§ 37. Механизмы канцерогенеза
Злокачественная трансформация клеток. Рак представляет собой одну из самых важных проблем биологии и медицины. Давно стало понятно, что рак – заболевание особое, что не может существовать «лекарство от рака», так как дело в том, что это в значительной степени заболевание клеток. Другими словами, раковые клетки – это клетки с измененными свойствами. Такое наследуемое изменение свойств клеток называется трансформацией. Для того, чтобы лечить рак, нужно понять, чем отличаются раковые клетки от нормальных.
Несмотря на огромное разнообразие форм рака, все раковые клетки обладают некоторыми общими свойствами. Какие же это свойства? В отличие от нормальных, раковые клетки делятся бесконтрольно, независимо от сигналов о прекращении деления. Они плохо держатся в ткани, что позволяет им легко отрываться и перемещаться в другие части организма. Злокачественные клетки обладают свойством разрушать субстрат, на котором они растут. Это позволяет им прорастать в другие ткани и проникать в кровеносные сосуды. В большинстве раковых клеток повреждена система апоптоза, что позволяет размножаться клеткам с нарушенной генетической информацией. Кроме этого, раковые клетки бессмертны, в них работает фермент теломераза. Мы видим, что клетка становится раковой, когда перестает выполнять правила поведения, обязательные для членов сложнейшего сообщества миллиардов клеток, каким является многоклеточный организм. Эти правила были рассмотрены в § 30.
Регуляция жизненного цикла клеток включает в себя сложную систему передачи различных сигналов в ядро клетки. Это могут быть внешние сигналы – гормоны, факторы роста, контакты с субстратом, контакты с другими клетками; это могут быть и внутриклеточные сигналы – нарушение целостности ДНК, заражение вирусом. В любом случае конечным звеном в цепи передачи сигнала являются клеточные белки – факторы транскрипции или белки, запускающие апоптоз (рис. 63, А). Нарушения в этой системе передачи сигналов и являются причиной злокачественной трансформации клеток.
Нарушение передачи сигналов. Нарушения могут возникать на всех этапах передачи сигнала. За каждый из этих этапов отвечают свои белки, а значит, и свои гены. Эти гены, как и все другие, могут изменяться – мутировать.
В результате мутации или нарушения регуляции действия гена клетка может начать синтезировать неправильный белок, который реагирует с рецептором фактора роста. Такая клетка будет постоянно делиться независимо от наличия или отсутствия сигнала о делении, сама себе подавая сигнал к делению. Если мутация произошла в гене, кодирующем белок-рецептор, он может измениться так, что будет посылать сигналы в ядро постоянно (рис. 63, Б), независимо от наличия сигнала (например, фактора роста или гормона). Мутация может затронуть и один из белков, являющихся внутриклеточными передатчиками сигнала, в результате чего постоянно активированный переносчик будет посылать сигнал в ядро. Наконец, могут измениться факторы транскрипции, начав прочно связываться с ДНК, и заставляя постоянно синтезироваться белки, нужные для деления клетки. Факторы транскрипции могут измениться в результате мутации или в результате непосредственного взаимодействия с химическим канцерогеном.
В любом случае клетка будет продолжать делиться независимо от потребности организма в новых клетках. Клетки опухолей не делятся чаще или быстрее, чем нормальные клетки, они делятся непрерывно. Возникает избыток клеток в каком-то определенном месте – образуется опухоль. Это пока что доброкачественная опухоль – ее можно хирургически удалить вместе с мутантной клеткой-родоначальницей и гарантированно избавиться от нее. Для того, чтобы опухоль стала злокачественной, в клетках должно произойти еще немало изменений.
Нарушения взаимодействия клеток. Контакт клеток друг с другом нужен не только в качестве сигнала, вызывающего контактное торможение. Клетки тканей скреплены друг с другом и для того, чтобы ткань обладала прочностью и непроницаемостью. Например, клетки эпителия, прочно соединенные между собой, формируют внеклеточную основу (матрикс) – так называемую базальную мембрану. Он создает границу между двумя тканями – эпителиальной и соединительной.
Клетки, вышедшие из-под контроля деления, создадут доброкачественную опухоль, в которой сам слой клеток, внеклеточный матрикс, соединительная ткань не нарушены. Злокачественные клетки, кроме неконтролируемого деления, утеряли способность прочно удерживаться в ткани. Из-за нарушения межклеточных контактов они легко отделяются друг от друга и от матрикса. Мало того, они приобрели способность разрушать матрикс. Благодаря этому они могут прорастать во все соседние ткани – соединительную, костную, в кровеносные сосуды. Другими словами, они приобрели способность к расселению – метастазированию.
Нарушение апоптоза. Нарушения поведения клеток должны рано или поздно привести к апоптозу. Даже если в таких постоянно делящих клетках нет никаких других нарушений, их продолжительность жизни ограничена длиной теломер. Если 
система апоптоза работает нормально, то бесконтрольно делящиеся клетки должны погибнуть, исчерпав лимит делений. Четко работающая система апоптоза – надежная защита организма от раковых клеток. Но апоптоз регулируется белками, для которых существуют свои гены. Эти гены также могут «испортиться» в результате мутации. Нарушение функции белка р53 приведет к тому, что возникающие в ДНК нарушения будут беспрепятственно проходить митоз и передаваться клеткам-потомкам. Выключение апоптоза приводит к резкому увеличению скорости мутирования и быстрому усилению злокачественности опухоли. К такому же результату приведет недостаточность белка Вах. Если при этом еще произойдет включение работы гена теломеразы (а это очень часто происходит при злокачественной трансформации клеток), то нарушенная клетка приобретет бессмертие.
Онкогены и антионкогены. Изучение опухолей привело к обнаружению так называемых онкобелков – белков, специфичных для опухоли. Но, если в клетках есть белки, это означает, что есть и соответствующие гены. Эти гены назвали онкогенами. Что же такое онкогены? Ведь не могут же быть в геноме организма специальные гены для злокачественных опухолей! Конечно, в клетках нет специальных онкогенов, они возникают в случае мутирования протоонкогенов – нормальных генов, выполняющих нужные клетке функции и становящихся онкогенами только в результате мутации (рис. 63, В). Выяснение функций нормальных протоонкогенов показало, что это как раз гены, контролирующие социальное поведение клеток. Например, протоонкогеном является такой нормальный ген клетки как ген PDGF. Он кодирует белок – тромбоцитарный фактор роста. Этот белок освобождается из тромбоцитов при ранениях, он является внеклеточным сигналом, стимулирующим деление клеток, что и нужно для регенерации.
Если в клетке будет синтезироваться свой фактор роста (он может быть и вирусного происхожения), клетка будет делиться постоянно. Протоонкоген EGF-R является рецептором фактора роста. Мутация может привести к тому, что рецептор будет все время находиться во «включенном» состоянии, заставляя клетку делиться, несмотря на отсутствие внешнего сигнала (рис. 63, Б). Протоонкогеныc-RAS и c-SRC – протенкиназы, передатчики сигнала с рецептора в клетку, протоонкоген c-MYC – ядерный фактор транскрипции. Таким образом, протоонкогенами являются все участники передачи сигнала в клетку – сами рецепторы, G-белки, транскрипционные факторы. Онкогены доминантны, то есть для того, чтобы проявилось их вредное действие, достаточно одной копии поврежденного гена, вторая может быть нормальна. Это понятно – ведь одна копия мутантного гена уже обеспечивает синтез неправильного белка.
Другие гены, регулирующие социальное поведение клеток, являются антионкогенами или, как их еще называют, супрессорами опухолей, то есть они предотвращают появление злокачественности. Антионкогены – это гены, предотвращающие размножение клеток с самыми разными аномалиями, например, с нарушениями хромосом или с повреждениями ДНК. Один из главных антионкогенов – белок р53, контролирующий целостность ДНК в клетке и индуцирующий апоптоз, если повреждения не поддаются исправлению. Неслучайно в большинстве злокачественных опухолей обнаруживается нарушения работы именно этого белка. Анитонкогенами являются гены, контролирующие чекпойнты клеточного цикла, ген апоптозного белка Вах, гены ферментов репарации ДНК. Антионкогеном является и ген трансмембранного белка кадхерина, который не только механически скрепляет между собой клетки эпителиальной ткани, но и является рецептором сигнала контактного торможения. Прекращение действия антионкогенов в результате мутации также может вести к злокачественной трансформации, но в отличие от мутаций протоонкогенов, «раковые» мутации антионкогенов рецессивны. Другими словами, для того, чтобы антионкоген перестал действовать, в клетке не должно остаться ни одной копии нормального гена (рис. 63, Г).
Частота злокачественной трансформации. Одной мутации протоонкогена или антионкогена недостаточно для превращения клетки в злокачественную. Мы видели, что для того, чтобы стать раковой, клетка должна приобрести целый набор злокачественных свойств – перестать слушаться сигналов о прекращении деления, перестать держаться в ткани, стать бессмертной, утратить способность к апоптозу и т.д. Каждое из этих событий, как правило, происходит в результате мутации. Частота мутаций в клетках человека составляет примерно 10-6 событий на ген на 1 деление. В среднем для превращения клетки в опухолевую нужно от 3 до 7 случайных событий, каждое из которых маловероятно. Однако эти события не являются совершенно независимыми, как можно было бы предполагать. Дело в том, что некоторые из таких мутаций увеличивают вероятность возникновения последующих нарушений в мутантной клетке. Например, прекращение функционирования белка р53 сразу на несколько порядков увеличивает вероятность размножения клеток с нарушенной генетической информацией. Так же действует нарушение работы апоптозного белка Вах.
Как мы видим, контроль социального поведения клеток является очень сложным и многоступенчатым. Но, если раковая клетка все же возникла, вступает в действие еще одна линия защиты – иммунитет. Ведь онкобелки – не нормальные белки организма, иммунная система воспринимает их как чужеродные и начинает атаковать производящую их клетку. По-видимому, злокачественные клетки возникают в организмах достаточно регулярно, и только благодаря такой многоступенчатой защите заболевание развивается далеко не всегда, чаще всего клетки-«преступники» уничтожаются «органами безопасности». Многие современные подходы к лечению рака и направлены на то, чтобы усилить естественные «защитные рубежи» – апоптоз и иммунитет.
§ 38. Причины канцерогенеза
Развитие опухоли включает последовательные циклы наследуемых изменений клеток и естественного отбора. Наследуемые изменения могут быть не только мутациями, это могут быть и другие изменения, например, излишнее метилирование, выключающее гены. Сейчас показано, что к возникновению рака может приводить сбой в регуляторном действии микроРНК. Другими словами, это эволюционный процесс клеток в пределах организма. Как и на популяционном и видовом уровне, так и на клеточном скорость эволюции зависит от скорости мутирования, скорости размножения и селективного преимущества мутантной особи. Как правило, раковые клетки делятся не чаще и не быстрее, чем нормальные клетки. Раковым клеткам в организме дает преимущество независимость их деления от регуляторных сигналов, что позволяет им обгонять в росте нормальные клетки.
Воздействия, приводящие к возникновению рака, делятся на три основные группы. Это канцерогенные вещества, ионизирующая радиация и опухолеродные вирусы.
Канцерогенные вещества не представляют собой какой-либо группы веществ, обладающих определенными химическими свойствами. Одно из самых простых канцерогенных веществ – органический растворитель четыреххлористый углерод CCl4. Однако большинство химических канцерогенов – сложные полициклические и гетероциклические соединения, такие как антрацен, метилхолантрен или бензпирен (рис. 64). Чаще всего 
такие вещества стимулируют деление клеток, вмешиваясь в передачу регулирующих сигналов. Мы видели, что передача сигналов осуществляется различными способами, поэтому и канцерогены также действуют различными способами.
Как правило, канцерогены бывают и мутагенами. Иногда мутагенными и канцерогенными являются не сами вещества, а продукты их превращения в организме. Такие вещества не вызывают мутаций и рака при попадании на кожу, однако оказываются высоко мутагенными и канцерогенными при поступлении в организм с пищей. Это связано с тем, что в организме эти вещества превращаются в активную форму. Чаще всего это происходит под действием внутриклеточных ферментов цитохромоксидаз. Такой цитохромоксидазой является белок р450, в большом количестве находящийся в митохондриях. Особенно много его в клетках печени. Этот белок в норме окисляет попавшие в организм жирорастворимые ксенобиотики (чужеродные токсичные вещества), превращая их в водорастворимые продукты, которые легко удаляются из организма. Однако продукты окисления некоторых химических веществ могут приобретать канцерогенность, отсутствующую у самого вещества.
Примером такого явления может служить один из сильных природных канцерогенов – афлатоксин, продукт жизнедеятельности плесневого гриба Aspergillus flavus, который размножается на зернах арахиса и злаков при хранении их в тепле. Под действием р450 -цитохромоксидаз печени он превращается в эпоксидное соединение, которое взаимодействует с гуанином в составе ДНК. Эпоксидная группа, являющаяся высоко канцерогенной, превращает афлатоксин в очень сильный канцероген (рис. 65). Присоединяясь к гуанину в составе ДНК, это соединение вызывает мутации, которые могут привести к возникновению рака.
Во многих случаях канцероген может вызывать скрытое генетическое повреждение. Возможно, это мутация в «молчащем» протоонкогене. Так как ген не работает, то и опухоли не возникает. Но активация гена любым воздействием, которое само по себе не обладает канцерогенностью, может привести к возникновению рака. Такие воздействия могут быть самыми разнообразными. Так могут влиять воздействия, стимулирующие рост кровеносных сосудов, например, ранение. Пока этого нет, недостаток кровоснабжения сдерживает рост опухоли. Ранение способствует росту сосудов в регенерирующей ткани. Если эта ткань была опухолевой, то ранение значительно убыстряет рост опухоли. Некоторые вещества, сами не являющиеся канцерогенами также могут способствовать возникновению рака, если есть мутация в гене «социального контроля» (так называют гены, контролирующие социальное поведение клеток). Такие вещества называют опухолевыми промоторами. Примером такого опухолевого промотора являются так называемые форболовые эфиры – вещества растительного происхождения, по химическому составу очень близкие к липидным веществам-переносчикам сигналов в мембране клеток человека. Они связываются с ферментом протеинкиназой и активируют ее (протеинкиназы – посредники во внутриклеточной передаче сигнала). Опухолевые промоторы, действуя сами по себе, без канцерогена, вызывают усиленную пролиферацию клеток, что может приводить к образованию доброкачественных опухолей.
Предполагается, что в некоторых случаях к развитию рака может приводить нарушение регуляторной деятельности микроРНК. Уже обнаружены специфические изменения в содержании определенных микроРНК, характерные, например, для рака поджелудочной железы и некоторых других форм рака.
Канцерогенное действие ионизирующих излучений обусловлено их мутагенной активностью. Мутагенное действие излучений осуществляется либо в результате прямого разрушения участков ДНК частицами или γ-квантами, либо через посредство промежуточных продуктов – активных форм кислорода, свободных радикалов и т. д. Мутагенной и канцерогенной активностью обладает и ультрафиолетовое излучение. Внутрь организма оно не проникает, но неумеренный загар вызывает мутации в клетках кожи и может стать причиной возникновения злокачественной опухоли.
Онкогенные вирусы. Особую группу канцерогенов составляют опухолеродные вирусы. В превращении клетки из нормальной в раковую могут участвовать вирусы, содержащие как ДНК, так и РНК. Для животных такие вирусы известны давно. Примерами являются вирус SV 40, выделенный из клеток обезьян, вирус саркомы Рауса (куриный ретровирус). У человека доказана вирусная природа одного типа злокачественного заболевания – Т-клеточного лейкоза (РНК-содержащий вирус HTLV-I). Другие вирусы, связанные с раком, возможно, являются опухолевыми промоторами, а не канцерогенами (рис. 63). Это вирусы папилломы (доброкачественные бородавки, рак шейки матки), вирус гепатита В (гепатоклеточная карцинома), вирус Эпштейна-Барра (лимфома Беркитта в западной Африке, рак носоглотки в Китае и Гренландии у инуитов). Для проявления канцерогенного действия этих вирусов они должны быть в сочетании с другими факторами (афлатоксин для вируса Эпштейна-Барра в Африке; в Китае и Гренландии это может быть питание соленой рыбой в детстве в сочетании с определенным генотипом). Вклад в возникновение рака (саркома Капоши) вируса СПИДа является косвенным – он подавляет иммунную защиту, поэтому клетки, трансформированные другими агентами, не уничтожаются, а образуют опухоль.
Как вирусы вызывают рак? Онкогенные вирусы не убивают трансформированную клетку, а клетка сохраняет вирусные гены и передает их по наследству. Обычно это происходит в результате интеграции вирусного генома в клеточный, но некоторые вирусы могут устойчиво существовать в клетке в виде, напоминающем бактериальные плазмиды. В любом случае они вызывают наследуемое изменение генома клетки. Некоторые содержащие ДНК вирусы (например, вирус SV 40) в клетках естественного хозяина (мартышки) не вызывают трансформации. SV 40 активирует клеточную систему репликации, используя ее для синтеза собственной ДНК. Конечным результатом является появление многочисленного поколения вируса и гибель зараженной клетки. Другое дело, когда он попадает в клетки, непригодные для размножения вируса (например, клетки мыши, в которых этот вирус реплицироваться не может). В этом случае он встраивается в хромосому, при этом вирусный ген, ответственный за активацию клеточной ДНК, транскрибируется, заставляя клетку вступать в стадию S клеточного цикла и делиться. В данном случае вирусный ген работает как онкоген. Это вирусный онкоген, для него не существует протоонкогена в клеточном геноме. Так же ведет себя вирус папилломы. Обычно кольцевая ДНК этого вируса находится в клетке человека в неинтегрированном виде. При этом он реплицируется самостоятельно и синхронно с репликацией клетки, подчиняя себе клеточную систему репликации. Клетки при этом постоянно делятся, образуя доброкачественные опухоли – вирусные бородавки. В результате случайного события вирус может интегрироваться в геном клетки. В таком виде он вызывает несбалансированный избыточный синтез белков репликации, вызывая злокачественную трансформацию.
По-другому действуют РНКовые ретровирусы. Эти вирусы обычно безвредны для клетки, вызывая умеренную инфекцию и выделяясь из клетки в результате отпочковывания от мембраны. Благодаря наличию гена обратной транскриптазы они могут встраивать ДНКовую копию своей РНК в геном клетки. В редких случаях может происходить рекомбинация – вирус «прихватывает» клеточный ген или часть гена, часто при этом теряя некоторые свои гены. В результате получается мутант, содержащий ген, самому вирусу не нужный. Этот ген вирус привносит с собой в другую клетку при заражении. По-видимому, такой привнесенный ген совсем не обязательно является онкогеном. Но если это ген, участвующий в контроле социального поведения клеток, то он может привести к трансформации клетки. В настоящее время известно более 20 таких ретровирусных онкогенов. Все изученные ретровирусные онкогены очень близки (но не идентичны) протоонкогенам, которые есть в любой нормальной клетке. Благодаря этой неидентичности (мутациям) продуктами таких генов являются белки с измененной активностью. Среди таких онкогенов есть аналоги клеточных генов протеинкиназ (внутриклеточных передатчиков сигналов), рецепторов гормонов и факторов роста, ядерных белков-факторов транскрипции и т.д.
Существует и другой механизм превращения протоонкогена в онкоген при встраивании его в вирусный геном – попадание протоонкогена под контроль мощных вирусных промоторов и энхансеров, что приводит к избыточному накоплению регуляторных белков и трансформации клетки. Сходный эффект вирусы могут вызвать и без захвата клеточных генов путем так называемого вставочного (инсерционного) мутагенеза. Если встраивание ДНК-копии вируса происходит на расстоянии не более 10 тыс. пар оснований от клеточного протоонкогена, это может вызвать аномальную активацию этого гена.
Таким образом, развитие рака – вероятностный процесс, представляющий собой эволюцию клеток в пределах многоклеточного организма. Хотя все способы превращения нормальной клетки в раковую сводятся к нарушению регуляции социального поведения клеток, их существует много. Одних только протоонкогенов, то есть нормальных генов, контролирующих социальное поведение клеток, в настоящее время известно более 60. По-видимому, существует примерно такое же количество антионкогенов. В результате этого большинство злокачественных опухолей оказывается в значительной степени не похожими друг на друга, что чрезвычайно затрудняет борьбу с ними. Большинство существующих в настоящее время способов лечения рака сводится к хирургическому удалению трансформированных клеток из организма. Однако удалить все раковые клетки из организма оказывается невозможным из-за их способности к метастазированию, которая обычно появляется тогда, когда первичная опухоль еще не диагностируется. Использование облучения или химиотерапии основано на том, что эти воздействия в первую очередь повреждают и убивают делящиеся клетки. Эти методы неспецифичны, они повреждают и нормальные клетки. Основная трудность и заключается в том, что раковые клетки – это почти такие же клетки, как и нормальные, только вышедшие из-под контроля организма. Найти способ удаления всех раковых клеток из организма можно, только найдя «волшебную пулю», способную отличить раковую клетку от нормальной в организме. В первую очередь на ум приходят антитела – именно они обладают высокой специфичностью. К сожалению, это им удается не всегда. Ученые возлагают большие надежды на методы генной инженерии. Возможно, в будущем удастся прицельно выключать «незаконно» работающие гены, превращая раковую клетку в нормальную.
§ 39. Вирусы, с которыми люди раньше не встречались
Успехи медицины ХХ века бесспорны. Только одно применение антибиотиков спасло огромное количество человеческих жизней. Разработка и широкое применение вакцин против таких вирусных заболеваний, как оспа и полиомиелит позволило справиться с этими тяжелейшими заболеваниями. Однако говорить о победе над инфекционными заболеваниями еще преждевременно. Вирусные заболевания еще остаются бичом человечества – заболеваемость СПИДом приобрела характер пандемии, то есть эпидемии с глобальным распространением; вирус гриппа победить не удается. Мало того, время от времени появляются такие вирусные болезни, о которых раньше и не слышали, причем эти новые вирусы оказываются смертельно опасными. Откуда они берутся, и как с ними бороться?
Вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты. Это означает, что они не способны размножаться и вообще проявлять признаки жизни вне клетки. До сих пор не стихли споры о том, что такое вирусы – существа или вещества? Большинство ученых считает их все-таки живыми, но не все согласны с тем, что их можно назвать организмом. Их можно назвать автономными генетическими структурами, проявляющими признаки живого только внутри клетки.
Вирусы были открыты более 100 лет назад – в 1892 году Д.И.Ивановским был открыт вирус табачной мозаики (рис. 67, А). Но только в середине ХХ века удалось рассмотреть вирусы в электронный микроскоп.
Строение вирусов. Их строение отличается крайней простотой – нуклеиновая кислота (либо ДНК, либо РНК) и несколько (иногда даже один) белков. У них отсутствуют системы энергообеспечения, белкового синтеза, а иногда и ферментативные системы транскрипции и репликации. Поэтому для размножения 
вирусы, как правило, используют клеточные ферментативные системы.
Вирусная частица, называемая вирионом, состоит из нуклеиновой кислоты и белкового капсида – футляра, состоящего из белковых субъединиц (рис. 67, В). Чаще всего капсид имеет форму правильного двадцитагранника, построенного из равносторонних треугольников – икосаэдра. Вирусы животных обычно кроме капсида еще имеют внешнюю оболочку, как правило, содержащую гликопротеиды, участвующие в проникновении вируса в клетку. Гликопротеиды, взаимодействуют с рецепторами на поверхности клеток, заставляя клетку «проглотить» вирус с помощью фагоцитоза.
Размеры большинства вирусов варьируют от 20 до 300 нанометров. Самый большой из известных вирусов – обнаруженный в 2011 году мегавирус, имеет диаметр около 700 нанометров, что больше некоторых бактерий. Его вирионы можно увидеть в световой микроскоп (рис. 67, Б).
Форма вирусов большим разнообразием не отличается. Как правило, вирусный капсид имеет форму икосаэдра (рис. 67, Г) или палочки. Так, первый из открытых вирусов, вирус табачной мозаики имеет палочковидную форму, аденовирус, вызывающий респираторные инфекции – икосаэдра. Многие вирусы имеют еще и наружную фосфолипидную мембрану, «позаимствованную» у клетки, в которой вирус размножался (рис. 67, Д). Существуют вирусы и с другой формой капсида – нитевидной, гантелеобразной или просто неправильной. Более сложную форму имеют некоторые фаги – вирусы бактерий. Они кроме капсида могут иметь полый белковый отросток, заканчивающийся шестиугольной пластинкой с белковыми нитями по углам, с помощью которых они прикрепляются к бактериальной клетке (рис. 67, Е).
Геномы вирусов, несмотря на простоту их строения, отличаются большим разнообразием – они могут быть и двуцепочечными, и одноцепочечными, и линейными, и кольцевыми, состоящими из ДНК или РНК.
Жизненный цикл вирусов. Прежде всего, вирус должен проникнуть в клетку. Разные вирусы делают это по-разному. Бактериофаги используют свой белковый чехол в качестве шприца – нуклеиновая кислота впрыскивается в клетку, а «шприц» остается снаружи. Вирусы животных, не имеющие липидной оболочки, для проникновения в клетку используют способность клеток к фагоцитозу. Вирусы, покрытые фосфолипидной мембраной, попадают в клетку в результате слияния этой мембраны с клеточной. И в том и в другом случае вирусные белки или полисахариды взаимодействуют с определенными молекулами на клеточной поверхности, заставляя клетку «помогать» проникновению вируса. Внутри клетки происходит «раздевание» вируса – освобождение вирусной нуклеиновой кислоты от капсидных белков. После этого начинается синтез вирусных белков и нуклеиновой кислоты. Эти процессы протекают по-разному у разных вирусов – некоторые используют ферментативные системы клетки, у других ферменты собственные, закодированные в геноме. Завершается инфекционный процесс сборкой новых вирионов и выходом их из клетки. В случае так называемой литической инфекции новых вирионов образуется очень много, и они по сути дела разрывают клетку, выходя таким образом в межклеточное пространство. Другой тип инфекционного процесса – персистентный, вирионов при этом образует немного, жизнедеятельности клетки это практически не мешает, вирионы выходят из клетки в результате отшнуровывания от клеточной мембраны пузырьков. В результате такие вирионы оказываются одетыми в липидную мембрану клеточного происхождения. Такая инфекция может длиться очень долго, а человек (или животное) становится вирусоносителем. При латентной (скрытой) инфекции вирусы существуют в клетке в виде, напоминающем плазмиды. При этом выхода зрелых вирионов из клетки не происходит, заболевание не обнаруживается. При определенных условиях – стрессе, переохлаждении, латентная инфекция может перейти в литическую, что приводит к появлению симптомов болезни. Примером такого вируса является вирус герпеса, вызывающий «лихорадку» на губах. Однажды заразившись, человек, как правило, «носит» этот вирус всю жизнь. Литическая инфекция, вызывающая гибель клеток слизистой, сопровождается синтезом антител, антивирусных белков интерферонов, и вирус «прячется» в нервных клетках. Там он недоступен для действия антител, но и активно размножаться не может и существует в плазмидоподобном виде. Неблагоприятные для человека условия, ослабляющие иммунную защиту, позволяют вирусу активироваться и покинуть свое «убежище». По отросткам нервных клеток он достигает клеток слизистых оболочек, в которых он может интенсивно размножаться, что и приводит к обострению заболевания.
Существует целая группа вирусов, которые способны встраивать свою нуклеиновую кислоту в геном клетки (см. § 20). В такой форме, которая называется провирус (или профаг у прокариот), вирус как бы становится частью клеточного генома (рис. 68, А). Он вместе с клеточной ДНК реплицируется и передается дочерним клеткам при делении. Это могут делать и ДНК- и РНК-содержащие вирусы, но, конечно, РНК встроить в молекулу ДНК нельзя, поэтому они сначала создают кДНК – ДНКовую копию своей РНК, которую и встраивают в геном клетки.
Такие вирусы, встраивающие ДНКовую копию своей РНК, называются ретровирусами. К ретровирусам относятся онкогенные вирусы животных, вирус иммунодефицита человека.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ). С вирусом иммунодефицита человечество встретилось совсем недавно. Заболевание, названное синдромом приобретенного иммунодефицита было впервые зарегистрировано в 1981 году. К настоящему времени СПИД распространен по всему земному шару, количество инфицированных исчисляется десятками миллионов. Ни один из известных вирусов не был изучен так подробно и так быстро. Однако остановить его распространение пока не удается.
ВИЧ относится к семейству лентивирусов. Они названы так потому, что инфекционный процесс развивается медленно (лат. lentus – медленный). Геном вируса представлен двумя идентичными молекулами одноцепочечной РНК. В состав вириона, кроме РНК и структурных белков, входят и молекулы ферментов – обратной транскриптазы, протеазы и интегразы, обеспечивающей встраивание провируса в клеточную ДНК (рис. 68, Б). Без этих ферментов невозможны ни размножение, ни интеграция вируса. Имеющиеся на поверхности вириона гликопротеидные выросты взаимодействуют с мембранными рецепторами, которые есть только у одного типа клеток – так называемых CD4+ лимфоцитов. Поэтому ВИЧ и инфицирует только эти клетки. Люди, у которых есть мутация, затрагивающая белок этого рецептора, невосприимчивы к заражению этим вирусом. Среди европеоидов таких людей около 10%.
Размножение вируса в клетках приводит к их гибели, и, в конечном итоге, к резкому снижению иммунитета. Сама по себе ВИЧ-инфекция не приводит к гибели организма, но результатом снижения иммунитета становится развитие других инфекционных и раковых заболеваний, что и приводит к смерти. В отсутствие лечения средняя продолжительность жизни ВИЧ-инфицированных людей составляет от 5 до 10 лет. При использовании современных методов лечения продолжительность жизни инфицированных зависит только от естественных процессов старения.
Заражение ВИЧ чаще всего происходит при половых контактах или при использовании нестерильных медицинских инструментов – иголок для шприцев, зубоврачебных инструментов. Возможно заражение ребенка в процессе родов, если мать является ВИЧ-инфицированной. При обычных бытовых контактах, а также кровососущими насекомыми вирус не передается.
Геморрагические лихорадки. Экваториальная Африка издавна была «родиной» многих тяжелых инфекционных заболеваний – желтой лихорадки, лихорадки долины Рифт и 
некоторых других. Разработка эффективных вакцин помогла с ними справиться. Но в 60-70х годах ХХ века возникли вспышки новых очень тяжелых лихорадок – Эбола и Марбург (рис. 68, В, Г). Благодаря современным методам исследования удалось быстро выделить и охарактеризовать вызвавшие их инфекционные агенты. Это оказались новые, ранее не встречавшиеся ученым вирусы. Они имели нехарактерную для вирусов человека форму длинных палочек, поэтому их назвали филовирусами (лат. filamentos – длинный). Нуклеиновая кислота у них – одноцепочечная РНК. Заболевания, вызываемые этими вирусами, по симптомам могут напоминать грипп, тиф или тяжелую дизентерию, но потом присоединяются обширные кровотечения из слизистых оболочек, мест уколов. Поэтому их объединяют в группу геморрагических лихорадок (геморрагия – кровотечение). Смертность при этих болезнях очень велика – до 90% в случае лихорадки Эбола. Несмотря на очень интенсивное изучение этих вирусов, они еще во многом остались загадочными. До сих пор остаются неизвестными животные-носители этих вирусов (у обезьян есть свой филовирус – Рестон, смертельный для них, но не поражающий человека). Неизвестна и причина такой высокой патогенности вирусов. До сих пор не удалось получить действенную вакцину, так что основным методом борьбы с этими лихорадками остаются карантинные мероприятия и физическая защита – маски и перчатки. Поэтому работать с ними можно только в особых защитных костюмах и специально оборудованных помещениях со шлюзами и пониженным давлением воздуха, что предотвращает случайное попадание вируса наружу (рис. 68, Е).
Атипичная пневмония или тяжёлый острый респираторный синдром (ТОРС). Новое вирусное заболевание была обнаружено в Китае в ноябре 2002 года. Его появление вызвало панику, так как человечество к этому времени уже столкнулось с новыми вирусами – ВИЧ, вирусами Эбола и Марбург. Появление еще одного смертельного заболевания вызвало самые мрачные прогнозы. Выделение и изучение вируса, разработка мер борьбы с ним были проведены очень быстро. Уже 17 марта 2003 года Всемирная Организация Здравоохранения объявила «глобальную тревогу» в связи с распространением «атипичной пневмонии». 13 лабораторий из 9 стран объединились для проведения исследований этого заболевания. Через месяц было объявлено, что заболевание вызывает неизвестный ранее вирус, принадлежащий к группе коронавирусов (рис. 68, В). Они были так названы потому, что находящиеся на их поверхности выросты напоминают солнечную корону.К концу 2003 года начались клинические испытания вакцин, созданных в нескольких лабораториях. Благодаря слаженным усилиям ученых разных стран и строгим карантинным мерам удалось не допустить развития эпидемии этой опасной болезни. В целом, по данным ВОЗ, погибло более 900 человек в 30 странах мира. Впоследствии был обнаружен и природный хозяин вируса – небольшое хищное млекопитающее циветта, живущее в лесах Юго-Восточной Азии. В настоящее время заболевание среди людей не обнаруживается.
§ 40. Новые ли «новые вирусы»
На протяжении своей истории человечество постоянно встречалось с инфекциями. Одни из них известны с древнейших времен – например оспа, описание которой есть в древнеегипетских папирусах, а следы ее носят некоторые мумии. Более 2000 лет назад был описан полиомиелит. Появление других может быть документировано. Так внезапно в 430 году до н. э. в Афинах появилась болезнь, которую под названием чумы описал историк Фукидид (на самом деле это была болезнь, неизвестная в настоящее время). И потом появлялись новые, неизвестные до этого повальные болезни, опустошавшие целые города. Некоторые из них исчезли бесследно, другие, например, натуральная оспа, неоднократно возвращались и были изучены современными учеными (рис. 69, А). Во второй половине ХХ века, когда казалось, что окончательная победа над инфекционными заболеваниями уже близка, появились новые страшные болезни – СПИД, геморрагические лихорадки. Да и грипп, тоже не очень «старая» болезнь, в ХХ веке стал регулярно появляться в «новом обличье». Откуда же берутся новые вирусы? Действительно ли они являются новыми?
По-видимому, «новизна» вирусов бывает разной. Иногда, как, например, в случае с вирусом гриппа, это не столько новизна, сколько обновление (рис. 69, Б). В настоящее время вирус гриппа выделяется среди других вирусов и по массовости заболевания, и по причиняемому экономическому ущербу, и по способности избегать тех мер борьбы, которые эффективны для многих других вирусов. Считается, что грипп появился в XIV—XV веках. У древних врачей описаний похожего заболевания нет. Первая пандемия (от греч. παν – весь и δημος – народ) разразилась в 1889 году, следующей была катастрофическая пандемия 1918-1919 годов, унесшая по разным подсчетам от 20 до 50 миллионов жизней – больше, чем первая мировая война. Со второй половины ХХ века эпидемии стали практически ежегодными, раз в несколько лет принимающими характер пандемии.
Геном вируса гриппа отличается своеобразием – это восемь отдельных молекул одноцепочечной РНК, каждая из которых содержит только один ген (рис. 69, В). На поверхности вириона находятся два гликопротеида – нейраминидаза и гемагглютинин. Они участвуют во взаимодействии вируса с клеткой, благодаря которому осуществляется попадание его в чувствительную клетку. Структура этих белков может меняться, что обеспечивает антигенную изменчивость вируса. Разные варианты вирусных антигенов определяют и круг хозяев вируса – одни 
варианты узнают рецепторы клеток человека, другие – клеток свиней, третьи – птиц. Некоторые вирусы могут поражать разных хозяев, например, клетки человека и свиньи, другие – птиц и свиней. Что произойдет, если в одном организме встретятся разные варианты вируса? Сегментированность генома позволяет разным вирусам свободно обмениваться этими сегментами это явление называется реассортацией. В организме свиньи могут встретиться человечий и птичий вирусы, так как свинья чувствительна к обоим. В результате обмена сегментами РНК вирусное потомство может [O38] так изменить антигенную структуру, что сможет заражать и клетки человека и клетки птиц. Так появляется «птичий грипп». Поскольку к нему в популяции человека нет иммунитета, очень вероятно развитие пандемии. «Птичьими» были вирусы, вызвавшие пандемию 1918, «Гонконгский» грипп 1968. «Свиной грипп» 2009 года был «четверным реассортантом» – в его геноме объединились гены вирусов человека, птиц, европейских свиней и американских свиней (так как европейские и американские свиньи «общаются» нечасто, то их вирусы довольно сильно отличаются по своей антигенной структуре). К счастью, вирус оказался не настолько опасным, как этого можно было ожидать.
ВИЧ. Одним из самых «новых» вирусов большинство ученых считает ВИЧ. Заболевание СПИД было обнаружено только в 1981 году. Изучение медицинских архивных документов и образцов тканей и сывороток позволило предположить, что заболевание появилось раньше – приблизительно в середине века. Изучение геномов ВИЧ и ретровирусов обезьян позволило предположить, что вирус попал в человеческую популяцию от обезьян. Однако следует сказать, что не все ученые согласны с этим. Они считают, что СПИД существовал в человеческой популяции очень давно, а глобальное распространение он получил в результате того, что уменьшилась конкуренция со стороны других инфекционных заболеваний – чумы или оспы. Остро инфекционные смертельные заболевания в первую очередь убивали тех, у кого был дефицит иммунитета, приобретенный или врожденный. Это и сдерживало распространение медленно развивающегося СПИДа.
Это позволяет задать вопрос – а существуют ли вообще новые вирусы? Этот вопрос тесно связан с другим – каково вообще происхождение вирусов?
Гипотезы о происхождении вирусов. Единого мнения о происхождении вирусов нет. Существуют три основные гипотезы:
1. Вирусы появились в результате эволюционного процесса – общей дегенерации, от бактерий-паразитов, таких как риккетсии и хламидии.
2. Вирусы сохранились от древнейших доклеточных форм жизни, перейдя к паразитизму.
3. Вирусы представляют собой «одичавшие гены» или «одичавшие информационные РНК», происходя от генетических структур клетки, ставших относительно самостоятельными.
Ни одна из этих гипотез до настоящего времени не имеет убедительных доказательств. Наиболее правдоподобным представляется предположение о полифилетическом происхождении вирусов. Это означает, что разные группы вирусов могут иметь разное происхождение. Например, можно представить, что крупные содержащие двуцепочечную ДНК вирусы, такие как вирусы оспы или мимивирус, действительно могли произойти от таких внутриклеточных паразитических прокариот, как хламидии, в результате дальнейшего упрощения – потери системы белкового синтеза. Некоторые особенности процесса репликации ДНК вирусов группы оспы очень похожи на бактериальные, а поверхностные белки мимивируса – на бактериальные белки. Само название мимивируса обусловлено тем, что он мимикрирует – походит на бактерию.
В настоящее время многие ученые считают вирусы реликтами доклеточной жизни. Действительно, весьма вероятно, что отдельные живые системы еще на доклеточном этапе эволюции смогли приобрести черты паразитизма (см. § 25). Возможность происхождения некоторых вирусов от клеточных структур (например, от вырезанных, но нерасщепленных интронов), приобретших способность к автономной репликации, сейчас практически никем не оспаривается. По-видимому, промежуточной формой между группой клеточных генов и «чистым» вирусом являются плазмиды. Они могут существовать в виде относительно самостоятельных молекул ДНК в бактериальной клетке, а могут быть интегрированы в геномную ДНК. Более того, удается искусственно получить плазмиды, удалив гены структурных белков вириона из ДНК фага. Такие плазмиды размножаются в бактериальной клетке и передаются при ее делении дочерним клеткам.
Считается, что первой «информационной молекулой» была РНК, а переход от «царства РНК» к «царству ДНК» осуществился благодаря обратной транскрипции. Некоторые ученые считают, что ретротранспозоны и ретровирусы сыграли основную роль на ранних этапах развития жизни. Родство ретровирусов и ретротранспозонов не вызывает сомнений – у них очень сходная молекулярная структура, одинаковый способ интеграции с клеточным геномом, одинаковы особенности синтеза информационных РНК. Известный ученый Г.Темин предположил, что ретровирусы произошли от мобильных генетических элементов в результате того, что два таких элемента встроились по краям гена ДНК-полимеразы и стали перемещаться вместе, как один элемент. ДНК-полимераза в результате мутационного процесса постепенно приобрела способность синтезировать ДНК по матрице РНК. В дальнейшем такой новый мобильный элемент мог включить в свой состав некоторые другие гены клетки, которые стали предшественниками вирусных структурных белков.
Возможно ли возникновение новых вирусов сейчас? Конечно, повторение первых этапов развития жизни на Земле в настоящее время невозможно – условия сейчас совершенно другие. Но возможности для изменения генетической информации вирусов путем мутационного процесса или рекомбинации с другими вирусами или клеточными геномами весьма велики. О «способностях» вируса гриппа к рекомбинации мы уже говорили. Способность производить новые мутации у вирусов также очень велика. Например, цикл размножения вируса гриппа в зараженной клетке составляет около 8 часов, при этом один проникший в клетку вирион может дать 103 потомков. В результате за сутки потомство одного вириона может составить до 1027 вирусных частиц. Даже при очень низкой скорости мутирования количество новых мутантных вариантов может быть очень велико. А в результате мутации вирус может сменить хозяина, и для нового хозяина это будет новый вирус. Предполагают, что именно так человек «получил» вирус гриппа от уток, вирус кори – от свиней, а вирус иммунодефицита – от обезьян. Следствием мутации вируса может быть и приобретение им патогенности. Результатом захвата клеточных генов ретровирусами может быть возникновение вирусных онкогенов.
Иногда «новыми» могут оказаться «старые» вирусы, то есть вирусы, существовавшие давно, но о которых люди не знали по той или иной причине. Причин появления таких «новых старых» вирусов может быть очень много. Это могут быть, например, изменения климата. Но чаще всего причиной бывает деятельность человека. Само по себе увеличение численности населения Земли приводит к тому, что люди проникают в местности, ранее необитаемые, где встречаются с новыми патогенами. Увеличение плотности и мобильности населения резко увеличивает вероятность передачи инфекционного агента большому количеству людей и на большой территории. По-видимому, так возникли вспышки лихорадок Эбола и Марбург. Даже успехи медицины могут способствовать распространению вирусов – очень много людей было заражено, например, вирусами гепатита В и С во время инъекций, операций, зубоврачебных процедур, прежде чем эти вирусы были обнаружены.
Инфекционные агенты, и вирусы в том числе, могут не только появляться, но и исчезать. Например, «чума» и «моровая язва», зафиксированные в древних документах, скорее всего, чумой не являлись. Описанные симптомы врачи не могут отождествить ни с одним известным заболеванием. Скорее всего, они исчезли из человеческой популяции. На несколько столетий исчезала и натуральная оспа, но потом, когда люди о ней уже практически забыли, появлялась снова. Никто не может гарантировать, что где-нибудь в джунглях не «хранятся» вирусы, которые однажды могут проявить себя новым заболеванием. В Центральной Африке сохранилась оспа обезьян (рис. 69, Г). Этот вирус способен заражать людей, и ученые серьезно опасаются того, что он может распространиться в человеческой популяции.
Из сказанного следует, что возникновение новых вирусных заболеваний в человеческих популяциях неизбежно. Помочь может только пристальное наблюдение, в особенности за такими опасными в этом отношении районами, как Юго-Восточная Азия и Центральная Африка, а также широкое международное сотрудничество в деле лечения и профилактики инфекционных заболеваний. Примером такого плодотворного сотрудничества явилось, например, беспрецедентно быстрое создание вакцины и методов лечения одного из новых вирусных заболеваний – атипичной пневмонии.
§ 41. Биология для медицины будущего.
Стремительное развитие биологических наук создает принципиально новые подходы в лечении и профилактике различных заболеваний человека.
Что может дать практике, например, теория генных сетей (см. § 25)? Изучение конкретных генных сетей позволяет понять, как можно ими управлять. Например, молекулярные механизмы развития вирусного заболевания, как мы видели, затрагивают сложные сети межмолекулярных взаимодействий, биохимических реакций и регуляции работы генов. Знание этих сетей позволяет целенаправленно конструировать противовирусные лекарства, которые могли бы эффективно прерывать цикл развития вируса, нанося при этом минимальный вред нормальному функционированию клетки.
Изучение конкретных генных сетей может помочь пониманию патогенеза наследственных заболеваний человека. Нередко мы знаем, мутация какого именно гена приводит к развитию болезни, но не знаем, какими путями это происходит. Ведь любая мутация – это нарушение работы той или иной генной сети, а изменение одного из элементов сети или связи между элементами может привести к самым неожиданным последствиям. Для того, чтобы лечить заболевание, надо ясно представлять, на какой элемент должно быть направлено воздействие, чтобы получить желаемый результат.
Важным направлением исследований в области информационной биологии является конструирование искусственных генных сетей с заранее заданными свойствами. Теоретические исследования показали, что такие гипотетические генные сети, построенные даже из малого количества простых генетических элементов, могут обладать огромными возможностями разнообразного поведения. Результаты таких исследований могут быть очень важны для разработки методов генной терапии и трансгенеза. Ведь применение методов биотехнологии предполагает создание искусственных молекулярно-генетических конструкций, которые и представляют собой генные сети с заданными свойствами.
Генная инженерия уже много дала практической медицине – трансгенные бактерии и животные уже производят лекарственные вещества. Предполагается, что в недалеком будущем будет возможно применение ксенотрансплантатов – трансгенных органов и тканей животных, которые не будут отторгаться при пересадке людям.
Принципиально новым подходом в лечении самых разных заболеваний человека является использование «лечебных генов», то есть генно-инженерных манипуляций для достижения терапевтического эффекта.
Генная коррекция. В мире не менее 1% детей рождается с тем или иным наследственным дефектом. В настоящее время известно около 4000 заболеваний, вызванных мутациями. Огромное количество взрослых людей ежегодно заболевает раком, который, как правило, тоже связан с нарушением работы определенных генов. Возможности лекарственного лечения подобных заболеваний весьма ограничены. С конца ХХ века, когда научились переносить гены в клетки млекопитающих, стала реальной возможность исправления мутантных генов. Понятно, что заменить мутантный ген на нормальный во всех 1012-1014 клеток, составляющих тело взрослого человека нереально. Трансгенез и последующее клонирование человека во многих странах запрещены. Но оказалось, что для исправления неправильно работающих генов это и не нужно. Ведь во всех клетках организма работают только «гены домашнего хозяйства». Эти гены абсолютно необходимы для жизни клетки, поэтому мутации, их инактивирующие, смертельны, поэтому и живых людей с такими мутациями нет. Остальные же гены никогда не работают во всех клетках организма. Генная коррекция предполагает либо исправление испорченного мутацией гена в тех клетках, где это необходимо, либо создание искусственной «железы», продуцирующей белок, нехватка которого вызвала заболевание.
Успехи генотерапии. К настоящему времени в мире насчитывается немало успешных попыток такого исправления генов. Первая попытка была предпринята в 1990 году. Для этого было выбрано наследственное заболевание, называемое тяжелый комбинированный иммунодефицит – ТКИД. Дети с таким заболеванием погибают вскоре после рождения от любой инфекции, так как их организм не способен к выработке иммунитета. Их жизнь продляют, содержа их в стерильном боксе, куда подается обеззараженный воздух, стерильными должна быть их пища и все предметы, которыми они пользуются. Понятно, что провести всю жизнь так невозможно. Это заболевание вызывает мутация в гене фермента аденозиндезаминазы. Американские ученые взяли лимфоциты у четырехлетней девочки с таким заболеванием и инфицировали их ретровирусом, у которого была удалена часть генома, вместо которой был введен ген аденозиндезаминазы. Удаление части вирусного генома делает невозможным развитие инфекционного процесса и, кроме того, «освобождает место» для вводимого гена – ведь вирусные геномы малы и лишнего места там нет. Хотя такую процедуру пришлось повторять каждые 3-5 месяцев из-за ограниченности времени жизни модифицированных клеток, девочка может вести нормальный образ жизни. К началу 2000 успешные попытки этого метода лечения ТКИД были предприняты также в Италии, Франции, Англии и Японии. В январе 2009 года итальянские ученые опубликовали данные о полном излечении 8-ми летнего мальчика, страдавшего этим заболеванием. Кроме того, 8 из 10 участвовавших в клиническом испытании больных детей не нуждаются более в генотерапии и живут теперь нормальной жизнью.
Успешной оказалась попытка лечения тяжелого заболевания – семейной гиперхолестеринемии. Причиной его является мутация гена, ответственного за синтез особого белка – рецептора липопротеидов низкой плотности. Эти рецепторы, находящиеся на поверхности клеток печени, извлекают эти вещества из крови, а затем печеночные клетки их разрушают. У больных людей рецепторов недостаточно или совсем нет, поэтому липопротеиды остаются в крови, что приводит к развитию атеросклероза и гибели от инфаркта в молодом возрасте или даже в детстве. У женщины с этим заболеванием хирургическим путем были взяты клетки печени. Эти клетки, растущие в искусственных условиях, были инфицированы модифицированным вирусом, содержавшим нужный ген, после чего клетки были введены в вену, идущую к печени. Как показало исследование клеток печени женщины, проведенное через несколько месяцев, введенный ген успешно функционировал в некоторых клетках. Содержание липопротеидов низкой плотности в крови женщины снизилось на 30%.
Достигнуты успехи в лечении амавроза Лебера – редкого наследственного заболевания, при котором из-за дефекта одного гена в сетчатке глаза погибают и не восстанавливаются светочувствительные клетки. Это приводит к потере зрения уже в раннем детстве. Американские и английские исследователи вводили нормальный ген в составе вирусного вектора прямо в эпителий пигментного слоя сетчатки. У всех 12 пациентов зрение улучшилось, а у 4 детей оно восстановилось до такой степени, что они смогли учиться в нормальной школе и даже заниматься спортом. А в испытаниях на обезьянах, страдавших дальтонизмом, им удалось вернуть цветовое зрение.
В настоящее время на стадии клинических испытаний или экспериментальных разработок находятся подобные же методы лечения некоторых других наследственных заболеваний, таких как гемофилия, муковисцидоз, фенилкетонурия, серповидноклеточная анемия.
Генная терапия больных СПИДом. Оказалось, что генную терапию можно с успехом применять и для лечения ненаследственных заболеваний, например, СПИДа. Для этого учеными был использован генетически модифицированный ВИЧ. В геном вируса был введен так называемый «антисмысловой» участок. Так называют ген, в котором структурная часть, кодирующая белок, повернута на 180° относительно промотора и терминатора. Поскольку начало считывания задает промотор, такой поворот приводит к тому, что информационная РНК считывается не с той цепи ДНК, с которой должна была считываться в нормальном гене, а с комплементарной ей. Соответственно и РНК оказывается не той, которая нужна для синтеза белка, а комплементарной. Когда в клетке есть и нормальный и антисмысловой ген, синтезируются две РНК, комплементарные друг другу. Они образуют двойную спираль, а двуцепочечная РНК запускает РНК-интерференцию, и синтез белка становится невозможным. Такой метод выключения гена хорошо отработан молекулярными биологами. Для лечения были выбраны добровольцы, у которых заболевание уже не поддавалось лекарственному лечению. У них взяли лимфоциты периферической крови, в искусственных условиях инфицировали вирусом с антисмысловым геном одного из белков вирусной оболочки, а затем снова ввели в кровь. Состояние больных улучшилось, а количество вируса в крови снизилось.
Использование модифицированного вируса иммунодефицита человека для генотерапии – очень перспективное направление. Этот вирус легко встраивает свои копии в геном клетки и долго там сохраняется. Развития СПИДа при этом можно не опасаться – ведь используют вирусы, у который удалены гены, необходимые для размножения.
Генотерапия для лечения рака. Использовать генную инженерию для лечения злокачественных заболеваний можно самыми разными способами. Можно повысить чувствительность опухолевых клеток к действию систем иммунитета или к химическим веществам, можно ввести в клетки добавочные антионкогены, с помощью антисмысловых генных конструкций выключить онкогены. Американским исследователям удалось в опытах на мышах с разными злокачественными опухолями, у которых не работал антионкоген р53, включить работу этого гена. В результате у мышей опухоли стали уменьшаться, а в некоторых случаях исчезли совсем.
К началу второго десятилетия XXI века в мире разрабатывалось около 400 проектов, посвященных разработке методов лечения самых разных заболеваний. Практически во всех основных областях медицины сейчас либо ведутся клинические испытания лечения наследственных заболеваний с помощью генотерапии, либо разрабатываются подходы к такому лечению в опытах на животных.
Трудности генотерапии. В генотерапии, как и в любой новой технологии очень много еще трудного и неясного. Трудно не только доставить чужеродный ген в клетку, но добиться того, чтобы он там оставался долго. Конечно, очень хорошим способом доставки гена являются ретровирусы – они хорошо проникают в клетку и, главное, могут встроить копию гена в ДНК клетки, где он станет частью клеточного генома. Вся беда в том, что ретровирусы обычно встраиваются в делящиеся клетки, которые реплицируют свою ДНК. А «ремонтировать» гены нужно чаще всего в дифференцированных неделящихся клетках. Если это быстро обновляющиеся ткани – лимфоциты или эпителий легких, то клетки там недолговечны, и лечение придется повторять регулярно, а оно очень дорого. Возможно, что одним из решений будет использование стволовых клеток.
Другим неудобством вирусов является то, что у них очень маленькие геномы, поэтому вирусы могут переносить только небольшие участки ДНК, а для излечения некоторых болезней нужно введение в клетку нескольких генов. Нельзя полностью исключить возможность встраивания вируса рядом с клеточным протоонкогеном – а мы знаем, что это может привести к возникновению рака.
Многие из этих трудностей можно преодолеть с помощью искусственных хромосом. Искусственные хромосомы дрожжей ученые используют для разных целей уже давно. В конце ХХ века удалось создать искусственную микрохромосому человека. Она состояла из теломерных повторов и так называемой сателлитной ДНК, которая находится в центромерных районах хромосом. Хромосома содержала также участок ДНК, необходимый для инициации репликации. Несмотря на то, что она была намного меньше самой маленькой хромосомы, она нормально реплицировалась и не терялась при делении клеток. Позднее была создана искусственная хромосома нормального размера. Она была создана из генов рибосомной РНК и некодирующих частей человеческой ДНК, к которой были присоединены искусственно синтезированные теломерные повторы и центромера (рис. 67). Такую хромосому можно «начинить» нужными генами и регуляторными участками. Предполагается, что не в очень далеком будущем для генотерапии будут использовать такие искусственные хромосомы. Они обладают многими преимуществами перед вирусными векторами – они не интегрируются в собственную ДНК клеток, нарушая работу генов в этом участке ДНК, они не содержат протоонкогенов, которые могли бы мутировать, став онкогенами.
После открытия регуляторных микроРНК началась разработка способов лечения некоторых заболеваний человека с помощью искусственных интерферирующих РНК. Для растений подобная техника уже используется. Для этого получают трансгенные растения, в геном которых введены гены для siРНК с заданной нуклеотидной последовательностью. Такой ген производит РНК, интерферирующую с РНК какого-либо вируса. Подобная «генетическая вакцинация» делает растение невосприимчивым к этому вирусу. С млекопитающими это осуществить сложнее, но, тем не менее, в лабораторных условиях такие РНК оказались эффективны против ВИЧ и вируса гепатита С. По-видимому, с помощью микроРНК можно будет лечить такие заболевания как болезнь Паркинсона, некоторые виды рака. Конечно, до клинических испытаний еще далеко, но возможность заставить «замолчать» неправильно работающие гены обязательно будет использована.
Ученые работают и над такой, на первый взгляд фантастической, задачей как создание искусственных генов для ферментов, аналогов которых нет в природе, для прицельного действия на определенные молекулы. Ферменты создаются не белковые, а рибозимы – в этом случае короче путь от ДНК к ферменту. Германским ученым уже удалось создать рибозим, который умеет вырезать ДНК-копию ВИЧ из генома инфицированной клетки. Это чрезвычайно важный результат – ведь для всех лекарств ВИЧ в форме провируса недосягаем. Конечно, этот результат пока получен только на культуре ткани в лабораторных условиях, и до готового лекарства еще очень и очень далеко. Пока совершенно непонятно, как доставить такой ген именно в инфицированные клетки. Тем не менее, эти результаты дают надежду на то, что СПИД будет побежден.
Еще остаются и некоторые неясные и нерешенные проблемы генотерапии наследственных заболеваний. Прежде всего, нетрудно видеть, что все эти методы не вылечивают главную причину наследственных заболеваний – мутантный ген в половых клетках остается мутантным и передается потомству. Более того, носители такого гена, будучи больными, часто не оставляют потомства, а вылеченные, живущие нормальной жизнью, захотят осуществить свое естественное право иметь нормальную семью и детей. Это приводит к увеличению так называемого генетического груза – вредных мутаций, накапливающихся в популяции. Помочь здесь могла бы генокоррекция в половых клетках. Но слишком опасно возникновение возможных непредусмотренных последствий переноса нового генетического материала в клетки человека. Поэтому существуют международные соглашения, запрещающие проведение испытаний генных конструкций на половых клетках и ранних зародышах человека. Можно думать, что в будущем будут разработаны методы оценки безопасности и оправданности применения новейших биотехнологий для избавления человечества от тяжкого груза наследственных болезней.
[O1]старый
[O2]старый
[O3]новый
[O4]новый
[O5]новый
[O6]новый
[O7]новый
[O8]новый
[O9]новый
[O10]новый
[O11]старый 8
[O12]старый 9
[O13]старый 10
[O14]старый 11
[O15]старый 12
[O16]новый
[O17]новый
[O18]старый 14
[O19]старый 15
[O20]новый
[O21]новый
[O22]новый
[O23]старый 17
[O24]новый
[O25]новый
[O26]новый
[O27]новый
[O28]Подозреваю, что надо модернизировать.
[O29]уточнить
[O30]рисунок
[O31]о транскрипционных фабриках
[O32]Заменить на человека???
[O33]1 и 15 заменить на без инверсии
[O34]Рисунок непонятен?
[O35]Про + и – обратные связи и про автоколебания
[O36]насчет ремоделирования хроматина
[O37]написать более понятно
[O38]про реассортацию более понятно
