В медицинском журнале «Human Reproduction» не так давно была опубликована сенсационная статья «Митохондрия в человеческом детеныше произведена путем трансплантации цитоплазмы». Средства массовой информации пустили эту статью в интенсивную ротацию… на один день, после чего все благополучно об этом «забыли». Однако факт остается фактом. В настоящее время в мире есть дети, которые «сконструированы» генетическим путем. Это звучит как научная фантастика, но это правда…
Применение методов популяционной генетики в спорте началось в 90-х годах. Замена клетки и генотерапия открывают неизведанные до сих пор перспективы для медицины. В феврале 2004 года, незадолго до Афинской Олимпиады, директор ВАДА Ричард Паунд в интервью газете «Таймс» заявил:
«Не думаю, что мы столкнемся с генетическим допингом в Афинах, и очень сомневаюсь насчет Олимпиады в Пекине в 2008 году. Но в 2012-м это будет вполне возможно»…
Всемирная антидопинговая ассоциация выделяет на разработку методов выявления генного допинга около миллиона долларов в год – начиная с 2002. По определению ВАДА, генный допинг – это «нетерапевтическое применение клеток, генов, генетических элементов или модуляторов экспрессии генов, обладающих способностью повышать спортивные результаты».
Экспрессия генов – это в конечном итоге синтез закодированных в них белков. Под определение «генетические элементы» подходят, например, модифицированные гены, а «модуляторы экспрессии» – это, в частности, разные типы РНК, которые переносят информацию из ДНК или регулируют синтез белков. Начнем с самого простого – с клеток.
Клетки, на старт!
Применяют ли стволовые клетки в спорте? Вполне возможно, как минимум – для ускоренного заживления травм. Может быть, их используют и для улучшения физической формы в целом – во всяком случае, многие медицинские фирмы, подпольные и не очень, рекламируют клеточные технологии как средство оздоровления и омоложения.
В медицине сочетание клеточных и генноинженерных технологий разрабатывается очень интенсивно: при многих наследственных заболеваниях для доставки в организм здоровых генов можно ввести их в собственные стволовые клетки больного, а они уже сами приживутся в нужном месте (особенно если вначале подтолкнуть их к превращению в клетки нужной ткани – например, мышечной). Когда на старт выйдут такие частично модифицированные спортсмены?
Судя по тому, с какой скоростью внедряются в качестве допинга другие достижения медицины и биологии, не позже, а то и раньше, чем технологии, разработанные для лечения больных, получат официальное одобрение.
Он – первый!
Пептидные стимуляторы кроветворения – это уже технологии вчерашнего дня. Зачем вводить в организм эритропоэтин, если можно синтезировать его в собственных генетически модифицированных клетках? Первые (1997 года) эксперименты на обезьянах дали слишком хороший результат: из-за резкого увеличения числа эритроцитов кровь у бабуинов стала настолько густой, что без постоянных капельниц с заменителями плазмы их сердца не справлялись с работой даже без тренировок и соревнований.Усовершенствовать методику удалось быстро, и уже в 2003 было заведено первое в мире уголовное дело о применении в спорте репоксигена – препарата на основе популярного в генной инженерии аденовирусного вектора, несущего ген эритропоэтина.
Немецких легкоатлетов, которых тренировал Томас Спрингштейн, не раз ловили на применении допингов. «Репоксигеновое дело» еще не закончено, подробности неизвестны, а странности – налицо. Мало того, что немецкой полиции понадобилось почти три года, чтобы прийти с обыском на квартиру к подозреваемому, так и сам Спрингштейн не удосужился уничтожить в своем компьютере письмо, в котором жалуется на то, что репоксиген стало трудно добывать, и просит адресата поторопиться с доставкой.
Отягчающие обстоятельства: подопечные тренера-экспериментатора – юниоры до 18 лет, а избыток эритропоэтина может привести к сгущению крови и образованию тромбов. Фирма-производитель разводит руками: они думали о больных анемией, а не о рекордах, и вообще сомневаются, что их препарат будет эффективен в качестве допинга. Но репоксиген – только первая ласточка (или первый блин). Другие методы генотерапии наверняка попадут в спорт в ближайшие годы.
Белок! Еще белок!
Мышата, в мышцы которых (тоже с помощью аденоассоциированного вируса) ученые из Пенсильванского и Гарвардского университетов под руководством профессора Ли Суини ввели дополнительную копию гена инсулиноподобного фактора роста I, наращивали мышечную массу на 15-30% быстрее обычных – и это при малоподвижном образе жизни. У взрослых мышей обколотые геном ИФР‑1 мускулы не росли (правда, тренироваться их тоже не заставляли), зато мышцы у таких мышей оставались по всем показателям молодыми до самой глубокой мышиной старости.Трансгенные мыши, выросшие из яйцеклеток, в ядро которых ввели тот же ген, синтезировали его белок во всех мышечных клетках. При этом ИФР не поступал в кровь – это очень важно, т.к. его избыток плохо влияет на сердце и увеличивает вероятность онкологических заболеваний. Развивались такие мыши нормально, только масса скелетных мышц у них даже без тренировок была на 20-50% выше нормы. А когда эти мыши начали умирать от старости, мышцы у них были такими же сильными, как у молодых.
Чтобы проверить, что будет происходить в организмах чемпионов будущих Олимпийских игр, исследователи ввели лабораторным крысам ту же конструкцию из гена и вируса в мышцы только одной задней лапы. Всего через восемь дней тренировок «трансгенные» лапки стали в два раза сильнее, чем соседние (которые от бега на длинные дистанции тоже окрепли). И исчезал эффект тренировок у «опытных» лапок намного медленнее, чем у «контрольных». Даже у контрольной группы крыс, которые бегали в лучшем случае по маршруту кормушка – поилка – норка, после инъекции сила мышц в уколотой лапке увеличилась на15%.
Клинические испытания этой методики для лечения миотонической дистрофии, при которой мышцы не просто усыхают, но еще и становятся перенапряженными, начнутся лет через десять. Применение в спорте – возможно, раньше.
Аналогичный метод борьбы с другим тяжелым наследственным заболеванием – миодистрофией Дюшенна – испытали уже на нескольких группах добровольцев. Чтобы убедиться в том, что метод работает, и в его безопасности, больным вводят в клетки бицепса одной руки нормальный ген белка дистрофина (мутация этого гена и приводит к тому, что мышцы у больных атрофируются, и дольше 20 лет такие больные не живут).
Главная сложность состоит в том, что дистрофин – очень крупный белок, а его ген – один из самых больших генов человека (2,5 миллиона пар нуклеотидов), и ввести его в вирус очень сложно. Но можно пойти окольными путями: использовать для лечения миодистрофии Дюшенна ген ИФР (мышам с дефектным геном дистрофина это помогает) или наоборот – заблокировать ген еще одного белка, миостатина.
Удар! Блок!
В норме миостатин действует как тормоз роста мышц, начиная с эмбриональной стадии развития. У спортсменов он и препятствует чрезмерному росту и делению мышечных клеток, и запускает процесс частичной атрофии мышц после прекращения усиленных нагрузок. У трансгенных мышей, из генома которых ген миостатина удален, наблюдается заметное увеличение мышечной массы и числа мышечных волокон.Такие мышки показывают в три раза лучшие «спортивные» достижения, чем обычные. Кстати, вы знаете, как измеряют физическую форму мышей? По времени, которое они могут провисеть на турнике до падения, по продолжительности плавания до отказа (спасатели наготове) или на беговой дорожке – пока четвероногие бегуны не перестанут реагировать на электростимуляцию.
Удалить или испортить здоровый ген во всех клетках организма можно обычными методами генной инженерии, но делать это нужно заранее, в яйцеклетке или эмбрионе, состоящем из нескольких клеток. У взрослого животного (начала производства ингибиторов миостатина с нетерпением ждут животноводы), больного человека или члена национальной сборной можно разными способами заблокировать результаты работы одного гена, ограничивающего действие другого, нужного для выздоровления, роста привесов-удоев или спортивных достижений.
Самый очевидный способ – введение в организм антител к соответствующему белку. Клинические испытания одного из таких препаратов на основе антител к миостатину для лечения мышечной дистрофии Дюшенна тоже запланированы – может быть, сейчас они уже начались. Может быть, их уже применяют в большом спорте. Правда, антитела могут вызвать аллергические реакции, а сами антитела или последствия их применения легко обнаружить.
На животных испытан и метод введения в клетки намеренно подпорченного гена миостатина. Рост мышечных клеток закодированная в нем молекула не останавливает, зато делает соответствующие рецепторы клеточных мембран недоступными для молекул нормального белка. У здоровых мышей это вызывает гипертрофию мышц и их ускоренное и качественное, без рубцов, заживление после травм – чем спортсмены хуже?
Самый новый и очень перспективный метод блокировки синтеза белков – с помощью si‑РНК (“si” – short interfering, короткие интерферирующие). Эти открытые несколько лет назад цепочки из примерно 20 нуклеотидов играют огромную роль в регуляции работы генов. В норме si‑РНК в клетках образуются в таком количестве и столько времени, сколько необходимо для уменьшения концентрации определенных белков.
Препараты на основе si‑РНК (например, в липосомальной форме, позволяющей доставить нежный продукт по назначению) разрабатывают для всех известных науке болезней, связанных с избыточным производством белков. В качестве допинга такие препараты будут незаменимы: эффект от них временный, обратимый и не поддающийся обнаружению.
Мясо!
Мышечные волокна делятся на несколько типов. Медленные, но выносливые волокна типа I требуют хорошего снабжения кислородом и глюкозой и содержат много митохондрий. Быстрые волокна II типа быстро устают, зато в пиковом режиме способны работать в анаэробных условиях, получая «взрывную» энергию из гликогена (многие спринтеры делают глубокий вдох перед стартом и выдыхают секунд через десять, пробежав стометровку).В любой мышце есть волокна обоих типов: в мышцах туловища, выполняющих в основном статические нагрузки, больше «медленных» волокон, в конечностях – «быстрых», приспособленных к динамическим нагрузкам.
Склонность к ожирению и диабету второго типа связана с уменьшением в мышцах волокон типа I, и мышь-марафонца ученые из двух калифорнийских и одного сеульского университетов под руководством Рональда Эванса создали в поисках способа борьбы с ожирением.
Что волокна разных типов под влиянием тренировок превращаются друг в друга, известно давно. А вот биохимические механизмы этого явления открыты совсем недавно. В частности, большую роль в таком превращении играет сигнальный белок PGC-1-α. «Один» и «альфа» – это чтобы отличить данный вариант белка от других, а PGC значит «кофактор транскрипции коактиватора гамма-рецептора активатора пролиферации митохондрий» (transcriptional cofactor Peroxisome proliferator-activated receptor-gamma coactivator).
PGC участвует в процессе пролиферации (роста и деления) митохондрий, активизируя другой белок, PPARδ – рецептор активатора пролиферации митохондрий. «Вариант дельта» выбрали потому, что другие изоформы того же белка намного менее эффективны: альфа – в 10, а гамма – в 50 раз.
Чтобы проверить, как PPAR‑delta повлияет на обмен веществ, ученые ввели в мышиные эмбрионы его немного модифицированный ген, соединенный с промотором (участком гена, дающим команду к его считыванию) человеческого актина – белка, который вместе с миозином обеспечивает сокращение мышц. Без этого ген мог бы заработать не в мышечной, а в любой другой ткани, а изготовление мышей с повышенным интеллектом или волчьим аппетитом в планы исследователей на этот раз не входило.
Синтезированный в мышцах белок, добравшись до жировой ткани, эффективно препятствовал ее росту и ускорял сжигание жира: просидев три месяца на «диете по Аткинсу» (35% жира против обычных 4%), трансгенные мыши растолстели в три раза меньше, чем обычные. А мышцы у них настолько изменились, что это было видно невооруженным глазом (к сожалению, только на срезе).
Из-за увеличения концентрации миоглобина – белка, сходного по строению с гемоглобином и работающего в мышечных клетках переносчиком кислорода – трансгенные мышцы были заметно краснее, чем такие же мышцы обычных мышей. Число волокон I типа в них было намного больше обычного (например, в такой типично смешанной мышце, как икроножная, – в два раза). Концентрация ферментов, необходимых для окисления глюкозы и синтеза АТФ, тоже выросла.
В результате без тренировок, на одной генетике, стройные и мускулистые трансгенные мыши могли бежать на 2/3 (на целый час) дольше и почти в два раза (на километр) дальше, чем обычные. И это – результат работы всего одного из сотен генов, которые изучают в надежде разработать методы лечения наследственных заболеваний… и которые можно использовать для создания генетически модифицированных спортсменов.
Большой-большой секрет
О мышах-марафонцах писали много, тем более что в электронной версии журнала PLOS Biology статья о них появилась во время афинской Олимпиады. Но в популярных пересказах от широкой публики почему-то скрыли самое главное. Такое же снижение веса наблюдалось у обычных мышей, когда их (как положено, через желудочный зонд) кормили веществом под кодовым названием GW501516.О его составе в статье группы Эванса не сказано – по понятным причинам: обычно такими буквенно-цифровыми индексами обозначают потенциальные лекарственные препараты, пока они не получат одобрения медицинских властей и торгового названия. Известно только, что это агонист PPARdelta, т.е. активатор работы собственного мышиного гена.
У обычных мышей PPARδ работает далеко не в полную силу – им надо не рекорды ставить, а запасать жирок на зиму. Скорее всего, мыши-марафонцы, как и выведенные несколькими годами ранее задыхающиеся от жира мыши без гена PPAR‑delta – один из побочных продуктов разработки лекарства от ожирения. Возможно, через несколько лет в «запрещенный список» внесут новый препарат, без тренировок и генотерапии сжигающий жир и превращающий «быстрые» мышечные волокна в «медленные».
По пробе крови и другим щадящим методам анализа лишние гены в мышцах обнаружить невозможно. Для этого придется делать биопсию и анализировать ДНК в полученных пробах, а до такого изуверства – вырезать из олимпийских мускулов столбики ткани, пусть даже тоненькие – ВАДА пока не дошла. И даже если дойдет, пусть попробует что-нибудь доказать. Многие вирусы, используемые в генотерапии, присутствуют в организме человека и в норме. А необычные гены – это у меня, граждане спортивные судьи, наследственное.
Супер!
Применение методов популяционной генетики в спорте началось в 1990-х с изучения причин очевидного факта: уже много лет черные бегуны обгоняют белых на всех дистанциях. При этом лучшие спринтеры – спортсмены из стран Западной Африки или их потомки, а лучшие бегуны на длинные дистанции рождаются в Кении и Эфиопии, в основном среди представителей группы племен календжин.Исследования канадца Клода Бушара показали, что из всех обследованных спортсменов разных этнических групп в мышцах западноафриканцев самый высокий процент мышечных волокон II типа. А секреты черных марафонцев раскрыл датчанин Бенгт Салтин. Это, во-первых, особенности национальной анатомии: только тонкие голени (в среднем на 400 г легче, чем у европейцев того же роста) позволяют кенийцам на каждом шаге экономить 8% энерготрат.
А из-за наследственных особенностей обмена веществ в их мышцах быстрее окисляются жирные кислоты и медленнее накапливается молочная кислота – такие ноги работают эффективнее, а устают медленнее, чем у спортсменов с другими модификациями тех же ферментов. И, наконец, среди календжин часто встречается «хорошая» мутация одного из генов, отвечающих за выработку эритропоэтина и, соответственно, от природы повышенная концентрация эритроцитов в крови.
С мутацией в гене эритропоэтина родился финский лыжник Мантиранта, который на Зимней Олимпиаде 1964 года в Инсбруке завоевал две золотые медали. Только у кенийцев эритропоэтин (как и под действием репоксигена) начинает синтезироваться при гипоксии, а после прекращения тренировок количество эритроцитов снижается до приемлемого уровня, а финский чемпион был, в сущности, инвалидом. «Неправильный» ген у него работал постоянно, и число эритроцитов в его крови было на 25-50% больше, чем у здоровых людей.
По мнению специалистов, в индивидуальных видах спорта «мой коллектив, мой тренер и моя семья» обеспечивают максимум 1/3 результата тренировок, а 70-85% успеха приходится на долю полиморфизма генов. Изменения в последовательности нуклеотидных оснований могут заметно изменить свойства соответствующего белка и потянуть за собой целую цепочку физиологических, биохимических и анатомических последствий. Идея использовать достижения геномики и протеомики для отбора перспективных спортсменов витала в воздухе.
Первую статью в журнале Nature о связи полиморфизма гена анигиотензин-превращающего фермента с успехами в разных видах спорта опубликовал в 2000 году коллектив английских ученых под руководством профессора Монтгомери. Фермент этот участвует в регулировке давления крови, а его ген у человека встречается в двух формах: обычной – D и со вставкой (инсерцией) повторяющегося участка – I. Гетерозиготы (I/D, с «нормальной» копией гена на одной хромосоме и «мутантной» – на другой) ничем себя не проявили.
Зато гомозиготы I/I (с измененным вариантом на обеих парных хромосомах) чаще встречались среди велосипедистов и стайеров: сердце у них оказалось склонным к пониженному давлению и приспособленным к длительным, но не слишком интенсивным нагрузкам. Гомозиготы D/D, со склонностью к гипертонии, лучше приспособлены к тяжелым, но коротким нагрузкам – такой вариант характерен для спринтеров, тяжелоатлетов и пловцов.
Аналогичное и намного более сложное исследование одновременно с английскими коллегами начали специалисты Санкт-Петербургского Государственного университета и НИИ физической культуры – на гребцах, которым нужны одновременно и сила, и выносливость, и при этом небольшой вес. Чтобы не запутаться в массиве данных, дыхательную систему и энергетический обмен в клетках авторы вообще не трогали, а из множества генов, способных повлиять на сердечно-сосудистую и опорно-двигательную системы, они исследовали полиморфизм только семи.
Белки четырех из них участвуют в регуляции артериального давления и связанного с ним водно-солевого баланса, а еще трех – в обмене кальция, от которого зависит, в частности, масса и плотность костей и связок и эффективность работы мышц. Хитросплетения корреляций между успешностью спортсменов и вариантами генного полиморфизма можно пропустить, а вывод получился примерно такой: из молодых людей, пришедших в секцию гребли, даже по ограниченному набору генов можно выбрать тех, у кого кости вырастут легкими, мышцы – крепкими, а сердце справится с будущими нагрузками.
Спортивные гены в банке
Российский антидопинговый центр, организация хорошо оснащенная и не бедная, организовал специальное подразделение – генный банк. В нем уже хранятся образцы ДНК сотен ведущих российских спортсменов. Чьи – врачебная тайна, которую наши борцы с допингом не раскрывают даже коллегам из ВАДА.Главная (во всяком случае, официально) цель этого банка – контролировать спортсменов на предмет применения ими генного допинга. Но было бы глупо не использовать такую базу данных для разработки методов отбора будущих олимпийцев по генному профилю.
По слухам, китайская национальная команда юниоров уже укомплектована в соответствии с данными генетики, и на Олимпиаде будет как минимум одна сборная, состоящая из прирожденных чемпионов.
Найти связи между вариантами всех генов с известными и имеющими отношение к важным для спорта функциям и спортивными достижениями носителей этих генов – задача сложная, но решаемая. При достаточно большой базе данных и грамотном алгоритме ее обработки можно разработать генетические профили для определенных групп спортсменов, а методы генного анализа дешевеют с каждым годом.
Запретить такой отбор невозможно: в сущности, неосознанно им занимаются как минимум со времени возрождения олимпийского движения – только, в отличие от крестьян и коннозаводчиков, тренеры не скрещивали рекордсменов для выведения элитных пород спринтеров, тяжеловесов и легкоатлетов.
Евгеника так и осталась теорией, а генная терапия уже делает первые практические шаги – и в медицине, и в спорте. Генетически модифицированные животные уже перестали быть сенсацией. К идее клонирования и тем более генной модификации людей общество в целом относится отрицательно, но как изменится мораль, когда это станет практически возможно?
Кто будет выступать на олимпиадах будущего? Спортсмены, отобранные еще в детстве по генетическим паспортам – в ближайшие годы. Чемпионы, подправленные с помощью генотерапии – через несколько Олимпиад. Мутанты, выведенные с помощью генной инженерии? Вполне вероятно, хотя и не скоро. А если дать волю воображению и растечься мыслями подальше в будущее, можно представить себе даже скачки кентавров и соревнования по воздушному слалому между командами людей-птиц и людей-нетопырей…
Сахарозаменители и инсулин