даже спасение жизни одного морского льва – уже большой шаг в науке.
В данный момент генная инженерия идет по пути изучения «перепрограммирования» одних типов клеток в другие, как правило стволовые. Они обладают большим терапевтическим потенциалом, который можно направить на выращивание органов и тканей для трансплантации, решая проблему донорства в целом. Сложность самого механизма увеличивает риск ошибки, что может привести к развитию рака и другим нежелательным последствиям. Поэтому требуется какой-то надежный механизм работы с генетическим материалом.
Группа ученых из Медицинской школы штата Луизиана изобрела свой подход, который назвала нанотрансфекцией тканей [30]. Они создали наночип, способный перепрограммировать клетки кожи в клетки кровеносной системы и нервные клетки. Чип состоит из кремниевой основы со множеством микроигл и крошечными каналами. Поверх чипа расположен контейнер с молекулами для генетического редактирования. Эти молекулы можно внедрить на определенную глубину и начать редактирование. Процедура введения биоматериала неинвазивна – нанотрансфекция проводится с помощью зарядов тока, которые пациент практически не ощущает. Под воздействием тока в организм попадают ДНК или РНК, которые затем перепрограммируют нужные клетки. Они могут становиться клетками кровеносных сосудов или нервов без необходимости в использовании менее контролируемых систем с вирусными частицами.
Основное свойство стволовых клеток – это потенциал становиться любой клеткой ткани, в которой они находятся. Такая способность называется «мультипотентностью» (не путать с «плюрипотентностью»: такую характеристику дают только эмбриональным клеткам, способным становиться вообще любой единицей любой ткани во всем организме, от нейрона до клеток крови). Когда мультипотентная стволовая клетка делится, то образуются две дочерние копии, которые могут быть как стволовыми, так и уже какими-то определенными клетками организма. Ученые из университета Хельсинки в Финляндии, а также их коллеги из Швеции и Германии провели работу, посвященную механизму, благодаря которому дочерние клетки определяют, дифференцироваться им или стать мультипотентными [31].
Изучая деление эпителиальных стволовых клеток, исследователи обнаружили, что при попадании в дочернюю клетку достаточно большого количества старых, но при этом более активных митохондрий, она теряет способность самообновляться и превращается в клетку, поддерживающую функцию эпителия. Все дело во внутреннем потенциале митохондрий: в зрелых органеллах содержится больше железо-сенсорного белка, который участвует в переносе электронов. Его активность напрямую влияет на интенсивность клеточного дыхания и на количество молекул АТФ – единиц энергетической активности клетки. При недостатке такого белка у более «молодых» митохондрий при окислении глюкозы молекул АТФ получается меньше. Если такое происходит, то клетка остается стволовой. «Уменьшая количество железо-сенсорного белка, можно регулировать деление стволовых клеток, направляя дифференцировку в нужную нам сторону», – подытоживает профессор Хельсинкского университета Джулия Говениус.
Глава 6
Как подружить гены в клетках?
Как-то в кафе, за чашечкой чая с другом-биологом у меня в голове возникла странная мысль. Если моя книга о генах и клетках, то их как-то надо объединить в одной главе, а проще говоря – подружить! Почему-то на ум сразу пришел образ крокодилов Ген с золотыми цепями ДНК на шее. Да-да, мы пили чай!
Я тогда спросила у друга: «Как подружить гены в клетке?» Он ответил, что нужно их привести в кафе и напоить чаем. Ответ был совсем не биологическим, но интересным.
В реальности же организм – огромная система, где все взаимосвязано. Поэтому «дружить» гены в клетках совсем не нужно. Но вот поэкспериментировать с ними вполне интересно. Интересная коллаборация может получиться!
Просто мозг неандертальца
Мы уже говорили о том, что ученые изучают геном неандертальца, а теперь узнаем о том, как они сумели вырастить органоид его мозга.
В мае 2018 года антропологи под руководством Сванте Паабо решили вырастить органоид мозга неандертальца. Для этого потребовалось изменить работу всего одного гена.
Такую же работу вели исследователи другого института вместе с Элиссон Мюотри из Калифорнийского университета Сан-Диего и уже готовы предоставить первые результаты [1].
Американские специалисты заметили, что одна мутация в гене NOVA1 изменила структуру нервных связей и даже форму органоидов. Ее внесли в ДНК стволовых клеток Homo Sapiens с помощью технологии CRISPR/Cas9. Затем эти стволовые клетки направили по пути развития нейронов.
Культура клеток активно разрасталась и начала принимать форму органоида головного мозга, структурно повторяющего настоящий мозг неандертальца.
Работа калифорнийских ученых дала первые представления о клеточном устройстве неандертальского мозга, и это поможет изучить его отличия от мозга человека разумного.
Удивительные гены в удивительных клетках
Семейство головоногих носит говорящее название: у них отсутствуют четкие анатомические границы между головной частью тела и туловищем. Они имеют мало общего с позвоночными, но эволюционные биологи сделали открытие: гены, активные у головоногих в процессе формирования глазных структур, также отвечают за развитие конечностей [2]. Хрусталик глаза кальмара формируется из длинных клеточных мембран, выступающих наружу, чтобы получился сферический объект. У нас же хрусталик образован обычными клетками, в которых скопилось много белковых структур. Изучая кальмаров вида Doryteuthispealeii, ученые удивились: они обнаружили генетический механизм регуляции, который активен при развитии нижних конечностей. Чтобы подтвердить предположение, в развивающийся эмбрион кальмара ввели химическое вещество, блокирующее этот ген. В результате у них не сформировался зрительный аппарат, что подтвердило гипотезу ученых.
Мы часто слышим о том, что нервные клетки не регенерируют, но ученые уже не раз опровергали это суждение. И вот еще одно исследование, которое в очередной раз доказало, что способность к регенерации у нервных клеток все же есть. Нейробиологи из Калифорнийского университета в Сан-Диего сделали открытие: после повреждения нейроны способны «обнулиться» и вернуться в зародышевое состояние [3]. Чтобы стать полноценным нейроном, им необходимо вырастить специфические приспособления – аксоны, отростки, по которым передаются нервные импульсы. Здесь и начинаются трудности. В своих экспериментах ученые искали внешние факторы, необходимые для выращивания этих аксонов, чтобы вырастить нейроны целиком. Мышкам проводили трансплантацию стволовых клеток, запускающих регенерацию, и сделали неожиданное открытие: эффективно восстанавливались те нейроны, у которых в геноме было повреждение гена Хантингтина. Некоторые изменения в этом гене могут вызывать одноименное смертельное дегенеративное заболевание мозга.
При повреждении головного или спинного мозга нейроны плохо регенерируют, а вот периферические нервные клетки делают это чуть лучше. Так почему в центральной нервной системе такого не происходит? Исследователи Йельской школы медицины нашли 40 генов, участвующих в подавлении регенерации отростков нейронов (аксонов) [4]. Отредактировав несколько генов, они смогли восстановить аксоны в глазных нейронах мышей, пораженных глаукомой. Один из отредактированных генов отвечал за
