Праматерь всех клеток

Все великое многообразие многоклеточных существ имеет весьма скромное начало - оплодотворенную клетку (зиготу). Но у зиготы и во взрослом организме есть "двойник" - так называемая эмбриональная стволовая клетка. Она не только "хранит" информацию обо всем организме, но и "знает", как ею воспользоваться, чтобы размножиться в миллиарды клеток растущего живого существа. Никакие другие клетки "не умеют" этого делать. Эмбриональные стволовые клетки человека впервые были выделены в 1998 году, а уже в 1999-м журнал "Science" ("Наука") признал выделение эмбриональных стволовых клеток человека третьим по важности событием в биологии ХХ века после открытия двойной спирали ДНК и расшифровки генома человека. Что стоит за этим? В чем важность получения эмбриональной стволовой клетки?

Клетки "без имени-отчества"

Миллионы людей до нас и миллионы после нас задумывались и будут задумываться над простым вопросом: как вся информация о живом организме может "упаковаться" в одну микроскопическую живую капельку, а затем разнестись по миллионам самых разных клеток? Еще 20 лет назад все рассуждения на эту тему не имели никакого экспериментального обоснования: в руках у исследователей не было той самой клетки-"праматери", клетки - предшественницы всех клеток организма, так называемой эмбриональной стволовой клетки. Правда, у растений рост зародыша из неполовых клеток-предшественников хорошо известен. Так, из кусочка зародышевой ткани моркови или женьшеня можно вырастить полноценное растение с половыми клетками.

Впервые во внутриутробном развитии человека эмбриональные стволовые клетки появляются на 5-7-й день после оплодотворения. Они образуют комочек внутри бластоциста - шарика, состоящего из 140 клеток.

Только в 1981 году американскому ученому Мартину Эвансу впервые удалось выделить животную стволовую эмбриональную клетку из зародыша мыши. Все последующие годы усилия ученых были направлены на получение эмбриональной стволовой клетки из человеческого зародыша. И в 1998 году удача улыбнулась американским исследователям Джеймсу Томпсону и Джону Беккеру. Сейчас каждый из них имеет в своей лаборатории до 10 бессмертных саморазмножающихся клеточных линий человеческих эмбриональных стволовых клеток.

В нашей стране одним из признанных лидеров исследований в области эмбриональных стволовых клеток является профессор В. Репин. Данная статья представляет собой запись его доклада, сделанного в мае этого года на заседании президиума Российской академии медицинских наук.

Самое главное свойство эмбриональной стволовой клетки состоит в том, что генетическая информация, заключенная в ее ядре, находится как бы в "нулевой точке" отсчета. Дело в том, что все неполовые клетки живых организмов (соматические клетки) специализированы, то есть выполняют какие-либо функции: клетки костной ткани формируют скелет, клетки крови отвечают за иммунитет и разносят кислород, нервные клетки проводят электрический импульс и так далее. А эмбриональная стволовая клетка еще не "включила" механизмы, определяющие ее специализацию. В "нулевой точке" ее геном еще не "запустил" ни одной программы и, что особенно важно, не начал выполнять программу размножения и формирования многоклеточного зародыша. Таких "нулевых" клеток в зародыше очень мало - всего сотые доли процента, вот почему исследователям так трудно было получить их в "чистом виде".

Эмбриональные стволовые клетки не работают в автоматическом режиме, как, например, тромбоциты или лимфоциты, они могут принять любую программу и превратиться в один из 150 возможных типов зародышевых клеток. Эмбриональная клетка лишь ждет специального "сигнала", чтобы начать одно из своих превращений. Это означает, что она не имеет никаких функций, кроме переноса мРНК в следующее клеточное поколение. Все клетки имеют, а она - нет. Эмбриональная клетка - кассета с информацией, клетка-аноним, клетка "без имени-отчества".

Еще один важный момент. Из эмбриональных стволовых клеток формируются островки в различных органах и тканях. По сути, наши органы являются смесью взрослых специализированных клеток с вкраплениями зародышевой ткани в виде эмбриональных стволовых клеток. Эти клетки растут, рождаются и умирают. И лишь их "праматерь" бессмертна. Сейчас уже научились выделять из головного мозга зародышей не просто отдельные эмбриональные стволовые клетки, а зародышевую ткань, из которой, как из куска глины, природа "лепит" все живое. При хранении зародыша в холодильнике при +4оС через 4-5 часов все клетки погибают, остаются лишь эмбриональные стволовые клетки-предшественники.

Эмбриональная стволовая клетка расскажет ученым о том, как "работают" гены

Томпсон и Беккер сделали для биологической науки ХХI века то же самое, что Уотсон и Крик для молекулярной биологии ХХ века. Уотсон и Крик нашли научный плацдарм для работы в области генетики, а Томпсон и Беккер - в области функциональной геномики. И действительно, их авторитет и количество публикаций по изучению эмбриональной стволовой клетки растут лавинообразно, несмотря на то, что они опубликовали всего лишь по одной работе в международных научных журналах "Science" и "Proceedings of National Academy of Sciences USA" (Труды американской национальной Академии наук) в 1998 году, а уже в 1999 году журнал "Science" признал выделение эмбриональных стволовых клеток человека третьим по важности событием в биологии ХХ века.

С открытием в 1953 году Уотсоном и Криком двойной спирали ДНК ученые поняли, где в живой клетке хранится и как передается наследственная информация. Уотсон и Крик помогли понять, как законы наследственности "работают" в масштабе одной клетки. В 2001 году ученые полностью расшифровали молекулярную структуру ДНК человека, но не поняли, как "работают" составляющие ее гены. И вот эмбриональная стволовая клетка оказалась прекрасной моделью для понимания того, как 5000 генов эмбриогенеза тиражируют генетическую информацию, чтобы из одной клетки вырос человеческий организм, состоящий из 1014 клеток.

Вся "работа" генома контролируется определенным набором генов, которые сначала формируют "костяк" клетки, потом ее внутреннюю структуру (органеллы) и, наконец, целиком клетку с полным набором генов. Говоря языком компьютерщиков, устройство клетки - это hardware - аппаратное обеспечение компьютера. И в последний момент в клетку "встраивается" software - генетическая программа, определяющая ее специализацию, ее место в организме. Проще говоря, это инструкция к тому, будет ли данная клетка, к примеру, частью соединительной ткани или она станет элементом крови.

Схема получения "запчастей" из эмбриональных стволовых клеток. После оплодотворения яйцеклетка начинает делиться и дает сначала 2, потом 4, а затем и 140 клеток, образующих шарик-бластоцист. Его наружную оболочку разрушают вручную (микроманипулятором) или ферментами, получая стволовые клетки. Содержа в культуре, их можно размножать и вызывать превращение в специализированные клетки организма - нервные, мышечные, печеночные, кожные и т. д., которые затем пересаживают больному взамен таких же отмерших или заболевших его собственных клеток.

Итак, все клетки одного организма имеют одинаковый набор генов, но у каждого из нас есть по меньшей мере 350 типов клеток, "работающих" по различным генетическим программам.

Перед одной-единственной клеткой стоит задача превратиться в организм, состоящий из миллиардов клеток. Для этого в ней имеются 5000 так называемых генов эмбриогенеза, регулирующих этот процесс на начальной стадии развития зародыша. Сначала оплодотворенная яйцеклетка размножается, превращаясь в клетки, которым не суждено стать зачатками будущих органов или тканей, они просто переносчики генетической информации в виде молекул РНК.

И только когда накопится уже достаточное количество информации, в работу включаются гены, ответственные за специализацию, после чего начинают формироваться семейства различных стволовых клеток и происходит сегментация зародыша (структурно выделяются участки будущих органов). Причем количество клеток в том или ином сегменте (будущем органе) генетически запрограммировано, а значит - конечно. Поэтому ученым при выращивании семейства эмбриональных стволовых клеток чрезвычайно важно брать клетку-"праматерь" на стадии, когда еще "молчат" гены сегментации. Томпсону и Беккеру это удалось, и потому они на сегодняшний день имеют практически неограниченное количество бессмертных эмбриональных стволовых клеток.