Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки: читать начало книги онлайн

Еще 20 лет назад я училась в школе. Все, что знала о генах, – это то, как они передаются через поколения. Доминантные они или рецессивные, желтый горошек будет у следующего поколения или зеленый. Закон Менделя и его последствия. Думала ли я, что уже скоро определенные гены можно будет просто отредактировать? Могла ли я представить, что препаратами на основе определенных генов начнут лечить рак, гемофилию и даже бороться со старением?

Снова молодой

Если внешние признаки старения каждому знакомы, то вот процессы, которые провоцируют старение организма внутри, не каждый себе может явно представить. В течение жизни наши клетки непрерывно делятся, образуя себе подобных. Для того чтобы создать новую клетку, необходимо скопировать ДНК исходной.

Как я писала ранее, у хромосомы есть концевые участки – теломеры. Они защищают ДНК от повреждений. При каждом делении эти участки укорачиваются. Но есть фермент теломераза, который способен достраивать теломеры. Искусственная «починка» теломер ранее испытывалась только на культурах выращенных клеток и лабораторных животных, показав значимые результаты. Но в 2015 году доброволица по имени Элизабет Перриш решилась на эксперимент [1]. В 44 года она прошла два курса генной терапии, которые были направлены на то, чтобы предотвратить потерю мышечной массы (это естественный процесс при старении) и увеличить количество теломеразы. Инъекции делались в Колумбии, так как Минздрав США не одобрил этот препарат. Различные издания написали о том, что теломеры «удлинились», женщина помолодела и все остались довольны. Все, кроме ученых, поскольку ни одной научной статьи по данным этого эксперимента опубликовано не было, а подобные «манипуляции» на людях больше не повторялись. К тому же измерение теломер лимфоцитов – не особо хорошая метрика, поскольку их длина может очень сильно меняться даже в течение короткого промежутка времени, до двух лет.

Вылечить неизлечимое

Одним из последних направлений в поиске лекарства против рака остается индивидуальная генная терапия, так как природа раковых заболеваний кроется в ошибках деления клеток и «поломке» собственной ДНК организма. И Американское управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило применение генной терапии препаратом Yescarta для рецидивирующей лимфомы [2]. При этой болезни клетки иммунной защиты В-лимфоциты «сходят с ума» и не выполняют своей функции. Они атакуют здоровые ткани, разрушая организм.

Это уже второй случай одобрения генной терапии: ранее допустили похожую методику препаратом Kimriah для лечения лимфобластного лейкоза у молодых пациентов с неоднократными случаями рецидива. В ходе испытания выздоравливали 83 % пациентов [3].

Цена новой генной терапии для лечения лимфомы препаратом Yescarta составляет 373 тыс. долларов. При этом производители не скрывают, что стоимость может увеличиться.

Суть работы обоих препаратов состоит в следующем: у пациента берут собственные Т-лимфоциты (белые кровяные тельца, которые реагируют на чужеродные вещества в организме) и в лабораторных условиях с помощью специального вируса встраивают в генотип Т-лимфоцитов информацию о том, что В-клетки (клетки иммунитета, которые синтезируют антитела для борьбы с патогенами) пациента – чужеродные агенты и их нужно уничтожать. Далее модифицированные клетки вводят обратно пациенту, и начинается «война». При этом здоровые В-клетки тоже погибают, но побочный эффект при этом уступает ожидаемой пользе для жизни.

Препарат Yescarta разработали для взрослых пациентов. С его помощью 51 % испытуемых добились полной ремиссии болезни. Это большой шаг в лечении рецидивирующих форм лимфом.

Генная терапия может помочь не только в случае онкологии: ее успешно опробовали при лечении гемофилии – наследственного заболевания, при котором даже маленький порез может стать смертельным [4]. Для того чтобы кровь остановилась, должен произойти целый каскад биохимических реакций, в котором принимают участие факторы свертываемости. При гемофилии В фактор IX содержит генную мутацию, и весь процесс свертывания крови нарушается.

Ранее ученые обнаружили, что не все мутации этого фактора вызывают снижение функции свертывания крови. Определенные варианты гена фактора IX могут повышать его активность в 8-12 раз [5]! Десяти добровольцам ввели ген усиленного фактора IX в виде вирус-частицы, которая встраивается в клетки печени. До эксперимента все участники страдали от спонтанных кровотечений. После введения препарата уровень фактора свертываемости вырос, а за год у 9 из 10 пациентов прекратились спонтанные кровотечения. При этом никаких серьезных побочных эффектов выявлено не было.

Ванга бы прозрела, Бетховен бы услышал

Через зрительный анализатор мы воспринимаем большую часть информации из окружающего мира. Потеря зрения становится для человека важнейшей проблемой: жизнь уже не будет прежней.

Но что, если обратиться к генной терапии и помочь организму восстановить зрение? Один пациент с генетической формой врожденной слепоты, при которой люди обычно в раннем возрасте теряют зрение, согласился получить генную терапию [6]. У него в организме была мутация гена, который отвечает за синтез в клетках белка СЕР290. Этот белок «следит» за нормальной работой фоторецепторных клеток. С помощью внутриглазной инъекции пациенту ввели короткую молекулу РНК под названием се-пофарсен: с нее будет считываться информация о строении белка СЕР290 (клеткам как раз не хватало именно этого). Спустя два месяца неожиданно для самих исследователей у пациента восстановилось зрение, и он отчетливо видел последующие 15 месяцев. Требуются дополнительные исследования, но даже этих результатов достаточно, чтобы продолжать работу в этом направлении.

Еще одно врожденное генетическое заболевании глаз – оптическая нейропатия Лебера, повреждение зрительного нерва, при котором нарушается передача сигнала от глаза в зрительную кору, – ученые исследовали, чтобы понять возможность лечения с помощью генной терапии [7]. Болезнь вызывают точечные мутации в митохондриальной ДНК, из-за которых постепенно погибают нервные клетки глаза, и человек теряет зрение всего за год. Препаратов для лечения болезни нет, лишь на начальных этапах стараются проводить поддерживающую терапию, которая замедляет процесс потери зрения.

Решить проблему можно заменой поломанного гена на правильный. Сложность в том, что мутация при этой болезни происходит не в ядерной ДНК, а в митохондриальной. Ученым пришлось создать новый вирус, который доставит ген туда, куда нужно: в вирусную частицу добавили сигнальную молекулу митохондриальной ДНК – метку, позволяющую попасть в митохондрию.

Недавно исследователи отчитались о третьей фазе клинических испытаний, для которой отобрали 37 пациентов [7]. Каждому из них ввели в один глаз плацебо-препарат, а в другой – настоящий (при этом сам испытуемый не был в курсе, где какой). Разница в состоянии двух глаз должна была служить показателем эффективности генной терапии. Когда ученые подводили итоги, оказалось, что тот глаз, который получил плацебо, тоже стал видеть лучше – на 43 %, а глаз с генной терапией – на 62 %. И за два года у 68 % пациентов стал видеть лучше хотя бы один глаз, у двоих это был глаз, в который ввели плацебо-препарат.

Почему же могло так произойти? Давайте рассуждать. Благодаря особому анатомо-физиологическому строения глаза в него можно вводить вирусные частицы с генами, не опасаясь иммунного ответа: зрительный аппарат имеет обособленный кровоток. Однако, если при введении плацебо-препарата зрение улучшилось, значит, существуют какие-то пути сообщения между двумя глазами. В исследованиях на приматах было показано, что вирусная частица перемещается через головной мозг по зрительным нервам. Либо же это спонтанное улучшение зрения, которое не связано с терапией.

Еще одно генетическое заболевание, забирающее у человека зрение, – оптическая нейропатия Кьера. Она поражает зрительный нерв во взрослом возрасте, а ее исход варьируется от ухудшения зрения до дальтонизма и полной потери зрения. За развитие болезни отвечает ген ОРА1, без которого митохондрии, энергетические станции клетки, не могут выполнять своей функции. Биологи из Тринити-колледжа в Дублине разработали новый генный препарат, который защищает зрительные нервы от повреждения в них митохондрий [8]. Пока методика испытана только на лабораторных животных, но исследователи говорят о возможности применять этот препарат на человеке. Генная терапия позволила ученым изменить работу митохондрий в поврежденных клетках и повысить их способность производить энергию. Такую стратегию можно использовать для лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера – и об этом поговорим позже.

Большинство заболеваний, которые приводят к слепоте, связаны с нарушением в работе фоточувствительных клеток. Немного погрузимся в анатомию глаза. Фоточувствительные клетки можно разделить на три типа: палочки, колбочки и фоточувствительные клетки сетчатки. Они расположены по всей сетчатке, воспринимают цвета и передают информацию выше в зрительную кору через другие клетки зрительного пути. При некоторых заболеваниях, в том числе возрастных, палочки и колбочки повреждаются и развивается слепота.

Методика, которая призвана восстановить потерянное зрение, заключается в обходе палочек и колбочек и активации непосредственно второй клетки в цепочке зрительного пути – биполярной [9].

Для этого биологи выделили ген MCOI, который активирует сигнальные белки – опсины – ив фоторецепторных, и в биполярных клетках сетчатки. В результате инъекции вируса, содержащего этот ген, биполярная клетка активируется, и вновь появляется чувствительность к свету. Эксперимент проводили только на незрячих мышах в лабораторных условиях. Эффект сохранялся в течение шести месяцев. Возможно, доработав методику, удастся усовершенствовать этот подход и вернуть зрение многим людям, потерявшим его.

Наряду с потерей зрения острой проблемой, которая стоит перед врачами и учеными всего мира, является потеря слуха. В 16 % процентах случаев потери слуха виноватым считают мутацию в гене STRC. Этот ген кодирует белок, благодаря которому чувствительные волосковые клетки уха имеют правильную структуру и улавливают колебания, посылая их в мозг. Мутация в гене STRC прерывает процесс передачи нервного импульса [10].

Ученые из Бостонской детской больницы под руководством Джеффри Холта заинтересовались, как можно восстановить слух с помощью генной терапии [11]. Важное условие успеха – это полная сохранность волосковых клеток. Исследователи даже считают, что в будущем станет возможным лечение врожденной патологии у младенцев.

Пока эксперимент провели на лабораторных животных. Для того чтобы доставить правильную версию гена в волосковые клетки, ученые использовали вирусный вектор AAV. У подопытных животных была врожденная потеря слуха как раз из-за мутации данного гена. Через несколько недель после лечения препаратом команда Холта исследовала слуховой аппарат мышек под микроскопом и установила, что 64 % волосяных клеток стали более структурированы. Следующий шаг эксперимента – тестирование на человеческих клетках в лабораторных условиях, а далее уже на людях.

Альцгеймер и Паркинсон

К болезням, которые человечество не научилось полностью излечивать, относят болезни Альцгеймера и Паркинсона. По данным Всемирной организации здравоохранения, десятки миллионов людей по всему миру страдают от них, и это число увеличивается. Нужно найти терапию, способную остановить развитие симптомов и продлить людям полноценную жизнь.