Михаил Вейсман - Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности
Если синтезированный ген ввести в код ДНК, то клетка приобретает способность делиться бесконечно. В естественной среде теломераза производится в стволовых, половых и некоторых других типах клеток организма, которым необходимо постоянно делиться для функционирования их тканей (например – клетки эпителия кишечника).
Интересно, что обычные соматические клетки организма лишены теломеразной активности. Зато 85 % раковых опухолей производят теломеразу в неограниченных количествах, что и вызывает бесконтрольный рост опухоли. Поэтому считается, что активация теломеразы является одним из событий на пути клетки к злокачественному перерождению. Клетка становится больной, но – бессмертной.
Яркий пример бессмертия раковых клеток – это клетки HeLa, изначально полученные из опухоли шейки матки Генриетты Лекс (Henrietta Lacks, отсюда название культуры HeLa) в 1951 г. Эта культура по сей день используется в лабораторных исследованиях. Клетки HeLa в самом деле бессмертны: по оценкам, ежедневно производится несколько тонн этих клеток, причем все они являются потомками нескольких клеток, извлеченных из опухоли Г. Лекс.
Перед нами видимый парадокс: с одной стороны, деятельность теломеразы – путь к бессмертию, с другой – причина одной из самых страшных болезней человечества. Как мы можем использовать это знание?
Ученые распорядились им просто: они выявили, что сам по себе фермент не провоцирует образование опухоли. Он лишь поддерживает ее в жизнеспособном состоянии. А спусковым механизмом болезни являются другие факторы (мы рассмотрели их в предыдущих главах), Поэтому теломераза была реабилитирована в ученой среде.
На этот фермент до сих пор возлагают главные надежды в деле изобретения эликсира бессмертия. Создан искусственный препарат, активирующий теломеразу. Он получен из китайского растения астрагалус. Американский ученый Майкл Фоссел в одном из интервью предположил, что лечение теломеразой может использоваться не только для борьбы с раком, но даже для борьбы со старением человеческого организма и, таким образом, для увеличения продолжительности жизни. Он считает, что уже в ближайшем десятилетии будут проведены первые испытания теломеразных методов увеличения продолжительности жизни человека. Это весьма обнадеживает, так как примерно в это же время произойдет массовый уход на пенсию людей поколения беби-бума в США и Западной Европе.
Практически к тому же выводу пришли ученые, изучавшие стволовые клетки. Американские эксперты Национального института старения определили ключевой процесс клеточного обновления эмбриональных стволовых клеток в гене Zscan4. Этот прорыв может оказать серьезное влияние на научные исследования старения организма, биологии стволовых клеток и рака и восстановительной медицины.
Стволовые клетки являются уникальными, поскольку наряду с возможностью развиваться в практически любом типе клеток в организме они могут производить бесконечное поколение новых, в полном объеме рабочих стволовых клеток. Стволовые клетки в основном бессмертные, а это означает, что они могут делиться бесконечно и вырабатывать дополнительные функциональные дочерние клетки.
Другие клетки не обладают такими способностями, потому что теломеры, защитные окончания хромосомы, которая несет генетическую информацию клетки, каждый раз при делении клетки сокращаются. Когда теломеры становятся слишком короткими, они уже не способны защитить клетки, объясняют исследователи.
До сих пор механизм бессмертия стволовых клеток оставался тайной. Большинство ученых склоняются к мнению, что стволовые клетки способны на «самообновление», то есть при делении они также производят дочерние клетки. Специалисты считают, что этот процесс уместнее назвать клеточным «омоложением». По их словам, как и в других клетках, когда стволовые клетки дублируются, дочерние клетки не идентичны «родительским». Согласно полученным результатам лабораторных тестирований на мышах, стволовые клетки имеют уникальный ген Zscan4, который при активации омолаживает клетки и восстанавливает их исходную силу. Это омоложение затрагивает удлинение теломер посредством рекомбинации, когда короткие теломеры в сочетании с более длинными самостоятельно удлиняются. Затем идентифицированный ген выключается. Открытие показало, что ген не включается каждый раз, когда клетка воспроизводится, – примерно 5 % клеток становятся работоспособными при его активности в любой одной точке.
Глава 3. В борьбу за бессмертие вступают лимфоциты
Специалисты из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана отыскали «рецептор бессмертия» на клетках иммунной системы – В-лимфоцитах. Его стимуляция позволила клетке без потерь пройти через 370 циклов деления. Полное время наблюдений за делящейся клеткой на момент публикации статьи немецких ученых составило 1650 дней!
Напомним, что в нашем организме В-лимфоциты выполняют две функции. Во-первых, они поглощают чужеродные белки и выставляют их на своей поверхности, чтобы другие клетки системы не забывали, с кем надо бороться; такие В-лимфоциты называют клетками памяти. Во-вторых, В-лимфоциты могут превращаться в плазматические клетки и, собственно, производить антитела к тому или иному антигену.
Работать в одиночку в иммунной системе В-лимфоциты не могут. Для выполнения своих функций они взаимодействуют с остальными клетками с помощью многочисленных рецепторов, расположенных на поверхности. Одним из таких рецепторов является CD40, необходимый для активации клеток при контакте Т– и В-лимфоцитов. Именно при воздействии на этот рецептор В-лимфоциты превращаются либо в клетку памяти, либо в плазматическую клетку. При таких превращениях работа клетки существенно меняется, что требует соответствующей перестройки генома.
Именно CD40 помог «обессмертить» клетку. Ученые сымитировали взаимодействие В– и Т-лимфоцитов, воздействуя на этот рецептор. В-лимфоцит, который такое воздействие обычно чувствует перед перерождением в клетку другого типа, ответил повышением активности теломеразы. А этот фермент уже не только восстановил «укоротившиеся» ДНК, но даже создал небольшой запас «на будущее».
Кстати говоря, клетки большинства из нас и так «бессмертны».
Дело в том, что еще в детстве большинство из нас оказываются заражены вирусом Эпштейна-Барр. Он также способен запустить работу теломеразы, позволяя клетке перешагнуть через барьер Хейфлика. Но такая «бессмертность» не считается, ведь, во-первых, вирус встраивается не во все клетки нашего тела, а во-вторых, даже в них он активирует теломеразу не в 100 % случаев; кроме того, здесь, без всяких сомнений, имеет место вмешательство в геном.
Обычно заражение протекает без каких-либо внешних проявлений, и среди взрослого населения планеты зараженных около 95 %. По словам исследователей, самым сложным в работе было как раз найти доноров, не зараженных этим вирусом.
Сейчас работы по изучению теломеразы непрерывно ведутся в двух областях медицины – геронтологии и онкологии. В первом случае усилия исследователей направлены на стимуляцию работы фермента, дабы продлить способность организма к регенерации. Во втором ученые, напротив, пытаются добиться остановки процесса деления бесконтрольно размножающихся раковых клеток. Пока добиться значимых успехов на этом направлении не удалось: все предложенные за тридцать лет исследований методы лечения опухолей воздействием на работу теломеразы оказывались малоэффективными.
Глава 4. Нанотехнологии в помощь
Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.
В наиболее общей постановке проблема применения нанотехнологий в медицине заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т. е. осуществлять «молекулярную хирургию». Она может состоять из таких операций, как узнавание определенных фрагментов молекул и клеток, разрыв или соединение частей молекул, добавление или удаление молекулярных фрагментов, полная разборка и сборка молекул и клеточных структур по определенной программе. Хотя подобные операции и осуществляются обычными, естественными молекулами белка, но набор их функций недостаточен для обеспечения бессмертия клетки и всего организма. Задача, таким образом, состоит в придании клетке этих недостающих функций, в «разумном» управлении ее работой.
Устройства для молекулярной хирургии обычно называют молекулярными роботами (MP). MP могут изготовляться на основе биологических макромолекул (в основном белков). Такой подход называют молекулярной нанотехнологией. В этом случае принципы их работы известны, они аналогичны принципами работы белковых молекул. Это – изменения молекулярной структуры, результатом которых является изменение химических связей в молекуле (что является основой каталитической активности белков).
