Как подружить гены в клетках. Коктейль молодости, светящиеся котики, напечатанные органы и другие прелести науки

Котики и другие прелести жизни

У некоторых людей аллергия на кошек. Они заводят себе домашнего любимца без шерсти в надежде, что произойдет чудо, и они не будут задыхаться от сухого кашля и заложенного носа. Вот только чуда не происходит. Почему так?

Несмотря на устоявшееся мнение, аллергическая реакция возникает вовсе не на шерсть кошки, а на белки, содержащиеся в слюне, моче и отслоившихся чешуйках кожи. Мелкие частички этого вещества не только находятся на шерстке кошки, но и оседают на полу и мебели.

В 2007 году компания Lifestyle Pets заявила, что создала с помощью генной инженерии гипоаллергенную породу кошек, которой дала название Ашера. Позже выяснилось, что эта информация была ложной, а Ашерой оказалась кошка породы саванна. К сожалению, генетически модифицированных кошек, которые бы не вызывали аллергию у человека, до сих пор не существует. Остается лишь надеяться, что в ближайшем будущем аллергикам посчастливится завести генетически модифицированных питомцев, ведь исследования в этой области уже ведутся.

В том же 2007 году коллектив ученых из Южной Кореи изменил ДНК кота, чтобы тот мог светиться в ультрафиолете, а затем использовал эту ДНК и клонировал из нее других котов, создав пушистых флуоресцирующих котиков. Для этого коллектив исследователей взял кожные клетки кота породы турецкая ангора и, используя вирус, ввел генетические инструкции по производству красного флуоресцентного белка. Затем ученые поместили генетически измененные ядра в яйцеклетки для клонирования, после чего имплантировали эмбрионы кошкам, что сделало их суррогатными матерями. Много пушистых светящихся котиков! Что может быть лучше? Вероятно, только котики, устойчивые к вирусу иммунодефицита.

КОММЕНТАРИЙ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Хотя «о, светящиеся котики» может звучать мило и забавно, науке такие исследования нужны для изучения болезней человека. В тексте речь идет о работе Xi Jun Yin et aL, Generation of Cloned Transgenic Cats Expressing Red Fluorescence Protein, Biology of Reproduction, Volume 78, Issue 3,1 March 2008, Pages 425–431.

В 2011 году ученые создали кошек, устойчивых к кошачьему вирусу иммунодефицита. Для этого они внедрили в кошачью яйцеклетку ген противовирусного белка. Чтобы наблюдать за распространением гена по кошачьему организму, исследователи добавили к нему ген флуоресцентного белка – так генетически модифицированные кошки стали светиться в ультрафиолете зеленым светом, что свидетельствовало об успешной вставке гена [5].

Сегодня в мире известно о трех разновидностях вируса иммунодефицита: у людей – ВИЧ, у обезьян – ВИО, у кошек – ВИК. Эти вирусы не передаются между видами, но имеют ряд сходных черт. Вот почему многие медицинские эксперименты по изучению иммунодефицита можно проводить на кошках, а не на людях.

Предыдущие исследования раскрыли защитную роль белка, который распознает вирусы ВИЧ и ВИО, атакует и разрушает их оболочку. У кошек этого белка нет, и исследователи решили сделать так, чтобы этот белок у них появился. Ученые выяснили, что культура клеток, взятая от ГМ-котов, устойчива к ВИК. Эксперименты по заражению самих животных пока не проводились, но это позволило ученым получить информацию о механизмах действия, которые могли бы оказаться полезными в борьбе с распространением ВИЧ.

Кстати, трансгенных светящихся мышей вывели еще в 1998 году [6]. Сейчас их активно используют для исследований.

Светящиеся живые организмы не редкость в природе, но некоторые из них могут светиться самостоятельно, будто живые фонарики, а некоторые только переизлучают свет в видимом диапазоне с другой длиной волны, например, в ультрафиолете.

Первый механизм называют биолюминесценцией, для него не нужен внешний источник света. В полной темноте могут светиться черви, насекомые и грибы. Биолюминесценция позволяет испускать видимый свет за счет окисления люциферина специальным ферментом люциферазой. Светящихся растений в природе не существует, но в 2019 году российские ученые создали генно-модифицированный табак, способный светиться в темноте. Для этого они вставили в геном растений недостающие для биолюминесценции гены, взятые у грибов [7].

Второй механизм свечения – биофлуоресценция, которая заключается в обратном излучении поглощенного света с измененной длиной волны. К биофлуоресценции способны в основном морские организмы, среди которых наиболее изученные – это медузы и кораллы. Флуоресценцию также обнаружили у рыб, птиц, рептилий, земноводных. В 2020 году американские ученые впервые показали, что практически все известные амфибии флуоресцируют зеленым или желтым, если посветить на них синим светом.

Известно несколько механизмов флуоресценции. Светиться могут пигменты, минералы, а также белки. Спустя почти полвека после открытия в 2008 году Нобелевскую премию по химии вручили за открытие зеленого флуоресцентного белка медуз, GFP, который широко применяется в биологических исследованиях. Но есть еще более неоднозначные работы.

Как показала практика, с помощью генетики можно экспериментировать с полом. Внедрение одного гена превратило эмбрионы самок комаров в самцов. Ученые ввели в геном комаров один мужской ген, и генетические самки выросли самцами по всем фенотипическим признакам.

Однако такие трансгенные комары не могли самостоятельно спариваться, поэтому ученые им помогли размножиться лабораторными методами. Причем большинство самок в их потомстве наследовали введенный ген. Авторы статьи считают, что с помощью трансгенных самцов можно снизить долю кусающих самок в популяции и замедлить распространение болезней, которые переносят комары [8].

Животноводство также находится в зоне интересов генной инженерии. Сегодня приоритетными считаются исследования по созданию трансгенных овец, свиней, коров, кроликов, уток, гусей, кур.

Химеры среди нас

Когда слышишь слово «химера», сразу возникает образ какого-то мифического чудовища, в теле которого находятся несколько существ. Но что, если химеры существуют на самом деле не только среди животных, но и среди людей?

Химера – это организм, состоящий из генетически разнородных клеток.

Часто химерически построены не целые организмы, а лишь их отдельные органы или части [9].

Кто такие люди-химеры на самом деле? Страшные гомункулы? Или люди, превращающиеся по ночам в волков? Ни те, ни другие.

В 2002 году в новостях рассказали о таком необычном случае: американку Лидию Фэйрчайлд во время беременности бросил муж. Недавно она родила своего третьего ребенка и решила подать на алименты. От нее и ее бывшего потребовали анализ ДНК, чтобы подтвердить отцовство и материнство. Результаты показали, что ее бывший муж действительно является отцом малыша. Казалось бы, все хорошо, но проблема заключалась в том, что ДНК-тест не подтвердил, что сама Лидия является матерью этого ребенка. Лидии грозили обвинения в мошенничестве и лишение родительских прав. Суд вызвал свидетеля, акушерку, которая присутствовала на родах третьего ребенка. Провели дополнительные анализы ДНК, которые однозначно говорили о невозможном: Лидия не мать рожденного ею малыша.

Как такое вообще возможно? Могли ли результаты анализа оказаться ошибочными? Недоразумение удалось прояснить только после того, как у женщины взяли образцы тканей разных частей тела. Во взятых прежде образцах кожи и крови содержались одинаковые цепочки ДНК, однако клетки, взятые из шейки матки, отличались: они несли в себе совершенно другую ДНК. Лидия была химерой. В материнской утробе ее клетки слились с клетками ее близнеца. Вместо того чтобы каждому развиться в отдельный организм, близнецы слились воедино. Клетки, из которых развилась кожа, достались зародышу от одного близнеца, а клетки, из которых образовалась шейка матки с яйцеклетками, – от другого. Организм Лидии был создан двумя близняшками, и она стала своему ребенку одновременно и матерью, и тетей.

Похожий случай, если верить новостям, в США произошел с другой семьей. Только на этот раз возникли сомнения в отцовстве. Ребенок, рожденный с помощью процедуры ЭКО, оказался неродным сыном для мужчины, и тот обратился к известному генетику за разъяснениями. Более тщательный анализ показал, что американец является родным дядей собственному сыну, и тут все встало на свои места. Мужчина также оказался химерой, в организме которого присутствовали ДНК его самого и его близнеца.

Химеризм наблюдается у людей, рожденных в паре разнояйцевых близнецов, когда на ранних стадиях развития происходит обмен клетками между эмбрионами, а также в тех случаях, когда две зиготы сливаются воедино, становясь единым эмбрионом.

Это все примеры тетрагаметического химеризма, при котором происходит либо слияние двух яйцеклеток, каждая из которых оплодотворена своим сперматозоидом, либо двух эмбрионов на ранних стадиях развития, вследствие чего разные органы или клетки такого организма содержат хромосомные наборы разных эмбрионов. Но есть и другие виды химеризма.

Например, при микрохимеризме клетки плода проникают в кровеносную систему матери и иногда приживаются в ее тканях, и наоборот, клетки матери проникают через плацентарный барьер к ребенку. Так что мам можно тоже назвать микрохимерами.

Третий вариант – «близнецовый» химеризм, когда из-за сращения кровеносных сосудов гетерозиготные близнецы передают друг другу свои клетки.

Посттрансплантационный химеризм возникает после переливания крови или пересадки органа. В этом случае собственные клетки сосуществуют с клетками донора в организме человека.

А вот при трансплантации костного мозга можно сказать, что врачи сами делают из пациента химеру, пытаясь заставить работать пересаженные клетки вместо хозяйских. Дело в том, что именно в костном мозге образуются все виды клеток крови взамен отмирающих. Поэтому у человека, которому трансплантировали костный мозг, кровь будет содержать ДНК донора. Остальные же органы будут с прежней генетической информацией.

Что же насчет межвидовых химер?

Давайте разберемся, как это происходит. Химеры – не гибриды, которые рождаются в результате скрещивания представителей разных видов. Они возникают, как правило, искусственно, когда исследователи в строго определенный момент развития зародыша вводят ему стволовые клетки неродственного животного. Для этого с помощью генетического редактора, о котором подробно вы узнаете позже, избирательно вырезается ген, отвечающий за формирование того или иного органа. Затем в питательную среду зародыша внедряют стволовые клетки этого же органа, но другого вида. Они и превращаются в орган, чью заготовку уничтожили.

Все это возможно, только если «обработать» эмбрион возрастом несколько дней (он представляет собой около десятка клеток), после чего перенести его для вынашивания в матку животного. То, что «химеризация» происходит на столь раннем этапе развития, вызывает опасения: а не разовьются ли человеческие клетки во что-то помимо искомого органа и не получится ли животное слишком похожим на человека. Подтвердить это для человеческих органов можно только в непосредственном эксперименте.

В 2017 году ученые впервые вырастили эмбрионы-химеры, которые состояли из клеток человека и свиньи [10]. В результате получалась смесь из человеческих и свиных клеток, которую на месяц подсаживали самке свиньи.

Этот процесс оказался очень неэффективным: из 2075 подсаженных эмбрионов в течение 28 дней развивались лишь 186. Однако при этом были признаки того, что человеческие клетки продолжают функционировать как часть химеры.

Несмотря на «страшное» название, цель создания «химер» – спасение человеческих жизней. Подсаживая человеческие стволовые клетки эмбрионам животных на самых ранних стадиях развития, исследователи рассчитывают выращивать с их помощью полноценные человеческие органы для пересадки.

Ученые надеются, что опыты по скрещиванию человеческих и свиных клеток в будущем позволят подобным образом выращивать «идеальные» органы для трансплантации, полученные из собственных клеток реципиента, не несущие риск отторжения после пересадки. Также эксперименты в этой области могут привести к более безопасным и эффективным испытаниям новых лекарственных препаратов.