Обезьян вылечили от дальтонизма при помощи генной терапии
|
Самцы беличьей обезьяны Saimiri sciureus от рождения не способны различать красный и зеленый цвета, поскольку у них в сетчатке глаза имеется только два вида опсинов (светочувствительных белков, реагирующих на свет с определенной длиной волны). Для полноценного цветного зрения нужно иметь как минимум три разных опсина. Американским ученым удалось вылечить двух взрослых самцов саймири от врожденного дальтонизма при помощи искусственных вирусов, содержащих ген человеческого длинноволнового опсина. Исследование показало, что для приобретения трихроматического зрения не нужно перестраивать нервную систему — достаточно лишь добавить в сетчатку новый рецепторный белок.
«Элементы» уже рассказывали об эволюции цветного зрения у млекопитающих (см.: Обоняние и цветное зрение в эволюции млекопитающих развивались в противофазе, «Элементы», 18.06.2008). Напомним, что у обезьян Старого и Нового Света переход от дихроматического зрения к трихроматическому произошел независимо и разными путями. У обезьян Старого света (узконосых, к которым относимся и мы с вами) «недостающий» третий опсин появился за счет дупликации (удвоения) одного из двух опсиновых генов, имеющихся у всех млекопитающих. Обезьянам Нового Света (широконосым) не удалось дождаться, пока у них тоже произойдет столь удачная генная дупликация (за исключением ревунов, которые этого все-таки дождались; см.: Dulai et al., 1999). Другие широконосые обезьяны, в том числе саймири, приобрели трихроматическое зрение за счет накопления различий между аллельными вариантами одного из двух опсиновых генов. Этот ген у широконосых обезьян, как и у нас, располагается на X-хромосоме, которая у самок присутствует в двух экземплярах, а у самцов — в одном. Поэтому самцы саймири имеют только одну копию гена и все без исключения являются «дальтониками», не отличающими красный цвет от зеленого. Самки саймири имеют две копии гена, и если им так повезло, что эти копии оказались разными (то есть самки гетерозиготны), то зрение у них будет трихроматическим. Гомозиготные самки, имеющие две одинаковые копии гена, различают цвета так же плохо, как самцы.
Широконосые обезьяны, таким образом, представляют собой хороший объект для изучения эволюции цветного зрения — а также для разработки «высокотехнологичных» методов коррекции дальтонизма у людей, в том числе при помощи генной терапии.
Проведенные недавно опыты с генетически модифицированными мышами, о которых рассказано в заметке Мышиный мозг готов увидеть мир по-человечески («Элементы», 29.03.2007), показали, что зрение мышей можно сделать трихроматическим, если ввести в геном мыши ген «недостающего» третьего опсина, заимствованный, например, у человека. Это значит, что способность различать дополнительные цвета не требует глубокой эволюционной перестройки нервной системы. Очевидно, нейронные контуры, отвечающие за обработку и анализ зрительной информации, устроены достаточно универсально и могут в процессе развития организма сами «разобраться», сколько разных рецепторов имеется в их распоряжении. Однако до сих пор нельзя было сказать наверняка, сколько времени требуется нервной системе, чтобы научиться различать и адекватно интерпретировать сигналы, приходящие от разных фоторецепторов. Генно-модифицированные мыши, о которых говорилось в упомянутой заметке, уже с момента зачатия имели в своем геноме человеческий ген длинноволнового опсина. Многие эксперты полагали, что соответствующая «настройка» зрительного анализатора происходит в очень раннем возрасте. В этом случае взрослому дальтонику, родившемуся с двумя опсинами, никакая генная терапия уже не поможет: даже если ввести в сетчатку недостающий ген, нервная система не сможет правильно интерпретировать сигналы, приходящие от новообретенных рецепторов.
Статья американских исследователей, опубликованная на сайте журнала Nature 16 сентября, показывает, что даже взрослые дальтоники могут быть успешно «вылечены» при помощи искусственных вирусов — по крайней мере если эти дальтоники являются самцами саймири.
Авторы изготовили вирусов, геном которых содержит ген человеческого длинноволнового опсина — тот же самый, который ранее встраивали в геном мышей. Регуляторный участок гена был сконструирован таким образом, чтобы ген экспрессировался (работал) только в «средневолновых» фоторецепторах (колбочках), но не в палочках и не в коротковолновых колбочках. Вирусов ввели в глаза двух самцов саймири — по 2,7 ? 1013 вирусных частиц в каждый глаз. Вирусы успешно проникли в 15–30% средневолновых колбочек и начали производить человеческий опсин. При помощи мультифокальной электроретинографии (см. multifocal electroretinogram) удалось показать, что колбочки, производящие длинноволновый опсин, действительно стали гораздо сильнее реагировать на длинноволновый (красный) свет. Теперь оставалось только выяснить, способен ли мозг обезьян понять новую информацию и использовать ее к своей выгоде.
Обоих самцов еще до инъекции научили проходить стандартный тест на различение цветов. Обезьяна должна была найти на сером экране цветное пятно и нажать расположенную под ним кнопку. Пятно могло находиться в одной из трех позиций: в центре, слева или справа. Кнопок, соответственно, тоже было три. Если кнопка была выбрана правильно, обезьяна получала награду — небольшую порцию фруктового сока.
Самым надежным признаком дальтонизма, вызванного отсутствием длинноволнового или средневолнового опсина, является неспособность различать на сером фоне пятна голубого цвета (490 нм), а также комплементарного ему красно-фиолетового. До инъекции обе обезьяны (как и контрольные самцы) были совершенно неспособны увидеть такие пятна.
|
В первые недели после инъекции никаких изменений в цветовосприятии не происходило. Это и не удивительно, ведь искусственному вирусу необходимо время, чтобы прижиться в колбочках и наладить устойчивое производство человеческого опсина. Первые признаки того, что некоторые колбочки подопытных обезьян начали активнее реагировать на красный цвет, стали заметны на электроретинограммах спустя 16 недель после инъекции. А еще через четыре недели произошло быстрое и радикальное улучшение цветовосприятия у обоих самцов. Голубые и красно-фиолетовые пятна на сером фоне, ранее для них неразличимые, вдруг стали им хорошо видны. Теперь оба самца проходили все тесты «на дальтонизм» ничуть не хуже, чем контрольные гетерозиготные самки, имевшие три опсина от рождения. Они также стали хорошо видеть голубые пятна на красно-фиолетовом фоне и наоборот, а это значит, что два «новообретенных» цвета они воспринимают по-разному. Иными словами, в их цветовосприятии появилось полноценное новое измерение.
Эти результаты могут иметь практическое значение, поскольку дальтонизм у человека в большинстве случаев тоже обусловлен недостаточным разнообразием опсинов в сетчатке. Теперь понятно, что генетическую коррекцию дальтонизма можно проводить не только в раннем детстве, но и в зрелом возрасте. Теоретическое значение работы состоит в том, что она (совместно с вышеупомянутыми генно-инженерными экспериментами на мышах) убедительно показала, что расширение сенсорного репертуара в ходе эволюции животных иногда может происходить без всякой перестройки нервной системы — исключительно за счет появления новых белков-рецепторов.
Источник: Katherine Mancuso, William W. Hauswirth, Qiuhong Li, Thomas B. Connor, James A. Kuchenbecker, Matthew C. Mauck, Jay Neitz, Maureen Neitz. Gene therapy for red–green colour blindness in adult primates // Nature. Advance online publication 16 September 2009.
