Гены и наследственные болезни 13 страница
Землян в обозримом будущем подстерегает не только голод, но и жесточайший энергетический кризис вкупе с экологическими проблемами. И хотя точную цифру нетронутых запасов углеводородного сырья не может назвать никто, не подлежит сомнению, что получение очередного барреля нефти год от года будет только дорожать. Легкодоступные месторождения опустеют сравнительно быстро. Биотехнологии, и в том числе генная инженерия, могли бы стать если не панацеей от всех бед, то по крайней мере безболезненно разрешить ряд насущных проблем. Например, генетически модифицированный рапс – возобновляемое и дешевое сырье, которое можно использовать не только в качестве топлива, но и горюче-смазочных материалов.
Мало кому известно, что двигатели, работающие на спирте или подсолнечном масле вместо бензина, придуманы давным-давно. Просто в эпоху дешевой нефти они оказались не у дел. Недаром говорят, что все новое – это хорошо забытое старое. Еще в середине XIX века было доказано, что растительное масло можно запросто использовать в качестве горючего для паровых машин, а первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания (его различными модификациями мы пользуемся до сих пор) работал на этиловом спирте. А вот Рудольф Дизель, например, заправил вторую экспериментальную модель своего движка арахисовым маслом. И хотя автомобили Даймлера и Бенца с самого начала бегали на бензине, отец американского автомобилестроения Генри Форд сделал, тем не менее, ставку на этанол. Первый по-настоящему массовый автомобиль Форда «Модель Т», сошедший с конвейера в 1908 году, одинаково хорошо работал и на этиловом спирте, и на бензине, и на их смеси.
|
|
|
1908 год. Генри Форд за рулем трактора. Ранние модели двигателей Форда работали на этаноле
Компания Scania (Швеция) внедряет грузовики на биотопливе
Надо сказать, что автоэтанол был весьма популярен вплоть до 1940-х годов (его производство не смог подкосить даже знаменитый «сухой закон»), и только дружное наступление нефтяных компаний, богатеющих не по дням, а по часам, поставило на биотопливе жирный крест: бензин стал стоить дешевле спирта.
Что же касается растительных масел, современные дизельные двигатели работают на них ничуть не хуже, чем на солярке. Более того, биотопливо сгорает в двигателе куда полнее, а выхлоп становится вчетверо чище. Приведем небольшую цитату из посвященной биотопливу статьи, опубликованной в мартовском номере журнала «Вокруг света» за 2007 год:
Но лучшим сырьем для биодизеля пока считается не подсолнечник и даже не кукуруза, а рапс. Эта техническая культура почти не требует ухода, растет, где посадишь, дает высокие урожаи. Из тонны рапса можно выжать до 500 литров масла. Утечка рапсового масла, в отличие от солярки, не наносит экологического ущерба, так как в почве и воде оно полностью разлагается за 2–3 недели. Наконец, рапс – прекрасная промежуточная культура. Если поля, отдыхающие после урожая пшеницы и просто пустующие, засеять рапсом, то потом та же пшеница будет расти на них значительно лучше. Сейчас только в России пустует более 13 миллионов гектаров плодородных пахотных земель. При средней урожайности рапса 13,7 центнера с гектара с них можно получить почти 18 миллионов тонн семян, из которых производится более 8 миллиардов литров топлива (примерно на 5 миллионов автомобилей).
|
|
|
И если даже обыкновенный рапс столь неприхотлив и полезен, то что уж говорить о трансгенном… Между прочим, сегодня ГМ-растениями засеяно около 60 миллионов гектаров посевных площадей в США и 7 миллионов гектаров в Канаде, причем немалую часть этих посадок составляет генетически модифицированный рапс. И кто знает, может быть, пройдет совсем немного времени, и мировая энергетика перейдет на биотопливо.
Лучшим сырьем для биодизеля пока считается рапс
По данным ООН, трансгенными растениями в 2003 году было засеяно во всем мире примерно 70 миллионов гектаров, в 2007 году – уже свыше 114 миллионов. В нашей же стране они по-прежнему запрещены. Между тем российские посевы буквально задыхаются от сорняков, насекомых и вредной микрофлоры.
|
|
|
Александр Кирпий приводит на этот счет весьма любопытные цифры:
Только от сорняков потери сахарной свеклы составили 25 %, а при потерях в 20 % ее уже стали закупать за границей. И это несмотря на то, что под сахарной свеклой в России занят 1 миллион гектаров, а на производстве сахара задействованы сотни тысяч человек. Решение проблемы – использование ГМ-сорта сахарной свеклы, устойчивого к гербицидам. Да что там говорить, по мнению директора центра «Биоинженерия» РАН академика РАСХН К. Г. Скрябина, ущерб, причиненный колорадским жуком за последние 10 лет, превысил сумму кредита, полученного Россией от МВФ. А этого могло бы не произойти, если бы использовался устойчивый к жуку картофель.
А вот в Китае и США картина прямо противоположная. Американцы вывели сорта хлопка и кукурузы, которые умеют самостоятельно защищаться от вредителей. Они вырабатывают специфический токсин*,
* Строго говоря, растение продуцирует не сам токсин, а его предшественник (протоксин), который приобретает токсические свойства только в пищеварительном тракте насекомых определенного вида. Соединившись с рецепторами кишечной стенки, он начинает ее разрушать, и насекомое погибает от голода. Для человека и других позвоночных этот протоксин совершенно безопасен, так как полностью разрушается их пищеварительными ферментами.
|
|
|
полученный на основе почвенной бактерии Bacillus thuringiensis (Bt), смертельно опасный для паразитов, но абсолютно безвредный как для человека, так и для других позвоночных животных. По данным 2008 года, 65 % всего хлопчатника, выращиваемого в Китае (в США – 57 %, а в Индии – 42 %), способно продуцировать этот токсин благодаря невинной генноинженерной манипуляции – внедрению генов бактерии Bt в ДНК растения.
Успехи биотехнологии на сегодняшний день бесспорны – это одно из самых перспективных научных направлений, а ГМО находят все более широкое применение отнюдь не только в сельском хозяйстве. Генетически модифицированные бактерии исправно служат медикам, позволяя получать лекарственные средства с большим выходом и заранее заданными свойствами, в том числе гормоны, витамины и биологически активные добавки. Трансгенные животные не только опережают своих собратьев по таким параметрам, как рост, вес, мышечная сила, выносливость и быстрота реакции, но и выступают в роли своеобразных живых биореакторов. Чуть больше десяти лет назад в Голландии с помощью методов генной инженерии вывели породу коров, способных выделять в молоко гамма-интерферон – естественный низкомолекулярный белок, подавляющий репродукцию вирусов и некоторых других внутриклеточных паразитов. Мало того что такое молоко уже само по себе целебно и обладает лекарственными свойствами, оно вдобавок служит ценным сырьем для производства широкого спектра противовирусных препаратов.
А так называемые растительные вакцины, эффективность которых трудно переоценить? В съедобное растение внедряют ген, кодирующий белки вирусной оболочки. Как известно, вирусы устроены очень просто – они состоят из белковой оболочки и заключенной внутри нее молекулы РНК или ДНК. Вирус – строго внутриклеточный паразит: чтобы произвести на свет себе подобных, ему необходимо проникнуть в клетку-мишень и встроить свою нуклеиновую кислоту в ее геном. Иными словами, он перехватывает управление, берет все процессы биосинтеза под свой строгий контроль, в результате чего все внутриклеточные ресурсы направляются на сборку сотен и тысяч новых вирусных частиц, а клетка превращается в фабрику по производству своих убийц.
Опытные трансгенные и контрольные растения сахарной свеклы после обработки гербицидом
Так вот, белки вирусной оболочки являются, по сути дела, антигенами – своего рода метками, опознавательными знаками, по которым иммунная система идентифицирует вирус (подробнее это описано в главе «Гены, бактерии, вирусы»). Съев такое трансгенное растение, мы в готовом виде получаем набор антигенов соответствующего вируса, и наша иммунная система немедленно начинает вырабатывать против них специфические антитела. Когда впоследствии наш организм столкнется с реальным вирусом данного типа, антитела уже будут готовы уничтожить непрошеного гостя.
Триумфальное шествие генетической революции уже не остановить. Трансгенные культуры распространяются все шире, они постепенно становятся основой сельхозпроизводства (на сегодняшний день подобными культурами засеяно 134 миллиона гектаров, что составляет более 9 % всех пахотных земель на планете). Несмотря на столь впечатляющий размах, не отмечено ни единого случая, чтобы здоровью человека был причинен вред из-за употребления в пищу генетически модифицированных продуктов. И если мы не хотим в самом ближайшем будущем оказаться у разбитого корыта, нам следует меньше доверять глупым слухам и внимательнее следить за чужими успехами.
Гены и наследственные болезни
В этой главе речь пойдет о наследственных болезнях, имеющих генетическую подоплеку. Однако начать нам придется с механизмов развития злокачественных опухолей, ибо генетические поломки играют ведущую роль в этих процессах.
В самом общем виде любой опухолевый процесс характеризуется бесконтрольной пролиферацией (размножением) патологически измененных клеток, их способностью инфильтрировать ткани и значительной автономией этих процессов от защитных сил организма. При этом характер роста доброкачественных и злокачественных опухолей отличается принципиально. Доброкачественная опухоль образует капсулу и растет, раздвигая ткани, а злокачественная пронизывает (инфильтрирует) окружающую ткань, составляя с ней практически неразъемное целое.
Понятно, что хирургическое лечение рака имеет по этой причине свои сложности: иссекать опухоль приходится в пределах здоровых тканей, так как невозможно точно определить границу, разделяющую здоровые и пораженные ткани. Даже сам термин «рак» имеет патологоанатомическое происхождение – на препаратах отчетливо видны кляксоподобные образования, весьма напоминающие известное ракообразное, выбросившее вперед свои клешни. Кроме того, раковая опухоль способна к метастазированию: ее фрагменты (иногда в виде отдельных клеток) мигрируют по кровяному руслу и дают очаги вторичного роста.
Причины бесконтрольного роста опухолевой ткани окончательно неясны до сих пор. Существует огромное количество гипотез, связывающих пролиферацию раковых клеток с активизацией латентных онковирусов, то есть вирусов особого типа, находящихся до поры до времени в «дремлющем» состоянии (активизация такого вируса запускает механизм злокачественного перерождения клетки), или с нарастанием с возрастом числа мутаций в клеточном геноме. Все-таки злокачественные опухоли являются по преимуществу болезнью пожилых людей, поэтому гипотезы, связывающие их развитие с генетическими ошибками и иммунными «промахами», имеют полное право на существование. Бесспорно, играют роль и факторы среды – ионизирующее и ультрафиолетовое излучение, автомобильные выхлопы, промышленные загрязнители, лекарственные препараты, пищевые и ароматические добавки и так далее.
Раковая опухоль под микроскопом
Главной проблемой канцерогенеза – злокачественного перерождения тканей – остается неуязвимость опухолевых клеток. Дело в том, что любая клетка (микробный агент, проникший извне, или мутантная клетка нашего организма – роли не играет) несет на своей поверхности белки особого типа – своего рода опознавательные знаки, так называемые антигенные маркеры. Иммунная система, если не вдаваться в подробности, вообще устроена очень просто: принцип ее работы строится на распознавании «своего» и «чужого». И если какая-нибудь клетка идентифицируется как «не своя», то немедленно будет приведен в действие сложный механизм клеточных реакций по ее выявлению и уничтожению. Исправно функционирующая иммунная система всегда находится на страже гомеостаза внутренней среды организма.
Опухолевая клетка всегда несет в себе признаки генетической чужеродности. В эксперименте было не раз показано, что иммунная система не остается безучастной к бесконтрольной пролиферации злокачественных клеток: лимфоциты-киллеры получают сигнал о явном неблагополучии, направляются к месту событий, окружают растущую опухоль, но… Дальше возникают сплошные «но». То ли иммунный ответ не поспевает за стремительным ростом опухоли, то ли выпадают какие-то важные его звенья, то ли антигенная чужеродность мутантных клеток оказывается недостаточной, чтобы вызвать полноценную реакцию, но так или иначе опухолевые клетки разрушению не подвергаются, потому что иммунная система реагирует на них крайне вяло.
Все эти обстоятельства вызвали к жизни огромное количество теорий, стремящихся объяснить неполноценность иммунного ответа при раковой патологии. Некоторые исследователи вообще отказываются искать единые патогенетические механизмы рака, утверждая, что опухолевый процесс имеет в каждом конкретном случае свои собственные причины, связанные с локализацией опухоли, ее клеточным строением, состоянием макроорганизма и так далее. На этом фоне выделяется попытка генетика и биофизика Н. В. Лучника объяснить генез злокачественных новообразований с позиций теории «незаживающей раны». Но прежде чем изложить его версию (пусть небезупречную, но стройную и внутренне непротиворечивую), следует сделать небольшое отступление.
Все клетки нашего организма имеют свой срок жизни, по истечении которого они погибают. Гибель клеток может происходить двумя путями – посредством так называемого апоптоза (запланированная гибель клеток) и посредством некроза (незапланированная, внезапная гибель клеток). При апоптозе организм сам решает, какие структуры уже отработали свое и подлежат немедленному уничтожению. Это своего рода чистка, сохранение постоянства внутренней среды на должном уровне. С помощью ферментов клетки разбираются на составные части, и все образовавшиеся в ходе этой деконструкции структуры вновь пускаются в дело. Апоптоз – это заурядный процесс, направленный на поддержание гомеостаза. Например, эритроциты – клетки красной крови – живут всего лишь 100 дней и после этого погибают, а на смену им приходят новые клетки, прошедшие «инструктаж» в костном мозге.
Иное дело – некротическая гибель клеток. Она происходит случайно и незапланированно. Простейший пример: чистя картошку, вы порезали палец. Погибающие клетки буквально «кричат» о своем неблагополучии, посылая биохимические сигналы. В ответ на эти сигналы организм запускает каскад сложных реакций: происходит спазм поврежденных сосудов, начинается тромбообразование, к очагу поражения устремляются клетки воспаления и иммунные клетки, призванные нейтрализовать потенциальную инфекцию. В результате всех этих процессов начинается заживление и в конечном итоге формируется рубец из соединительной ткани.
По версии Н. В. Лучника, опухолевые клетки в силу их повышенной хрупкости гибнут некротически, непрерывно сигнализируя о своей беде. Погибают, разумеется, не все клетки опухоли, а только некоторая их часть. Каскад сигналов с периферии вызывает немедленную и парадоксальную реакцию: опухоль начинает активно снабжаться питательными веществами, прорастать кровеносной и нервной тканью, отнимая таким образом ресурсы у макроорганизма. Очаг злокачественного роста воспринимается организмом как травматический. А поскольку скорость размножения опухолевых клеток значительно превосходит аналогичные показатели нормальных клеток, масса опухолевой ткани стремительно увеличивается, отвлекая на себя все больше ресурсов. Вдобавок бурный опухолевый рост сопровождается нарастающей интоксикацией, что только усугубляет клиническую картину. Возникает что-то вроде самоподдерживающейся цепной реакции, исход которой заранее предрешен.
Остается выяснить только одно: в чем причина повышенной хрупкости опухолевых клеток, и почему они должны гибнуть по некротическому типу? Чтобы ответить на этот вопрос, надо вспомнить о том, что наши гены не остаются неизменными от рождения и до смерти. Они непрерывно подвергаются разнообразным внутренним и внешним воздействиям. Любое изменение структуры ДНК, нарушение ее целостности называется мутацией. Мутации являются заурядным явлением, и большая их часть своевременно распознается и устраняется при помощи специальных внутриклеточных репаративных механизмов. Генные (или точковые) мутации, затрагивающие отдельные гены и не отражающиеся на структуре хромосом, распознать очень сложно; хромосомные же мутации (инверсии, делеции, транслокации[45]), сопровождающиеся изменением формы и строения хромосом, хорошо видны под обычным световым микроскопом в период митоза (деления клетки). При митозе генетический материал удваивается (редупликация ДНК), хромосомы с помощью особых внутриклеточных структур растаскиваются к полюсам делящейся клетки, и в результате дочерние клетки получают избыток или недостачу хромосомного материала, если в материнской клетке часть хромосом была дефектной. Такие дочерние клетки, как правило, нежизнеспособны. Как раз из них и формируется вышеупомянутая популяция некротически погибающих опухолевых клонов, сигнализирующих с периферии о глубоком внутреннем неблагополучии.
Обычные (не опухолевые) клетки тоже мутируют, но возникающие в них изменения своевременно устраняются. При одноцепочечных разрывах дело обстоит сравнительно просто: дефектный участок вырезается специальными ферментами, а образовавшийся «пробел» восстанавливается по комплементарной неповрежденной цепочке, которая используется в качестве матрицы. Механизмы репарации двухцепочечных разрывов более сложны, но если даже такой дефект исправить не получается, в запасе всегда остается вторая (парная) хромосома с неповрежденным геном. Вероятность параллельного повреждения одного и того же локуса в обеих нитях молекулы ДНК исчезающе мала, поэтому нормальные клетки отличаются высокой стабильностью. Клетки же потенциально онкогенные, с точки зрения этой теории, несут в себе «первородный грех» в виде дефектной структуры одной из хромосом, поэтому даже сравнительно небольшое возмущение приводит к огромному числу нерепарируемых мутаций, что заставляет такие клетки погибать некротическим путем со всеми вытекающими последствиями. Развивается картина «незаживающей раны», и опухоль начинает неуклонно прогрессировать. Дело за малым – отыскать врожденный изъян опухолевых клеток.
Н. В. Лучник предложил свою гипотезу довольно давно, а наука, как известно, не стоит на месте. В последние годы выяснилось, что стволовые клетки, те самые стволовые клетки, обещавшие революцию в медицине, похоже, имеют непосредственное отношение к злокачественным опухолям. Более подробно об этих удивительных клетках мы поговорим в следующей главе, а пока коротко объясним читателю, что они собой представляют.
Как известно, зрелые кровяные клетки неспособны к размножению, а самые многочисленные из них – эритроциты – даже утрачивают ядро. Живут они не более 100 дней. Немедленно возникает вопрос: откуда они в таком случае берутся? В начале прошлого века отечественный гистолог[46] Александр Максимов обосновал изящную теорию, согласно которой в красном костном мозге обитают специальные клетки, занятые исключительно делением. Это их основная работа. После каждого деления одна дочерняя клетка претерпевает морфологические изменения и превращается в клетку крови, а другая, немного повзрослев, делится вновь. Затем история повторяется: одна клетка проходит обучение и становится обычной кровяной клеткой, а другая через некоторое время вступает в новый цикл размножения. Эта картина весьма напоминает ствол, пускающий молодые побеги, поэтому Максимов назвал такие клетки стволовыми (Stamzelle). Довольно скоро его теория получила блестящее экспериментальное подтверждение.
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 263; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!