ВЫСОКОТОЧНОЕ ОРУЖИЕ ПРОТИВ ВИРУСОВ
Ученые используют информационные молекулы для направленного
воздействия на гены вирусов.
На вопросы отвечает член-корреспондент РАН
Валентин Викторович ВЛАСОВ,
директор Института биоорганической химии СО РАН.
-- Валентин Викторович, сегодня даже непосвященным хочется
понять, в чем же заключается направленное воздействие на геномы
живых организмов. Все чаще звучит термин "ген-направленное
воздействие". Что это такое?
-- Если говорить о ген-направленном воздействии на организм, то
здесь вопрос можно разбить на два: воздействие химическими
соединениями, синтезируемыми химиками, и воздействие веществами,
продуцируемыми в клетке искусственно введенными генетическими
конструкциями.
Вообще этот термин -- ген-направленное воздействие -- появился не
так давно. Четко идея ген-направленного воздействия была впервые
сформулирована в Сибирском отделении Российской академии наук в
60-х годах. Хотя ученые с давних пор мечтали о том, что хорошо бы
сделать такую волшебную пулю, которая бы попадала в определенный
ген или убивала бы избирательно патогенную бактерию или вирус, не
принося вреда человеку.
-- А! Волшебные пули Пауля Эрлиха!
-- Да, именно с него все начиналось, именно он ввел понятие
избирательной токсичности и начал скрининг химических соединений
с целью поиска лекарственных препаратов. Термин с его фамилией
вошел в учебники. Применительно к гену это стало говориться
тогда, когда стало ясно, как устроены ДНК и РНК. Четко
сформулированная идея о том, как добиться избирательности при
действии на гены, вышла из Новосибирского института органической химии СО РАН,
из отдела, возглавлявшегося академиком Д.Кнорре. Его сотрудница
Нина Ивановна Гринева сформулировала эту идею и доказала
возможность ее реализации.
Первая публикация появилась в 1967 году. А идея была простая:
использовать принцип комплементарного взаимодействия нуклеиновых
кислот для того, чтобы сделать биологически активные вещества.
ДНК состоит из двух цепочек и последовательность нуклеотидов --
составляющих компонентов ДНК -- в одной цепочке точно
соответствует другой цепочке. За счет взаимодействия этой
цепочки, они могут друг друга как бы узнавать. Такие
взаимодействия цепочек называют комплементарными. То есть, если
взять один кусочек ДНК, то он может узнать комплементарно
подходящий ему кусочек ДНК и с ним связаться. Принцип узнавания
заложен самой природой.
-- Как бы подсказан?
-- Это не только подсказка, это прямо инструкция -- как сделать.
Идея достаточно простая, но в те годы она казалась совершенно
нелепой, потому что тогда ДНК синтезировать не умели, непонятно
было, где взять сам олигонуклеотид, и как все это вообще
проделать. Выглядело, в сущности, фантастически.
Н.Гринева предложила для направленного воздействия на гены взять
комплементарные им олигонуклеотиды и присоединить к ним
химический реагент. В качестве реагента она взяла так называемое
алкилирующее соединение, которое может химически реагировать в
ДНК, присоединяться к ней. Расчет был на то, что олигонуклеотид
свяжется со своим целевым геном, где он комплементарен, и
принесет с собой реагент прямо туда, где нужно подействовать на
ДНК. Большие усилия были потрачены на то, чтобы научиться
синтезировать олигонуклеотиды, научиться присоединять к ним
реагенты. Потребовалось несколько лет напряженной работы
небольшого, но дружного коллектива химиков, чтобы понять --
принцип работает. Он и должен был работать, предвидение было
абсолютно точным. Н.Гринева назвала свои реагенты комплементарно
адресованными, поскольку входящие в их состав эти фрагменты
ДНК-олигонуклеотиды выполняли роль адреса, направляя реагенты на
определенные гены.
За рубежом аналогичные исследования начались гораздо позже, когда
результаты новосибирских ученых были опубликованы и стали
известны на Западе. Американцы стали называть этот метод методом
антисмыслового действия, поскольку кодирующая или "смысловая
цепочка ДНК" -- это та, которая несет в себе закодированную
информацию о структуре белков, а комплементарная ей цепочка
называется антисмысловой. Олиигонуклеотиды для действия на
смысловую цепочку являются как бы кусочками антисмысловой
цепочки. Сейчас распространен этот термин: антисмысловые
олигонуклеотиды, антисмысловые агенты.
В 70-е годы в США, в лаборатории Пола Замечника, было показано,
что антисмысловые олигонуклеотиды могут тормозить развитие
вирусов. Результаты тех опытов были не очень убедительны с
научной точки зрения, но они привлекли внимание научной
общественности. После этого события развивались лавинообразно.
Это направление стало очень популярным. Образовалось сразу
несколько фирм в США; в университетах и институтах США и
западноевропейских стран закипела работа. Первое международное
совещание по антисмысловым олигонуклеотидам было проведено в
Новосибирске в 1990 году, на него приехали ведущие ученые, у нас
тогда завязались очень хорошие контакты... И вот тут начались
финансовые проблемы в нашей науке, а американские ученые,
познакомившись с нашими идеями, стали быстро развивать их в своих
лабораториях.
-- Работы, похоже, развивались с большим ускорением...
-- С 70-х годов количество публикаций в области антисмысловых
технологий нарастало лавинообразно с каждым годом. Их уже тысячи,
и к сегодняшнему дню антисмысловые олигонуклеотиды стали хорошим
рядовым инструментом для исследователей. Биологи используют их
для того, чтобы направленно воздействовать на гены. Если есть
предположение, что какой-то ген отвечает за определенную функцию,
они могут с помощью антисмыслового нуклеотида подавить функцию
этого гена и посмотреть, что произойдет с клеткой. Или же
подавить функцию гена у животного и посмотреть, как изменится
поведение животного, внешний вид.
Было показано, что антисмысловые технологии открывают
принципиально новые возможности в борьбе с инфекциями. У вирусов
и бактерий есть свои гены, которых у человека нет. Можно сделать
олигонуклеотиды, которые будут избирательно подавлять функции
только вирусных генов. Понятно, в первую очередь устремились на
больных СПИДом. Поскольку СПИД пока неизлечим и больные обречены,
достаточно легко получить разрешение на испытания.
Американцам удалось получить несколько противовирусных
препаратов, которые уже прошли клинические испытания на
нескольких вирусных болезнях, которые поражают уже больных
СПИДом. Проводились испытания на больных лейкемией: с помощью
олигонуклеотидов действовали на онкогены -- гены, за счет которых
раковые клетки быстро размножаются. На пациентах, больных не
столь опасными заболеваниями, пока широких испытаний не ведется.
Результат этих работ в том, что удалось доказать: с помощью
антисмысловых олигонуклеотидов можно изменить функционирование
определенных генов в организме и можно убить инфекционный агент,
не навредив при этом человеческой клетке.
-- Чем заняты в этом глобальном поиске российские ученые?
-- Сейчас в России есть программа "Новейшие методы биоинженерии"
и в ней -- большой раздел "Ген-направленные биологически активные
вещества", в задачи которого входит развитие антисмысловых
технологий. Наш институт является головным в работах по этой
проблеме. Оригинальные исследования в этой области развиваются в
нескольких московских институтах -- ИМБ РАН, ИБХ РАН, а также в
МГУ и Кардиологическом центре. Снова подчеркну, что за рубежом
направление быстро развивается. И хотя нас еще пока уважают, и во
всем мире признан наш приоритет в этом направлении, мы отстаем
все больше. Понятно почему -- в связи с совершенно недостаточным
финансированием. В настоящее время мы не можем себе позволить
вести работу по всему фронту, сосредоточились на проблемах, где
мы наиболее сильны. Это, в первую очередь, химические проблемы --
синтезируем модифицированные аналоги антисмысловых
олигонуклеотидов, совершенствуем их. Ведь на самом-то деле
используются не просто фрагменты ДНК, это химически измененные
аналоги, а к ним присоединяются определенные химические группы,
чтобы улучшить их фармакологические свойства. Мы исследуем, как
эти вещества реагируют с модельными нуклеиновыми кислотами в
пробирке, как они проникают в клетки....
-- У вас есть какие-то особые модели для испытаний?
-- Есть несколько уровней испытаний: первый -- просто в растворе,
когда исследуется взаимодействие олигонуклеотида с изолированной
нуклеиновой кислотой. Лишь только начинаем понимать, как работает
наш препарат, переходим к клеточным культурам. Берем клетки,
обычно опухолевые, или зараженные каким-либо вирусом, и смотрим,
как наш препарат действует в более сложных условиях. Обрабатываем
клетки, предположим, вирусом гриппа, и смотрим, как наш препарат
защищает клетку. А дальше -- опыты на животных.
До человека не доходим в первую очередь по экономическим
причинам. На человека нужно много исходных материалов, а
обходятся они невероятно дорого. Это уже совсем иной уровень
вложений. В России же сейчас все нужные составляющие для таких
исследований промышленно вообще не производятся. Кроме того,
сегодня есть еще и этические проблемы, нужно разобраться с
безопасностью препаратов.
-- Значит, ген-направленные вещества -- это биологически активные
вещества сверхизбирательного действия. А что вы считаете главным
результатом работы с ними на сегодня?
-- Главный результат в том, что получилась технология, и она в
принципе работает. Удается подавлять размножение вирусов,
определились подходы к подавлению размножения раковых клеток.
-- Вы отработали процесс на своих уровнях, а куда дальше эта
технология попадает?
-- Да пока что никуда. Требуются масштабные наработки препаратов,
нужны расширенные испытания -- а это большие деньги.
-- Вы говорили о том, что есть еще второй подход...
-- Второй метод, более биологический. В этом случае фрагменты не
синтезируют химическим путем, а создают генно-инженерные
конструкции, которые своим естественным путем продуцируют
олигонуклеотиды. Такая конструкция вводится в клетку, и она
продуцирует эти олигонуклеотиды внутри клетки. Обычно делают
конструкции, которые продуцируют длинные олигонуклеотиды, причем,
построенные не из ДНК, а из похожей нуклеиновой кислоты -- РНК.
Их называют антисмысловыми РНК.
Допустим, мы хотим сделать так, чтобы клетка не заражалась
каким-то конкретным вирусом. Для этого вводим в клетку
генетическую конструкцию, которая там производит антисмысловую
РНК, действующую избирательно на вирусную нуклеиновую кислоту. И
если в клетку попадет вирус и попытается размножиться, у него
ничего не выйдет. Антисмысловая РНК свяжется с вирусной РНК, и та
нормально работать не сможет.
Уже были получены устойчивые к вирусным инфекциям животные и
растения, содержащие антисмысловые РНК. На уровне зародышей
вводились соответствующие генноинженерные конструкции -- они в
отличие от химических живут вечно -- они там оставались в
качестве защиты. Своего рода вакцина.
-- Какая хорошая защита! Она наследуется?
-- Можно сделать так, чтобы конструкция работала только в данном
организме. Можно сделать эффект наследуемым. Это уже проблемы
генотерапии, здесь, кстати, есть и серьезные этические проблемы.
-- А можно сделать на этой основе какие-либо биотехнологии не
только для медицины?
-- Конечно. Один из первых экспериментов был проведен на цветах.
Введением генноинженерной конструкции продуцирующей антисмысловую
РНК блокировали производство пигментов и получили цветы другой
окраски.
Другой пример: всем известно, что помидоры при хранении быстро
раскисают. В США уже есть помидоры, в которых антисмысловая РНК
блокирует ген, который отвечает за фермент, из-за наличия
которого помидоры раскисают. Сделали так, что антисмысловая РНК
блокирует этот самый фермент, в результате помидоры долго
сохраняют упругость и не портятся. Это было сделано несколько лет
назад.
-- Валентин Викторович, но олигонуклеотиды по-прежнему остаются
основным объектом исследований в Новосибирском институте
биоорганической химии? Что вы хотели бы получить в конечном
итоге?
-- Работы с олигонуклеотидами продолжаются. Мы стремимся сделать
настоящие противовирусные и противоопухолевые препараты для
медицины. Нужно сделать препараты, обладающими комплексом важных
свойств. Нужно сделать так, чтобы вещество достигало своей цели,
чтобы оно было стабильным в организме, чтобы оно могло проникать
в клетку, чтобы оно эффективно инактивировало то, что нужно.
Здесь очень много работы -- нужно улучшать структуру, искать
какие-то новые варианты, которые наиболее хорошо подходили бы для
медицинского применения. И чтобы это не было вредно для
организма.
-- А еще что можно сказать про перспективные области применения
олигонуклеотидов?
-- Например, для исследователей -- такие вещества, чтобы
манипулировать нуклеиновыми кислотами в лаборатории, очень даже
полезны. Например, для расшифровки генома человека нужно уметь
расщеплять ДНК по определенным участкам. Вот мы и пытаемся
создать искусственно расщепляющие конструкции, олигонуклеотиды с
реакционноспособными группами, которые будут это делать.
Олигонуклеотиды очень важны для разработки диагностических
методов. Олигонуклеотиды, в силу своей способности узнавать друг
друга, в настоящее время рассматриваются как элементы для
создания микроэлектронных приборов. Для сборки фантастически
малых схем из молекул, поскольку они способны сами собираться в
определенные пространственные узоры...
-- Какая интересная идея!
-- Из них можно сделать самые различные пространственно
организованные системы, микроаппараты.
-- Применимые в новых поколениях ЭВМ?
-- Об этом давно говорят, но, похоже, к проблеме подошли уже
вплотную. Сейчас многие технологии опираются на нуклеиновые
кислоты, на законы, которые были открыты при их изучении. На их
основе можно сделать эффективные катализаторы, элементы для
будущих ЭВМ, сенсорные устройства, устройства для диагностических
целей...
-- А есть законченные работы такого типа?
-- Законченного пока мало. Это очень сложные технологии и
потребуются еще годы, чтобы мы увидели практически весь спектр
возможностей.
-- Что же все-таки есть на выходе в биотехнологиях? Где
олигонуклеотиды уже сейчас применяются? Чего еще можно в
ближайшее время ожидать от экспериментов по введению
генноинженерных конструкций в организм?
-- Есть диагностика, и уже давно, повсеместно применяется
полимеразная цепная реакция для детекции инфекционных агентов,
для детекции генетических дефектов. Олигонуклеотиды -- ключевые
элементы диагностических наборов. Почти на выходе ДНК-вакцины,
для защиты от любых инфекций, даже для защиты от опухолевых
заболеваний. У нас есть лаборатория, недавно включившаяся в
работы по генной иммунизации. Работы по вакцине против клещевого
энцефалита ведутся совместно с Институтом систематики и экологии
животных СО РАН. Создается вакцина против гриппа -- совместно с
учеными из МГУ и Института молекулярной биологии РАН.
Организована лаборатория генной диагностики. Исследования
поддерживаются грантами СО РАН, РФФИ, программ "Генотерапия" и
"Геном человека".
Если вернуться к антисмысловым РНК, здесь в ближайшее время можно
ожидать создания новых методов лечения людей, в первую очередь,
при проведении терапии действием на клетки вне тела пациента, как
говорят, ex vivo. Обрабатывают клетки костного мозга, выделенные
у пациента, а затем их ему вновь вводят. Смысл обработки: сделать
их, например, устойчивыми к вирусной инфекции. Они тогда дадут
потомство устойчивых клеток в организме. Обработка костного мозга
может проводиться для избирательного уничтожения в нем раковых
клеток. Пациент при этом получает терапию, убивающую все клетки
костного мозга. А затем ему вводят препарат, содержащий только
здоровые клетки. Сейчас у нас в Новосибирске открыт центр
пересадки костного мозга при Институте клинической иммунологии СО
РАМН. В этом институте профессором В.Козловым разрабатываются
очень интересные идеи. Антисмысловые олигонуклеотиды используются
для того, чтобы заставить избирательно размножаться определенные
виды клеток и тормозить размножение других клеток. Здесь
коллосальные возможности для лечения иммунных заболеваний.
-- Слово "технология" для меня тесно связано с производством...
Сегодня у нас просто нет современного производства. Хотя и
несовременного, наверно, почти не осталось. Мне кажется, сегодня
очень мало задумываются о том, что мы подошли к моменту, когда
нам вот-вот понадобятся кардинально новые предприятия, которые
будут работать на новых технологиях, в первую очередь, на
биотехнологиях. Это были бы более чистые, более экономичные
производства. То есть, принципиально новые и современные. Именно
они будут наиболее конкурентноспособны. Кто-то должен, в конце
концов понять, куда рентабельно вкладывать деньги... В науку,
которая создает новые высокие технологии.
-- Нужно надеяться. Например, направленное воздействие на гены --
это же фармакология будущего. С помошью олигонуклеотидов и
антисмысловых РНК мы ведь сможем излечить очень многие болезни.
Огромные возможности открывают генотерапия и генная иммунизация.
Кроме того, тут есть моменты, связанные с вопросами национальной
безопасности, о них, кстати, тоже мало задумываются. А стоит:
ведь воздействовать на гены можно не только с благородными
целями. Можно делать технологии не только для лечения. Это нужно
понимать и быть готовым к возможным проблемам.
-- Есть основания полагать, что новые технологии приведут к
появлению новых материалов для разных отраслей промышленности?
-- Да, для получения новых материалов сейчас созданы
принципиально новые комбинаторные технологии, и даже технологии
молекулярной эволюции. Молекулы с определенными, заданными
свойствами можно получать, как бы проводя эволюцию и селекцию в
пробирке. Сегодня есть методы, которые позволяют создать
молекулу, которая будет узнавать другую определенную молекулу.
Допустим, надо удалить наркотик из крови -- уже известно, как
можно сделать необходимую молекулу из ДНК или РНК. Достаточно ее
ввести в кровоток, и она свяжет наркотик, сделает его безвредным.
Или токсичные вещества из воды удалит...
-- Что вам лично хотелось бы как исследователю узнать и понять?
-- Есть гипотеза, что нуклеиновые кислоты могут играть в
организме роль переносчиков сигналов между клетками. И ДНК, и РНК
обнаруживаются не только в клетках, но и в межклеточном
пространстве... Они есть на поверхности клеток. Выяснилось, что
на поверхности клеток есть определенные рецепторы, которые
способны связывать нуклеиновые кислоты. Нам хочется разобраться:
действительно ли нуклеиновая кислота может играть роль
сигнального вещества для управления клетками, какие биологические
процессы протекают при взаимодействии нуклеиновых кислот с
клетками, какова роль рецепторов для нуклеиновых кислот. Хотелось
бы разработать реальный препарат для медицины на основе
антисмысловых олигонуклеотидов. Сейчас и у нас, и за рубежом,
произведено много различных аналогов олигонуклеотидов, которые
могут быть применимы для самых разных целей, но это все еще не
настоящие препараты, это их предшественники. Хотелось бы
воплотить в жизнь мечту Пауля Эрлиха -- сделать самонаводящуюся
волшебную пулю для борьбы с вирусами.
Интервью подготовила Ольга УШАКОВА, "НВС."
стр.
|
