регуляцию иммунного ответа. Устранив его влияние, биологи добились регенерации аксонов у нейронов. В дальнейшем предстоит выяснить, как такое редактирование может отразиться на остальном организме.
Отрастить плавники
Человеческий организм способен к регенерации, но в ограниченных размерах: наша иммунная система не позволяет выращивать целые органы. Но вот другие позвоночные вполне способны к этому.
Чтобы начать образование новых нейронов, клетки Мюллера вырабатывают белок, который блокирует доступ к ДНК. При отключении этого белка у мышей удалось получить производство нейронов сетчатки. Однако есть нюанс: эволюция не просто так отключила нам механизм регенерации, вместо него мы имеем надежную иммунную защиту мозга. При блокировке этого белка иммунитет теряется. Поэтому рано говорить о возможности применения методики у человека.
А еще рыбки могут выращивать себе целые плавники: в этом им помогает особая нуклеотидная последовательность в геноме, которую обнаружили биологи из Института медицинских исследований имени Стоуэрса под руководством Алехандро Алвардо. Способность к регенерации различается даже среди рыб: костные рыбы могут регенерировать даже желудочки сердца и спинной мозг, в то время как другие виды не обладают такой особенностью, что уж говорить о млекопитающих.
Алехандро Алвардо решил понять, где заложены механизмы регенерации конкретно [5]. Ученые взяли две группы рыб: Данио рерио и нотобранха Фурцера. Считается, что разделение видов произошло около 230 млн лет назад. Исследователи сравнили активность генетических элементов методом ChiP9-seq. Суть в том, что из генома выделяются только те последовательности, которые связаны с белками-метками активной ДНК. Чтобы найти нужную ДНК, связанную с этими метками, используют шарики, покрытые антителами к метке. В итоге все ненужное смывается, а важные последовательности секвенируют. Оказалось, совпадающих участков не так уж и много. Это говорит о том, что механизм регенерации сильно изменился в ходе эволюции. Ученые выбрали один из общих генов и проанализировали его активность среди млекопитающих: у способной к регенерации каирской мыши и у домовой без такой способности. На основании другого исследования оказалось, что такой ген активен только у каирской мыши. Также различия были не только в последовательности, но и в степени регуляции самих участков генов: отключение энхансеров (регуляторных элементов) или замена их на человеческий приводили к потере регенерации тканей. Вообще, рыбками Данио интересуются довольно часто: их повышенная способность к регенерации дает почву для открытий. Например, ученые вывели ГМО-линию рыбок, у которых клетки эпителия имели разный цвет. Так можно было наблюдать за каждой конкретной клеткой во время восстановления ткани.
Насущные проблемы и сложные аббревиатуры
Еще одним направлением в генетике является изучение изменений у разных видов в ходе эволюции. Ученые Стэнфордского университета придумали алгоритм самособирающегося многообразия (SAM), который может самостоятельно анализировать разные типы клеток и наблюдать их эволюционные связи [6]. Например, при анализе двух видов червей новый алгоритм выявил существенные различия между ними. Отредактировав алгоритм, ученые научили программу находить не только структурные различия, но и функциональные и узнавать их место на эволюционном древе. Сравнение клеток разных видов может помочь биологам понять, как менялись эти структуры на протяжении эволюции и как они адаптировались к функциональным потребностям различных форм жизни.
Вернемся к проблемам насущным. При делении сперматозоидов основная задача – поддерживать большое количество клеток при сохранении качества генетического материала. Также очень важно противостоять неблагоприятным факторам окружающей среды. Требуется четкая регуляция процесса. За это ответственны специфические гены, которые развились в процессе эволюции. Интересно, что активность именно этих генов свойственна некоторым злокачественным опухолям. Белки, вырабатывающиеся под влиянием этих генов, вызывают иммунный ответ у людей, страдающих онкологическими заболеваниями. Их назвали раково-тестикулярными агентами.
Клементина фон Тейсер вместе с коллегами взялась исследовать семейство генов MEGA [7]. Их рассматривают в качестве онкомаркеров при диагностике раковых заболеваний. Для этого исследования ученые взяли культуры клеток и тканей человека и мышей и следили за специфическими периодами их активации. У обоих видов в половых клетках активными становились гены семейства MEGA. При исследовании в пробирке интересной оказалась подгруппа генов MEGA А. Частичное выключение этих генов приводило к нарушению деления клеток. Чтобы уточнить влияние этих генов, биологи вывели мышей с выключенным генами MEGA А6 и MEGA А8. Через восемь дней функции яичек заметно снизились, ухудшился сперматогенез и увеличилось количество патологических мутаций. Также отдельно изучили влияние гена MEGA А6 в условиях стресса. Испытуемую группу мышей подвергли голоданию, контрольная получала питание как обычно, но обе группы были с выключенными генами. Изменения в сперматогенезе и делении в яичках больше затронули группу, подверженную голоданию. Это означает, что влияние этих генов на деление сперматозоидов происходит при воздействии неблагоприятного фактора.
В раковых клетках гены семейства MEGA А нарушают системы клетки АМФК (фермент, который отслеживает и регулирует энергетический статус клетки) и ФБФ (фермент, ограничивающий скорость образования глюкозы), которые распознают энергетический голод, клетка погибает, распадаются белковые структуры. По-видимому, гены исследуемого семейства контролируют работу АМФК, так как она подавляет синтез нуклеиновых кислот, белка и других необходимых молекул для создания новых клеток. И то же самое с ФБФ: подавление его работы вызывает распад глюкозы и увеличение синтеза молекул АТФ. Напрашивается аналогия между сперматозоидами и опухолевыми клетками: обоим нужны мощные энергетические ресурсы. Только гаметы используют этот ген «правильно», активируя его в периоды стресса и голода, а раковая – для распространения опухоли.
Для изучения работы генетических механизмов частой исследовательской моделью становятся генно-модифицированные организмы и бактерии. В числе таких одноклеточные структуры под названием JCVI-syn3.0. Как следует из названия, это третья версия, сделанная на основе предыдущих. Первую версию искусственных клеток получили в 2010 году. Для этого взяли клетки микоплазмы (бактерии без клеточной стенки), убрали из ее ядра всю ДНК и заменили на новую, полностью искусственную. Имя им дали CVI-synl.O – в честь института Дж. Крейга Бентера (J. Craig Venter Institute), где создали клетки. Геном имел длину около миллиона пар оснований и 901 ген, для сравнения, геном человека состоит из более 3 млрд пар оснований. После исследователи уменьшали геном до такого набора, чтобы клетка могла нормально жить, так сказать, получали базовый набор. Количество генов снизили до 473, но делиться клетки не хотели. Для того чтобы определить, какого именно сегмента не хватает, биологи стали сравнивать все варианты между первой и третьей версиями [8]. В итоге нашли участок, удаление которого вызывало нарушение деления у обоих вариантов. В этом сегменте было 76 генов, которые последовательно проверяли, а затем смотрели на результаты. В итоге определили семь генов, необходимых для правильного деления,
