Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века - Максим Франк-Каменецкий

За изобретение ПЦР Кари Мулис в 1993 году получил Нобелевскую премию по химии. Изобретение ПЦР повсеместно признано одним из самых главных прорывов в истории ДНКовых технологий, которая (эта история), как мы знаем, богата замечательными открытиями.

Существует две главные причины столь ошеломительного успеха этой, в сущности, крайне простой, если не сказать тривиальной, идеи. Во-первых, и это главная причина успеха, ПЦР работает потрясающе здорово, гораздо лучше, чем Мулис мог мечтать, когда идея впервые пришла ему в голову. Во-вторых, такой замечательный метод размножения ДНК оказался абсолютно незаменимым в бесчисленных биотехнологических приложениях. Если смысл жизни и впрямь состоит в ДНКовой цепной реакции, искусственная жизнь в данную минуту бурно процветает во многих тысячах ПЦР-машин в лабораториях всего мира.

Генно-инженерная фармакология

Первыми генной инженерией всерьез заинтересовались фармацевтические фирмы. Для них возможность сравнительно дешево производить практически любые белки в больших количествах открыла совершенно новые горизонты. Ведь помимо того, что белки – основные «рабочие молекулы» в клетке, они играют еще ключевую роль в регуляции процессов, идущих в организме в целом. Почти все гормоны – это небольшие белковые молекулы, содержащие от десятка до нескольких десятков аминокислотных остатков.

Раньше производство гормонов часто было весьма щекотливым делом. Хорошо еще, если, как в случае с инсулином, животный белок (из крупного рогатого скота или свиньи) может служить заменой человеческого гормона. Но во многих случаях это невозможно. Понятно, как фармацевтические фирмы ухватились за новые альтернативы. По их заказу генные инженеры в короткий срок получили штаммы бактерий, вырабатывающие различные человеческие гормоны.

Один пример – гормон роста. У некоторых детей из-за генетического дефекта не вырабатывается гормон роста, и без лечения они превращаются в карликов. Им необходимо вводить этот гормон, а взять его можно было в те времена, когда еще не было генной инженерии, только из человеческих трупов. Генная инженерия открыла путь к широкому производству этого гормона.

Другой пример – инсулин. Он необходим больным сахарным диабетом – недугом, распространенным весьма широко. Хотя большинство больных успешно обходятся животным инсулином, некоторым необходим человеческий, так как животный белок вызывает у них аллергию.

Но наибольший интерес вызвала возможность получения человеческого интерферона. Хотя о нем говорили давно, во многом он оставался загадкой. Твердо было установлено лишь то, что интерферон – белок, обладающий очень эффективным антивирусным действием, причем действие это универсально, интерферон эффективен против самых разных вирусов. Иными словами, интерферон для вирусов – это то же самое, что антибиотики для бактерий. Но с одним важнейшим отличием.

Антибиотик эффективно подавляет бактериальное заражение в любом организме, лишь бы бактерия не несла гены устойчивости к нему. Интерферон обладает видовой специфичностью – в организме человека подавлять вирусную инфекцию может только человеческий интерферон, в крайнем случае – обезьяний. И хотя борьба с вирусами (против которых антибиотики бессильны, и, вообще, кроме вакцин, до недавнего времени не было эффективных средств борьбы) – это проблема номер один, наладить получение достаточно дешевого и чистого интерферона не удавалось. О том, насколько плохо обстояло дело, можно судить по тому, что не получалось даже определить его аминокислотную последовательность. Генная инженерия в короткий срок, буквально за год, радикально изменила ситуацию.

В случае с интерфероном были реализованы два способа заставить клетку вырабатывать чужеродный белок, о которых шла речь в главе 4. Из клеток крови человека, в которых производство интерферона было стимулировано вирусной инфекцией, выделили интерфероновую мРНК, на ней синтезировали с помощью ревертазы ген интерферона, внедрили его в плазмиду и так получили первый бактериальный штамм, вырабатывавший искусственный интерферон. Удалось добиться очень высокой производительности. Была определена полная аминокислотная последовательность интерферона.

Тогда наступила очередь второго способа – чисто химического. По аминокислотной последовательности была построена нуклеотидная последовательность гена интерферона, и этот ген был синтезирован. Его опять же встроили в плазмиду и получили еще один штамм, вырабатывающий интерферон.

Искусственный интерферон оказался весьма эффективным противовирусным препаратом. Были сделаны такие опыты. Взяли шесть обезьян и разделили их на две равные группы. Всем обезьянам ввели вирус энцефаломиокардита, и так как у них не было иммунитета к этому вирусу, то всем им суждено было погибнуть. Действительно, три обезьяны, входившие в первую, контрольную группу, погибли через несколько дней после заражения. Второй группе обезьян за четыре часа до заражения, а также несколько раз после него вводили внутривенно искусственный интерферон. Все три обезьяны остались живы.

Получение искусственного интерферона позволило приступить к широким биологическим и клиническим испытаниям препарата. В результате интерферон уже используется для лечения ряда вирусных заболеваний, таких как гепатит и венерические болезни, вызываемые вирусом папилломы. Без генной инженерии интерферон остался бы до сих пор, да и надолго, многообещающим, но загадочным белком.

Другим обширным полем применения генной инженерии в медицине и сельском хозяйстве стало производство вакцин. Вакцинация – это самое действенное средство предупреждения вирусных эпидемий. Обычно используют убитые вирусы, у которых тем или иным способом выведена из строя ДНК (или РНК), но белки сохранены. После введения в организм к белкам этих убитых вирусов вырабатываются антитела, так что если в дальнейшем в него попадают «живые» вирусы, то они узнаются этими антителами и обезвреживаются иммунной системой.

Многие болезни, от которых раньше умирали миллионы людей (прежде всего оспа), были полностью ликвидированы благодаря вакцинации. Но есть вирусы, от которых избавиться не удается. Для человека это прежде всего ВИЧ и вирус гриппа, для домашних животных – вирус ящура. Вакцинация приводит в борьбе с этими вирусами лишь к частичным успехам.

Одна из причин этого – большая изменчивость вирусов. Вирусы часто мутируют, в их белках происходят отдельные замены аминокислот, и «старые» антитела уже не узнают эти белки. В результате вакцинацию приходится проводить вновь и вновь. У частой вакцинации, проводимой в гигантских масштабах, есть крупный недостаток. Трудно обеспечить полную незаразность вакцины, т. е. получить гарантию, что абсолютно все вирусные частицы в вводимом препарате убиты. А раз так – вакцина может обернуться не спасением, а бедствием, источником эпидемии.

Генная инженерия позволяет, в принципе, получать абсолютно безвредную вакцину. Нужно заставить бактерию вырабатывать один (или несколько) из белков оболочки вируса, и этот белок использовать для вакцинации. В этом случае вакцина вообще не содержит инфекционного начала (ДНК или РНК) и поэтому не может возбудить болезнь, хотя должна пробудить иммунитет. Такая вакцина принципиально нового типа была получена и испытана. Опыты проводились с одним из белков оболочки вируса ящура. Испытания дали неплохие результаты, хотя оказалось, что иммунизация такой вакциной приблизительно в 1000 раз менее эффективна, чем в случае убитого вируса.

Однако многие эпидемиологи считают, что подобные принципиально новые вакцины пока вряд ли найдут широкое применение. Их скептицизм исходит из того, что такие вирусные заболевания, как гепатит и СПИД, наиболее широко распространены в развивающихся странах, где уровень здравоохранения недостаточен для восприятия этих слишком новых и сложных методов вакцинации. Они ссылаются на то, что наиболее крупный успех в искоренении вирусной болезни в мировом масштабе был достигнут при применении живой вакцины против оспы.

Эта история, которой по праву гордятся эпидемиологи, началась очень давно, когда оспа еще свирепствовала в Европе. В 1798 году английский врач Эдвард Дженнер обратил внимание на то, что доярки, переболевшие легкой формой оспы, которой они заражались от коров, в дальнейшем уже не болеют оспой. Он стал нарочно заражать здоровых людей коровьей оспой и таким образом защищать их от настоящей оспы. Так было положено начало вакцинации (само слово «вакцина» по-латыни означает «коровий»).

Много позже, когда благодаря изобретению Дженнера оспа была уже практически искоренена в Европе, выяснилось, что оба типа оспы вызывают вирусы. Они хотя и разные, но родственные. Некоторые белки, расположенные на поверхности коровьего вируса, названного вирусом осповакцины, идентичны поверхностным белкам вируса оспы. Поэтому иммунная система, приведенная в состояние боевой готовности после вакцинации, т. е. прививки вируса осповакцины, отлично защищает и от вируса оспы.