Polozov Andrey

ГЕНЫ И ФИЗИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ

Сколько генов активируется в организме человека под влиянием физической нагрузки? В исследовании 2005 года ученых из Института Каролинска (Швеция), под руководством Карла Зюндберга было показано, что у здоровых мужчин регулярные занятия в течение шести недель на самом обычном велотренажере активируют такое количество разных генов, которое не активируется больше ничем — около 470. В основном стимулировались гены внеклеточного матрикса мышечных клеток и белки, связывающие кальций, но также важные гены, вовлеченные в развитие диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Чем лучше результат был достигнут на тренировках, тем выше была экспрессия генов.

Умеренная физическая нагрузка приводила к лучшей чувствительности клеток тела к инсулину, по-видимому, за счет каких-то геномных модификаций экспрессии белков рецептора инсулина. В исследовании ученых из Новой Зеландии (2001), было обследовано 79 здоровых человек в возрасте 35–60 лет на и выяснилось, что способность использовать инсулин по назначению выросло на 23% после четырехмесячной физической тренировки (20 минут фитнесса пять раз в неделю) и специальной диеты.

Однако генная терапия, способная изменить жизнь пожилых людей и больных мышечной дистрофией, заинтересовала и некоторых спортсменов, склонных к применению допинга. Продукты синтетических генов идентичны природным компонентам и присутствуют только в мышечной ткани, не попадая в кровоток, а потому их нельзя обнаружить в пробах крови или мочи. Всемирный антидопинговый комитет (World Anti-Doping Authority, WADA) уже обратился к ученым с просьбой приостановить проникновение генной терапии в сферу спорта.

В нашем теле есть три типа мышц: гладкие, образующие стенки внутренних органов (например, желудочно-кишечного тракта), скелетные (мускулы) и сердечная мышца. У восьмидесятилетних мышечная масса и сила мышц уменьшается на 1/3 по сравнению с тридцатилетними. Скелетные мышцы раньше других выходят из строя. Возрастные изменения скелетных мышц характерны для всех млекопитающих и связаны с неспособностью стареющего организма ликвидировать повреждения, накапливающиеся при естественных нагрузках. В отличие от типичной животной клетки, в цитоплазме которой находится только одно ядро, мышечная клетка представляет собой длинный цилиндр, содержащий несколько ядер. В ее цитоплазме присутствуют многочисленные волокна - миофибриллы. Они, в свою очередь, состоят из толстых и тонких нитей, которые, перекрываясь, образуют основной сократительный элемент мышечной клетки - саркомер. Укорочение саркомеров приводит к сокращению мышц. Возникающее при этом напряжение может стать причиной повреждения волокон, если белок дистрофин не отводит избыток энергии через клеточную мембрану наружу. Но деформация появляется в мышцах и в присутствии дистрофина. Принято считать, что единственный способ нарастить мышцы и укрепить их - это физические упражнения. При больших нагрузках в волокнах возникают микроскопические разрывы, провоцирующие образование специфических химических веществ - сигналов тревоги. Они запускают в организме процесс регенерации тканей, который в данном случае заключается в ремонте клеточной мембраны поврежденных волокон и наполнении клетки новыми миофибриллами. Для этого должна произойти активация соответствующих генов в ядрах мышечной клетки, а когда потребность в новых миофибриллах очень велика, имеющихся ядер может оказаться недостаточно, и клетке требуется помощь. На ее призыв откликаются клетки-сателлиты. Вначале происходит быстрое деление специфических стволовых клеток, находящихся в мышцах, затем их потомки сливаются с волокном и передают мышечным клеткам свои ядра. В регуляции процесса участвуют факторы, способствующие росту мышц и противодействующие ему. Стимулятором роста служит инсулиноподобный фактор роста (IGF-I), а ингибитором - белок миостатин.

Можно ли использовать IGF-I для изменения функционирования мышц? Если просто инъецировать в мышцы IGF-I, то через несколько часов он исчезает. Но если ввести в клетку ген, кодирующий этот фактор, то он будет работать до тех пор, пока функционирует клетка, и обеспечивать ее необходимыми миофибриллами. Возможно, введения одной дозы IGF-I-гена хватило бы пожилому человеку на всю оставшуюся жизнь. Основная проблема заключается в адресной доставке IGF-I-гена.

Обычно исследователи используют в качестве переносчиков генов вирусные частицы. Они проникают в клетки организма-хозяина и включают свой генетический материал в клеточный геном. Однако до поры до времени никак себя не проявляют, выступая в роли биологического Троянского коня. В какой-то момент вирусные гены активируются и начинают реплицироваться, используя клеточный аппарат для производства своих белков. Специалисты по генной терапии эксплуатируют эту способность вирусов, для чего включают в их геном нужный ген и удаляют те, которые отвечают за патогенность вируса.

Суини Ли (2004) использовал в качестве вектора крошечный аденоассоциированный вирус (AAV), который легко проникает в мышечные клетки человека и не вызывает при этом никаких заболеваний. В его геном включили синтетический IGF-I-ген, функционирующий только в скелетных мышцах. Введение рекомбинантного вируса молодым мышам привело к увеличению у них суммарной длины мышц и повышению скорости наращивания мышечной массы на 15-30%, при том что грызуны вели малоподвижный образ жизни. Затем ввели IGF-I-ген взрослым мышам и длительное время наблюдали за ними. Обнаружилось, что у них с возрастом мышцы не утрачивали своей силы.

Для проверки безопасности такого подхода пришлось создать трансгенных мышей, у которых IGF-I образовывался в избыточном количестве во всех скелетных мышцах. Животные развивались нормально, только масса скелетных мышц была у них выше нормы на 20-50%. Когда мыши состарились, обнаружилось, что их мышцы такие же сильные, как у молодых грызунов. Не менее важным было и то, что повышенный уровень IGF-I отмечался только в мышцах, а в крови оставался нормальным. Увеличение концентрации циркулирующего в организме IGF-I отрицательно сказывается на работе сердца и увеличивает вероятность онкологических заболеваний. Последующие эксперименты показали, что при образовании IGF-I в избыточном количестве повреждения в мышцах устраняются быстрее даже у мышей с серьезными формами мышечной дистрофии.

В другом эксперименте сотрудники Суини Ли (2004) инъецировали рекомбинантный аденовирус, несущий ген белка IGF-I, в мышцы одной задней конечности каждой из лабораторных крыс и затем в течение восьми дней подвергали их нагрузкам. К концу эксперимента мышцы лапы, куда была сделана инъекция, стали вдвое сильнее и впоследствии утрачивали силу гораздо медленнее, чем мышцы второй задней конечности. Даже у крыс, не получавших нагрузок, после инъекции наблюдалось 15%-ное увеличение силы мышц - в полном соответствии с теми данными, что были получены нами в опытах на мышах.

Что касается человека, то о применении генной терапии с использованием рекомбинантных аденоассоциированных вирусов можно будет говорить не ранее 2015 года. Во-первых, нужно понять, безопасен ли этот метод, а во-вторых, неясно, куда лучше вводить вирус - в кровь или непосредственно в мышечную ткань.

Возможно, удастся достичь успехов, используя препараты, блокирующие действие миостатина - белка, участвующего в регуляции роста и развития мышц на протяжении всей жизни животных начиная с эмбриональной стадии. В норме он действует как тормоз, не допуская чрезмерного развития мышечной ткани, а когда нагрузка уменьшается, запускает процесс атрофии. Как показывают опыты на трансгенных мышах, в отсутствие этого фактора сдерживания роста наблюдается заметное увеличение как числа мышечных волокон, так и всей мышечной массы.

Фармацевтические и биотехнологические компании работают сегодня над созданием сразу нескольких ингибиторов миостатина, который может способствовать повышению мясистости скота. Первые миостатин-блокирующие препараты представляли собой антитела к миостатину. Другой подход состоит в имитации специфической мутации в геноме животного путем введения в его организм укороченного миостатина, который не обладает свойственными нормальной молекуле сигнальными функциями, но распознает структуры, примыкающие к клеткам-сателлитам, связывается с ними и делает недоступными для нормального миостатина.

Метод блокирования миостатина также представляет большой интерес для спортсменов, желающих быстро нарастить мышечную массу. Однако подобные вещества легко обнаружить в организме спортсмена, сделав анализ крови, что весьма нежелательно для человека, который их принимает. Другое дело - генная терапия. Продукт синтетического гена не выходит за пределы мышечной ткани и неотличим от своего природного аналога. Чтобы обнаружить сам ген или несущий его вектор, нужно взять мышечный биоптат и провести ДНК-анализ. Но многие вирусы (в том числе использованный в экспериментах аденоассоциированный вирус) в норме присутствуют в организме человека, так что тест только на их ДНК ничего не даст. К тому же не всякий спортсмен согласится на инвазивное тестирование перед соревнованиями.

Но безопасно ли для организма человека быстрое увеличение мышечной массы на 20-40%? Выдержат ли такую нагрузку связки и кости? Этот же вопрос возникает, когда речь идет о людях преклонного возраста, костная ткань которых утрачивает прочность в результате остеопороза. Возможно, у молодых, занимающихся спортом людей костная система успеет адаптироваться к новым условиям за несколько недель или месяцев, но так же может не получиться для пожилых людей.

Увеличение массы - скорее всего лишь первая цель, которую будут преследовать спортсмены, прибегая к генной терапии. Выносливость участников состязаний зависит помимо всего прочего от эффективности снабжения тканей кислородом. Образование в организме человека эритроцитов (клеток крови, переносящих кислород) стимулируется белком эритропоэтином. Его синтетический аналог, эпоэтин (Epoietin, EPO), был создан для лечения анемии, но его как допинг используют и спортсмены. Самый известный случай употребления EPO - велосипедные гонки «Тур де Франс» 1998 г., тогда была дисквалифицирована вся сборная одной из стран.

В 1997-1998 гг. были проведены эксперименты на обезьянах по переносу гена эритропоэтина. Их результаты показали всю опасность резкого повышения уровня этого белка в крови: за 10 недель он почти удвоился, а кровь стала настолько вязкой, что ее приходилось постоянно разжижать, иначе сердце не справлялось с работой.

Конечно, для рядовых спортсменов технологии переноса генов еще долгое время будут недоступны. Но есть опасность, что со временем появится настоящий рынок услуг в данной сфере - как это уже произошло с модифицированными стероидными гормонами, производством которых сегодня занимаются высококлассные химики-синтетики. Возможно, когда-нибудь удастся разработать совершенно безопасные методы генной терапии, которые будут применяться. Это повысит качество жизни и отношение общественности к манипуляции генами станет более терпимым.

Полозов А.А. Слагаемые максимальной продолжительности жизни: что нового? [Текст]/  А.А. Полозов. – М.: Советский спорт, 2011. – 380с.: ил
www.polozov.nemi-ekb.ru