов была заложена Гёрдоном, хотя его имя было известно общественности куда меньше, чем, например, имя создателя Долли Яна Вилмута.
Пересадка генов
Несмотря на триумф Гёрдона, по-прежнему оставалось невыясненным, можно ли вернуть плюрипотентность не отдельному ядру, а целой специализированной клетке. Дать ответ на этот вопрос удалось далеко не сразу: десятилетия ушли на накопление знаний в области генетики и биохимии, а также на разработку методов манипулирования геномом в исследовательских целях.
Применить все это на практике сумел Шинья Яманака (Shinya Yamanaka), хирург-ортопед, увлекшийся изучением эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) и в конце 90-х занявший должность адъюнкт-профессора в Институте науки и технологий Нара. Лаборатория Яманаки занималась выявлением генетических механизмов, отвечающих за плюрипотентность. Ученые идентифицировали 24 гена, которые были активны в ЭСК мышей, и с помощью вируса встроили их в геном клеток кожи взрослых грызунов – фибробластов. Модифицированные фибробласты обрели свойства плюрипотентных ЭСК, в том числе способность превращаться в клетки различных тканей.
Детище Яманаки было названо индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (иПСК). В процессе дальнейших исследований число генов, необходимых для такой трансформации, сократилось до 4. Более того, поскольку постоянно «включенные» гены плюрипотентности могут нарушить жизнедеятельность клетки, были разработаны методы, позволяющие со временем удалять их из клеточной ДНК. В 2007 году Яманака получил индуцированные плюрипотентные клетки из фибробластов человека, а затем превратил их в функционирующие кардиомиоциты.
Фантастика и реальность
Японскому исследователю впервые удалось вернуть плюрипотентность зрелым, прошедшим все стадии дифференциации клеткам животных и человека. Причем оказалось, что добиться этого можно при помощи относительно несложных манипуляций. Таким образом был найден новый, более удобный и безупречный с этической точки зрения источник стволовых клеток, что избавило научное сообщество от нескончаемых дискуссий о допустимости экспериментов с эмбрионами. Кроме того, технология, предложенная Яманакой, дает возможность получать стволовые клетки с геномом конкретных пациентов. И хотя их терапевтическое применение остается делом достаточно отдаленного будущего, реальную пользу больным они приносят уже сейчас.
В течение последних нескольких лет в ведущих лабораториях мира были созданы бессмертные линии клеток людей с целым рядом наследственных заболеваний. Это позволило детально изучить сами болезни и начать испытывать новые перспективные препараты для их лечения. Подобные лабораторные модели используются для исследования амиотрофического латерального склероза, синдрома Ретта, спинальной мышечной атрофии, дефицита антитрипсина альфа-1, семейной гиперхолестеринемии, нескольких генетически обусловленных сердечно-сосудистых заболеваний.
Имеются также успешные опыты моделирования «в пробирке» патологий, развивающихся в преклонном возрасте, в том числе болезни Альцгеймера. Некоторые исследования уже привели к появлению перспективных прототипов новых лекарственных средств.
В настоящее время иПСК можно получать от людей, страдающих различными заболеваниями. Превращая иПСК таких пациентов в зрелые клетки, в том числе нейроны, кардиомиоциты и гепатоциты, можно с новой точки зрения изучать развитие болезни, а также тестировать лекарства.
Нобелевская премия по медицине или физиологии за 2012 год присуждена Джону Гёрдону и Шинье Яманаке с формулировкой «за открытие того факта, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные». Можно предположить, что особенно приятной эта новость была для Гёрдона, ожидавшего высокого признания своих заслуг ровно полвека.
Михаил Алексеев
