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

теперь называют «факторы Яманаки». В 2007 г. были получены человеческие индуцированные плюрипотентные клетки из кожных фибробластов. Это было великое открытие не только потому, что оно пролило свет на основы клеточной дифференциации, но и потому, что отпадала нужда умерщвлять эмбрионы, а такая практика, естественно, имела большой общественный резонанс. Как ESC, так и iPSC демонстрировали плюрипотентность, быстрое самообновление и другие подобные паттерны экспрессии генов.

Через шесть лет после того, как в США был введен федеральный запрет на исследования с использованием ESC-клеток, появился новый способ его обхода. Правда, iPSC не идентичны ESC, исследования индуцированных плюрипотентных клеток только начинаются. Одно из основных опасений – возможность образования опухолей. Если напрямую ввести пациенту ESC или iPSC, возникает риск возникновения тератомы. В изучении опухолей тератома подобна злокачественному плоду. Как и у эмбриона, в ней прослеживается три слоя: эктодерм, эндодерм и мезодерм. Некоторые приобретают особенно уродливые формы: так, у тератомы могут вырасти зубы и волосы. В случае iPSC риск образования опухолей особенно велик, поскольку в них принудительно запускается чрезмерная экспрессия некоторых онкогенов, а при создании таких новообразований действует давление искусственного отбора. Кроме того, учитывая, что такие клетки получают из тканей взрослого организма, всегда есть вероятность наличия в них дополнительных мутаций (как при клональном гемопоэзе), которые могут быть онкогенными. К тому же экспериментально установлены явные отличия как в эпигенетических, так и в транскрипционных картинах этих клеток. Даже после многолетних экспериментов iPSC не заменили ESC ни в исследовательской, ни в терапевтической сфере.

Тем не менее у iPSC есть много преимуществ, которые недостижимы при работе с ESC. Учитывая, что ESC получают из эмбрионов после прерванной беременности, а iPSC производятся из соматических клеток человека, iPSC, в сущности, могут использоваться в качестве суррогатного близнеца этого человека. Для создания таких реплик у пациента берут кровь, клетки крови преобразуют в iPSC, а затем дифференцируют на разнообразные типы клеток, которые могут использоваться для моделирования конкретных тканей пациента. Например, человек с семейным боковым амиотрофическим склерозом (примерно 5–10 % случаев) получает шанс превратить собственные фибробласты в двигательные нейроны (которые как раз поражает болезнь). Затем их можно использовать в качестве скринингового препарата, при помощи которого можно подыскивать подходящую терапию для пациента. В больших когортных исследованиях такой метод помогает прояснить механизм болезни и опробовать новые варианты лечения. В сущности, любое генетическое заболевание, затрагивающее строго один тип клеток или ткань, может быть излечено таким способом.

Как ESC-, так и iPSC-клетки человека плюрипотентны, но не тотипотентны. Строго говоря, тотипотентной считается такая клетка, которую можно поместить в вителлиновый слой (это первичная защитная оболочка ооцита, богатая питательными веществами), а потом перенести в естественную или искусственную матку и дождаться развития полноценного потомства. Плюрипотентные клетки могут породить все ткани, слагающие взрослый организм, но не могут сформировать все ранние онтогенетические слои, из которых затем развивается зародыш, например слой трофобластов, превращающихся в плаценту.

По ряду причин нам еще только предстоит выяснить детали этих процессов, например когда ESC-клетки следует брать у эмбриона, каким способом, в какой культуре они должны выращиваться. Есть даже философский вопрос «субъектности». Примерно в течение двух первых недель эмбрионального развития из любой клетки эмбриона можно «вырастить» его идеальный клон. Можно взять у эмбриона любую клетку, часть или половину клеток – и создать близнеца. Именно так в природе зачастую формируются двойняшки (такие как Марк и Скотт Келли) или тройняшки. Но примерно на 14-й день беременности у эмбриона образуется первичная полоска, задающая для него своеобразные «оси координат»: у него появляется верх и низ, левая и правая, передняя и задняя стороны. С возникновением этой полоски (она хорошо просматривается как дифференцированная линия чуть ниже середины зародыша) он становится индивидуальным эмбрионом, больше не может размножиться на сотни людей, а станет конкретной личностью. Вот почему большинство ESC не культивируют дольше 14 дней.

Более того, работать с ESC бывает очень сложно и с чисто научной точки зрения, так как зачастую они спонтанно дифференцируются, если окажутся в изоляции. Словом, в клеточной культуре они ведут себя очень своенравно. В настоящее время активно разрабатываются новые способы получения тотипотентных клеток, в том числе с применением все более сложной инженерии. Так, пытаются заглушать сигналы, провоцирующие дифференциацию, менять условия культуры (см. выше об исследованиях Али Бриванлу). В самом деле, наша способность превратить любую клетку (претерпевшую нуклеацию) в любую другую клетку сводится к умению оперировать нужными рычагами. Если бы мы знали полный эпигенетический код человека и умели модифицировать любой локус ДНК, молекулу РНК и состояние гистона, то теоретически могли бы преобразовать любую клетку в какую угодно другую, причем в любой момент. Единственной реальной проблемой тогда было бы поддержание этого клеточного состояния. Данная научная дисциплина еще очень молода, но со временем на все вопросы найдутся ответы.

Полная свобода родительства

Идея полной клеточной гибкости не так уж нова. Давно известна концепция партеногенеза – способа неполового размножения, при котором эмбрион может сформироваться без оплодотворения, однако она так и остается нереализованной до наших дней, по крайней мере у млекопитающих. Но партеногенез, как и любую генетическую функцию, можно реализовать методом генной инженерии, поскольку нам уже есть на что опираться. В принципе, кроме ребенка от двух или от одного родителя можно перейти к получению детей от трех и более родителей либо даже позволить двум мужчинам или двум женщинам завести собственного генетического потомка. Все эти возможности – вопрос генной инженерии.

В 2004 г. две самки мыши стали первыми млекопитающими, от которых было получено потомство с использованием исключительно материнского генетического и клеточного материала в эксперименте, проведенном Томохиро Коно. Исторически это считалось невозможным, поскольку плод получает от каждого из родителей специфичные генетические модификации (именуемые импринтигом), которые закладываются на этапе формирования яйцеклетки и сперматозоида. Процесс импринтинга обеспечивает экспрессию генов, специфичных для конкретного пола, в зависимости от того, от кого получен ген – от матери или отца. Работы Одеда Рехави и других специалистов показали, что импринтинг сохраняется даже через поколение. Но до выхода статьи Коно в 2004 г. было неизвестно, не окажется ли геномный импринт непреодолимым барьером для партеногенеза.

Коно и его группа создали ооцит с гаплоидным набором (содержащим всего один набор хромосом, а не два, как обычно) из двух материнских мышиных геномов. Получение потомства из такой клетки – это партеногенез. Однако для этого требовалась определенная сборка и доработка. Ученые изменили экспрессию двух ключевых регулирующих генов (lgf2 и H19), а также некоторых других импринтированных генов, вырезав в H19 большой участок (13 килооснований). В итоге две матери стали бабушками, когда их дети сами обзавелись потомством. Эта новаторская работа показала, что жизнеспособных особей можно получить и без участия самцов (по крайней мере у мышей).

Но могут ли и самцы размножаться без участия самок? Оказывается, могут. В 2018 г. Ли Вэй, Чжоу Ци и Ху Баоян продемонстрировали, что два самца также могут иметь генетическое потомство, однако для его вынашивания и рождения все равно требуются самки (вот вам еще одно применение экзоматок). Ли и его коллеги получили необходимую культуру из гаплоидных эмбриональных стволовых клеток (haESC), которые, в свою очередь, были синтезированы из очищенных яйцеклеток или сперматозоидов – в данном случае именно сперматозоидов. Проблемы, обусловленные импринтингом, сохранялись и здесь, поэтому ученые удалили при помощи технологии CRISPR-Cas9 те участки генома, которые участвуют в импринтинге. Они воспроизвели операции, проделанные в 2004 г., и отметили, что для получения детенышей только от самок требовалось удалить всего три фрагмента, а с самцами процесс оказался более сложным и потребовал удаления семи фрагментов. Кроме того, для запуска однополого мужского эмбриогенеза все равно нужна донорская яйцеклетка (строго говоря, получается потомок от трех родителей, так как у него есть еще и митохондриальная ДНК). После этого Ли с коллегами раздельно ввел haESC в сперматозоиды и в незрелые яйцеклетки, из которых были удалены ядра. Потомство вновь получилось жизнеспособным.

Таким образом, когда-нибудь два человека