Наука - Генетически модифицированные спортсмены

Всемирная антидопинговая ассоциация выделяет на разработку методов выявления генного допинга около миллиона долларов в год. 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 счете 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.

Применяют ли в спорте стволовые клетки? Вполне возможно – для ускоренного заживления травм. Их можно использовать для улучшения физической формы – ведь многие медицинские фирмы рекламируют клеточные технологии как средство оздоровления. При многих наследственных заболеваниях для доставки в организм здоровых генов можно ввести их в собственные стволовые клетки больного, а они уже приживутся в нужном месте. Судя по тому, с какой скоростью внедряются в качестве допинга другие достижения медицины и биологии, такие частично модифицированные спортсмены появятся раньше, чем будут официально одобрены клеточные технологии лечения больных.

Пептидные стимуляторы кроветворения – технологии вчерашнего дня. Зачем вводить в организм эритропоэтин, если можно синтезировать его в собственных ГМ- клетках? Эксперименты на обезьянах в 1997 году дали слишком хороший результат: из-за резкого увеличения числа эритроцитов кровь у бабуинов стала настолько густой, что без постоянных капельниц с плазмой их сердца не справлялись с работой. А в 2003-м было заведено первое в мире уголовное дело о применении в спорте репоксигена – препарата на основе популярного в генной инженерии аденовирусного вектора, несущего ген эритропоэтина.

Генетический допинг немецкий тренер-экспериментатор Томас Спрингштейн опробовал на юниорах до 18 лет (его подопечных и раньше не раз ловили на применении допингов). Избыток эритропоэтина может привести к сгущению крови и образованию тромбов, но 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.

Мышата, в мышцы которых ученые из Пенсильванского и Гарвардского университетов под руководством профессора Ли Суини ввели дополнительную копию гена инсулиноподобного фактора роста I (ИФР-1), наращивали мышечную массу на 15–30% быстрее обычных – и это при малоподвижном образе жизни. У взрослых мышей обколотые геном ИФР-1 мускулы не росли, зато мышцы оставались по всем показателям «молодыми». Трансгенные мыши, выросшие из яйцеклеток, в ядро которых ввели тот же ген, синтезировали его белок во всех мышечных клетках. Мышцы у таких мышей были на 20–50% больше нормы и тоже не слабели к старости. Клинические испытания этой методики для лечения миотонической дистрофии начнутся лет через десять. Применение в спорте – возможно, раньше.

Белок миостатин тормозит рост мышц начиная с эмбриональной стадии. У спортсменов он 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, растет число мышечных волокон мышечная масса. Такие мышки показывают в три раза лучшие «спортивные» достижения, чем обычные.

Чтобы удалить или испортить ген миостатина, нужно начинать работу на стадии яйцеклетки. Да и представьте, что вырастет, если мышцы будут расти без тормозов. Но начала производства ингибиторов миостатина с нетерпением ждут животноводы: у взрослого животного можно частично заблокировать этот тормоз, мешающий привесам-удоям.

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 (наследственной болезни, поражающей примерно одного мальчика из 5000, мышцы у больных атрофируются, и дольше 20 лет они не живут) 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. Его белок блокирует соответствующие рецепторы клеточных мембран и делает их недоступными для нормальных молекул. 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; о Нобелевской премии, полученной за их открытие, читайте в «ПМ» №12’2006). Препараты на их основе (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.

Мышечные волокна делятся на несколько типов. Медленные, но выносливые волокна типа I требуют хорошего снабжения кислородом и глюкозой и содержат много клеточных энергостанций – митохондрий. Быстрые волокна типа II 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 белок PPARd – один из рецепторов клеточной мембраны, стимулирующий деление митохондрий. Вариант «дельта» выбрали потому, что другие формы того же белка намного менее эффективны: a – в 10, а g – в 50 раз.

Чтобы проверить, как PPARd 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, 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 так изменились, что это было видно невооруженным глазом (к сожалению, только на срезе). Из-за увеличения концентрации миоглобина – белка, сходного по строению с гемоглобином и снабжающего мышечные клетки кислородом, – трансгенные мышцы были заметно краснее, чем такие же мышцы обычных мышей. Волокон I типа в них было намного больше обычного. 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.

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, хотя бы и тоненькие, – ВАДА пока не дошла. И даже если дойдет, пусть попробует что-нибудь доказать. Многие вирусы, используемые в генотерапии, присутствуют в организме всякого человека. А необычные гены – это у меня, граждане спортивные судьи, наследственное.

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.

Работы канадца Клода Бушара показали, что из всех обследованных спортсменов разных этнических групп в мышцах западноафриканцев самый высокий процент мышечных волокон типа II. 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: число эритроцитов в его крови постоянно 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.

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. ГМ-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?

О мышах-марафонцах писали много, тем более что в электронной версии журнала PLOS Biology статья о них появилась во время Афинской Олимпиады. Но самое главное от широкой публики почему-то скрыли. 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 он активирует работу PPARd, который у обычных мышей 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 PPARd, – 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».
Спортивная генетика

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. Аналогичное и намного более сложное исследование одновременно с английскими коллегами начали специалисты Санкт-Петербургского Государственного университета физической культуры и Санкт-Петербургского НИИ Физической культуры им. Лесгафта – на гребцах, которым нужны одновременно сила и выносливость и при этом небольшой вес. 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 масса и плотность костей и связок и эффективность работы мышц. 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. Осенью 2006 года вышел сборник статей российских ученых по спортивной генетике.