Текст книги "Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки"

Атака клонов

Для полной картины нам не хватает только их.

Со времен создания первого клона прошло более 20 лет. Вы помните овечку Долли?

Долли появилась на свет 5 июля 1996 года в Шотландии. Сначала у нее не было даже имени, только лабораторный идентификационный номер 6LL3. Имя Долли появилось позже, его предложил один из ветеринаров, который помогал ученым при ее рождении. Овцу получили из клетки вымени, поэтому ее назвали в честь американской певицы Долли Партон, которой нравилось фокусировать внимание на своем крупном бюсте.

Жизнь Долли была похожа на жизнь самой обычной овцы. Она даже родила шесть ягнят. Однако уже осенью 2001 года у Долли обнаружили артрит, ей стало трудно ходить. Какое-то время заболевание успешно лечили противовоспалительным препаратом.

Четырнадцатого февраля 2003 года на седьмом году жизни Долли пришлось усыпить. Причиной стало прогрессирующее заболевание и тяжелый артрит. Одни ученые не связывали ее смерть с последствиями клонирования: у многих обычных овец были такие же болезни. Другие специалисты предполагали, что причиной ранней смерти могли послужить теломеры, ведь обычно овцы живут 10–12 лет. Позже, в начале XXI века, образовалась третья группа ученых, которая считала, что клонирование стало причиной ускоренного старения.

Теломеры – это концевые участки хромосом, которые защищают ее от повреждений и «склеивания» с другими хромосомами. Доказано, что клетки человека делятся ограниченное число раз и умирают приблизительно после 50 делений. Этот порог в 50 делений назвали пределом Хейфлика. И именно по длине теломер можно понять, сколько еще раз может делиться клетка.

Исследователи из Великобритании решили развеять этот миф и провели исследование. Результаты подтвердили, что клонированные овцы не более предрасположены к артриту, чем обычные [11]. Ученые отмечают, что ни у Долли, ни у современных клонов не было сколько-нибудь необычного уровня предрасположенности к артриту, что риски в этом случае не отличаются от рисков обычных взрослых овец и что возраст клона здесь не принципиален.

Успех эксперимента с Долли вызвал моментальную реакцию общества. Мнения сильно разошлись: одни уподобляли это сотворению Евы из ребра Адама, другие находили в этом сходство с экспериментами доктора Франкенштейна, которые способны погубить все человечество.

Также спорно называть Долли полным клоном. Дело в том, что Долли клонировали посредством замены ядра, но геном передается не только через ядро, есть и митохондриальная ДНК, поэтому можно сказать, что Долли имеет двух матерей.

Митохондрии – органеллы, содержащиеся в эукариотических клетках и обеспечивающие их энергией. В митохондриях есть свой небольшой геном, который у большинства организмов наследуется по материнской линии.

Раз уж речь зашла о митохондриальной ДНК, хочу продолжить эту тему и рассказать вам о детях, рожденных от трех родителей. Это совсем недавние достижения современной медицины.

В 2016 году в Мексике получили первого ребенка от трех родителей [12]. Тогда ученые сообщили о первой успешно проведенной на человеке процедуре, во время которой переносят ядро от одной яйцеклетки к другой. У ребенка, рожденного в результате такой процедуры, присутствуют гены не только отца и матери, но и митохондриальная ДНК от женщины-донора.

Еще с середины XX века разрабатывались методы переноса митохондрий. Первый опробованный на человеке подход – цитоплазматическое донорство – подразумевает инъекцию здоровых митохондрий в яйцеклетку будущей матери вместе с «клеточным соком», то есть цитоплазмой. Цитоплазматическое донорство активно исследовалось американским ученым Жаком Коэном в 90-х годах прошлого века. Однако надо отметить, что у этого подхода есть значительный минус. Поскольку митохондрии матери в ходе процедуры не удаляются, а только дополняются здоровыми органеллами, то ребенок несет одновременно и здоровые, и испорченные органеллы. В ходе деления митохондрии распределяются между дочерними клетками случайно, и в некоторых из них может оказаться значительное количество испорченных органелл, что может привести к развитию болезни.

Сегодня наиболее популярной считается не инъекция митохондрий в яйцеклетку матери, а наоборот, перенос самого ядра из яйцеклетки матери в яйцеклетку донора со здоровыми митохондриями, при этом собственное ядро из него предварительно удаляют.

Метод митохондриальной заместительной терапии (МЗТ) разработали, чтобы женщины, которые страдают дефектами митохондрий, могли родить здорового ребенка. На сегодняшний день у нас есть два разработанных варианта этой процедуры.

В первом варианте используются две неоплодотворенные яйцеклетки (материнскую и донорскую) и отцовскую сперму. ДНК из яйцеклетки матери пересаживают в донорскую яйцеклетку со здоровыми митохондриями и с удаленным собственным ядром, затем донорскую яйцеклетку оплодотворяют спермой отца. С помощью этого метода на свет появился первый в мире ребенок от трех родителей.

Второй вариант заключается в том, что яйцеклетки матери и женщины-донора оплодотворяют спермой отца, а потом ядро из материнской яйцеклетки переносят в донорскую. Этот метод успешно реализовали украинские медики, в результате чего человечество получило второго ребенка от трех родителей. В обоих случаях оплодотворенную яйцеклетку переносят в матку матери для вынашивания, как при обычной процедуре экстракорпорального оплодотворения.

В январе 2019 года в греческом центре репродукции испанские и греческие медики объявили о клинических испытаниях первого метода. В исследовании участвовали 25 женщин. У одной из них до применения этого метода были четыре безуспешные попытки экстракорпорального оплодотворения и две хирургические операции для лечения эндометриоза, но в результате именно этого метода женщина родила здорового мальчика [13].

Вернемся к клонированию.

Клон – группа генетически идентичных организмов или клеток [14].

В вопросе о клонировании остается много сложного и спорного. Необходимо соблюсти все этические нормы по отношению к живому существу.

Сегодня на пути к дальнейшему развитию клонирования стоят многие этические барьеры, тем более если речь идет о человеке. Особенно остро на это реагируют некоторые мировые религии, считая клонирование человека недопустимым. На данный момент не так мало стран, где эта процедура вообще запрещена и преследуется законом. А где-то под запретом именно то клонирование, в процессе которого воспроизводится целый многоклеточный организм [15].

Клонирование в биологии – это появление естественным или искусственным путем нескольких генетически идентичных живых организмов. Надо отметить, что этот термин в том же смысле нередко используется по отношению к одноклеточным организмам и клеткам многоклеточных организмов.

Термин «клонирование» мы можем применять как к растениям, так и к животным.

Все идентичные организмы, которые создали с помощью клонирования, называют клонами.

Мало кто об этом задумывается, однако однояйцевые близнецы – пример естественного клонирования.

Исследования вряд ли прекратятся. И мы должны понимать, что «клонирование» – это не просто часто встречающееся слово в научно-фантастических рассказах. Это реальная технология, которая может быть действительно полезной.

Вслед за Долли с помощью метода переноса ядра из соматической клетки в лишенную собственного ядра яйцеклетку было клонировано 25 видов животных, в том числе собака, корова, свинья, крыса, верблюд и другие.

С помощью клонирования удастся вывести животных и растения с такими важными параметрами, как плодовитость и устойчивость к болезням. Особенно привлекательно выглядит перспектива восстановления популяции вымерших или вымирающих видов.

Критиковать технологии редактирования генов, клонирования и создания генетически модифицированных объектов легко. Всегда найдутся люди, которые скажут, что ВИЧ не существует, а генетически модифицированные продукты приводят к смерти.

Но решение, двигаться ли вперед, изобретать новые препараты или стоять на месте, остается за вами.

Глава 2
Что записано в наших генах?

Во всех своих бедах люди привыкли винить кого-то: соседа, родственников, правительство. Что касается генов, тут еще более интересно. Мы будто собраны из частей своих предков. Чаще всего, когда мы говорим о своей внешности или болезнях, мы повторяем из раза в раз: нос у меня достался от папы, брови – от мамы, живот – от дедушки, а мигрень – от бабушки. Когда я была маленькой, мне часто говорили, что я папина копия, но улыбка мне досталась от мамы. Я всегда обижалась, потому что мне не очень хотелось быть похожей на бородатого и лысого папу, другое дело – красавица мама. Но у генов свои планы. И некоторые признаки достаются нам далеко не от мамы с папой, а от дальних предков, о существовании которых мы знаем только из книжек.

Во всем виноваты неандертальцы и фараоны

Денисовские люди, неандертальцы и кроманьонцы (последние – предки современного человека). Что их объединяет, кроме внешнего сходства? Когда ученые нашли и исследовали первые останки неандертальцев, они решили, что этот вид людей с современным человеком особо никак не связан.

Все три вида людей – денисовец, кроманьонец и неандерталец – были очень похожи, но каждый из них жил на «своей» территории. Дальнейшее изучение ДНК привело к сенсационному заключению: и денисовцы, и неандертальцы, и предки современного человека не только пересекались, но и обменивались между собой генами.

Десятилетие назад исследователи нашли фрагменты (участки) ДНК как неандертальца, так и денисовского человека у всех современных людей, кроме народов Африки.

Но на этом открытия не закончились. Для полной картины ученые разработали специальный алгоритм анализа геномов, который «узнает» сегменты ДНК, попавшие в геном человека от других видов, даже если скрещивания происходили тысячи лет назад и их источник неизвестен. Выяснилось, что 3 % генома неандертальцев произошло от интимной связи с другой древней группой приблизительно 300 тыс. лет назад. В то же время у денисовца обнаружился 1 % еще более древнего неизвестного генетического материала. И самое главное – до 15 % этого древнего генома находится в ДНК современного человека [1].

Итак, и предки современных людей, и денисовские люди, и неандертальцы контактировали с представителями разных ветвей человеческого вида.

К какому же виду или подвиду относятся обнаруженные древние фрагменты ДНК? Пока полной картины нет, но последние исследования подтверждают, что это следы независимой ветви, с которой мы разошлись примерно миллион лет назад, когда жили Homo erectus — предки всех сапиенсов, древний вид гоминид, который появился около 2 млн лет назад.

Иммунный ответ из прошлого

Около 40 тыс. лет назад все три вида людей – неандертальцы, денисовцы и кроманьонцы – заселяли территорию современной Азии. Две совершенно независимые группы ученых из Германии и Франции обнаружили, что связь предков современных людей с неандертальцами и денисовцами привела к усилению защитных сил организма сапиенсов. Неандертальцы и денисовские люди, которые за 200 тыс. лет успели адаптироваться к климату, пище и патогенным организмам Евразии, передали вновь пришедшим туда кроманьонцам повышенную устойчивость к местным условиям, а современному человеку – отличную наследственность в виде способности противостоять инфекциям.

Каким образом контакт с разными древними видами людей повлиял на усиление иммунитета сапиенсов? Виноваты три древних гена, кодирующих белки, которые называются толл-подобными рецепторами. Они распознают бактерии, грибы, вирусы и паразиты и активируют клеточный иммунный ответ. Оба вида вымерших людей повлияли на генетическое разнообразие современного человека, поскольку два сегмента гена толл-подобных рецепторов принадлежат неандертальцам, а один – денисовскому человеку. Грубо говоря, около 13 тыс. лет назад, когда наши прародители стали переходить от кочевого образа жизни к оседлому, им передались гены, которые повышали приспосабливаемость к неблагоприятным природным условиям [2].

Аллель – вариант гена. Каждая мутация – это новый аллель. Следовательно, существует огромное количество аллелей одного гена.

И вот на этом единственном позитивном результате скрещивания разных видов людей можно и остановиться. Потому что современный человек унаследовал от неандертальцев массу неблагополучных генетических особенностей. Со способностью противостоять инфекциям толл-подобные рецепторы могут спровоцировать повышенную чувствительность к аллергенам. Но это еще не все.

«Плохие» гены неандертальцев

В 2016 году ученые-биомедики США, опираясь на электронные карты пациентов, собрали более чем 28 тыс. результатов генетического анализа взрослых европейцев. Анализ образцов показал, что есть четкая взаимосвязь между совокупностью аллелей неандертальского генома и наследственными заболеваниями и предрасположенностью к ним. Например, одни аллели связаны с риском развития неврологических и психических нарушений, сердечно-сосудистых заболеваний, другие могут провоцировать заболевания мочевыводящих путей и нарушение метаболизма. Неандертальские варианты генов влияют на чувствительность кожи к солнечному свету, на образование тромбов и даже на предрасположенность к никотиновой зависимости и расстройствам пищевого поведения [3].

У южноамериканских индейцев ученые выявили неандертальский вариант гена, который предрасполагает его носителей к диабету второго типа. Почему же древние люди подарили нам предрасположенность к некоторым заболеваниям? Дело в том, что сегодня некоторые функции организма просто утратили актуальность.

Например, повышенная свертываемость крови позволяла ранам быстрее затягиваться, а калорийная пища давала энергию для охоты. В современной жизни, в которой еда нам достается без физических усилий (достаточно дойти до ближайшего супермаркета), фрагменты геномов наших древних предков стали причиной тромбозов, неправильного обмена веществ, инсультов, легочной тромбоэмболии.

Секвенирование ДНК вымершего вида людей и сопоставление его результатов с данными медицинских карт современных европейцев – ценное исследование, которое дает возможность определить влияние генов на предрасположенность к заболеваниям, на их развитие и другие особенности человека.

Секвенирование ДНК – это процесс определения последовательности нуклеотидов (А, Т, С и G) в фрагменте ДНК. В результате секвенирования ДНК получают последовательности участков генов, целых генов или полных геномов организмов.

Резистентность к антибиотикам: бактерии из склепа

Группа ученых калифорнийского университета совместно с итальянскими и пуэрториканскими исследователями провела геномный анализ остатков кишечной микрофлоры пяти мумий инков и трех итальянцев X–XVIII веков. Ученые обнаружили устойчивость в отношении антибиотиков пенициллинового ряда, тетрациклинов и ванкомицина.

Результаты говорят о том, что устойчивость к антибиотикам появилась задолго до их эры, которая началась с успеха микробиолога Александра Флеминга. Эволюция антибиотикорезис-тентности (способности микробов противостоять действию антимикробных средств, в том числе и антибиотиков) длится уже пару миллиардов лет, так как основой для большинства антибиотиков в древности послужили природные соединения, которые находились в окружающей среде, например, в почве.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Чтобы проверить, есть ли у человека устойчивость к определенным антибиотикам, в настоящее время нужно взять у него биологический материал – мазок, слюну и др., в зависимости от предварительного диагноза и типа инфекции. Затем нужно вырастить бактерии из такого материала на специальной среде и применить к ним антибиотики. С мумиями так сделать не получится – те бактерии, которые в них были, уже умерли. Поэтому авторы статьи везде пишут, что, исходя из выявленных ими вариантов бактериальных генов, бактерии предполагаемо являются антибиотикорезистентными – проверить, действительно ли те бактерии были таковыми, невозможно.

Оригинальная статья: Santiago-Rodriguez, Т.М.; Forna-ciari, G.; Luciani, S.; Toranzos, G.A.; Marota, I.; Giuffra, V.; Cano, R.J. Gut Microbiome and Putative Resistome of Inca and Italian Nobility Mummies. Genes 2017, 8, 310. https://doi. org/10.3390/genes8110310

Другое дело, что результатом чрезмерного использования антибиотиков в XX веке, бесконтрольного и бессистемного их употребления стало ударное и глобальное распространение устойчивости к широкому спектру лекарств.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Бактерии размножаются очень быстро, а значит, все изменения, которые есть в их генах, они также быстро передают потомкам. Кроме того, бактерии просто могут обмениваться друг с другом генами. Резистентность к антибиотикам – это естественная особенность некоторых бактерий, и она тоже заложена в генах. Значит, такие бактерии будут существовать в любом случае. Однако, когда мы применяем антибиотики, многое зависит как от их количества, так и от того, что именно умеют бактерии в плане сопротивления. Именно те бактерии, которые после применения антибиотиков выживают, размножаются дальше. Значит, чем больше мы будем применять антибиотики при любой простуде, тем меньше они будут действовать, когда и правда нам понадобятся.

В этом открытии значится еще и тот факт, что кишечник, а именно его микробиом, – хранилище генов антибиотикоустойчивости. И здесь напрашивается вопрос о том, почему именно появились эти гены? Какие факторы на это повлияли? Пока вопрос остается открытым [4].

Неандертальцы вернули древние гены

Первые предки неандертальцев и денисовцев покинули Африку 500 тыс. лет назад, до появления человека разумного. Все эти тысячи лет они хранили аллели.

В тот момент, когда предки современных людей пришли на евразийский континент и пересеклись с ними, прошло около 400–450 тыс. лет. Сапиенсы на тот момент составляли лишь около 20 % от числа людей, которые вышли из Африки. В результате «бутылочного горлышка», то есть сокращения генетического разнообразия вида из-за сокращения его численности, они несли в себе малую часть генов общего предка.

То есть многие архаичные аллели в человеке разумном не дошли до Евразии. Неандертальцы и денисовцы, с которыми скрещивались сапиенсы, вернули архаичные гены предкам современного человека.

В результате анализа ДНК современных людей, сделанного в рамках проекта «1000 геномов», часть переданных от неандертальцев генов условно разделили на две группы [5].

Первая группа – это аллели, которые характеризуют общего предка неандертальцев и современных людей, но отсутствуют у евразийцев, которые пришли в Евразию. Они вернулись к ним позже в результате скрещивания с неандертальцами.

Вторая группа – это аллели, которые отсутствовали у общего предка неандертальцев и современных людей и возникли только у неандертальцев, а сейчас присутствуют у всех жителей Евразии. Примечательно, что эти аллели не характеризуют некоторые народы Африки.

У разных евразийцев количество аллелей первой и второй групп неодинаково.

Если в Восточной Азии преобладают варианты генов первой группы, а в Европе – второй, то в Южной Азии и те и другие представлены в достаточном количестве.

В процессе эволюции происходили всевозможные генетические комбинации и случайные мутации, которые до сих пор сохранились в геноме.

Неандерталец не прямой предок современного человека: раскол видов произошел давно, и общий предок пока не установлен. Американские ученые проанализировали генотипы трех древних людей и 279 современных. Оказалось, что наш геном отличается всего на 1,5–7% от генома древних людей [6]. Основная часть генетических изменений произошла еще до разделения неандертальцев и кроманьонцев (наших прямых предков) около 520–630 тыс. лет назад. Исследователи обнаружили доказательства того, что современный человек развивался поэтапно, не сразу отделившись от представителей других родов.

Палеогенетика призвана изучить влияние вымерших веток развития человека на наш род. Так, известно, что все неафриканские люди несут в себе 2–6% неандертальских генов, а некоторые народы Азии, Австралии получили еще и денисовские гены. Благодаря этим данным можно отследить перемещение человека по земному шару в процессе эволюции [7].

Интересно, что отличия в генах современного человека и неандертальца заключаются не только в областях, отвечающих за их регуляцию, но и в разной активности самих генов. Проще говоря, одни и те же гены работают с разной активностью [8].

Взяв на анализ образцы тканей трех неандертальцев возрастом около 120 тыс. лет, ученые обнаружили разницу в регуляции около 760 генов. Эти изменения могут влиять на работу сердечно-сосудистой, иммунной, зубочелюстной систем и опорно-двигательного аппарата.

Найдя в нашем генотипе следы неандертальцев, специалисты заинтересовались, как они могут влиять на современного человека. В одной работе немецкие исследователи в команде с коллегами из Швеции выяснили, что определенный набор вариантов неандертальских генов у женщины помогает лучше переносить беременность [9]. Для исследования были взяты данные около 450 тыс. образцов из биобанка Великобритании, а также данные биобанка Японии. У европейцев, коренных американцев, а также у некоторых азиатов с частотой от 2 % до 22 % обнаружили те самые варианты генов. Они оказались менее склонны к внезапным кровотечениям, выкидышам и в целом рожают больше детей. Все дело в особенном строении рецептора прогестерона – главного гормона, отвечающего за спокойное течение беременности.

ПРИМЕЧАНИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Оригинальную статью можно найти вот здесь: Zeberg Н, Kelso J, Pââbo S. The Neandertal Progesterone Receptor. Mol Biol Evol. 2020 Sep l;37(9):2655–2660. doi: 10.1093/ molbev/msaall9. PMID: 32437543; PMCID: PMC7475037.

А если вы с детства не можете набрать массу, то, возможно, в вас просто есть те самые «гены неандертальца».

Екатерина Храмеева и Филипп Хайтович из Сколтеха сравнили генетический материал представителей 11 этнических групп: пяти европейских и по три азиатские и африканские группы [10].

Искали генетические варианты, характерные для неандертальцев, и выясняли, на что они влияют. Оказалось, что некоторые фрагменты генома неандертальца отвечают за состав и сжигание жира! Это связано с их миграцией и изменением обмена веществ.

Существует много признаков, по которым неандерталец выигрывает у современного человека, но, как показывает история, этого все равно было мало. Даже устойчивость, которая была у неандертальцев к вредным продуктам сгорания и дыму, не поспособствовала их выживанию [11]. Когда климатические изменения на юге Африки привели к тому, что территории из лесов превратились в саванны, у древних людей появился новый фактор естественного отбора: выживал тот, кто был менее восприимчив к пыли и аэрозольным частичкам опасных веществ. А появление огня усилило влияние продуктов сгорания на здоровье. Развитие скотоводства способствовало контакту людей и животных, следовательно, люди страдали от аллергии и инфекционных заболеваний. Через тысячелетия эти варианты генов немного затерялись: помимо положительного эффекта устойчивости к вредным воздействиям, они повышали вероятность болезней сосудистой системы, что могло привести к меньшей продолжительности жизни. Новые варианты генов, которые есть у нас, не дают такую большую устойчивость к инфекциям, но и не вызывают негативных последствий.

Как же неандертальцы могли повлиять на наш мозг? Например, у людей с большим количеством неандертальских вариантов гена строение черепа во многом напоминает строение черепа неандертальцев, особенно затылок. Так же в зависимости от того, насколько человек «богат» неандертальскими вариантами генов, отличается количество серого и белого веществ в определенных частях мозга [12].

Популярная в наше время тема – устойчивость к вирусной инфекции ковид-19 – также была изучена на предмет вклада генетических факторов. Более тяжелое течение болезни может быть вызвано наличием определенных генных комбинаций, которые достались нам от неандертальцев [13]. Такая комбинация очень распространена в Бангладеше и Южной Азии и редко встречается в Европе и почти никогда в Африке: вероятно, дело в том, что предки современных жителей теплого континента не выходили за пределы материка и не скрещивались с неандертальцами. Как раз в этих географических областях наблюдается большой процент тяжелых случаев болезни.

А чем же хорош Homo Sapience? Неожиданно, но в геноме наших предков были варианты генов, которые могут быть связаны с творчеством и коммуникацией [14]. Сапиенсы склонны к более глубокому и всестороннему анализу явлений, лучше находят причинно-следственные связи и способны творчески воспроизводить информацию. Большое количество изменений в геноме после разделения веток человеческого вида на Ното и неандертальцев затрудняет процесс поиска того самого гена, который связывают с творчеством и способностью к коммуникациям. Изучать это ученые начали издалека: выявляли гены, влияющие на обучение и память человека. И обнаружили, что совокупность таких генов характерна только для наших предков, появившихся 100 тыс. лет назад и позже. Вероятно, лучшая способность коммуницировать друг с другом и добиваться целей не в одиночку позволила сапиенсам получить эволюционное преимущество в гонке за выживание. Поэтому только умение разговаривать друг с другом и дружить позволит нам развиваться дальше, без этих навыков мы просто вымрем, как неандертальцы.