исключительно точно распознает определенный район именно того гена, который необходимо активировать. А если вместо активаторного белка мы вставим репрессорный, то конструкция подавит работу данного гена. Это исключительно точное направленное воздействие, дающее эффект, с которым сегодня не сравнятся никакие химические молекулы, обладающие сходным действием. К тому же любая синтезированная химическая молекула из-за значительных побочных эффектов будет дополнительно изменять работу многих генов. Правда, надо признать, что у малых химических молекул есть преимущество: они легче проникают в клетку, чем CRISPR/Cas9.
Для чего можно использовать активационную или репрессорную конструкции? Вот реальный пример. В опухолевых клетках активирован целый ряд генов, которые в норме работать в них не должны. Но мы можем постараться подавить их работу за счет того, что доставим в опухолевые клетки конструкцию, которая будет состоять из системы распознавания — направляющей РНК — и инактивированного мутантного фермента Cas9, а также репрессора (подавителя) транскрипции данного конкретного гена. Это один из вариантов инактивации (выключения) ненужных генов, который дает шансы вылечить заболевание, вызванное слишком высоким уровнем экспрессии генов (как это обычно бывает в опухолевых клетках).
Часто случаются и противоположные ситуации, когда в организме отсутствует или недостаточна экспрессия какого-то гена, и это приводит к патологии. В таком случае для регуляции конкретного гена можно подобрать направляющую РНК, которая распознает последовательность именно этого гена, добавить белок Cas9 без нуклеазной активности, генно-инженерным путем присоединить активаторный белок, и тогда мы сможем очень точно и целенаправленно активировать нужный ген.
Серьезно говорить об использовании этих подходов для лечения людей пока еще преждевременно, но вне организма, in vitro, на модельных системах такая возможность сейчас активно изучается.
Наверняка каждый читающий эту книгу слышал о стволовых клетках, но не все знают, что они бывают разными. Они есть и во взрослом организме, и нужны для естественных процессов восстановления тканей, поэтому их называют тканеспецифичными, из них получаются (или, по-научному, дифференцируются) только специализированные клетки определенной ткани, например костной. А поскольку каждый человек развивается из одной-единственной клетки, то стволовые клетки, которые появились в зародыше в самом начале его развития, порождают все многообразие клеток взрослого организма, в том числе и тканеспецифичные стволовые клетки.
Эти ранние зародышевые стволовые клетки называют эмбриональными — по месту их нахождения или плюрипотентными — по их функциональным возможностям. Плюрипотентность (от лат. pluri — много) означает способность дифференцироваться в большое количество разнообразных клеточных типов. Эти клетки уникальны своим потенциалом: из них можно получить клетки и крови, и мозга, и кишечника, и печени, и... еще пару сотен других. Но откуда их взять для взрослого человека, организм которого уже прошел этап эмбрионального развития?
А что, если попробовать использовать для этого обычную соматическую клетку? Ведь в конце концов, геном и у одноклеточного эмбриона, и у стоклеточного зародыша, и у взрослого организма одинаков. Просто для развития и жизнедеятельности организма не нужна работа всех генов во всех клетках одновременно. На ранних стадиях развития сначала работают одни комбинации генов, через пару дней некоторые гены выключаются и включаются другие, еще через неделю возникает новая комбинация и т. д. Если же мы возьмем взрослый организм, то в каждой определенной его клетке на протяжении всей жизни должна работать стабильная комбинация некоторых генов, причем в разных специализированных клетках потребуется активность разных генов, а остальные будут выключены (репрессированы).
Тонким балансом между активностью одних и репрессией других генов как раз и достигается клеточное совершенство — гомеостаз, то есть саморегуляция, направленная на поддержание стабильного состояния. Но что произойдет, если в специализированной клетке взрослого организма активировать те гены, которые нужны на стадии стоклеточного эмбриона, то есть репрограммировать ее — заставить выполнять программу эмбриональной клетки? Для этого можно провести генную терапию. Мы используем вирус, в котором находится нужный ген, по каким-то причинам не работающий в клетке, затем вводим нашу конструкцию в ДНК клетки, и вот — извольте! — в ней начинает работать ген, привнесенный вирусом.
Именно так поступили японские исследователи под руководством Синъя Яманака с клетками мыши, а чуть позже и человека. В 2006 году были опубликованы результаты этого исследования. Ученые применили к клеткам, полученным из взрослого организма, генную терапию четырьмя транскрипционными факторами, которые активно работают на стадии эмбрионального развития. И — о чудо! — эти клетки репрограммировались в эмбриональное состояние плюрипотентности, а эту четверку транскрипционных факторов назвали «магическая четверка» (magic four).
Это значит, что любую клетку нашего организма в лабораторных условиях можно перевести в плюрипотентную стволовую! Представьте, ведь потом из них можно получить любую клетку организма — и это действительно может оказаться прорывом в регенеративной медицине. Я не буду вдаваться в подробности технологии и ее научные основы, скажу лишь, что всего через шесть лет после появления первой статьи Синъя Яманака получил за эту технологию Нобелевскую премию. Такой короткий срок повторяет рекорд Вильгельма Рентгена — первого в мире лауреата Нобелевской премии по физике, который в 1895 году впервые применил свои лучи и получил изображение металлического кольца на ладони, а в 1901 году ему была вручена Нобелевская премия. Только эти два открытия, две технологии, два человека — Вильгельм Рентген и Синъя Яманака — не попали под действие известного правила номинантов: чтобы получить премию, надо жить долго.
Итак, применяя генную терапию для клетки, мы можем изменять ее судьбу, но, к сожалению, не всегда бесследно. Введенные вирусы, гены, дополнительные последовательности ДНК представляют потенциальную, хотя и не очевидную опасность. Однако если точечно активировать «магическую четверку» генов с помощью направленного действия активаторной CRISPR/Cas9-системы, клетка репрограммируется до состояния плюрипотентной стволовой без всякого генетического следа от проведенного воздействия.
При использовании CRISPR/Cas9 исследователи вводят свою генно-инженерную конструкцию прицельно, направляя ее на каждый конкретный ген. Конечно, выбрать его весьма непросто — необходимы большая работа и хорошее понимание процесса. Но зато если мы поймем, какой ген в каждом патологическом процессе является ключевым, и сможем с помощью этой системы на него воздействовать, то подобный подход позволит решить многие медицинские и биологические проблемы. В частности, CRISPR/Cas9 позволяет углубить наши знания об устройстве живой клетки и о тех сложнейших процессах реализации (проявления) генетической информации, которые в ней происходят.
Многие помнят изображение хромосом в школьных учебниках в виде буквы X. Оно очень распространено, хотя надо понимать, что такой вид хромосомы имеют только
