Нобелевскую премию по физиологии и медицине в этом году получат Марио Капекки, Оливер Смитис и сэр Мартин Эванс за «открытие принципов введения специфических генных модификаций в организм мышей посредством эмбриональных стволовых клеток», то есть за изобретение метода нокаута генов.
|
Марио Капекки родился в 1937 году в Вероне (Италия). Его отец, летчик, погиб на войне, а мать попала в немецкий концлагерь за антифашистскую деятельность. В четыре года Капекки остался беспризорным. К счастью, ему удалось выжить, а мать нашла его после освобождения из концлагеря. Вскоре он вместе с матерью переехал в Соединенные Штаты, где и получил образование. Диссертацию по специальности «Биофизика» он подготовил в Гарварде под руководством одного из первооткрывателей структуры ДНК, Джеймса Уотсона (James D. Watson). C 1973 года Капекки работает в Университете Юты.
Оливер Смитис родился в Галифаксе (Англия) в 1925 году. Он учился в Оксфорде, где и защитил диссертацию по специальности «Биохимия». В пятидесятых годах Смитис намеревался эмигрировать в США и работать в Университете Висконсина (где он и начал впоследствии опыты, принесшие ему мировую славу), но из-за проблем с визой (sic!) в течение семи лет (1953–1960) жил в Канаде и работал в Торонтском университете. В 1988 году Смитис вместе с женой, которая не смогла найти себе позицию в Висконсине, переехал в Северную Каролину и стал работать в Университете Северной Каролины, где сотрудничает и поныне. Смитис — дальтоник, но несмотря на это не только успешно занимается биохимией, но и увлекается планеризмом.
Мартин Эванс родился в Великобритании в 1941 году и учился в Кембридже и в Университетском колледже в Лондоне. Он работал в Университетском колледже (1966–1978) и в Кембридже (1978–1999), а с 1999 года работает в Кардиффском университете в Уэльсе. В 2004 году Мартин Эванс был посвящен королевой Елизаветой II в рыцари за заслуги перед медициной.
Метод нокаута генов позволяет получать линии нокаутных мышей (knock-out mice, knockout mice) — мутантных мышей, у которых выключены определенные гены. Этот метод позволяет исследовать роль каждого конкретного гена в развитии организма и в его нормальной и патологической работе и изучать различные человеческие болезни, используя мышей в качестве модельных объектов. Выключенный ген приводит к тем или иным нарушениям. Характер этих нарушений позволяет судить о функциях данного гена. С тех пор как эта методика была разработана, ее применение позволило создать тысячи различных линий нокаутных мышей, из которых несколько сотен служат модельными объектами для изучения человеческих болезней, в частности заболеваний сердечно-сосудистой и нервной систем и злокачественных опухолей.
|
В основе метода лежит явление гомологичной рекомбинации — обмена соответствующими участками между парами гомологичных хромосом. Марио Капекки и Оливер Смитис независимо друг от друга изобрели способ выключения (нокаутирования) генов за счет гомологичной рекомбинации с участием искусственно синтезированных фрагментов ДНК, имеющих определенную последовательность нуклеотидов, соответствующую участку одного из генов, но некоторым образом видоизмененную. Такие фрагменты вводят в выращиваемые в культуре (то есть в искусственной среде отдельно от организма) клетки посредством электропорации — через поры в клеточной мембране, созданные искусственно с помощью электрического поля. За счет рекомбинации в некоторых из клеток культуры введенная последовательность внедряется в хромосому на место нормальной.
Если видоизменить внедряемую последовательность определенным образом, то на основе испорченного таким образом гена у получивших этот ген клеток будет синтезироваться нефункциональный (не выполняющий своей функции) белок, или вообще не будет синтезироваться никакого белка. Если видоизменить исходную последовательность, не только испортив некоторый ген, но и добавив другой ген, не свойственный мышиным клеткам и делающий их устойчивыми к действию некоторого антибиотика, рекомбинантные клетки можно легко отделить от остальных, подействовав на культуру данным антибиотиком, и получить таким образом культуру рекомбинантных клеток. Капекки и Смитис научились выключать с помощью этого метода гены в культурах клеток, но разработанная ими технология еще не позволяла получать нокаутные многоклеточные организмы.
Мартин Эванс, который около 1980 года одним из первых разработал способ выращивания в культуре эмбриональных стволовых (недифференцированных) клеток мышей, впоследствии изобрел метод, позволяющий передавать определенные гены потомству мышей, этими генами не обладающих. Он вводил стволовые клетки, полученные из эмбрионов мышей одной линии, в эмбрионы мышей другой линии и, используя какую-либо мышь в качестве суррогатной матери, вынашивающей эти эмбрионы, получал химерных мышей (состоящих из клеток, полученных от разных организмов). У некоторых из них предшественники гамет (половых клеток) были потомками инъецированных в эмбрионы стволовых клеток. Потомству таких химер доставались гены той линии, от которой были взяты стволовые клетки. Отбирая потомков химер, обладающих признаками этой линии, Эванс получил мышей, генетически идентичных инъецированным ранее в эмбрионы стволовым клеткам.
Затем Эванс модифицировал этот метод для получения трансгенных мышей (то есть мышей с искусственно внедренными генами), добавляя гены в хромосомы инъецируемых стволовых клеток c помощью ретровирусов (вирусов, гены которых встраиваются в хромосомы клеток хозяина). Потомки химер, полученных таким способом, если у этих химер предшественники половых клеток образовывались из инъецированных в эмбрион стволовых клеток, оказывались носителями внедренного в стволовые клетки гена.
Достижения Эванса сделали возможным создание мышей, у которых определенный ген был бы выключен посредством нокаутирования за счет гомологичной рекомбинации с участием искусственно синтезированных фрагментов ДНК, то есть объединив метод Эванса с методом Капекки и Смитиса — нокаутируя гены в инъецируемых в эмбрион стволовых клетках. Именно в лабораториях Капекки и Смитиса (снова независимо, и в разных вариантах) подобный модифицированный метод и был впервые применен на практике, положив начало множеству работ с нокаутными мышами.
|
Применение метода нокаута генов стало особенно актуальным в последние годы, после завершения секвенирования (прочтения последовательности) полных геномов как человека (2003), так и мыши (2002), а также ряда других видов животных. Последовательно нокаутируя различные гены в пределах мышиного генома, исследователи выясняют функции каждого из них. Учитывая, что у человека и мыши очень многие гены сходны и выполняют одни и те же функции, нокаутные мыши предоставляют исследователям богатый материал для изучения роли генов в нормальном развитии и жизни человеческого организма и в патологических процессах. По-видимому, рано или поздно благодаря методу нокаута генов удастся изучить свойства всех (нескольких десятков тысяч) генов мышиного генома. Работы в этом направлении ведутся во многих странах мира, не исключая и Россию.
Метод нокаута генов можно применять не только на мышах, но и на других животных. Однако именно нокаутные мыши нашли особенно широкое применение — в связи с тем, что они эволюционно (и, соответственно, генетически) довольно близки к человеку, а получить нокаутные линии у них намного проще, чем у большинства других лабораторных животных. В частности, у крыс первые нокаутные линии были получены только в 2003 году, через много лет после создания первых нокаутных мышей.
Церемония награждения Нобелевскими премиями состоится, как обычно, 10 декабря, в день смерти Альфреда Нобеля (1896), в Стокгольме.
В прошлом году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получили Эндрю Файр (Andrew Z. Fire) и Крейг Мелло (Craig C. Mello) за открытие другого пути выключения генов — РНК-интерференции, которая может происходить даже на поздних стадиях развития организма под действием участка двухцепочечной РНК, последовательность нуклеотидов в котором соответствует фрагменту выключаемого гена. При этом выключение происходит не за счет повреждения самого гена в хромосоме, а за счет уничожения считанных с него матричных РНК. Их уничтожение не позволяет синтезировать белок, кодируемый данным геном.
