Все мы знаем, что такое стресс, но немногие догадываются, что испытывать его может каждая клетка нашего тела. Как клетки сопротивляются стрессу? Можно ли им в этом помочь? С этими вопросами наш корреспондент обратился к сотруднику Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН кандидату биологических наук Илье Велегжанинову (на снимке на заднем плане). Он получил грант Президента РФ для молодых ученых на свои исследования по регуляции стрессоустойчивости клеток человека с помощью транскрипционного программирования.
— Какой стресс могут испытывать клетки?
— Стресс для клетки — это любое воздействие, которое выводит ее системы из равновесия, разрушает структуры или нарушает функции. Например, повышенная температура приводит к нарушению функции ферментов и остановке работы сложных молекулярных машин. Радиация вызывает ионизацию и повреждает все структуры клетки, включая ДНК, в которой закодирована информация, обеспечивающая жизнь клетки и всего организма. К клеточным стрессам можно также отнести отсутствие питания, воздействие токсичных веществ, неправильное осмотическое давление и многое другое.
Всё, что так или иначе пытается ввергнуть чрезвычайно сложную и упорядоченную единицу живого в хаос, — это стресс. Однако клетка способна бороться с такими факторами и постоянно поддерживает свои сложные молекулярные машины в рабочем состоянии. Она способна либо заново создавать сломанные структуры, либо ремонтировать их с очень высокой скоростью.
— Вы намерены регулировать работу клеток с помощью транскрипционного программирования. Что это такое?
— Все структуры и функции клетки и организма имеют информационную основу. Их образ и то, как они будут работать, записаны в виде генетического кода в ДНК. По сути, это как флеш-карта, скопированная в каждой нашей клетке. Однако эта информация была бы бесполезна, если бы не содержала в себе операционную систему, которая управляет тем, какой фрагмент кода (ген) используется в той или иной клетке, в тех или иных условиях, а какой нет.
Одной из составных частей такой операционной системы является регуляция транскрипции генов. Транскрипция — это считывание гена в промежуточный носитель информации, так называемую матричную РНК (мРНК). Этот промежуточный носитель затем передает информацию в рибосомы (сложные молекулярные комплексы), в которых на ее основе строится белок — структурный или функциональный элемент живой материи. Чем интенсивнее с гена будет считываться информация, тем больше копий мРНК будет с него сделано и тем больше молекул белка данного вида будет произведено клеткой. На основании такой зависимости происходит настройка внутренних процессов в клетке, а также ее реакция на внешние факторы.
В геноме человека около 30 тысяч генов, записанных в виде кода из трех миллиардов букв (нуклеотидов). Каждый ген имеет свои настройки активности транскрипции. Какие-то гены молчат в одних тканях и активно работают в других. Поэтому все наши клетки разные. Например, клетки кожи и сердца, нейроны головного мозга и лейкоциты крови. А ведь все они содержат в своем ядре одну и ту же молекулу ДНК. Какие-то гены молчат во всех тканях в нормальных условиях, но активируются при стрессе.
Транскрипционное программирование — это изменение активности конкретных генов по желанию исследователя. Например, для того чтобы выяснить функцию гена в реакции на то или иное воздействие, его активность можно увеличить или подавить и посмотреть, что из этого получится. Зная роль конкретного гена в конкретной реакции, можно, регулируя его активность, управлять свойствами клетки или организма.
— Каким образом вы собираетесь влиять на активность генов?
— С 2013 года в руках исследователей появился новый инструмент, так называемая система CRISPR/Cas9. Она позаимствована у бактерий, которые при ее поддержке защищают себя от вирусов, и представляет собой целое семейство белков. Ее можно с помощью короткой молекулы РНК прицельно направить строго на определенный участок кода ДНК. После того как белок садится на свою мишень, он делает разрез в цепочке нуклеотидов в нужном месте. Это позволяет редактировать генетический код: удалять одни фрагменты и вставлять другие. Раньше нанести прицельный разрез на очень длинной молекуле ДНК было намного сложнее и дороже, а точность попадания была значительно ниже. Поэтому открытие белковой системы CRISPR/Cas9 считается очень значимым прорывом в современной молекулярной биологии.
Все это касается редактирования самого генетического кода, но если говорить об упомянутой мною ранее операционной системе, то у CRISPR/Cas9 есть еще одно интересное применение. Если путем мутации лишить белок Cas9 способности наносить разрез в ДНК и присоединить к нему молекулу, которая может активировать транскрипцию, то, нацелив такой конгломерат на нужный нам ген, мы можем увеличить его активность. И наоборот, если мы таким же образом в нужное место цепи ДНК доставим молекулу, подавляющую транскрипцию, то снизим активность гена. Так мы можем осуществлять транскрипционное программирование.
— Чего вы хотите добиться в рамках этого проекта?
— Суть моего проекта в том, чтобы с помощью транскрипционного программирования попытаться направленно изменить стрессоустойчивость клеток человека. На данный момент почти ничего не известно о том, “за какие ручки нужно покрутить”, или, другими словами, активность каких генов нужно изменить, чтобы увеличить стрессоустойчивость клеток. Важно не сделать их при этом раковыми, которые, как правило, значительно более стрессоустойчивы, чем нормальные.
Новая система CRISPR/Cas9 позволяет перебирать множество вариантов, осуществлять одновременную активацию сразу нескольких генов, и именно такой комбинаторикой мы занимаемся. А потом смотрим, меняется или нет стрессоустойчивость. Мы используем при этом современные данные о функциях и особенностях тех или иных генов. А также опираемся на работы, в которых влияние сверхактивации отдельных генов другими, ранее существовавшими способами на стрессоустойчивость уже было изучено. Мы не повторяемся, ищем новое, комбинируем известное.
Делаем мы все это для движения к двум простым целям, одной — фундаментальной, другой — прикладной. Фундаментальная — больше узнать о механизмах реакции на стресс у клетки, о функциях и особенностях регуляции отдельных ее элементов. И в конечном счете, лучше понять, как она работает. Прикладная — научиться управлять стрессоустойчивостью клеток, чтобы использовать это в терапевтических целях. Например, создавать препараты, повышающие устойчивость здоровых клеток к химиотерапии и радиации в процессе уничтожения опухолевых.
Кроме того, всегда интересно продвигаться в новом неизвестном направлении. На мой взгляд, это главный двигатель науки.
Беседовал Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено И.Велегжаниновым
Нет комментариев