Nelidské úsilí. Prasata jsou nám strukturou DNA docela blízká, takže teoreticky se mohou stát dárci orgánů. Existují však vážná rizika a etické otázky — Novaja Gazeta Evropa

V současnosti se na RuNetu tu a tam objeví mýtus, že „prase je geneticky blíže lidem než šimpanz“. Na toto téma jsme již krátce psali, ale mylná představa je velmi vytrvalá.

Obrátili jsme se na genetiky s otázkou: jak blízko jsou si prasata a lidé geneticky?

Vladimir Aleksandrovič Trifonov: Čísla homologie genomu mají spíše nízkou hodnotu, vše závisí do značné míry na tom, co s čím porovnáváme: zda bereme v úvahu strukturální změny v genomu, zda bereme v úvahu opakované sekvence, nebo mluvíme pouze o substitucích v kódování; regionech.

Jako srovnávací cytogenetik mohu říci, že evoluci karyotypů prasat provázelo velké množství přestaveb – dokonce 11 zlomů a 9 inverzí oddělilo prasata od společného předka s přežvýkavci a kytovci, plus k 7 fúzím a třem inverzím došlo v linii prasat po oddělení pekarií. Když zkonstruujeme molekulární fylogeneze ze sekvenačních dat, prase nikdy nespadá do příbuzných osoby, takových údajů lze citovat mnoho a jsou mnohem přesnější a spolehlivější než obecné odhady molekulárních rozdílů. Mezi genomy prasat a lidí jsou statisíce rozdílů, proto se k jejich hodnocení používají speciální programy, které staví fylogenetické stromy na základě podobností a rozdílů mnoha znaků. Pozice na fylogenetickém stromě přesně odráží míru podobnosti nebo rozdílu mezi druhy.

Fylogenetici mají své potíže a své spory, ale málokdo dnes pochybuje o některých základních myšlenkách. Zde jsou například tři nedávné články, kde byly fylogeneze konstruovány různými skupinami (které jsou obecně uznávanými odborníky v této oblasti) na základě různých znaků převzatých ze sekvencí DNA:

Rodokmen savců založený na molekulárně genetických datech. Je vidět, že prase je od člověka dál než myš, králík a dikobraz.
Zdroj: William J. Murphy et al. Použití genomických dat k odhalení kořene fylogeneze placentárních savců. Genome Res. 2007 17:418.

• Conrad A. Matthee a kol. Indelova evoluce savčích intronů a využití nekódujících jaderných markerů v eutherické fylogenetice. Molecular Phylogenetics and Evolution 42 (2007) 827–837.
• Olaf RP Bininda-Emonds a kol. Opožděný vzestup současných savců. Nature, Vol 446|29. března 2007.
• William J. Murphy a kol. Použití genomických dat k odhalení kořene fylogeneze placentárních savců. Genome Res. 2007 17: 413-421.

Ve všech publikovaných fylogenezích (viz např. obrázek vpravo) prase pevně zaujímá své místo mezi artiodaktyly a člověk „nevyskočí“ z řádu primátů, tj. data získaná z analýzy různých sekvencí DNA na tuto otázku stejně odpovídají a potvrzují v této věci fylogeneze postavené na morfologických charakteristikách již v 19. století.

Michail Sergejevič Gelfand: Abych byl upřímný, neřeknu vám hned přesné % shod DNA a není příliš jasné, co by to znamenalo: v genech? v intergenových prostorech? Většina prasečího genomu se prostě s lidmi (na rozdíl od šimpanzů) neshoduje, takže nemá smysl mluvit o procentech shod. Každopádně prase je od člověka dál než myš. Ale ti, kdo mají blízko k prasatům, jsou velryby (ačkoli mají ještě blíž k hrochům).

Konstantin Zadorozhny, šéfredaktor časopisu pro učitele „Biologie“ (Ukrajina): V elektronické knize respektovaného S.V Drobyshevského „The Missing Link“ je uvedeno, že druhý lidský chromozom vznikl jako výsledek fúze dvou chromozomů rodového druhu, které u šimpanzů zůstaly nespojené (osobně jsem na to narazil. informace dříve, ale prakticky nebyly zahrnuty v populárních publikacích). V souladu s tím otázka pro jednoho z odborníků. V jaké fázi lidské evoluce (raní hominidi, australopitékové, raní homo atd.) k této chromozomální aberaci došlo? Je možné toto určit?

Vladimir Aleksandrovič Trifonov: Rád Vám odpovím na Váš dotaz, jelikož fúze chromozomů předka šimpanze a člověka (odpovídající šimpanzím chromozomům PTR12 a PTR13) je skutečně poslední významnou událostí, která změnila lidský karyotyp.

Začněme u předka lidoopů – srovnávací genomické údaje naznačují, že tyto dva prvky karyotypu byly akrocentrické a právě v této nezměněné podobě byly zachovány u orangutana.

Dále u společného předka lidí, goril a šimpanzů dochází k pericentrické inverzi, kdy se jeden z těchto prvků změní na submetacentrický (tento prvek odpovídá šimpanzímu chromozomu PTR13 a gorilímu chromozomu GGO11). Poté u společného předka lidí a šimpanzů dochází k další pericentrické inverzi (v homologu šimpanzího chromozomu PTR12), která jej mění v submetacentrickou.

A konečně poslední událostí v linii Homo je fúze dvou submetacentrik za vzniku lidského chromozomu HSA2. Nejedná se o Robertsonovu (centrickou) fúzi, ale o tandemovou, kde si centromera PTR12 zachovává svou funkci, centromera PTR13 je inaktivována a v místě tandemové fúze jsou nalezena telomerická místa předků (Ijdo et al., 1991).

Na základě doby vzniku lidského chromozomu HSA2 můžeme pouze říci, že k fixaci tohoto přeuspořádání došlo po divergenci linií člověk-šimpanz, tzn. ne dříve než před 6.3 miliony let.

Nemyslím si, že by u lidoopů byl zvýšený výskyt Robertsonových translokací. Mají velmi konzervativní karyotypy, měnící se v průběhu milionů let během této doby, došlo k desítkám významných transformací v karyotypech druhů jiných taxonů. Existují důkazy z klinické cytogenetiky ukazující na frekvenci 0.1 % u lidské meiózy (Hamerton et al., 1975). Analýza genomu však ukazuje, že takové přeuspořádání nebyly v lidské linii zaznamenány.

Alexey (dopis redakci): Otázky vyvstávají během čtení přednášek o genomice pro Phystech. Gen nebyl definován.

Světlana Aleksandrovna Borinskaya: Bylo snadné definovat gen, když se o něm moc nevědělo. Například „gen je jednotka rekombinace“ nebo „gen je úsek DNA, který kóduje protein“, „Jeden gen – jeden enzym (nebo protein)“, „Jeden gen – jeden znak“.

Nyní je jasné, že situace je složitější jak s rekombinací, tak s kódováním. Geny mají různé struktury, někdy docela složité. Jeden gen může kódovat mnoho různých proteinů. Jeden protein může být kódován různými fragmenty DNA umístěnými ve velké vzdálenosti v genomu, jejichž produkty (RNA nebo polypeptidové řetězce) se při zrání spojují do jednoho polypeptidu.

Kromě toho gen obsahuje regulační oblasti. A existují i ​​geny, které nekódují proteiny, ale kódují pouze molekuly RNA (kromě známých ribozomálních RNA jsou to molekuly RNA, které jsou součástí dalších molekulárních strojů, nedávno objevené mikroRNA a další
typy RNA). Proto nyní existuje mnoho definic toho, co je gen. Gen je pojem, který je obtížné shrnout do jedné krátké, všezahrnující definice.

Alex: Lze molekulu DNA považovat za součást genomu?

S.B.: Genom je DNA. Nebo kompletní sada molekul DNA organismu (v samostatné buňce) = genom.

Nemyslíme tím buňky, ve kterých dochází během vývoje k přestavbám DNA (např. buňky imunitního systému u savců nebo živočišné buňky, ve kterých dochází ke „zmenšení chromatinu“ – ztrátě významné části DNA během vývoje).

Alex: Lze na základě genetické mapy E. coli uvedené v textu předpokládat, že je jasné, který gen co kóduje?

S.B.: E. coli je nejstudovanější bakterií, ale ani u ní stále nejsou známy funkce všech genů. Ačkoli nukleotidová sekvence genu může být použita k „odvození“ aminokyselinové sekvence proteinu. U dobře prostudovaných bakterií má přibližně polovina genů známé funkce proteinů, které kódují. U některých genů bylo získáno experimentální potvrzení funkcí u jiných jsou předpovědi provedeny na základě podobnosti struktury proteinu s jinými proteiny se známými funkcemi.

Alex: Chápu správně, že počet nukleotidů obsažených v genu je pro každý gen jiný? Není zde žádný vzor.

S.B.: Přesně.

Alex: Mohou mít různé geny přesně stejnou nukleotidovou sekvenci, ale liší se pouze umístěním?

S.B.: Pravděpodobně neexistují absolutně identické geny. Existují však geny umístěné v různých částech genomu s velmi podobnými nukleotidovými sekvencemi. Pouze se jim neříká „analogové“, ale „homologické“. Tyto geny jsou výsledkem duplikace genu předků. Postupem času akumulují nukleotidové substituce. A čím blíže k nám je doba duplikace, tím jsou si geny podobnější. Genové duplikace se vyskytují ve všech organismech, od bakterií po lidi.

Navíc různé geny u různých lidí mohou být obsaženy v různém počtu kopií. Počet kopií může ovlivnit aktivitu odpovídajících genových produktů. Například různý počet genů pro určité cytochromy ovlivňuje rychlost metabolismu a vylučování léčiv z těla a podle toho se doporučují různé dávky.

Alex: Také bych rád slyšel názor odborníků ohledně poskytnutých materiálů Garjajev (myšleno tzv. teorie „vlnového genomu“). Tvrdí, že jeho experimenty jsou potvrzeny experimentálně v laboratořích. je to tak? Co na to říct?

S.B.: I vy můžete říkat, co chcete. Ale vědecký svět bude věnovat pozornost vašim prohlášením pouze v případě, že budou publikována v recenzovaných vědeckých časopisech a dokonce předložena s popisem podrobností experimentu, což umožní jeho opakování.

Pan Garjajev své „objevy“ nepublikuje ve vědeckých časopisech, sděluje je pouze novinářům. Neexistují žádné údaje o „experimentech“, které provedl, pouze jeho slova. Ať ukážou alespoň laboratorní deník s podrobným záznamem podmínek a výsledků pokusů.

• Co je u nás opičí? Genetika
• O genetických rozdílech mezi člověkem a šimpanzem
• Klonování neandrtálce je stále nereálné.
• Proč se jako dárci orgánů používají prasata a ne šimpanzi?
• Geny, které jsme ztratili

Lékaři poprvé v historii transplantovali člověku prasečí ledvinu, se kterou už byl bezpečně propuštěn z nemocnice. Znamená to začátek nové éry, ve které se xenotransplantace – transplantace zvířecích orgánů člověku – stane rutinní klinickou praxí?

Mezidruhová transplantace (xenotransplantace) se začala aktivně rozvíjet v polovině minulého století, kdy se lékaři naučili transplantovat orgány, které však začaly zoufale chybět. Čekací listiny na dárcovství orgánů jsou po celém světě obrovské a ledviny jsou nejžádanější pozicí. Například ve Spojených státech na dárcovskou ledvinu čeká více než 90 tisíc lidí. Jen v Rusku je podle Transplant Society na čekací listině asi 6,5 tisíce lidí, přičemž dalších přes 60 tisíc lidí žije na hemodialýze – jde o renální substituční terapii, která uměle filtruje odpadní látky v těle a odstraňuje přebytečné tekutiny z krev.

Pro nefunkční ledviny, které nemohou plnit svou funkci, je tento postup jedinou záchranou. Alternativou k tomu je transplantace dárcovského orgánu. Ale bohužel, ne každý na to čeká.

Dvaašedesátiletý Richard Slayman, který trpí selháním ledvin, má tedy štěstí. Před pěti lety už podstoupil transplantaci ledviny od zemřelého dárce, loni mu ale orgán odmítli. Od té doby žil Slayman na hemodialýze, dokud jeho ošetřující nefrolog spolu se specialisty z Massachusetts General Hospital, Brigham, nenavrhli experimentální operaci. K transplantaci byla použita geneticky upravená prasečí ledvina – v jejím genomu bylo provedeno 62 úprav, které by měly zabránit odmítnutí transplantovaného orgánu a snížit riziko přenosu viru. Samotná operace trvala čtyři hodiny. O několik dní později chirurgové konstatovali, že orgán zakořenil a po několika týdnech byl pacient propuštěn.

Operace, kterou provedli vědci z Massachusetts General Hospital, byla vůbec první transplantací ledviny prasete živému příjemci a dosud nejúspěšnější. Předchozí studie transplantace ledvin a jater prasat byly provedeny u zemřelých příjemců. Proběhly další dva pokusy o xenotransplantaci srdce geneticky modifikovaného prasete. Bohužel oba příjemci zemřeli několik týdnů po operaci.

Proč prase?

Obecně se vědci obrátili na prase jako hlavního dárce relativně nedávno. Zpočátku se zdálo, že nejvhodnějšími zvířaty pro tyto účely jsou primáti, kteří jsou z evolučního hlediska nejblíže člověku.

První pokus o xenotransplantaci byl učiněn již v roce 1963, kdy chirurg Keith Riemtsma z Tulane University transplantoval šimpanzí ledvinu člověku. Ale výzkumníci se setkali s neúspěchem. Z více než tuctu operací, které Rimsma provedl, byla pouze jedna více či méně úspěšná, po které příjemce žil asi devět měsíců. V jiných případech příjemci zemřeli během pěti až osmi týdnů.

Pak to byly pokusy vědců z University of Colorado s cílem transplantovat játra paviána lidem a ambiciózní pokus chirurga Leonarda Baileyho transplantovat srdce paviána malé holčičce známé jako Baby Fay. Ve všech případech došlo k odmítnutí orgánu a infekci.

A pak vědci obrátili svou pozornost na další zvíře – prase. I když se evoluční cesty lidí a prasat před miliony let rozešly, ukazuje se, že i my máme něco společného. Prasečí orgány jsou velikostí i hmotností zcela srovnatelné s lidskými, máme podobné složení krve, stavbu vnitřních orgánů a dokonce i DNA. Důležitý je poslední bod: čím více shod je v DNA, tím nižší je riziko odmítnutí transplantovaného orgánu.

Přitom v evolučním měřítku jsou prasata a lidé umístěni co nejdále od sebe – tím se výrazně snižuje riziko přenosu prasečích virů na člověka.

Kromě toho se prasata v zajetí dobře množí a jejich chov je levný – rozhodně levnější než primáti. Použití posledně jmenovaného navíc vyvolalo řadu etických otázek: primáti jsou koneckonců příliš blízko lidem na to, aby jim snadno odebírali orgány k transplantaci. Prasata sloužila lidstvu jako potrava odedávna, takže jejich chov za účelem darování by neměl způsobovat žádná morální muka.

Díky tomu dnes existují celé laboratoře chovající prasata určená pro dárcovské orgány. A testují je na zvířatech příbuzných lidem – opicích, protože pro úspěšnou xenotransplantaci je třeba překonat dvě hlavní překážky.

Foto: National Cancer Institute / Unsplash

Blíž k lidem

První překážkou je infekce, která se během transplantace může dostat z těla zvířete na člověka. Pokud patogen získá nového hostitele, následky se těžko předpovídají.

Právě kvůli infekci zemřel první člověk na světě, kterému bylo transplantováno prasečí srdce. Po jeho smrti byla provedena důkladná studie, která prokázala, že štěp obsahuje patogen – prasečí cytomegalovirus. Patří do rodiny herpesvirů, ale existuje také lidský analog. Problém je, že nikdo neví, jak léčit prasečí cytomegalovirus u lidí. V důsledku infekce se u příjemce rozvinul zánět a srdeční edém, což vedlo k nevratnému srdečnímu selhání.

„Od domestikace jsou prasata zdrojem virů, které „přeskakují“ na lidi,“ vysvětluje bioložka Victoria Doronina, odborná asistentka vědy na pedagogické fakultě Manchesterské metropolitní univerzity. — Například podle jedné hypotézy je virus chřipky na vině epidemie španělské chřipky na počátku 20. století. Koluje u divokých kachen, ale na člověka byl přenesen prasaty žijícími na farmách poblíž nakažených ptáků.

Dárcovská prasata jsou samozřejmě chována ve sterilních podmínkách, aby se zabránilo vnějšímu přenosu infekce. Ale je tu další problém.

“Jsou to endogenní retroviry prasat (PERV – Porcine Endogenous Retrovirus), které byly kdysi integrovány do genomu, jsou přenášeny spolu s DNA genomu prasat,” vysvětluje Victoria Doronina. — Teoreticky mohou při transplantaci „skočit“ do lidského genomu, začlenit se do něj a spustit onkologické procesy. Právě proto, aby se zabránilo takovému vývoji událostí, lze xenotransplantaci provádět pouze lidem v postreprodukčním věku, aby nepřenášeli prasečí retroviry na své potomky.

Druhým problémem, který je potřeba řešit při mezidruhové transplantaci, je imunologická inkompatibilita. I přes vysokou podobnost DNA mezi lidmi a prasaty to stále není stoprocentní, takže lidský imunitní systém vnímá proteiny, které dárcovský orgán obsahuje, jako něco cizího a začne je napadat.

— Imunologická inkompatibilita existuje i mezi lidmi, proto se pro transplantace vybírají imunologicky nejpodobnější dárce a příjemce,

— vysvětluje Victoria Doronina. „Ale i za ideálních okolností musí člověk po transplantaci orgánu po zbytek života užívat léky, které potlačují imunitní systém. A ani oni ne vždy zabrání odmítnutí. A z hlediska imunologické kompatibility má prase od člověka dost daleko, což samozřejmě jen komplikuje přihojení dárcovského orgánu. Část problému lze vyřešit genetickou úpravou zvířat, která je imunologicky přiblíží lidem.

Foto: Christopher Carson / Unsplash

Něco lidského

S pomocí genetiků a technologie úpravy genomu CRISPR/Cas tak začali pěstovat humanizovaná prasata, která by se měla biologicky stát „jejich vlastní“ pro lidský imunitní systém. K tomu byly zvířatům vypnuty geny, které lidé v zásadě nemají.

Například při transplantaci transgenního srdce byl do prasečího genomu proveden tucet genových modifikací: několik prasečích genů bylo odstraněno a několik lidských bylo přidáno.

Loni vědci z New York University transplantovali transgenní ledvinu zesnulému muži, který daroval své tělo vědě. V dárcovském orgánu získaném z prasete byl vypnut jediný gen kódující protein a-Gal.

Při xenotransplantaci, kterou provedli vědci z Massachusetts General Hospital, bylo v genomu prasete provedeno 69 genetických úprav – rekordní počet úprav, které byly zaměřeny na prevenci odmítnutí orgánu.

Dalších 59 genetických změn bylo provedeno s cílem „vypnout“ prasečí viry, aby se zabránilo jejich přenosu na člověka. A to je možné s oslabeným imunitním systémem.

– Alespoň z krátkodobého hlediska jsou tyto orgány bezpečné a fungují správně,

říká Luhan Yang, spoluzakladatel eGenesis, biotechnologické firmy v Cambridge ve státě Massachusetts, která lékařům poskytla geneticky upravené prasečí ledviny.

O dlouhodobém horizontu je obtížnější říci něco určitého. Není jasné, jak dlouho může dárcovský orgán vydržet. Kromě toho se vědci obávají, že nadměrné úpravy by mohly vést k rozvoji abnormalit v orgánech dárcovských zvířat. Je také dobře známo, že technologie CRISPR/Cas má nepříjemný vedlejší efekt: při editaci genomu může dojít k neúmyslným změnám v jiné části genomu, což může vést k nejrůznějším následkům.

“Musíme být opatrní, abychom neměnili geny více, než je nutné, abychom se vyhnuli neznámým rizikům,” varuje Muhammad Mohiuddin, chirurg z Marylandské univerzity, který provedl první transplantaci prasečího srdce.

Etické bariéry

Po překonání biologických bariér narazí věda nevyhnutelně na další překážky – právní a etické. Pokud ale právní aspekty – souhlas s doživotním lékařským pozorováním, informování svého nejbližšího okolí o xenotransplantaci, kterou jste podstoupili, věkové omezení, nemožnost být dárcem – patří ještě do daleké budoucnosti, pak už nyní probíhají etické diskuse.

Je možné chovat zvířata a využívat je ve svůj prospěch? A pokud ano, do jaké míry? Podle ochránců zvířat neexistuje žádný logický důvod upírat zvířatům stejná práva, která chrání jednotlivce před obětí pro obecné dobro.

— Pokud v ideálním případě dá lidský dárce informovaný souhlas s transplantací orgánu, pak to nemohou udělat ani prasata, ani šimpanzi, ačkoli jsou to vysoce vyvinutá zvířata. Bylo zaznamenáno i používání nástrojů prasaty.

– říká Victoria Doronina. “Ale nemyslím si, že by mnoho lidí souhlasilo s transplantací orgánu od šimpanze.” Judaismus a islám obecně považují prasata za nečistá zvířata. Se zabitím zvířete nebudou souhlasit ani vegetariáni a vegani, kterých je na Západě stále více.

V transplantologii však vždy budou existovat etické problémy. Podle výzkumníka z ruské lékařské univerzity, i když se naučí pěstovat pupeny nebo srdce na stromech, vyvolá to u určité skupiny lidí kontroverze.

“Tak funguje psychologie,” říká. — Samozřejmě, že představitelé islámské kultury mohou mít vnitřní rozpory. A snad časem prase vystřídají jiná zvířata. Ale pokud jsou vegani připraveni zemřít kvůli vážné nemoci, je to jistě jejich právo. A kdo chce přežít a prodloužit si zdravou dlouhověkost pomocí biotechnologií, ať jde s námi. Jakýkoli chirurgický zákrok je vždy dobrovolný souhlas. Nikdo nikoho nenutí žít!

Věda se však snaží problém nedostatku dárcovských orgánů řešit z různých úhlů pohledu. Dnes již existuje vývoj, který umožňuje tisknout orgány na 3D tiskárně, probíhá výzkum jejich pěstování v těle zvířete, ale s využitím lidských kmenových buněk.

“To je dobrý směr,” souhlasí můj partner, “ale přesto dnes neexistuje žádná alternativa k biostroji, který je živým organismem.” Nemluvě o tom, že xenotransplantace je ekonomicky výhodnější než tvorba umělých orgánů. Pokud lidstvo za padesát let ještě bude existovat, stane se transplantace zvířecích orgánů lidem jen řádkem v učebnici.

Bioložka Victoria Doronina má jiný názor:

— Experimenty s pěstováním orgánů z kmenových buněk jsou na samém počátku vývoje technologie a o klinické aplikaci se několik desetiletí nemluví. Ale doufám, že použití xenoimplantátů je dočasné opatření a že bude nahrazeno pokročilejšími a humánnějšími technologiemi v mnoha směrech.