Читать книгу Борьба со старением, или Не все мы умрем… - Сергей Огнивцев - Страница 5

Как известно, все клетки (40–80 трлн клеток в зависимости от размеров самого человека) происходят, в конечном счете, от одной клетки, образовавшейся от слияния сперматозоида мужчины и яйцеклетки женщины (зигота[8]). Это слияние может происходить как в теле женщины, так теперь и в пробирке. Это всем уже хорошо известное ЭКО, или экстракорпоральное оплодотворение, «дети в пробирке».

В первые сутки включены (экспрессированы) только 7 генов. Клетка делится на две клетки (бластомеры). За вторые сутки после оплодотворения работают уже 32 гена и образуются четыре клетки, за третьи – 129 генов[9], образуется восемь клеток (бластомеров). Все эти полученные в результате дробления исходной клетки восемь клеток одинаковы по размеру и обладают одним замечательным свойством. Из каждой из них при определенных условиях может получиться любая клетка организма (плюрипотентность). Эти клетки, называемые эмбриональными стволовыми клетками, очень ценны. Можно, например, взять любую из них, сделать с ней различные генетические манипуляции, например вставить или вырезать ген и пересадить его в матку. Из этой клетки может вырасти генетически измененный организм[10].

При дальнейших делениях образующиеся клетки уже утрачивают замечательную возможность превращаться в любой из более чем 200 типов клеток. Из все-, или плюрипотентных они становятся много-, или мультипотентными, то есть сохраняют потенцию, возможность превращаться в определенную группу типов клеток. Например, мезенхимальные стволовые клетки способны превращаться (дифференцироваться) в клетки костной ткани, хрящевые и жировые клетки, а гемопоэтические стволовые клетки дают начало всем клеткам крови: хорошо известным по анализам крови моноцитам, нейтрофилам, эритроцитам, тромбоцитам и др. Превращения, или дифференцировка, могут идти в несколько ступеней. Каждая дифференцировка снижает возможности превращения, или потенцию, клетки. Клетка остается стволовой, если она сохраняет способность к дифференцировке и производству специализированной, или функциональной, клетки (в дальнейшем мы будем называть функциональными клетки, не являющиеся стволовыми и выполняющими в организме определенные функции). Часто стволовая клетка может порождать только один тип специализированной клетки. Например, клетка иммунной системы моноцит порождает только макрофаг.

Стволовые клетки играют роль клеточного резерва в организме человека. Они обитают в определенных нишах, представляющих собой места обитания множества стволовых клеток, которые физически поддерживают эти клетки и служат как бы интерфейсом между подсознанием и самими клетками. При необходимости мозг дает команду на активизацию клеток, находящихся в нише, и они направляются для замены старых или поврежденных специализированных клеток. Стволовые клетки могут быть также активированы по межклеточному сигналу, полученному от других клеток.

Стволовые клетки при делении могут произвести две соответствующие функциональные клетки, например клетки крови, или одну функциональную и одну такую же стволовую клетку. С возрастом доля стволовых клеток в общем количестве клеток человека быстро убывает. Если в младенчестве у нас одна стволовая клетка приходится на 10 тысяч специализированных, то в старости уже одна на сто миллионов. Это в 100 раз меньше, чем у взрослого человека в рассвете сил.

Возможно, потеря или израсходование стволовых клеток – одна из причин старения организма. Получить стволовые клетки из обычных специализированных, или, как их еще называют, соматических клеток[11], оказалось технологически не слишком трудно. Для этого достаточно в клетку, например, кожи или другого органа ввести четыре фактора транскрипции[12], открытых японским ученым Яманаки. Преобразованные в стволовые клетки соматические клетки, в отличие от эмбриональных стволовых клеток, называют индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками. Подобно эмбриональным клеткам, они могут дифференцироваться практически в любые клетки организма. За это открытие Синъя Яманаки в 2012 году удостоился Нобелевской премии.

Итак, экспрессия группы генов, эпигенетический аккорд, активирующий одни гены и выключающий другие, может не только создавать различные типы специализированных клеток, но и превращать специализированные клетки в стволовые, как бы обращая время вспять.

Мы выяснили, что для того, чтобы стволовая клетка стала определенной специализированной клеткой, например клеткой печени, необходимо активировать строго определенный набор генов. Для этого, по аналогии с факторами Яманаки, достаточно активировать определенные факторы транскрипции.

Основные регуляторные участки генов называются промоторами (легко запомнить: промотор – тот, кто продвигает проект, идею, товар) и энхансерами (enhancer по-английски «усилитель»). Промотор дает старт для транскрипции, то есть созданию РНК по образу и подобию гена (это мы обсудим подробно в следующей главе). Энхансер – усилитель работы гена, который может в несколько раз увеличить его транскрипцию, то есть получить не одну, а множество РНК-копий гена.

Ученым удалось проследить за активностью промоторов и энхансеров более чем в 190 типах клеток человека и идентифицировать 180 тыс. промоторов и 44 тыс. энхансеров. Установлено, что типы клеток различаются активностью регуляторов транскрипции или экспрессии генов. То есть для каждого типа клеток характерны свой эпигенетический профиль, или аккорд (набор активных генов), и специфические для этого типа регуляторы транскрипции (промотеры и энхансеры).

Когда при очередном делении клетки нужно произвести клетку нового типа, например той же печени, в той части делящейся стволовой клетки, которой суждено стать клеткой печени, должны быть запущены соответствующие регуляторы транскрипции (транскрипционные факторы, промотеры и энхансеры), которые активируют и усилят нужный набор генов, соответствующий эпигенетическому профилю печени. При этом для многих таких превращений уже известны необходимые регуляторы.

Остается один, но, может быть, самый главный вопрос: как эта часть делящейся стволовой клетки узнает, что именно она должна стать клеткой печени? Значит ли это, что есть план или чертеж, по которому идет строительство организма?

Мы все привыкли к планам, проектам, чертежам и конструкциям. На первый взгляд, без них невозможно собрать такую сложнейшую конструкцию, как человеческий организм. Но где может находиться этот план или чертеж? Ответ может быть только один: всё в той же клетке. Больше негде! А в клетке есть только одно место, где хранится вся информация, – ядро клетки, а точнее ДНК. Эта огромная, состоящая из 3 млрд нуклеотидов (условных знаков, букв, в следующей главе мы опишем их подробнее) молекула содержит информацию о конструкции всех образуемых в клетке белков (в следующей главе мы подробно на этом остановимся). Белки играют в клетке роль регуляторов и отвечают за скорости всех проходящих в клетках химических реакций. Значит, активируя те или иные гены, генерирующие белки, можно регулировать все химические процессы в клетке и, следовательно, ее структуру и функцию. Однако за генерацию белков отвечает только примерно 1,5 % всех входящих в ДНК нуклеотидов.

Что кодируют оставшиеся 98,5 % нуклеотидов, достоверно пока неизвестно. Эту часть ДНК раньше ошибочно именовали «мусорной». Последние годы открывается важная, если не важнейшая, роль этой части ДНК. По всей вероятности, именно в этой части ДНК содержится программа построения всего организма. Конечно, эта программа не может иметь формы чертежа или плана. Простые математические расчеты показывают, что хранить информацию в такой форме в клетке невозможно, для этого нужно на порядки большее количество носителей информации.

Однако в математике и информатике известны другие формы представления знаний и программ развития. В системах искусственного интеллекта часто используется язык продукционных правил. Они имеют форму «если (условие) – то (событие)» и описывают знания в виде взаимосвязей «причина – следствие», «явление – реакция», «признак – факт» и т. п. Уже получили распространение языки программирования, хорошо приспособленные для описания системы продукционных правил.

Подобные правила часто используют в медицине. Собственно, современный подход к медицинским рекомендациям, основанный на стандартах, фактически состоит из продукционных правил. Например, если у пациента боль в горле, одновременно температура выше 37,5 и миндалины воспалены (покраснение) или трудно глотать, то диагноз – ангина и необходимы постельный режим и прием соответствующих лекарств.

По всем признакам, примерно так действует делящаяся клетка. Она как-то собирает доступную ей информацию, проверяет выполнение ряда условий, и на их основании активизируются или нет транскрипционные факторы, превращающие часть делящейся клетки в клетку, например, печени.

На основании какой же информации клетка может «принять решение» о начале превращения? Сразу скажем, что ни эта информация, ни сама программа развития организма науке пока неизвестны. В отрасли биологии, именуемой биологией развития, существуют только очень приблизительные гипотезы о программе развития человека из клетки. Однако в том, что, во-первых, такая программа существует и, во-вторых, она как-то закодирована в ДНК клетки, ученые не сомневаются.

Клетка имеет очень пластичную форму, напоминающую амебу или медузу. Она хорошо чувствует непосредственное окружение и может двигаться для того, чтобы занять более удобное положение. На поверхности клеток имеются отросточки – некоторые подобия рук (или ног), называемые псевдоподиями. При помощи этих отростков, похожих на щупальца, клетка может ощупывать свое окружение и переползать с места на место. Натяжение псевдоподий, нащупавших некоторый внешний объект, передается клетке и несет определенную информацию. Таким образом, клетка по сигналам от рецепторов на поверхности клетки и псевдоподий может получать информацию о своем положении относительно других клеток и межклеточных структур.

Клетки ведут активную общественную жизнь, постоянно обмениваясь сигналами (сигнальными молекулами). Эти сигналы клетка воспринимает через рецепторы и оценивает при «принятии решения» о превращении. Внешние рецепторы измеряют концентрации и перепады концентраций вне клетки, а внутренние – внутри клетки, причем в разных ее частях. По изменению концентраций некоторых химических веществ клетка может судить о числе делений, отделяющих эту клетку от первоначальной (зиготы). Кроме того, в клетке имеются встроенные счетчики числа делений (теломеры), о которых мы подробно будем говорить в следующей главе.

Анализируя имеющуюся у клетки информацию, мы можем представить себе структуру программы делящейся клетки в следующем виде:

ЕСЛИ прошло 23 деления И ЕСЛИ концентрация вещества А достигла 25, И ЕСЛИ концентрация вещества Б в левой части клетки меньше 100, И ЕСЛИ справа соседей нет и есть свободно пространство, ТО нужно активизировать регуляторы Р1, Р22 и Р45, которые создадут эпигенетический профиль клетки ПЕЧЕНИ.

Еще раз подчеркнем, что программа развития организма человека пока науке не известна, но мы уже можем представить себе ее вероятную структуру. Эта программа должна быть одинакова для всех клеток, но действует она в зависимости от истории клетки и ее окружения по-разному.

Как мы уже отмечали, клетки занимают в организме человека главное место. Можно даже сказать, что практически всё, что есть в организме человека, – клетки, произведенные клетками вещества и различные объединения взаимодействующих клеток.