Перепрограммированные клетки
Нейроны, клетки сердечной мышцы, поджелудочной железы, кожи... Некоторое время назад всем было понятно, что их невозможно превратить друг в друга, судьба каждой из них жестко определена. Ведь в клетке каждого типа геном проявляет себя по-разному, и ученые были абсолютно уверены, что, если клетка дифференцировалась, то есть развилась в какой-то определенный вид, этот процесс необратим. Но в 2010 году сразу нескольким исследовательским коллективам удалось изменить судьбу взрослых клеток и сделать из них клетки другого вида.
Сырьем для ученых стали фибробласты кожи — клетки, которые в глубоких слоях кожи синтезируют коллаген и основные ее клетки. В 2010 году из фибробластов кожи получили сразу несколько типов клеток. В феврале — нейроны (Мариус Верниг, университет Стэнфорда, «Nature», 2010, № 463, с.1035), в августе — кардиомиоциты, то есть сокращающиеся клетки сердечной мышцы (Дипак Шривастава, университет Калифорнии в Сан-Франциско, «Cell», 2010, № 142, с. 375), в ноябре — предшественники клеток крови (Микки Бхатья, канадский университет Онтарио, «Nature», 2010, № 468, с.521). В первых двух случаях ученые работали с клетками мышей, а в последнем —с фибробластами кожи, взятыми у добровольцев.
Откуда такие массовые результаты? В 2006 году японский биолог Синъя Яманака с соавторами (университет Киото) опубликовали статью, которая потрясла научное сообщество. Авторы статьи in vitro возвратили фибробласты кожи мыши к стадии стволовых эмбриональных клеток. Иными словами, превратили уже «определившиеся» взрослые клетки в плюрипотентные, которые потенциально способны дать начало любому типу клеток и тканей. В ноябре 2007-го вышли две независимые статьи — одна в «Science» (Джеймс Томпсон с коллегами, университет Висконсин — Мэдиссон), другая —в «Cell» (Синъя Яманака, университет Киото), в которых уже описана успешная трансформация фибробластов человека в плюрипотентное состояние.
До того единственным способом получить плюрипотентные стволовые клетки было выделение их из эмбрионов человека, которые еще не имплантировались в стенку матки. Потенциал таких клеток очень велик, ведь из них развиваются все органы и ткани будущего организма. Точно так же in vitro из них можно получить все типы клеток и тканей и использовать их в заместительной клеточной терапии. Однако это сопряжено с серьезными проблемами, как этическими (правомерно ли использовать эмбрионы в качестве «клеточного материала»), так и медицинскими (вероятность отторжения пересаженных клеток довольно высока). Теперь же ученые нашли новый источник плюрипотентных клеток, так необходимых регенеративной медицине.
Принцип методики довольно прост. Сначала во взрослые клетки вводят гены, которые должны быть активны именно в стволовых эмбриональных клетках (проще ввести дополнительные копии генов, чем включать те, что уже имеются в геноме). А потом смотрят, станут ли обработанные таким образом взрослые клетки плюрипотентными. В свое время японский биолог попробовал не меньше 24 генов-кандидатов — по отдельности или в сочетании друг с другом. В конце концов стало понятно, что комбинация четырех генов (Oct4, Sox2, c-Myc и Klf4) позволяет получить из фибробластов плюрипотентные клетки. Так появились первые индуцированные плюрипотентные клетки, или iPS (английская аббревиатура induced pluripotent stem cells). Сначала эти работы сделали на мышиных клетках, а потом, в 2007 году, и на человеческих фибробластах кожи.
Метод тут же подхватили во всех лабораториях мира. И не только для того, чтобы получать клетки iPS. Ведь методика, созданная японскими биологами, — это модель, по которой можно получить любой тип клеток. Для этого надо в исходные клетки ввести с помощью вектора гены, которые обычно активны только в клетках интересующего вас типа, — фактически те гены, которые придают им специфичность.
В 2008 году группа Дугласа Мелтона из Гарвардского университета получила первый весьма выдающийся результат: они перепрограммировали экзокринные клетки поджелудочной железы (те, которые выделяют желудочный сок) в клетки, производящие инсулин. Впрочем, это довольно близкие виды клеток.
Результаты, описанные в феврале 2010 года группой Мариуса Вернига, были еще более революционными. Ведь фибробласты кожи и нейроны — совершенно разные клетки, хотя имеют сходное происхождение в эмбриональном развитии. Оказалось достаточно всего трех генов, выбранных из 19 специфических генов нервной клетки, чтобы запустить перерождение. Полученные клетки не только выглядели как нейроны, но и синтезировали свойственные им белки. Важно, что при этом исключалась стадия превращения в эмбриональные стволовые клетки — из клеток кожи сразу получались нейроны.
Сердечные миоциты Дипак Шривастава также получил напрямую из клеток кожи, и ему также понадобилось три гена, выбранных из 14 специфических генов сердечной мышцы. Специальный генетический анализ показал, что клетки превращались, минуя недифференцированную эмбриональную форму. Более того, если действовать по методике, предполагающей использование iPS, то в кардиомиоциты превращается только 0,1% фибробластов, а по прямой методике — 20% клеток. Уже через несколько недель клетки демонстрировали все основные характеристики кардиомиоцитов: они сокращались точно так же, как обычные клетки сердечной мышцы, и у них был такой же профиль экспрессии генов.
В работе Микки Бхатьи речь идет уже о человеческих клетках. Его задачей было получить клетки крови, которые трудно сделать из эмбриональных стволовых и iPS. Оказалось, что ген Oct4 (один из четырех генов, который используют и для перепрограммирования в iPS) сразу запускает превращение в гемопоэтические клетки, способные производить эритроциты, лейкоциты и другие клетки крови. Позволит ли эта методика решить медицинские проблемы? Бхатьи в этом уверен, другие исследователи сомневаются.
Но есть и оптимисты. Как говорит «отец» овечки Долли и директор Центра регенеративной медицины в Эдинбурге Ян Уилмут: «В один прекрасный день с помощью перепрограммирования можно будет получить почти все из почти всего».