Генная терапия

Геном человека. Генная терапия.

Изучение генома человека предназначено для определения полного и всеобъемлющего набора генетических инструкций, находящихся в клетках человека, и чтения информации, записанной в нем на языке химических соединений молекулы ДНК. Усилия биологов, химиков, математиков, программистов и других представителей различных областей науки будут направлены на прокладку пути среди огромного количества молекул, того пути, который позволит понять и узнать, как формируются физические черты и состояние человека.

Генная терапия — фото

По разным данным, человек имеет от 30 000 до 100 000 генов. В последние годы все чаще указывается количество в 30 000. Каждый ген — это отдельная страничка многотомной инструкции по строительству здания под названием человеческий организм. Эти страницы, каждая из которых несет информацию о конкретной детали организма, плотно упакованы в виде нитей молекул ДПК — из них состоят хромосомы клеточного ядра каждой из нескольких триллионов клеток человеческого организма.

Набор наследственной, или генетической, информации каждого живого организма называется его геномом. Она записывается в молекуле ДНК с помощью чередования пар нуклеотидных оснований. Учеными подсчитано, что наследственная информация у человека записана на нитях молекулы ДНК приблизительно 3 миллиардами пар нуклеотидных оснований. Именно гены — участки молекул ДНК, на которых закодирована конкретная наследственная информация о том или ином свойстве, — определяют образование белковых соединений и посредством этого управляют функциями человеческого организма.

Достижения науки в различных областях исследований за последние десятилетия позволили ученым добиться значительных результатов в изучении наследственной информации, хранящейся в генах. Появились возможности конкретизировать, какая именно информация закодирована в определенном гене. Это дает возможности лучше понимать пути нашего эволюционного развития, причины и механизмы возникновения и развития различных болезней, создаст условия для их возможного предотвращения. Полученная информация позволяет понять закономерности развития человеческого организма, его роста, взросления и, что важно в кон тексте нашей темы, его старения и процессов, связанных с этим.

Усилия исследователей направлены на создание карты всех 23 пар хромосом человеческого организма и последующее выяснение последовательности всех пар нуклеотидов, составляющих молекулу ДНК каждой хромосомы.

Примечание

Имея эти данные, станет попятно, что происходит в молекуле ДНК, как и почему возникают изменения в них и как они отражаются на состоянии всего организма. Можно будет оценивать результаты изменений в генах, которые мы называем мутациями, происходящие под воздействие тех или иных факторов. Понимая суть этих процессов, появится возможность выработать механизмы корректировки этих изменений, производить «ремонт» в молекулах ДНК, устранять дефекты, которые могут привести к появлению болезней, старости или гибели клетки и всего организма!

Предполагается, что именно генные мутации являются первопричиной многих заболеваний, наиболее распространенных сегодня, таких как болезни сердца, сахарный диабет, нарушения иммунной системы и многих других, не говоря уже о врожденных пороках развития.

Кроме того, исследования генома человека позволят попять одну их величайших тайн жизни: как из одной оплодотворенной яйцеклетки формируется огромное количество клеток с весьма специфическими функциями, а также как, в какой момент и почему активируется тот или иной ген или их набор.

Совершим небольшой экскурс в историю изучения генов — это поможет получить представление о сложности пути, который пройден в этом направлении.

1859 год. Отправная точка в развитии генетики. Чарльз Дарвин публикует работу «Происхождение видов», коренным образом перевернувшую взгляды на происхождение человека. В ней косвенным образом затрагиваются механизмы наследования определенных признаков у живых организмов.

1866 год. Грегор Мендель публикует свою работу «Опыты над растительными гибридами», в которой он устанавливает основные законы наследования, выявленные им при проведении многочисленных опытов с горохом.

1869 год. Иоганн Фридрих Мишер при проведении химических опытов с клеточным ядром получил субстанцию, названную им «нуклеином», которая по сути являлась не чем иным, как ДНК.

1876 год. Френсис Гальтон (двоюродный брат Ч. Дарвина) предложил применять статистические методы в обработке данных, полученных при изучении теорий наследования различных признаков у живых организмов.

1882год. Немецкий анатом Вальтер Флемминг при изучении структуры клеток обнаруживает вещество, претерпевающее изменения при делении клеток, которое он называет «хроматин». В дальнейшем это вещество стало известно как хромосомы.

1888 год. Теодор Бовери высказывает предположение об участии хромосом в передаче наследственной информации.

1902 год. Независимо друг от друга, Теодор Бовери и Уолтер Саттон связали наследственные характеристики, которые несут в себе хромосомы, с законами Г. Менделя.

1904 год. Уильям Бэтсон высказывает предположение о связи генов и конкретных признаков у живых организмов.

1908      год. Британский ученый Арчибальд Гаррод выдвигает гипотезу о том, что именно изменения в генах являются причинами наследственных заболеваний.

1909      год. Датский биолог Вильгельм Иогансен формулирует основополагающее понятие гена как единицы наследственности.

1910      год. Томас Хант Морган формулирует хромосомную теорию наследственности, которая произвела революцию в биологии и позволила связать воедино генетику с теорией эволюции. За свои работы Т. Морган в 1933 году получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

1913 год. Американский генетик Альфред Генри Стертевант обосновал теорию линейного расположения генов в хромосомах и создал первую каргу гена.

1927 год. Герман Мюллер провел опыты, доказывающие возникновение мутаций живых организмов под воздействием рентгеновского излучения.

1944 год. Ряд исследователей, среди которых были Освальд Эйвери, Маклин Маккарти и Колин Маклеод, определили роль и значение структуры молекулы ДНК в передаче наследственной информации.

1950 год. Американский исследователь Эрвин Чаргафф установил, что у всех изученных им живых организмов молекулы ДНК имели одинаковые характеристики: количество пуринового основания (аденина) всегда соответствовало количеству пиримидинового основания (тимина), а количество второго пурина (гуанина) всегда было равно количеству второго пиримидинового основания — цитозина.

1953 год. Британские ученые Френсис Крик и Джеймс Уотсон установили, что именно молекула ДНК обладает химической структурой, полностью соответствующей уникальным требованиям вещества, кодирующего наследственную информацию. За свои работы ученые в 1962 году были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины.

1956 год. Артуру Корнбергу, американскому биохимику, удалось получить фермент ДНК-полимеразу, необходимый для синтеза молекулы ДНК.

1957 год. Френсис, Крик выдвигает утверждение о том, что участки молекулы ДНК — гены — контролируют процесс сборки белковых молекул, являющихся основой жизни, из аминокислот. Он высказал гипотезу о том, что последовательность из трех оснований в молекуле ДНК кодирует определенную аминокислоту.

1960 год. В результате усилий Сидни Бреннера, Френсиса Крика, Франсуа Жакооа и Жака Моно была открыта информационная РНК (рибонуклеиновая кислота), которая участвует в считывании наследственной информации, записанной на молекуле ДНК, и в выстраивании молекул белков. С. Бреннер удостоен Нобелевской премии но физиологии и медицине в 2002 году.

1961 год. Американский генетик Маршалл У. Ниренберг разрабатывает методы расшифровки генетического кода и его роли в синтезе белков. За свои исследования в 1968 году ученый получает Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.

1961 год. Жак Моно и Франсуа Жакоб разрабатывают теорию регулирования работы генов, их «включение» и «выключение». В 1965 году исследователи были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине.

1970 год. Американский микробиолог Хамилтон Отанел Смит совершил открытие фермента рестрикции — своеобразных «ножниц», с помощью которых можно изменять молекулу ДНК, вырезая из нее отдельные участки. Это открытие оказалось чрезвычайно важным для использования в генной инженерии. В 1978 году за свои работы исследователь получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

1972 год. Пол Берг впервые собрал молекулу ДНК, используя гены, взятые из разных организмов. Разработанные им технологии нашли широкое применение в генной инженерии. За исследования нуклеиновых кислот в 1980 году П. Берг получил Нобелевскую премию но химии.

1973 год. Герберту Бойеру и Стенли Коэну удалось впервые клонировать в живую клетку предварительно модифицированную ими молекулу ДНК. Технология но переносу генетического материала от одного вида живых организмов другому используется сегодня в медицине, фармакологии, промышленности и сельском хозяйстве.

1977 год. Уолтер Гилберт и Фредерик Сэнгер разрабатывают методы определения последовательности нуклеиновых оснований в молекуле ДНК. Эти методы позволили прочитать структурную последовательность отдельных генов, состоящих из нуклеотидов, число которых в одном гене колеблется от 1000 до 30 000 пар. За эти работы ученые удостоились Нобелевской премии по химии в 1980 году. Ф. Сэнгер получил Нобелевскую премию во второй раз (впервые в 1958 году за расшифровку молекулы инсулина).

1983 год. Кари Маллис открывает полимеразную ценную реакцию — технологию для быстрого производства молекул ДНК. В 1993 году ученый удостоен Нобелевской премии по химии за ряд открытий в изучении ДНК.

1986-1990 годы. Начало работ и координация международных усилий по составлению карты генома человека. Учитывая важность и большие объемы предстоящих исследований, принимаются шаги по объединению научных и материальных ресурсов, необходимых для решения этих задач. К исследованиям подключаются правительственные структуры разных стран. В 1990 году в США официально стартовал проект по изучению генома человека.

1991 год. Крейг Венгер публикует материалы по новому подходу к ускорению работ по определению структуры гена, используя специальные метки — метод автоматического секвенирования.

1995      год. Произведена полная расшифровка генома одного из видов бактерий.

1996      год. Расшифрован геном дрожжей.

1998год. Расшифрован геном С. Elegans — полупрозрачного червя длиной около 1 мм, живущего в почве. Впервые был расшифрован геном многоклеточного организма, состоящий приблизительно из 20 000 генов, длиной в 100 000 000 пар нуклеотидных оснований.

1998 2000 годы. Открыт геном плодовой мушки-дрозофилы, состоящий из 13 601 гена.

2000      год. Завершение основных работ но созданию генома человека.

2001      год. Опубликована последовательность генов человека. Определено их количество — около 30 000.

2002      год. Завершены работы по полной расшифровке генома мыши, при этом установлено некоторое сходство генов мыши и человека.

2010 год. Крейг Вентер сумел создать живой организм — бактерию микоплазмы. Ее геном состоит из более чем миллиона пар нуклеотидных оснований. Было собрано 1078 частей генома по 1080 пар оснований в каждом, соединенных затем в единую молекулярную цепь. Вновь созданная молекула была помешена внутрь другой бактерии, которая начала развиваться так, как было записано на новой цепочке ДНК. Фактически был создан новый живой организм!

Знание последовательности генетической информации, хранящейся в геноме человека, дает исследователям возможность «прочитать» инструкцию по «сборке» человеческого организма, позволит понять, как работают отдельные гены и как они взаимодействуют между собой. Полученные данные помогут выяснить генетические основы здоровья и болезни человека, развитие изменений, происходящих в нем в течение жизни, и понять механизмы старения и смерти. Эти знания, в свою очередь, позволят разработать высокоэффективные средства и методы диагностики различных заболеваний, создать более совершенные методы лечения различных патологических процессов и возрастных изменений как с применением новых лекарственных препаратов, так и методов генной терапии и инженерии.

Гены не работают самостоятельно, они участвуют в сложном взаимодействии, приводящем к формированию клеток, тканей и всего организма в целом. Определение этого взаимодействия, понимание его механизмов имеет основополагающее значение для понимания функционирования всей биологической системы в человеческом организме. Эта система чрезвычайно сложна, и наука еще не в состоянии охватить весь ее объем и грани. Поэтому исследователи решают задачи но изучению генома, двигаясь от простейших организмов к более сложным и высокоорганизованным, от бактерий и дрожжей — к мышам и далее к человеку.

Генетика пытается соотнести изменения в структуре ДНК с конкретными особенностями живого организма. В настоящее время наибольший прогресс достигнут для признаков, связанных с одним геном. В жизни все обстоит гораздо сложнее. Большинство особенностей организма, включая заболевания или реакцию на лекарственный препарат, имеют далеко не простой механизм проявления, состоящий как из генетических факторов (гены и их продукты — белки), так и не генетических (влияние окружающей среды). Именно учет всех этих моментов, их анализ и изучение помогут понять генетические основы жизни. Для этого понадобится изучить гены десятков тысяч больных определенными заболеваниями, выявить сходства и различия в них, чтобы понять роль и значение одного или нескольких генов, кодирующих возможную информацию о болезни, или роль изменений в них, могущих привести к возникновению заболеваний.

Молекула ДНК, на которой записана наследственная информация, — структура достаточно хрупкая. Соответственно, и гены подвергаются воздействию факторов окружающей среды. Именно в этом заключен механизм эволюции живой природы. На протяжении сотен миллионов лет методом проб и ошибок Природа выбирала именно те варианты последовательности нуклеотидов в молекуле ДПК, которые определяют сегодня облик всего живого.

В настоящий момент усилия исследователей направлены на выяснение места и роли отдельных генов или их групп в возникновении различных заболеваний. Относительно неизведанной областью геномики (направления в генетике, изучающего генетические наборы живых организмов) является исследование генетических факторов, отвечающих за здоровье организма. Рассмотрение и большее понимание этого аспекта биологии человека даст возможность выявить гены, кодирующие информацию, которая позволит поддерживать организм в здоровом состоянии, особенно в условиях воздействия повреждающих факторов внешней среды. Открытие генетических структур, ответственных за риск появления и развития болезней, за процессы старения живого организма позволит создавать индивидуальные для каждого человека программы их профилактики, включая изменения образа жизни, физических нагрузок, диеты, приема лекарственных препаратов для минимизации возможных проявлений болезни. Изучение генома человека позволит выявлять различные изменения в организме, включая болезни или старение, задолго до их клинического проявления, что при нынешнем уровне знаний в этой области не всегда возможно.

Старость — проблема, которая касается любого человека на планете, и каждый из нас пытается и мечтает найти «противоядие» от этих изменений в организме. Последние данные, полученные генетиками и биологами, позволяют предполагать, что изменения в организме, которые мы называем старением, связаны не только с накоплением повреждений в клетках, но и с генами человека. Предполагается, что возможно существование конкретных генов, отвечающих за процессы старения, или же возникновение сбоев в реализации генетических программ, заложенных в каждой живой клетке.

При исследовании генома мышей был выявлен ген, контролирующий рост и восстановление клеток. С возрастом его активность снижалась, соответственно снижались и регенеративные возможности организма, в клетках накапливались комплексы белков, которые со временем преобразовывались в жировую ткань или пигменты.

Сейчас установлено, что снижение активности некоторых генов может повлиять на продолжительность жизни организма, но пока не выявлены гены, кодирующие собственно процесс старения.

Исследования в этом направлении продолжаются. При опытах с круглыми червями-нематодами было выявлено несколько генов, которые активизируются только в «пожилом» для червя возрасте. Искусственное угнетение активности этих генов увеличило продолжительность жизни червей на 50 %.

В некоторых исследованиях в конце 90-х годов прошлого века было установлено повышенное содержание у пожилых людей белка. Белки, как известно, синтезируются в организме в соответствии с записанной генетической информацией. Три независимых исследования выяснили, что искусственное повышение активности одноименного гена приводит к усилению процессов старения в организме.

Не так давно группа французских исследователей обнаружила у больных прогерией ген, ответственный за развитие этого заболевания, что дает шансы предотвращения и лечения этой болезни, неизлечимой на сегодняшний день. Хотя это заболевание довольно редкое, оно никак не снижает важности сделанного открытия.

Это интересно

Подсчитано, что продолжительность жизни увеличивается на три месяца в каждом поколении. Хотя круглого червя и человека с большой натяжкой можно считать дальними родственниками, тем не менее у них обнаружено нечто общее. Так, эксперименты с червями дали возможность выявить в их геноме ген, который обозначили DAF-16. Исследователи установили, что этот ген чрезвычайно тесно связан с продолжительностью жизни, иммунитетом и устойчивостью к бактериям. Этот же ген (такую же комбинацию нуклеотидных оснований в молекуле ДНК) выявили у многих живых организмов и даже у человека. Полученные данные позволили ученым предположить, что этот ген может участвовать в механизмах старения и у человека. Высказываются также предположения, что вопросы старения у всех живых организмов, от дрожжей до плодовых мушек и человека, кодируют аналогичные по структуре гены. Выяснение механизмов их работы и взаимодействия представляет главный интерес исследований по увеличению продолжительности жизни.

В настоящее время определены более 50 генов, тем или иным образом участвующих в процессах старения. Выключения или изменения этих генов позволяют в значительной степени (от 30 до 50 %) продлевать жизнь лабораторных животных.

Коснемся вопросов генной терапии. Главная ее задача — лечение различных заболеваний, в том числе и воздействие на процессы старения в человеческом организме. В настоящее время определены два основных направления в генной терапии. Первое: овладение механизмами включения выключения активности конкретных генов с целью получения необходимых лечебных эффектов. Второе: замена дефектного или измененного участка молекулы ДНК для устранения последствий его деятельности.

Чаще всего сейчас исследователи используют метод дополнения генома нужным геном, который кодирует определенную информацию и заменяет собой проблемный ген. В качестве транспортного средства для доставки лечебных генов в нужную клетку используются генетически модифицированные вирусы. Клетка-мишень, «инфицированная» таким вирусом, начинает воспроизводить записанную на нем информацию и вырабатывать необходимые в терапевтических целях белки.

Для указанных целей используют следующие виды вирусов:

□ ретровирусы — класс вирусов, который может создавать двухцепочечные ДПК-копии своего генома;

□             аденовирусы — вирусы с двухцепочечной ДНК генома;

□             аденоассоциированные вирусы — мелкие одноцепочечные вирусы, которые могут вставить свой генетический материал в XIX хромосому человека;

□             вирусы простого герпеса, имеющие двухцепочечную ДНК, которые используются сегодня для доставки терапевтической ДНК в нервные клетки.

Существуют также невирусные методы по доставке генов в клетки живых организмов. Из невирусных механизмов применяется метод прямого введения лечебной ДНК в клетку-мишень, но он имеет ряд технологических ограничений. Другой невирусный способ — это создание липосом: искусственных сфер, в которых находится необходимый фрагмент ДНК. За счет схожести по составу с липидами клеточной оболочки липосомам удается проникать сквозь нее.

Существуют также химические методы поступления нужного фрагмента ДНК внутрь клетки. Взаимодействуя с рецепторами клеточных мембран, они присоединяются к ним, затем охватываются клеточной оболочкой и таким образом оказываются внутри клетки-мишени.

Кроме того, ученые пытаются создать и внедрить в клетку 47-ю хромосому — искусственную, которая не будет влиять на работу естественных хромосом, но будет содержать значительное количество генетического кода.

В процессе работ исследователи сталкиваются с достаточно большим количеством сложностей и проблем, например:

□             кратковременностью эффектов от лечебных манипуляций, что требует многократности их повторения для поддержания терапевтического эффекта;

□             иммунным ответом организма на вводимые в него чужеродные структуры (высок риск активизации иммунной системы и уничтожения введенного материала);

□             использованием вирусов, которые сами по себе, несмотря на предварительную подготовку, могут спровоцировать развитие воспалительного процесса;

□             частой потребностью в коррекции состояния сразу нескольких генов, так как многие болезни являются следствием проблем одновременно в нескольких генах (это создает технические трудности, поскольку становится сложно добиться успеха от лечения из-за необходимости одновременного воздействия на несколько генов). Подводя итог, следует отметить, что генная терапия пока еще остается экспериментальной дисциплиной. Отрабатываются технологии, продолжается изучение генома для его полной расшифровки, изучаются механизмы взаимодействия различных генов и их совместной роли в возникновении и развитии заболеваний, в изменении функционального состояния клеток, тканей и органов, развитии процессов старения и гибели живого организма. Эти направления представляются чрезвычайно интересными и перспективными для решения многих существующих проблем!