Тише едешь — дальше будешь. Гены тихоходок и ключи к звёздам
В конце сентября я публиковал в этом блоге статью «Неизбежность, незаменимость и туманные перспективы пилотируемой космонавтики». Эта статья продолжала темы, также затронутые в переводе моего коллеги @SLY_G «Как учёные снижают пагубное влияние космических полётов на организм человека» и вызывала крайне интересную дискуссию из 96 комментариев с участием 34 человек, из которых я бы особенно отметил вклад @alexEtse, @Valerij56, @johnfound и @Javian. Поэтому я решил подробнее рассмотреть тему генной модификации человека, которая могла бы приспособить его к длительным космическим полётам. Следовательно, появился бы способ закладывать профессию и судьбу человека уже в период эмбриогенеза. Судя по всему, за пределами магнитосферы наиболее смертоносным препятствием, осложняющим длительные космические экспедиции, является жёсткое космическое излучение. Чтобы купировать его влияние, можно было бы попробовать внедрять человеку некоторые гены тихоходок, в частности, кодирующие специфический тихоходский белок Dsup (damage suppressor, «подавитель ущерба»). Об удивительных продолжениях и перспективах таких исследований — под катом.
Попытки развивать космический туризм в настоящее время кажутся мне однозначно положительными, поскольку позволяют оценить риски пребывания на орбите для всё более широкой выборки неподготовленных людей. Лётчик-космонавт — это человек железного здоровья, обладающий высочайшей дисциплиной и стрессоустойчивостью, поэтому опыт долговременной работы космонавта на орбите едва ли можно экстраполировать на среднего человека, колониста, учёного или ребёнка, который родится на орбите или на Марсе. Из нескольких случаев долговременного (многомесячного) пребывания человека на орбите упомяну полёты Сергея Крикалёва (первый и второй), а также четвёртый полёт Скотта Келли, который совместно с Михаилом Корниенко провёл на МКС более 340 суток в 2015–2016 году. Скотт Келли является братом-близнецом Марка Келли, другого американского астронавта, вместе с которым они участвовали в близнецовом исследовании «Twin Study», призванном показать влияние долговременного космического полёта на человеческий организм. Марк Келли в данном случае играл роль «контрольной особи». Второй полёт Сергея Крикалёва пришёлся на 1991–1992 год и затянулся из-за событий, связанных с развалом Советского Союза (вероятно, Крикалёв мог пробыть на станции «Мир» ещё дольше). По длительности пребывания на орбите за один полёт Келли и Крикалёва значительно обходит только Валерий Владимирович Поляков (1942–2022), который в 1994–1995 годах провёл на станции «Мир» более 437 суток. В тот период было практически невозможно провести настолько исчерпывающий физический и биохимический анализ состояния космонавта, как в случае со Скоттом Келли. Келли написал о своём полёте книгу «Стойкость. Мой год в космосе», русский перевод которой опубликован в издательстве «Альпина Нон-Фикшн».
(Не)преодолимые препятствия
По мере того, как множится количество государственных агентств и частных компаний, готовых снаряжать в долговременные космические полёты всё больше людей, чётче вырисовываются и основные риски, связанные с выживанием в суровых условиях на орбите (а тем более — на поверхности Марса или в марсианских пещерах). При длительном межпланетном полёте человек неизбежно подвергается постоянному воздействию галактических космических лучей, состоящих в основном из высокоэнергетических протонов, а также из альфа-частиц и электронов и исключительно вредных заряженных частиц высоких энергий (HZE). Одним из показателей космического излучения является линейная передача энергии (ЛПЭ). Лучи с высоким показателем ЛПЭ канцерогенные, вызывают массовое поражение хромосом и, следовательно, дестабилизируют геном. Космические лучи с низким показателем ЛПЭ ближе по свойствам к хорошо изученному рентгеновскому и гамма-излучению, и вред от них проявляется в долгосрочной перспективе: из-за них в организме образуются активные формы кислорода (АФК). Наращивается оксидативный стресс, также приводящий к разрыву нитей ДНК.
Эти показатели не идут ни в какое сравнение с той дозой радиации, которую получат участники трёхлетней экспедиции на Марс (иллюстрация взята из статьи, анализирующей воздействие длительного космического полёта на сердечно-сосудистую систему). Таким образом, при полёте на Марс и обратно человек может получить до 1000 миллизивертов, тогда как современная норма для астронавта NASA за всю карьеру составляет 800–1200 мЗв. Учитывая, что Марс также постоянно поливается жёстким ионизирующим излучением, так как на планете почти полностью отсутствует магнитосфера, по возвращении на Землю марсианские первопроходцы рискуют получить онкологические патологии различных желез, а также лейкемию.
Теоретически, в рамках эволюционной изменчивости отдельные люди должны легче переносить жёсткое излучение и иметь предрасположенность к длительным космическим полётам. Обнаружить такую предрасположенность можно было бы при помощи мультиомического анализа. Мультиомика — это инновационная биохимическая дисциплина, позволяющая одновременно оценивать и сопоставлять с референсными интервалами множество показателей организма.
Кандидатов можно было бы отбирать, ориентируясь степень накопления повреждений в ДНК (что определяется при помощи мультиомики) или отдавая предпочтение тем кандидатам, в чьих клетках наблюдается низкая скорость мутаций, измеряемая по скорости клонального кроветворения.
Более глубокий анализ и поиск защитных механизмов возможен при изучении экстремофилов, как одноклеточных (бактерий), так и многоклеточных. Различные исследования показали, что бактерии реагируют на орбитальный полёт как на стресс: у них возрастает вирулентность, сопротивление антибиотикам, активность метаболизма и т.п. Уже известно, что бактерии Deinococcus radiodurans обладают повышенной переносимостью радиации, так как имеют крайне эффективные механизмы репарации ДНК и защиты белков. Изучая этого дейнококка, удалось выяснить, что устойчивость к радиации коррелирует со способностью организма надолго переходить в ангидробиоз (неактивное практически высушенное состояние). При переходе в ангидробиоз селективный отбор способствует развитию способности противостоять эндогенным реактивным формам кислорода. В свою очередь, эта способность повышает устойчивость организма к высоким и низким температурам и радиации, поскольку фундаментально и тот, и другой фактор воспринимаются на клеточном уровне как излучение. Но признанными чемпионами мира по ангидробиозу оказались не дейнококки, а тихоходки видов R. coronifer и M. tardigradum. Выживаемость тихоходок на низкой околоземной орбите уже стала легендой, на Хабре кратко рассмотрена в статье уважаемого @marks. Но в контексте рассматриваемой темы тихоходки кажутся именно тем перспективным организмом, чей генетический материал пригодится человеку для адаптации к долгим космическим перелётам.
Разобравшись с молекулярными механизмами, лежащими в основе устойчивости экстремофилов к враждебной окружающей среде, можно было бы выяснить, как повысить шансы человека на сохранение здоровья при длительных орбитальных миссиях и межпланетных перелётах. Человеческий геном можно научиться модифицировать ещё на стадии эмбриона, углубляясь в практическую евгенику. Но при этом известно, что ввод даже единичных чужеродных генов в организм влияет на весь генотип этого организма. Поэтому было важно выявить у тихоходок именно тот ген, который кодирует экстремофильный белок. Такой белок у тихоходок известен: он называется Dsup (damage suppressor, «подавитель ущерба»).
Интересующий нас белок Dsup — это молекула со слабо упорядоченной конфигурацией, связывающаяся с ДНК и впервые обнаруженная в 1993 году у тихоходок Ramazzottius varieornatus.
Радиоупорная тихоходка
Тихоходки — это мелкие беспозвоночные размером около миллиметра, близкие к членистоногим и обитающие в пресной воде (лужах), а также во влажных мхах и лишайниках. Тихоходок открыл в 1773 году немецкий натуралист Иоганн Август Эфраим Гёце, впервые сравнивший их с «водными мишками». В наше время тихоходки известны как самые неприхотливые многоклеточные животные. Они выживают в вакууме, кипятке, температурах ниже -250 ℃. Кроме того, известно, что тихоходки возвращаются к жизни после почти полного обезвоживания.
Логично, что тихоходки должны быть достаточно выносливы, чтобы существовать в условиях жёсткого излучения, но подтвердить этот факт удалось только в 2016 году. Соответствующая статья, опубликованная в журнале Nature Communications, была подготовлена группой под руководством Такекадзу Куниэда из Токийского университета. Учёные предположили, что резистентность тихоходок к рентгеновским лучам — это побочный эффект их адаптации к сильному обезвоживанию и высоким температурам. Обезвоживание нарушает целостность нитей ДНК примерно по тому же принципу, что и космические лучи. Куниэда с коллегами секвенировали геном тихоходки Ramazzottius varieornatus, которую я уже упоминал выше, а затем внедрили её гены в клеточные культуры млекопитающих, постепенно выключая при опытах различные гены тихоходок. Японцам удалось доказать, что человеческие клетки, усиленные тихоходочьим геном, который кодирует белок Dsup, становятся на 40% устойчивее к облучению.
Ramazzottius varieornatus может входить в контролируемое состояние обезвоживания, в котором содержание воды в организме животного падает до 2,5% (при этом сама тихоходка заметно уменьшается). Метаболизм замедляется примерно в 10 000 раз по сравнению с нормальным. Животное оживает, как только окажется в воде.
Японцы помещали гены тихоходок в плазмиды, а затем внедряли в человеческую клетку и клонировали получившуюся клеточную культуру. Впоследствии аналогичные исследования были продолжены в Китае под руководством доктора Юэ Вэнь (Академия военных наук в Пекине). В 2023 году китайские исследователи пошли на значительно более смелый опыт. Они размножили стволовые эмбриональные клетки человека, а затем применили метод генетического редактирования CRISPR/Cas9 и внедрили в человеческую клетку защитные гены тихоходок, кодирующие белок Dsup. Повторюсь: поскольку это были стволовые клетки человеческого эмбриона, они теоретически могут развиться в любые органы и ткани, а также в здорового младенца. По сообщениям исследовательской группы, после этого клетки перенесли заведомо смертельную дозу рентгеновского излучения, но более 90% этих клеток уцелели.
Сам по себе положительный исход такого опыта уже удивителен, учитывая огромную эволюционную дистанцию между человеком и тихоходкой. Считается, что такие химерные клетки могут провоцировать опасные и непредсказуемые мутации. Более универсальные белки теплового шока распространены у самых разных организмов от бактерий до человека, но именно Dsup-подобные белки встречаются только у некоторых примитивных многоклеточных. Кроме тихоходок аналогичные белки обнаружены у кораллов. К удивлению Юэ Вэнь, белок тихоходок не только не нарушил целостности хромосом, но даже подстегнул скорость развития клеток и стимулировал их пролиферацию. Пролиферация клеток чаще всего приводит к онкологическим заболеваниям, поэтому метод пока представляется опасным.
Потенциальные варианты применения белка Dsup за пределами космонавтики
Белок Dsup заслуживает дополнительного изучения и в чисто фармацевтической плоскости, так как на его основе можно было бы разрабатывать препараты для управляемой репарации ДНК и защиты от оксидативного стресса. По имеющимся лабораторным данным, dsup-синтезирующие клетки способствуют восстановлению как двойных, так и одиночных нуклеотидных нитей. Человеческие клетки культуры HEK239, усиленные белком Dsup, остаются здоровыми даже при таких дозах ионизирующего излучения, которые гарантированно оказывают тератогенный эффект. Таким образом, Dsup помогает предохранять клетку от хромосомных перестроек (аберраций) и может быть полезен не только космонавтам, но и онкологическим пациентам, проходящим лучевую терапию.
Технологически удобнее получать Dsup не от многоклеточных тихоходок, а от одноклеточных бактерий, чей геном можно перенастроить на производство такого белка. Такой генной инженерии поддаётся обычная кишечная палочка Escherichia coli, являющаяся важнейшим представителем человеческого микробиома. Вполне возможно, что обеспечить человеку естественную радиозащиту, изменив человеку не геном, а всего лишь микрофлору. Аналогичный положительный опыт уже есть: в 2023 году был получен искусственный штамм кишечной палочки SYNB1618, при помощи которого удалось улучшить состояние пациента с фенилкетонурией (почечной недостаточностью). Исследования в этой области должны продолжаться.
Белок Dsup не менее интересен в качестве средства для борьбы со свободными радикалами и активными формами кислорода, поскольку такие вещества возникают не только вследствие радиационного облучения, но и многих других факторов: загрязнения воздуха, попадания в организм вредных металлов, масел, жиров, дыма и алкоголя. Трансгенные клетки с Dsup показывают повышенную выживаемость и в присутствии таких патологических агентов.
Таким образом, мы вплотную подходим к созданию химерных эмбрионов или даже полноценных человеческих особей, способных побороть вредное и неустранимое космическое излучение. Поскольку поколения у человека меняются медленно, такие вмешательства в обозримом будущем не приведут к возникновению какого-либо Homo sapiens astronomadicus, однако неприметные тихоходки вполне могут приспособить нас не только к радиационной устойчивости, но и к контролируемому обезвоживанию, и к анабиозу, а значит — приблизить нас к звёздам.
