«Чудесная жизнь клеток. Как мы живем и почему мы умираем» Льюис Уолперт
Каждая наша клетка содержит около 30 тысяч различных генов, в то время как некоторым бактериям достаточно всего 500 генов. В генах содержатся коды, согласно которым синтезируются белки и определяется порядок расположения в них аминокислот. В каком бы месте человеческого тела ни находились клетки, они всегда содержат один и тот же набор генов. Однако в зависимости от типа клеток - клеток кожи, нервных или мышечных - в них для синтеза новых белков задействуются различные гены.
Длинные цепочки ДНК в хромосомах клетки плотно сжаты. Компактное расположение ДНК в хромосомах осуществляется за счет особых белков, вокруг которых наматываются нити ДНК. Но в клетке присутствуют белки, которые, чтобы облегчить синтез новых белков согласно содержащемуся в ДНК коду, при необходимости переводят ДНК из компактной формы в развернутую. Под воздействием этих белков готовящиеся к делению клетки хромосомы развертываются и с этого момента занимают в 10 тысяч раз больше места.
Как стволовые клетки воспроизводят сами себя
Стволовые клетки обладают функцией самообновления - они могут делиться снова и снова, порождая многие другие типы клеток. После деления стволовой клетки одна из образовавшихся дочерних клеток так и остается стволовой, в то время как вторая развивается в специализированную клетку - например, клетку кожи. Стволовые клетки могут делиться и симметрично, то есть так, что обе новые дочерние клетки остаются стволовыми.
При этом наивысшей способностью развиваться во все существующие типы клеток обладают стволовые клетки, взятые из человеческого эмбриона, - эмбриональные стволовые клетки. В принципе возможно создать эмбрион с генами какого-то конкретного индивида, поместив взятое из клетки этого человека ядро в яйцеклетку, заранее лишенную ядра, и таким образом получив стволовые клетки, обладающие генами донора.
Тилл и Мак-Каллох разработали определение стволовых клеток, которое является верным и по сей день: это самовозобновляющиеся клетки, способные к интенсивному размножению и превращению при этом в клетки самых разных типов. Канадские ученые доказали, что стволовая клетка костного мозга может произвести любую клетку крови.
Пересадка костного мозга пациентам, страдающим от лейкемии, осуществляется после того, как стволовые клетки, вызывающие разрастание раковой опухоли, уничтожаются при помощи радиоактивного облучения. Пересадка демонстрирует роль тех стволовых клеток, которые содержатся в донорских порциях костного мозга. Чтобы восстановить работу кроветворной системы организма, их требуется незначительное число. Правда, при этом возникает серьезная проблема - отторжение чужих стволовых клеток иммунной системой организма; это происходит даже тогда, когда эти клетки для пересадки берутся у близкого родственника.
Все наши кровяные клетки берут начало из стволовых кровяных клеток, находящихся в костном мозге вместе с теми стволовыми клетками, которые сформировались у нас в печени, когда мы были эмбрионами. Эти стволовые клетки делятся, и их дочерние клетки способны породить любой из нескольких типов кровяных клеток, имеющихся в нашем организме.
Основным типом клетки, порождаемым стволовыми кровяными клетками, является красная кровяная клетка, которая содержит в себе белок гемоглобин, позволяющий переносить кислород из легких в ткани. Красные кровяные клетки имеют ограниченный срок жизни - около 120 дней, и поразительным является то, что каждую секунду наш костный мозг производит два миллиона новых красных кровяных клеток. Красные кровяные клетки не способны делиться, так как они лишены ядра, митохондрий и некоторых других элементов и в них остался в основном лишь гемоглобин. Продукты жизнедеятельности красных кровяных клеток утилизируются макрофагами.
Откуда стволовые клетки узнают, какой именно тип кровяных клеток необходимо произвести и как развиваются эти кровяные клетки? Стволовая клетка имеет в своем составе гены, позволяющие приступить к формированию новых кровяных клеток; производство какого-то определенного типа кровяных клеток требует провести активацию тех генов, которые нужны для их синтеза, и деактивацию других генов - необходимых для производства иных типов кровяных клеток. Эти процессы контролируются двумя сотнями транскрипционных факторов, управляющих активностью гена. Находящиеся вне стволовых клеток белки контролируют, насколько быстро и часто будут делиться стволовые клетки и какой именно тип клеток разовьется из них. Стволовые клетки получают также сигналы издалека: когда организм чувствуют нехватку кислорода, производство красных кровяных клеток стимулируется гормоном, который вырабатывается в почках.
Внешний слой нашей кожи меняется за время жизни человека около тысячи раз. Это происходит благодаря стволовым клеткам, которые порождают клетки кожи и способны неоднократно повторять этот процесс. Стволовые клетки находятся в глубинных слоях кожи и в основании волосяных луковиц. Они порождают кератиноциты, клетки кожи внешнего кожного покрова, которые перемещаются к поверхности кожи. Белок кератин скрепляет их воедино, благодаря чему они образуют внешний защитный слой. Эти клетки все время отмирают и спадают с нашего тела - они один из источников пыли в доме.
Стволовые клетки, находящиеся в основании волосяных луковиц, могут порождать и клетки волос, и клетки кожи. Слой клеток, выстилающий внутреннюю поверхность кишечника, также обновляется каждую неделю, и это тоже заслуга стволовых клеток. Еще одним примером являются клетки в носу, способные распознавать запахи. Стволовые клетки, существующие в определенных частях головного мозга, способны порождать нервные клетки. Стволовые клетки располагаются также вблизи наших мускулов, и если мускул повреждается, то они превращаются в новые мускульные клетки.
Механизм, который определяет, что одна из двух дочерних клеток станет стволовой клеткой, до сих пор до конца не ясен.
Отвечающие за регенерацию тканей у взрослых стволовые клетки, которые воспроизводят клетки крови, внутренней поверхности кишечника, кожи, нервов, могут породить лишь весьма ограниченное число разновидностей новых клеток. Они способны действовать только в весьма специфической среде - им требуется для функционирования особая ниша; хотя стволовые клетки крови присутствуют в крови, там они действовать не могут. Но можно ли заставить эти стволовые клетки производить те разновидности клеток, которые они обычно не производят? Могут ли стволовые клетки крови порождать, например, нервные клетки?
Достоверно подтвердить эти данные не удалось.
Стволовые клетки эмбриона не сталкиваются с подобными проблемами. Они значительно отличаются от тех клеток, которые позволяют обновлять ткани взрослого человека. Их способность превращаться в практически любые типы клеток почти неограниченна: они могут произвести любой тип клеток нашего тела. Каждая наша клетка произошла от этих стволовых клеток, когда мы были эмбрионами. Стволовые клетки эмбриона, взятые из тканей эмбриона на ранней стадии его развития, способны создать любые типы тканей нашего тела, и поэтому их относят к числу клеток, обладающих мультипотенцией.
Если эти клетки поместить в искусственную питательную среду и снабдить нормальным питанием, то он начнут безгранично разрастаться, делясь каждые двенадцать часов. Более того - и это самое важное, - они сохранят при этом мультипотенцию. Видоизменяя условия искусственной среды, в которых растут и размножаются эмбриональные стволовые клетки, можно заставить их развиться в специализированные типы клеток - нервные, мышечные и клетки крови. Стволовые клетки эмбриона мыши могут даже породить яйцеклетки.
Ученым лишь частично понятно, каким образом поддерживается мультипотенция этих клеток. Чтобы не позволить стволовым клеткам развиться в различные типы клеток и сохранить их способность к самовоспроизводству, необходимы соответствующие гены, которые уже удалось идентифицировать, и питательная среда.
Какими бы обнадеживающими ни были результаты экспериментов, необходимо помнить, что опыты на мышах показали: на месте инъекции эмбриональных стволовых клеток в кожу мыши появляется опухоль, состоящая из разных типов клеток. Поэтому стволовые клетки следует вводить в человеческий организм с чрезвычайной осторожностью. Существует и проблема отторжения чужих стволовых клеток иммунной системой человека.
Один из способов преодолеть проблему отторжения видят в изменении генетической конституции эмбриональных стволовых клеток таким образом, чтобы они не рассматривались организмом как чужие. Этого можно добиться за счет пересадки клеточного ядра, взятого из клетки пациента - причем из любой, даже из клетки соединительной ткани, - в яйцеклетку. Если этот метод сработает, станет возможным взять у эмбриона на ранней стадии развития стволовые клетки, которые будут иметь ту же генетическую конституцию, что и клетки самого пациента. Такие стволовые клетки не вызовут реакции иммунного отторжения. Но несмотря на то, что в последнее время достигнуты успехи в экспериментах как на клеточном материале людей, так и высших приматов, оказалось весьма непросто добиться последующего развития яйцеклетки с пересаженным в нее ядром чужой клетки.
Другой вариант преодоления иммунного отторжения - создание стволовых клеток на базе обычных клеток пациента. В этой сфере достигнут значительный прогресс. Идентифицированы гены, которые должны быть активированы, чтобы клетка приобрела характеристики эмбриональной стволовой клетки, - их оказалось всего четыре. В ходе экспериментов установлено, что клетки, обладающие характеристиками эмбриональных стволовых клеток, могут быть созданы из клеток кожи человека или мышей при помощи вируса, который введет в них эти четыре ключевых гена, и тогда они станут кодировать белковые транскрипционные факторы. А транскрипционные факторы, в свою очередь, активируют гены, чье воздействие необходимо, чтобы обычные клетки заработали как стволовые. Это позволит создать высококачественные клетки из клеток тела, которые сравнимы с эмбриональными стволовыми клетками по форме, распространению и генетической составляющей.
Правда, есть опасность, что эти клетки из-за участия в их создании вируса могут привести к формированию опухоли. Поэтому ученые подходят к перспективе их использования в медицине очень осторожно.
В общем, требуется еще немало времени, чтобы изучить молекулярные основы перепрограммирования обычных клеток в стволовые и отыскать молекулы, которые смогут перепрограммировать клетки, не передавая им при этом потенциально вредоносные гены наподобие тех, что содержатся в вирусах. Имеются, например, обнадеживающие данные о возможности создания эмбриональных стволовых клеток из мужских яичек. Если подобные исследования увенчаются успехом, это будет равносильно превращению свинца в золото.
Проблему нехватки человеческих яйцеклеток, накладывающую ограничения на производство эмбриональных стволовых клеток для разного рода экспериментов, можно решить, создавая клетки-химеры. Есть возможность создавать человекоподобные эмбриональные стволовые клетки, добавляя гены человека в яйцеклетки животных, например коров. Ядро из обычной человеческой клетки (скажем, клетки подкожной соединительной ткани) можно трансплантировать в яйцеклетку коровы и затем выделить эмбриональные стволовые клетки на ранней стадии развития эмбриона. При этом все ключевые гены такой клетки будут человеческими и лишь несколько генов, которые задают коды белков в митохондриях, будут взяты от коровы. Выделенные таким образом клетки могут стать весьма ценным материалом для изучения генетических заболеваний человека.