На первый взгляд этот вопрос кажется абсурдным. До 1990-х годов ни один из известных мне эмбриологов не воспринимал эмбриологию в качестве “улицы с двусторонним движением”. Пойдешь вперед – станешь человеком, со всеми причитающимися зрелыми клетками: нейронами, клетками крови и клетками печени. Пойдешь назад – возьмешь зрелые клетки (нейроны, клетки крови и клетки печени) и превратишь их в эмбриональные стволовые клетки. “Это казалось полным сумасшествием”, – сказал мне один исследователь.
Но одно наблюдение подкрепляло фантазию о “двустороннем движении”, по крайней мере среди небольшой группы эмбриологов. Последовательность ДНК в клетках (геном) одна и та же почти во всех клетках нашего тела[144], а особенности клеток, скажем, сердца или кожи определяются тем, “включены” или “выключены” в них те или иные подгруппы генов. Что будет, если мы изменим эту картину и “включим” и “выключим” гены в клетках кожи так, как они “включены” и “выключены” в стволовых клетках? Станет ли в результате клетка кожи стволовой, способной производить клетки не только кожи, но также и костей, хрящей, сердца, мышц и мозга – любые клетки тела? И что останавливает клетку кожи от такого превращения?
В 2006 году клеточный биолог Синъя Яманака из Киото взял из кончика мышиного хвоста фибробласты (обыкновенные веретеновидные клетки, которые встречаются в разных вариантах во всем теле) и ввел в них четыре гена36. Яманака выбрал эти гены неслучайно: он многие годы изучал гены Oct3/4, Sox2, c-Myc и Klf4 и выбрал их из-за уникальной способности “перепрограммировать” свойства взрослых клеток так, что те становятся похожими на стволовые. В конце 1990-х годов он начал работать с двадцатью четырьмя генами, сопоставляя их эффекты в разных сочетаниях, комбинируя их и добавляя другие, пока не выбрал эти четыре. Каждый из них кодирует важный регуляторный белок – молекулярный переключатель, включающий и выключающий десятки других генов. Как установил Яманака, все они играют ключевую роль в поддержании человеческих и мышиных ЭСК в состоянии стволовых клеток. Что будет, если взять не стволовую клетку, а какой-нибудь зрелый фибробласт и намеренно заставить его экспрессировать эти четыре регуляторных гена, обеспечивающих идентичность стволовых клеток?
В один прекрасный день молодой исследователь Кацутоси Такахаси из лаборатории Яманаки разглядывал под микроскопом фибробласты, в которых пытался добиться экспрессии четырех важных генов. “У нас есть колонии!” – закричал он37. Яманаки кинулся к нему. Действительно, колонии. Прозаического вида веретеновидные клетки изменили морфологию и превратились в блестящие шарообразные кластеры. Впоследствии Яманака установил, что в их ДНК произошли химические превращения и изменились белки, упаковывающие ДНК в хромосомы. Изменился даже метаболизм. Фибробласты превратились в стволовые клетки. И подобно ЭСК они обновляли сами себя в клеточной культуре. После инъекции в тело мыши с подавленным иммунитетом они формировали человеческие клетки многих видов – клетки костей, хрящей, кожи и нейроны. И все эти клетки происходили из фибробласта кожи – полностью дифференцированной клетки, не имеющей никакой другой функции, кроме как служить опорой и поддерживать целостность кожной ткани или заживлять раны38.
Этот результат стал для биологов полным шоком – настоящим землетрясением Лома-Приета, сотрясшим тектонические плиты мира стволовых клеток. Помню, как один из старших биохимиков с нашего факультета вернулся взволнованным и недоверчивым после семинара в Торонто, где Яманака представлял свои данные. “Я просто не могу в это поверить, – рассказывал он мне после возвращения. – Но результаты воспроизводятся вновь и вновь. Это должно быть правдой”. Яманака превратил фибробласты в стволовые клетки. Превращение, которое казалось биологически невозможным. Как будто он взял и – хоп! – обратил вспять биологические часы. Он превратил полностью выросшее существо не просто в ребенка, но в эмбрион.
В 2007 году Яманака с помощью этого метода превратил фибробласты уже человеческой кожи в клетки, напоминающие ЭСК39. Через год Томсон, известный исследованиями в области человеческих стволовых клеток, заменил два других гена на с-Мус и Klf4 и тоже превратил человеческие фибробласты в эмбриональные стволовые клетки (осуществить экспрессию с-Мус в клетках ЭСК представлялось особенно сложным по той причине, что этот ген может вызывать рак, и биологи опасались, что эти клетки могут стать раковыми). Такие клетки были названы индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК): “индуцированными” потому, что с помощью генетических манипуляций зрелые фибробласты были изменены и превратились в плюрипотентные клетки.
После открытия Яманаки, за которое в 2012 году он был удостоен Нобелевской премии, сотни лабораторий мира начали работать с ИПСК. Притягательность этой технологии состоит в следующем: вы берете свою собственную клетку – фибробласт кожи или клетку крови – и заставляете ее ползти назад во времени и превращаться в ИПСК. А из ИПСК можно сделать любую клетку, какую вы только захотите, – клетку хрящевой ткани, нейрон, Т-клетку, бета-клетку поджелудочной железы – и все они по-прежнему будут вашими. Нет проблемы гистосовместимости. Не нужно подавлять иммунитет. Нет оснований беспокоиться о том, что “гость” обернется против “хозяина”. Теоретически этот процесс можно повторять бесконечно: превращать ИПСК в бета-клетки, потом обратно в ИПСК, потом обратно в бета-клетки (честно говоря, пока никто не пробовал это делать). Эта рекур-сивность порождает дополнительные фантазии о создании нового человека, у которого можно восстанавливать и восстанавливать до бесконечности любые выродившиеся органы или ткани.
Я иногда вспоминаю древнегреческую притчу о корабле Тесея. Корабль сделан из множества досок. Со временем доски начинают гнить, и их заменяют новыми, пока не заменят все. Изменился ли в результате корабль? Он другой или тот же самый?
Сегодня эти размышления кажутся метафизическими. Но вскоре они могут стать реальностью. И по мере того, как мы пытаемся создавать новые части человека из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (многие ученые это уже делали) и потом новые части из этих частей, я вновь думаю об улитке Озик. Она защищена от истирания и исчезновения, но оставляет за собой след метафизических вопросов, продвигаясь в неизвестное непонятное царство. В конечном итоге все стирается и заменяется новым. Та же это улитка или уже другая?
Восстанавливающие клетки. Повреждения, распад и постоянство
Нежность и порча —
Соседние страны.
И порча – такой агрессивный сосед,
Чей блеск
Захватывает1.
Кей Райан, 2007
Молодой исследователь из Австралии Дэн Уортли оказался в моей лаборатории, переплыв через несколько океанов – как физических, так и метафизических. Он учился на гастроэнтеролога (об этом направлении я знаю очень мало) и попал в Колумбийский университет в Нью-Йорке, чтобы работать с профессором Тимом Вонгом (моим давним другом и коллегой) над проблемой рака прямой и толстой кишки и регенерации клеток толстой кишки.
Теперь стандартные методики генной инженерии позволяют изменить конкретный мышиный ген таким образом, чтобы пометить кодируемый им белок флуоресцентным маркером. Такой белок становится сверкающим маячком и легко обнаруживается в клетках, если он там есть, с помощью микроскопа. Представьте себе, что вы проделали это с генами циклинов, которые контролируют клеточный цикл: вы увидите, что клетки начинают светиться по мере того, как синтезируется конкретный циклин, а потом свечение исчезает, когда белок расщепляется. Если применить тот же подход для мечения актина, из которого сформирован клеточный скелет, почти вся мышь засверкает. Т-клеточный рецептор будет светиться только на Т-клетках. Инсулин – в клетках поджелудочной железы. Кстати, эти светящиеся белковые маркеры исходно принадлежали медузам, так что в генетическом плане эти маленькие кусочки мыши происходят от существа, покачивающегося и пульсирующего в глубинах океана.
Уортли произвел генетические манипуляции в соответствии с данной методикой и создал ген, названный Gremlin-1. Если в клетке синтезируется его продукт, белок Gremlin-i, клетка светится, и это видно под микроскопом. Исходя из результатов предыдущих исследований, Дэн надеялся, что белок будет светиться в клетках толстой кишки. И он действительно обнаружил его в клетках определенного типа. Однако, обладая природной любознательностью в сочетании с педантичностью, он решил поискать помеченные белком клетки и в других тканях. И обнаружил их в нескольких местах, в том числе в костях. С этого и началось наше сотрудничество.
Если бы кто-нибудь составил каталог малоизученных, но при этом жизненно важных клеток или, скажем, расположил органы по порядку в зависимости от соотношения “реальной значимости” и “научного пренебрежения”, одними из первых в обоих списках оказались бы кости. Средневековые анатомы считали кости матрицей для кожи или крепежом для внутренностей (хотя Везалий, вопреки этой тенденции, тщательно зарисовывал скелет, и некоторые его гравюры отражают детали строения различных костей). В Главном госпитале Массачусетса, где я работал в начале 2000-х годов, сотрудники ортопедического отделения с усмешкой называли себя “твердолобыми”[145]. И все помнят трагикомичный монолог “Твердолобого Билла” из военного стихотворения Роберта Сервиса о солдате, который обучен калечить и убивать, не рассуждая: “Мое дело – рисковать жизнью и ногами, / но правильно это или нет?”2
Однако выясняется, что скелет – одна из самых сложных клеточных систем организма. Кости растут до определенного момента, словно зная, когда нужно остановиться. Они непрерывно восстанавливают себя на протяжении всей жизни и сами залечивают повреждения. Они чувствительны к гормональным сигналам и даже синтезируют собственные гормоны