Индуцированные стволовые клетки: чудесные метаморфозы
Джон Гёрдон
Синъя Яманака
Каждый человек когда-то был оплодотворенной яйцеклеткой. В первые дни после зачатия эмбрион состоит из незрелых клеток, и каждая из них способна развиться в любую из тканей, образующих взрослый организм. Это плюрипотентные стволовые клетки. При дальнейшем развитии эмбриона они дают начало новым клеткам — нервным, мышечным, костным и так далее. Каждая из них специализируется на выполнении конкретной задачи во взрослом организме. Ранее считалось, что путь от плюрипотентной клетки до клетки с узкой специализацией возможен только в одну сторону. Исследователи полагали, что во время созревания клетка изменяется таким образом, что возвращение к незрелой, плюрипотентной стадии невозможно. Но британский биолог Джон Гёрдон опроверг эту догму. Он утверждал, что геном специализированной клетки может по-прежнему содержать всю информацию, необходимую для любого «выбора» пути развития. В 1962 году он проверил свою гипотезу, заменив ядро яйцеклетки лягушки ядром из зрелой специализированной клетки, полученной из кишечника головастика. В результате яйцеклетка превратилось в полноценного клонированного головастика, а следующие эксперименты позволили получить взрослую лягушку. Получалось, что ядро зрелой клетки не утрачивало способность стимулировать развитие полноценного организма и хранило в себе «дорожную карту» для любого типа клеток.
Сначала открытие Гёрдона было встречено со скептицизмом, но несколько ученых повторили его эксперименты, и сомнений в правоте британского биолога не осталось. После этого Джон Гёрдон инициировал интенсивные исследования, доработал технологию эксперимента и в результате сумел клонировать не только земноводных, но и млекопитающих, первым и самым известным из которых стала овечка Долли, родившаяся в 1996 году. Теперь Гёрдона называют «крестным отцом клонирования». Его эксперимент заключался в отборе клеточных ядер с последующим их введением в другие клетки. Но, пожалуй, главным наследием его открытий стало понимание того, что ядро зрелой специализированной клетки может быть возвращено в незрелое, плюрипотентное состояние. Эта интересная и амбициозная задача и встала теперь перед учеными.
Японец Синъя Яманака смог справиться с ней только через 40 с лишним лет после открытия Гёрдона. Исследования японского ученого касались эмбриональных стволовых клеток, то есть плюрипотентных стволовых клеток, выделенных из эмбриона и культивированных в лаборатории. Первоначально такие стволовые клетки выделил у мышей Мартин Эванс, за что и получил Нобелевскую премию в 2007 году. Яманака попытался определить гены, благодаря работе которых эти клетки оставались в плюрипотентном состоянии. Идентифицировав несколько из них, он решил проверить, можно ли с их помощью перепрограммировать зрелые клетки так, чтобы они вновь стали плюрипотентными.
Яманака и его сотрудники помещали разные комбинации генов-кандидатов в зрелые клетки соединительной ткани (фибробласты) и наблюдали за результатами под микроскопом. Наконец ученые нашли комбинацию, которая сработала. Рецепт оказался на удивление прост: всего четыре гена обладают способностью перепрограммировать клетки соединительной ткани в незрелые стволовые клетки!
Полученные индуцированные плюрипотентные стволовые клетки могли развиться в нервные клетки и клетки кишечника. Открытие того, что неповрежденные зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные стволовые клетки, было опубликовано в 2006 году и воспринято как серьезный прорыв в науке.
Открытия Гёрдона и Яманаки показали, что в определенных условиях специализированные клетки могут повернуть вспять весь свой жизненный путь. Серьезные изменения, которые происходят в процессе их развития, не являются необратимыми. Ученые, открывшие новый взгляд на жизненный цикл клетки, в 2012 году получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие того, что зрелые клетки могут быть перепрограммированы в плюрипотентные».
Исследования последних лет показали, что из индуцированных плюрипотентных клеток можно получить огромное количество различных типов функциональных клеток. Открытия Гёрдона и Яманаки предоставили новые инструменты для ученых во всем мире и привели к заметному прогрессу во многих областях медицины.
Например, клетки кожи, взятые у пациентов с различными заболеваниями, можно перепрограммировать и исследовать в лаборатории, чтобы определить, чем они отличаются от клеток здоровых людей. Такие клетки представляют собой очень ценные инструменты для понимания механизмов болезней и дают новые возможности для развития методов лечения.
Кстати
В разное время Джон Гёрдон работал во многих авторитетных вузах: например, в Оксфордском и Кембриджском университетах, в Калифорнийском технологическом институте. Кроме того, он занимал ключевые позиции еще в одной организации, названной в честь известного специалиста, чьи работы были связаны с получением плюрипотентных клеток — в институте Джона Гёрдона. Именно такое имя с 2004 года носит институт онкологических исследований и биологии развития в Кембридже.
