Американские ученые впервые в мире очистили искусственные эмбриональные стволовые клетки человека от избыточных генов.
Сотрудники Института биомедицинских исследований имени Уайтхеда серьезно усовершенствовали технологию изготовления человеческих индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Так называют искусственно сделанные, но вполне полноценные аналоги настоящих эмбриональных стволовых клеток, которые тоже обладают способностью давать начало клеткам любых специализированных тканей. Сообщение о новой работе 6 марта появилось в журнале Cell.
Специалисты по молекулярным биотехнологиям научились создавать индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (сокращенно ИПСК) около трех лет назад. Сначала такие эксперименты проводились на клетках мышей, но вскоре их удалось осуществить и на клетках человека. Сейчас эта техника настолько отработана, что практически стала стандартной.
В качестве исходного сырья используют фибробласты, самые распространенные и биологически активные клетки кожи и соединительной ткани. В их ядра искусственно вводятся гены белков, запускающих определенные участки наследственной информации. Такие вспомогательные белки-активаторы называются факторами транскрипции.
Чаще всего в этих операциях используют одну и ту же четверку генов OCT4, SOX2, KLF4 и c-MYC. Для осуществления «подсадки» эти гены встраивают в ретровирусы, которыми затем инфицируют культуру фибробластов. Включение транскрипционных генов вынуждает фибробласты претерпеть глубокую перестройку и превратиться в почти точные копии эмбриональных стволовых клеток. Такая операция называется генетическим перепрограммированием.
Эта техника хороша, но все же не идеальна. Одна из ее слабостей состоит в том, что в хромосомах ИПСК остаются все четыре гена, осуществившие перепрограммирование исходных фибробластов. После завершения клеточной перестройки они уже не нужны, рукотворные стволовые клетки прекрасно существуют и без них. Более того, их наличие может представлять из себя определенную опасность.
Один из этих генов, c-MYC, может стимулировать процессы злокачественного перерождения, иначе говоря, принадлежит к числу онкогенов. Три оставшихся гена в этот список не входят, однако есть подозрения, что и они могут быть причастны к возникновению опухолей. Кроме того, встроенные гены способны взаимодействовать с множеством других генов общим числом около трех тысяч. Не исключено, что при этом они нарушают нормальную работу генного аппарата новосозданных клеток – во всяком случае, эту вероятность нельзя сбрасывать со счетов. Поэтому было бы очень хорошо попросту убирать эти гены после завершения перепрограммирования.
Эту потребность ученые осознали не вчера и кое-чего добились. Такие генные выдирки удается осуществлять на ИПСК, изготовленных из фибробластов мышей – это проделано уже в нескольких лабораториях. Однако они работают с очень низкой эффективностью и к тому же попросту неприменимы к человеческим ИПСК. Чтобы добиться успеха и на этом важнейшем направлении, надо было изобрести что-то совершенно новое.
Теперь такая техника впервые создана и опробована в лаборатории Рудольфа Джениша [Rudolf Jaenisch], который также занимает кафедру биотехнологии в Массачусетском технологическом институте. Действует она весьма хитрым образом. Джениш и его коллеги встроили в человеческие фибробласты еще и пятый ген, который кодирует синтез фермента Cre-рекомбиназы. Этот энзим, которым природа наделила некоторых вирусов-бактериофагов, распознает только участки генома, расположенных между двумя короткими фрагментами ДНК, которые обозначают loxP. Такие участки он попросту режет на куски, уничтожая содержащуюся там наследственную информацию. Эта методика отключения определенных участков генома широко используется с 80-х годов прошлого века.
Не трудно догадаться, что именно проделала Cre-рекомбиназа. Экспериментаторы вставили каждый из четырех перепрограммирующих генов в рамку из фрагментов loxP. Когда процесс перепрограммирования был закончен, они активировали ген Cre-рекомбиназы, которая, как ей и было положено, вырезала всю четверку. В результате в распоряжении ученых оказалась культура человеческих ИПСК, не содержащих ненужных генов.
Интересно, что на этом эксперимент не закончился. Исходные фибробласты были взяты у пациентов, страдающих болезнью Паркинсона. При этом заболевании повреждаются или отмирают нервные клетки, синтезирующие нейромедиатор допамин, который играет важнейшую роль в передаче сигналов между нейронами. После очистки ИПСК ученые с помощью химических стимуляторов заставили их дать начало допамин-производящим клеткам, которые в генетическом плане ровно ничем не отличались от клеток доноров.
Сейчас часто пишут о том, что со многими заболеваниями удастся бороться с помощью ИПСК, созданных посредством перепрограммирования клеток пациента. Вероятно, когда-нибудь такие надежды оправдаются, но это время еще не настало. Во всяком случае, профессор Джениш и его коллеги даже не думают о том, чтобы трансплантировать искусственные клеточные фабрики допамина в мозг больных.
Пока что они намерены использовать культуры таких клеток в качестве моделей для изучения болезни Паркинсона и проверки действия экспериментальных лекарств, созданных для ее лечения. Такая программа вполне реальна.