Ген-чипы и стволовые клетки

Всего 50 лет назад была установлена структура двойной спирали ДНК. Это было решающим шагом в установлении роли ДНК как вещества наследственности. Очевидную теперь идею долго не принимали, считая, что ген может быть только белковой природы. Разве количество комбинаций четырех букв генетического кода могло сравниться с количеством комбинаций, образуемых 20 аминокислотами?! Казалось невероятным, что простые арифметические закономерности Менделя могли объяснить сложную алгебру жизни.

В какой-то мере успехи 90-х гг. конца прошлого века вскружили ученым голову, следствием чего явился «моногенный» подход при объяснениях тех или иных событий в клетке. Отчасти это было оправданно, поскольку искусственное выключение того или иного гена всегда имеет вполне определенные последствия на клеточном или эмбриональном уровнях.

Но оказалось, что генетика клетки намного богаче. Выключение генов или их перенос (трансгения) в другой организм, приобретающий определенные свойства, дает неполную информацию о свойствах генов. Гораздо больше можно узнать, если определить генетический профиль клетки, т.е. установить, какие гены работают, а какие выключены.

С этой целью лет десять назад были разработаны ДНК-чипы. Они представляют собой обычные для современной электроники чипы, на поверхности которых нанесены тысячи генов (теперь некоторые чипы имеют до 25 тыс. генов). Метод изучения генетического профиля клетки идейно довольно прост.

Из исследуемой клетки выделяется иРНК, наличие которой свидетельствует об активности (экспрессии) гена. С помощью обратной транскриптазы по иРНК делается копия ДНК (сДНК). Эти молекулы ДНК окрашиваются флуоресцентными красителями и наносятся на чип. В результате их гибридизации с генами на чипе образуются окрашенные комплексы, расположение которых легко определить. Затем данные генетического профилирования обрабатываются на компьютере.

Н.Иванова (Принстон, США), используя ДНК-чипы с 12 тыс. генов, сравнила генетические профили трех популяций стволовых клеток: эмбриональных, костного мозга (гемопоэтических) и нервных. Оказалось, что во всех случаях экспрессировано примерно по 2,5 тыс. генов и 216 генов являются общими для трех популяций. Это гены, обеспечивающие прохождение межклеточных и внутриклеточных сигналов: рецепторов тромбина, гормона роста, интегринов (белков, обеспечивающих прилипание клеток к твердому субстрату), а также регуляцию транскрипции, починки и повреждений ДНК, синтеза белка на рибосомах и фолдинг его молекул (формирование третичной структуры) с помощью специальных белков-шаперонов.

Особенно удивило ученых то, что в стволовых клетках активированы гены «борьбы» с токсическим стрессом. Оказалось, что стволовые клетки вовсе не покоятся, как до сих пор думали, а находятся в состоянии клеточного стресса – токсического, окислительного и т.д. Это, в общем-то, понятно, если учесть, что стволовые клетки находятся или в состоянии длительной готовности, или подготовки к делению, а это стрессовая ситуация для клетки.

Еще один повод для удивления дал анализ генетических профилей нервных и гемопоэтических стволовых клеток: несмотря на морфологическое сходство, нервные стволовые клетки по генетической активности оказались гораздо ближе к эмбриональным, чем гемопоэтические.

После открытия тотипотентности некоторых стволовых клеток появилась надежда использовать клетки костного мозга для лечения людей с тяжелыми заболеваниями нервной системы. Однако затем было установлено, что при переносе в живой организм такие клетки не формируют «нервные элементы». Теперь такое поведение стволовых клеток становится понятным.

По материалам:

Science, 2002, № 5585, 5590, 5593.