17 марта в Московской школе управления Сколково прошла очередная серия научно-популярных лекций Skoltech SciTalks. В основном она была посвящена биомедицине — науке, где достижения биологии используются в терапевтических целях. Среди докладчиков — именитые профессора Сколковского института науки и технологий (Сколтеха): Виктор Котелянский, Дарья Онищук, Рауль Гайнетдинов и Филипп Хайтович. Мероприятие вел знаменитый российско-американский молекулярный биолог Константин Северинов.
Встреча проходила в форме популярных лекций, а не научных докладов. Единственным, кто приблизился ко второму формату, был химик Радж Раджагопалан (Raj Rajagopalan), рассказавший о механобиологии — дисциплине на стыке физики и биологии. В своем обзоре корреспондент «Ленты.ру» рассказывает о наиболее интересных докладах, представленных на мероприятии (на английском языке).
Нокауты и геномная эра
Лаборатории Сколтеха находятся далеко от Москвы, главным образом за рубежом. Впрочем, получать результаты на достойном уровне это не мешает. Нынешняя лаборатория Рауля Гайнетдинова находится в Итальянском институте технологий (Istituto Italiano di Tecnologia, IIT) в Генуе.
Нейробиологические исследования Гайнетдинова тесно связаны с трансляционной медициной (более широкое понятие — трансляционная наука). Слово «трансляционный» означает, что данные, полученные при экспериментах с отдельными клетками, их культурами или животными, в дальнейшем переносят на другие объекты: используют для создания новых инструментов диагностики и лечения людей.
Сложность работы в этой области связана не только с координацией специалистов из самых разных областей. Трансляционная наука особенно привлекает настойчивое внимание бюрократов от науки, так как для каждой серии исследований приходится оформлять огромное количество документов. Один и тот же проект может включать в себя работу с культурами клеток, с животными и в конечном счете — с пациентами.
Сильнейший прорыв в трансляционной медицине совпал с геномной революцией. Это произошло в начале 2000-х годов, когда был расшифрован геном человека. Исследователи научились быстро расшифровывать последовательности ДНК и приблизительно понимать, что именно означает определенная часть последовательности (то есть ген). Если понять, как точно устроена конкретная молекула ДНК (в этом поможет секвенирование), то вполне реально создать ее копии, пользуясь технологиями клонирования. Важность клонирования ДНК и подобных ей молекул (например, РНК) сложно переоценить. Недаром ученые, так или иначе связанные с генами, нередко расшифровывают аббревиатуру BC не как Before Christ (до нашей эры), а как Before Cloning (до клонирования). AD (Anno Domini, наша эра) в этом случае заменяют на After Cloning (после клонирования).
Как клонирование генов влияет на создание лекарств? Дело прежде всего в том, что эта техника позволит синтезировать огромное количество белков, на работу которых теоретически можно повлиять фармакологическими средствами. Последовательности нуклеотидов в генах человека расшифрованы, и специалисты по функциональной геномике разбираются, какая последовательность за что в организме отвечает. Для этого используют модельные организмы, чаще всего — мышей. У них «выключают» работу нужного гена (это называется нокаутирование) и выясняют, что изменилось в строении и поведении таких особей. В одном организме можно нокаутировать не один ген, но и несколько, один за другим. Благо теперь известно, что и у человека, и у мыши всего 20-30 тысяч рабочих (кодирующих) генов, а не 100 тысяч, как полагали 15-20 лет назад.
Можно не только предотвращать экспрессию генов, но и снижать ее или, наоборот, усиливать в несколько раз. Не обязательно нокаутировать ген во всех клетках организма, можно ограничиться только теми, которые действительно нужны для конкретного исследования.
При всем многообразии современных лекарств многие из них воздействуют на один и тот же белок. Все лекарства, которые сейчас есть на рынке, изменяют работу лишь 100-150 белков-мишеней, а средства из сотни самых популярных нацелены только на 34. Ожидается, что клонирование ДНК и функциональная геномика позволят выявить еще несколько тысяч белковых мишеней для лекарств.
Группа Гайнетдинова работала с мышами, у которых «выключен» ген дофаминового транспортера (DAT). Дофамин — один из нейромедиаторов мозга. Он участвует в управлении движением, а также отвечает за получение удовольствия. Дофамин выделяется рядом нейронов, когда те передают друг другу сигналы. Через доли секунды вещество уже должно попасть обратно в клетку, чтобы передача сигнала прекратилась. Молекулы нейромедиатора обратно в нейрон переносит дофаминовый транспортер. Когда DAT не работает, дофаминовый сигнал длится слишком долго, и мышь ведет себя так, как если бы ей ввели метамфетамин: постоянно двигается, ее невозможно остановить. Таких мышей используют для тестирования лекарственных средств, подавляющих гиперактивность.
Существует несколько доказательств того, что работа дофаминового транспортера влияет на проявление синдрома дефицита внимания при гиперактивности (СДВГ). Среди людей, страдающих от СДВГ, находят и тех, у кого активность гена DAT аномально низка, и тех, у кого она слишком высока. Конечно, дофамин — не единственное вещество, влияющее на активность мышей и людей. В лаборатории Гайнетдинова выяснили, что нокаутные по гену DAT животные становятся еще более беспокойными и быстрыми, когда им вводят блокаторы рецепторов к глутамату — самому распространенному в мозге нейромедиатору. Зато некоторые вещества, блокирующие рецепторы к серотонину, действуют на тех же грызунов успокаивающе. Получается, в проявлении гиперактивности задействованы и дофамин, и серотонин, и глутамат.
На смену мышам
Дарья Онищук, профессор Сколтеха, работает во Фрайбургском университете (Германия). Она рассказала о том, какие животные используются в биомедицинских исследованиях. Помимо мышей для таких целей разводят рыбок данио-рерио и плодовых мушек дрозофил. При всей внешней несхожести с человеком эти животные разделяют с нами более 60 процентов рабочих генов, а значит — вполне подходят для исследования человеческих заболеваний.
Дрозофила — очень удобный для изучения объект. Она быстро достигает зрелости, дает много потомства. Состав ее хромосом хорошо известен, ведь именно на дрозофиле в начале прошлого века, сразу после повторного открытия законов Менделя, активно работали генетики. К тому же, в отличие от мышей, развитие у дрозофил целиком проходит вне материнского организма: за личинками мух легко наблюдать, легко и влиять на их судьбу.
Конечно, есть животные, более близкие к человеку по строению, чем дрозофила, но наша и мушиная физиология все же весьма схожи. Например, этиловый спирт в организме дрозофил перерабатывается так же, как и у нас. За его расщепление отвечает фермент алкогольдегидрогеназа в клетках печени. С его помощью спирт становится уксусным альдегидом. Следующий фермент, ацетальдегиддегидрогеназа, расщепляет уксусный альдегид и переводит его в уксусную кислоту.
Можно создавать разные линии дрозофил — подобно породам кошек и собак. Например, получается вывести высоко- или низкотолерантных к алкоголю мух. Линии можно создавать и путем селекции (искусственного отбора), и методами генной инженерии — например, нокаутированием отдельных генов. Толерантность к этанолу проверяют, поместив дрозофил в прозрачную емкость, где присутствуют пары спирта. Сначала мухи летают, затем только ползают в попытках выбраться из емкости, но в конечном счете пьянеют и оказываются на дне. «Обычные» мухи (генетики называют их «дикий тип») теряют способность летать быстрее, чем насекомые с низкой толерантностью к алкоголю. Разница во времени опьянения между этими двумя группами вычисляется точно. В работе не обязательно используют две линии, их может быть больше, однако в ходе экспериментов отбирают тех мух, у которых нокаутные гены сильнее всего влияют на толерантность к алкоголю.
Противоречивая биомедицина
Виктор Котелянский начал свой доклад необычно — с демонстрации рекламы лекарств, взятой с федеральных каналов. На примере двух роликов он показал, что отношение к фармакологии и биомедицине в России весьма своеобразное. В прайм-тайм на экранах показывают массу непроверенных лекарственных средств, убеждая население в их эффективности. Конечно, на телевидении США тоже много подобных роликов, но разница в том, что нельзя просто пойти в аптеку и купить чудодейственное средство: большинство лекарств не выдают без рецепта.
В России большинство препаратов в аптеках продается без рецепта. При этом, по наблюдениям Котелянского, Москва — это город с наибольшей концентрацией аптек из всех мегаполисов, где ему довелось побывать. Само по себе обилие лекарств — это неплохо, но дело в том, что большинство из них не соответствует международным стандартам эффективности. Впрочем, это не значит, что биодобавка или таблетка не сработают, — эффект плацебо никто не отменял.
Обилие непроверенных лекарственных средств не означает, что мы не способны справиться ни с одной болезнью. Напротив, сейчас появляются эффективные препараты против многих тяжелых заболеваний, — например, гепатит С теперь можно лечить. Курс терапии обойдется недешево — от 60 до 80 тысяч долларов, тем не менее это большая победа биомедицинских исследований. Смертность от инфарктов колоссально снизилась благодаря тому, что люди из группы риска стали массово применять статины, снижающие уровень «плохого холестерина» в крови. Наконец, появились весьма эффективные вакцины (например, против вируса папилломы человека).
Однако развитие биомедицины имеет не только положительные стороны. Средняя продолжительность жизни увеличилась, и заболевания, до которых люди раньше не доживали, теперь проявляются гораздо чаще. Они пока хуже изучены, чем инфекции, и их сложнее лечить. Если брать во внимание американскую статистику, получается, что больше половины (60 процентов) средств на лекарства и медицинские процедуры тратятся в последние два месяца жизни людей. Поэтому цивилизованная страна просто не может обойтись без биомедицинских исследований. Другое дело, что на эти исследования нужны немалые деньги. Разработка одного хорошего лекарства обходится в среднем в один миллиард долларов. В США бюджет всех Национальных институтов здравоохранения составляет 30 миллиардов долларов, и большинство исследований там проводят на модельных организмах. Тем не менее американские налогоплательщики не бунтуют против таких инвестиций, не приносящих никому моментальной выгоды. Будем надеяться, что когда-нибудь это станет возможным и в нашей стране.
Впрочем, нельзя обвинять во всем устройство экономики. В разработке лекарств не работает принцип «чем больше, тем лучше». Если собрать команду, условно говоря, из 100000 специалистов, они могут и не найти молекулу хорошего препарата — либо найти ее позже, чем более скромный по размерам коллектив, которому просто крупно повезло.
Еще одна проблема биомедицины — в тех, кто приобретает лекарства, и в несовершенстве описаний самих лекарств. Прочитав инструкцию и увидев в ней длинный список побочных эффектов, потребитель отказывается брать препарат, потому что боится. Однако в инструкции не сказано, как часто проявляется то или иное нежелательное действие. Даже если его вероятность — один случай на 10 миллионов, производитель обязан указать его в списке наравне с побочными эффектами, которые проявляются гораздо чаще.
Ножницы и скальпель для генов
Микробиолог Константин Северинов поставил перед собой задачу не рассказать аудитории о собственных успехах в науке, а просветить ее относительно технологий редактирования генома. Хотя это направление биологии еще весьма молодо, за достижения в ней уже несколько человек получили Нобелевские премии.
Северинов рассказал, что для клонирования участка ДНК нужно сначала определиться, какой конкретно фрагмент нам нужен. После этого его «вырезают» из целой молекулы с помощью специальных ферментов — рестриктаз, а для того чтобы копий ДНК было много, их число увеличивают с помощью полимеразной цепной реакции. Вырезанные участки одной ДНК смешивают с молекулами другой, но не с какими-нибудь, а с теми, которые могут соединиться с нужными фрагментами. В результате получается гибридная кольцевая молекула ДНК (плазмида), содержащая отрывки двух последовательностей. Затем такие молекулы вводят в клетки бактерий. Там новообразованная плазмида останется активной, ее гены, в том числе и интересующие исследователей, экспрессируются, и в клетках бактерий накапливается белок, соответствующий данному гену. Именно так производят сейчас инсулин, интерферон и другие лекарства. С момента первого клонирования плазмиды в 1974 году многие редкие и дорогие препараты стали доступны широким слоям населения, ведь разводить бактерий со встроенным геном инсулина проще и дешевле, чем выделять гормон из поджелудочных желез животных.
Но как вообще возникла идея вставлять гены одних организмов другим? Это произошло при исследованиях устойчивости бактерий к вирусам-бактериофагам, рассказал Северинов. Вирус одного типа нередко способен заражать большинство бактерий данного вида. Заражение происходит часто — в 90 процентах случаев и более. Однако есть небольшое число бактерий-мутантов, клетки которых вирус почему-то заражает крайне редко, в 10 тысяч раз реже обычного. Но среди миллиона вирусов найдется тот, который сможет инфицировать и убивать как мутантных микробов, так и обычных. Получается, что «проходя» через бактерию-мутанта, вирус меняет свои свойства.
Как такое возможно? В цитоплазме клетки, которая изначально защищена от вируса, есть два фермента — рестриктаза и метилаза. Рестриктаза распознает определенный участок ДНК вируса в четыре-шесть нуклеотидов и, распознав его, «раскусывает» молекулу нуклеиновой кислоты по этим нуклеотидам. Целостность генетического материала вируса нарушается, вирус не может заразить бактерию. Если по каким-то причинам рестриктаза не сработала, в дело вступает метилаза. Она метилирует(добавляет в разных частях молекулы метильные группы) нуклеиновую кислоту вируса, в результате чего его гены тоже теряют возможность экспрессироваться. Однако иногда метилирование может пойти вирусу на пользу. ДНК бактериофагов, которые все-таки способны заражать мутантные бактерии, не чувствительна к действию рестриктаз, потому что метилазы изменили строение тех нуклеотидов, с которыми работают рестриктазы.
Буквально два года назад появилось новое направление в генной инженерии — генная хирургия. Она позволит с помощью высокоспецифичных ферментов вырезать «неправильные» участки генов, вызывающие заболевание, и менять их на нормальные последовательности. Система, благодаря которой это возможно, называется CRISPR/Cas9 и присутствует в большинстве бактерий.
CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) — это своеобразная иммунная система бактерий, защищающая их от вирусов. В ДНК бактерий присутствуют участки, которые ничего не кодируют. Они состоят из множества повторов одной небольшой последовательности нуклеотидов, например ATATATATATATATAT… Между повторами находятся спейсеры — последовательности более разнообразного состава. Изначально спейсеры — это участки ДНК бактериофагов. При транскрипции (синтезе РНК по последовательности ДНК) одного и того же участка ДНК в состав получившихся молекул РНК могут входить не все спейсеры, а только некоторые, при этом в разных РНК — разные. С помощью ферментов CRISPR можно изменить структуру нужной ДНК в любом требуемом месте, размножить эту ДНК в бактериях и затем с помощью вирусных векторов ввести ее в необходимые клетки, изменив их геном так, как это требуется.
Заключение
Хотя не все доклады можно назвать популярными в строгом смысле, большинство спикеров SciTalks рассказали о своей деятельности абсолютно понятными для широкой публики словами. Вопросы задавали каждому выступающему, в том числе тем, кто говорил о сложных биофизических проблемах, причем по-английски. Сейчас бал популяризации науки правят лекции по нейробиологии, однако судя по заинтересованности аудитории в Сколково новым трендом может стать биомедицина. Все что нужно — увлекательно о ней рассказывать.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение