Что там – блоху подковать…

Вернемся, однако, к тем моторам, которые осуществляют в клетке доставку грузов. Они получают нужную им для шагания энергию от особых клеточных «батареек». Это молекулы, именуемые АТФ, которые имеют структуру химических пружинок: для их образования нужно затратить энергию, как для скручивания пружины, поэтому, когда они развертываются, эта вложенная в них энергия высвобождается и переходит к тому, кто понуждает их развертываться. Механизм шагания этих комплексов по белковым волокнам внутреннего скелета очень интересен, но не о нем сейчас разговор, потому что сейчас интереснее, как же этот механизм воспроизвели ученые. Ведь все эти комплексы и волокна – необыкновенно маленькие объекты. Средняя по величине животная клетка имеет диаметр около 100 микрометров (раньше микрометр называли микроном), то есть одну тысячную миллиметра. В этой цифре укладывается 100 тысяч нанометров (или миллимикронов). А между тем размер среднего белкового комплекса исчисляется как раз нанометрами. Как же можно искусственно создать такую крошечку?

Из статьи, опубликованной авторами в журнале Nature Nanotechnology, мы узнаем, что вместо белкового волокна, по которому шагают природные молекулярные моторы, ученые использовали нанотрубку из углерода. Такие трубки (диаметром около 1 нанометра и длиной в миллионы раз больше, то есть несколько сантиметров) ныне производятся в больших количествах путем распыления углерода многими разными физическими и химическими методами. А вместо белкового комплекса они использовали кусочки природной ДНК, то есть той биомолекулы, на которой четырьмя видами химических «букв» записаны все наши гены. Но в данном случае ученых интересовали не гены, а тот факт, что молекула ДНК состоит из двух свернутых двойной спиралью цепей, которые способны расплетаться и заново сплетаться с себе подобными цепями.

Исследователи соорудили (химическим путем, в пробирке) кусочки ДНК с небольшой молекулой фермента. Соединили таким образом, чтобы фермент играл роль центрального ядра, к которому сверху и снизу прикреплены два кусочка ДНК. При этом конец одной из двух цепей верхнего кусочка ДНК так же химически был соединен с грузом, роль которого играл крохотный кристаллик сернистого кадмия около 4 нанометров в диаметре. Этот материал был выбран в качестве груза по той причине, что он светится при попадании на него видимого света, и потому за его движением легко следить. Сама же нанотрубка светится, если осветить ее инфракрасным светом, поэтому, делая фотоснимки при одном и другом освещении, можно было увидеть, как движется искусственный мотор со своим светящимся грузом по светящейся трубке.

Но как же он все-таки движется? Что, просто посадили эту конструкцию на трубку, и она сама собой по ней поползла? Нет, разумеется. Весь фокус был в ферменте. Напомню, что ферментом называется белок, который способен ускорять или инициировать определенную биохимическую реакцию. В данном случае ядром конструкции служил фермент, который был способен расщеплять (разрезать, как ножницами) одну из цепей ДНК. Когда это происходило, верхний кусочек двойной спирали расплетался и отрезанная цепь отпадала. Получив за счет этого энергию, вторая цепь кусочка перемещалась вперед по трубке. А надо сказать, что исследователи заранее расположили на равных расстояниях (шагах) вдоль этой трубки кусочки молекулы РНК, похожей на ДНК, но только одноцепочечной. Переместившись чуть вперед, вторая цепь верхнего кусочка ДНК оказывалась рядом с кусочком РНК на трубке и связывалась с ним, снова образуя наверху, над ядром, кусочек из двух цепей, то есть тот же кусочек ДНК, что был там прежде. За счет этого связывания выделялась некоторая энергия, благодаря которой к этому месту подтягивался и тот кусочек ДНК, который остался ниже ядра всей конструкции. Иными словами, теперь вся конструкция делала шаг вперед по трубке. А затем весь процесс повторялся: как только рядом с ферментом оказывалась новая цепь, он ее разрезал, верхний кусочек ДНК превращался в одиночную цепь, перемещался вперед за счет полученной при разрезании энергии, связывался с цепью РНК, находящейся на шаг дальше по трубке, подтягивал к себе нижнюю часть конструкции - и так далее, и так далее.

Такое вот очередное чудо биоинженерии. Интересно сравнить его с инженерией матушки-природы. Как уже говорилось, природные молекулярные моторы тоже движутся шажками. При этом каждый шаг природных моторов составляет около 8 нанометров, и они способны проделать свыше сотни таких шагов, проходя за это время расстояние до 1 микрометра. Так вот, искусственный мотор американских ученых прошагал целых 3 микрометра, двигаясь со скоростью 1 нанометр в минуту. Но что еще более важно отметить: скорость его движения можно было регулировать! Меняя температуру и кислотность среды, в которой находилась трубка с мотором на ней, исследователи могли также совсем останавливать мотор и снова побуждать его двигаться. Иными словами, искусственным мотором, в отличие от природного, можно управлять, а это может оказаться очень важным в будущих практических приложениях.

Вот так-то. И мы не хуже многих…

Рафаил Нудельман
"Окна", 26.07.2014

*********************************

Дерзкие замыслы

Синдром Дауна вызывается наличием лишней хромосомы (или лишней молекулы ДНК) в клетках ребенка. В нормальной клетке должно быть 23 пары хромосом (в каждой паре свои гены), то есть всего 46, а в клетке Дауна их 47. Лишней в данном случае является хромосома под номером 21. Поскольку гены содержат инструкции для производства тех или иных белков, наличие в клетке лишней хромосомы вызывает появление лишних белков, характерных для 21-й хромосомы. Это приводит к длинному ряду нарушений нормального развития - анатомических, физиологических, умственных, которые объединяются врачами под названием «синдром Дауна».

В числе таких нарушений есть и очень тяжелые, и потому многие дети умирают рано - прежде всего от лейкозов, а также от порока сердца, иммунной недостаточности. Но некоторая часть больных, особенно те, у кого трисомия имеет специфические формы (транслокальная или мозаичная) и признаки болезни поэтому менее выражены, доживает до зрелого возраста. Но и этих немногих пожилых даунов подстерегает опасность, поскольку на 21-й хромосоме есть среди прочих также ген, связанный с образованием амилоидных бляшек на нейронах, и в результате наличие лишней копии этой хромосомы ведет к тому, что почти у 75% даунов, достигших 40-летнего возраста, образуются такие бляшки, а это способствует раннему появлению у них слабоумия или болезни Альцгеймера.

В общем, судьба людей, родившихся с синдромом Дауна, весьма печальна: либо идиотия с детства (этот синдром раньше так и назывался - «монголоидная идиотия»), либо идиотия уже в сорок лет. Поэтому проблема хоть какой-то помощи таким людям стоит очень остро. Помочь им могло бы, разумеется, прежде всего эффективное лечение, но можно ли лечить болезнь Дауна?

До последнего времени это считалось невозможным, поскольку трисомия гнездится в каждой клетке их тела. Более того, эта лишняя хромосома появляется уже в самой первой, зародышевой клетке, потому что лишняя хромосома приходит в эту клетку вместе с испорченным отцовским сперматозоидом или с испорченной материнской яйцеклеткой. В самые последние годы, однако, на горизонте медицины замаячили дерзкие замыслы. Первыми возникли планы борьбы с когнитивными проявлениями болезни – с умственной отсталостью, слабой обучаемостью, причем борьбы фармакологической, с помощью химических препаратов. Одним из пионеров этого направления экспериментальной медицины был американский специалист Скотко, руководитель соответствующего отделения в главной больнице Бостона. В начале 2014 года его группа в сотрудничестве с аналогичными исследовательскими группами в других странах приступила к первой в истории клинической проверке сразу двух веществ, которые, как надеются экспериментаторы, помогут ослабить некоторые из проявлений синдрома Дауна в мозгу.

Одно из этих веществ - ELND005, или сцилло-инозитол, представляет собой один из видов альдитов, многоатомных спиртов, получаемых при разложении тех или иных сахаров (сюда относится, например, всем известный сорбит). Данные некоторых исследований указывают, что это вещество способствует разрушению амилоидных бляшек в мозгу. Дальнейшее изучение, проведенное фармацевтической фирмой «Элан», показало, что сцилло-инозитол производит это воздействие благодаря тому, что понижает уровень некого белка, участвующего в образовании этих бляшек. У людей с синдромом Дауна уровень этого белка в мозгу аномально высок – видимо, как раз из-за лишней хромосомы. Это обстоятельство и породило надежды, что сцилло-инозитол (ELND005) может оказаться особенно эффективным именно для них. Разумеется, устранить все те аномалии мозга, которые вызывает эта хромосома, никакое вещество не может, но врачи рассчитывают, что, снизив уровень амилоидных бляшек, которые мешают нормальной работе нейронов и их коммуникации, сцилло-инозитол несколько улучшит когнитивные способности больных и отодвинет угрозу слабоумия и болезни Альцгеймера, которая, как уже сказано, нависает над ними намного раньше, чем над обычными людьми. Начатая сейчас клиническая проверка как раз и сосредоточена на выявлении меры эффективности ELND005 в улучшении речи, памяти и способности к обучению у больных детей. Проверка финансируется фирмой «Элан», и для нее уже отобраны несколько десятков детей. (Замечу в скобках, что сам отбор пациентов в случае болезни Дауна имеет специфические сложности, потому что, как и во всякой клинической проверке, нужно получить от пациента согласие на участие в эксперименте, что в данном случае весьма затруднительно.)

Вторую клиническую проверку организовала ведущая фармацевтическая компания Хоффман-Ла Рош (это ее ученые разработали в свое время такие препараты, как валиум и тамифлю). В этом эксперименте будет испытываться вещество под кодовым названием RG1662, которое должно ослабить тормозящие механизмы в мозгу. Дело в том, что некоторые нервные сигналы в мозгу, идущие от нейрона к нейрону, призваны возбуждать активность тех нейронов, к которым они приходят, тогда как некоторые другие сигналы призваны эту активность, напротив, подавлять, и нормальная работа мозга требует определенного согласования возбуждающего и тормозящего механизма. Оно и понятно: чрезмерное возбуждение грозит в самом мягком случае гиперактивностью, тогда как чрезмерное торможение, по мнению некоторых специалистов, может стать причиной тех мозговых особенностей, которые характерны для синдрома Дауна.

Это последнее предположение родилось сравнительно недавно, в результате исследований ученых из стэнфордской лаборатории Уильяма Мобли, ведущего американского специалиста по синдрому Дауна. Изучая мышиную модель этого синдрома (то есть мышей с одной лишней хромосомой, которая у этих животных соответствует человеческой 21-й хромосоме), эти исследователи уже несколько лет назад обнаружили, что нейроны таких мышей имеют аномально много рецепторов («посадочных мест») для маленькой молекулы GABA, которая является главным переносчиком сигналов торможения в мозгу. В то же время группа исследователей из Калифорнийского университета, работая на тех же моделях, нашла, что наличие лишней хромосомы у таких мышей приводит к аномальной работе тех микроскопических канальцев в оболочке нейрона, по которым в него поступают извне ионы калия. И то и другое сопровождается ухудшением памяти и обучаемости у таких мышей. Исследования показали также, что химические вещества, блокирующие эти рецепторы и канальцы, заметно улучшают память и обучаемость больных мышей.

Эти открытия подтолкнули к поиску аналогичных веществ, которые можно было бы применить в случае синдрома Дауна у людей. Так, ученые фирмы Хоффман-Ла Рош в январе 2011 года сообщили о создании подходящего вещества (вышеупомянутого RG1662) и о начале его клинической проверки. Первая фаза проверки завершилась в сентябре 2013 года, показав безопасность нового препарата, и в 2014 году фирма приступила ко второй фазе. Одновременно проверку своих антидауновских препаратов ведут еще несколько фирм и лабораторий. Всего в списке обнадеживающих (в плане улучшение памяти и обучаемости) имеется сегодня уже свыше десятка новых препаратов, но их испытания идут крайне медленно не в последнюю очередь из-за трудностей набора статистически большой – хотя бы свыше 100 человек - группы пациентов и достаточно убедительной – хотя бы течение года-двух - проверки результатов.

Разумеется, этот широкий поиск внушает некоторые надежды. Но надежды небольшие, потому что возможности существенного улучшения работы уже созревшего мозга в принципе весьма ограниченны. Этот мозг в среднем уже на 20% меньше нормального, в нем меньше нейронов, и связи между ними во многом аномальны. Самые тяжелые аномалии затрагивают такие участки, как гиппокамп, ответственный за память, некоторые лобные доли, отвечающие за самые сложные когнитивные и поведенческие функции и частично за эмоции, и мозжечок, управляющий координацией движений, а также частично речью и обучаемостью (особенно двигательной обучаемостью). Однако и здесь в самое последнее время наметились кое-какие новые пути.

Речь идет о химическом вмешательстве в еще незрелый мозг. В недавних экспериментах американского нейробиолога Ривза новорожденные мышата с синдромом Дауна получали инъекцию одного из белков семейства hedgehog. Этот белок является мощным стимулятором роста и размножения стволовых клеток, в частности - в мозжечке, где при болезни Дауна рост этих клеток, напротив, аномально заторможен. Эксперимент Ривза увенчался нетривиальным успехом: у мышат, получивших инъекцию, размеры мозжечка вскоре увеличились до нормальных. Во взрослом возрасте у этих мышей оказалась лучше и обучаемость.

Ривз намерен теперь повторить эксперимент на еще не родившихся мышатах, делая им инъекцию прямо в материнской утробе. Но каков бы ни был результат, понятно, что перенести такой эксперимент на людей сегодня не позволит никто. Тем более интересным представляется принципиально новый, генетический подход к лечению синдрома Дауна, ставящий своей задачей не столько даже его лечение, сколько предотвращение его вообще. Первый успешный шаг в этом направлении был сделан в 2013 году группой Джин Лоуренс из Медицинской школы Массачусетского университета в Бостоне, и в нашей рубрике тогда же сообщалось об этом. Для полноты рассказа напомню, что бостонские ученые для борьбы с синдромом Дауна попытались воспользоваться тем приемом, который когда-то создала эволюция для подавления лишней Х-хромосомы. Как уже говорилось выше, в наших клетках есть 23 пары хромосом. Одна из этих пар состоит у мужчин из двух половых хромосом – женской Х и мужской Y, а у женщин – из двух половых хромосом Х. И легко понять, что наличие лишней хромосомы Х у женщин в чем-то равносильно наличию лишней 21-й хромосомы при синдроме Дауна: эта лишняя Х-хромосома может вызвать производство лишнего количества тех белков, гены которых находятся на ней. Поэтому природа наградила Х-хромосому такой возможностью: уже на стадии зародыша в ней включается определенный ген, по инструкции которого производится специальная молекула XIST-РНК. Длинная цепочка этой молекулы обволакивает лишнюю Х-хромосому, тем самым меняя ее структуру, и благодаря этому почти все ее гены выключаются из работы, что на всю жизнь предотвращает их нежелательное действие.

Группа Лоуренс решила воспользоваться этой находкой природы и ввести ген для производства обволакивающей молекулы XIST-РНК в лишнюю 21-ю хромосому больных с синдромом Дауна, чтобы таким образом выключить ее вредную работу. Разумеется, во взрослом возрасте и даже в материнской утробе это сделать пока нельзя, в генной инженерии нет еще такой возможности, поэтому американские ученые решили на первом этапе проверить принципиальную возможность такого выключения на стволовых клетках с лишней 21-й хромосомой. Для этого они взяли обычную клетку у человека с синдромом Дауна и превратили ее (понятно, в пробирке) в индуцированную стволовую клетку (в которой, поскольку она произошла от дауновской клетки, тоже оказалась лишняя 21-я хромосома), а затем разрезали эту хромосому в нужном месте и вставили в нее ген XIST-РНК. Последующая проверка показала, что этот ген включился в работу и по его инструкции была произведена молекула XIST-РНК, которая точно так же обволокла лишнюю 21-ю хромосому, как у женщин она обволакивает лишнюю Х-хромосому. И в результате стволовые клетки с лишней, но подавленной таким способом 21-й хромосомой развивались (в пробирке) в нормальные нейроны и другие виды мозговых клеток, свободных от тех аномалий, которые наблюдались при росте стволовых клеток, где лишняя хромосома не была подавлена.

Как я уже говорил, сообщение об этом успехе было опубликовано в июле 2013 года в журнале Nature. К сожалению, с тех пор никаких новых сообщений о продолжении этих экспериментов в печати не было. Поэтому сегодня приходится лишь повторить то, что говорилось о работе Лоуренс в предыдущий раз: хотя путь от этого первого успеха до клинических испытаний представляется невероятно трудным и долгим, но это самый многообещающий из всех доселе известных путей борьбы с синдромом Дауна. Более того, этот путь представляется многообещающим и в случае других опасных трисомий - например, при наличии третьей лишней хромосомы номер 13 или 18, которые грозят смертью детей уже в младенческом возрасте. Поэтому продвижения по этому пути следует ожидать с особой надеждой.

Рафаил Нудельман
"Окна", 26.07.2014