Работа Гердона вызвала огромный резонанс в научном сообществе. Он продемонстрировал, что ядро соматической клетки взрослой особи способно управлять формированием совершенно нового организма – клона того, из клетки которого взято ядро. Это означало, что соматическая клетка может пройти обратный путь к началу своего развития – в сущности, вернуться на вершину Уоддингтоновой горы. Клетка может перевести часы старения назад и, начав все сначала, вырасти в совершенно новый организм. И это означало также, что клетки, образующие специализированные ткани, например ткани кишечника, сохраняют все гены. Специализируются они не потому, что «предпочитают» потерять часть генов, а потому, что в каждом случае клетки каким-то образом решают, какие гены включать, а какие отключать.
Впоследствии другие ученые повторили[142] эксперименты Гердона с другими видами животных, но с млекопитающими до 1996 г. не работал никто. В 1996 г. ученые из Рослинского института в Эдинбурге получили клонированную овцу по кличке Долли из клетки, взятой из молочной железы взрослого животного. Эта новость вызвала невероятную сенсацию во всем мире. Развернулась горячая дискуссия об этических аспектах клонирования, охватившая широкий круг проблем, от благополучия животных до вероятности наступления «дивного нового мира», в котором состоятельные люди, возжелавшие вечной жизни, будут клонировать себя или утраченных близких. (Похоже, абсурдность этого проекта упускалась из виду.) Сегодня клонирование успешно опробовано на целом ряде биологических видов, но по очевидным этическим причинам во всем мире запрещено клонировать людей.
Несмотря на весь ажиотаж вокруг них, ранние эксперименты Гердона не отличались высокой эффективностью: успешно трансплантировались далеко не все ядра. В остальных случаях либо попытки сразу оканчивались неудачей, либо развивались дефектные эмбрионы, которые прекращали расти и умирали. И все 60 лет после первых экспериментов Гердона и более четверти века после появления на свет овечки Долли ученые усердно трудились над повышением успешности клонирования, но пока эта технология все еще остается неэффективной.
Естественный способ получения потомства работает значительно лучше.
САМАЯ БОЛЬШАЯ ПРОБЛЕМА ЧЕЛОВЕКА, по сравнению, скажем, с морской звездой, заключается в том, что мы не можем регенерировать свои органы и части тела. Если человеку отрезать руку, новая у него не вырастет. И вскоре после первых экспериментов с пересадкой ядер ученые начали задаваться вопросом, нельзя ли заставить ранние клетки эмбриона по команде развиваться в клетки той или иной ткани, например клетки сердечной мышцы, поджелудочной железы или нейроны? Если бы такую идею удалось осуществить на практике, это открыло бы огромные возможности для медицины. Более того, одной из основных проблем, возникающих с возрастом, является деградация тканей – и хорошо было бы найти способ их восстановления и омоложения.
Хотя мы не можем восстанавливать утраченные конечности, некоторые виды тканей мы все-таки способны успешно регенерировать. Всякий раз, когда вы порежетесь или получите ссадину, организм создает новую кожу, а когда сдаете кровь – восполняет ее нехватку. Как он это делает? Многие клетки в нашем организме являются терминально дифференцированными – они достигли конечной стадии развития и будут просто выполнять предписанные им функции, пока не умрут. Однако есть и другие, высокоспециализированные клетки, отвечающие за производство новых клеток для регенерации стареющих тканей. Их называют стволовыми.
Стволовые клетки тоже могут находиться на разных этапах развития. Многие из них уже спустились довольно далеко по склону горы Уоддингтона и могут развиться лишь в клетки нескольких типов. Например, кроветворные (гемопоэтические) стволовые клетки в костном мозге способны генерировать все типы клеток крови, включая эритроциты и клетки иммунной системы. Однако они не могут стать клетками печени или сердечной мышцы. В то же время внутренние клетки эмбриона на ранней стадии развития являются плюрипотентными стволовыми клетками и могут развиваться в клетки любой ткани организма.
Ученые научились получать эмбриональные стволовые клетки (ЭСК), поддерживать их в культуре, а затем, изменяя условия, заставлять развиваться в тот или иной тип клеток. Возможность выращивать ЭСК[143] в культуре устранила необходимость каждый раз извлекать их из свежих эмбрионов и способствовала резкому росту исследований в этой области. Однако основным источником ЭСК все же оставались эмбрионы – их часто извлекают из эмбриональных тканей, что вызывает этические вопросы и требует тщательного контроля со стороны регулирующих органов. В США одно время не выделялись федеральные гранты на исследования, связанные с человеческими ЭСК, и институтам приходилось четко разделять программы, финансируемые и не финансируемые из федерального бюджета.
Казалось едва ли не чудом, что можно взять любую взрослую клетку и «убедить» ее развиться в клетку любой другой ткани по твоему желанию – и даже в целый живой организм. Какое же свойство стволовых клеток, особенно плюрипотентных, так отличает их от всех остальных клеток нашего организма?
В поисках ответа на этот вопрос молекулярные биологи проводили исследования, чтобы выявить транскрипционные факторы – белки, регулирующие экспрессию генов, то есть включающие и выключающие гены и задающие уровень экспрессии. Они называются так, потому что определяют, будет ли данный ген транскрибироваться в мРНК и затем считываться в рибосоме для синтеза соответствующего белка. Стволовые клетки содержат большое число активных факторов транскрипции, и некоторые из них необходимы для поддержания роста этих клеток в лаборатории. Выдвигалась гипотеза, что недавно оплодотворенная яйцеклетка обладает похожим набором этих факторов, который и позволяет ей развиться в новый организм. Некоторые из факторов транскрипции активны также в раковых клетках, которые могут размножаться бесконечно.
Таково было положение дел в конце 1990-х гг., когда проблемой заинтересовался японский ученый Синъя Яманака. Яманака родился в 1962 г., то есть в тот же год, когда Джон Гердон успешно клонировал лягушку. Он начал свою карьеру в качестве хирурга, отчасти под влиянием отца, инженера, руководившего небольшой фабрикой в городе Хигасиосака. Однако вскоре его энтузиазм угас: он не только разуверился в своих навыках, но и увидел ограниченность хирургии, которая ничем не может помочь пациентам с трудноизлечимыми заболеваниями или повреждениями, например ревматоидным артритом или травмами спинного мозга. Яманака решил, что посвятит жизнь фундаментальной науке и попытается найти способы лечения для таких людей. Он защитил диссертацию в Осаке и отправился в Глэдстонский институт сердечно-сосудистых заболеваний в Сан-Франциско, чтобы продолжать исследования.
В конце 1990-х гг. Яманака вернулся в Японию, чтобы основать собственную лабораторию. К тому времени ученые знали, что ЭСК экспрессируют довольно много транскрипционных факторов. А если включить какие-то из этих факторов (или все) в обычной клетке, удастся ли заставить ее вести себя как стволовая? Яманака и его студент Кадзутоси Такахаси надеялись на успех. Они определили 24 фактора, которые могли бы отвечать за плюрипотентность ЭСК, и постоянно вводили их в фибробласты, клетки кожи и соединительной ткани – те самые клетки, которые пытался культивировать Хейфлик. Экспериментируя с транскрипционными факторами в различных комбинациях[144], исследователи обнаружили, что для превращения взрослой клетки-фибробласта в плюрипотентную клетку достаточно всего четырех из них.
Благодаря экспериментам Яманаки больше не нужно извлекать клетки из эмбрионов для выращивания плюрипотентных клеток: теперь мы умеем получать их из других клеток взрослого организма. Плюрипотентные клетки, созданные с использованием факторов Яманаки, называются индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками (ИПСК). Упрощение производства ИПСК привело к значительному прорыву в области изучения стволовых клеток. Ученые постоянно повышают эффективность и безопасность этого процесса и используют все более совершенные методы определения возможных путей развития стволовых клеток.
НЕСМОТРЯ НА ВСЕ ЭТИ ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ, мы так и не знаем точно, какие процессы в геноме заставляют клетки вести себя настолько по-разному, притом что ДНК у всех одинаковая. Почему у разных клеток столь различные