Этот генетический материал поместили в раствор, подобный цитоплазме.
В нѐм по информации, заложенной в ДНК, были синтезированы необходимые белки.
Они применили рецептуры, опубликованные в Интернете, и генетические последовательности, полученные по почтовому заказу.
Проф. Э. Уиммер сообщает, что как только в пробирку были помещены все генетические составляющие, вирус тут же «самособрался». Иными словами, «жизнь, или по крайней мере еѐ подобие, завелась с пол-оборота».
Созданный вирус выглядел так же, как его природный образец. Для до-
казательства активности вируса ученые заразили им мышей. Животные по-
гибли при классических симптомах полиомиелита.
На сборку генома вируса полиомиелита проф. Э. Уиммеру потребовалось три года.
В той же лаборатории К. Вентер (J. Craig Venter) синтез вируса произвел за 14 дней.
2.Синтез искусственного вируса phi-Х174. Это бактериофаг, существует
вприроде, безопасный для человека и животных.
К. Вентер и его группа взяли несколько участков ДНК и соединили их,
создав полный геном вируса, содержащий одиннадцать генов. Эта смесь была помещена в пробирку, где самостоятельно собралась в генетическую цепочку,
идентичную геному phi-Х174. После этого собранный геном имплантировали в живую клетку, которая начала производить копии вируса.
3. Американские учѐные создадут неизвестную в природе форму живого.
Учѐные из лаборатории Роквилля объявили о намерении создать при по-
мощи генной инженерии новую форму жизни – 21.11.2002.
Цель проекта – исследования фундаментальных механизмов зарождения и развития органической жизни. Основные участники – генетик К. Вентер и Нобелевский лауреат Х. Смит.
21
Целью эксперимента является создание одной клетки, являющейся базо-
вой для формирования организма с минимальным набором генов для поддер-
жания жизни.
Если опыт удастся, то выращенная клетка будет расти и делиться, со-
здавая, таким образом, целую клеточную структуру, не существующую в при-
роде. Это будет «минималистский» организм.
В конце 1990-х гг.XX в. К. Вентер – в то время глава Института геномных исследований в Роквилле (США), – опубликовал перечень генов, необходимых для существования одноклеточного организма, – микоплазмы. По его подсчѐ-
там этот обитатель половых путей человека может обходиться 300 генами из своих 517, которые в этом микробе образуют одну хромосому.
В основе проекта – на 3 года, лежит та же бактерия. Из еѐ клетки учѐные намерены извлечь весь генетический материал, затем скомпонаватъ из его «ку-
сочков» искусственную цепочку генов, т.е. хромосому. В еѐ состав войдут только те гены бактерии, которые «безусловно необходимы» для поддержания жизни нового организма. На завершающем этапе собранная цепочка генов бу-
дет инкорпорирована в лишенную генетического материала клетку.
Затем «должно случиться самое интересное, то, ради чего задуман эк-
сперимент» – оживление бактерии. Дальше пойдут наблюдения за таким полу-
природным организмом: как он живѐт и размножается.
«Нас интересует: можно ли придти к молекулярному определению жизни,
и наша главная цель – фундаментальное понимание составляющих самой эле-
ментарной живой клетки».
Во избежание создания болезнетворного агента К. Вентер и Х. Смит ли-
шат новую «микоплазму» генов, ответственных за еѐ прикрепление к клеткам в организме человека, потом тех генов, которые позволяют ей выживать в не-
благоприятных условиях. В результате получится «довольно хрупкое существо,
абсолютно зависимое от своих создателей».
В задачу исследований также входит научиться искусственно создавать различные гены. «Это – воистину базовая наука, – говорит К. Вентер. – Даже
22
при том, что мы обнаружили все гены в человеческом геноме, мы до сих пор не смогли постичь тайну самой простой клетки. Именно это мы и хотим сделать сейчас».
К. Вентер и Х. Смит и их группы в запасе имеют и другой вариант со-
здания живой клетки: искусственно в лаборатории синтезировать эти базовые гены, собрать их в цепочку, а затем ввести их в такую же бактерию, из которой еѐ генетический материал весь будет предварительно удалѐн.
Что вкладывает К. Вентер в свою задачу – дать «молекулярное опреде-
ление жизни»?
Любая клетка построена из молекул, как и организм в целом. Их стру-
ктура и состав, а также взаимодействие заложены в генах. В процессе эволюции каждая молекула скроена в соответствия с функцией в клетке. Клетка – это не хаотическое скопление молекул, а «их упорядоченность», т.е. организация, так как еѐ строят гены через продукты – белки. Разрушь еѐ, то хотя и останутся в виде смеси эти молекулы клетки,– это уже будет мѐртвое, так как разрушена молекулярная организация клетки. А она создана в процессе эволюции «живо-
го».
Отсюда: К. Вентер стремится минимумом генов получить такую органи-
зацию неживых молекул, которая превратится в «живое». Это и будет абио-
генезом.
1.2. Раскрытие секрета жизни – значение для медицины и онкологии
В биологии проблема сущности жизни и еѐ происхождения всегда стояла под номером один.
Главным признаком жизни или живого на уровне клетки является еѐ де-
ление, т.е. митоз.
Процесс митоза, видимый в микроскоп, при котором одна клетка делится на две, – «удивительное явление в биологии». Ещѐ удивительнее при этом
23
представлялось возникновение двух хромосом там, где раньше была только од-
на.
Это являлось величайшим секретом биологии: «как удваивается это,
имеющее первостепенное значение, тельце?»
Хромосома состоит из трѐх веществ: ДНК, белка и РНК. Нуклеиновые кислоты и белки состоят из гигантских молекул, каждая из которых имеет ос-
новной скелет и боковые группы. В белках содержатся элементы двадцати ти-
пов, в нуклеиновых кислотах – четырѐх типов и при том иных.
28.II.1953 г.Ф. Крик вошѐл в кембриджский «Игл паб» и сказал: «Мы рас-
крыли секрет жизни». Они действительно обнаружили «нечто подобное». И это было то, за что позднее он и ещѐ двое сподвижников, в 1962 г. получили Нобе-
левскую премию.
Они создали модель пространственной структуры молекулы ДНК и этим совершили прорыв, который, в частности, позволил разгадать загадку: как уд-
ваиваются хромосомы перед делением клетки на две. Эта тайна или секрет де-
сятилетиями не давала покоя учѐным.
Модель молекулы – это еѐ копия, но гораздо больше по размерам, чем существующая в клетках. Из-за слишком малого размера мы не видим реаль-
ную молекулу. Модель молекулы позволяет нам понять еѐ строение вплоть до расположения в пространстве отдельных атомов, а то и еѐ функции в клетке.
Оказалось, что хромосома удваивается за счѐт репликации, т.е. удвоения.
Молекула ДНК – это спираль из двух цепей. Каждая цепь состоит из нук-
леотидов: аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Две цепи соеди-
няются между собой парами этих оснований по принципу «ключ – замок»: А-Т;
Г-Ц.
Механизм репликации, т.е. удвоения молекулы ДНК: две цепи расходят-
ся. Каждая цепь из нуклеотидов служит матрицей или шаблоном для достраи-
вания к ней дополняющей еѐ цепи из нуклеотидов. Когда этот процесс закон-
чится, у нас будет уже не одна, а две пары цепей, т.е. две молекулы ДНК.
24
Одна молекула – для одной хромосомы, другая – для другой, т.е. по одной для каждой из двух дочерних клеток. Для деления клетки на две дочерние, как раз и требуется удвоение хромосомы. Но только теперь становится ясно, что это происходит после удвоения молекулы ДНК. В этом и состоит раскрытие секрета жизни.
В 60-х гг. ХХ в. предположение Д. Уотсона и Ф. Крика о механизме реп-
ликации, т.е. удвоения ДНК, было подтверждено. Кроме того, было показано,
что этот процесс осуществляется при участии специального фермента – ДНК-
полимеразы.
Примерно в то же время было сделано ещѐ одно открытие – открытие ге-
нетического кода. Гены содержат в себе информацию о плане строения клетки и еѐ функционирования, что передается дочерним клеткам. Передаѐтся инфор-
мация о линейной структуре каждого белка в клетке.
Белки, как и ДНК, представляют собой длинные цепочки из аминокислот.
Аминокислот – 20. Было не ясно, каким образом «язык» ДНК, состоящий из че-
тырѐхбуквенного алфавита: А, Т, Г, Ц переводится на «язык» белков, где ис-
пользуется 20 «букв», первая буква – название аминокислоты.
Было показано, что сочетание из трѐх нуклеотидов ДНК, каждое из кото-
рых, называется кодоном, чѐтко соответствует одной из 20 аминокислот. И, та-
ким образам, «текст» на ДНК однозначно переводится в белок.
Схема синтеза белка с копии гена, т.е. иРНК в рибосоме: ген – иРНК – белки.
Все свойства клетки в виде «инструкций» заложены в соответствующем гене или генах, а создаются через их продукт – белки. Изменения в гене: дефект его структуры или изменение его экспрессии дадут изменения в его белках – изменения в структуре белка, отсутствие белка, избыток нормального белка. А
это вызовет изменения в свойствах клетки.
В чѐм польза раскрытия секрета жизни?
Между размножением клетки и репликацией ДНК имеется принципиаль-
ное различие.
25
Первый процесс – это деление клетки на две. Это клеточный уровень.
Второй процесс – это создание молекулой точной своей копии. Это молекуляр-
ный уровень. Деление клетки на две дочерние не произошло бы, если не было бы репликации молекулы ДНК.
Отсюда: репликация ДНК – это молекулярная причина, а деление клетки
– еѐ следствие.
Таким образам, до раскрытия секрета жизни каждое свойство клетки как живого только описывали, а теперь – объясняют, т.е. знают его молекулярную причину.
Клетка стала предметом изучения биологии, а молекулярные причины свойств клетки, – предметом молекулярной биологии. Она возникла с момента раскрытия секрета жизни.
Зная молекулярную причину каждого свойства клетки, можно на неѐ воз-
действовать. Это дало возможность учѐным управлять живым; управлять – это,
значит, уметь изменять свойства живого.
Пример В отличие от нормальной клетки, раковая клетка – бессмертна за счѐт
восстановления в ней после каждого деления длины теломер.
Причина этого свойства – молекулярная: в раковой клетке включѐн ген теломеразы, а она восстанавливает длину теломер.
Цель: лишить раковою клетку свойства бессмертия, т.е. сделать еѐ смерт-
ной. Здесь ген и его фермент – теломераза будут целями или мишенями для воздействия.
Для прекращения функции гена можно в раковую клетку ввести анти-
смысловую РНК к иРНК, т.е. к копии гена. Она по принципу комплементарно-
сти пар оснований соединится с иРНК, и тогда синтеза теломеразы уже не бу-
дет.
Чтобы блокировать теломеразу, можно по еѐ трехмерной структуре син-
тезировать молекулу лекарства, комплементарную к активным участкам фер-
мента теломеразы. Его ввести в раковую клетку, оно соединится с теломеразой
26
по принципу – «ключ-замок», и теломераза будет блокирована. В результате в раковой клетке теломеры уже не будут достраиваться перед делением, и клетка погибнет через апоптоз.
Но эти средства блокирования гена теломеразы не всегда могут быть эф-
фективными. Недавно сделано открытие – «малые интерферирующие РНК»,
введение которых в организм специфично «выключает» конкретный ген путем разрушения его копии – иРНК (см. раздел 8.1.).
Вот это и означает – управлять живым, в данном случае, раковой клеткой,
воздействуя на молекулярные причины ее свойств.
Открытие того, что каждое свойство клетки в норме, а значит, и при бо-
лезни, создаѐтся молекулярной причиной, привело к открытию молекулярной медицины.
Теперь мы знаем, что гены и их белки каждого свойства раковой клетки – это метки или маркеры для еѐ диагностики. Они же – цели или мишени для ле-
карств, избирательно уничтожающих раковые клетки.
Точно также находят гены-маркеры и белки-маркеры для свойств возбу-
дителей различных инфекций – бактерий, вирусов и др.
На примере со свойством бессмертия раковой клетки мы дали три спосо-
ба уничтожения носителя этого свойства, т.е. раковой клетки.
Во-первых, через связывание копий гена-маркера этого свойства – иРНК.
Во-вторых, с помощью лекарства, связывающего белок-маркер, т.е. тело-
меразу, которая создаѐт свойства бессмертия раковой клетки.
В-третьих, «выключение» гена свойства бессмертия раковой клетки пу-
тем разрушения его копий иРНК с помощью интерферирующей РНК.
Создание лекарств по генам-маркерам и белкам-маркерам позволяет, дей-
ствуя только на них, избирательно уничтожать их носителей, не давая побоч-
ных эффектов. Это и есть молекулярная или генная медицина.
В ближайшие годы ХХI-го века эта медицина должна заменить сущест-
вующую, которую теперь уже называют, – «старой». Ведь при «старой» меди-
цине лекарство создают методом «проб и ошибок», поэтому они часто и вызы-
27
вают у пациентов тяжѐлые побочные эффекты. В этом смысле в трудном поло-
жении находится сегодня стандартная химиотерапия рака.
Основные причины этого: 1) раковая клетка – это эукариот среди нор-
мальных клеток организма человека, тоже – эукариотов; 2) отставание науки до последних лет об источниках канцерогенеза и его молекулярных причинах.
Лекарства стандартной химиотерапии сами по себе не могут различать раковую клетку среди нормальных клеток и направлены на уничтожение слиш-
ком быстро делящиеся клетки, к которым относили каждую клетку рака.
Недавно выяснено, что канцерогенез из двух источников: 1) из нормаль-
ной клетки ткани, ставшей прежде стволовой клеткой, или 2) из стволовой клетки ткани.
Оказалось также, что в составе клеток рака клетки неодинаковые:
- основную массу клеток составляют нераковые клетки: они быстро де-
лятся и после выполнения функций ткани сами погибают через апоптоз; именно эти клетки – мишени для лекарств стандартной химиотерапии;
- значительно меньшую часть составляют раковые клетки: это раковые стволовые клетки, которые асимметричным делением копируют себя и генери-
руют нераковые клетки в составе клеток рака.
При этом, раковые стволовые клетки делятся редко и медленно. Это при-
чина того, что лекарства стандартной химиотерапии оказываются неэффектив-
ными против раковых стволовых клеток (J.E. Trosko et al., 2005).
До сих пор в клинической практике преобладают пациенты с симптомами рака и крайне редко встречаются пациенты, у которых рак – «ин ситу», т.е. на месте.
Начинать лечение рака при его симптомах – это уже очень поздно. Ведь раковые клетки начинают распространяться по организму при размере рака в ткани какого-либо органа всего лишь 2 мм в диаметре, т.е. с началом в узелке ангиогенеза и лимфангиогенеза.
Теперь же, когда наступила эра молекулярной медицины, пациента нач-
нут лечить ещѐ до того, как появятся первые симптомы болезни, в том числе и
28
рака: в самом его начале – на уровне первой раковой клетки и еѐ первых потом-
ков, и даже до его начала – на уровне предраковых клеток.
Определив ген-маркер болезни, можно определить, какой именно белок еѐ вызывает, а значит, надо и создать лекарство против этого белка или его гена
– вот и «волшебная пуля», о чѐм так мечтал П. Эрлих. На этом и будет строить-
ся фармакология будущего.
Новые лекарства и средства на основе генов-маркеров и белков-маркеров конкретной болезни станут прицельно атаковать только дефектные клетки,
уничтожая их, и не повреждая при этом здоровые клетки. Отсюда – не будет побочных эффектов от лекарств у пациента.
Раковая стволовая клетка возникает из нормальной клетки или стволовой клетки ткани из-за дерепрессии в ней генов фетальных белков и одновременно репрессии генов-супрессоров метилированием CpG-динуклеотидов промотора этих генов или мутаций в генах. При этом она становится более живучей, чем нормальная клетка этого же типа.
Раковая клетка несѐт в себе ряд уловок, делающих еѐ неуязвимой и спо-
собной к самостоятельному существованию в организме пациента. Т.е. эта де-
фектная клетка не просто клетка, а целый одноклеточный организм.
«Один в поле не воин», – гласит пословица. Но раковая стволовая клетка-
организм – «одна в поле воин», так как легко обходит все защитные механизмы организма пациента.
Она в организме, но живѐт отдельно от него, паразитируя на нѐм. В орга-
низме пациента эта клетка-организм занята лишь одним делом – копированием себя и разрушением тканей и органов своего носителя вплоть до его смерти и погибает сама лишь после его смерти.
Из того, что причиной любой болезни являются гены и их продукты – белки в клетке, вытекают состояния пациента, знания которых важно для врача любого профиля.
1. Предболезнь.
29
Любая болезнь начинается с патологии клетки или клеток. Изменения в том или ином гене или генах клетки – не диагностика болезни, а лишь установ-
ление вероятной предрасположенности к ней.
При таких изменениях в половой клетке употребляют термин – предрас-
положенность к болезни, а в соматической клетке, чаще говорят – предболезнь.
При предболезни такой ген ещѐ не проявляет себя, так как в клетке ещѐ нет синтеза продукта гена – белков. При возникновении в нормальной клетке таких изменений в генах, – это предраковая клетка.
«Ремонт» такого гена или генов, или замена его в клетке на нормальный ген, «выключение» генов свойств раковой клетки ликвидируют предболезнь.
2. Болезнь.
Когда в клетке под контролем гена или генов уже есть синтез его продук-
та – белков, то это признак того, что ген уже начал разрушительную работу в клетке, ведущую к болезни.
Здесь изменения в гене или генах – первопричина болезни клетки, а из-
менения свойств клетки вызываются продуктом гена, т.е. его белками. Эти свойства формируют затем симптомы конкретной болезни.
Ген-причина в клетке – это ген-маркер, а его белок – белок-маркер. Инги-
бирование гена-причины и его продуктов – белков в клетке, может остановить болезнь.
3. Ранняя диагностика болезни.
До сих пор многие болезни и среди них тяжѐлые, в том числе – рак, диаг-
ностируются на этапе их симптомов. Лечение многих болезней на таком этапе крайне затруднительно в смысле излечения или даже невозможно.
Теперь диагностика любой болезни, в том числе, самой опасной болезни
– рак, станет возможной в досимптомном периоде.
«До начала». Это будет осуществляться путѐм выявления в клетке или клетках у пациента гена-маркера конкретной болезни. В отношении рака – это будет диагностика предраковой клетки или клеток.
30