Нобелевскую премию по физиологии и медицине 2007 г. разделят Марио Капекки (Mario R. Capecchi) из Университета Юты (США), Оливер Смитис (Oliver Smithies) из Университета Северной Каролины и сэр Мартин Эванс (Sir Martin J. Evans) из Кардиффского университета (Великобритания).

Премия присуждена за «открытие принципов введения специфических генных модификаций в организм мышей посредством эмбриональных стволовых клеток» («for their discoveries of principles for introducing specific gene modifications in mice by the use of embryonic stem cells»), то есть за изобретение метода нокаута генов (gene knockout). Этот метод, разработанный лауреатами в конце восьмидесятых годов, широко используется в современных генетических исследованиях для определения функций 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 в течение семи лет (1953-1960) жил в Канаде и работал в Университете Торонто. 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 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 с 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.

Источник: Alison Abbott. Biologists claim Nobel prize with a knock-out // Nature News. Published online 9 October 2007.
Cм. также:
1) The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2007 (сообщение на официальном сайте Нобелевского комитета).
2) Edyta Zielinska. Capecchi, Smithies and Evans share the Nobel // The Scientist. Published 8 October 2007.
3) Knockout Mice (нокаутные мыши в вопросах и ответах на сайте американского Национального института исследований генома человека – National Human Genome Research Institute).

Петр Петров, «Элементы»