Гени та генна терапія

Сергій Львович Кисельов, д.б.н., проф., зав. лаб. молекулярної генетики раку Ін-ту біології гена РАН.

Кілька років тому на рівні глав держав, як велике досягнення людства, було всесвітньо заявлено про прочитання первинної послідовності генома людини, що включає приблизно близько 30-40 тис. генів. Що ж таке ген, для чого він потрібен в організмі і чому його можна використовувати як терапевтичне засіб?

Існування одиниці спадковості, тобто якоїсь умовної одиниці, яка визначає передачу тієї або іншої ознаки від батьків до дітей, передбачив ще в позаминулому столітті Грегор Мендель. Скрупульозно спостерігаючи за горохом в ряду поколінь, він вивів свої знамениті закони. У першій половині минулого, XX ст., ці закони розвинув Томас Морган. Для цілого покоління російських вчених менделізмом-морганізм означав клеймо, за який або засилали, або просто примушували відректися від своїх переконань. До другої половини XX ст. стало більш або менш зрозуміло, що являє собою одиниця спадкової інформації. Її матеріальний носій, ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), що знаходиться в ядрі клітини, служить якоюсь матрицею, що дозволяє завдяки закладеної в ній програмі існувати всього живого, від вірусів до людини. Ця можливість реалізується через два універсальних механізму, закладених у структурі та коді ДНК: реплікації і транскрипції. Реплікація - процес відтворення: ланцюги двуцепочечной молекули комплементарні, завдяки чому вона сама добудовує себе і таким чином забезпечується ідентичність. У ході транскрипції з одного ланцюга синтезується рибонуклеїнова кислота (РНК), з якою вже зчитуються функціональні білки, з яких побудоване все живе.

Навіщо такий складний механізм? Оскільки унікальна послідовність всіх нуклеотидів - цеглинок ДНК - неймовірно велика (кілька мільярдів нуклеотидів), копіювання такої кількості неможливо без якихось помилок. Одні усуваються в ході синтезу ДНК (репарація), інші на етапі синтезу РНК, третій при синтезі білків. Однак система не досконала, і трапляються помилки, які дають початок мутацій. Одні з них - шкідливі, можуть призводити до передчасної загибелі організму, інші - позитивні, дають йому деякі переваги, а третій - Байдужі в межах якогось періоду часу.

Відомо, що майже всі захворювання так чи інакше пов'язані з порушенням роботи генів, тобто з негативними мутаціями. І генна терапія як один з підходів молекулярної медицини спрямована на те, щоб так чи інакше відновити контроль за роботою і функцією гена. В одних випадках, коли хворі клітини втратили функцію будь-якого гена, її необхідно відновити. Здійснюється це шляхом фізичного перенесення гена в організм і далі в клітку. В інших випадках, коли хвороба викликається надмірною функцією, не властивої нормальній клітині (наприклад, при раку або інфекційних захворюваннях), роботу гена треба придушити.

Принципове відміну генної терапії від будь-якої іншої в тому, що вона спрямована на усунення не симптоми захворювання, а його першопричини. У недалекому майбутньому завдяки створення генетичної карти кожної окремої людини можна буде передбачити, а, значить, і запобігти ймовірну схильність до захворювань. Деякі з них вже сьогодні можуть служити об'єктом генної терапії (табл. 1).

Складові генної терапії

Минуло 15 років з того моменту, коли почалися випробування генного впливу на дітей з дефектом гена ферменту аденозіндезамінази (ADA). В організм вводили аденовірус, який кодували відсутній фермент. Вірус проникав у клітини, і тоді генетично модифіковані клітини синтезували аденозіндезаміназу. Така терапія дозволила майже втричі скоротити лікарське лікування, вартість якого становила 60 тис. дол на рік.

В Нині у світі проводиться безліч клінічних випробувань із генної терапії тих чи інших захворювань (рис.1). За минулі роки генна терапія зазнала цілий ряд підйомів і падінь, які були викликані широко розрекламованими, але не виправдали очікувань. Це пов'язано в першу чергу з тим, що комерціалізація і застосування технологій стали випереджати процес пізнання законів природи. Розвиток генної терапії можна порівняти з еволюцією біотехнології, яка на початку 80-х перебувала в дуже глибокій кризі, а тепер займає провідне положення нарівні з інформатикою.

Рис.1. Діаграми кількісного розподілу пацієнтів за типами захворювань (вгорі) і по типу використання векторів.

Сьогодні існує два типи генно-терапевтичного впливу: ex vivo і in vivo, але в будь-якому випадку цей вплив виявляється на соматичні клітини, а не на клітини зародкового шляху. У разі eх vivo підхід індивідуалізований: генно-інженерні маніпуляції спочатку проводять з клітинами пацієнта in vitro, потім уже ці генетично оброблені клітини потрапляють назад в організм. У випадку in vivo ген вводять в організм пацієнта в складі векторної молекули.

До теперішнього часу всі клінічні дослідження сфокусовані на внесенні додаткових генів, а не на корекції існуючих або на їх заміщення, що значно складніше. Але в будь-якому випадку ген необхідно доставити у все, в будь-які або в будь-які певні типи клітин і тканин. Звідси випливають два важливих виводу. По-перше, невід'ємність генної терапії від Т-клітин і, як наслідок, відсутність генної терапії як такий, а реальне існування генно-клітинної терапії. Обидва ці терміни ми надалі будемо ототожнювати. По-друге, як і для будь-якого виду лікарської терапії, основною проблемою залишається доставка чинного початку (у нашому випадку гена) в потрібне місце і з високою ефективністю. Транспорт та прояв потрібного гена у клітині забезпечує вектор, до якого "прикріплюються" гени або їх фрагменти. Вектор - широке поняття: це загальна назва "транспортного засобу" для цілеспрямованої доставки того чи іншого речовини, і не тільки гена, а будь-яких, навіть таких традиційних ліків, як анальгіну або аспірину. Лікарський препарат, потрапляє в організм, як правило, традиційним шляхом, діє майже на всі клітини, а треба подіяти або на певну групу клітин, або навіть на ділянку геному, специфічний для певної групи клітин. З іншого боку, транспортуються речовина необхідно "захистити" від пошкоджень. Сьогодні сама велика проблема медицини, яку намагаються вирішити десятки біотехнологічних компаній, - спрямована, тобто векторна доставка та її ефективність.

Для генної терапії вектори бувають або синтетичними (засновані на полімерних матеріалах, наприклад ліпосоми), або "натуральними", тобто природного походження (найчастіше це віруси або плазміди). Віруси, які застосовуються тут в як векторів, позбавлені своїх шкідливих властивостей і практично безпечні для людини. Але, на жаль, реально можлива недоробка в технології. Тому є приклади, які стали однією з основних причин тимчасового спаду інтересу до цього напрямку медицини. Так, наприкінці 90-х була зафіксована смерть від генної ованіях, що відносяться до другої групи. Тут джерелом пухлинних антигенів служать самі інактивовані пухлинні клітини, які для подолання толерантності генетично модифікуються, щоб секретувати різні цитокіни, такі як інтерлейкін-2, -4, -7, інтерферон, фактор, що стимулює ріст колоній, і цілий ряд інших. Всі перераховані цитокіни беруть участь у формуванні придбаного імунної відповіді. Більшість пухлинних клітин, модифікованих для продукції певних цитокінів, in vitro не уповільнює своє зростання. Однак in vivo ріст пухлини значно уповільнюється, що говорить про активацію імунної відповіді організму завдяки цитокінами. Механізми цього процесу до кінця не ясні і можуть відрізнятися для різних цитокінів. Проте використання інактивованих цитокіни-продукують пухлинних клітин для імунізації пацієнтів застосовується в клініці, проте його ефективність складає 3-4%.

До третьої групи відносяться вакцини на основі дендритних клітин пацієнта, які навантажуються поза організмом (ex vivo) пухлинними антигенами у вигляді пептидів або клітинних лизати. Ефективність такої вакцинації, а саме випадки часткового регресу пухлини, складає 7-7.5%.

Як видно з наведених клінічних даних, ефективність терапевтичних вакцин досить низька. Як це пояснити і як підвищити їх ефективність?

Для того, щоб розібратися зі складним процесом можливого протипухлинного відповіді, зробимо невеликий екскурс в теорію імунної відповіді. У спрощеному вигляді імунна система атакує те, що має ознаки "чужого" або/і не має ознаки "Свого". Еволюціонуючи, імунна система повинна була протистояти, в першу чергу, зовнішньої інфекції, яка не має ознак "свого", але несе ознака "чужого". Але трансформація власних клітин організму і, як наслідок, відсутність ознаки "чужий", а в той же час присутність ознаки "Свій", призводить до виникнення толерантності у ставленні переродившись клітин. У даному випадку ми навіть не розглядаємо ті пухлини, які самі "Навчилися" розпізнавати і атакувати клітини імунної системи, наприклад, через Fas лігандзавісімий лізис. Таким чином, щоб забезпечити ефективне розпізнавання пухлинних клітин, ми повинні позначити їх маркером "чужий", а щоб видалити їх - активувати цитотоксичний відповідь.

Антиген-презентірующіе клітини (АПК), до яких відносяться дендритні клітини, макрофаги і деякі інші, взаємодіють з патогеном. Поглинений патоген індукує синтез антигенних пептидів, які подаються в комплексі з антигенами головного комплексу гістосумісності (major histocomplatibility complex - MHC), формуючи перший сигнальний каскад. Одночасно з цим АПК розпізнає "чужого", запускає цитокінової каскад і синтезує костімуляторную (кооперативно діючу) молекулу В7, забезпечуючи другий сигнальний каскад. Таким чином наївна Т-клітина перетворюється в навчену клітку-помічника. Через складний каскад цитокінів і взаємодій така клітина ініціює антитільний та/або цитотоксичний Т-лімфоцитарний відповідь (рис.2). Для надійності природою придумані два сигнали, що допомагають уникнути відповіді на "свої" антигени, який може призвести до аутоімунних захворювань. У разі злоякісної трансформації клітин організму саме відсутність другого сигналу блокує протипухлинний відповідь імунної системи. Розпізнавання "чужого" відбувається з допомогою вродженої системи захисту організму.

Рис.2. Схема взаємодії антиген-презентірующей клітини (АПК) з Т-лімфоцитів, який ще ніколи не зустрічався з патогенами. Для того, щоб Т-лімфоцити навчилися розпізнавати патоген, необхідна освіта Т-хелперів -- лімфоцитів-помічників (Тh1, Th2). Це відбувається лише у випадку одержання двох сигналів: одного - через Т-клітинний рецептор (TCR) від головного комплексу гістосумісності другого типу (МНСII), друга - завдяки взаємодії костімуляторних молекул CD28 і В7. Перший сигнал обумовлює подальшу спрямованість Т-лімфоцита на певний антиген, а другий підтверджує чужорідні антигени. Т-лімфоцити дізнаються цей антиген на поверхні будь-якої інший клітини організму, яку потрібно знищити. Антиген-презентірующая клітина забезпечує Т-лімфоцит обома сигналами. Для синтезу В7 АПК повинна за допомогою патоген-розпізнають молекул дізнатися "чуже". Одночасно з цим патоген поглинається антиген-презентірующей кліткою, а його антигенні пептиди транспортуються на поверхню АПК з молекулою MHCII. Весь цей контактний процес додатково супроводжується секрецією певних цитокінів.

Ще не так давно вроджена система захисту розглядалася як якась примітивна система, що забезпечує первинну захист організму від інфекцій. Тепер стало ясно, що вона не така примітивна, а повинна складним чином відрізнити "своє" від "Чужого" і, більше того, без її правильного функціонування немає адекватного адаптивного відповіді організму. До системи вродженого розпізнавання "чужого" і адекватного реагування залучений цілий ряд розпізнають і сигнальних молекул. Найбільш добре вивчено сімейство TLR (Toll like receptors) ссавців.

Зовсім недавно в нашій лабораторії, а пізніше і зарубіжними дослідниками виявлено нове сімейство сигнальних та розпізнають молекул. Ми назвали нове сімейство Tag7 - по перше виявленому члену родини, а зарубіжні автори - PGRP; вони працювали на стандартному об'єкті генетиків - плодової мушки дрозофілі, а ми вивчали функції представників цього сімейства у ссавців. Перераховувати всі виявлені функції цих молекул в рамках однієї статті не має сенсу. Зупинимося на знайдені і що виявилися суттєвими для подальшої роботи з створення протипухлинної вакцини. Перше чудове властивість секретованої білка Tag7/PGRP полягає в тому, що він привертає до місця секреції (тобто до клітин, що виділяють білок в навколишнє середовище) клітини імунної системи, в тому числі й професійні антиген-презентірующіе клітини. Друге його властивість, яку вирішили використовувати при створенні вакцини, - здатність активувати дозрівання дендритних клітин, тобто стимулювати експресію сигнальної молекули В7, яка і забезпечує подальше дозрівання наївного Т-лімфоцита.

Наскільки ефективний той чи інший підхід, який механізм