Текст уведомления здесь

Клеточные трагедии

Часть VI: начать с начала

Внутренняя жизнь клетки насыщена событиями не меньше, чем человеческая. Она полна страстей и опасностей и так же неизбежно заканчивается смертью. Полина Лосева разбирается в том, какие сюжеты встречаются в судьбах клеток и как их развитие сказывается на нас с вами. В этот раз мы поговорим о том, как сжечь за собой мосты и начать жизнь заново. Людям не всегда легко даются радикальные перемены, но, может быть, у клеток получается лучше?
Добавить в закладки
Комментарии
Изображение: Ольга Степанюк

Изображение: Ольга Степанюк

«Клеточные трагедии» — это большой цикл статей о клетках, который продолжает пополняться. Почитайте и другие тексты о нелегкой жизни клеток: в них рассказывается о самоубийствах, стрессе, шоке, самоопределении, старости и — бессмертии.

Многие фильмы начинаются так: с поезда на пустую платформу небольшого города сходит незнакомец. В руке чемодан с личными вещами, вид таинственный. Откуда он пришел? От чего сбежал? Сможет ли он начать жизнь с нуля в новом городе? В большинстве фильмов от прошлого незнакомцам убежать не удается — их настигают преследователи, воспоминания и старые травмы. Тем не менее образ загадочного беглеца остается притягательным, а интернет изобилует мотивирующими текстами и инструкциями по поджогу своих мостов. Десять лет назад такие инструкции появились и для клеток.

Клеточное детство

Переезжая в другой город и меняя профессию, человек в некотором роде возвращается в детство: дает себе возможность снова выбрать, где жить, кем быть и с кем общаться. Для клетки детством является стволовое, или недифференцированное, состояние (подробно о стволовых клетках — здесь). В этом состоянии клетка не имеет особенностей строения и функций, характерных для «взрослых» клеток органов и тканей. Кроме того, стволовая клетка имеет широкие перспективы: под действием внешних факторов она может стать клеткой одного из множества типов. Информация о белках, которые нужны клетке для выполнения всех возможных функций, записана в ее ДНК. И стволовой клетке вся эта информация доступна. Но по мере дифференцировки клетка постепенно скручивает ненужную ДНК, оставляя себе только ту информацию, которая пригодится ей на выбранном пути. Мы уже сравнивали этот процесс с упаковкой вещей. Пока человек молод, у него есть большой набор книг, которыми он может воспользоваться. Но по мере того, как он чем-то увлекается и на этом специализируется, ненужные книги пакуются в коробки и оборачиваются скотчем. На молекулярном уровне это означает следующее: нить ДНК, как правило, намотана на белки гистоны (уложена в коробки) — так она занимает меньше места. Если нужно считать информацию, гистоны легко отваливаются от ДНК, а потом налипают обратно. Но можно навесить на гистоны и ДНК химические группы (обклеить скотчем), которые будут лучше их скреплять. Тогда сбросить гистоны и раскрутить ДНК не получится, а информация станет недоступной. Таким образом, у клетки по мере «взросления» сужается спектр возможностей: чем меньше информации она может использовать, тем меньше у нее вариантов, кем быть и что делать. Аналогично, наш таинственный незнакомец в поисках вдохновения смотрит на полку, которая когда-то была полна разнообразных книг. Но с годами там остались стоять только инструкция по использованию лобзика и «Энциклопедия юного столяра». И тогда он решает начать все сначала.

Большая уборка

Возвращение клетки к истокам называют дедифференцировкой. До сих пор неизвестно, насколько часто она происходит в организме человека. За исключением онкологических заболеваний, когда раковые клетки теряют свойства своей ткани, такие случаи удается обнаружить редко. Но клеточные биологи решили взять ситуацию в свои руки. С тех пор, как стало понятно, что из стволовых клеток можно выращивать разные ткани, возник вопрос, как именно добывать стволовые клетки человека в «промышленных масштабах». Брать их у живых людей травматично, иногда опасно (если это стволовые клетки головного мозга, например), к тому же их немного. Брать клетки у зародышей человека неэтично. Поэтому появилась идея научиться репрограммировать взрослые клетки, то есть возвращать их в стволовое состояние силой.

Герои фильмов обычно в процессе уборки находят любимую, но давно позабытую хоккейную клюшку и решают наверстать упущенные возможности, бросив уже сложившуюся жизнь. Но перезагрузить свою жизнь не самая простая задача. Для этого потребуются радикальные действия: вытащить все коробки, разрезать скотч и разложить по полкам заново. Иными словами, нужно снять лишние метки с гистонов и ДНК и раскрутить все обратно, чтобы клетка снова получила доступ ко всей информации. Но как это сделать?

Первый метод был предложен еще в середине прошлого века и заключался в переносе ядра из какой-нибудь клетки взрослого человека в яйцеклетку (из которой предварительно удаляли собственное ядро). После этих манипуляций, под действием каких-то (не до конца изученных) веществ из цитоплазмы яйцеклетки ДНК ядра раскручивалась — и перед нами оказывалась клетка, которая снова может все. Можно сказать, что мы неудавшегося столяра отправляли в родной город к маме. Ответственная мама брала инициативу в свои руки, все разрезала, разбирала и расставляла по местам. Этот способ удобный и довольно эффективный, но проблема в том, что «мам» на всех не хватит. Каждый раз приходится забирать яйцеклетки у женщин-волонтеров, что не только неэффективно, но и связано с этическими трудностями.

Хорошо бы научить клетку делать уборку самостоятельно и начинать новую жизнь прямо на месте, без переездов. Японские ученые во главе с Синъей Яманакой предположили, что в наших генах могут быть закодированы какие-то белки, которые способны эту уборку запустить. Они брали взрослые клетки кожи и заражали их вирусами, несущими разные гены. Вирусы сами по себе были безопасными, зато встроенные в них гены работали активнее, чем собственные гены клеток. Оказалось, что достаточно заставить работать четыре (а в некоторых случаях — и один) ключевой ген, чтобы ДНК раскрутилась. В результате получилась культура клеток, очень похожих на клетки эмбриона на ранней стадии развития. Полученные клетки назвали индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. Индуцированными — так как ученые заставили их развернуть свою ДНК, стволовыми — потому что из этих клеток можно получить любые клеточные типы, а плюрипотентными — потому что их возможности (потенция) безграничны.

Если при переносе ядер требовался переезд и некоторая внешняя среда, то есть «мама», которая со всем разберется, то метод Яманаки действовал на клетку изнутри. Его можно назвать технологией внутриклеточного гипноза. Достаточно «дать» клеткам определенную «установку» («Чистота — залог здоровья!», «Наведи порядок!»), чтобы они сделали уборку сами. Этот метод настолько привлек внимание научного сообщества, что в 2012 году за него присудили Нобелевскую премию, а технологию продолжают совершенствовать до сих пор. Изначально Яманака активировал работу генов с помощью вирусов. Потом ученые начали вводить в клетки белки, кодируемые этими генами. А совсем недавно предложили использовать популярную технологию CRISPR-Cas, чтобы избирательно связываться с нужными генами и запускать их работу. Наконец, оказалось, что можно просто подсовывать клетке «ножницы для скотча», то есть обрабатывать ее молекулами, которые срезают метки с гистонов и ДНК. И этого тоже достаточно, чтобы клетка начала новую жизнь.

Сокращающийся кардиомицит, в «прошлой жизни» бывший клеткой кожи. Фрагмент видео, снятого в лаборатории Синъи Яманаки. Источник: Uosaki H, Fukushima H, Takeuchi A, Matsuoka S, Nakatsuji N, Yamanaka S, Yamashita J. «Efficient and Scalable Purification of Cardiomyocytes from Human Embryonic and Induced Pluripotent Stem Cells by VCAM1 Surface Expression». PLOS ONE. / CC BY 2.5
Сокращающийся кардиомицит, в «прошлой жизни» бывший клеткой кожи. Фрагмент видео, снятого в лаборатории Синъи Яманаки. Источник: Uosaki H, Fukushima H, Takeuchi A, Matsuoka S, Nakatsuji N, Yamanaka S, Yamashita J. «Efficient and Scalable Purification of Cardiomyocytes from Human Embryonic and Induced Pluripotent Stem Cells by VCAM1 Surface Expression». PLOS ONE. / CC BY 2.5

Вторая молодость

Репрограммирование рисует заманчивые перспективы: пусть у нас есть общество (организм человека), где много профессионалов в одной области (клеток, например, кожи) и мало — в другой (клеток мозга). Мы берем специалистов оттуда, где они в избытке, стираем им память (репрограммируем), размножаем, обучаем заново (дифференцируем) и забрасываем этот десант в новую область (имплантируем пациенту). Но где-то в этой идиллии кроется подвох. Вопрос, который мучает научное сообщество уже второй десяток лет, волнует и зрителей фильмов о таинственном незнакомце: можно ли полностью оставить позади и забыть прошлую жизнь?

По мере того как в лабораториях по всему миру повторяли эксперименты по репрограммированию клеток, стало понятно, что эта процедура дает очень нестабильные результаты. Во-первых, эффективность ее составляет в лучших случаях несколько процентов, то есть существенная часть усилий и реактивов тратится впустую. Во-вторых, не все клетки в равной степени поддаются гипнозу. Это может зависеть и от лаборатории, и от протокола, и от конкретных пациентов. Так или иначе, когда репрограммированные клетки сравнивают с настоящими эмбриональными, часто обнаруживаются отличия. Новообращенные то отказываются учиться снова (дифференцируются не во все типы), то манкируют своими обязанностями (хуже делятся). Считается, что это может быть связано с возрастом пациента, у которого взяли клетки. За долгие годы скотч склеивается намертво, и даже после репрограммирования некоторые метки на ДНК сохраняются. Хотя в некоторых экспериментах и эти метки исчезают, если уборку провести несколько раз подряд. Кроме этого, могут оставаться активными отдельные гены или белки, характерные для предыдущей специализации клетки. Пусть наш бывший столяр разобрал все книги, расставил обратно по полкам и выкинул прошлое из головы, но как только взгляд его падает на лобзик, лежащий на столе, он тотчас же вспоминает все, и репрограммирования как не бывало.

Исправившимся верить?

Низкая эффективность репрограммирования привела к тому, что его все еще не используют в клиниках. Исключение составляет японская группа ученых, которым еще в 2014 году удалось вырастить из репрограммированных клеток слой пигментного эпителия сетчатки и ввести их в глаз пациентке с макулодистрофией (распространенным заболеванием, при котором разрушается эпителий сетчатки и падает острота зрения). Сейчас, когда прошло уже три года, можно сказать, что ученые смогли остановить потерю зрения. Правда, и улучшения зрения они не добились.

В других странах, тем не менее, клинических исследований пока нет. Если мы не можем точно контролировать репрограммирование клеток и последующую дифференцировку, то как мы можем рассчитывать на то, что новообращенные стволовые клетки будут вести себя в организме именно так, как нам хочется? Единственный способ интегрировать наших таинственных незнакомцев в общество — ограничить их контакты с окружающими. По такому принципу устроен новый метод лечения диабета, который сейчас проходит клинические исследования. На данный момент технология устроена так: женщина-волонтер отдает ученым один из эмбрионов, полученных в результате экстракорпорального оплодотворения. Они извлекают оттуда клетки, дифференцируют их в клетки поджелудочной железы, заключают в капсулу с микроскопическими порами и имплантируют в организм. Получается, что искусственная железа может напрямую обмениваться молекулами с окружающей средой, клетки чувствуют количество глюкозы в крови и выделяют инсулин. Но выйти за пределы капсулы, распространиться по организму и неконтролируемо в нем размножиться ее обитатели не могут. Однако эксперименты с эмбриональными клетками во многих странах (в том числе в России) запрещены. Поэтому если эта технология окажется успешной, то вполне вероятно, что капсулы-импланты будут заселять именно индуцированными плюрипотентными клетками. И даже если это звучит как дискриминация, подобные «гетто» на данный момент — самый надежный способ обращения с незнакомцами, порвавшими со своим прошлым.

Параллельно возникла и другая идея: что если репрограммировать клетки не полностью, а частично? Возможно, это позволит избежать старения клеток, в том числе стволовых клеток взрослого организма. Иными словами, не полное забвение, а легкая уборка, зато везде. Ученые вводили мышам те же вирусы, что и группа Яманаки, но уже не в отдельные клетки, а внутривенно. Мышам, вероятно, понравилось. По крайней мере, они прожили не 18 недель, как контрольная группа, а 24. Однако с такими экспериментами стоит быть осторожными: если вирусы работают в организме слишком долго, отдельные клетки репрограммируются целиком и превращаются в опухоли. Но на людях эту технологию пока не проверяли, поэтому нам остается только ждать новостей и завидовать мышам-долгожителям.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

Эволюционируют прямо на глазах

Пять наглядных примеров видообразования

Живые организмы эволюционируют с того самого момента, как появились на этой планете. Мы знаем об этом — даже по меркам человеческой истории — не так уж и долго. Поэтому у некоторых из нас иногда возникают сомнения на этот счет. Скептиков в принципе можно понять: эволюция не вещь и не какой-нибудь феномен, сопровождающий достаточно компактные процессы. Напротив, «крот эволюции» роет очень медленно, поэтому разглядеть его следы не так уж и просто. «Чердак» рассказывает о том, какие виды возникли прямо у нас на глазах.
Добавить в закладки
Комментарии

Частый довод в пользу того, что никакой эволюции нет, — отсутствие новых видов или неизменность тех, что есть сейчас. Так, например, митрополит Волоколамский Иларион, заведующий кафедрой теологии в Национальном исследовательском ядерном университете «МИФИ», пишет: «Теория эволюции является одной из многочисленных современных гипотез происхождения Вселенной — гипотез, не подтвержденных ни одним неопровержимым фактом». Но это неправда. Даже если все живые организмы на этой планете — результат чуда творения, эволюции им, равно как и гравитации, не избежать. Хотя появление новых видов прямо у нас на глазах — большая редкость, ведь никто не рассылает уведомлений о том, что собрался проэволюционировать. Тем не менее изменения в генах, физиологии и внешности живых существ происходят, новые виды возникают, и иногда это удается подсмотреть. Так что если вы в ближайшее время собираетесь доказывать кому-то реальность эволюции, берите с собой нижеперечисленные примеры — они вам наверняка пригодятся.

В 1835 году Чарлз Дарвин прибыл на бриге «Бигль» на Галапагосские острова, небольшой вулканический архипелаг в Тихом океане. Молодой натуралист был членом гидрографической экспедиции, которая исследовала берега Южной Америки. Примечательно, кстати, что на «Бигль» его брать не особенно хотели, потому что натуралист в этом предприятии был не нужен. К тому же капитан корабля был поклонником физиогномики и решил, что нос Дарвина — признак людей неэнергичных и нерешительных. Тем не менее нос Дарвина оказался в итоге на «Бигле», а затем и на Галапагосах, где натуралист с энергией и решительностью исследовал местных птичек, названных впоследствии галапагосскими, или дарвиновыми вьюрками.

У разных видов вьюрков, живших на островах, были разные формы клюва, которые отражали гастрономические предпочтения птиц: какие-то клювы были удобнее для ловли насекомых, какие-то — для поедания семян, какие-то — для поедания ягод. Один вид обзавелся клювом, которым очень удобно рвать кожу птиц покрупнее, например олуш, и пить их кровь. Дарвин предположил, что выживали только те вьюрки, у которых клюв подходил для добычи той еды, которая была в их распоряжении. Таким образом, происходил отбор наиболее приспособленных. Из наблюдений за разными видами вьюрков Дарвин сделал выводы о происхождении видов путем отбора, которые легли в основу эволюционной теории — фундамента современной биологии.

Эксперимент Ленски [ ... ]

Читать полностью

Норовирус, или «желудочный грипп»: спасайся кто может!

Распространенность норовирусов резко активизировалась с середины 1990-х годов прошлого века

По оценкам врачей, норовирус является сегодня основной причиной гастроэнтерита (воспалительных заболеваний желудка и кишечника). Около 90% случаев гастроэнтерита во всем мире вызывает именно норовирус. Несколько сотен друзей и знакомых «Чердака» за последний месяц пали жертвами (пусть временными) этого вируса, и мы решили разобраться в вопросе.
Добавить в закладки
Комментарии
Норовирус, компьютерная реконструкция. Изображение: nobeastsofierce / shutterstock.com
Норовирус, компьютерная реконструкция. Изображение: nobeastsofierce / shutterstock.com

По оценкам врачей, норовирус является сегодня основной причиной гастроэнтерита (воспалительных заболеваний желудка и кишечника). Около 90% случаев гастроэнтерита во всем мире вызывает именно норовирус. И многие жители крупных мегаполисов, работающие в большом коллективе в закрытых помещениях, испытали на себе все «прелести» действия этого вируса: рвоту, тошноту, головокружение и диарею. Норовирус является настоящим бичом людей, вынужденных долгое время проводить вместе: в лечебных, образовательных и исправительных учреждениях, общежитиях, пионерских лагерях и даже на круизных лайнерах. Причем, как утверждают специалисты, уберечься от норовируса практически нет шансов: если он попал в закрытый коллектив, то в скором времени подкосит практически всех.

Впервые этот коварный вирус был обнаружен в далеком 1968 году в США, в городе Норуолк. Там возникла вспышка острого гастроэнтерита среди школьников начальной школы. И только через четыре года, в 1972 году с помощью иммунной электронной микроскопии, которой подвергли законсервированные фекалии заболевших детей, был обнаружен новый, ранее неизвестный вирус. Новый вирус получил свое первоначальное название, Norwalk virus, в честь города, где впервые была зарегистрирована вспышка заражения. Свое нынешнее название, Norovirus, вирус получил в 2002 году после утверждения его Международным комитетом по таксономии вирусов. Его часто путают с ротавирусом — уж очень похожи симптомы, но ротавирус относится к семейству Reoviridae. В последнее время, в связи с удешевлением (и улучшением) средств диагностики, их стали различать.

Детальное изучение норовируса (в т.ч. клонирование и секвенирование его генома) показало, что норовирус имеет сходную геномную организацию с вирусами семейства Caliciviridae. Он относится к РНК-вирусам и генетический материал у них содержится в РНК, геном представлен однонитчатой РНК размером приблизительно 7,5 тыс. нуклеотидов. Форма норовирусов представляет собой икосаэдрический капсид, имеющий чашеобразные углубления. Диаметр вирусных частиц составляет 35—39 нм, а молекулярная масса вириона — 15 мегадальтон. Сегодня известно семи геногрупп норовирусов. Но большинство норовирусов, которые заражают людей, принадлежат к геногруппам GI и GII. Норовирусы из геногруппы II, генотип 4 (сокращенно GII.4) составляют подавляющее число вспышек гастроэнтерита по всему миру. Причем установлено, что люди с I группой крови заболевают чаще, в то время как с III и IV группой — менее восприимчивы к норовирусам. [ ... ]

Читать полностью

Суперлуна с затмением

Чем примечательно сегодняшнее суперлуние

Астрономы называют суперлуние достаточно рядовым событием, но в массовом сознании оно часто связывается с различными природными катаклизмами. Егор Быковский кратко поясняет, что из рассказов о суперлуниях миф, а что правда.
Добавить в закладки
Комментарии

Чем примечательно сегодняшнее суперлуние?

Суперлуние — достаточно заурядное астрономическое явление, происходящее несколько раз в год. Скажем, в январе этого года сразу два суперлуния. В этот момент любой наблюдатель с Земли (с ночной ее стороны, разумеется) видит Луну в чуть большем размере, чем обычно. Правда, такой наблюдатель должен быть сверхвнимательным человеком с исключительным глазомером, ведь отличить суперлуние от обычного полнолуния — это примерно то же самое, что различить на взгляд двух слонов, один из которых выше другого на пару сантиметров.

Но 31 января 2018 года будет не просто суперлуние, а «синее кровавое суперлуние». Цвет земного спутника сильно варьируется в зависимости от состава земной атмосферы, времени года и т.д. На этот раз, по расчетам NASA, Луна сначала окрасится в «кровавый» цвет, а затем примет синий оттенок.

Вообще, «голубой луной» называют второе полнолуние за месяц (первое было 1 января). Кроме того, на этот раз эти два события еще совпадают с полным лунным затмением: в два часа дня по Москве Луна коснется земной полутени, полностью погрузится к 15:51 и окончательно выйдет из тени в 19:09. [ ... ]

Читать полностью