Человек редактированный, или Биомедицина будущего
Сегодня рынок рекомбинантных технологий исчисляется триллионами долларов. В 2020 году объем этого рынка, приходящийся только на медицину, составил более шестисот миллиардов долларов. А начиналось все с инсулина, производство которого до сих пор составляет порядка пятидесяти процентов всей медицинской части рынка. Другие составляющие — это онкология, аутоиммунные заболевания и, конечно, вакцины, изготовленные на основе рекомбинантных технологий.
Широко применяются рекомбинантные технологии и в сельском хозяйстве, в том числе в растениеводстве. Дело в том, что у растений, как и у многих видов животных, существуют свои бактерии и вирусы — точно такой же инструментарий, как тот, что используется для разработки медицинских технологий или промышленных биотехнологий. Это значит, что с помощью вирусов растений можно делать ускоренный перенос генов между различными их видами. Рекомбинантные технологии позволяют улучшать пищевые свойства растений, повышать их сопротивляемость вредителям и урожайность.
Медицина и разработка методов интенсивного земледелия для решения проблемы голода — это два важнейших направления, основанных на рекомбинантных технологиях, которые позволили чуть больше чем за сто лет увеличить среднюю продолжительность жизни человека в развитых странах почти на пятнадцать лет — с шестидесяти пяти до восьмидесяти лет.
Продукты генной инженерии
Давайте подробнее рассмотрим, что дала нам генная инженерия. Прежде всего, это возможность синтезировать с помощью бактерий белки человека, например инсулин, о котором мы уже говорили, или различные интерлейкины, интерфероны и другие цитокины — «гормоны» иммунной системы. Все они синтезированы в бактериальных клетках, — благодаря этому мы имеем возможность покупать в аптеках препараты, их содержащие.
Сегодня генно-инженерным путем производится множество синтетических антител, направленных на подавление роста опухоли. Первым таким лекарством был герцептин, он используется для лечения рака молочной железы. Антитела могут специфично связываться с рецепторами на поверхности опухолевых клеток человека, что тормозит рост опухоли.
Однако для того, чтобы с помощью биотехнологий делать полезные человеку белки, можно использовать не только бактериальные клетки. Например, есть такой лекарственный препарат — эритропоэтин. В спорте он печально известен как допинговый препарат, потому что стимулирует образование эритроцитов (красных кровяных телец): при его применении кровь становится более обогащенной кислородом и получается больший энергетический запас. Однако высокие результаты в спорте — вовсе не главная цель получения этого препарата. С его недостатком в организме (вследствие мутаций в гене, кодирующем его производство) связан целый ряд болезней человека. Искусственно полученный эритропоэтин используется как лекарственное средство при онкологических заболеваниях, почечной недостаточности, при трансплантации, анемиях и т. д. — спектр колоссально широк, но для его производства бактериальные клетки не подходят. Почему? Потому что функциональный эритропоэтин — это очень сложная белковая молекула, глобула.
Мы уже говорили, что белок не только обладает определенной линейной последовательностью, закодированной в нашей ДНК, но и претерпевает так называемые посттрансляционные (после того, как с молекулы PHК синтезировалась линейная аминокислотная последовательность белковой молекулы) модификации, когда отдельные аминокислоты белка под действием ферментов претерпевают изменения. Например, гликозилирование — присоединение к определенным аминокислотам белковой молекулы остатков сахаров. После этого молекула белка сворачивается в глобулу.
Так вот, оказывается, что многие посттрансляционные модификации не работают в бактериальной клетке, и глобулы имеют неправильную конформацию.
Поэтому многие рекомбинантные белки, для функционирования которых, как для эритропоэтина, важны модификации и правильная конформация, получают в культурах клеток животных, в том числе и человека.
Может возникнуть естественный вопрос: зачем встраивать ген человека в клетки человека и других млекопитающих, если аналогичный ген уже есть в этих клетках?
Дело в том, что гены, которые находятся в геноме каждой клетки, в организме работают только в определенные моменты или в определенных тканях и клетках. Так, белок эритропоэтин синтезируется клетками почек и печени, хотя кодирующий его ген присутствует во всех клетках. Активируют работу гена определенные фрагменты генетического текста, получившие название промоторы.
Эти генетические элементы есть у бактерий, у вирусов, у всех организмов. Однако бактериальные промоторы не будут работать в клетках млекопитающих просто потому, что в этих клетках нет бактериальных белков, которые узнают генетический текст промотора и запускают работу гена. А вот если вирус (например, гриппа) способен инфицировать клетки человека и размножаться в них, это значит, что его — вируса — промоторы, регуляторные элементы включения генов, универсальны для вируса и человека. С очень высокой степенью вероятности они смогут контролировать и работу генов человека, если их правильно разместить в генно-инженерной конструкции.
УПРАВЛЯЮЩИЕ РАБОТОЙ ГЕНОВ
Сформировавшись из одной клетки, наш организм становится многоклеточным, и во взрослом состоянии насчитывает около 1014 клеток более двухсот различных типов. У нас есть кровь, глаза, волосы и т. д., причем в клетках, составляющих различные органы, — один и тот же геном, который был заложен в исходной зиготе. Но представьте себе, какой будет ужас, если в волосяном фолликуле вдруг заработают гены, предназначенные обеспечивать, скажем, генерацию эритроцитов, и волосы станут красными от эритроцитов! Или в глазах начнут работать те гены, которые контролируют рост волосяного фолликула...
Думаете, ничего подобного не может быть? Увы, это происходит, когда начинается патологический процесс. Но в норме работа генов в каждом клеточном типе контролируется исключительно строго отдельными участками ДНК. Определенный район ДНК, который лежит в непосредственной близости к гену и обеспечивает проявление этого гена, называется промотором (от англ, promote — «продвигать», «способствовать», «рекламировать»). Когда-то эти участки генома относились к так называемой мусорной ДНК, потому что ученые не знали ничего об их назначении. Теперь мы знаем, что регуляторные (промоторные) последовательности, составляющие около десяти процентов генома, есть у каждого гена или их комбинаций.
Знание генетического текста вирусных промоторов оказалось для ученых крайне важным. Нам уже известно, что вирусы не могут размножаться вне клетки, а попав в нее, вирусный геном начинает усиленно функционировать, обеспечивая размножение вируса, то есть все его промоторы должны быть очень активны. Этим и воспользовались наблюдательные генные инженеры. Они предположили, что если в генетическую конструкцию поместить вирусный промотор, а за ним смонтировать нужный ген, кодирующий, например, синтез эритропоэтина, то вирусный промотор, способный работать в любых клетках, обеспечит высокий уровень синтеза и вне организма — в выбранной культуре клеток млекопитающих. Таким образом, начав когда-то с бактерий, люди со временем точно так же научились работать с клетками млекопитающих и человека in vitro (вне организма), чтобы вводить туда с помощью генных манипуляций определенные гены и производить нужные биомедицинские белки.
Подведем небольшой итог. Ученые начали с бактерий: в бактерию можно ввести любой ген, она очень быстро размножается, передавая нужный ген по наследству, и синтезирует необходимые белки. На следующем уровне мы научились получать нужный белок не только в клетках бактерий: любой белок человека сегодня удается синтезировать в человеческих клетках, культивируемых вне организма.
Возможности генной терапии
Ген должен работать на своем месте
В предыдущей главе мы рассмотрели способы использования генов человека в бактериях или культурах клеток млекопитающих вне организма, чтобы синтезировать белки, которые могут быть использованы для разных целей. Например, есть люди, у которых нужный белок не производится самим организмом в необходимом количестве, потому что какой-то ген не работает вообще или работает недостаточно активно. Этим пациентам можно вводить соответствующий белок, синтезированный вне организма, и такая заместительная терапия позволит им вести более или менее нормальный образ жизни.