Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Джон Гердон работал с африканской шпорцевой лягушкой (Xenopus laevis, если представить ее официально), с одной из тех, ярым почитателем которых является Джон Малкович, пытаясь выяснить, что происходит с клетками по мере их развития, дифференциации и взросления. Он хотел узнать, по-прежнему ли клетка ткани взрослой лягушки содержит в себе весь генетический материал, которым она обладала когда-то, или он утрачен, или же его какая-то часть была необратимо репрессирована в процессе специализации клетки. Способ, которым он решил это выяснить, заключался в том, чтобы извлечь ядро из клетки взрослой лягушки и поместить его в неоплодотворенную яйцеклетку, из которой было предварительно удалено ее собственное ядро. Эта техника, с которой мы постоянно будем сталкиваться на протяжении всей книги, называется «перенос ядра соматической клетки» (ПЯСК). Термин «соматический» происходит от греческого слова, означающего «тело».

Осуществив ПЯСК, Джон Гердон поместил яйцеклетки в подходящую среду (совсем как тот малыш с полным лягушачьей икры аквариумом) и стал ждать, когда из этих обработанных икринок вылупятся маленькие головастики.

Этому эксперименту предстояло проверить следующую гипотезу: «По мере того как клетки становятся все более специфическими (дифференцированными), они претерпевают необратимую утрату/репрессию генетического материала». Итогом эксперимента должен был стать один из двух возможных результатов:

1. Гипотеза была верна, и «взрослое» ядро утратило часть изначального плана создания нового индивидуума. В этом случае взрослое ядро ни при каких обстоятельствах не будет способно заменить ядро яйцеклетки и не произведет новую здоровую лягушку со всеми присущими ей разнообразными и дифференцированными тканями.

2. Гипотеза была ошибочна, и новые лягушки могут быть созданы при удалении ядра из яйцеклетки и замене его ядром из взрослой ткани.

Другие исследователи пытались проделать нечто подобное еще до того, как Джон Гердон взялся за решение этой проблемы. Двое ученых, Бриггс и Кинг, проводили эксперименты с другим представителем земноводных — лягушкой Rana pipiens. В 1952 году они пересадили ядра из клеток на очень ранней стадии развития в яйцеклетки, из которых были удалены собственные ядра, и в итоге получили жизнеспособных лягушек. Тем самым, они продемонстрировали существование технической возможности переноса ядра из одной клетки в «пустую» яйцеклетку, при котором клетка не погибала. Однако затем Бриггс и Кинг опубликовали результаты следующего эксперимента, в ходе которого они прибегли к той же процедуре, но перенесли ядро более развитого клеточного типа, и на этот раз не получили ожидаемого результата — лягушки не вылупились. Разница между клетками, использовавшимися для переноса ядер в двух экспериментах, казалась ничтожно малой — всего лишь на какой-то день старше, а лягушат уже и нет. Это служило подтверждением гипотезы о том, что в процессе дифференциации клеток имеет место некая необратимая репрессия. Человека менее целеустремленного, чем Джон Гердон, такое известие, возможно, выбило бы из седла, однако он более десяти лет посвятил решению этой проблемы.

План проведения экспериментов следовало продумать самым тщательным образом. Представьте, что мы начали читать детективные повести Агаты Кристи. Прочитав первые три произведения, мы выдвигаем следующую гипотезу: «Убийцей в книгах Агаты Кристи всегда является доктор». Читаем следующие три повести и обнаруживаем, что в каждой из них действительно свирепствует врач. Подтвердили ли мы нашу гипотезу? Нет. Нас обязательно будет преследовать мысль, что, может быть, стоит прочесть хотя бы еще одно произведение, просто чтобы удостовериться. А что если какая-то из ее книг не напечатана? А вдруг мы не смогли ее отыскать? Сколько бы книг мы ни прочли, мы никогда не можем быть абсолютно уверены, что изучили все собрание сочинений. Но в этом-то и заключается вся прелесть опровержения гипотез. Все, что нам для этого требуется, это обнаружить одно-единственное произведение, в котором Пуаро или мисс Марпл убеждаются, что доктор является образцом законопослушания, а убийство совершил викарий, и тогда наша гипотеза разобьется вдребезги. Именно так строятся самые образцовые научные эксперименты — чтобы опровергнуть, а не подтвердить идею.

И здесь в полной мере проявила себя гениальность Джона Гердона. В то время, когда он проводил свои эксперименты, то, чего он пытался достичь, находилось на грани или даже за гранью возможностей современных ему технологий. Если бы ему не удалось произвести лягушат из ядер взрослой особи, это просто можно было бы списать на недостаточно высокое качество оборудования. Сколько бы раз он ни ставил эксперимент, который не приводил бы к появлению лягушат, это отнюдь не означало бы, что он подтвердил гипотезу. А вот если бы жизнеспособные лягушки действительно появились из яйцеклеток, собственные ядра которых были заменены взрослыми ядрами, тогда бы он опроверг эту гипотезу. Он бы со всей убедительностью продемонстрировал, что при дифференциации клеток их генетический материал не утрачивается необратимо и не меняется. Красота этого подхода заключалась в том, что единственная лягушка способна была перевернуть с ног на голову всю теорию — что она и сделала.

Джон Гердон всегда был и остается чрезвычайно щедр на благодарности в адрес своих коллег по научному сообществу, отмечая их вклад в проделанную им работу и говоря о прекрасных условиях, предоставленных ему лабораториями и университетами. Ему посчастливилось начать эксперименты в идеально оснащенной лаборатории, оборудованной новейшим инструментарием и установкой ультрафиолетового света. Благодаря этому он получил возможность убивать собственные ядра яйцеклеток-реципиентов, не нанося последним вреда, а также «размягчать» клетку, чтобы затем тончайшими стеклянными иглами для подкожных инъекций вводить в них донорские ядра. Другим исследователям, работавшим в той же лаборатории над собственными проектами, удалось вывести лягушек с явно выраженной, но не угрожавшей их жизни мутацией. Как почти все мутации, она возникла в ядре, а не в цитоплазме. Цитоплазма — это густая жидкость внутри клеток, в которой располагается ядро. Джон Гердон брал яйцеклетки лягушек одной группы и донорские ядра мутировавшей группы. Таким образом, он мог бы неоспоримо продемонстрировать, что все вылупившиеся в результате эксперимента лягушки несут в себе информацию донорского ядра и не являются продуктом экспериментальной ошибки, что могло бы иметь место, если бы несколько ядер реципиентов были оставлены в яйцеклетках после их обработки.

Джон Гердон занимался этими исследованиями, которые он начал в конце 1950-х годов, около пятнадцати лет, продемонстрировав в итоге, что ядра из специфических клеток действительно способны развиваться в полноценное живое существо, если их поместить в соответствующую среду, то есть в неоплодотворенную яйцеклетку[6]. Чем более дифференцированной (специфичной) была донорская клетка, тем менее успешным оказывался результат, если говорить о количестве животных, но в этом и состоит красота опровержения гипотез. Для начала эксперимента нам может потребоваться очень много лягушачьих икринок, но, чтобы наш эксперимент считался успешным, мы отнюдь не обязаны получить в итоге столь же много живых лягушек. Всего лишь одного врача, оказавшегося не убийцей, будет вполне достаточно, помните?

Тем самым Джон Гердон показал, что, несмотря на присутствие в клетках некоего механизма, способного поддерживать определенные гены в активированном или репрессированном состоянии в разных типах клеток, этот механизм, как бы он не действовал, не приводил к утрате или необратимой репрессии генетического материала. Когда Гердон помещал взрослое ядро в соответствующую среду — в данном случае, в «пустую» неоплодотворенную яйцеклетку, то это ядро напрочь «забывало», к какому клеточному типу принадлежало раньше. Оно вновь становилось наивным ядром эмбриона, чтобы опять с нуля начать собственный процесс развития.

На вопрос о том, чем же является этот механизм, и отвечает эпигенетика. Предмет исследований этой отрасли биологии развития заключается в изучении того, как ведут себя гены в ДНК, иногда на протяжении многих сотен циклов клеточных делений, и каким образом клетки наследуют определенные особенности своих «родителей». Эпигенетические модификации программы развития не оказывают влияния на генетический код, они не затрагивают его ни с какой стороны и программируют клетки на десятилетия вперед. Но при определенных обстоятельствах этот слой эпигенетической информации может быть удален, и под ним обнаружится все та же «белая и пушистая» последовательность ДНК, которая никуда и не девалась. Именно это и происходило, когда Джон Гердон помещал ядра полностью дифференцированных клеток в неоплодотворенные яйцеклетки.

Знал ли Джон Гердон механизм этого процесса, создавая новых лягушат? Нет. Становится ли от этого его открытие менее значимым? Нисколько. Дарвину абсолютно ничего не было известно о генах, когда он разрабатывал теорию эволюции, основываясь на изучении законов естественного отбора. Мендель ничего не знал о ДНК, когда в саду одного из австрийских монастырей развивал идею о наследственных факторах, передающих «истину» от одного поколения горошка другому. Это не имеет никакого значения. Они увидели то, что прежде не удавалось увидеть никому, и благодаря им мы вдруг получили возможность совершенно иначе взглянуть на окружающий мир.

Как это ни удивительно, но, когда Джон Гердон занимался этой работой, уже существовала некая концептуальная основа эпигенетики. Отправьтесь на любую конференцию, в названии которой присутствует слово «эпигенетика», и рано или поздно кто-либо из докладчиков непременно сошлется в своем выступлении на так называемый «эпигенетический ландшафт Уоддингтона». Он представит на ваше обозрение крупнозернистый рисунок, показанный на рисунке 1.1.

^{Рис. 1.1. Графическое изображение эпигенетического ландшафта, выполненное Конрадом Уоддингтоном. Положение шарика отражает вероятные судьбы различных клеток}

Конрад Уоддингтон был в высшей степени выдающимся британским эрудитом. Он родился в 1903 году в Индии, однако для получения школьного образования был отправлен в Англию. Выпускник Кембриджа, он большую часть своей жизни проработал в университете Эдинбурга. Его научные интересы были поистине безграничны и варьировались от биологии развития до изобразительных искусств, от философии до перекрестного оплодотворения, и едва ли не в каждой из этих отраслей знаний он стал первооткрывателем новых путей в их изучении.

Свой образный эпигенетический ландшафт Уоддингтон представил в 1957 году для иллюстрации концепций биологии развития[7].

Выполненный им рисунок заслуживает того, чтобы остановиться на нем подробнее. Как вы видите, на вершине холма располагается шарик. Начиная скатываться с возвышенности, он может направиться по одному из нескольких желобов, ведущих к подножью холма. Визуально мы легко можем представить себе этот процесс, поскольку в детстве каждому из нас не раз приходилось катать мячики по горкам, ступеням и т. д.

Что нам сразу же приходит в голову, когда мы видим рисунок уоддингтоновского ландшафта? Мы понимаем, что как только шарик достигнет низшей точки, то он, вероятно, так в ней и останется, если мы не будем его трогать. Мы знаем, что закатить шарик наверх будет намного сложнее, чем отправить его сверху вниз. Кроме того, мы осознаем, что перекатить шарик из одного желоба в другой также будет довольно обременительно. Пожалуй, легче будет частично или полностью снова подкатить его к верхней точке, чтобы затем направить вниз по новому руслу, чем пытаться перекатить из одной выемки в другую через разделяющий их «хребет». И наша задача усложнится многократно, если два интересующих нас желоба разделены более чем одним холмом.

Этот образ чрезвычайно полезен для зрительного представления того, что может случиться в процессе развития клетки. Шарик на вершине холма — это зигота, начальная клетка, возникающая в результате слияния одного сперматозоида и одной яйцеклетки. Когда различные клетки организма начинают дифференцироваться (становиться более специфичными), каждую из них мы можем сравнить с шариком, катящимся по склону холма и направляющимся по одному из желобов. Достигнув конечной точки своего движения, каждый шарик так в нем и остается. Если не случится нечто действительно экстраординарное, определенная клетка никогда не превратится в клетку другого типа (не перепрыгнет через барьер в соседнюю ложбину). Точно также и не направится она вверх, к вершине холма, чтобы снова скатиться с него и дать начало клеткам самых разнообразных типов.

Ландшафт Уоддингтона, подобно навигационной рукоятке путешественника во времени, на первый взгляд кажется всего лишь еще одним описанием. Однако это не просто описание, а модель, помогающая нам нащупать новые способы мышления. Как и очень многие ученые, упоминавшиеся в этой главе, Уоддингтон не знал принципов действия этою механизма, но неужели это имеет какое-то значение? Он предоставил нам новый и очень эффективный способ осмысления проблемы.

Эксперименты Джона Гердона показали, что иногда, если у него получалось достаточно поднатужиться, ему удавалось закатить клетку со дна ложбины у основания холма на самую вершину этого холма. Оттуда она могла снова скатиться вниз и опять превратиться в клетку любого типа. И каждая лягушка, созданная Джоном Гердоном и его командой, учила нас двум важным вещам. Во-первых, тому, что клонирование — воссоздание живого организма из клеток взрослой особи — возможно, поскольку именно его Гердон и осуществил. Во-вторых, мы узнали, что клонирование — чрезвычайно сложный процесс, так как для появления каждого лягушонка ученому приходилось выполнить сотни ПЯСК.

Вот почему такой фурор был произведен в 1996 году, когда Кит Кэмпбелл и Иэн Вилмут из Рослинского института впервые в истории клонировали млекопитающее, овцу Долли[8]. Как и Джон Гердон, они воспользовались ПЯСКом. В случае Долли ученые перенесли ядро из клетки молочной железы взрослой овцы в неоплодотворенную яйцеклетку овцы, предварительно удалив из него собственное ядро. Затем они поместили ее в матку овцы-реципиента. Настойчивость, которую пионеры клонирования проявили в своей работе, трудно назвать иначе, чем маниакальной. Кэмпбелл и Вилмут выполнили не менее трехсот пересадок ядра, прежде чем были вознаграждены рождением того легендарного животного, которое ныне вращается в стеклянном кубе в Королевском шотландском музее Эдинбурга. Даже сегодня, когда уже были клонированы самые разнообразные животные — от скаковых лошадей до племенного крупного рогатого скота и от декоративных пород собак до домашних кошек, — этот процесс все еще чрезвычайно малоэффективен.

Два вопроса продолжают оставаться в высшей степени актуальными с той поры, когда Долли шагнула в анналы истории на своих слабых трясущихся ножках, которым вскоре предстояло ощутить на себе все тяготы преждевременного артрита. Первый:: по каким причинам процесс клонирования животных настолько малоэффективен? И второй: почему полученные в результате клонирования животные отличаются значительно менее крепким здоровьем, чем их родственники, появившиеся на свет естественным путем? Ключом к ответам на оба эти вопроса является эпигенетика, и ключ этот лежит в области молекулярной биологии, в чем мы убедимся в ходе наших дальнейших исследований этой темы. Пока же последуем примеру путешественника во времени Г. Дж. Уэллса и, оставив Джона Гердона в Кембридже, перенесемся на тридцать с лишним лет вперед в японскую лабораторию, где некий не менее настойчивый ученый обнаружил совершенно иной способ клонирования животных из взрослых клеток.

Глава 2. Как мы учились катиться в гору

Итак, перепрыгнем почти через сорок лет, минувших с открытия Джона Гердона, и десятилетие после рождения Долли. Мы видим, что газеты просто переполнены публикациями о клонированных млекопитающих, и из-за их обилия создается впечатление, что эта процедура стала простой и рутинной. В действительности же процесс создания клонов путем переноса ядра продолжает оставаться чрезвычайно длительным и трудоемким и, соответственно, требующим существенных финансовых затрат. Трудности, с которыми сталкиваются исследователи, в значительной степени обусловлены тем, что им приходится вручную переносить соматические ядра в яйцеклетки. Кроме того, в отличие от амфибий, с которыми имел дело Джон Гердон, млекопитающие не производят одновременно яйцеклетки в больших количествах. Также усложняет их задачу и то, что яйцеклетки млекопитающих необходимо с предельной осторожностью извлекать из организма, поскольку сами собой они в аквариуме не оказываются, как это было с лягушачьей икрой. Яйцеклетки млекопитающих нуждаются в постоянном уходе и внимании, чтобы оставаться не просто живыми, но и здоровыми. Исследователи должны были вручную извлечь ядро из яйцеклетки, ввести ядро взрослой клетки (ничего при этом не повредив), но прежде чем имплантировать эту клетку в матку другой женской особи, необходимо было культивировать ее с максимальной осторожностью. Это невероятно напряженная и трудоемкая работа, причем каждый раз может быть пересажена лишь одна-единственная клетка.

Многие годы ученые мечтали о том, что у них появиться возможность клонирование в идеальных условиях. У взрослого млекопитающего, которое они хотели бы клонировать, исследователи брали бы самые доступные клетки. Крошечного соскоба клеток кожи было бы вполне достаточно, а сделать его было бы проще простого. Затем они бы обработали эти клетки в лаборатории, добавляя в них определенные гены, белки или другие химические соединения. Такая обработка принципиально изменила бы будущую судьбу ядер этих клеток. Вместо того чтобы вести себя как ядра клеток кожи, они перенимали бы манеру поведения ядер только что оплодотворенных яйцеклеток. Результат этой лабораторной обработки, таким образом, был бы аналогичен переносу ядер взрослых клеток в оплодотворенные яйцеклетки, из которых предварительно были удалены собственные ядра. Прелесть этой гипотетической методики заключается в том, что мы могли бы избавиться от множества сложных и трудоемких действий, требующих высочайшего уровня технического оснащения и мастерства при работе с крошечными клетками. Эта методика стала бы простой и доступной техникой, позволяющей применять ее одновременно на множестве клеток, а не выполнять каждый раз перенос лишь одного-единственного ядра.

Конечно, нам все еще предстояло бы найти способ доставки этих клеток в суррогатную мать, и это оставалось бы единственной задачей, требующей решения, если мы хотим создавать полноценных живых существ. Отчасти именно это и является нашей целью — дублировать племенных быков, например, или жеребцов, однако если говорить о воссоздании человека, то к такой перспективе большинство разумных людей относятся негативно. Более того, клонирование человека (репродуктивное клонирование) запрещено практически во всех странах, располагающих учеными и инфраструктурой для выполнения подобной задачи. Впрочем, на самом деле нам нет никакой нужды заходить настолько далеко и размышлять о перспективах клонирования человека, чтобы обосновать пользу, которую получит человечество от клонирования. Все, что нам нужно, это клетки, обладающие потенциалом превращаться в клетки других типов. Такого рода клетки называются стволовыми, и, образно говоря, они располагаются около вершины эпигенетического ландшафта Уоддингтона. Причина, по которой мы нуждаемся в таких клетках, объясняется природой заболеваний, составляющих одну из главных проблем нашей развитой цивилизации.

В богатых регионах нашей планеты болезни, убивающие наибольшее число людей, являются хроническими. Для развития им требуется продолжительное время, и часто столь же неспешно они убивают нас, когда принимаются за свое черное дело. Возьмем для примера сердечные заболевания — у человека, пережившего первый сердечный приступ, весьма незначительны шансы на то, что его сердце полностью восстановится и снова будет совершенно здоровым. Во время приступа некоторое количество клеток сердечной мышцы (кардиомиоциты) могут испытать кислородное голодание и погибнуть. На первый взгляд, это не должно представлять для нас большой проблемы, так как сердце наверняка может воссоздать новые клетки взамен утраченных, разве нет? В конце концов, мы ведь сдаем кровь, и наш костный мозг после этого производит больше красных кровяных телец. Точно так же, мы должны нанести ну уж очень большой вред собственной печени, чтобы она утратила способность восстанавливаться, «ремонтируя» сама себя. Но с сердцем дело обстоит несколько иначе. Кардиомиоциты принадлежат к так называемым «окончательно дифференцированным» клеткам — они скатились к самому подножию холма Уоддингтона и прочно застряли в отведенной им ложбине. В отличие от костного мозга или печени, сердце не располагает доступными запасами менее специализированных клеток (кардиальных стволовых клеток), которые могли бы превратиться в новые кардиомиоциты. Соответственно, долгосрочная проблема, вызванная сердечным приступом, состоит в том, что наш организм не способен создавать новые клетки сердечной мышцы. Организм делает единственное, что в его силах, заменяя погибшие кардиомиоциты соединительной тканью, и сердце никогда уже не бьется точно так, как билось прежде.

[6] Key papers from this programme of work include: Gurdon et al. (1958) Nature 182: 64–5; Gurdon (1960) J Embryol Exp Morphol. 8: 505–26; Gurdon( 1962) J Hered. 53: 5–9; Gurdon (1962) Dev Biol. 4: 256–73; Gurdon (1962) J Embryol Exp Morphol. 10: 622–40.

[7] Waddington, C. H. (1957), The Strategy of the Genes, published by Geo Allen & Unwin.

[8] Campbell et al. 1996 Nature 380: 64–6.