В статье «Клетка III» отмечалось, что в человеческом организме насчитываются триллионы клеток, подразделяющиеся на не менее чем 350 типов. Понятно, что каждый тип клетки отличается от других многими свойствами, составом и функциями. Здесь мы рассмотрим лишь малую часть (нейроны, стволовые клетки) типов, но с выдающимися, по нашему мнению, важными характеристиками. Лет 40 — 50 назад меня интересовали такие вопросы.

Как клетки при удвоении, сохраняя статус исходной клетки, преобразуются в итоге в клетки разных тканей, органов и создают в целом очень сложно устроенный организм? Как осуществляется дифференциация клеток? Возможно ли клетке фиксированного типа поменять свой тип?

Ответ на последний вопрос положительный. Подобный феномен в природе называется трансдифференцировкой клеток. Это редкий биологический механизм, который обеспечивает превращение клеток одного типа в клетки

В настоящее время с помощью СК, взятых у пациента из костного мозга, жировой ткани или периферической крови, в лабораториях можно вырастить любой орган, что сводит на нет риск отторжения органа при трансплантации. Другие клетки человека, допустим из печени, никак не могут измениться и стать, к примеру, нервными или мозговыми.

Подобные проблемы биологии человека решаются, в частности, медицинской генетикой, генной инженерией. Предметом у них является профилактика и лечение наследственных болезней, которых насчитывается уже не одна тысяча, а также модифицирование генома человека и изменение наследственной предрасположенности к заболеваниям.

Цель публикации в первую очередь образовательная, познавательная, популяризация науки, а также стремление привлечь в ряды исследователей, в науку приток новых молодых умов, вызвать в таких умах стремление к поиску ответов на возникающие вопросы. Масштабность темы требует ввести разумные ограничения на излагаемый материал после краткого панорамного ее рассмотрения.

Стволовые клетки человека

Впервые термин «стволовая клетка» был использован немецким ученым Валентином Хаакером в конце XIX века. Он использовал этот термин в своих трудах, но не дал ему дальнейшего развития. А российский ученый Александр Максимов в своем исследовании, опубликованном в 1909 году, уже развил это понятие и термин. На примере клеток крови Максимов построил теорию стволовой клетки и объяснил, что из нее могут получаться специализированные потомки. Первые экспериментальные доказательства того, что стволовые клетки действительно существуют в природе, получили американские ученые Джеймс Тилл и Эрнест Маккалох в 1960-х годах.

Стволовы́е кле́тки — недифференцированные (незрелые) клетки, имеющиеся у многих видов многоклеточных организмов. Стволовые клетки способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться посредством митоза и дифференцироваться в специализированные клетки, то есть превращаться в клетки различных органов и тканей.

Предпосылки (факты и даты) для изучения и использования стволовых клеток

1970 Инъецированием препаратов СК делались «прививки молодости» в ЦК КПСС
1972 Создана рекомбинантная ДНК из вируса SV40,бактериофага и Escherichia сoli.
1974 Создана первая генетически модифицированная мышь.
1976 ГМ бактерии способные продуцировать белки-гормоны соматостин и инсулин
1978 В пуповинной крови обнаружены гемопоэтические Стволовые клетки (СК)
1981 Из бластоцисты мышей получены эмбриональные стволовые клетки (ЭСК)
1992 Получены in vitro нейтральные СК
1997 Новый подход в лечении почечной недостаточности с использованием СК
1998 Висконсинский Ун-т выведена первая линия человеческих ЭСК
1999 Открытие ЭСК на 3-м месте за Открытием структуры ДНК и «Генома человека»
2005 Перечень заболеваний излечиваемых трансплантацией СК
2006 Способ возвращения дифференцированных клеток в плюрипотентное состояние
2007 Открытие нового вида СК в околоплодных водах (могут заменить ЭСК)
2007 Показано, что клетки кожи мышей репрограммируются в состояние ЭСК
2007 Доказано, что практически из любой зрелой клетки можно получить СК
2008 Получены первые ЭСК человека без разрушения эмбрионов
2008 Терапевтическим клонированием культивированы клонированные бластоцисты
2008 Получены плюрипотентные СК из печени и желудка мыши
2008 Получены плюрипотентные СК из сперматогониалных клеток in vitro
2008 Эмбрионоподобные СК получены из человеческого волоса
2008 Выполнена регенерация хряща в коленном суставе с аутологичными СК
2009 Открыт способ получения (не вирусный) эмбриональных СК из обычных
2009 К. Гвансу манипулированием с клетками кожи получены плюриопотентные СК
2011 В Израиле выведены СК вымирающих видов животных способных спасти их
2012 СК из костного мозга пациента лечат сердечную недостаточность
2012 М. Сайто вырастили яйцеклетки из СК, получили потомство мышей
2013 Ученые Ун-та Киото вырастили из СК ткани почек, надпочечников и половые
2013 Учеными Маастрихтского Ун-та создано за 3 месяца мясо из СК коровы
2014 Испытан терапевтический препарат на основе нуклеаз с «цинковыми пальцами».
2016 Получен подобный препарат на основе CRISPR/Cas.
2017 Получен подобный препарат на основе TALE-нуклеаз.
2018 Обнаружен ген долголетия
2019 Генетики создали условия, «невидимости» СК для иммунитета человека
2020 А. Кастильехо путем пересадки СК донора излечился от ВИЧ.

Все СК обладают двумя очень важными неотъемлемыми свойствами:
Во-первых, самообновление, то есть способность сохранять неизменный фенотип после деления (без дифференцировки), поддерживается эта способность двумя механизмами.

1. Асимметричное деление, при котором образуется две разных клетки (одна стволовая клетка и одна дифференцированная клетка).

2. Стохастическое деление: одни стволовые клетки делятся на две более специализированные, другие при делении дают две стволовых клетки.

Во-вторых, потентность (дифференцирующий потенциал), или способность давать потомство в виде специализированных типов клеток. Дифференцирующий потенциал, или потентность, стволовых клеток — это способность производить определённое количество разных типов клеток.

В соответствии с потентностью стволовые клетки можно разделить на три основные группы в зависимости от источника их получения: эмбриональные, фетальные и постнатальные (стволовые клетки взрослого организма).

Существуют разные типы стволовых клеток.

Эмбриональные. Они образуются на ранней стадии внутриутробного развития ребенка. Чтобы их получить, необходимо разрушить эмбрион. Это негуманный cпособ, поэтому данные клетки почти не используются.

Фетальные. Эти клетки получают после прерывания беременности. Фетальные стволовые клетки получают из плодного материала после аборта (обычно срок гестации, то есть
внутриутробного развития плода, составляет 9 –12 недель). Фетальные стволовые клетки являются смесью мультипотентных и унипотентных стволовых клеток.

Чаще всего используется постнатальный тип стволовых клеток. У этого вида клеток есть подтипы: гемопоэтические, стромальные, тканеспецифические. Отдельную группу составляет пуповинная кровь с клетками-предшественницами. Она содержит будущие клетки кровеносной системы и тканей и подходит для терапии патологии крови и других заболеваний.

Запасать и сохранять стволовые клетки возможно при использовании криогеники (жидкого азота). При этом клетки замораживаются, но сохраняет свою активность. По всему миру существуют криобанки, где хранятся стволовые клетки. Создаются отделения для проведения клеточной терапии.

Наследственные болезни

Наследственные заболевания – это заболевания, обусловленные генными или хромосомными мутациями. Генетическая мутация возникает, когда изменяется один или несколько генов. Если это генетическое изменение передается детям, то это наследственное генетическое заболевание.  В основе наследственных заболеваний лежат мутации: хромосомные, генные и митохондриальные.

Таких болезней много, но строгий диагноз часто невозможно установить. Например, болезнь Дауна связывают с 21 хромосомой, когда в клетках человека она утроена. С некоторыми видами рака аналогичная ситуация. Но все не так  просто с многими другими заболеваниями. Только 10% выявленных мутаций пока можно связывать с теми или иными болезнями нарушений умственного развития. Остальные 90% имеют неясную картину, они могут быть причиной болезни, а могут не иметь к ней никакого отношения, оказаться случайными находками. Особенно сложно обстоит дело с изучением генов, регулирующих работу мозга.

Общий подход к диагностике (тестированию) такой. Пациент сдает кровь на анализ. В крови выделяется ДНК, которая затем анализируется, после чего ставится диагноз. Так находят наследственную предрасположенность к различным тяжелым болезням, в том числе и к онкологии. С мозгом все сложнее. Отвечающие за его работу гены, как правило, в крови не активны. Напрямую их исследовать невозможно.

Вот если бы получить нервные клетки мозга (нейроны) с таким же набором хромосом и с теми же мутациями, что и в соматических клетках, то влияние этих мутаций на мозговую деятельность можно было бы исследовать. У живого пациента взять клетки мозга  с мутацией генов на исследование нельзя. Но можно воспользоваться научными достижениями в области изучения стволовых клеток.

Пример 1. Умственная отсталость. Медики нашли в семье мутацию с тремя копиями гена у отца и сына. Отец абсолютно здоров, а у мальчика наблюдается умственная отсталость. Утверждать, что мутированные гены связаны с умственной отсталостью ребенка  оснований не было. Для такого утверждения надо было понять, как эта мутация сказывается на работе клеток мозга.

Методов подобных исследований долгое время не было, так как нервные клетки живого пациента недоступны для исследования и анализа методами молекулярно-генетической диагностики. Выход был найден российскими учеными. Он включал использование технологии работы со стволовыми клетками, предложенной японским ученым СинЪя Яманака, отмеченным Нобелевской премией 2012.

Берутся клетки кожи пациента с умственной отсталостью и выявленной мутацией. Набор процедур преобразовывал соматические клетки, в эмбриональные стволовые клетки. Далее привлекалось ноу-хау российских ученых, превращающих СК в нейроны, которые несут мутацию. Теперь нервные клетки можно изучать вне пациента.

Эти действия и исследование обеспечили понимание того, действительно связана ли  с умственной отсталостью обнаруженная мутация или она к ней не имеет отношения. Российским ученым удалось доказать и точно установить связь между конкретной мутацией и конкретной болезнью.

Началом истории послужил неожиданный феномен. Каждый из 25 тысяч генов человека  имеет по две копии, по одной от отца и матери. При изучении одной семьи выяснилось, что мальчик с умственной отсталостью имеет три копии одного из генов. Казалось бы имеет место связь между мутацией и заболеванием. При обследовании отца и у него также обнаружились три точно такие же копии, но отец был абсолютно здоров.

Генетики стали копать глубже, изучать всю эту семью, и оказалось, что отец получил такую же мутацию от своей матери. Возникла следующая картина: если мутация с тремя копиями генов передается по материнской линии, она себя в потомстве не проявляет, а вот если по отцовской, то передается детям. И у них развивается умственная отсталость. Эти факты изучались и были установлены впервые российскими учеными.

Результаты исследования оформили в статью и послали в журнал. Престижный журнал отказал авторам в публикации статьи, сославшись на то, что это единственный случай и он ничего не доказывает. Но статья, посланная в другой журнал, была принята и опубликована.

Ученые из Питтсбургского ун-та прочитали ее, проверили свои архивные данные и сообщили о подобных мутациях еще у 14 детей. Они не публиковали эти факты ранее, так как не располагали прямыми доказательствами, что эти мутации напрямую связаны с умственной отсталостью. У российских ученых такие доказательства появились, что является их ноу-хау.

Здесь важно то, что медицинская генетика только в начале пути в оценивании клинической значимости обнаруживаемых в геноме пациентов изменений. Накопление фактов важный аспект становления этого нового направления в здравоохранении.

Пример 2. Генетическое модифицирование людей. Целенаправленное изменение генома человека с целью устранения заболевания (ВИЧ) детей больных родителей.

28 ноября 2018 года мир облетела новость о рождении детей с отредактированными генами.
Плата китайского генетика Хэ Цзянькуй за эксперимент с редактированием ДНК якобы уберегающего от вируса иммунодефицита осуждение на три года тюрьмы плюс крупный штраф ($430 тыс). Он утверждает, что новорожденные  ЭКО-дети девочки близнецы обладают врожденным иммунитетом к ВИЧ.

Благодаря искусственной генной мутации, проведенной командой доктора Хэ девочки родились от здоровой матери и ВИЧ-инфицированного отца. Ген CCR5, который вызывал предрасположенность к ВИЧ, Хэ Цзянькуй, по его словам, с помощью генетических ножниц CRISPR-Cas9 отредактировал один конкретный ген. Эту исправленную клетку отца пересадили в яйцеклетку матери. В итоге родились близняшки. Этот ген синтезировал белок, способствующий проникновению вируса ВИЧ в клетку человека.

Задачей ученого было «отключить» ген CCR5. Он связан с формированием белка, позволяющего вирусу попасть в клетку. Обе копии гена CCR5 удалось изменить лишь у одной из близняшек. У второй отредактирована оказалась одна копия, так что она может в будущем заразиться ВИЧ. Тут надо отметить, что вопрос о том, реально ли Хэ достиг успеха, остается открытым. Все личные данные участников эксперимента конфиденциальны.

Этот эксперимент был неожиданным, несвоевременным и вызвал массу опасений. Технологии редактирования генома иногда могут создавать побочный эффект. Например, выключать какой-то очень важный ген, из-за чего в дальнейшем человек будет предрасположен к серьезным заболеваниям», – комментирует профессор Медицинской школы Университета Джорджа Вашингтона Малиа Фуллертон.

Газета «Известия» сообщает. Двойняшки, которым запрограммировали иммунитет к ВИЧ на генетическом уровне, родились пять месяцев назад. Тогда научное сообщество раскритиковало подобные исследования. Теперь Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) призывает ученых поделиться опытом. Видим, как из антиутопии генная инженерия превращается в норму. Этика в генетике: ученые разрабатывают кодекс геномных исследований. Документ будет регулировать все важные вопросы, связанные с ДНК-манипуляциями

Генная инженерия

События и факты семидесятых годов прошлого века привели к возникновению новой области знаний — генной, или генетической, инженерии. Генная инженерия представляет собой совокупность методов, позволяющих создавать в пробирке, то есть in vitro, рекомбинантные молекулы ДНК (рис.1 б)) с последующей передачей этих новых генетических структур из одного организма в другой.

Целью генной инженерии является получение клеток (в первую очередь бактериальных), способных в промышленных масштабах синтезировать «человеческие» белки. Генная инженерия делает возможным преодоление межвидовых барьеров и передачу отдельных наследственных признаков одних организмов другим, что активно используется в селекции растений и животных.

Появилось новое направление генной инженерии — редактирования генов.

Редактирование генов, или редактирование геномов — это тип генной инженерии, при котором ДНК вставляется, удаляется или заменяется в геноме организма с использованием специализированных программируемых нуклеаз или «молекулярных ножниц»

Чаще всего создать сайт-специфический двунитевой разрыв в целевой ДНК можно с помощью таких программируемых нуклеаз, как нуклеазы с «цинковыми пальцами», эффекторные нуклеазы, подобные активаторам транскрипции, и белки системы CRISPR/Cas (где CRISPR расшифровывается как «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами»).

И, наконец, программируемые нуклеазы применяются для разработки терапевтических препаратов. В 2014 г. было инициировано первое клиническое испытание кандидатного терапевтического препарата на основе нуклеаз с «цинковыми пальцами»; в 2016 г. — на основе CRISPR/Cas; а в 2017 г. — на основе TALE-нуклеаз.

Медицинская генетика

Медицинская генетика – наука, которая изучает явления наследственности и изменчивости человека и их роль в патологии. Наследственность - это свойство организма получать от родителей и передавать потомкам совокупность признаков. Изменчивость – свойство приобретать новые признаки – различия между особями. Изменчивость бывает ненаследственная (модификационная), не затрагивающая генетический аппарат, и наследственная (мутационная) – передающаяся по наследству.

Хромосомные мутации вызывают нарушения строения хромосом (аберрации) при сохраненном их количестве. Механизм хромосомных перестроек до конца не изучен. 

Типы хромосомных аберраций: 1) делеция - нехватка участка; 2) инверсия - переворот участка на 180; 3) транслокация - перенос участка хромосомы на другую; 4) дупликация - удвоение участка. Часть хромосомных аберраций являются сбалансированными и клинически не проявляются, другие - приводят к наследственной патологии и дают полиморфную, часто неспецифическую, клинику. Наиболее хорошо изучен синдром “кошачьего крика”, хронический миелоидный лейкоз, транслокационный синдром Дауна.

Предметом медицинской генетики являются те направления генетики человека, которые изучают роль генетических факторов в этиологии и патогенезе заболеваний. Основной целью этих исследований является обеспечение здоровья не только настоящего, но и будущих поколений. Раздел медицинской генетики, используемый в клинической практике, называется клинической генетикой. Однако четкой границы между этими двумя направлениями не существует, и многие положения медицинской генетики, которые по началу рассматривались как чисто теоретические, через какое-то время находят применение в клинике.

С генетических позиций все болезни человека можно разделить на три класса:

• собственно наследственные болезни (в т.ч. хромосомные и генные заболевания);

• болезни с наследственной предрасположенностью (полигенные, комплексные, многофакторные);

• приобретенные (связаны с определенными неблагоприятными внешними воздействиями.

Задачей медицинской генетики является выявление, изучение, профилактика и лечение наследственных болезней, разработка путей предотвращения воздействия негативных факторов среды на наследственность человека.

В задачи медицинской генетики входят:

• диагностика наследственных заболеваний;

• анализ их распространенности в разных популяциях и этнических группах;

• медико-генетическое консультирование семей больных;

• предотвращение рождения больных детей с тяжелыми наследственными заболеваниями, которые приводят к инвалидности, на базе пренатальной (дородовой) диагностики;

• изучение молекулярно-генетических основ этиологии и патогенеза наследственных заболеваний;

• выявление енетических факторов риска многофакторных заболеваний.
  

Для их решения разрабатывается комплекс методов, применяемых в медицинской генетике. Основными из них являются секвенирование (с использованием высокоэффективного секвенирования),  клинико-генеалогический, цитогенетический, молекулярно-биохимический, популяционно-статистический, близнецовый, дерматоглифика, скринирование и экспериментальный (моделирование наследственных болезней на лабораторных животных).

В настоящее время интенсивно изучают ассоциации разных генов человека с моногенными и многофакторными заболеваниями. Эти исследования являются основой для планомерной разработки совместно со специалистами разных медицинских профилей новых патогенетических и этиологических методов лечения наследственных заболеваний, а также предупреждения развития тех заболеваний, к которым у человека имеется генетическая склонность.

В этиологии многофакторных заболеваний наряду с действием неблагоприятных внешних факторов существенно влияние не одного, а многих генов. Количество этих генов, формирующих наследственную предрасположенность, иногда исчисляется десятками или даже сотнями. К многофакторным заболеваниям относятся большинство наиболее распространенных болезней человека, таких как гипертония, атеросклероз, ишемическая болезнь сердца, бронхиальная астма, сахарный диабет, онкологические, аутоиммунные заболевания и др. Травмы и инфекции относятся к классу приобретенных заболеваний. Однако в последнем случае часто не удается полностью исключить влияния генетических факторов, определяющих дифференциальную чувствительность разных индивидуумов к действию инфекционных агентов. В этих случаях инфекционные заболевания  рассматриваются как многофакторные.

Интенсивно развивается фармакогенетика, т.е. изучение влияния генотипических особенностей пациентов на метаболизм лекарственных препаратов.

Заключение

Единство всего живого на Земле проявляется, в частности, в том, что гены человека пересаженные бактерии или мухе сохраняют свои функции. Это позволило возложить синтез, например, нужного человеку инсулина, на бактерии.

Разнообразие комбинаций генетических изменений (проявления мутаций) служит причиной многих заболеваний, установление связей которых порой сверхсложная задача, а обнаруженная связь еще требует теоретического доказательства (при наличии теории). При ее отсутствии необходимо такую теорию разработать, что также дело не простое.

Приведенные в тексте примеры 1 и 2 иллюстрируют положения высказанные в статье и показывают насколько ограничены наши возможности.

Возникают проблемы и там, где они до поры, до времени даже не предполагались. Этика генетических исследований человеческого организма отсутствует, хотя без нее сложно делать что-то серьезное. Нравственные проблемы начинают влиять (давить) на исследователей. Но так было и с атомной бомбой (обратились к А.Эйнштейну перед ее испытаниями) и с ИИ и со многими научными направлениями, часть которых еще не созрела.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гинтер Е. К. Медицинская генетика. — М.: Медицина, 2003. — 448 с. — 5000 экз. — ISBN 5-225-04327-5.

2.Жимулёв И. Ф. Общая и молекулярная генетика. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2002. — 459 с. — 2000 экз. — ISBN 5-7615-0509-6.

3. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. — М.: Высш. шк., 1989. — 591 с. — 21 000 экз. — ISBN 5-06-001146-1.

4. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека. — М.: Мир, 1993. — Т. 2. — 415 с. — ISBN 5-03-001775-5.

5. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. — Москва, 1998.

6. Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. — Москва, 1981.

7. Sambrook J., Fritsch E.F., Maniatis T. Molecular Cloning. — 1989.

8. Панчин А. Ю. Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей. — М.:АСТ. — 2015. — 432 с. ISBN 978-5-17-093602-1

9. Патрушев Л. И. Искусственные генетические системы. — М.: Наука, 2004. — ISBN 5-02-032893-6

10. Рифкин Дж., Говард Т.^[en]. Who Should Play God? The Artificial Creation of Life and What It Means for the Future of the Human Race. — N. Y.: Dell Publishing, 1977. — 272 p. — (Dell non-fiction). — ISBN 0-440-19504-7.

11. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2010. — ISBN 5-379-00335-4, ISBN 978-5-379-00335-7

12. Щелкунов С. Н. Генетическая инженерия [Текст]: учеб.-справ. пособие / С. Н. Щелкунов. — 4-е изд., стер. — Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2010

13. Gene Correction. Methods and Protocols. Series: Methods in Molecular Biology, Vol. 1114 Storici, Francesca (Ed.), 2014. — ISBN 978-1-62703-760-0

14. Thomas Gaj,Charles A. Gersbach,Carlos F. Barbas (2013) ZFN, TALEN, and CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends in Biotechnology, 31(7), 397—405, doi:10.1016/j.tibtech.2013.04.004

15. Торилл Корнфельт. Неестественный отбор. Генная инженерия и человек будущего = Torill Kornfeldt. Människan i provröret (The Unnatural Selection Of Our Species). — М.: Альпина Паблишер, 2022. — ISBN 978-5-9614-7516-6.