Десять главных прорывов в биологии и медицине
Открытия в области биологии редко получается сразу оценить по достоинству. На то это и фундаментальная наука, что сведения, полученные с её помощью, начинают использовать в практике только после перепроверки их ценности и долгого "подгона под реальность". Поэтому многие позиции из десятки самых значимых биолого-медицинских событий 2016 года, отобранных научными редакторами Лайфа, — это не открытия как таковые, а политические решения, которые повлияют на жизнь и судьбу каждого из нас.
1. В Китае отредактировали геном взрослого человека.
28 октября 2016 года сотрудники Сычуаньского университета в Китае приступили к клиническим исследованиям технологии редактирования генома CRISPR/Cas9 применительно к больным немелкоклеточным раком лёгких, у которых уже образовались метастазы. В ходе клинических испытаний метода учёные забрали у добровольца, который сейчас находится на самой тяжёлой стадии заболевания, некоторое количество T-клеток — компонентов иммунной системы, способной обеспечить защиту от раковых клеток. В них с помощью CRISPR "выключили" ген PD-1.
Белок, кодируемый этим геном, снижает интенсивность иммунного ответа, а клетки злокачественных опухолей дополнительно развивают приспособления, позволяющие им избегать активации T-клеток. В частности, опухоли способны активировать PD-1 в Т-клетках и таким образом избегать атаки со стороны иммунной системы. Поэтому и понадобилось "выключение" PD-1. После него модифицированные Т-клетки вернули в организм их обладателя.
Процедуру повторят несколько раз в течение полугода, чтобы увеличить число Т-клеток, способных бороться против опухолей. В случае успеха эта мера как минимум приостановит рост раковых опухолей в лёгких и образование метастазов, а также продлит жизнь испытуемого. Планируется, что позже к исследованию присоединятся ещё несколько добровольцев и их суммарное число достигнет 10.
Стоит отметить, что в США аналогичные испытания были разрешены раньше, но ещё не начались. Тот факт, что китайцы первыми в мире начали тестирование CRISPR/Cas9 на людях, может означать начало "гонки вооружений" между этими двумя странами в области биомедицинских технологий.
2. Правительство США разрешило создание эмбрионов-химер из клеток людей и животных
Национальные институты здравоохранения США объявили об изменении политики в отношении исследований эмбрионов, состоящих одновременно из клеток людей и животных. Институты планируют снять мораторий на финансирование таких экспериментов, который они сами наложили в сентябре 2015 года. Комментарии к решению о снятии моратория будут приниматься к рассмотрению в течение 30 дней после анонсирования этого решения. Национальные институты здравоохранения могут запустить поддержку проектов с химерными эмбрионами уже в начале 2017 года.
Химерные эмбрионы получают, вводя стволовые клетки людей, способные образовать конкретные органы, в зародыши животных, когда те состоят всего из нескольких клеток. Эту процедуру проводят с помощью микроскопических стеклянных игл. Если попытаться добавить клетки человека в более "зрелые" эмбрионы животных, они не приживутся.
Во избежание серьёзных этических проблем работы на эмбрионах приматов по-прежнему будут под запретом: обезьяны слишком похожи на людей. Однако исследования зародышей свиней и других млекопитающих будут поддерживать финансово. Ожидается, что из химерных эмбрионов получатся животные, у которых некоторые органы (сердце, печень, почки, поджелудочная железа) будут полностью соответствовать по строению человеческим. Поэтому эксперты проследят за тем, чтобы в ходе исследований химерных эмбрионов не получалось животных, чей мозг "обладает чертами мозга людей". Проводить испытания на подобных существах неэтично. Чтобы избежать этических проблем, в эмбрионы животных можно будет вводить не любые стволовые клетки человека, а лишь некоторые их типы.
3. Биологи обнаружили животное, способное полностью восстанавливать участки мозга.
Исследователи из Института Броуда обнаружили, что частично разрушенный паллиум (часть переднего мозга, которая у человека образует кору больших полушарий) аксолотля способен образовывать все типы нейронов, которые были в нём до повреждения. Это означает, что вновь сформированная ткань мозга амфибии может подавать все те же сигналы, что были в её арсенале до ранения. Это первый случай столь полного восстановления мозга взрослого животного после разрушения. Однако есть и ограничения: аксоны (длинные отростки нейронов), связывающие паллиум с другими частями мозга при регенерации, у аксолотлей образуются достаточно плохо.
Авторы предполагают, что способность аксолотля регенерировать различные типы нейронов связана с его личиночным состоянием. Саламандры могут жить в форме аксолотля до смерти и при этом способны к размножению. Тем не менее при выполнении определённых условий (например, при добавлении йода в воду) аксолотль в любом возрасте может превратиться во взрослую саламандру. Это означает, что все клетки его тела постоянно готовы к метаморфозу и таким образом по своим свойствам достаточно близки к стволовым клеткам.
Что касается проблем с восстановлением длинных отростков, исследователи считают, что тут дело в отсутствии соответствующих сигналов со стороны окружающей нервной ткани. При эмбриональном развитии судьба каждой клетки определяется сигнальными веществами, которые выделяют её соседи — другие развивающиеся клетки. Нейроны мозга взрослого аксолотля таких веществ не образуют, поэтому новопришедшие клетки "не понимают", куда направлять аксоны. Однако если в ткань добавить такие вещества, новые аксоны наверняка удастся отрастить.
4. Китайские палеонтологи нашли в янтаре хвост динозавра с перьями.
Исследователи из Китая обнаружили в бирманском янтаре кусок хвоста юного динозавра и покрывавшие его перья. Это первый образец хорошо сохранившихся в янтаре перьев и хвоста динозавра, видовая принадлежность которого точно установлена. По-видимому, кусок хвоста молодого животного оторвался, когда он угодил им в вязкую смолу на ветке дерева и пытался вырваться.
Всего в янтаре было найдено восемь хвостовых позвонков. Также в янтаре сохранились покрывавшие хвост перья. Они существенно отличаются от перьев современных птиц: в них отсутствует развитый центральный стержень. Правда, поскольку особь была молодая, трудно утверждать, что и перья взрослых особей также не содержали стержней. Сверху перья имеют каштаново-коричневую окраску, а снизу скорее белые. Возраст находки определён примерно в 99 миллионов лет, что соответствует меловому периоду.
Ряд последних находок и открытий резко поменял представления палеонтологов о том, как выглядели крупнейшие сухопутные животные в истории Земли. Сейчас они представляются по виду близкими скорее к огромным оперённым птицам. До новой работы оценить строение перьев и их устройство в деталях было сложно: в окаменелостях, где их находили ранее, они слишком деформированы. К тому же в янтаре их останки находят редко, так как у большинства динозавров хватало сил, чтобы не застрять в смоле.
5. В лишайниках обнаружили новые грибы.
Ранее считалось, что каждый лишайник образован клетками одного вида грибов и одного вида водорослей. Гриб формирует общую структуру лишайника, а водоросль производит питательные сахара с помощью фотосинтеза. Однако учёные выяснили, что такое сожительство намного сложнее и включает как минимум два вида грибов, один из которых весьма похож на дрожжи.
Исследователи из лаборатории микробной геномики и симбиоза Университета Монтаны, работающие под руководством профессора Джона Маккатчеона (John McCutcheon), изучили дикорастущие лишайники Bryoria fremontii и Bryoria tortuosa. Относясь к одному роду, эти организмы не слишком похожи друг на друга: бурая Bryoria fremontii съедобна, а жёлтая Bryoria tortuosa токсична. Поначалу авторы искали в их геномах различия, разделяющие эти два вида, а не обнаружив, провели полный анализ ДНК. Эта работа позволила обнаружить в них второй гриб: дрожжи Basidiomycota. При этом в Bryoria tortuosa представителей этого вида грибов оказалось намного больше.
Учёные проанализировали геномы представителей 52 родов лишайников, обитающих на всех континентах, и у всех из них обнаружили ту же схему: два гриба — одна водоросль. Они полагают, что именно прежде неизвестный третий участник симбиоза отвечает за синтез ряда биологически активных веществ, которые встречаются у лишайников — в частности, токсичной вульпиновой кислоты у Bryoria tortuosa.
6. Учёные пересмотрели способности обезьян к речи.
Развитая речь — одна из отличительных особенностей человека. Даже самые умные шимпанзе не умеют говорить. Некоторых из них экспериментаторы обучили специально адаптированным языкам жестов, но произносить слова вслух ни одна обезьяна так и не научилась. Биологи долгое время связывали это со строением речевого аппарата шимпанзе, горилл, макак и других приматов, считая его несовершенным. Однако исследователи из Венского университета вместе со своими зарубежными коллегами опровергли это утверждение, сняв на видео в рентгеновском диапазоне то, как макаки кричат, пьют воду и глотают.
На основании видео, снятых с разных точек, биологи построили трёхмерную модель речевого аппарата макаки. Оказалось, что их гортань, голосовые связки, язык и губы по строению и физиологии принципиально не отличаются от человеческих. Вероятно, предыдущие исследовательские коллективы недооценивали возможности речевого аппарата обезьян, так как изучали его строение у погибших животных, а не живых. Таким образом, единственное, что мешает макакам говорить, — маленький объём коры головного мозга и, как следствие, небольшое число клеток, управляющих речью.
Эти результаты означают, что теоретически речь могла появиться у любого из непосредственных предков человека, имей он достаточно развитую кору больших полушарий для этого. Макаки не относятся к человекообразным обезьянам и стоят на более низкой ступени развития, чем те же шимпанзе (хотя они не являются предками человека). А это означает, что голосовой аппарат австралопитеков и представителей рода Homo точно был достаточно развит для устной речи и она появилась сразу же, как только кора больших полушарий "доросла" до управления этим аппаратом.
Подтверждение тому — орангутан Роки, который научился повторять за экспериментатором звуки, совершенно непохожие на обычный вокальный арсенал этих обезьян. За правильным повторением следовала награда, и вскоре орангутан начал воспроизводить эти звуки, до определённой степени точно меняя высоту тона, а значит, и целенаправленно управляя частотой колебаний голосовых связок. Исследовавшие его учёные полагают, что это демонстрирует способность человекообразных обезьян обучаться контролю над своими голосовыми связками и указывает на древность происхождения речи.
7. Японские эмбриологи вырастили мышей в пробирке "с нуля".
Японские исследователи вырастили мышей из яйцеклеток, полученных "в пробирке". Эти мыши сами дали здоровое потомство. Учёные получили "предшественников" яйцеклеток из первичных половых (стволовых) клеток самок мышей и вырастили их в окружении тканей яичника, не подсаживая обратно в организм животных. К яйцеклеткам после их созревания добавили сперму самцов мышей. Получившиеся эмбрионы пересадили в матки самок грызунов.
К сожалению, из всех образовавшихся зародышей только три процента развились до полноценных мышат. Однако все эти мышата достигли зрелости и произвели на свет здоровое потомство. Таким образом, процент успеха пока невелик. Тем не менее если технологию удастся развить, вероятно, она поможет бороться со сложными случаями бесплодия и у человека. Ведь для неё зрелые женские половые клетки в принципе не нужны, и их жизнеспособность не играет роли.
8. В США компании обязали сообщать о неэффективности гомеопатических препаратов.
16 ноября Федеральная комиссия по торговле (США) издала отчёт о рынке гомеопатических средств. В нём говорится, что этикетки таких препаратов дают их покупателям ложное ощущение, что гомеопатия, подобно лекарствам, лечит. Тем не менее в США и других странах нет требований к проверке эффективности и безопасности гомеопатии, так что никаких гарантий, что гомеопатические продукты помогут и не навредят, не существует.
Федеральная комиссия по торговле собирается изменить ситуацию. Она предлагает обязать производителей гомеопатической продукции указывать на этикетках информацию о том, подтверждена ли эффективность их препарата. Если данных об этом нет, производители должны чётко написать, что у данного препарата нет научно доказанной эффективности, а утверждения об эффективности препарата базируются только на теории XVIII века, которая большинством учёных сейчас признаётся неверной и устаревшей.
Гомеопаты утверждают, что заболевания надо лечить теми же веществами, которые их вызвали, — иными словами, вышибать клин клином. Основоположник теории гомеопатии медик Самуэль Ганеман считал, что для избавления от заболевания надо многократно развести вещество, его вызвавшее, и употребить внутрь. При этом действующее вещество разводят до такой степени, что в одной дозе лекарства практически не остаётся его молекул. Поэтому неудивительно, что все имеющиеся на данный момент исследования гомеопатических препаратов не подтвердили их эффективности. А об абсурдности и ненаучности взглядов Ганемана говорит ещё и то, что по другой его теории все болезни возникают из-за употребления кофе.
9. В Мексике появился на свет первый в мире ребёнок "от трёх родителей".
В Мексике в апреле 2016 года родился ребёнок, зачатие которого происходило с использованием митохондриальной ДНК третьего человека. Операцию проводил американский хирург Джон Чан. Пока законы США запрещают подобные процедуры на территории страны.
К Чану обратилась иорданская пара, у которой ранее два ребёнка скончались от синдрома Лея — наследственного заболевания, возникающего из-за неполадок в генах митохондрий. Митохондрии передаются только от матери, поэтому хирург перенёс ДНК митохондрий женщины-донора в яйцеклетку матери, обезопасив тем самым будущего ребёнка от синдрома Лея.
Интересно, что в Великобритании уже официально разрешили использование донорских митохондрий по медицинским показаниям. Указ об этом вышел 15 декабря. Вероятно, уже к концу следующего года можно будет ожидать появления маленьких британцев с "приёмными" митохондриями.
10. Палеонтологи впервые обнаружили мозг динозавра.
Под костями черепа динозавра возрастом около 133 миллионов лет впервые нашли сохранившиеся фрагменты нервной ткани. Открытие было сделано во время повторного анализа останков родственника игуанодона, найденного палеонтологом-любителем в графстве Суссекс (Великобритания) в 2004 году.
Обнаруженный череп, судя по всему, принадлежит динозавру, который приходился близким родственником игуанодону и, значит, был травоядным. Томографическое исследование показало, что внутри этого черепа содержатся ткани головного мозга, притом сохранились почти все его участки, начиная от полукружных каналов вестибулярного аппарата и заканчивая корой больших полушарий.
Интересно, что по форме и по соотношению размеров различных частей мозга этот орган похож на головной мозг современных крокодилов и птиц — существ с хорошо развитой центральной нервной системой. Разумеется, какие-то пропорции могли измениться во время разложения тела динозавра. Но в целом гипотеза о том, что родственники игуанодонов имели сложно устроенный мозг, хорошо согласуется с предполагаемым поведением этих животных. Считалось, что оно было достаточно продвинутым — и это несмотря на то, что игуанодоны являлись травоядными, а такие животные обладают меньшим интеллектом, чем те, кто на них охотится.
Исследователи предполагают, что сохраниться мозгу позволили необычные обстоятельства захоронения животного. Сразу после смерти динозавр оказался в водоёме, похожем на болото. Вода в нём имела повышенную кислотность и содержала мало кислорода. Таким образом, доступ к останкам для бактерий гниения был закрыт и ткани животного успели минерализоваться.
