И.Э. ЛАЛАЯНЦ

Стволовые клетки и клонирование

Древние были уверены в существовании вечно возраждающейся из пепла птицы Феникс. Древнеегипетский бог Гор раз за разом собирал разбросанные по всем сторонам света куски тела своего отца Озириса и оживлял его с помощью матери Исиды. Не удивительно, что ученые называли гидрой кишечнополостное наших водоемов – ее способность к регенерации просто сказочна. Регенерация тканей наблюдается и у человека: срастание костей, заживление кожи и мышц, постоянно протекающий в нашем организме процесс «творения» крови.

Загадка кроветворения не давала покоя нашему выдающемуся ученому Александру Александровичу Максимову, который еще в 1916 г. начал использовать метод культуры ткани. Напомним, что за разработку данного метода француз А.Каррель, долго работавший за океаном, был удостоен в 1912 г. Нобелевской премии. В 1922 г. Максимов уехал из России и оказался в конечном итоге в Чикаго, где занимался исследованиями в области воспаления и кроветворения.

В 1908 г. Нобелевской премии за исследования процесса воспаления и открытие макрофагов был удостоен И.И. Мечников. Ученых начала века волновал вопрос: откуда при воспалении берутся многочисленные клетки соединительной ткани, в результате чего образуются припухлость, флюс и нарыв?

Максимов постулировал, что в соединительной ткани (крови, костном мозге, являющемся органом кроветворения) пожизненно сохраняются недифференцированные, так называемые мезенхимные, или камбиальные, клетки, которые могут превращаться в различные клетки крови, а также кости, сухожилия, связки и т.д. Он называл их еще «блуждающими клетками в покое». Наличием этих клеток он и объяснял образование новых клеток при воспалении.

Поясним некоторые слова. Дифференцировкой называется «специализация» клетки, в ходе которой та приобретает свойства, необходимые для выполнения возложенной на нее природой функции. Недифференцированная клетка не способна сокращаться, как мышечная, генерировать электрический сигнал, как нервная, и синтезировать гормон инсулин, как клетки островков Лангерганса поджелудочной железы. Говорят еще, что в процессе дифференцировки клетки созревают.

Обычно в названии незрелых клеток имеется слово «бласт», то есть «шар» (бластула – это шарообразная стадия развития эмбриона, при этом стенка шара представлена одним слоем клеток). Клетка – предшественник кости называется остеобластом; предшественник меланоцита, синтезирующего темный красящий пигмент меланин, благодаря которому мы темнеем при загаре, – меланобластом, а клетки нервной системы – нейробластами. Эти «первичные» клетки действительно похожи на шарики: нейро- и меланобласт не имеют характерных для взрослых стадий отростков, которые появляются только в ходе дифференцировки.

Нечто похожее видел в культурах и Максимов. Так «общим родоначальником кроветворения» он считал большой лимфоцит, который происходит от первичной мезенхимной клетки через стадию малого лимфоцита, представляющего относительно небольшую клетку с большим ядром.

Слово «мезенхима» греческого происхождения и означае «посредник». Максимов вслед за эмбриологами XIX в. считал, что мезенхима представляет собой средний (между экто- и эндодермой) зародышевый листок, из которого образуется затем соединительная ткань и ее производные в виде сосудов, крови, хряща и кости. Сегодня мы знаем, что мезенхимные клетки выселяются из верхней спинной (дорзальной) половины нервной трубки, так что тоже имеют эктодермальное происхождение. Вот почему у нейрона и лимфоцита так много сходных генов и свойств.

Интерес к клеткам-предшественникам (прекурсорам) возродился в 1960-е гг., когда Дж.Гердон, эмбриолог из Оксфордского университета, поразил весь мир клонированными лягушками. Гердон придумал метод переноса ядра одной клетки в цитоплазму другой.

Для своих опытов он взял икринки, видимые невооруженным глазом, и удалил из них ядра. Таким образом, он получил «энуклеированную» цитоплазму, в которую и пересадил диплоидные ядра (с двойным набором хромосом) соматических клеток, которые и в обычных условиях постоянно делятся (клетки слизистой кишечного эпителия). Таким образом для своих экспериментов по клонированию Гердон, возможно, использовал стволовые клетки кишечного эпителия. Но тогда так никто проблему не рассматривал.

Практически одновременно с работами Гердона стали появляться статьи, посвященные описанию нейрогенеза в гиппокампе мозга. Сначала образование новых нервных клеток видели просто под микроскопом, затем наблюдения стали подтверждать с помощью авторадиографии, которая свидетельствовала о синтезе новых молекул ДНК. В конечном итоге процесс был подтвержден и с помощью электронного микроскопа. Но народ и поныне убежден, что «нервные клетки не восстанавливаются».

Гердон задавался вопросом, каким образом цитоплазма яйцеклетки перепрограммирует соматическое ядро, т.е. ядро дифференцированной клетки. Созревает клетка не сразу. Для этого она должна пройти несколько клеточных циклов.

Стволовая клетка в процесс созревания не вступает. Ранее полагали, что она при этом и не делится, находясь в состоянии «ареста» клеточного цикла, т.е. как бы в «замороженном» состоянии. Однако сейчас выясняется, что все намного сложнее, по крайней мере в клеточных культурах. Но об этом ниже.

В самое последнее время экспериментаторы, возможно, под влиянием экологов, выдвинули концепцию ниши. Ниша – это клеточное окружение, в котором клетка не только живет, но и выходит из состояния ареста, чтобы начать развитие.

Классическим примером ниши является граафов пузырек яичника, в котором яйцеклетка может пребывать в состоянии клеточного ареста в течение всей жизни женской особи. Кстати заметим, что яйцеклетка до самого момента оплодотворения содержит – в отличие от спермия – двойной набор хромосом (второй набор удаляется только после внедрения спермия). Таким образом, чисто теоретически яйцеклетка до образования зиготы по набору хромосом ничем не отличается от любой другой соматической клетки.

Еще одной нишей является дно волосяного фолликула, где «обитают» стволовые клетки, из которых образуются меланоциты. Нишей же нейрогенеза, помимо гиппокампа, является также субвентрикулярная зона. Это слой клеток, окружающих мозговые желудочки – полости в глубине полушарий, заполненные жидкостью, похожей на лимфу. Именно в этой зоне постоянно образуются новые нервные клетки, которые затем мигрируют в направлении носа. Это открытие было сделано в начале 1990-х гг. и доказано экспериментально!

Обонятельные нейроны постоянно контактируют с разного рода летучими веществами атмосферы. Это для нас они означают ароматы и запахи, а для обонятельных нейронов они токсичны, особенно в больших концентрациях. Вот и приходится постоянно генерировать новые нервные клетки, чтобы восполнить их дефицит.

Но дело не только в химикатах. Обонятельные нейроны располагаются ближе к поверхности слизистой носа, чем все другие нервные клетки. От внешней среды их отделяют какие-то несколько микронов слизи, выделяемой слизистым эпителием. И гораздо большую опасность для обонятельных нейронов представляют постоянные вирусные атаки, особенно во время эпидемий респираторных заболеваний. Вот почему слизистая носоглотки представляет собой третью нишу постоянного нейрогенеза.

В первом номере журнала Science за 1995 г. была опубликована статья о выделении и определении свойств гематопоэтических стволовых клеток человека. Частота встречаемости стволовых клеток составляет около 1 на 105 клеток костного мозга. Незадолго до того, в середине ноября 1994 г., журнал Nature напечатал статью об изоляции из эмбрионального мозга крыс самообновляющихся мультипотентных стволовых клеток мозговой коры. Так занималась заря экспериментального изучения стволовых клеток в их естественных нишах и изолированных культурах.

Параллельно этому разворачивались исследования процессов перепрограммирования. Выше уже говорилось о перепрограммировании самой яйцеклетки и ядра соматической клетки, помещенного в ее цитоплазму. Сегодня мы знаем, что перепрограммирование может быть осуществлено путем добавления ядерного и цитоплазматического экстракта яйцеклеток, а также «первичных» Т-лимфоцитов человека.

Перепрограммированию способствует также добавление ростовых факторов – специальных белков, которые стимулируют рост и размножение клеток. О действии ростовых факторов ученые знают довольно давно, поэтому в культуры клеток обычно добавляют сыворотку телячьей крови, которая их содержит. Можно действовать более целенаправленно, например, культивировать клетки с «представителями» других тканей. Это приводит к смене клетками типа ткани. Так, если взять фибробласты кожи и добавить в культуральную среду экстракт предшественников (прекурсоров) нейрональных клеток, то фибробласты начинают синтезировать нехарактерный для них белок нервных волокон. Дело доходит даже до того, что у фибробластов появляются нервные отростки – дендриты.

Но все эти воздействия были ненаправленными. Преимуществом современного подхода является четко направленное воздействие, которое включает нужные гены, позволяя тем самым управлять развитием клеток. Уже относительно давно в ходе онкологических исследований был выделен так называемый ФИЛ – фактор подавления лейкемии. Этот белок, который является транскрипционным (активирующим транскрипцию) фактором, подавляет развитие мезодермальных, в частности мышечных, клеток и стимулирует начало нейрональной дифференцировки. Можно сказать, что он перепрограммирует стволовые клетки на путь развития нервных клеток.

ФИЛ, можно надеяться, позволит решить одну важную проблему клонирования. Дело в том, что эмбриональные стволовые клетки при всей своей плюрипотентности обладают одним неприятным свойством – они образуют тератомы, т. е. уродливые разрастания. В этом отношении гораздо лучше использовать стволовые клетки взрослого организма, тем более что ученые уже научились «расширять» пределы тканевой специфичности, т. е. получать потомство клеток одних тканей с характеристиками других тканей.

Но у взрослых свои проблемы, одной из которых является небольшой пролиферативный потенциал (клетки довольно быстро перестают делиться). Так вот добавление ФИЛа приводит к снятию этого ограничения: мезенхимальные стволовые клетки, выделенные из костного мозга взрослой мыши, претерпевали в культуре более 80 делений! По внешнему виду клетки точь-в-точь максимовские: диаметром 8–10 мкм, округлые, с большим сферическим ядром и тонким ободком цитоплазмы. Способность к делению подтверждается и сохранностью теломер. Напомним, что это концевые участки хромосом, которые имеют одноцепочную ДНК. При каждом делении 200–300 нуклеотидов этой ДНК «отрезаются», в результате чего длина теломер сокращается. По достижении определенного предела клетка теряет способность делиться и подвергается апоптозу.

Стволовые клетки после переноса их облученному животному восстанавливают гемопоэз, печеночный эпителий, а также клетки легких и кишечника. У них нет характерных для взрослых клеток иммунологических мембранных белков, запускающих в норме реакцию отторжения. Кроме того, в них высока активность теломеразы – фермента, который синтезирует теломерную ДНК. Средняя длина теломер составляет у клеток культуры 27 килобаз, т. е. тысяч «букв» ген-кода. Такая величина «устанавливается» после 40 клеточных делений и остается неизменной и после 102!

Для направления развития клеток костного мозга по пути нейронов ученые ввели в культуру так называемый «Нурр» – «нуклеарный (ядерный) рецептор», – представляющий собой транскрипционный фактор, специфичный для предшественников среднего мозга, «направляющимся» по пути развития допаминовых нейронов (гибель которых приводит к развитию паркинсонизма). Полученные таким образом допаминовые нейроны имеют те же электрофизиологические характеристики, что и нормальные. После пересадки таких нейронов крысе с моделью паркинсонизма у нее восстанавливаются нормальные движения лап.

В других экспериментах было показано, что процесс перепрограммирования состоит как минимум из пяти стадий. На первом этапе с помощью цитомегаловируса (естественно модифицированного, чтобы он не мог размножаться в клетках) был перенесен ген Нурр, в результате чего был простимулирован ген тирозин-гидроксилазы. Этот фермент добавляет группу –ОН к аминокислоте тирозину, в результате чего начинает вырабатываться допамин. Помимо этого Нурр «открыл» и ген тубулина – белка, из которого делаются тубулы, микротрубочки, без которых нельзя себе представить нервную клетку: по микротрубочкам, как известно, идет транспорт нейротрансмиттеров, например того же допамина, к синапсам, где они и выделяются.

На ранних этапах эмбриональные стволовые клетки могут превращаться и в инсулинсинтезирующие клетки. Тем самым открывается путь помощи миллионам диабетиков, которые так нуждаются в этом белковом гормоне (только в США этот диагноз ставят ежегодно 800 пациентов).

Можно на одной из стадий направить развитие стволовых клеток и по пути серотониновых нейронов. Серотонин также является одним из важнейших нейротрансмиттеров, недостаток его ведет к различным психическим расстройствам, начинающимся с депрессии. Интересно, что развитие нейронов зависит от действия ростового фактора фибробластов, т. е. клеток соединительной (мезодермальной) ткани. Этим лишний раз подтверждается факт «единства» происхождения нейро- и мезодермы. Добавление фактора роста фибробластов вызывает увеличение количества серотониновых нейронов в 2,5 раза. При этом уменьшается количество клеток с тирозингидроксилазой, т. е. допаминовых.

Если в клетки внести побольше копий гена Нурр, то доля допаминовых нейронов культуры возрастает с 5 до 50%. Если же на 4-й стадии добавить еще пару стимуляторов развития именно допаминовой «ветви», то число таких клеток возрастает почти до 80%.

Сейчас задача – постараться как можно быстрее перенести опыты с мышей на человека. Во многом эта проблема связана с самой техникой культивирования стволовых клеток: их «высаживают» на фидерные (питающие) мышиные клетки и добавляют плазму крови телят (сыворотку). Это потенциально опасно тем, что клетки человека можно заразить ретровирусами животных. Такие клетки не могут использоваться для лечения человека. Это позволяет проверить все продукты с помощью стандартных тестов на СПИД, герпес, гепатит и т.д.

Однако недавно запатентован метод, в котором в качестве фидерных клеток используются мышечные клетки человека, а для стимуляции роста добавляется сыворотка крови человека.

Пока же опыты в основном идут на животных. Для решения многих практических и теоретических проблем необходимо получение как можно более «чистого» в генетическом отношении материала.

Получение клона из В- и Т-лимфоцитов:
1 – удаление ядра из яйцеклетки; 2 – «внесение» диплоидного ядра лимфоцита; 3 – стадия бластоциста с эмбриональными стволовыми клетками; 4 – культура стволовых клеток и эмбрион из них; 5 – суррогатная мать и мышонок; 6 – взятие лимфоцита у обычной мыши

С целью получения моноклональной мыши была сделана попытка перенести в цитоплазму яйцеклетки соматическое ядро лимфоцита. Для этого были взяты ядра В- и Т-лимфоцитов из периферического лимфоузла. Напомним, что В-лимфоциты синтезируют в организме белковые защитные – «нейтрализующие» – антитела, а Т-лимфоциты защищают нас от рака, инфицированных вирусами и паразитами клеток, а также осуществляют реакцию отторжения.

Тут следует сделать одно теоретическое отступление. Дело в том, что в лимфоцитах постоянно происходят так называемые генные реаранжировки, или перестройки, «тасование» генных участков, отвечающих за синтез антител. Благодаря этому «тасованию» иммунные клетки получают возможность отвечать на разнообразие белков постоянно меняющихся болезнетворных агентов. В норме в обычных тканях вне иммунной системы такие аранжировки не происходят. Это позволяет хотя бы частично решить проблему перепрограммирования, которое во многом зависит от цитоплазмы яйцеклетки. Лимфоциты хорошо подходят для решения этой проблемы, поскольку все их потомство есть клон, сохраняющий одни и те же генные маркеры.

Были получены две линии мышей: одна из В-клетки, а вторая была потомком Т-лимфоцита. Надо отметить, что лимфоциты довольно плохо поддаются перепрограммированию. В-лимфоцитарные мыши имели реаранжировки гена иммуноглобулина во всех тканях и были жизнеспособны. А вот потомство Т-лимфоцита оказалось с жизнью «несовместимым» – эмбрионы гибли внутриутробно, а единственный родившийся оказался мертвым. Таким образом, попытка получить моноклональное потомство показало разный потенциал со стороны клеток, их способность или неспособность перепрограммироваться, а также наличие других проблем. Так что придется все же вернуться к стволовым клеткам костного мозга, о которых писал Максимов, хотя потенциал их и довольно ограничен, если речь идет об организме, а не о культуре, где можно вводить разные гены на разных стадиях дифференцировки.

В одном из экспериментов облученным мышам одной линии (с убитым костным мозгом) перенесли 2 тыс. костномозговых клеток другой линии. Последние несли генетический маркер, благодаря которому при действии одного из веществ окрашивались в синий цвет. Через 12 недель окрашивалось от 80 до 95% кровяных клеток реципиента. Через 4 месяца мышек забили. На срезах головного мозга нервных клеток, окрашивающихся в синий цвет, ученым увидеть так и не удалось. А те, что окрасились (менее 5 клеток), имели округлую форму и не несли никаких отростков. Таким образом, превращения клеток костного мозга в клетки головного мозга в организме не происходит.

Поскольку стволовые клетки сохраняются в организме в течение всей жизни, мы должны были бы жить дольше и при этом не болеть, так как стволовые клетки должны заменять умершие и заболевшие в наших органах. Однако этого, как все знают, нет.

Сейчас во многом внимание ученых сконцентрировано на теломерах, как главных регуляторах клеточного деления, без которого не бывает дифференцировки. При дефектах в теломерах вернее находящихся с ними в комплексе белков, возникает состояние ускоренного укорачивания их длины. Один из белков получил название Est, что является сокращенным английским выражением «постоянно укорачивающиеся теломеры» (Evershortening telomeres). Такое состояние быстро приводит к преждевременной смерти клеток.

Est стимулирует теломеразу, которая удлиняет ДНК теломер, задерживая тем самым достижение предела жизни клетки. Казалось бы, к чему все эти детали, если ученые уже научились управлять дифференцировкой стволовых клеток в культуре? Тут можно возразить.

Во-первых, стволовые клетки разных линий мышей по-разному сопротивляются повреждению ДНК, например ультрафиолетом. Скрещивание разных линий выявило в 11-й хромосоме локус «ремонта ДНК», который ответствен за «починку» молекулы жизни, если в ней образуются одно- и двуцепочные разрывы после облучения или действия свободных радикалов кислорода. Такой же локус есть и в 11-й хромосоме человека. Вполне возможно, что все это имеет отношение к теломерам, поскольку там тоже есть дву- и одноцепочная ДНК...

С точки зрения дифференцировки, как эмбриональные, так и взрослые стволовые клетки представляют собой поезд, который уже ушел. Гораздо проще было бы разобраться во многих вопросах клеточной биологии, если бы могли анализировать процессы с самого начала, а именно с гамет. Но культуры гамет до сих пор не было...

И вот два самых свежих сообщения. Прежде всего, удалось наладить дифференцировку в культуре сперматогониев – стволовых клеток семенников, из которых образуются спермии. Достигнуто это с помощью переноса в сперматогонии каталитической единицы теломеразы (это вторая причина, почему ученые так интересуются теломерами).

Сперматогонии выделяли у 6-дневного мышонка, после чего в них с помощью ретровируса вносился ген теломеразы. При этом были получены стволовые клетки – с большим округлым ядром и небольшим ободком цитоплазмы (опять Максимов!). И через год культивирования эти стволовые клетки имели «свежую» морфологию.

В них появляется РНК-связывающий белок, который характерен для стволовых клеток, а также транскрипционный фактор Oct, который необходим для развития плюрипотентных эмбриональных клеток. Известно, что у самцов Oct сохраняется до начала дифференцировки сперматогониев и начала сперматогенеза.

Похоже, что многие неудачи ученых, с которыми им приходилось сталкиваться до сих пор, связаны с... выделением яйцеклетки из фолликула! Дело в том, что она окружена тремя слоями питающих и защитных клеток, которые, в частности, накладывают на нее «арест», о котором говорилось выше. Ученые Коннектикутского университета решили выделить весь фолликул, после чего «зажали» его между двумя покровными стеклами. Размер фолликула 260–470 мкм, поэтому с ним удобнее и легче работать, нежели с «голой» яйцеклеткой.

Для того чтобы понять, что является причиной ареста, ученые ввели микропипеткой под мембрану ооцита моноклональные антитела против так называемой стимулирующей субъединицы Г-белка. Г-белки – это ферменты, добывающие энергию при расщеплении не АТФ, а гуанозинтрифосфата (ГТФ). Тратят эту энергию они на разные вещи, в том числе и на стимуляции мембранного фермента аденилатциклазы, которая из ATФ «делает» циклический аденозинмонофосфат (цАМФ).

Мембрана клетки с различными рецепторами, ионными каналами (Ca2+, Na+) и ферментами

Циклический AMФ является важнейшим регулятором процессов в цитоплазме, вызывая в том числе и арест жизненного цикла яйцеклетки. Введение моноклональных антител против Г-белка приводит к блоку аденилатциклазы и падению уровня цАМФ, в результате чего арест преодолевается, и клетка вступает в мейоз. Тем самым смоделировано действие лютеинизирующего гормона гипофиза, который то же самое делает каждый месяц с той или иной яйцеклеткой в яичниках. Так что вполне возможно, что скоро мы услышим и о культуре ооцитов, с помощью которой исследователям удастся разобраться в тех процессах, которые происходят на самых первых этапах развития (еще до оплодотворения).

И последнее. Удалось, по всей видимости, понять и причину других неудач, связанных с клонированном. Дело в том, что для начала клонирования и получения стволовых клеток необходимо «изъять» ядро ооцита из цитоплазмы и на его место ввести ядро диплоидной соматической клетки. При этом через разрыв мембраны яйцеклетки вытекает до трети цитоплазмы с ее питательными и регуляторными веществами и протеинами. Из-за этого клоны и оказываются нежизнеспособными.

Уже относительно давно было предложено «делить» цитоплазму ооцита на две половинки – содержащую ядро и без него. Последняя получила название «цитопласт». Теперь Габор Байта из Сельскохозяйственного института в Копенгагене предложил вообще не изымать ядро соматической клетки, а просто «сливать» ее с одним или двумя цитопластами. При этом не нужны дорогостоящие манипуляторы и высококвалифицированные специалисты – все может делаться буквально в полевых условиях студентами или лаборантами.

Метод уже опробовали австралийские ученые, которые с его помощью резко повысили «выход» клонированных телят: из 7 бластоцистов – «шариков» из эмбриональных клеток, – перенесенных в матки коров, шесть имплантировались в слизистой и привели к беременности, в результате которой родились бычки и телки. Напомним, что овечка Долли родилась в результате более чем 300 неудачных попыток.

По материалам журналов Nature и Science.