Есть много способов рассматривать клетку — начиная от удивительного факта, что каждый из нас начинал с одной, а теперь мы состоим из триллионов клеток, заканчивая открытием, что некоторые нейроны в нашем позвоночнике простираются до трех футов. Кармелла Хейнс, 43-летний инженер-биомедик из Университета Эмори в Атланте, штат Джорджия, думает о каждой клетке как о хоре, в котором каждый ген вносит свой голос. Она объясняет, что гены в клетках «имеют врожденные различные степени выразительности, такие как громкость и высота тона, а также ритмы перкуссии. Одни очень тихие, другие очень громкие. Здоровые, счастливые клетки постоянно вносят поправки в экспрессию этих генов». Результат? Прекрасная гармония и хорошо функционирующая клетка.
Рак, по ее словам, рушит все урегулирование. Раковая клетка увеличивает громкость одних генов и уменьшает громкость других. Клетка размножается слишком быстро или начинает разрывать связи со своими соседями, чтобы ускользнуть и устремиться через кровоток к отдаленным органам. В течение последних десяти лет Хейнс усердно работала над созданием синтетической молекулы, которая, как она надеется, заставит раковые клетки перестать портить песню — и либо спокойно вернет их к менее разрушительному поведению, либо просто позволит им вовсе замолчать посредством апоптоза. Она разработала белок, который может повышать активность защитных генов, отключаемых раковыми клетками.
Ее белковая молекула сконструирована таким образом, чтобы захватывать целевые точки в туго свернутой упаковке, которая заворачивает и скручивает всю ДНК внутри каждой клетки. Цель состоит в том, чтобы открыть эту упаковку в местах, где полезные гены, такие как подавители опухолей, были существенным образом заглушены, позволяя этим полезным генам снова петь. Если молекула Хейнс будет работать так, как она надеется, раковые клетки начнут больше походить на обычные клетки и вести себя соответсвующе, а также погибнут при повреждении. Мы будем на один шаг ближе к излечению рака, восстанавливая клеточную гармонию во благо.
Что побуждает человека принять вызов одной из самых смертельных болезней в мире? Какова история этого, возможно, революционного нового лечения? Я села с Кармеллой Хейнс, чтобы выяснить это.
Против Беспощадной Дискриминации.
История Хейнс, к сожалению, редко встречается в синтетической биологии: молодая чернокожая женщина, уходящая корнями в «глубокий юг Джима Кроу», поднимается на вершину преимущественно белого и мужского поля. Она является единственным афроамериканским автором 29 из 31 ее статей, написанных в соавторстве, и это не случайно. Прошлое Хейнс подготовило ее делать невозможное. Она выросла в Сент-Луисе, штат Миссури, слушая воспоминания своей матери о сегрегации, бедности и терроризме ККК. Оставаться в курсе этого угнетения всегда было так же важно для Хейнс, как и преодоление ограничений, которые оно налагало.
Она получила полную стипендию во Флоридском A&M — государственном университете, исторически сложившемся для чернокожих, в Таллахасси, Флорида. Будучи студенткой, она была допущена к летней исследовательской программе в Массачусетском технологическом институте, ориентированной на недопредставленные меньшинства и экономически неблагополучные слои населения. Она вспоминает, как направилась прямо к книжному магазину, когда попала туда. «Я купила отцу свитер и кружку MIT, — говорит она. «Он мечтал поступить в Массачусетский технологический институт, будучи старшеклассником, но, учитывая социальное неравенство того времени, никто не воспринимал его всерьез. Мое племя — это люди с юго-востока, которые подвергались беспощадной дискриминации. Многие все еще пытаются стать более представленными в таких областях, как наука».
Хейнс сталкивалась с дискриминацией, часто окутанной «вежливым пренебрежением, позволяющим задохнуться под тяжестью упущенных возможностей» в ключевые поворотные моменты своей жизни. Например, она по-прежнему озадачена «мягким отказом» в приеме на работу в Аризонский государственный университет, где она работала преподавателем в Школе биологических систем и систем здравоохранения. «Они никогда не называли мне четкой причины,» — говорит она. Хейнс собрала миллион долларов в виде грантов, провела необходимое количество национальных и международных докладов, взяла на себя тяжелую преподавательскую нагрузку, была приглашена помочь организовать серию докладов в престижной лаборатории Колд-Спринг-Харбор и публиковалась в журналах со средним и высоким импакт-фактором. Она также впервые в истории университета пригласила первокурсников работать непосредственно с ДНК. «Они сказали мне, — вспоминает она, — что мне нужно представить больше доказательств того, что я могу возглавить устойчивую исследовательскую программу».
Хейнс также изначально было отказано в финансировании NIH для должности постдока в Гарвардской лаборатории известного синтетического биолога Памелы Сильвер. Сильвер говорит, что Хейнс была более чем квалифицирована, идеально подходил.а «Я была просто шокирована, — говорит Сильвер, — потому что в то время Национальный институт здоровья утверждал, что пытается диверсифицировать науку. Я позвонила им, а затем написала им письмо, и они отменили свое решение, и она получила стипендию». Хейнс говорит, что это был первый раз, когда «у меня был кто-то, кто заступился за меня, и я так благодарна. До сих пор широко распространено серьезное обесценивание людей, потому что мы чернокожие». Новая должность стала поворотным моментом в ее карьере.
Теперь Хейнс ведет за собой других. Она является важным голосом в мире синтетической биологии и считается исследователем рака, за которой стоит наблюдать. Но ее происхождение и навязанная им история никогда не покидают ее мыслей. Она помнит, как боялась идти по Колледж-стрит в Университете штата Аризона после того, как чернокожая коллега подверглась жестокому обращению и была арестована полицейским, который остановил ее за то, что она якобы перешла улицу. Инцидент попал в национальные новости и оказал на нее неизгладимое влияние.
В 2009 году Хейнс начала собирать генеалогические и исторические данные о довоенных плантациях, фермах и фабриках, на которых использовался африканский рабский труд. Она называет это место Sankofagen, что на языке акан в Гане означает «вернуться и взять». «На данный момент я обнаружила три плантации, с которыми я связана в Миссисипи», — говорит она. Новая связь с дальним родственником и писателем дала ей возможность написать предисловие к его генеалогической книге «Дерево Аки». «Я хочу помочь тем, кто, как и я, сталкивается с кирпичной стеной рабства, когда мы пытаемся проследить нашу родословную».
Она прослеживает эту родословную и в произведениях искусства. Она рисует портреты, насыщенные цветом и с оттенком сюрреализма, некоторые из них ссылаются на имена богов и богинь африканской религии йоруба. Она стремится стереть границы между обыденным и волшебным. «Так называемая «магия» окружает нас повсюду,» — говорит она. Для Хейнс и наука, и искусство оба представляют вещи, которые не сразу очевидны, и оба поставили перед ней одну и ту же задачу: «Повторяю ли я то, что делают все остальные, или иду на риск?»
Новый Динамичный Подход к Исследованию Рака.
В обоих случаях Хейнс успешно ошиблась в сторону риска. Ее исследование связано с изменением хроматина, комплекса белков, которые прикрепляются к ДНК, наматывают и скручивают ее, как садовый шланг, делая ее достаточно компактной, чтобы поместиться в клетку. Участок ДНК длиной почти 6 футов (2 метра) может быть скручен в цепочку хроматиновых «бусинок», которые группируются и складываются в пространство шириной всего в одну сотую миллиметра. Но оказывается, что хроматин — это гораздо больше, чем просто удивительная упаковка. На самом деле это хранитель активности генов. Он работает просто, но гениально: он может временно разворачиваться в некоторых местах, открываясь, чтобы позволить белкам и ферментам проникнуть в клетку, увеличивая громкость и активность определенных генов. Он также может упаковывать, подавлять или заглушать определенные гены. Хроматин изменяет «мелодию» и громкость песен, которые поют наши гены.
Модификация хроматина является относительно новым направлением в исследованиях рака, но уже привела к созданию новых лекарств, которые отличаются от тех, которые нацелены на мутировавшие гены или онкогены, способствующие развитию рака. Хроматин имеет основополагающее значение для любой активности клетки, потому что он позволяет клеткам вносить эпигенетические изменения — менять свою функцию, оставляя генетический код прежним. Хейнс очарована эпигенетическими изменениями, потому что они изменяют поведение клетки и в некоторых случаях могут быть постоянными и передаваться по наследству будущим поколениям. Она считает, что медицинские достижения, основанные на эпигенетической модуляции, в конечном итоге приведут к «революции в лечении рака».
Хотя раковые клетки содержат критические мутации, многие гены в раковой клетке совершенно нормальны — изменяется только упаковка хроматина. Постоянное заглушение защитных генов или увеличение громкости генов, которые помогают клетке размножаться или сопротивляться смерти, способствует, казалось бы, безрассудному росту раковой клетки. «Если бы раковая клетка использовала только мутации ДНК, чтобы изменить свою личность, — объясняет Хейнс, — она могла бы в конечном итоге мутировать ген, необходимый ей для жизни. Раковым клеткам нужно много тех же генов, что и здоровым клеткам, чтобы остаться в живых». Это понимание, по ее словам, является ключом к новому поколению дизайнерских молекул, нацеленных на экспрессию генов, а не на мутации.
По словам Памелы Сильвер, «Кармелла делает то, чего раньше никто не делал. Она смешивает динамику хроматина и синтетическую биологию. Я просто в некотором роде в восторге от нее». Другой наставник, биолог Малкольм Кэмпбелл из колледжа Дэвидсона, соглашается: «Она очень старается, и если она добьется успеха, это окажет огромное влияние не только на синтетическую биологию, но и на всю биологию рака».
Пока все идет хорошо: в 2011 году Хейнс и Сильвер опубликовали статью, доказывающую, что ее синтетическая молекула действительно может нацеливаться на хроматин и реактивировать молчащие гены, так что распространение клеток снижается. У нее были многообещающие результаты в клеточной линии рака костей. Ее работа над клеточными линиями рака молочной железы в качестве независимого исследователя в 2017 году показывает, что ее белок активирует иммуностимулирующие гены, которые, как известно, стимулируют собственный интерфероновый ответ организма для борьбы с вирусами и уничтожения раковых клеток. Теперь, в 2020 году, она готова приступить к своему первому исследованию на мышах, чтобы увидеть, действительно ли ее белок может уменьшать опухоли у живых животных. По ее словам, в лучшем из возможных миров Pc-TF могут оказаться полезными при одном из самых неизлечимых видов рака в мире, трижды негативном раке молочной железы. Это агрессивный рак с несколькими вариантами, но при котором многие защитные гены, подавляющие опухоль, замолкают. «Перепрограммирование профилей экспрессии раковых генов, — говорит она, — и, следовательно, изменение производства белков в раковых клетках может быть особенно полезно для трудноизлечимых видов рака, у которых нет чувствительных мишеней для лекарств».
Удачная Неудача.
Хейнс достигла выбранной ею ниши в синтетической биологии благодаря тому, что она называет «удачной неудачей». Ее нынешний фокус появился из неудачного мысленного эксперимента, когда она была в лаборатории Сильвера — эксперимента, в котором она планировала модифицировать хроматин, чтобы разработать новый автономный эпигенетический переключатель. «Летом 2009 года у меня появилась очень забавная идея взять белок, который естественным образом встречается в клетках человека, и использовать его для создания системы типа цепи, в которой белок попадал бы в ген, включал его, но не давал никакого эффекта на другие гены в клетке». Если все пойдет хорошо, белок попадет на маленькую метку, выросшую из определенного гистона, метку под названием H3K27me3, которая была помещена рядом с синтетическим геном. Она уже начала собирать воедино свою синтетическую ДНК, когда ее коллега на собрании в лаборатории указал, что ее белок, скорее всего, попадет на многие другие маркеры H3K27me3 на хроматине, активируя так много генов, что это существенно повлияет на клетку. Поначалу опустошенная, Хейнс говорит, что вскоре поняла, что «если этот белок может включать гены и изменять поведение клеток, это будет отличное лекарство от рака». Фактически, маркер H3K27me3 недавно был сопряжен во многих работах с подавлением опухоли при раке.
Хейнс решила работать с клеточной линией рака кости, которую она использовала в некоторых проектах, и поискать маркер H3K27me3. Он действительно присутствовал в нескольких генах, которые были активированы ее синтетическим белком. Более того, она увидела активацию этих генов, в том числе важного супрессора опухоли, называемого p16. В то же время она заметила, что клетки стареют, теряя способность к репликации так же быстро.
Ее статья 2011 года об этой работе была только принята, когда она посетила конференцию по синтетической биологии в Стэнфорде и решила вручную нарисовать плакат своего открытия на холсте — не типичный сеанс «постера» ученого. «Я был совершенно потрясен», — написал в своем блоге биолог-эволюционист из Стэнфорда Джонатан Эйзен о своей встрече с ней. «У нее были с собой краски, и она продолжала добавлять штрихи к картине», рассказывая о своем открытии.
Что ждет Хейнс и ее революцию против рака? «Традиционные лекарства состоят из небольших молекул,» — говорит она, и хотя они могут быть эффективными и их легко вводить пациенту, — «они не содержат много биологически значимой информации. Они полагаются на прерывание или улучшение белка, который уже есть». Они не могут достичь уровня сложности, который возможен с помощью инженерных белков, которые являются большими, сложными и разнообразными. Она говорит, что синтетические белки обладают гораздо большей силой. «Вы можете связать вместе разные части с разными функциями, чтобы создать индивидуальную биологическую наномашину».
Ключевым моментом является понимание того, что раковая клетка может добиться значительных изменений в экспрессии своих генов и, следовательно, в своем поведении, просто увеличивая и уменьшая громкость генов
Кармела Хейнс
Она признает, что будут большие препятствия и проблемы, даже если ее белок работает прекрасно. «Всегда есть шанс, что он искусственно активирует ген в неподходящее время в неподходящем месте в здоровой клетке и остановит его функционирование», — объясняет она. Если бы это было так, ей, возможно, пришлось бы добавить к своему белку дополнительную биохимическую метку, отсылающую к раку, что сделало бы его больше. И чем крупнее молекула, тем сложнее ее доставка. Сконструированный белок не может быть настолько большим, чтобы его трудно или невозможно было проникнуть в клетки.
С этим согласен коллега Хейнса Карлос Морено, специалист по биоинформатике рака и системной биологии в Медицинской школе Университета Эмори. «Вероятно, вам придется упаковать эти белки в какие-то липосомы или целевые наночастицы, чтобы доставить их в клетку», — говорит он. Но в конечном счете, говорит Морено, такой подход, как у Хейнс, может иметь большое значение, особенно в сочетании с другими терапевтическими вариантами. «При любой терапии рака некоторые клетки будут уязвимы, а другие — нет». Опухоли полны разнообразия, и «всегда сложно бороться с вездесущей проблемой сопротивления».
Заглядывая вперед, Хейнс говорит, что лекарство может появиться в лучшем случае через десять лет. Ключевым моментом, по ее словам, является понимание того, что раковая клетка может добиться значительных изменений в экспрессии своих генов и, следовательно, в своем поведении, просто увеличивая и уменьшая громкость генов. Она не удивлена: «Именно так клетки в разных тканях принимают разные личности — как одна становится эритроцитом, а другая — нейроном». Так слагаются песни самой жизни. Новые методы синтетической биологии предлагают нам новые способы услышать и гармонизировать эти мелодии, чтобы они оставались верными, ясными и красивыми.
