Клетки "без имени-отчества"
Миллионы людей до нас и миллионы после нас задумывались и будут задумываться над простым вопросом: как вся информация о живом организме может "упаковаться" в одну микроскопическую живую капельку, а затем разнестись по миллионам самых разных клеток? Еще 20 лет назад все рассуждения на эту тему не имели никакого экспериментального обоснования: в руках у исследователей не было той самой клетки-"праматери", клетки - предшественницы всех клеток организма, так называемой эмбриональной стволовой клетки. Правда, у растений рост зародыша из неполовых клеток-предшественников хорошо известен. Так, из кусочка зародышевой ткани моркови или женьшеня можно вырастить полноценное растение с половыми клетками.
Только в 1981 году американскому ученому Мартину Эвансу впервые удалось выделить животную стволовую эмбриональную клетку из зародыша мыши. Все последующие годы усилия ученых были направлены на получение эмбриональной стволовой клетки из человеческого зародыша. И в 1998 году удача улыбнулась американским исследователям Джеймсу Томпсону и Джону Беккеру. Сейчас каждый из них имеет в своей лаборатории до 10 бессмертных саморазмножающихся клеточных линий человеческих эмбриональных стволовых клеток.
В нашей стране одним из признанных лидеров исследований в области эмбриональных стволовых клеток является профессор В. Репин. Данная статья представляет собой запись его доклада, сделанного в мае этого года на заседании президиума Российской академии медицинских наук.
Самое главное свойство эмбриональной стволовой клетки состоит в том, что генетическая информация, заключенная в ее ядре, находится как бы в "нулевой точке" отсчета. Дело в том, что все неполовые клетки живых организмов (соматические клетки) специализированы, то есть выполняют какие-либо функции: клетки костной ткани формируют скелет, клетки крови отвечают за иммунитет и разносят кислород, нервные клетки проводят электрический импульс и так далее. А эмбриональная стволовая клетка еще не "включила" механизмы, определяющие ее специализацию. В "нулевой точке" ее геном еще не "запустил" ни одной программы и, что особенно важно, не начал выполнять программу размножения и формирования многоклеточного зародыша. Таких "нулевых" клеток в зародыше очень мало - всего сотые доли процента, вот почему исследователям так трудно было получить их в "чистом виде".
Эмбриональные стволовые клетки не работают в автоматическом режиме, как, например, тромбоциты или лимфоциты, они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток. Эмбриональная клетка лишь ждет специального "сигнала", чтобы начать одно из своих превращений. Это означает, что она не имеет никаких функций, кроме переноса мРНК в следующее клеточное поколение. Все клетки имеют, а она - нет. Эмбриональная клетка - кассета с информацией, клетка-аноним, клетка "без имени-отчества".
Еще один важный момент. Из эмбриональных стволовых клеток формируются островки в различных органах и тканях. По сути, наши органы являются смесью взрослых специализированных клеток с вкраплениями зародышевой ткани в виде эмбриональных стволовых клеток. Эти клетки растут, рождаются и умирают. И лишь их "праматерь" бессмертна. Сейчас уже научились выделять из головного мозга зародышей не просто отдельные эмбриональные стволовые клетки, а зародышевую ткань, из которой, как из куска глины, природа "лепит" все живое. При хранении зародыша в холодильнике при +4оС через 4-5 часов все клетки погибают, остаются лишь эмбриональные стволовые клетки-предшественники.
Эмбриональная стволовая клетка расскажет ученым о том, как "работают" гены
Томпсон и Беккер сделали для биологиче ской науки ХХI века то же самое, что Уотсон и Крик для молекулярной биологии ХХ века. Уотсон и Крик нашли научный плацдарм для работы в области генетики, а Томпсон и Беккер - в области функциональной геномики. И действитель но, их авторитет и количество публикаций по изучению эмбриональной стволовой клетки растут лавинообразно, несмотря на то, что они опубликовали всего лишь по одной работе в международных научных журналах "Science" и "Proceedings of National Academy of Sciences USA" (Труды американской национальной Академии наук) в 1998 году, а уже в 1999 году журнал "Science" признал выделение эмбриональных стволовых клеток человека третьим по важности событием в биологии ХХ века.
С открытием в 1953 году Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК ученые поняли, где в живой клетке хранится и как передается наследственная информация. Уотсон и Крик помогли понять, как законы наследственности "работают" в масштабе одной клетки. В 2001 году ученые полностью расшифровали молекулярную структуру ДНК человека, но не поняли, как "работают" составляющие ее гены. И вот эмбриональная стволовая клетка оказалась прекрасной моделью для понимания того, как 5000 генов эмбриогенеза тиражируют генетическую информацию, чтобы из одной клетки вырос человеческий организм, состоящий из 1014 клеток.
Вся "работа" генома контролируется определенным набором генов, которые сначала формируют "костяк" клетки, потом ее внутреннюю структуру (органеллы) и, наконец, целиком клетку с полным набором генов. Говоря языком компьютерщиков, устройство клетки - это hardware - аппаратное обеспечение компьютера. И в последний момент в клетку "встраивается" software - генетическая программа, определяющая ее специализацию, ее место в организме. Проще говоря, это инструкция к тому, будет ли данная клетка, к примеру, частью соединительной ткани или она станет элементом крови.
Итак, все клетки одного организма имеют одинаковый набор генов, но у каждого из нас есть по меньшей мере 350 типов клеток, "работающих" по различным генетическим программам.
Перед одной-единственной клеткой стоит задача превратиться в организм, состоящий из миллиардов клеток. Для этого в ней имеются 5000 так называемых генов эмбриогенеза, регулирующих этот процесс на начальной стадии развития зародыша. Сначала оплодотворенная яйцеклетка размножается, превращаясь в клетки, которым не суждено стать зачатками будущих органов или тканей, они просто переносчики генетической информации в виде молекул РНК.
И только когда накопится уже достаточное количество информации, в работу включаются гены, ответственные за специализацию, после чего начинают формироваться семейства различных стволовых клеток и происходит сегментация зародыша (структурно выделяются участки будущих органов). Причем количество клеток в том или ином сегменте (будущем органе) генетически запрограммировано, а значит - конечно. Поэтому ученым при выращивании семейства эмбриональных стволовых клеток чрезвычайно важно брать клетку-"праматерь" на стадии, когда еще "молчат" гены сегментации. Томпсону и Беккеру это удалось, и потому они на сегодняшний день имеют практически неограниченное количество бессмертных эмбриональных стволовых клеток.
Эмбриональная стволовая клетка, клонирование и клеточная терапия
Удивительная способность эмбриональной стволовой клетки стать любой клеткой организма продиктована наличием в ней избытка РНК всех генов, отвечающих за рост зародыша на ранней стадии развития эмбриона. Факторы, делающие эмбриональную клетку уникальной, находятся в ее клеточной жидкости - цитоплазме. Именно поэтому возможно клонирование живых существ. Можно "вынуть" ядро с генетическим материалом из клетки любого организма, "вставить" его в оболочку яйцеклетки, и система начнет "работать" - копировать содержащуюся в ДНК информацию, а затем формировать новое живое существо, идентичное донору.
Изучение путей превращения эмбриональной стволовой клетки особенно важно для медицины, ведь, зная их, можно вырастить из клеток-предшественников огромный массив ткани и, в принципе, любой человеческий орган. Но для того, чтобы клонировать орган, одних эмбриональных стволовых клеток недостаточно. Нужны еще специальные стволовые клетки, из которых выращивается межклеточное вещество, формируется кровеносная система. Работы по выращиванию органов уже ведутся. Ведь стоит только направить эмбриональные клетки по "нужному пути" - и успех обеспечен. Во многих случаях ученые уже знают, как это сделать.
Хочу отметить, что в статье затронут исключительно научный аспект изучения эмбриональных стволовых клеток и ничего не сказано о терапии с использованием эмбриональных стволовых клеток, о том, что происходит с эмбриональными клетками при их пересадке в различные органы и ткани животных и человека. А между тем это огромная и очень важная тема. При пересадке эмбриональных стволовых клеток в какой-либо орган из них всегда образуются только клетки этого органа, что позволяет использовать эмбриональные стволовые клетки для восстановления поврежденных органов и тканей, лечения множества тяжелых заболеваний.
Эмбриональная стволовая клетка и мозг человека
Программа "Геном человека" показала, что мы отличаемся от обезьян и других млекопитающих очень немногим - так называемыми генами эмбриогенеза, то есть теми генами, которые отвечают за раннее развитие зародыша из эмбриональной стволовой клетки. Причем это относится не ко всем клеткам, а только к тем, которые управляют развитием мозга. Интересно, что, в отличие от всех живых существ, передняя доля мозга человека уже на ранних стадиях перестает контролироваться генами, которые определяют, сколько клеток будет в том или ином органе. Вот поэтому мозг человека может расти. То есть только "наши" (только человеческие) гены позволяют будущим клеткам мозга совершить такую экспансию. Более того, формирующиеся в процессе развития мозга новые нейроны не стоят на месте - они мигрируют, создавая новые и новые клеточные образования. Такого нет ни у кого из живых существ, кроме человека.
Благодаря новым генам мозг зародыша человека и других млекопитающих приобрел и новый орган - нервный гребень. Его клетки - "марафонцы", они способны пройти расстояние в несколько метров. Из мигрирующих клеток гребня образуются вся костно-мышечная система лица, тимус, все элементы внутреннего уха, проводящая система сердца, периферическая нервная система, надпочечники.
Изучение превращений стволовых клеток выявило множество удивительных взаимосвязей в системе органов и тканей человека. Можно привести один яркий пример.
Президент Клинтон за год до президентских выборов в США выступил по телевидению. Он обещал пяти миллионам имеющих право голоса диабетиков решить проблему инсулина раз и навсегда за два года. Дело в том, что за два года до этого известный американский ученый Ро Маккей, выращивая нервные клетки из их предшественников - нейрональных стволовых клеток, неожиданно обнаружил в межклеточной среде появление инсулина. В это было трудно поверить, но ученый решил идти до конца, сумел убедить в своей правоте многих и получил под научный проект огромное финансирование. И весной 2001 года в своей публикации в журнале "Science" он сообщил о том, что при определенных условиях нейрональные стволовые клетки способны превращаться в бета-клетки поджелудочной железы, то есть в клетки, вырабатывающие инсулин. Но самое интересное, что бета-клетки состоят "в очень близком родстве" с клетками стриатума - важной части головного мозга, управляющей многими процессами. Конечно, это неспроста, и здесь ученых ждут удивительные открытия.
Эмбриональные стволовые клетки и биоэтика
Несмотря на то, что исследования в области эмбриональных клеток сулят ученым грандиозный прорыв во всех отраслях биологии и медицины, в США и Германии они сейчас "заморожены", но продолжают проводиться в Англии, Японии, Австралии и многих других развитых странах. Основная причина запрещения научных исследований - этическая. Ведь пока основной источник эмбриональных клеток - материал, остающийся от искусственного оплодотворения, и фетальная ткань от медицинских абортов. Католическая церковь, религиозные общины, различные общественные организации, которые борются за запрещение абортов, оказывают колоссальное давление на правительства и президентов, призывая вместе с абортами запретить и исследование эмбриональных стволовых клеток, и лечение с их применением.
В ответ на это совсем недавно 80 нобелевских лауреатов отправили письмо президенту США Дж. Бушу о необходимости продолжения научных работ с эмбриональными стволовыми клетками. В нем утверждается, что, несмотря на религиозные и этические проблемы, достижения в этой области принесут пользу человечеству, несоизмеримую с моральными издержками на пути продвижения к истине. Кто прав - покажет время.
