Лауреатами Нобелевской премии 2007 года в области медицины и физиологии стали Марио Капекки, Оливер Смитис и сэр Мартин Эванс – разработчики технологии gene targeting – способа изменить отдельные гены у млекопитающих. Речь идет о передней границе современной науки о живом, настоящей генетической инженерии, о которой мечтал еще Уэллс в "Острове доктора Моро".
Эта методика заключается в целенаправленном внесении измененного, мутированного гена в наследственную информацию клеток. Новый ген вносится в получаемые из эмбрионов стволовые клетки, а результат оценивается во взрослом животном, поэтому пока не идет речи о применении данной технологии у людей: многие работы со стволовыми клетками человека почти повсеместно запрещены, да и выращивание мутантных особей Homo sapiens в экспериментальных целях представляется малореальным.
Стандартной биологической моделью, для которой разработана методика, являются лабораторные мыши.
Вкл и выкл
Прежде ученые могли просто выявлять те или иные изменения в генетическом материале животных и пытаться с помощью отбора выделить "чистые линии" обладающих теми или иными особенностями мышей. Этот пассивный путь не давал и толики той свободы, которую исследователи обрели, научившись напрямую воздействовать на нужный ген.
Самое продуктивное использование этой технологии – "выключать" те или иные гены и смотреть, какое влияние оказало это выключение на организм животного. Таким образом можно точно установить функцию каждого гена, а значит, понять механизмы нормального развития организма и формирования определяемых наследственностью заболеваний – рака, диабета, болезней сердца и т.д.
Это "выключение" получило название "генетического нокаута" (gene knockout). В наследственном материале мышей, по современным представлениям, функционирует около двадцати тысяч генов, каждый из которых, упрощенно говоря, отвечает за какой-либо признак в организме животного. К моменту присуждения Капекки, Смитису и Эвансу нобелевской премии ученым удалось исследовать последствия выключения половины из них, то есть десяти тысяч. Как говорится в сообщении Нобелевского комитета, в ближайшем будущем генетики надеются провести последовательный нокаут каждого из мышиных генов.
Нокаут, таким образом, дает возможность "препарировать" каждое генетическое заболевание и каждый аспект нормального развития живого существа, что делает его универсальным методом, приложимым практически в любой сфере исследований.
Инженеры
Трое получивших премию ученых никогда не работали рука об руку. Технология генетического таргетинга сложилась из их независимых исследований, проводившихся на протяжении нескольких десятилетий.
Сейчас Эванс в основном занимается мышами, больными муковисцидозом и раком груди, Капекки – раком, сердечными заболеваниями, болезнью Альцгеймера, Смитис – гипертонией и нарушениями в выработке гемоглобина.
Сначала Капекки показал, как, пользуясь методом электропорации, то есть проделывая отверстия в клеточной мембране электрическим током, можно внести постороннюю ДНК в стволовую клетку млекопитающего. Если заменять патологический ген на нормальный, исчезает соответствующая болезнь.
Смитис первоначально работал со стволовыми клетками взрослых людей, содержащимися в костном мозге, отвечающем за кроветворение. Он пытался заменить в них "плохие" гены, кодирующие ряд наследственных болезней. В ходе этой работы было продемонстрировано, что заменять можно не только "плохие" гены, но и вообще любые. В частности, если заменить нормальный ген на "бессмысленный", ген выключается – это и есть "нокаут".
Однако все эти методы не позволяли вырастить взрослый "нокаутный" организм с выключенным геном. В 1986 году Эванс начал применять разработки Смитиса и Капекки к стволовым клеткам, полученным из эмбрионов мышей. Внося полученные нокаутные стволовые клетки в нормальные эмбрионы и подсаживая получившиеся смешанные зародыши суррогатным матерям, можно добиться рождения мышей, состоящих частично из нормальных, а частично из нокаутных клеток. Такие "мозаичные" организмы, состоящие из различных по своему генетическому составу клеток, называются "химерами". У обычных организмов, в отличие от химер, все клетки генетически идентичны, так как являются потомками одной единственной оплодотворенной яйцеклетки.
Разводя химерных мышей обычным способом, можно добиться того, что среди образующихся при слиянии яйцеклетки и сперматозоида родителей зародышей будут эмбрионы, происходящие от измененных частей химер. Таким сложным образом можно добиться возникновения цельного нокаутного организма, обладающего искомыми генно-инженерными свойствами. Полученные линии нокаутных мышей можно дальше сохранять в генетической чистоте и использовать для всевозможных исследований в различных научных центрах.
Например, в одной лишь сфере изучения психики мышей сейчас разработаны линии с отклонениями социального, материнского, полового, пищевого и питьевого поведения, с ухудшением и улучшением обучения и памяти, с различными проявлениями агрессии, страха и тревоги, измененными реакциями на антидепрессанты, нейролептики, психостимуляторы, этанол и наркотики.
Фактор времени
Нобелевская премия по медицине 2006 года была вручена за открытия, сделанные за восемь лет до того, как Каролинский институт принял решение отметить ученых самой престижной научной наградой. Первые мыши, модифицированные описанным способом, были явлены научному сообществу в 1989 году. Это значит, что путь Эванса-Капекки-Смитиса к высшему признанию оказался в два с лишним раза длиннее.
Сколь ни опрометчиво было бы пользоваться подобным критерием для того, чтобы делать какие-либо выводы, можно предположить, что причиной подобной задержки стала невероятная смелость исследований этой троицы. Что, вероятно, означает невероятную перспективу, открывающуюся для биологии и медицины благодаря их работе.
Евгений Паперный