Читая между строк ДНК. Второй код нашей жизни, или Книга, которую нужно прочитать всем: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Там как раз пытались усовершенствовать клонирование — в надежде однажды вырастить генетически тождественные стволовые клетки пациентов, чтобы иметь возможность лучше изучить ход развития болезней. Очевидно, в процессе клонирования, как и в процессе выращивания определенных соматических клеток из стволовых, речь идет в значительной мере о программировании и перепрограммировании генома, то есть об эпигенетике.

Итак, Майсснер быстро научился ориентироваться в мире ацетильных и метильных групп, гистонов и микро-РНК. В итоге он внес заметный вклад в успешные эксперименты Рудольфа Йениша с так называемыми индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (и ПСК), которые получаются не клонированием, а в результате генно-инженерного перепрограммирования. «В последние годы я занимался исследованием стволовых клеток и эпигенетикой, — говорит Майсснер, — и благодаря своим новым должностям могу сочетать то и другое в более серьезном масштабе — исследование стволовых клеток в Гарварде и эпигенетику в Институте Бродов».

Сейчас Алекс взялся за гигантскую задачу — изучение человеческих эпигеномов. «Можно с полным правом утверждать, что такое исследование — ближайшая и важнейшая цель геномики», — заявляет молодой ученый.

Похоже, Майсснер снова абсолютно прав и очень вовремя поступил на работу в один из важнейших мировых центров эпигенетики. Ибо здесь эта наука вступает в совершенно новую фазу, которая вскоре может произвести настоящую революцию в молекулярной биологии и медицине.

Такой прогноз — никак не преувеличение, поскольку уже бесспорно доказано: механизмы второго кода принимают участие в развитии раковых и аутоиммунных заболеваний (астмы, аллергии), психических недугов и метаболического синдрома. Уже установлены важнейшие факторы, способствующие изменению эпигеномов: развитие в утробе матери и в раннем детстве, экологически вредные вещества, наркотики и медикаменты, старение, физическая активность и питание.

Однако эти взаимосвязи пока лишь обозначены. Весьма вероятно, что тот, кому удастся их прояснить, поможет человечеству сделать большой шаг вперед на пути к новой жизни, где будет немного меньше страданий и значительно больше здоровья.

190 миллионов долларов на решение грандиозной задачи

«Наша цель — расшифровать эпигеном ста или более различных типов человеческих клеток», — так Майсснер определяет свой нынешний проект. Он специализируется на метилировании ДНК, его коллега Брэдли Бернстейн занимается модификациями гистонов, и еще одна группа исследует различные РНК, действующие в эпигеноме.

Ученый осознает громадный объем этой задачи. «Над проектом „Геном человека“ на протяжении многих лет работало множество групп, — говорит Майсснер. — Но в нашем случае речь идет не об одном отдельном геноме, а о сотнях эпигеномов — и они устроены, конечно, гораздо сложнее».

Предстоит исследовать как минимум сто типов тканей, взятых у многочисленной группы людей. Для каждого из них сначала необходимо изолировать как можно больше клеток, однозначно идентифицируемых по типам. Эту стандартную сложную процедуру исследователи проводят на клетках кожи, поджелудочной железы, мозга и так далее. Затем последует трудоемкая фаза биохимического препарирования, а потом из-за индивидуальных различий второго кода тысячи клеток каждого типа будут автоматически анализироваться. Только таким образом при помощи сложных математических формул можно статистически определить, какие эпигенетические переключатели действительно типичны для той или иной ткани.

Причем автоматические анализаторы не просто производят многоступенчатый поиск генного текста, как раньше, они должны также распознать, где прикреплены метильные группы, какие химические довески несут гистоновые хвосты на самых разных участках генома и какие рибонуклеиновые кислоты клетка синтезирует именно для эпигенетической работы.

Однако Алекс Майсснер и его коллеги прекрасно подготовлены для выполнения этой задачи, что они доказали совсем недавно. В ведущем научном журнале «Нейчур» они опубликовали успешно выполненное ими картирование эпигенома 17 разных клеток мыши, которое содержало несколько любопытнейших — по крайней мере для специалистов — сюрпризов. Например, ученые показали, что стволовые клетки, долгое время находившиеся на искусственном вскармливании, эпигенетически поразительно похожи на раковые. Это важное указание на то, какие эпигенетические решения реализуются в хроматине при перерождении здоровой ткани. Ученые Института Бродов открыли также, что метилирование ДНК отключает многие гены не на их контрольных участках, как предполагалось ранее, а совсем в других местах, и многое другое.

Прежде чем начать картирование человеческого эпигенома, Майсснеру пришлось ждать запуска гораздо более крупного проекта, в который сегодня включена его группа: новая программа «Дорожная карта эпигеномики» стартовала 30 сентября 2008 года. Тогда Национальный институт здравоохранения США значительно повысил престиж эпигенетики как научной области. Его директор Илайас Зерхуни объявил, что до 2014 года для поддержки ряда ведущих исследовательских групп эпигенетиков в США и Канаде планируется выделить более 190 миллионов долларов.

Илайас Зерхуни надеется на получение «сравнительных данных, которые сможет использовать все научное сообщество, чтобы лучше понять, как функционирует эпигенетическая регуляция и как она воздействует на здоровье и болезни». Благодаря этому уже в ближайшие годы могут быть получены ответы на некоторые основополагающие вопросы: почему стволовая клетка идет по тому или иному пути развития? Какие переключатели должны задействовать генетики, чтобы превратить клетку кожи в нервную, а клетку соединительной ткани — в клетку миокарда и так далее? И какая эпигенетическая программа делает некоторые клетки злокачественными, неработоспособными или особенно восприимчивыми к болезням?

Совместно с группой Брэдли Бернстейна Майсснер получит приблизительно 15 миллионов долларов из общего котла Национального института здравоохранения США. Оба уже наняли новых сотрудников и отправились в «шоп-тур» — заказать для своих лабораторий несколько самых современных и дорогих геномных анализаторов. Наконец-то они начали работу, в результате которой подробная карта эпигеномов дополнит карту человеческих генов, представленную общественности Клинтоном, Вентером и Коллинзом в июне 2000 года.

На этом пути у них будет много попутчиков, поскольку Институт здравоохранения США финансирует исследования и в трех других учреждениях, картирующих эпигеномы клеток. Еще они поддерживают научные центры, которые разрабатывают новые приборы для эпигенетических опытов и обработки данных, а также исследовательские группы, работающие над обнаружением неизвестных пока эпигенетических переключателей. И наконец, Национальный институт здравоохранения финансирует группу, которая должна объединить и обработать все новые результаты.

В 2014 году ученые собираются продемонстрировать первые карты человеческих эпигеномов, которые точно покажут, где у второго кода многочисленных проанализированных тканей есть типичные особенности. Чрезвычайно амбициозный план, поскольку на данный момент ни один эпигеном человеческой клетки не расшифрован полностью. То, что Майсснер и компания вообще могут взяться за эту грандиозную задачу, связано прежде всего с головокружительным техническим прогрессом: лабораторные роботы для секвенирования, которые расшифровывают генный текст вместе с включателями и выключателями, становятся все быстрее и дешевле.

Всего несколько лет назад европейские исследователи столкнулись с большими трудностями в аналогичном проекте. Они запустили первый этап изучения человеческого эпигенома и в 2006 году все-таки опубликовали модели метилирования трех хромосом человека. Но затем им пришлось сдаться из-за недостаточных технических возможностей.

Сегодня перспектива куда благоприятнее. «Если все сложится удачно, секвенирование всего эпигенома одного типа клеток будет занимать только две-три недели», — признается Майсснер.

При условии достаточного количества приборов и денег такими темпами удастся уложиться в намеченные сроки. А поскольку техника будет совершенствоваться и дальше, Майсснер надеется закончить анализ первых ста типов тканей даже досрочно. «Тогда у нас еще осталось бы время для нового этапа, когда, например, все это с помощью скрининговых методов можно будет распространить на следующие четыреста популяций культур клеток», — говорит он. Ведь на первом этапе необходимо исследовать только небольшой набор самых важных тканей. Наряду со здоровыми, дифференцированными клетками, которых у человека насчитывается 200 типов, это стволовые клетки и клетки, играющие главную роль в разных заболеваниях.

Расширение работ во второй фазе, вероятно, приблизило бы исследователей к их настоящей цели. Они хотят лучше понять процесс дифференцирования клеток и развития болезней. Для этого ученые будут сравнивать второй код клеток, находящихся в разных фазах и на разных направлениях развития. Кроме того, будет выясняться, какие эпигенетические переключатели типичны для больной ткани.

Есть надежда, что под конец молекулярные биологи узнают о большей части решающих моментов в жизни клетки.

Эпигенетика меняет онкологию

Было время — меньше десяти лет назад, — когда даже некоторые дипломированные биологи не знали понятия «эпигенетика». Мне тоже как-то пришлось задать наивный вопрос во время одного интервью в японском Институте раковых исследований, когда руководитель лаборатории с заметной гордостью рассказывал мне о последнем высочайшем достижении — некоем эпигенетическом средстве, которое уже успешно проходит вторую фазу клинических испытаний на различных видах опухолей человека.

«А что такое эпигенетическое средство?» — спросил я и порадовался вежливости японцев, которые никогда не покажут, насколько малосведущим считают своего собеседника. Ответ прозвучал так: будущее лекарство блокирует гистондеацетилазы. То была одна из моих первых встреч с модификацией гистонов. Эти ферменты изменяют белки, которые всегда октетом образуют нуклеосомы — те самые «барабаны», на которые более или менее плотно наматываются нити ДНК.

Тогда это объяснение мне мало что открыло. А последовавшая за ним лекция стала, без сомнения, ключевым моментом, окончательно пробудившим во мне интерес ко второму коду. Я записал: гистондеацетилазы (HDAC) — ферменты, которые удаляют ацетильные группы с хвостов гистонов, в результате чего внезапно усиливается взаимное притяжение нуклеосомы и ДНК (гистоны упаковывают ДНК плотнее, чем прежде). Следствие: деактивируется контролируемый на этом участке ген. С помощью гистондеацетилаз, к которым относятся также продлевающие жизнь сиртуины, клетка участвует в принятии решения о том, какие участки ДНК она может считывать, а какие нет. И в зависимости от затронутого процессом гена это может даже привести к перерождению клетки.

До того момента я полагал: рак развивается потому, что одна из клеток обладает модифицированными генами, которые не способны функционировать или начинают выполнять неправильную функцию. Что, конечно, верно. Но это — не единственное возможное объяснение. Итак, я узнал, что рак вполне может иметь иную, эпигенетическую причину, когда сами гены не претерпевают изменений. Клетки становятся злокачественными, потому что биохимические переключатели постоянно включают «злые» или отключают «добрые» гены.

Для онкологии это открытие стало неожиданной удачей. Ибо, в отличие от генетических мутаций, изменения второго кода принципиально обратимы. К тому же они сравнительно легко поддаются фармакологическому лечению — нужно только найти правильные точки приложения и правильные лекарственные препараты.

Разумеется, эпигеномы клеток меняются с возрастом. По этой причине, например, однояйцевые близнецы со временем все меньше походят друг на друга. Это также одна из причин — наряду с накоплением генетических дефектов, — почему мы в старости больше предрасположены к таким заболеваниям, как рак. Каждая неконтролируемая эпигенетическая модификация повышает риск, что будет отключен хороший, защищающий от рака ген. Когда мы стареем, клетки, видимо, все чаще ошибочно отключают свои так называемые гены-супрессоры опухолей. Таким образом они лишают себя самого эффективного оружия против рака.

Ведь именно кодируемые этими генами белки распознают канцерогенные изменения, ежедневно появляющиеся во множестве здоровых клеток. Белки — супрессоры опухолей в этом случае исправляют изменения или, когда это невозможно, запускают апоптоз, программу самоуничтожения клетки. В этом случае клетка жертвует собой в интересах всего организма.