Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей

Панчин Александр

Как возник наш зеленый зрительный пигмент? У наших сравнительно недавних предков произошло удвоение (дупликация) гена красного зрительного пигмента. Вместо одного гена появилось два. Когда происходит такое мутационное событие, у естественного отбора возникает замечательная возможность «поэкспериментировать» — гены начинают меняться быстрее обычного. Если раньше мутация, меняющая спектр поглощения красного зрительного пигмента, могла привести к нарушению зрения, то теперь, пока есть запасная копия гена, вторая может свободно мутировать. Если в ходе этого процесса организм научится различать больше цветов (и это будет полезно), мутации зафиксируются естественным отбором. Механизм эволюции путем дупликации генов достаточно распространен [363] . В случае с красным зрительным пигментом было экспериментально показано, что достаточно заменить в нем всего три аминокислоты, чтобы сделать его зеленым [364] .

363

Panchin A.Y. et al.: Asymmetric and non-uniform evolution of recently duplicated human genes. Biol Direct 2010, 5:54.

364

Yokoyama S. et al.: Molecular basis of spectral tuning in the redand green-sensitive (M/LWS) pigments in vertebrates. Genetics 2008, 179(4):2037–43.

Нередко

шутят, что мужчина различает мало цветов — красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый, а женщины — куда больше: алый, кармин, гвоздика, пурпурный, тыквенный, персиковый, банановый, лимонный и так далее. Не исключено, что в такой шутке есть доля правды, имеющей молекулярно-генетические основания. Как мы уже установили, некоторые мутации в зрительных пигментах не нарушают их работу, но слегка меняют спектр их светочувствительности. Например, в европейской популяции есть два распространенных варианта красного зрительного пигмента. Примерно 60 % вариантов генов красного пигмента имеют аминокислоту серин на 180-й позиции белка, а 40 % — аланин, причем аланиновый вариант пигмента работает в чуть «более красном» (более длинноволновом) диапазоне [365] . У мужчины всегда будет либо один, либо другой вариант красного пигмента, а у женщины могут присутствовать оба. Есть основания полагать, что в редких случаях женщины с таким повышенным разнообразием зрительных пигментов могут различать больше оттенков [366] .

365

Deeb S. et al.: Structure-function relationships in human red/green color vision. Documenta Ophthalmologica Proceedings Series 1993, 56:13–7.

366

Jordan G. et al.: The dimensionality of color vision in carriers of anomalous trichromacy. J Vis 2010, 10(8):12.

В 2009 году в журнале Nature были опубликованы результаты экспериментов по улучшению цветного зрения у обезьян саймири [367] . Дело в том, что у этих обезьян самки бывают трихроматами, а самцы почти всегда дальтоники. Двое самцов были обучены проходить тесты на умение различать цвета, но красный и зеленый цвета они различать так и не научились из-за врожденных особенностей зрения. В сетчатку обезьян ввели аденовирус, содержащий человеческий ген «красного» светочувствительного белка. Утверждается, что спустя 20 месяцев после терапии обезьянки не только расширили свой диапазон светочувствительности, но и приспособились к новым зрительным сигналам и стали трихроматами! Возможно, что и людям когда-нибудь удастся добавить еще один зрительный пигмент, чтобы мы различали больше оттенков и цветов. Например, можно попробовать подарить мужчинам альтернативный красный пигмент, чтобы они наконец научились отличать кармин, темно-бордовый, бургунди, сангрию и фалунский красный.

367

Mancuso K. et al.: Gene therapy for red-green colour blindness in adult primates. Nature 2009, 461(7265):784–7.

К сожалению, на данный момент клинические испытания по лечению дальтонизма не ведутся, а значит, еще рано говорить и о создании людей-тетрахроматов. Зато достигнут определенный прогресс в лечении ряда серьезных нарушений зрения, например амавроза Лебера. Это наследственное заболевание, при котором из-за дефектного гена погибают светочувствительные клетки сетчатки. Для того чтобы предотвратить прогрессирующую слепоту, пациентам вводят вирус, содержащий работающую копию гена, прямо в глаз, и это исправляет дефект [368] . Но что делать, если колбочки и палочки уже разрушены и восстановлению не подлежат?

368

Simonelli F. et al.: Gene therapy for Leber’s congenital amaurosis is safe and effective through 1.5 years after vector administration. Mol Ther 2010, 18(3):643–50.

Даже в этой ситуации остается надежда на частичное излечение.

У зеленых водорослей хламидомонад есть особый белок, называющийся каналородопсин. Обычные светочувствительные белки животных при активации светом запускают сложные каскады химических реакций. Каналородопсины действуют иначе — это особые каналы, расположенные в мембране клетки.

На синем свету канал открывается и пропускает внутрь клетки ионы натрия. Эти ионы заряжены положительно и способны изменять потенциал клетки. Если бы речь шла не о клетке водоросли, а о нервной клетке, это бы привело к возникновению электрического сигнала и ее активации. Особые нейроны — ганглиозные клетки, расположенные в сетчатке, собирают сигналы от колбочек и палочек и передают их дальше в мозг. Оказалось, что если взять слепую крысу и ввести ей ген каналородопсина в ганглиозные клетки, то крыса обретает рудиментарное зрение [369] . Она начинает видеть не колбочками и палочками, а прямо ганглиозными клетками. Что именно ощущает при этом крыса, мы, конечно, не знаем, но она начинает успешно обходить препятствия.

369

Tomita H. et al.: Channelrhodopsin-2 gene transduced into retinal ganglion cells restores functional vision in genetically blind rats. Exp Eye Res 2010, 90(3):429–36.

Технология, позволяющая активировать нервные клетки светом, нашла применение в исследованиях нервной системы. Если встроить ген каналородопсина в нейроны мозга, то, воздействуя на отдельные нейроны светом, удается исследовать, к чему приводит их активация и как это влияет на поведение животных. Один из самых интересных экспериментов в этой области был опубликован в 2013 году в журнале Science исследовательской группой Сусуму Тонегавы. В ходе эксперимента ученые продемонстрировали, что с помощью света можно направленно изменять память мышей! [370]

370

Ramirez S. et al.: Creating a false memory in the hippocampus. Science 2013, 341(6144):387–91.

С помощью генетических манипуляций Тонегава и его коллеги создали особых мышей, в активных нервных клетках которых синтезировался каналородопсин. Однако мышей постоянно кормили особым лекарством, подавляющим синтез каналородопсина, поэтому до начала эксперимента все нервные клетки мышей работали как обычно. Таких мышей сажали в одну из двух специальных комнат (условно: синяя или красная) и переставали давать им лекарство. Как следствие, активные нервные клетки начинали производить светочувствительный белок. Так ученым удалось избирательно пометить нервные клетки мыши, активно работающие во время нахождения в комнате. Потом мышей выпускали из комнат и с помощью вживленного в череп свето-волокна освещали область мозга, которая, как считается, отвечает за узнавание места. Одновременно с этим мышей били током.

Под действием света нервные клетки, которые были активны во время нахождения в синей или красной комнате, активировались снова — ведь именно в них успел выработаться светочувствительный белок! По мнению авторов эксперимента, это могло привести к тому, что мыши снова ощущали себя в одной из этих комнат. В итоге у животных возникала связь между ударом тока и ощущением нахождения в синей или красной комнате. К удивлению многих, эксперимент сработал: мыши начинали бояться комнаты, в которой их никогда током не били (другая комната выступала контролем). То есть ученым удалось создать у мышей ложное воспоминание. Данное исследование напоминает нам, что память — это не свойство «вечной души», а вполне материальная вещь, подверженная физическим и химическим факторам, и что ею можно управлять на уровне отдельных нервных клеток.

Каналородопсин находит все больше разнообразных применений, в том числе и в генной терапии. Я уже упоминал возможность оптической регуляции эрекции у грызунов, но давайте рассмотрим еще один пример. Недавно в журнале Nature Communications вышла статья о возможности лечения нервного паралича гортани. Ученые внедрили ген каналородопсина в клетки мускулатуры гортани мышей, после чего с помощью света удалось регулировать сокращения этой мускулатуры [371] . Из-за нервного паралича голосовых связок у людей возникают затруднения дыхания, так как голосовые связки могут перегораживать путь воздуха в трахею. В критических случаях пациенту приходится идти либо на хирургическое удаление голосовых связок, либо на трахеотомию, либо на электрическую стимуляцию мышц гортани, однако у всех этих подходов имеются очевидные побочные эффекты.

371

Bruegmann T. et al.: Optogenetic control of contractile function in skeletal muscle. Nat Commun 2015, 6:7153.

Выше мы обсуждали генетически обусловленную устойчивость к малярийному плазмодию и токсоплазме. Еще лучше изучена устойчивость людей к ВИЧ в результате мутации гена рецептора хемокинов CCR5. Хемокины — это сигнальные молекулы, которые выделяют одни клетки, чтобы привлечь к себе другие (у которых есть рецепторы хемокинов). Например, если где-то начинается инфекция, с помощью хемокинов привлекаются клетки иммунной системы. CCR5 — это белок, расположенный на поверхности иммунных клеток, необходимый для распознавания некоторых таких химических сигналов.