Минувший год запомнится нам не только очередным шумом вокруг генетического редактирования человека, но и новыми исследованиями, посвящёнными иммунотерапии рака, бактериями, управляющими нашими генами, спорами о продолжительности человеческой жизни, противораковыми слоновыми генами и макаронами, которые не полнят.

Подводить итоги года в науке непросто в первую очередь потому, что любое открытие, сколь бы выдающимся оно ни было, есть лишь часть большой исследовательской работы в какой-то области. И по-хорошему в итогах нужно обозревать всю эту область, с предысторией и контекстом. Но тогда итоги года превратятся в многотомный сборник, на который ни у авторов, ни у читателей не хватит ни сил, ни терпения, особенно перед Новым годом. Поэтому мы просто постараемся вспомнить особо заметные работы – из тех, о которых мы рассказывали, – и по возможности сгруппировать их вокруг тех или иных научных тем.

Мы не выстраиваем итоги года списком – первое выдающееся открытие, второе выдающееся открытие и т. д., поскольку нам кажется, что сводить обширную картину науки к отдельно стоящим открытиям не слишком корректно. Тем более, что наука живёт не по календарю, и те «главные научные события», о которых мы слышим в конце каждого года, на самом деле есть результат не одного, не двух, а многих лет напряжённой работы.

Возможно, кому-то покажется странным, что в наших итогах года попадаются, скажем так, не очень великие работы. На это можно сказать, что, с одной стороны, было бы странно представлять науку как цепочку сплошь великих открытий, а с другой, было бы скучно знать только про какие-нибудь великие и эпохальные эмбриологические исследования, и не знать о том, что динозавры, например, не могли показывать язык.

Про биотехнологии

Биологические и медицинские итоги уходящего года волей-неволей приходится начинать с недавнего скандала, о котором многие наверняка слышали. В конце ноября Хэ Цзянькуй (He Jiankui), в недавнем прошлом сотрудник китайского Южного университета науки и технологий, заявил, что ему с помощью методов генной инженерии удалось отредактировать два человеческих эмбриона так, что они стали полностью защищены от ВИЧ, для чего нужно было отключить всего лишь один ген, CCR5. (Известно, что люди, у которых ген CCR5 мутирован, так сказать, самой природой, действительно устойчивы к ВИЧ.) Самое главное – из эмбрионов благополучно родились два ребёнка. Заявил это Хэ Цзянькуй сначала в видео на YouTube, а потом на международной конференции, посвящённой проблемам редактирования человеческого генома.

Поднялся страшный шум. Говорили, что метод, которым Хэ редактировал геномы, пока ещё не настолько точен, чтобы применять его на людях; говорили, что редактирование не могло пройти абсолютно во всех клетках, так что у детей так или иначе получился генетический мозаицизм, который неизвестно к чему приведёт в будущем. Наконец, отключённый ген в геноме всё-таки не лишний, и возникает вопрос, как будут чувствовать себя дети в дальнейшем. Хэ отвечал, что мать и отец были в курсе всех этих сложностей. Собственно, отец был инфицирован ВИЧ, поэтому родители, которым хотелось собственных детей, дали согласие на процедуру.

Дискуссия о несовершенстве метода была обильно сдобрена восклицаниями по поводу этических проблем и сущности человека – восклицаниями, которые демонстрируют миру благородные намерения восклицающих, но притом мало что сообщают по сути дела.

Однако с сутью дела есть некоторая проблема. Даже на той конференции, на которой выступал Хэ, он не предъявил ничего, что позволяло бы судить о проделанной работе. Никакой статьи по «отредактированным» детям у него тоже не выходило. То есть у нас есть только слова самого Хэ Цзянькуя, а также некоторых других исследователей, с которыми он консультировался и которые полагают, что у него действительно могло что-то получиться. Речь не идёт о том, что мы имеем дело с сенсационным надувательством, но наука – такая область, где любые слова должны быть подкреплены общедоступной информацией о проделанной работе.

И, конечно же, нам нужны правовые нормы, которые бы регулировали будущие генетические операции на людях. Однако такие дискуссии возникают уж в который раз: мы их слышали три года назад, когда человеческий геном отредактировали впервые – всё осталось на уровне эмбрионов, и сам метод сработал не очень эффективно; затем два года назад – когда человеческий эмбрион отредактировали против ВИЧ; наконец, те же споры мы слышали в прошлом году, когда эмбрионы человека избавили от мутации, вызывающей болезнь сердца. Во всех трёх случаях мы имели дело с научными публикациями, по которым можно было судить о достоверности и значимости результатов, и мы могли говорить о тех результатах как об итогах года. Но сейчас мы пока что видим только «глубокую озабоченность», выраженную в разнообразных «публичных мнениях», и называть очередную серию этого сериала примечательным событием в науке было бы некоторой натяжкой.

Что же до самого метода генетического редактирования, то он нашим читателям хорошо известен – он называется CRISPR/Cas9, или просто CRISPR, и мы о нём неоднократно писали. С одной стороны, он действительно очень удобен и сравнительно прост, с другой стороны, если мы хотим использовать его в медицине, то он должен быть чрезвычайно точным. Но о его точности до сих пор спорят. Весной опубликована статья, которая опровергала предыдущие обвинения CRISPR в неточности; а летом в свет вышла другая работа, в которой говорится, что метод всё же позволяет себе много лишнего.

Хотелось бы надеяться, что, даже если CRISPR-метод неточен, точность ему смогут подтянуть, потому что в биотехнологии он позволяет делать настоящие чудеса. Например, с его помощью можно сделать искусственную кожу, которая избавляет от кокаиновой зависимости (правда, пока только мышей).

Но генетическое редактирование – не единственное биотехнологическое направление, которое развивалось в уходящем году. Можно вспомнить клонированных обезьян, которые получились спустя почти два десятилетия бесплодных попыток. Или кусочек человеческой почки, выращенный в мышах. В последние годы идея выращивать органы в пробирке становится всё ближе к реальности, и выращенный кусочек почки – лишнее свидетельство прогресса в этом направлении. А из биотехнологических гаджетов стоит упомянуть про контактные линзы, которые измеряют уровень сахара.

Львиная доля биотехнологических исследований приходится на наночастицы. Их используют, чтобы сделать радиоуправляемые ферменты, с их помощью улучшают лекарства, растворяющие тромбы, наночастицы помогают заживлять ожоги. Часто именно с наночастицами связывают надежду на победу над раком.

В частности, золотые наночастицы уничтожают раковую опухоль, разогревшись в лазерном луче; другие же наночастицы создают так, чтобы они убивали раковые клетки двойным ударом – радиоактивностью и бактериальным токсином. (Кстати, все эти работы с наночастицами – российские: их выполнили сотрудники Университета ИТМО, Сибирского федерального университета, Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского и других российских научных центров.)

Про рак

И раз уж мы заговорили про рак, то скажем, какие «раковые» исследования привлекли наше внимание в уходящем году. Рак уже долгие годы остаётся одной из главных научных тем, и, к сожалению, будет оставаться таковым и дальше – хотя очень хотелось бы надеяться, что случится чудо и в ближайшее время эту тему вдруг раз и навсегда закроют.

Движущая сила злокачественных болезней – молекулярно-генетические неполадки: какие-то гены из-за мутаций начинают работать слишком активно, побуждая клетки к неконтролируемому делению, а гены-предохранители, наоборот, отказывают. Большая часть исследований посвящена как раз генетической защите, которую можно было бы активировать и подавить рост опухоли. В поисках таких механизмов биологи порой обращаются к животным, а именно к голым землекопам и слонам. И те, и другие на удивление редко болеют раком, а землекопы ещё и очень долго живут для грызунов своего размера. У тех и у других действительно есть мощные противораковые системы: у землекопов очень хорошо работает система ремонта ДНК, исправляющая онкогенные мутации, а у слонов есть специальная генетическая система, которая убивает клетки с испорченной ДНК ещё до того, как они станут раковыми.

Как известно, раковые клетки должен истреблять иммунитет, но рак научился его обманывать и даже использовать в своих целях. В уходящем году мы писали о том, как иммунитет помогает метастазам, как иммунное воспаление будит спящие раковые клетки, и что раковые клетки порой физически объединяются с иммунными – такие гибриды оказываются более подвижными и более опасными, чем обычные раковые клетки. Поэтому одно из основных направлений в онкоисследованиях – это как «разбудить» иммунитет, как помочь ему бороться с опухолью.

Тут первое, о чём нужно напомнить, – нынешняя Нобелевская премия по физиологии и медицине. Её дали за один из методов иммунотерапии, когда у иммунитета отключают тормозную систему, чтобы он начал в полную силу охотиться на раковые клетки. Этот терапевтический метод на самом деле возник достаточно давно и к сегодняшнему дню успел доказать эффективность; подробно о нём можно прочесть на нашем сайте или в ноябрьском номере журнала.

«Нобелевский» метод – не единственное решение; иммунитету в борьбе против рака можно помогать разными способами, например, специальными онколитическими вирусами, с помощью которых можно побороть даже те опухоли, которые не поддаются другим способам лечения. И нельзя не вспомнить хитроумную противораковую «вакцину», описанную прошлым февралём в Science Translational Medicine. Суть этого метода в том, чтобы разбудить Т-лимфоциты, сидящие внутри опухоли, после чего они не только уничтожат её саму, но и найдут её метастазы, рассеянные по организму.

Кроме того, исследователи продолжают искать обычные лекарства, которые подавляли бы рост раковых клеток. Исследований с новыми потенциальными противораковыми молекулами выходит огромное количество. Мы же напомним только одну работу, вышедшую весной в журнале Science Advances – в ней речь идёт о веществе, синтезируемом кожной бактерией Staphylococcus epidermidis. Оказалось, что не только это вещество, но и сама бактерия подавляет рост клеток лимфомы. S. epidermidis есть примерно у 20% людей, и, возможно, они действительно реже болеют кожными онкологическими заболеваниями.

Про микрофлору и еду

От этой бактерии логично перейти к новостям из мира микрофлоры. Мы не устаём напоминать, что микрофлора, в первую очередь кишечная, влияет на очень многие процессы в нашем организме. И очевидно, что они как-то вмешиваются в работу генов в наших клетках, так что какие-то гены начинают работать активнее, другие, наоборот, отключаются.

Один из молекулярных механизмов, который микрофлора при этом использует, описан в январской статье в Nature Communications: бактерии выделяют короткие жирные кислоты, которые подавляют активность ферментов, управляющих упаковкой ДНК. Если ДНК плотно упакована белками, то гены в ней недоступны для считывания и потому неактивны, если ДНК упакована неплотно, то, наоборот, гены активно работают. И коль скоро бактерии работают с такими фундаментальными молекулярными процессами, стоит ли удивляться их влиянию? Стоит ли удивляться, что они могут даже симптомы аутизма ослабить?

В то же время мы сами можем повлиять на наших бактерий – с помощью еды и каких-нибудь пищевых добавок. Правда, иногда такие добавки срабатывают не так, как мы ждём. Например, желая помочь нашей микрофлоре, мы иногда принимаем пробиотики. Но, как показали исследователи из Института Вейцманна, бактерии из пробиотических препаратов в некоторых случаях могут работать против естественной микрофлоры человека.

В целом о взаимоотношениях микробов с едой можно узнать из статьи «Микробы для здоровья». Отдельно же мы хотим выделить несколько исследований о еде, результаты которых идут вразрез с привычными представлениями. Во-первых, это сообщение о том, что макароны не полнят, – благодаря низкому гликемическому индексу пасты ее можно есть даже тем, кто сидит на диете; во-вторых, это заявление Европейского кардиологического общества, что низкоуглеводная диета может быть вредна; в третьих, исследование в Circulation: Heart Failure, в котором говорится, что много белка в еде может повредить сердцу.

Разумеется, много исследований про еду касается избыточного веса. В 2018 году мы узнали, что ожирение портит не только фигуру и обмен веществ, но и умственные способности – ещё один веский аргумент в пользу того, чтобы перейти на более здоровое питание. Впрочем, тут дело не только в здоровом питании, но и в общем распорядке дня: если мы хотим есть меньше сладкого, нужно больше спать по ночам, кроме того, бессонная ночь сама по себе добавляет нам жира, одновременно ослабляя мышцы.

Если же говорить о конкретных механизмах того, как вредная еда заставляет нас толстеть, то тут не обходится без иммунитета: в начале года мы писали о статье в Cell, в которой говорилось, что иммунная система в буквальном смысле звереет от фастфуда: из-за диеты, богатой жирами и углеводами, иммунитет начинает общую воспалительную реакцию с долгоиграющими последствиями.

Про иммунитет и лекарства

Заговорив о еде, мы затронули сразу несколько очень больших научных предметов: тут и мозг с нейронами, и суточные ритмы со сном и бодрствованием, и иммунитет, и сердце с сосудами. И везде, везде были свои любопытные достижения, и говорить о них порознь тем труднее, что всё это очень часто взаимосвязано друг с другом. Мозг мы оставим на вторую часть нашего обзора, а сейчас попробуем бегло напомнить иммунно-медицинские новости.

Иммунитет неустанно охотится на бактерий (а также на вирусов и других паразитов). Бактерии же стараются иммунитет обмануть, причём иногда им в этом помогают вирусы: исследователи из Тюбингенского университета опубликовали в Nature статью о том, как вирусный ген даёт бактериям фермент, который маскирует их от антител. Кроме того, белки некоторых бактерий похожи на наши собственные, чтобы иммунная система принимала их за «своих», а не за «чужих». Однако на этот случай у иммунитета есть своя хитрость – бракованные В-лимфоциты и плохие антитела, которые, как оказалось, в таких случаях оказываются очень кстати, узнавая замаскировавшихся врагов. Убивают же бактерий иммунные клетки самыми разными способами, и одно из их антибактериальных средств – это хлорноватистая кислота (из которой делают хлорную известь, или «хлорку»): как только бактерия оказывается внутри иммунной клетки, та мгновенно заливает добычу хлорированным окислительным коктейлем.

На иммунитет влияют самые разные факторы. Про фастфуд мы уже говорили; заодно можно вспомнить статью в The Lancet Oncology о том, что иммунотерапия сильнее помогает мужчинам, чем женщинам – сказываются физиологические различия между полами, а также работу исследователей из Уорикского университета о том, как иммунитетом управляет температура.

Если же иммунная система работает не очень хорошо, мы стараемся ей помочь. Например, вакцинами – в уходящем году появилась экспериментальная вакцина сразу против нескольких штаммов гриппа. (Из-за сильной изменчивости вируса гриппа нам до сих пор приходится регулярно создавать всё новые вакцины против него, но есть надежда, что в конце концов получится сделать универсальную ангриппозную вакцину.)

Либо можно просто взять инициативу в свои руки и, если мы заразились чем-то бактериальным, использовать антибиотики.

Правда, как известно, бактерии становятся устойчивы к антибиотикам, поэтому исследователям приходится постоянно искать всё новые и новые антибактериальные вещества. Сотрудники Иркутского государственного университета ищут их в Байкале, точнее, в рачках-бокоплавах, которые в нём обитают, а исследователи из Санкт-Петербургского университета и их коллеги из Национального института рака в Генуе предлагают усилить обычные антибиотики особыми веществами, которые синтезируют личинки мясных мух.

Ну и коль скоро мы коснулись темы лекарств, можно вспомнить три работы, в которых какое-то уже известное лекарственное вещество вдруг проявляло какие-то новые неожиданные свойства. Во-первых, сотрудники Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН обнаружили, что метформин – одно из самых известных лекарств против диабета второго типа – помогает переносить радиоактивное облучение; правда, эксперименты тут ставили только на крысах.

Во-вторых, как показали исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Буффало, противораковое средство ромидепсин помогает ослабить некоторые симптомы аутизма (эксперименты тоже ставили пока только на мышах). Наконец, в совсем недавней статье в Nature Communications говорилось о лекарстве, которое используют при некоторых заболеваниях сетчатки, но котором при этом подавляет рост лейкозных клеток.

На самом деле, для специалистов в таких новых свойствах старых лекарств наверняка нет ничего неожиданного – исходя из того, как они действуют, можно было предположить, что они сработают и при каком-то другом расстройстве, просто пока ещё это никто не проверял экспериментально. Может, в будущем и к другим лекарствам удастся присмотреться подробнее, чтобы лучше раскрыть их потенциал ради нашей более здоровой и более долгой жизни.

Кстати, о продолжительности жизни. Биологи и медики, конечно, всячески ищут способы замедлить старение и сделать всех нас долгожителями. Но многие задаются вопросом – а до каких пределов это возможно? Есть ли крайний срок человеческой жизни, который невозможно преодолеть? Внятного ответа тут нет. Есть статистические исследования, согласно которым у человека есть такой возраст, после которого старение само по себе замедляется. С другой стороны, есть другие исследования, которые утверждают, что такое замедление старения – лишь статистическая ошибка.

Если отвлечься от статистики и обратиться к молекулярно-генетическим механизмам, то, хотя про старение известно уже очень много, о пределах жизни мы пока судить вряд ли можем. Впрочем, ничто не мешает нам в личном порядке продлевать собственную жизнь, благо рецептов тут много, и можно выбирать, чем именно её продлевать: то ли рыбой, как говорят в статье в Journal of Internal Medicine исследователи из Чжэцзянского университета и Национального института рака, то ли религией, как пишут в Social Psychological and Personality Science сотрудники Университета штата Огайо.

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны сумели с помощью стимуляции спинного мозга электрическими импульсами вернуть подвижность людям с травмами позвоночника. Мы неоднократно описывали этот метод; в его разработке принимали участие и российские исследователи. В эксперименте участвовали трое добровольцев, которые последние несколько лет провели в инвалидной коляске из-за позвоночной травмы. Спустя пять месяцев тренировок со стимулятором спинного мозга все трое уже ходили на собственных ногах. Правда, их всех нужно было отчасти поддерживать, однако прогресс всё же был ошеломительный. Более того, двое даже могли встать с кресла и сделать несколько шагов вообще без дополнительной стимуляции.

Кроме того, есть прогресс и в других методах лечения спинномозговых травм. Так, весной в Nature Medicine вышла статья про обезьян с травмой спинного мозга, которым удалось до некоторой степени вернуть подвижность обезьянам с помощью стволовых клеток.

Со стволовыми клетками-предшественниками нейронов – и тут мы уже переходим к головному мозгу – связана одна сложная история под названием «взрослый нейрогенез». Казалось бы, давно известно, что новые нервные клетки в мозге появляются не только во время внутриутробного развития, но и сильно позже, после того, как индивидуум родился и повзрослел. Это и называется взрослый нейрогенез, и нашли сначала у животных – в мозге млекопитающих удалось найти целых две зоны, где появляются новый нейроны, центр памяти гиппокамп и ещё один участок, откуда молодые нейроны перебираются в обонятельную луковицу (поскольку для зверей обоняние крайне важно, то понятно, почему у них возник механизм обновления нейронов обонятельной системы).

Впоследствии появились данные, что взрослые нейрогенез есть и у человека, но только в гиппокампе. Однако результаты, касающиеся нейрогенеза у взрослых людей, оставались некоторой степени неоднозначными и требовали дополнительных уточнений. Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Франциско попытались внести сюда ясность, и в результате обнаружили, что взрослый нейрогенез у нас не столько взрослый, сколько детский – новые нервные клетки в человеческом мозге перестают появляться после 13 лет. Но буквально через месяц вышла другая статья, на этот раз за авторством сотрудников Колумбийского университета, которые снова нашли у человека вполне взрослый нейрогенез – по их данным, новые нейроны появляются в центре памяти всю жизнь.

Проблема здесь в том, что работа с человеческим мозгом накладывает свои ограничения, и исследователи не всегда могут точно понять, что именно они видят – то есть клетки какой степени зрелости, молодые, не очень молодые, или уже вполне сформировавшиеся. Тем временем, пока идут дискуссии о человеческом взрослом нейрогенезе, у животных его вполне успешно изучают: для примера можно привести статью в Nature о том, что новорождённые нейроны успокаивают старые, помогая мозгу справиться со стрессом.

Вообще мозг часто преподносит сюрпризы и заставляет пересматривать концепции, которые успели сложиться вокруг него. Для специалистов это не более, чем банальность – кому, как не им, знать, сколько в нашем мозге ещё неизученного. В нём до сих продолжают находить новые типы нервных клеток – в частности, в конце лета в Nature Neuroscience вышла статья с описанием особых тормозящих нейронов, похожих на куст шиповника, которые есть у человека, но нет у мышей.

Другая повторяющаяся история – когда у участков мозга с казалось бы уже довольно хорошо изученными свойствами обнаруживают новые функции. Мы как-то писали о том, что миндалевидное тело, которое привычно называют центром страха, на самом деле управляет ещё и чувством удовольствия. Оказалось, что центр памяти гиппокамп тоже не только за память отвечает и не только за ориентирование на местности: исследователи из Университета Торонто нашли в нём тревогу и страх – управляя страхом, гиппокамп помогает понять, как вести себя в конфликтной ситуации.

Другой пример, как что-то из нервной системы обнаруживает не те свойства, к которым мы привыкли – это нейромедиатор дофамин, про который все знают, что он обслуживает центры удовольствия. Но кроме них его используют нейронные цепи, которые обрабатывают раздражающие, неприятные стимулы. Впрочем, про «дофаминовое отвращение» нейробиологи догадывались давно, и сейчас удалось продемонстрировать его в явном виде. Да и странно было бы полагать, что у нейромедиаторного вещества может быть какая-то одна узкая специализация (тот же дофамин ещё и в двигательных центрах сигналы передаёт).

Одно из самых больших и непреходящих направлений в нейробиологии – это исследования памяти. В 2018 году мы узнали, что память портится от гриппа, что её можно перенести от одного индивидуума к другому в виде молекул РНК (правда, эксперименты с РНК памяти выполняли на моллюсках, и к полученным результатам у многих специалистов есть ряд вопросов), что центры памяти работают с запоминаемой информацией подобно тому, как режиссёр монтирует фильм, и что для того, чтобы что-то вспомнить, нужно что-то забыть. Те, кто следят за «новостями из мозга», знают, что в нём происходит такой загадочный процесс, как превращение кратковременной памяти в долговременную – и про это мы узнали в уходящем году тоже немного больше. Наконец, сотрудники лаборатории Судзуми Тонегавы, уж который год занимающиеся молекулярно-клеточными механизмами памяти, показали нам, как воспоминания связываются друг с другом.

Особым интересом всегда пользуются исследования, из которых можно понять, как улучшить работу мозга. Здесь мы узнали, что мозгу помогают работать противовоспалительные белки и яркий свет, что от ультрафиолета мозг умнеет, а вот от депрессии и одиночества ему только хуже – из-за социальной изоляции нейроны мозга уменьшаются в объёме, а из-за депрессии он вообще быстрее стареет. И кстати, если кто-то пытается что-то учить во сне, то есть спать с наушниками и какой-нибудь лекцией в смартфоне, то напрасно: как показали исследователи из Брюссельского свободного университета, спящий мозг, хотя слышит звуки извне, но не видит связи между ними.

Наконец, последнее, что мы вспомним в связи с мозгом – это нейродегенеративные заболевания, из которых на слуху преимущественно болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. Специалисты давно заметили, что болезнь Паркинсона сопровождают серьёзные проблемы с кишечником, причём эти проблемы порой возникают задолго до проявления основных симптомов. И мы уже как-то писали о том, что токсичные белки, которые накапливаются в мозге при болезни Паркинсона, могут подниматься из кишечника по блуждающему нерву прямо в мозг. Но кишечник большой – откуда именно эти белки поднимаются? Исследователи Института Ван Андела и Лундского университета полагают, что из аппендикса.
В свою очередь, болезнь Альцгеймера, видимо, может начинаться из-за вируса герпеса, поселившегося в мозге – нейроны, столкнувшись с вирусом, синтезируют много белка, который образует патогенные отложения в нервной ткани. Добавляют альцгеймерических рисков состарившиеся служебные клетки микро- и макроглии, задача которых, вообще-то, следить, чтобы нейронам было хорошо. Кроме того, болезнь Альцгеймера усугубляется от воспаления, даже если это воспаление возникло не в мозге. И, конечно, свою роль играют мутации: исследователи из Медицинского института Бёрнэма–Сэнфорда–Пребиса нашли для альцгеймерических мутаций новый механизм, который описали в своей статье в Nature.

Про гены, клетки и эпигенетику

Про мутации мы в наших итогах мы вспоминаем часто. Мутации попадают в ДНК, в которой закодированы наши гены, и из-за мутантных генов клетки начинают вести себя иначе. У взрослого человека клетка с мутацией может стать злокачественной; если же мутация случилась во время эмбрионального развития, то и человека может вообще никакого не получиться. С другой стороны, мутации – топливо эволюции; из массы мутаций после естественного отбора остаются те, которые повышают выживаемость индивидуума и всего вида. Понятно, почему все в биологии, кто бы чем ни занимался, внимательно следят за тем, какие ещё общие закономерности удалось обнаружить на молекулярно-клеточном уровне жизни.

Мутаций у людей накапливается с возрастом действительно много, около двух тысяч на клетку. Появляются они как из-за внутренних ошибок, которые совершают копирующие ДНК белки, так и из-за внешних факторов, причём внешним фактором может быть не только какой-нибудь ультрафиолет, но и банальный алкоголь. Но не все мутации, даже опасные, приводят к чему-то плохому – в наш геном встроены разные компенсирующие системы. Одну из них описали в статье в Cell исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, которые показали, что для очень важных генов в геноме припасено по несколько регуляторов – на случай непредвиденных ситуаций.

Гены существуют не сами по себе, они чувствуют условия, в которых оказалась клетка, и меняют активность так, чтобы приспособиться к этим условиям. Один из примеров – стволовые клетки можно омолодить голодом: он заставляет их переключиться с расщепления углеводов на расщепление жиров, тем самым улучшая их регенеративные способности. А взрослые специализированные клетки можно превратить в эмбриональные стволовые, заставив их делиться в ограниченном прямоугольном пространстве: физические ограничения заставляют клетки переключить генетические программы.

Эмбриональные стволовые клетки отличаются от всех прочих стволовых клеток тем, что могут превратиться абсолютно в любой другой тип клеток – в клетки крови, клетки кожи, мышц и т. д. Их исследуют самым пристальным образом, потому что, во-первых, с ними связаны большие медицинские надежды – ведь легко представить себе выращенные из них на заказ органы и ткани. Во-вторых, через стволовые клетки можно подобраться к тайнам эмбрионального развития.

Что касается эмбриологии, то тут в уходящем году были опубликованы несколько статей, которые в совокупности составили одно из главных научных событий. (Тут следует понимать, что, говоря «эмбриология», мы имеем в виду большой комплекс дисциплин, которые объединились для решения определенных задач.) Развитие зародыша зависит от того, как ведут себя отдельные клетки, и если мы хотим увидеть клеточный концерт во всей целостности, мы должны определить активность генов в каждой отдельной клетке на каждой стадии развития эмбриона. Для этого нужно разобрать эмбрион по клеткам так, чтобы их не повредить; каждую клетку нужно снабдить меткой, чтобы знать, какое место она занимала в целом зародыше; наконец, нужно уметь прочитать РНК, синтезированную в одной клетке – именно по РНК, которые представляют собой копии с тех или иных участков ДНК, можно судить по активности тех или иных генов.

Методы, которые позволяют всё это делать, придумали сравнительно давно, но лишь сейчас они достигли того уровня совершенства, когда мы можем изучить эмбрион целиком. Три статьи в журнале Science на примере эмбрионов рыбы Danio rerio (полосатый данио) и шпорцевой лягушки подробно описывают, какие гены, где именно и когда именно работают в клетках эмбрионов. Исследователям пришлось проанализировать в одном случае около 92 000 клеток, в другом – около 137 000; естественно, тут понадобились особые, весьма изощрённые методы компьютерной обработки. В итоге в эмбриональном развитии и впрямь обнаружились некоторые важные сюрпризы, которые, очевидно, имеют отношение не только к рыбам и лягушкам, но и к другим позвоночным.

Развитие научных методов мало-помалу развеивает мистику, окружающую эмбриональное развитие и позволяет выявить в нём общие закономерности: так, исследователям из Рокфеллеровского университета удалось найти в человеческом зародыше фундаментальную структуру под названием зародышевый организатор. Он управляет развитием всего зародыша, но до сих пор зародышевый организатор видели только у животных. Исследователи из Кембриджа и Женевского университета сумели в буквальном смысле слепить эмбрион мыши из стволовых клеток: направляя его развитие с помощью молекулярных сигналов, они добились, чтобы у зародыша появились перед, зад, верх, низ, правая и левая стороны. Кто знает, глядишь, в будущем нас и впрямь ждут люди из пробирки, выращенные из стволовой клеточной массы.

Выше мы сказали, что гены знают, как меняются условия вокруг клетки (и внутри неё), и меняют свою активность сообразно обстоятельствам. И в таком изменённом состоянии они могут оставаться очень долго, нередко – всю жизнь. Боле того, такая инструкция – об изменённом состоянии некоторых генов – может переходить в следующие поколения. Подобные изменения в активности генов называются эпигенетической регуляцией, а передача изменений по наследству – эпигенетическим наследованием, которое не затрагивает сам генетический код, но происходит поверх него. У эпигенетической регуляции есть несколько молекулярных механизмов. Сначала её обнаружили у растений, потом у животных, а сейчас уже есть масса примеров того, как эпигенетические механизмы работают у людей. Например, известно, что у тех, кому приходилось сильно голодать, дети и внуки будут более предрасположены к диабету и ожирению; похожие данные есть и про психологический стресс.

Мы писали о том, что никотин влияет на ДНК через поколения и что позднее отцовство вредит потомству – и то, и другое, как считается, происходит именно посредством эпигенетической регуляции генетической активности. Исследователи из Института Солка показали, что недостаток материнской заботы сказывается на стабильности генома детёнышей – и тут тоже, очевидно, не обходится без эпигенетики. Однако в эпигенетической теме есть одна проблема – если эпигенетическая регуляция в пределах жизни одного индивидуума, в общем, понятна, то вот механизмы эпигенетического наследования до сих пор ясны не вполне. Исследователи продолжают искать молекулярные механизмы, которые объяснили бы, как образ жизни родителей может влиять на их потомство в нескольких поколениях. Мы рассказывали о двух недавних работах на эту тему: авторы первой сомневаются в одном из механизмов такого наследования, авторы второй предлагают для этого другой механизм.

Про динозавров и эволюцию

Гены мутируют, наследуются, меняют активность, и в результате древнейшие одноклеточные живые существа становятся многоклеточными, учатся плавать в море, потом – ходить по суше и дышать воздухом, на Земле появляются и исчезают динозавры, появляются – и пока не исчезают – люди. В общем, сейчас речь пойдёт о том, что примечательного, на наш взгляд, мы узнали про эволюцию в самом широком смысле, от происхождения жизни до появления современных людей.

Известно, что биомолекулы – белки, липиды и нуклеиновые кислоты – очень велики и сложны, однако они получаются из довольно простых молекулярных «кирпичиков». Сами же эти «кирпичики» можно сделать из совсем простого химического сырья. Например, «кирпичи» для рибонуклеиновых кислот вполне можно получить из цианистого водорода (HCN) и сероводорода (H2S). И цианистого водорода, и сероводорода было достаточно на Земле миллиарды лет назад, и условия для нужных химических реакций вполне подходили. Исследователи из Массачусетского технологического института несколько подправили рецепт зарождения жизни на Земле – по их мнению, вместо сероводорода в этом рецепте должен быть диоксид серы (SO2), которого в те времена тоже было предостаточно.

Но когда именно зародилась жизнь? Авторы статьи в Earth and Planetary Science Letters считают, что около 4,4 млрд лет назад, когда на новорожденной Земле ослабели метеоритные бомбардировки. А вот уже 3,2 млрд лет назад жизнь, вероятно, начала осваивать сушу – это были первые сухопутные микробы. (Отдельно стоит упомянуть статью в Science, написанную в соавторстве с российскими исследователями и посвящённую одному из древнейших ископаемых существ, дикинсонии – она оказалась не колонией бактерий, не грибом, а животным.) Еще спустя много, много сотен миллионов лет в океанах на мелководье появились позвоночные, часть которых отправилась осваивать океанские просторы, а часть начала передвигаться поближе к суше. И вот около 400 млн лет назад на сушу решились выйти самые смелые рыбы – произошло это, вероятно, там, где морской прилив оставлял временные водоемы.

Следующая наша остановка – динозавры и примкнувшие к ним птицы (мы вовсе не шутим – птицы, в отличие от всех прочих современных животных, действительно прямые потомки динозавров). В уходящем году мы узнали, что динозавры не могли показывать язык, что они несли цветные яйца, которые они по-особому размещали в гнезде, чтобы ненароком не раздавить. Над бродящими по земле динозаврами летали птерозавры, у которых, видимо, росли перья, хотя раньше считалось, что перьев у них не было. Потом и птерозаврам, и динозаврам, и морским ящерам, и ещё много кому пришлось вымереть, и их место заняли пересидевшие их звери и птицы. Нынешние птицы, кстати, произошли от очень небольшого количества видов, уцелевших после последнего великого вымирания; по образу жизни эти выжившие птицы были похожи на нынешних куропаток.

Ну и, наконец, люди. В эволюции человека было много волнующих моментов, и один из них – увеличение мозга. Почему он увеличился, какие именно факторы были тому причиной? Очевидно, таких факторов было несколько и один из важнейших – это, как полагают исследователи из Университета Сент-Эндрюс, жизненные проблемы: среди древних людей преимущество было у тех, кто лучше всего преодолевал трудности окружающего мира (хотя здесь всё не так очевидно, как кажется на первый взгляд). Если же говорить о конкретных молекулярно-генетических механизмах, то тут свою роль могли сыграть три гена, которые побуждают стволовые клетки в развивающемся мозге дольше делиться, тем самым увеличивая число будущих нейронов.

Но кроме мозга, у древних людей и их предков менялись и другие части тела. Весной в журнале PNAS появилась статья, в которой говорилось, что благодаря изменениям в анатомии человекообразные предки современных людей довольно быстро научились прямохождению. А авторы другой статьи, в Proceedings of the Royal Society B, пишут, что наши мышцы стали более выносливыми благодаря генетическому дефекту, случившемуся 2–3 миллиона лет назад – в результате наши предки могли подолгу преследовать добычу.

Ещё одна волнующая тема – взаимоотношения разных видов людей между собой. Мы до сих пор разбираемся с неандертальским генетическим наследством, которое осталось у нас благодаря скрещиванию между человеком разумным и человеком неандертальским. Homo sapiens, придя в Европу из Африки, вероятно, защищался от незнакомых инфекций с помощью неандертальских генов – неандертальцы жили здесь давно и успели приспособиться к местным болезням. А многие современные люди до сих пор донашивают неандертальские черепа – в том смысле, что на форму их черепа влияют остатки неандертальской ДНК, задержавшейся в нашем геноме. Если учесть, что человек разумный скрещивался не только с неандертальцами, но и с денисовским человеком, картина нашего доисторического генетического наследства на деле ещё более сложна.

Не стоит думать, что антропологи и генетики занимаются только делами давно минувших дней. Например, известно, что Y-хромосома у современных мужчин не отличается разнообразием вариантов. И, как показали исследователи из Стэнфорда, причина тому – межклановые войны в позднем неолите. Мужчин тогда стало очень мало, и сработал известный эволюционный эффект «бутылочного горлышка». Общие закономерности эволюции помогают объяснять и другие наши особенности. Так, высокую социальность человека как вида можно отчасти объяснить тем, что мы сами себя одомашнили. А то, что женщины стареют хуже мужчин, может быть эволюционным следствием менопаузы. Естественный отбор поддерживает те гены, которые сохраняют здоровье пожилым мужчинам, даже если эти гены вредят женщинам – пожилые женщины, которые после наступления менопаузы уже не могут рожать, становятся бесполезны для популяции.

И последнее. Наверняка многие заметили, что в наших биологических итогах года нет Нобелевской премии по химии – хотя она и по химии, дали её за вполне биологические достижения. Но также наверняка многие помнят, что в обоих наших материалах, посвящённых Нобелевской премии по химии, и в статье на сайте, и в статье в декабрьском номере журнала, есть слово «эволюция». И поэтому мы вспоминаем про премию именно сейчас.

Нобелевские революционные методы в создании новых белков опираются на эволюционный подход: мы создаём популяцию разных молекул и потом отбираем из них те, что лучше всего годятся для наших целей – подобно тому, как мы отбираем коров, что дают больше всего молока, или кур, что несут больше всего яиц. Как видим, теория эволюции не просто помогает отвлеченно осмыслять мир вокруг, не просто помогает постигать тайны древней жизни и погружаться во взаимоотношения между доисторическими людьми, но и приносит непосредственные практические плоды.

Кирилл Стасевич

Источники

Чем занимались биологи в 2018 году - часть первая
Наука и жизнь (nkj.ru), 30/12/2018
Чем занимались биологи в 2018 году - часть вторая
Наука и жизнь (nkj.ru), 31/12/2018

Похожие новости

  • 31/10/2018

    Лев Овчинников: главная радость - когда эксперимент показывает то, что предполагалось

    ​Наукоград Пущино, центр биологических исследований Российской академии наук, основан в середине 1960-х годов исключительно как научный центр, и все его жители так или иначе связаны с наукой. Один из десяти институтов Пущино - Институт белка, где и работает в недавнем прошлом его директор Лев Овчинников, ведущий молекулярный биолог страны, академик РАН.
    427
  • 12/03/2019

    Российский генетик – о мутациях и суперинтеллекте

    ​Давно миновало время, когда генетику считали лженаукой, запрещали и не принимали всерьёз. В наше время именно она будоражит воображение - возможности генетики и геномики превосходят самые смелые ожидания.
    439
  • 11/03/2019

    Иммунотерапия — главный прорыв в лечении рака

    Какие новые методики помогают побороть онкологию? Как родить здорового ребенка, если у вас плохая наследственность? Почему до сих пор не придумали лекарство от старости? На эти и другие вопросы отвечает кандидат биологических наук, заведующий лабораторией постгеномных исследований института молекулярной биологии имени Энгельгардта, руководитель ЦКП «Геном», сотрудник онкологического института имени Герцена и лауреат Президентской премии в области науки и инноваций для молодых ученых Анна Кудрявцева.
    1268
  • 30/08/2019

    Протоны спасения

    ​Лучевая терапия позволяет эффективно лечить онкозаболевания. Преодолеть отставание России в этом направлении позволят открытие протонных центров и улучшение технической и кадровой базы радиационной онкологии в целом.
    279
  • 15/10/2016

    Александр Карлин - о развитии инноваций на территории Алтайского края

    ​Одним из важных направлений работы по формированию региональной инновационной системы является создание и развитие на территории региона инфраструктуры для коммерциализации научных разработок и технологической модернизации в регионе.
    2394
  • 16/05/2019

    Россия включается в глобальную гонку в области генного редактирования

    В соответствии с принятой в России программой, на финансирование которой планируется потратить 1,7 миллиарда долларов, в ближайшие десять лет планируется создание 30 генетически отредактированных растений и животных.
    425
  • 23/09/2019

    Российские врачи рассказали о том, как выявляют и лечат самый агрессивный рак мозга

    ​Глиобластому  - рак мозга - трудно распознать на ранних стадиях, а когда опухоль становится агрессивной, лечение не всегда эффективно. СМИ со ссылкой на врачей утверждают, что у актрисы Анастасии Заворотнюк глиобластома.
    169
  • 27/08/2018

    Эксперты считают драйверами развития Новосибирской области медицину и электронику

    ​Стратегия развития Новосибирской области до 2030 года, предполагающая обеспечение экономического роста региона, должна быть принята в 2018 году. Региональные эксперты и представители крупных предприятий рассказали ТАСС, какие отрасли должны в нее войти и чем может помочь им государство.
    654
  • 19/04/2017

    Ученые установили, что управляет термогенезом

    ​Ранее считалось, что в термогенезе - процессе выработки тепла - ключевую роль играют макрофаги, один из видов белых клеток крови. Однако ученые из Школы медицины Икан на горе Синай (Icahn School of Medicine at Mount Sinai) в США во главе с профессором медицины Кристофом Бюттнером (Christoph Buettner) доказали, что за термогенез отвечает мозг.
    1478
  • 11/09/2019

    Специалисты Центра Мешалкина представили мировому научному сообществу новый метод лечения смертельного заболевания

    Результаты научных исследований Центра Мешалкина, посвященные применению оригинальной технологии хирургического лечения легочной гипертензии, вызвали большой интерес мирового научного сообщества. Доклады специалистов учреждения по данной тематике были признаны одними из лучших в программе ежегодного конгресса Европейского общества кардиологов (ESC Congress 2019).
    239