Биотехнология - Ю.О. Сазыкин 2006

Общая биотехнология
Геномика и протеомика
Геном человека - Генотерапия

Сравнивая гены, ученые смогут выявить связи разных генетических вариаций и мутаций со всевозможными заболеваниями.

Прогресс в познании человека привел к возникновению такого важного практического приложения геномики к медицине, как генотерапия. С ее помощью можно лечить многие наследственные заболевания, которые дифференцируются на моно- и полигенные.

Моногенные заболевания на молекулярном уровне сводятся к дефекту какого-либо одного белка в клетке — фермента транспортного или структурного белка. Во-первых, белка может не хватать, а, во-вторых, его функции могут быть нарушены. Так, мутация, в результате которой изменяется активность того или иного фермента, может приводить или к накоплению токсичного субстрата, или к дефициту соединения, необходимого для нормального функционирования клетки; мутация в гене, кодирующем структурный белок, — к серьезным нарушениям клеток, тканей или органов.

Кроме того, мутация в гене, экспрессирующемся в одной ткани, может сказаться самым серьезным образом на другой ткани и привести к появлению множества симптомов. Например, мутация в гене печеночного фермента фенилаланиндегидроксилазы, в результате которой блокируется превращение фенилаланина в тирозин, приводит к повышению уровня эндогенного фенилаланина в крови, неправильному формированию миелиновой оболочки вокруг аксонов нервных клеток ЦНС и, как следствие, — к тяжелой умственной отсталости.

Полигенность заболевания означает, что несколько белков в клетке обладают теми или иными дефектами. В каждой ткани организма экспрессируется свой набор из всей совокупности генов, но есть мутации, которые приводят к болезням, затрагивающим буквально все органы и ткани: мышцы, глаза, печень, кости, сердце и т.д. Отметим, что такие болезни, как рак и гипертония считаются полигенными. Некоторые ненаследственные и инфекционные болезни, в частности вирусной этиологии, также причисляются к полигенным.

Вполне естественно, что проведение гемотерапии при моногенных заболеваниях показывает лучшие результаты. При этом ген, с которым ведется работа, должен быть не только картирован, но и идентифицирован (должна быть известна его функция). К настоящему времени картировано около одной тысячи генов, включенных в процесс возникновения и развития моногенных наследственных заболеваний, из которых идентифицировано всего несколько сотен.

При генотерапии требуются предварительное создание рекомбинантной генетической конструкции с нормальной «здоровой» копией дефектного гена, а также создание для этой конструкции вектора, переносящего ее в клетки организма. Для нормального функционирования гена необходимы специфические для каждого гена цис- и трансрегуляторные последовательности. Первые (цис) локализованы в той же хромосоме и могут быть непосредственно сцеплены с геном или находиться на некотором расстоянии от регулируемого ими гена, выступая в качестве промотора; вторые (транс) располагаются в других хромосомах.

Методы введения генов в клетки-мишени при генотерапии весьма разнообразны, но в большинстве случаев недостаточно эффективны. Это связано с встраиванием чужеродной ДНК в геном только небольшого процента клеток ткани, а также с разрушением ее нуклеазами и т.д. Обнадеживающие результаты получены при использовании генов, «упакованных» в липосомы.

В настоящее время наиболее перспективным путем переноса генов при генотерапии является включение их в векторы, построенные на основе ретро- или аденовирусов. Конечно, здесь прежде всего возникает вопрос о безопасности подобных векторов. Вирусы генетически модифицируются так, чтобы при сохранении способности проникать в клетку они теряли бы способность к автономной репликации.

Для направленной доставки сконструированной последовательности учитывается различный тропизм разных вирусов к определенным видам тканей. Так, представители аденовирусов высокотропны в отношении клеток эпителия дыхательных путей, вирус герпеса высокотропен в отношении нейронов ЦНС и т.д. В перспективе планируется проводить гемотерапию с помощью целых рекомбинантных хромосом, что позволяет оперировать рядом генов и их регуляторных последовательностей одновременно.

Современная генотерапия направлена только на соматические, а не на половые (зародышевые) клетки.

Генотерапия ex vivo (вне организма) означает, что нормальная копия гена вводится в соматические клетки, предварительно извлеченные из организма пациента. Исправленные клетки наращиваются и вводятся пациенту трансфузией или трансплантацией. При этом рекомендуется использовать клетки именно от этого больного и их «исправленное» потомство возвращать ему же, что снимает проблему отторжения клеток за счет врожденного иммунитета. Тем не менее использование только аутологичных клеток сужает возможность генотерапии, поэтому разработаны разные методы защиты от иммунного ответа и неаутологичных клеток, которые включают, в частности, применение иммуносупрессоров.

При генотерапии in vivo доставка нормального гена осуществляется непосредственно в ткани человека (в клетки определенных тканей). При этом промотор гена должен быть трансспецифичен.

Перечень наследственных болезней, связанных с недостаточностью того или иного фермента, возрастает по мере раскрытия их биохимического механизма. Соответственно и подходы к реализации теоретических возможностей генотерапии привлекают все большее внимание и конкретизируются. В качестве примера можно привести использование генотерапии в лечении муковисцидоза. Ген муковисцидоза — муковиснидозный трансмембранный регулятор (МТР) кодирует мембранный белок — муковиснидозный трансмембранный регулятор проводимости (МТРП). Основная функция МТРП — создание регулируемого циклическим 3,5-аде- нозинмонофосфатом (цАМФ) хлорного канала. Мутации в гене ведут к изменению количества или структуры данного белка, что нарушает транспорт ионов хлора и воды через мембраны клеток эпителия ряда органов. Выделяемая при этом экзокриновыми железами слизь обезвоживается, и вязкость ее повышается. Это приводит к воспалению и размножению инфекционных агентов (вторичная патология). При муковисцидозе наиболее сильно поражаются легкие (бронхи).

Предпосылками для применения генотерапии при муковисцидозе послужили положительные результаты, полученные на клеточных культурах. Введения только одной копии нормального гена в клетку с дефектным геномом было уже достаточно для нормализации ионного транспорта. Еще более обнадеживало, что достаточно было «исправить» 10% общего числа клеток в монослое, чтобы добиться нормализации транспорта хлора во всем монослое (вероятно, за счет обмена ионами между соседними клетками). Оказалось, что особенно строгая регуляция функций нормального чужеродного гена, кодирующего белок МТРП, не нужна: этот белок (при его избыточном синтезе) не токсичен.

После подробных доклинических исследований генотерапия муковисцидоза была апробирована в клинике. Нормальный ген в составе модифицированных аденовирусов доставлялся в клетки эпителия легких с помощью липосом. Однако результаты генотерапии в клинике оказались не столь блестящими: из нескольких сотен случаев только отдельные опыты оказались удачными. Тем не менее сам по себе переход от экспериментов в области генотерапии муковисцидоза к клинике является большим успехом. По- видимому, на практике генотерапия муковисцидоза будет в перспективе сочетаться с антибиотико- и ферментотерапией, которые в настоящее время хотя и продлевают жизнь больного, но не ведут к полному излечению.

Генотерапия постепенно начинает привлекать все большее внимание научно-популярных изданий и СМИ. Несколько десятков технологий генотерапии разных заболеваний прошли апробацию на тысячах больных и добровольцах в США, Англии, Франции и других странах. В ряде клиник испытания прошли благополучно. Первая фаза клинических испытаний, как известно, направлена на проверку безопасности нового средства (метода) лечения. Имеются сообщения о нескольких случаях возникновения лейкемиеподобных заболеваний после клинической апробации некоторых технологий генотерапии. Отмечается, что во всех таких случаях использовались векторы на основе ретровирусов. Сообщается также об отдельных случаях, когда введенный ген экспрессировался не столь длительно, как было запланировано.

Однако несмотря на то, что первые испытания в клинике прошли менее успешно, чем ожидалось на основе данных доклинических испытаний, а применение некоторых видов технологий генотерапии в их сегодняшнем виде временно остановлено, в целом эти испытания продолжаются и технологии совершенствуются. Тем более что при безнадежном состоянии больного врач с согласия или по требованию последнего может проводить испытания технологий даже при определенных сомнениях, возникших в ходе их доклинической апробации.