Секреты наследственности человека

Именно такие дефекты, кстати, являются причиной и ненаследственных раковых заболеваний. В результате мутаций, которые могут быть вызваны повышенными дозами радиации, избытком ультрафиолета или действием особых канцерогенных веществ, в ДНК клетки возникают те или иные повреждения. Если эти участки (гены) кодируют важные для жизнедеятельности клетки белки, последствия такого повреждения могут быть драматическими. В лучшем случае клетка окажется неспособной выполнять необходимую работу, а в худшем — начнет при этом еще и бесконтрольно размножаться, что послужит началом образования опухоли. Составляющие ее клетки будут нести какой-либо поврежденный мутантный ген. В остальных же к метках тела этот ген будет работать нормально. В случае врожденных, теистических заболеваний все клетки тела, включая и половые несут дефект в определенном гене, поскольку его копия была поручена от одного или даже обоих родителей еще при оплодотворении.

Классический пример врожденного генетического заболевания — фенилкетонурия. Повреждение одного единственного гена приводит к неспособности организма перерабатывать продукты разложения одной из 20 аминокислот — фенилаланина. В результате продукты ее распада накапливаются в избыточном количестве, что может принести в раннем возрасте к задержке умственного развития ребенка. До сих пор врачи предписывали больным с таким пороком определенную диезу, снижающую количество вредных метаболитов. В идеале же следует «вырезать» дефектный ген и «вставить» на его место нормальный, неповрежденный. На первый взгляд такая задача представляется абсолютно нереальной. Фенилкетонурия, как уже говорились, — заболевание врожденное, а это означает, что все клетки такого пациента, включая клетки кончика его носа, аппендицита и сердца, несут поврежденный ген. Общее же количество клеток взрослого человека оценивается в несколько десятков миллиардов, и каждая из них содержит десятки тысяч генов.

Умелые помощники

Ясно, что задача подобной глобальной генной коррекции — дело неблизкого будущего. Пока же биологи задаются целью поскромнее. Не вырезая дефектный ген, ввести нормальный хотя бы в некоторые клетки тела. Такая процедура уже в наши дни является объективной реальностью. Своеобразными почтовыми агентами, способными доставить миниатюрный генный груз по назначению, являются вирусы. Как известно, в процессе своего размножения они нападают на и вводят в них свою собственную ДНК, заставляя их таким образом производить новые вирусные частицы. Более того, группа ретровирусов этим не ограничивается. Ее ДНК проникает в ядро, где и встраивается в ДНК клетки-хозяина. Таким образом сама природа создала уникальный механизм, который можно использовать в генно-терапевтических целях. Для этого необходимо вставить нужный, «терапевтический» ген в геном вируса (эта процедура уже не представляет проблемы для молекулярных биологов) Затем надо ввести тем или иным способом нафаршированные нужными генами вирусы в тело человека и положиться далее на естественное течение процессов. Правда, хорошо бы при этом заранее вырезать некоторые гены вируса, чтобы препятствовать его собственному размножению в организме человека. Иначе, вместо терапевтического эффекта, пациент заработает какую-либо вирусную инфекцию. Достаточно сказать, что к группе ретровирусов относится печально известный ВИЧ, вызывающий у человека синдром приобретенного иммунодефицита (СПИД).

Разумеется, вирусы ВИЧ в качестве таких генно-терапевтических векторов пока никто использовать не собирается, а вот другие ретровирусы в лабораторных условиях уже с 80-х годов вполне успешно доносят нужные гены до соответствующих клеток-мишеней. Правда, и у столь умелых помощников, как ретровирусы, есть свои недостатки. Например, они не способны встраивать свело ДНК в неделящиеся клетки, а следовательно, нервные или мышечные клетки остаются пока недоступными для генной терапии, использующей ретровирусы в качестве векторов. Впрочем, бывают и подающие надежды исключения. Тот же спидоносный ВИЧ, например, вполне успешно атакует клетки мозга, а нейроны взрослого человека, как известно, не делятся. Следовательно, изучив в будущем причину такой способности, можно научить подобному трюку иные вирусы, которые уже используются в качестве генных носителей.

Молекулярно-генетическая «дрессировка» вирусов, способных работать в качестве генетических векторов, только начинается. В США такой вид терапии исследуется и практикуется менее 10 лет. Для разработки столь сложных новых методов лечения это ничтожный срок. И тем не менее определенные успехи уже налицо. Например, удается нащупать экспериментальные подходы, позволяющие принудить вирусы атаковать только определенные, нужные клетки.

Группа исследователей во главе с профессором педиатрии, директором программы генной терапии в Сан-Диего Теодором Фридманом сумела «выдрессировать» таким образом вирус, вызывающий у мышей рак крови — лейкемию. С поморью генно-инженерных методов белок оболочки этого вируса, ответственный за связывание с клетками мыши, был заменен на поверхностный белок вируса стоматита человека. Теперь «мышиный» вирус может атаковать эпителиальные клетки человека, способные акцептировать вирус герпеса. При этом точно известно, что для человека вирус мышиной лейкемии абсолютно безопасен, и, следовательно, он может быть использован в качестве вектора-носителя для доставки нужных генов при генной терапии.

Биологи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско присоединили к этому мышиному вирусу один из гормонов человека. В результате вирус стал садиться на человеческие клетки, у которых есть рецепторы к данному гормону. Действуя подобным образом, можно заставить любые вирусы-векторы работать в качестве своеобразных почтовых голубей, способных доносить свой миниатюрный и бесценный генетический груз точно к нужным клеткам тела.

Липоплексы Фелгнера

Вирусы, даже соответствующим образом прирученные и измененные, представляю гея для многих исследователей либо слишком ненадежными, либо просто опасными соратники в деле осуществления генно-терапевтических хитростей. Достаточно сказать, что встраивая свою ДНК в ядро клетки-хозяина, они могут случайным братом разрывать важные для функционирования клетки гены. К тому же, практически все вирусы распознает иммунная система пациента. Ясно, что атаки с ее стороны могут свести на нет все предварительные ухищрения молекулярных биологов, тщательно готовивших вирусно-генетическую «пилюлю». Не удивительно поэтому, что некоторые исследователи уже довольно давно пытаются вводить ДНК в клетки без помощи вирусов.

Еще в 50-х годах XX века Джон Холланд в Калифорнийском университете показал, что клетки могут поглощать ДНК, выделенную из вирусов и экспрессировать затем некоторые вирусные белки. Следовательно, такой трюк в принципе возможен. Единственное препятствие к совершенствованию подобной процедуры биологи видели в следующем. Молекула ДНК в растворе несет на себе отрицательный заряд. Внешние мембраны большинства клеток также заряжены отрицательно. Следовательно, по законам электростатики ДНК должна отталкиваться от клеточных мембран. Раз так, то для повышения проходимости ДНК через мембраны к этой макромолекуле надо пристегнуть положительно заряженный довесок. Исследователи так и стали поступать, добавляя к подготовленным для введения фрагментам ДНК положительно заряженные фосфат кальция или органический полимер декстран.

Результаты подобных ухищрений радовали, ДНК бодро лезла в клетки, и норой даже, к радости ученых, самостоятельно встраивалась в хромосомы клеток-мишеней. Таким образом, например, еще на заре разработки первых генно-терапевтических методик в клетки человека был введен ген тимидинкиназы, выделенный из вируса герпеса.

В 70-х годах XX века молекулярные биологи научились встраивать нужные гены в небольшие кольцевые молекулы ДНК, обнаруженные у бактерий — так называемые плазмиды. Эти колечки самой природой были устроены так, что могли очень легко присоединяться к основной нити ДНК бактерий или же внедряться в ДНК хромосом высших организмов. С разработкой плазмидной технологии дело введения нужных генов в культивируемые вне организма клетки высших животных и человека было поставлено на поток. Одним из пионеров применения подобных методик был Поль Берг из Стэнфордского университета. Совместно с Деметриосом Пападопулосом ему удавалось помещать плазмиды в сферические жировые оболочки — так называемые липосомы (греч. lipos — жир, soma — тело). При этом составляющие их липидные молекулы были практически такими же, как и в мембранах клеток. В результате липосомы могли сливаться с мембранами клеток-мишеней, вываливая внутрь свое плазмидное содержимое. Аналогичные методики введения генов в липосомной упаковке разрабатывал и Клод Николау из Гарвардской медицинской школы.