На чтение: ≈ 20 мин.В феврале 2015 года парламент Великобритании значительным большинством голосов принял закон о легализации создания методом ЭКО (экстракорпорального оплодотворения) «детей с геномами трех родителей». Великобритания является единственной страной в мире, где подобная процедура разрешена законом, и первый ребенок, созданный данным методом, может появиться на свет уже в 2016 году.
Британские ученые хотят побороться с наследственными дефектами митохондрий. У человека (и подавляющего большинства других организмов) эти органеллы, являющиеся энергетическими центрами клетки, передаются потомству через яйцеклетку матери. Дефекты в генах митохондрий (у них есть собственный мини-геном) встречаются с вероятностью 1 случай на 10000 и лежат в основе (наряду с другими факторами) различных заболеваний – от диабета до сердечной недостаточности. Для того чтобы от них избавиться, предполагается брать яйцеклетку у здоровой женщины-донора, заменять в ней ядро на взятое из оплодотворенной яйцеклетки матери, а потом такую конструкцию возвращать матери. Из такой яйцеклетки разовьется ребенок, который получит все ядерные гены от родителей и лишь митохондрии – от донора. Схема выглядит достаточно элементарной…Историческая справкаЦитоплазматическое (нехромосомное) наследование было открыто в 1909 году немецкими генетиками К.Корренсом и Э.Бауром. Последний определил пластиды как генетические детерминанты признака пестролистности растений. Митохондриальная наследственность была открыта в 1949 году французским генетиком русского происхождения Б.Эфрусси, который указал на митохондрии как на генетические детерминанты клеточного дыхания в клетках дрожжей. Цитологическими и биохимическими методами в первой половине 60-х годов XX столетия было показано, что в митохондриях самых различных организмов содержится ДНК и по многим своим признакам она отличается от ядерной ДНК. Митохондриальная ДНК (мтДНК) в большинстве случаев представлена кольцевыми молекулами (у ряда простейших линейными, у растений часто встречается комбинация), ее обычная величина около 16 тысяч пар нуклеотидов (для сравнения: геном человека содержит порядка 3 млрд пар). В мтДНК млекопитающих имеется 37 генов: 13 генов кодируют ферменты, задействованные в цикле Кребса, бета-окислении жирных кислот, окислительном фосфорилировании, 2 гена кодируют рибосомные РНК и 22 гена – транспортные РНК. Структурная организация цитоплазматического ядерного аппарата сложнее, чем у ядерного генома…Каково же происхождение митохондрий?.. Русский ученый К.С.Мережковский предложил теорию симбиотического происхождения органелл (вывел происхождение хлоропластов от цианобактерий). Американский ученый И.Уолин в 20-е годы прошлого века утверждал, что и митохондрии являются потомками бактерий в соответствии с современными взглядами на проблему. Считается, что в процессе эволюции гены митохондрий постепенно перемещались в ядро, более того, процесс переноса фрагментов ДНК продолжается и сейчас. В результате современные геномы митохондрий содержат на 1-2 порядка меньше генов, чем геномы их предков-бактерий.ФактыМитохондрии (см. рис. 1) являются обязательными клеточными органеллами эукариот (их нет только в зрелых эритроцитах). Митохондрии имеют две высокоспециализированные мембраны – наружную и внутреннюю, кольцевую ДНК, а также собственные системы транскрипции и трансляции (процессы синтеза РНК с ДНК-матрицы и белка с РНК-матрицы соответственно). Каждая клетка содержит от нескольких сотен до тысяч митохондрий. В них осуществляется ряд важных биохимических реакций, из которых особенное значение имеют реакции энергетического обмена клетки. В процессе окислительного фосфорилирования в них образуются молекулы АТФ – энергетический ресурс клетки.Митохондрии имеют собственную ДНК (открытие состоялось в 1963 году), в каждой митохондрии содержится 2-10 молекул ДНК. Строение мтДНК, впрочем, имеет ряд особенностей по сравнению с ядерной ДНК. Прежде всего мтДНК не содержит интронов (элементы ядерной ДНК, которые не кодируют белки, то, что мы раньше называли генетическим мусором). Процесс удвоения (репликации) мтДНК также значительно отличается. Две цепи мтДНК имеют разный нуклеотидный состав и обозначаются как H-тяжелая и L-легкая цепи. Дупликация мтДНК начинается в области регуляторной D-петли, расположенной в H-цепи, тогда как дупликация L-цепи начинается в другом участке, позже по времени и в обратном по отношении к H-цепи направлении. Таким образом, дупликация мтДНК представляет собой двухступенчатый асинхронный процесс. Существует также ряд отличий генетического кода митохондрий от ядра. Например, кодон AUA в митохондриях кодирует аминокислоту метионин, а не изолейцин, ядерный стоп-кодон UGA кодирует триптофан, а триплеты AGA и AGG кодируют аргинин в ядре и обозначают конец белкового синтеза в митохондриях. Поскольку мтДНК содержится в цитоплазме клеток, она наследуется в подавляющем большинстве случаев по материнской линии (цитоплазма сперматозоида значительно меньше по объему цитоплазмы яйцеклетки). В цитоплазме яйцеклетки содержатся тысячи митохондрий и, следовательно, десятки, сотни тысяч молекул мтДНК (200,000 в среднем). В то же время в сперматозоиде человека имеется лишь несколько молекул мтДНК, которые не попадают в оплодотворенную яйцеклетку (во-первых, их просто меньше, во-вторых, митохондрии обычно расположены в основании жгутика сперматозоида, который часто теряется в процессе оплодотворения; в-третьих, митохондрии сперматозоидов биохимически уничтожаются оплодотворенной яйцеклеткой). Поэтому мужчины наследуют мтДНК от своих матерей, но не передают ее своим потомкам (на сегодняшний день у человека известен лишь один случай передачи мутантной мтДНК по отцовской линии). Следует отметить, что увеличение числа митохондрий происходит за счет деления, а процесс дупликации митохондриальной ДНК независим от такового в случае ядерного генетического материала клетки. Исследования последних лет показали, что лишь треть наследственных заболеваний передается традиционным путем, в остальных случаях классические законы генетики Менделя не соблюдаются. К последним, в частности, относятся митохондриальные заболевания.Механизм развития митохондриальных заболеванийВ обычном случае все копии мтДНК идентичны. Но иногда в мтДНК возникают мутации (инсерции, делеции и точечные мутации генов). Из-за несовершенной работы митохондриальной ДНК-полимеразы (фермент, ответственный за дупликацию ДНК) и систем репарации (клеточные механизмы, ответственные за контроль качества ДНК и исправление ошибок в генетическом коде), а также высоких концентраций реактивных форм кислорода и свободных радикалов, которые вызывают повреждения ДНК (ведь митохондрии участвуют в регуляции метаболических процессов и производстве энергии), мутации в мтДНК возникают в 10 раз чаще, чем в ядерной ДНК. Появление мутации в одной из молекул мтДНК и последующая дупликация мутантной мтДНК в процессе деления митохондрий могут привести к возникновению двух популяций мтДНК в клетке. В результате деления клеток происходит случайное распределение мтДНК между родительской и дочерней клетками и мутантная мтДНК может попасть в новые клетки, где она продолжит «размножаться» (см. рис. 2).С мутациями в мтДНК связан целый ряд заболеваний человека (впервые это было четко установлено в 1988 году). Проявляются они и у мужчин, и у женщин, хотя передаются по женской линии. Мутации в мтДНК оказывают влияние на главную функцию митохондрий – производство энергии. В результате наибольший эффект наблюдается у ряда органов и тканей организма, которые испытывают наибольшую энергетическую зависимость: нейроны головного мозга, зрительный нерв, сердечная мышца, скелетная мускулатура и др. Атрофия зрительных нервов Лебера вызывается мутациями в генах ND субъединиц NADH-дегидрогеназного комплекса, участвующего в энергетическом обмене. Нейросенсорная глухота является следствием мутации гена srRNA, вовлеченного в биосинтез белков. Мутации генов транспортных РНК ответственны за миопатии, энцефалопатии, диабет. Причина синдрома Лея, тяжелого нейродегенеративного заболевания с быстрым и неизбежным летальным исходом, – мутации генов окислительного фосфорилирования мтДНК. Заболевание развивается, в случае если доля мутантной мтДНК составляет более 90%; при меньшей доле мутантной мтДНК (70-90%) наблюдаются нейропатия, атаксия и пигментный ретинит (NARP). Также не стоит забывать, что митохондриальные заболевания могут кодироваться мутациями в ядерной ДНК, в тех ее генах, что кодируют белки, вовлеченные в жизнедеятельность митохондрий (порядка тысячи таких генов у человека).Характеристика митохондриальных болезнейДля них характерна большая вариабельность симптоматики, ведь некоторые митохондрии клетки могут содержать мутации ДНК, а другие – нет. Эукариотические клетки содержат сотни митохондрий, тогда как мутации постепенно сводят на нет работу нормальных митохондрий. Поэтому митохондриальные заболевания разнообразны по тяжести и развитию проявлений в любом органе или ткани и в любом возрасте. Для них в общем и целом характерны следующие особенности:- материнский тип передачи;- высокая частота спорадических случаев;- случайное распределение нормальных и мутантных митохондрий при клеточном делении в клетках индивидуумов с митохондриальными заболеваниями;- тяжесть проявлений заболевания зависит от характера мутаций мтДНК, от соотношения содержащейся в клетке мутантной мтДНК по сравнению с нормальной, от различной потребности в энергии органов и тканей. Причем тяжесть заболевания прогрессирует с возрастом из-за увеличения спонтанно возникающих мутаций в митохондриальной ДНК в процессе старения организма.Лечение митохондриальных заболеванийЭто симптоматическое, например, направленное на улучшение тканевого дыхания за счет диет, физических упражнений и медикаментов, или хирургическое вмешательство. Значительное внимание уделяется разработке молекул (в стадии лабораторных исследований), которые избирательно связываются с мутантной мтДНК, блокируя ее размножение. Тем не менее, несмотря на прогресс в изучении подобных заболеваний, они продолжают быть неизлечимыми на сегодняшний день.А вот Великобритания предлагает митохондриальную замену, предназначенную для женщин с болезнями, связанными с дефектами мтДНК. Страна вот уже десять лет находится на переднем крае вспомогательных репродуктивных технологий (уместно вспомнить, что здесь в 1978 году родилась первая девочка, зачатая в пробирке), что вселяет надежды на успех. Разработанная в конце 90-х годов XX века технология цитоплазматического переноса (США) не нашла широкого распространения. Методика, применявшаяся для лечения бесплодия, была запрещена в 2002 году, главным образом потому что эксперимент воздействовал на структуру уже оплодотворенной яйцеклетки. Кстати, в настоящее время в мире известно несколько десятков индивидуумов, рожденных из яйцеклеток, полученных методом цитоплазматического переноса, большая часть таких операций прошла в частных экспериментальных клиниках США до запрещения метода.В случае митохондриальной замены технология описывается двумя вариантами (см. рис. 3):1. Ядро матери, несущей дефектную мтДНК, пересаживается в донорскую яйцеклетку с нормальными митохондриями, из которой было предварительно удалено ядро. Такая яйцеклетка затем оплодотворяется спермой отца. Данный вариант технологии является более поздней разработкой. 2. Сначала производится оплодотворение материнской и донорской яйцеклеток. Затем производится пересадка ядра, извлеченного из материнской оплодотворенной яйцеклетки, в клетку донора, из которой генетическая информация была предварительно удалена.За и противПо сути дела, в оплодотворенной яйцеклетке присутствуют геном отца, ядерный геном матери и митохондриальная ДНК женщины-донора. Вмешательства в ядерную ДНК нет (а именно таким образом определяется генно-модифицированный организм в законодательной базе Великобритании), тем не менее в ходе медицинского вмешательства на свет появляется генно-модифицированный младенец (евгеника в чистом виде). Конечно, предполагается дать возможность испытать радость материнства женщине с отягощенной наследственностью, но ведь так можно создать прецедент, а далее и вымостить дорогу к созданию (платно и дорого, разумеется!) «улучшенной породы» людей, не так ли? При этом находясь в рамках закона…И еще вопрос, как поведет себя геном трех родителей в последующих поколениях после сегодняшнего медицинского вмешательства? Это невозможно предугадать… И, может быть, стоит опасаться?Не последним является вопрос стоимости процедуры, которая скорее всего окажется непомерно высокой. Таким образом, технология может стать доступной лишь для представителей финансовой элиты. С другой стороны, высокая стоимость процедуры может привести к эксплуатации доноров мтДНК.А как быть с родительскими правами? Является ли женщина – донор митохондриальной ДНК родителем хоть частично? И как в таком случае определяются ее права на ребенка? Церковь также принимает участие в обсуждении вопроса, замечая, что мтДНК вносится в оплодотворенную яйцеклетку (речь идет в таком случае уже об эмбрионе), а поскольку лабораторные опыты не всегда бывают удачными, как потом утилизировать, фактически убивать «неправильно» созданное живое существо? И вообще можно ли манипулировать живым организмом?..Дополнительное чтениеИ.А.Захаров-Гезехус. Цитоплазматическая наследственность. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2014, т. 18, №1, с. 93-102 – русскоязычная работа об основах внеядерной наследственности и ее последствиях.М.В.Патрушев, П.А.Каменский, И.О.Мазунин. Мутации митохондриальной ДНК и методы их коррекции. Биохимия, 2014, т. 79, №11, с. 1417-1428 – исчерпывающий русскоязычный обзор, посвященный митохондриальным заболеваниям.M. Schwartz, J. Vissing. Paternal Inheritance of Mitochondrial DNA, New England Journal of Medicine, 2002; 347, 576-580 – англоязычная работа в ведущем медицинском журнале о единственном случае передачи мутантной мтДНК по отцовской линии.http://mitochondria.hfea.gov.uk/mitochondria – консультативный англоязычный ресурс независимого регулятора Великобритании, контролирующего использование гамет и эмбрионов для исследований и лечения бесплодия, по использованию метода ЭКО для замены мутантной мтДНК (Human Fertilisation and Embryology Authority).http://www.parliament.uk/business/news/2015/february/commons-debate-statutory-instrument-on-mitochondrial-donation/ – англоязычный ресурс парламента Великобритании, содержащий официальные документы и видеодебаты по вопросу легализации метода митохондриальной замены.Прим. ред. Читайте также размышления «Может ли у ребенка быть несколько матерей?» учителя биологии, журналиста Вадима Мелешко на сайте «Учительской газеты» http://www.ug.ru/insight/498. Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук
Выбор читателей
Комментарии