Нобелова награда за Медицина и физиология 2007

Нобеловата награда за Медицина и физиология за 2007ма година бе присъдена на Марио Капеки, сър Мартин Еванс и Оливър Смитис, за техните изследвания върху ембрионалните стволови клетки и ДНК-рекомбинацията при бозайниците. Тримата учени са отличени за разработването на методи, които позволяват създаването на организми с нови генетични характеристики, с помощта на стволови клетки и рекомбинантни ДНК технологии. Методите за генна-модификация, разработени на база откритията на Марио Капеки, сър Мартин Еванс и Оливър Смитис, намират широко приложение в работата на учени и лекари. Те се използуват както при фундаментални изследвания, целящи изясняване на молекулните механизми и клетъчни процеси, намиращи се в основата на жизнените процеси, така и при разработката на лекарства и методи за лечение.

Рекомбинацията и генетичното разнообразие

Всеки един от нас носи в клетките си инфромация за развитие и функциониране на целия организъм. Тази информация е кодирана във веригите на ДНК, които са “опаковани” в хромозомите – специфични структури, намиращи се в клетъчните ядра. При човека, хромозомите наброяват 46 – това са две полови хромозоми, Х и У (в комбинации ХХ или ХY), и 22 двойки от т. нар. автозоми. Всеки от нас получава при зачеването си еднакъв брой хромозоми от бащата и майката – по 22 автозоми и по 1 полова хромозома. Всяка двойка автозоми се състои от майчина и бащина, като те се характеризират с голямо сходство помежду си - говорим за хомоложни двойки хромозоми. В хода на клетъчното делене, хомоложните хромозоми могат да обменят материал по между си, като по този начин генетичната информация, получена от бащата и майката се размесва - този процес е известен като рекомбинация. Той се намира в основата на генетичното разнообразие и еволюцията. Изучавайки процеса на рекомбинация, Марио Капеки и Оливър Смитис стигнали до идеята, че процесът може да се използува целенасочено за модифициране на гените на живите организми – отстраняване на болестотворни мутации или сдъздаване на нови генетични варианти. Капеки успял да покаже, че е възможно протичане на хомоложна рекомбинация между нормална хромозома и внесен отвън генетичен материал. Смитис от своя страна установил, че тази рекомбинация протича независимо от вида и активността на анализирания ген в дадената клетка – т.е. всеки един ген може да бъде променен чрез хомоложна рекомбинация.

Силата на мозайките

За да може да се внесат промени в наследствения материал на един възрастен индивид, човек би трябвало да модифицира всички негови клетки – една непосилна задача. Много по-лесно би било да се изменят клетките на един ембрион в началните стадии на неговото развитие, когато техният брой е много малък. Именно в това е приносът на Мартин Еванс – той разработва метод за отглеждане в лабораторни условия на ембрионални миши клетки, които запазват способността си да се развиват и които са в състояние да дадат началото на всички клетки и тъкани на възрастните индивиди.

Тези клетки, известни като ЕС (ембрионални стволови ) клетки могат да бъдат инжектирани в миши ембрион, като по този начин се включват в развитието на бъдещия организъм. Индивидите, създадени по този начин са мозайки – те носят генетична информация на първоначалния зародиш, в комбинация с тази, внесена чрез ЕС клетките. Тъй като различни клетки в един зародиш-мозайка допринасят за развитието на различни тъкани, възможно е ЕС клетките да изиграят роля в изграждането на половата система на бъдещия индивид – така неговото поколение ще бъде резултат от полови клетки, носещи наследствената информация от ЕС клетките. Така разработената от Еванс методика пасва идеално на целите на Капеки и Смитис – с помощта на клетки, отглеждани в клетъчни култури и подлежащи на генно-модифициране с помощта на хомоложна рекомбинация, учените могат да “внасят” промени в наследствената информация на мишките.

Два метода, които ни дават технология на бъдещето

Разработените от Капеки, Еванс и Смитис нови изследователски техники, се намират в основата на съвременните молекулярна биология, генетика и медицина. С разчитането на човешкия геном се стигна до идентифицирането на множество нови гени – предполага се, че общият им брой в нашите клетки е около 20 000 – 25 000. Днес, пред учените стои не леката задача да установят каква е ролята на всеки един от тези гени за нормалното развитие на организма и за появата на различни патологични изменения, как се регулира тяхната дейност, а също и какво е взаимодействието между отделните гени в рамките на клетката от една страна и между гените и околната среда от друга.

Смята се, че на генетично ниво, сходството между човек и гризачите е около 95% - това позволява на учените да използуват лабораторни животни, най-често мишки, за генетични изследвания. Един от най-често използувания подход е създаването на “нокаут животни”. Това става чрез техники, базиращи се на рекомбинационни технологии и стволови клетки, които позволяват на изследователите да създадат мишки, при които точно определени гени са инактивирани или иначе казано “нокаутирани”. До днес учените са създали нокаут мишки за близо 10 000 гена. Анализът на тези генно-модифицирани или нокаут индивиди, дава ценна информация за функциите на анализирания ген при бозайниците, в това число и човека. Техниката за създаване на генно-модифицирани организми е толкова добре развита, че позволява на учените да “внесат” мутации в точно определени видове клетки и тъкани, а също и да активират мутантния ген само в точно определен етап от живота на мишката.

Наред с инактивирането на гени, учените днес могат с помощта на същите методи да пренесат при мишки точно определена генетична мутация, открита при хора, страдащи от дадено наследствено заболяване. По този начин се създава точен лабораторен модел на болестта, което позволява разработването на нови лекарства и терапевтични методи за лечение на редица тежки заболявания. Така например днес разполагаме с миши модели на такива тежки наследствени заболявания като муковисцидоза и таласемия, а също и на едни от най-често срещаните болести на нашето време – атеросклерозата, затлъстяването и високото кръвно налягане. Изучаването на основите на тези болести и разработването на нови методи за тяхното лечение днес би било немислимо без съществуването на такива лабораторни модели.

Марио Капеки - роден в Италия през 1937 г. Защитава докторска дисертация в областта на биофизиката в Харвард през 1967 г. В момента живее и работи в САЩ. Професор е по генетика и биология на човека в Университета в Солтлейк Сити.

Сър Мартин Еванс – роден през 1941 във Великобритания. През 1969 г. получава докторска степен по анатомия и ембриология от Юнивърсити Колидж, Лондон. Понастоящем е професор по генетика на бозайниците и директор на Институт по бионауки в Университета Кардиф.

Оливър Смитис – роден във Великобритания през 1925. Защитава докторска дисертация по биохимия през 1951 г. в Оксфорд. Понастоящем живее и работи в САЩ. Професор по патология и лабораторна медицина в Университета на Северна Каролина.