В 1896 году американский зоолог и генетик И.Б. Уилсон определил клетки как основной элемент бытия всех без исключения организмов, записав тем самым себя в скрижали биологии как первого клеточного биолога. Последующие исследования в области биохимии и молекулярной биологии подтвердили молекулярное единство жизни: основные биохимические механизмы похожи во всех клетках. Обобщил это правило своим афоризмом французский биохимик и микробиолог Жак Моно: «что верно для кишечной палочки, то верно и для слона».

Это понимание было бы невозможно без использования в лабораторных исследованиях одноклеточных организмов, а также линий клеток животных, бесконечно делящихся в культуре. Самыми известными из них являются человеческие клетки линии HeLa, полученные из раковой опухоли шейки матки темнокожей женщины по имени Генриетта Лакс [1].

Начиная с 1950-го года, было опубликовано более 65 тысяч научных работ, описывающих разнообразные физиологические и биохимические исследования с применением клеток HeLa. Стоит отметить, что с этой и многими другими задачами HeLa превосходно справились, раскрыв людям множество секретов.

Однако любые раковые клетки, в том числе и HeLa, по своей физиологии далеки от нормальных клеток организма, все процессы в которых регулируются точно сбалансированными сигнальными системами. Кроме того, клетки HeLa ничего не могут рассказать исследователям о том, что же отличает один тип клеток от другого — например, клетки печени от клеток поджелудочной железы.

Таким образом, несмотря на то, что клетки HeLa и аналогичные бессмертные линии хороши для исследования клетки вообще, сегодня их возможностей уже ясно не хватает для решения всех проблем, поставленных перед клеточной биологией. Как происходит взаимодействие между ДНК, РНК и белками в клетках конкретных тканей, и почему в результате этого появляются клетки со столь различными фенотипами? Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо взять на вооружение новый инструмент биологических исследований, а именно перейти к использованию стволовых клеток.

Цитолог может, изучив клетку под микроскопом, классифицировать ее по морфологии и строению органелл; при этом он будет оперировать такими характеристиками, как «пирамидальная форма» или «кубические эпителиальные клетки». Однако это весьма грубый подход, аналогичный тому, как определяли виды микроорганизмов до изобретения генетического анализа ДНК. А что же действительно отличает один тип клеток от другого, и как взаимодействуют и функционируют различные молекулярные элементы?

Понимание сути молекулярных процессов, протекающих в живой клетке, имеет большое значение для медицины. Патофизиологи способны определить тип рака по морфологии клеток. Но изучение генетического разнообразия раковых клеток показывает, что даже один клинический вид рака очень разнообразен: паттерны мутаций в опухолях одного и того же органа у разных людей имеют мало общего. В истории научного поиска немало случаев, когда ученые, полагая, что имеют дело, например, с клетками рака молочной железы, на самом деле работали с меланомой. Только понимание молекулярных основ того, почему клетки выглядят и ведут себя по-разному, позволит надежно различать нормальные и измененные типы клеток.

Одним из способов достижения этого является отказ от уже привычных культур бессмертных клеток: дни HeLa заканчиваются. Вместо них специалисты в области клеточной биологии должны использовать эмбриональные стволовые клетки, взятые у мышей или других модельных организмов, или «перепрограммировать» дифференцированные клетки в их предшественников (получая индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, ИПСК [2]), а потом во всех подробностях изучать, как эти клетки снова дифференцируются — возможно, уже по совсем другому пути.

В настоящее время исследования стволовых клеток в значительной степени мотивированы надеждой на изобретение новых методов лечения, с помощью которых можно будет восстанавливать поврежденные ткани прямо в теле больного. Для форсирования этого направления, специалисты в области клеточной биологии и биологии стволовых клеток должны трудиться вместе, с целью разработать надежные и унифицированные методы получения, хранения и дифференциации ИПСК. Так же, как биология развития дала начало клеточной биологии, последняя должна помочь встать на ноги молодой дисциплине — биологии стволовых клеток.

В настоящее время исследования стволовых клеток в значительной мере опираются на транскрипционные факторы как на инструмент, позволяющий идентифицировать и описывать различные клеточные линии и стадии их развития. Но такая методика чересчур ограничена: клетка — это нечто большее, чем набор транскрипционных факторов. Главной целью должно стать определение молекулярных механизмов, которые лежат в основе физиологических и биохимических отличий различных типов клеток. Кстати, это сделало бы стволовые клетки более безопасными для медицинского применения и спасло бы нас от катастроф ранних работ по генной терапии, когда генетические модификации вызывали появление рака. Необходимо уметь четко отвечать на вопрос: действительно ли стволовые клетки функционируют как точные копии клеток в организме человека, или потенциально они могут дать начало раковой опухоли из-за проводимых с ними манипуляций [3]?

Перейти от использования таких привычных линий клеток, как HeLa, к стволовым клеткам, требующим тщательного подбора условий и отработки новых методик, будет сложно. Чтобы облегчить процесс этого перехода, организациям, которые финансируют научные исследования, следует разработать новые стандарты. В 1960-е годы, кстати, соответствующие агентства не скупились на финансирование нового по тем временам направления — клеточной биологии, и эти вложения многократно окупились. Сегодня очередь новой технологической революции.

По материалам рубрики «Комментарии» в Nature [4].

Литература

1. Бессмертные клетки Генриетты Лакс;
2. Была клетка простая, стала стволовая;
3. Снежный ком проблем с плюрипотентностью;
4. Anthony H. Hyman, Kai Simons. (2011). The new cell biology: Beyond HeLa cells. Nature. 480, 34-34.