Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

защиты от пришлой ДНК или РНК (РНКазы), хотя они и несовершенны. Эти ферменты и физические структуры являются частью постоянной защиты от вирусов, бактерий и других инородных организмов. Помогает им активная иммунная система, которая устроена по общему принципу и у людей, и у плодовых мушек.

Поскольку человеческие клетки не склонны принимать инородную ДНК, ее приходится вводить искусственно. Этот процесс называют трансфекцией. При его осуществлении берут инфекционный агент и переносят его из одного организма в другой так, чтобы организм-хозяин принял чужую ДНК. Это можно сделать при помощи инфекционного агента, способного проникнуть в клетку, воспользовавшись молекулами, уже находящимися на поверхности клетки, или физическим процессом, который открывает клеточную мембрану.

Вирусы для переноса ДНК

При работе как с трансфекцией, так и с трансформацией, существует множество способов подготовки системы к приему новой ДНК. Для трансфекции понадобятся очищенные клетки, которые нужно сделать более восприимчивыми. Для этого применяются такие методы, как соосаждение с фосфатом кальция, использование липосом, электропорация (электризация клеток, в них начинают проскакивать разряды, напоминающие франкенштейновские молнии), использование генных пушек (устройств, в буквальном смысле обстреливающих клетки генами) или микроинъекций. Процесс трансформации гораздо проще, так как большинство бактерий с готовностью поглощают ДНК. Таким образом, чтобы подготовить клетки, достаточно лишь электропорации или химической трансформации.

В клетках человека наблюдаются два механизма трансфекции. При временной трансфекции новые фрагменты ДНК легко входят в клетку и легко покидают ее обычно вместе с фенотипом (признаком), который переносится таким образом. Такой метод позволяет протестировать, каково влияние экспрессии «трансгена» в течение короткого времени. Подобные преходящие изменения могут быть идеальными для терапевтических вмешательств, когда требуется обеспечить экспрессию гена лишь ненадолго, пока не будут достигнуты цели лечения, а длительная экспрессия может создавать повышенный риск для пациента. При стабильной трансфекции клеток, как понятно из названия, чужеродная ДНК на постоянной основе закрепляется в геноме клетки-хозяина. Если нужно проследить, как в длительной перспективе изменяются регуляторные процессы в клетке либо как фрагмент чужеродной ДНК влияет на развитие организма в течение всей жизни, то лучше всего воспользоваться стабильной трансфекцией. При этом генетическая «полезная нагрузка» входит в состав генома хозяина и передается потомкам, как и все прочие гены родителя. Такой подход позволяет впоследствии добавить в геном множество других элементов, чтобы оценить, как достраивание влияет на общий функционал клетки.

Однако при создании стабильно трансфицированной клеточной линии механизм внедрения чужеродной ДНК может быть сопряжен с разрушительным воздействием вируса. Для таких целей часто применяется лентивирусная инфекция или аденоассоциированный вирус. В обоих случаях требуется вирус, который заражает клетки, протаскивает в ядро свой генетический материал, а затем интегрируется в геном хозяина. Это как если бы в нетронутом лесу пустило корни нетипичное для него дерево. Однако вирус может учинить в клетке хаос, если встроится в область ДНК, расположенную вблизи от жизненно важных генов, например опухолевых супрессоров. Далее вирус еще сильнее разрушит регуляторные механизмы хозяина. Продолжая аналогию, представим, что чужеродное дерево выросло на пути небольшого ручейка и мешает ему течь. Более того, вирус может встроиться не в один, а сразу в несколько участков генома хозяина – причем эти участки будут разными в каждой генно-модифицированной клетке. Непредсказуемость таких событий может провоцировать дополнительные проблемы при «дозировке», где эффект внедренных генов является накопительным. Таким образом, стабильная трансфекция дает долгосрочные результаты и стабильный фенотип, но повышает вероятность того, что в процессе инженерии все пойдет вразнос.

Более того, не все человеческие клетки одинаковы, о чем явно свидетельствуют разные ткани в нашем организме. Это связано с изменением эпигенетической регуляции (действующей «поверх» генома). Все клетки запрограммированы на дифференциацию, поскольку человек, как многоклеточная особь, развивается из одной-единственной клетки. Эпигенетическая регуляция – это процесс, определяющий, какие из 3,1 млрд оснований, входящих в состав генома человека, являются «открытыми». Гены в каждой из человеческих клеток активируются и используются в зависимости от того, подготовлены ли они к работе. За это отвечает хроматин, белково-нуклеотидная структура, в которую «упакована» ДНК. Если хроматин открыт, то именно через эту брешь вирус может «проскочить» в клетку и встроиться в нее.

Хотя это звучит жутковато, данный процесс чрезвычайно распространен и в эволюции человека, и в жизни каждого из нас. За красноречивыми доказательствами встраивания вирусов в человеческую ДНК не надо далеко ходить – они найдутся в ваших же клетках. Если представить, что геном – 100-страничная книга с жизненно важными инструкциями, то 8 % ее записано на языке вирусов. В нашем геноме встречаются разнообразные эндогенные вирусные ДНК, что также характерно для геномов растений и животных. Транспозоны – это так называемые прыгающие гены, которые могут «копировать и вставлять» фрагменты ДНК в пределах одного и того же генома. Хотя транспозоны были открыты Барбарой Макклинток, пытавшейся объяснить пеструю окраску зерен кукурузы (впоследствии эта работа привела ее к Нобелевской премии), работа доктора Алекса Кентсиса и нашей группы также показала, что аберрантные транспозоны могут вызывать рак. Ретротранспозоны, подобно транспозонам, также перемещаются по принципу «копирования и вставки», но в качестве подложки для самокопирования и перепрыгивания они используют РНК, а не ДНК. Аналогично эндогенные ретровирусы человека – это вирусы в геноме человека, способные активироваться, превращаться из РНК в ДНК, а затем вновь интегрироваться в геном. Широко известный вирус, также встраивающийся в геном человека, – ВИЧ, но его можно считать лишь верхушкой айсберга, именуемого «генетическая маркировка».

Кроме ВИЧ есть и другие вирусы, способные встраиваться в геном и обживаться там, подобно плохому квартиранту, который устраивает в комнате беспорядок, ест ваши продукты и не платит за коммунальные услуги. Один из таких нахлебников – вирус папилломы человека (ВПЧ), некоторые штаммы которого вызывают > 60 % случаев рака шейки матки. Эти вирусы встраиваются в геном хозяина и нарушают экспрессию генов. Также в геном интегрируется вирус герпеса, способный надолго обосноваться в клетках. Поэтому и возникла поговорка «Любовь мимолетна, герпес вечен». Эти вирусы реплицируются в ядре, а есть и другие – они реплицируются в цитоплазме (таковы, например, вирус Зика, лихорадки Западного Нила, вирус гепатита C), но в геном не встраиваются.

Не только люди непрерывно борются с вирусами. Например, у свиней есть собственные эндогенные ретровирусы, именуемые PERV, которые стали одной из серьезнейших проблем в синтетической биологии. Компания Editas Medicine занимается генно-инженерным проектом, призванным выделить PERV из свиного генома. В результате может появиться возможность выращивать человеческие органы в организме свиньи, а затем пересаживать их людям. Если не выключить гены PERV до пересадки, то орган будет отторгнут нашей иммунной системой (подробнее об этом в главе 5).

Но вирусы могут обосноваться в человеческих клетках, даже не встраиваясь напрямую в геном. Например, большинство людей успевают переболеть ветрянкой в детстве и приобрести от нее иммунитет. Однако вирус ветрянки, подобно многим другим скрытым инфекционным агентам, может «по собственному усмотрению» остаться в человеческой клетке. Вирус не удаляется из организма, а прячется внутри нейронов в различных частях тела и может активироваться позже в виде опоясывающего лишая. Это расстройство возникает при ослаблении иммунитета и/или реактивации вируса, проявляясь в виде болезненных опоясывающих раздражений, как правило у пожилых людей.

Наконец, некоторые виды рака даже бывают заразными, как грипп. Вспомните, например, как странно выглядят тасманийские дьяволы: будто твари из ночного кошмара, порожденные в результате скрещивания бешеной собаки с летучей мышью. Действительно, при спаривании они часто кусают друг друга. Даже во время ухаживания они рычат и покусывают друг друга (не обижайтесь, если вам такое тоже нравится). Именно в результате укусов тасманийские дьяволы заражаются вызывающими рак вирусами, и это происходит десятилетиями. По имеющимся оценкам, всего одна клонированная линия инфицированных вирусом опухолевых клеток циркулирует в природе не менее 100 лет и вызывает появление злокачественных опухолей на морде тасманийских дьяволов.

В таком контексте идея использовать вирусы в качестве генетического транспортного средства может показаться жуткой, но следует признать, что в биологии такое встречается повсеместно. К счастью, понимание этих методов и разработанный профиль безопасности со времен их зарождения позволили радикально их улучшить. В настоящее время они применяются в разных сферах терапии,