Сплошная ДНК Ликбез по современным клеточным технологиям

В последние дни появилось множество новостей, в которых упоминаются ДНК, клоны, секвенирование, стволовые клетки и тому подобные не очень понятные термины. Что скрывается за этими словами и насколько важными являются описываемые открытия? "Лента.Ру" попыталась собрать базовые сведения о современных клеточных технологиях.

Клоны. Найти десять отличий

Новости о клонированных животных уже перестали удивлять читателей. С тех пор как в 1996 году на свет появилась знаменитая овечка Долли, ученые "скопировали" множество других живых существ. Несмотря на почти промышленные масштабы, клонирование по-прежнему является достаточно сложной в исполнении процедурой. Для получения одной копии, например, овечки, ученым необходимо целых три "оригинала". Назовем их овечками 1, 2 и 3. Допустим, ученые хотят получить копию овечки 2. Для этого они получают от овечки 1 яйцеклетку, из которой удаляют "родное" ядро. Ядро какой-либо клетки овечки номер 2 помещают на освободившееся место в яйцеклетке первой овцы. Овечка номер 3 становится суррогатной матерью для эмбриона, развивающегося из такой смешанной яйцеклетки.

Все манипуляции с ядрами и клетками выполняются вручную при помощи специальных манипуляторов и игл. Размер средней животной клетки не превышает 20 микрометров (микрометр - это одна миллионная метра), а диаметр ядра еще на порядок меньше. Пересадку ядра нельзя назвать даже ювелирной работой - таких маленьких ювелирных изделий не бывает. Крошечные размеры объектов - не единственная трудность при клонировании (еще об одной из них будет рассказано ниже). Обычно эффективность этого процесса не превышает нескольких процентов. То есть, из ста яйцеклеток с "чужими" ядрами, подсаженных в матку суррогатным матерям, развивается 3-4 жизнеспособных эмбриона.

Получение копий целых организмов имеет практическую пользу. С помощью технологий клонирования теоретически возможно восстановить исчезнувшие виды живых существ или сохранить находящиеся на грани исчезновения. Кроме того, клонирование сельскохозяйственных животных с самыми выдающимися характеристиками избавит человечество от необходимости все время заботиться об их выведении.

Несмотря на крайне низкий КПД, ученые упорно создают копии все новых и новых животных. Совсем недавно, например, ближневосточные специалисты объявили о клонировании верблюда и козы. На первый взгляд кажется, что создание копий того, что уже и так существует, является бессмысленным занятием. С этим утверждением можно было бы согласиться в том случае, если бы конечной целью ученых было только получение клонов. В действительности, производя идентичных овец или верблюдов, исследователи отрабатывают очень важную технологию.

Итогом клонирования не обязательно должны становиться целые организмы. При помощи этой технологии ученые теоретически могут выращивать отдельные органы или ткани, которые смогут заменить поврежденные. Так как источником клонированных тканей будут клетки пациента, организм не будет отторгать их.

Стволовые клетки. Как угодно

Стволовые клетки появляются в новостях даже чаще, чем клоны. Эти клетки отличаются от обычных своей "неразборчивостью". Клетки кожи или мышцы при делении всегда дают две клетки кожи или две клетки мышцы. Результат деления стволовых клеток не столь очевиден. Потомки стволовой клетки могут стать и клетками кожи, и клетками мышцы (и еще много какими клетками).

Выражаясь научным языком, стволовые клетки дедифференцированы. Проходя череду делений, они становятся все более и более специализированными. Универсальной стволовой клеткой, из которой образуются все остальные клетки организма, является яйцеклетка. Ее "первенцы" уже ограничены в выборе: часть из них может произвести, например, клетки печени и мозга, но не может произвести клетки сердца. Другие потомки, напротив, могут дать клетки сердца, но никогда не дадут клетки печени. На ранних стадиях развития организма эти ограничения условны, но чем старше эмбрион, тем меньше выбора у его стволовых клеток.

Секрет удивительных свойств кроется в геноме. Гены дедиференцированных клеток ничем не отличаются от генов остальных клеток организма. Свободу выбора им дают особые химические модификации ДНК. По мере деления стволовых клеток одни модификации - "разрешительные" - заменяются на другие - "ограничительные". Именно наличие большого количества "ограничительных" модификаций затрудняет получение здоровых клонов.

Для того чтобы проводить полноценные исследования стволовых клеток, ученым необходимо иметь их стабильный источник. Оптимальным ресурсом являются эмбрионы на ранних стадиях развития. Однако в случае человека этот ресурс недоступен. Одной из альтернатив является создание гибридных эмбрионов ("Лента.Ру" освещала баталии вокруг гибридов, развернувшиеся в Великобритании).

Второй способ получить стволовые клетки - дедифференцировать обычные. К настоящему моменту ученые научились в некоторых случаях обращать вспять программу клеточного развития, вводя в ядра определенные гены. Однако этот способ является весьма ненадежным: попадающий в клетку генетический материал может встроиться в геном клетки в "неправильном" месте и привести к серьезным нарушениям ее работы.

В конце апреля в журнале Cell Stem Cell появилась статья японских ученых, которые смогли дедифференцировать клетки соединительной ткани, не используя ДНК. Вместо опасного генетического материала исследователи предложили клеткам коктейль из белков, которые заставляют клеточные ферменты считывать информацию с определенного участка генома. И хотя эффективность новой методики на порядок ниже, чем у стандартных, у нее есть шанс в будущем войти в медицинскую практику.

Секвенирование. До последней буквы

Еще одно загадочное слово, часто встречающееся в новостях, - секвенирование. Секвенировать ДНК значит определить полную последовательность составляющих ее единиц - нуклеотидов. Первые методики секвенирования были разработаны в 70-е годы прошлого века. Тогда расшифровка последовательности ДНК была крайне трудоемкой и ненадежной. Постепенно ученые совершенствовали технологию, и сейчас секвенирование встречается чуть ли не в каждой второй биологической статье.

Знание полной последовательности ДНК организма переводит его изучение на совершенно новый уровень. Имея на руках полный геном, ученые могут искать в нем гены тех или иных важных белков, сравнивать их со сходными генами других организмов, определять, чем отличаются родственные гены и как они изменялись в ходе эволюции.

Первыми были расшифрованы геномы вирусов и бактерий. Отработав технологию, ученые принялись за организмы с более длинным геномом. В 2001 году совместными усилиями ученых по всему миру были установлена последовательность трех миллиардов нуклеотидов ДНК человека (а так как все хромосомы представлены в двух копиях, то в общей сложности исследователи "прочли" шесть миллиардов нуклеотидов). Сейчас скорость секвенирования возросла настолько, что сообщения о новых расшифрованных геномах появляются едва ли не каждый месяц. Из самых свежих "прочитанных" организмов можно перечислить корову, сорго и кукурузу. Ранее этот список пополнили кошка, собака, панда, виноград, мамонт, неандерталец и многие другие.

Клеточные технологии развиваются так быстро, что за ними не поспевает язык. В русском, например, большинство новых терминов являются калькой с английского. Тем не менее, совершенно очевидно, что в ближайшем будущем все эти термины появятся в школьных учебниках. Так что можно начинать учить их уже сейчас.