Инсулин в кишечной палочке

Кишечная палочка Esherichia coli, бактерия, известная
человечеству уже полтора века,
– обычнейший обитатель нашего кишечника. Она – излюбленный объект
исследований микробиологов, биохимиков и генетиков всего мира, и
не случайно именно Esherichia coli стала первым живым
генно-модифицированным организмом, появившимся на свет в 1973
году.  В ее геном был встроен ген человека, кодирующий
синтез инсулина.

В настоящее время генетически модифицированные микроорганизмы
используются для производства фармацевтических препаратов,
вакцин, продуктов тонкого органического синтеза, пищевых добавок
и многого другого. Новые штаммы кишечной палочки уже не просто
производят инсулин: они стимулируют восстановление собственных
способностей организма пациента вырабатывать этот гормон. При
диабете первого типа бета-клетки поджелудочной железы утрачивают
способность синтезировать инсулин. Ученые Корнельского
университета (Итака, штат Нью-Йорк), работающие под руководством
Джона Марча (John March),  решили попытаться восстановить
этот механизм с помощью сигнальной системы, используемой
выстилающими кишечник эпителиальными клетками и населяющими его
полезными бактериями. Созданный в лаборатории Марча штамм
непатогенной кишечной палочки синтезирует белок GLP-1 –
глюкагоноподобный пептид. В организме здорового человека этот
белок синтезируется клетками кишечника и, среди прочих эффектов,
запускает продукцию инсулина в поджелудочной железе. Авторы
продемонстрировали, что в лабораторных условиях в присутствии
глюкозы секретирующие GLP-1 бактерии запускают синтез инсулина в
культуре клеток кишечника человека. Механизмы, лежащие в основе
этого феномена, пока не ясны. Спектр применения – колоссальный, к
примеру, обычный йогурт, обогащенный такими бактериями, сможет
заменить больным диабетом инъекции инсулина! Кроме бактерий для
лечения диабета, группа Марча работает над созданием целого ряда
целебных штаммов микроорганизмов, в том числе предназначенных для
борьбы с кариесом, синтеза витаминов, лечения непереносимости
лактозы и профилактики холеры.

Стало известно о результатах исследования группы генетиков из
Массачусетского технологического института под руководством
профессора Рона Вайса (Ron Weiss), специалиста в области
синтетической биологии. В этом исследовании ученые пытаются
сделать кишечную палочку бактерией-охотником за одной из самых
опасных внутрибольничных инфекций – синегнойной палочкой
(Pseudomonas aeruginosa), олицетворяющей одну из главных проблем
современной медицины — резистентности патогенных микробов к
антибиотикам. Если пациенту в больнице внезапно становится плохо,
и антибиотики не помогают, то обычно главной причиной этого
оказывается именно “синегнойка” — агрессивный обитатель
хирургических отделений, виновник тысяч жертв. Ученые в
буквальном смысле «натравили» кишечную палочку на «синегнойку» –
модифицировали бактерию так, что она научилась «выслеживать» и
убивать клетки Pseudomonas, обитающие в ранах и абсцессах.

Esherichia coli находит клетки синегнойной палочки, что
называется, «по запаху». Дело в том, что клетки опасного патогена
общаются друг с другом внутри своей колонии с помощью различных
сигнальных веществ. Модифицированная E.Coli реагирует на это
вещество, связываясь с ним особым протеином, и, обнаружив
псевдомонаду, убивает ее с помощью яда, получившего название
бактериоцин. Попадая внутрь клетки синегнойной палочки, подвижной
и устойчивой к большинству антибиотиков, бактериоцин разрушает ее
ДНК. Рон Вайс и его коллеги показали, что генетически
модифицированная кишечная палочка в лабораторной жидкой культуре
убивает “синегнойку”, не причиняя вреда себе, а также другим
неопасным бактериям. Этот метод испытан пока лишь в лаборатории,
но ученые считают, что возможно сделать лечебный штамм кишечной
палочки в 20 раз сильнее опытного экземпляра. И тогда испытать на
млекопитающих, а также подумать о возможных лекарственных формах
пробиотиков.

Генно-модифицированные штаммы кишечной палочки ученые намерены
использовать и для решения одной из проблем века – ожирения. Как
показывают исследования, добавление в еду подопытным мышам
особого штамма E.Coli , в геном которой введен ген растения
резуховидки, помогает избавить от лишнего веса подопытных мышей.
Бактерии ориентированы на синтез особого вещества под названием
NAPE, которое организм млекопитающих превращает в гормон,
вырабатываемый в процессе переваривания пищи. Этот гормон
поступает через кровь в мозг и, сигнализируя о насыщении,
уменьшает аппетит. Получается, что бактерия заставляет мышей
думать, что они едят больше, чем на самом деле. В исследовании,
опубликованном в журнале The Journal of Clinical Investigation,
грызунов, которым добавляли бактерии в питьевую воду, и грызунов
из контрольной группы кормили высококалорийной пищей. У мышей,
которые употребляли бактерии, снизился аппетит, они перестали
набирать вес и начали показывать меньшую инсулиновую
устойчивость. Эффект сохранялся около четырех недель. Ученые
считают, что эти бактерии можно использовать в пробиотиках для
употребления людьми. Если препарат окажется действенным и
безопасным, то он даст большую фору существующим лекарствам
против ожирения.

Пробиотики, изготовленные с добавлением модифицированной кишечной
палочки, как считают ученые – это одно из лекарств будущего, ведь
для этой бактерии кишечник человека – естественное местом ее
обитания. Однако, несмотря на первые успехи, авторы отмечают, что
им еще предстоит ответить на несколько непростых вопросов.
Например, необходимо выяснить, насколько опасны подобные
вмешательства в естественную микрофлору кишечника, индивидуальную
для каждого человека.

Инсулин – это гормон, вырабатываемый поджелудочной железой, который необходим для метаболизма углеводов и, в меньшей степени, жиров. Благодаря инсулину энергия (глюкоза) из пищи переносится из крови в клетки. Таким образом снижается уровень сахара в крови и обеспечивается питание клеток. 

Когда уровень инсулина в норме, уровень сахара в крови в норме. Когда инсулин слишком низкий (или не работает должным образом), диагностируется диабет. Когда уровень инсулина высокий, а уровень сахара в норме, мы говорим об инсулинорезистентности.

Диабет 1 типа, диабет 2 типа и инсулинорезистентность – это проблемы со здоровьем, которые связаны с инсулином – гормоном, необходимым для жизни. Он нужен организму в строго определенном количестве. Опасны как дефицит инсулина, так и его чрезмерный избыток. 

Какую роль инсулин играет в организме? Когда следует проверять его уровень? Что происходит, когда инсулина слишком мало или слишком много?

Как действует инсулин

Инсулин – это гормон, понижающий уровень сахара в крови. Его образно называют ключом, открывающим клетки энергии из пищи. Источником энергии для организма являются углеводы. Энергия из простых углеводов проникает в кровь практически сразу после еды, сложные углеводы сначала нужно расщепить на простые сахара – глюкозу в процессе пищеварения. Она циркулирует в крови и попадает в клетки только в присутствии инсулина. Без инсулина клетки не могут получать энергию из пищи, даже если в крови много глюкозы.

Механизм действия инсулина

Отсюда взаимосвязь между уровнем сахара и инсулином. Когда этот гормон отсутствует, глюкоза не попадает в клетки, она остается в крови, что приводит к гипергликемии. Состояние диагностируют в лабораторных исследованиях или с помощью глюкометра.

Важно отметить, что инсулин не снижает уровень сахара в крови до нуля, то есть не вся энергия из пищи поступает в клетки. Строго определенное количество сахара остается в крови и является топливом, необходимым для работы мозга. Мозгу постоянно нужна глюкоза, это орган, не зависящий от действия инсулина, он забирает сахар из крови без этого гормона.

Вот почему в крови здорового человека содержится определенное количество сахара, которое в лабораторных условиях дает результат в диапазоне 70-99 мг/дл глюкозы натощак.

Инсулин – это белок. Поэтому его следует принимать в виде подкожной инъекции. Таблеток инсулина не существует, потому что они перевариваются в пищеварительном тракте.

Подкожная инъекция инсулина

Инсулин и глюкагон

Инсулин вырабатывается в ответ на повышение уровня глюкозы в крови. После обильной еды с большим количеством углеводов уровень этого гормона в кровотоке значительно увеличивается. Между приемами пищи и ночью уровень инсулина ниже.

Гормон, противоположный инсулину, – это глюкагон, повышающий уровень сахара в крови. В здоровом организме эти два гормона остаются в равновесии. Глюкагон высвобождается, когда сахар в крови начинает слишком низко падать (например, ночью), а инсулин – когда сахар в крови начинает слишком сильно повышаться.

Благодаря сбалансированной секреции этих двух гормонов, у здорового человека уровень сахара остается нормальным как после обильной еды, так и в результате многочасового голодания.

Инсулин – анаболический или строительный гормон, благодаря которому можно выращивать клетки (неиспользованная глюкоза превращается в жир). Высокий уровень инсулина в организме, типичный для инсулинорезистентности, способствует увеличению избыточного веса.

Когда не хватает инсулина

Отсутствие или тяжелая недостаточность инсулина означает диабет типа 1. Это заболевание диагностируется по заметно повышенному уровню сахара в крови (гипергликемия). Его лечение заключается в восполнении дефицита инсулина. Причина нехватки инсулина у пациентов с диабетом 1 типа – это разрушение иммунной системой бета-клеток поджелудочной железы (аутоиммунное заболевание).

Сегодня на рынке представлено множество препаратов инсулина. Инсулин животного происхождения ушел в прошлое, сегодня применяются так называемый человеческий инсулин и аналог инсулина. 

Инсулины различаются не только способом их получения, но и временем действия. В инсулиновой терапии используются инсулины короткого действия, 3-5 часов, которые следует принимать во время еды, и базальные инсулины, действующие в течение 18-24 часов, которые сохраняют нормальный уровень сахара в крови между приемами пищи.

Симптомы нехватки инсулина:

• Очень сильная жажда;
• Отхождение большого количества мочи;
• Похудение – клетки голодают, не могут получать энергию из крови, организм начинает сжигать жир, что приводит к потере веса.

До того как был «изобретен» инсулин, диабет 1 типа считался смертельным заболеванием. Пострадавшие пациенты гибли от крайнего недоедания. Поскольку теперь инсулин производят в лабораториях, и он доступен всем, диабет 1 типа перешел в разряд хронических заболеваний.

Когда слишком много инсулина

Избыток инсулина тоже вреден для организма. Мы имеем дело с высоким уровнем инсулина в крови при:

• сахарном диабете 2 типа;
• резистентности к инсулину.

Инсулинорезистентность – это нарушение обмена веществ, диабет 2 типа – это заболевание, которое возникает в результате инсулинорезистентности, поэтому эти проблемы можно обсуждать вместе. Они отличаются тем, что гликемия нормальна при инсулинорезистентности и повышена при диабете 2 типа.

Инсулинорезистентность

Высокая концентрация инсулина возникает, когда поджелудочная железа вынуждена производить избыточный инсулин. Когда это происходит? Когда клетки организма нечувствительны к инсулину (другими словами – устойчивы к нему). Чтобы преодолеть это сопротивление, поджелудочная железа вырабатывает повышенное количество гормона, что дает побочные эффекты:

• Инсулин стимулирует аппетит;
• Как анаболический гормон, он способствует увеличению веса.

Выработка большого количества инсулина ложится нагрузкой на поджелудочную железу, она перестает быть эффективной в этом процессе. Поэтому на основе инсулинорезистентности развивается диабет 2 типа.

Когда проверяют уровень инсулина?

Уровни инсулина проверяются в трех случаях:

• У пациентов с диабетом 1 типа, как правило, сразу после постановки диагноза, чтобы узнать, секретирует ли поджелудочная железа больше инсулина. Это делается путем выравнивания пептида C.
• У людей с подозрением на инсулинорезистентность с целью подтверждения / исключения низкой чувствительности к инсулину.
• Для подтверждения реактивной гипогликемии (чрезмерное падение уровня глюкозы в крови у людей без диабета).

Поделиться ссылкой:

ПОЛУЧЕНИЕ ИНСУЛИНА НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНЖЕНЕРИИ

СИНТЕЗ СОМАТОСТАТИНА

СИНТЕЗ СОМАТОТРОПИНА

Инсулин — гормон поджелудочной железы, регулирующий уг­леводный обмен и поддерживающий нормальный уровень саха­ра в крови. Недостаток этого гормона в организме приводит к одному из тяжелейших заболеваний — сахарному диабету, кото­рый как причина смерти стоит на третьем месте после сердечно-­сосудистых заболеваний и рака. Инсулин — небольшой глобуляр­ный белок, содержащий 51 аминокислотный остаток и состоящий из двух полипептидных цепей, связанных между собой двумя дисульфидными мостиками. Синтезируется он в виде одноцепочеч­ного предшественника — препроинсулина, содержащего конце­вой сигнальный пептид (23 аминокислотных остатка) и 35-звенный соединительный пептид (С-пептид). При удалении сигналь­ного пептида в клетке образуется проинсулин из 86 аминокислот­ных остатков, в котором А и В-цепи инсулина соединены С-пептидом, обеспечивающим им необходимую ориентацию при замыкании дисульфидных связей. После протеолитического отщепле­ния С-пептида образуется инсулин.

Известно несколько форм сахарного диабета. Самая тяжелая форма, для лечения которой больному необходим инсулин (инсу­лин зависимая форма заболевания), вызвана избирательной гибе­лью клеток, синтезирующих этот гормон (клетки островков Лангерганса в поджелудочной железе). Форма сахарного диабета, для лечения которой инсулин не требуется, распространена чаще, с ней удается справляться с помощью соответствующих диет и режима. Обычно поджелудочная железа крупного рогатого скота и свиней не используется в мясной и консервной промышленности и поставляется в вагонах-рефрижераторах на фармацевтические предприятия, где проводят экстракцию гормона. Для получения 100 г кристал­лического инсулина необходимо 800— 1000 кг исходного сырья.

Синтез обеих цепей и соединение их дисульфидными связями для получения инсулина были проведены в 1963 и 1965 гг. тремя коллективами исследователей в США, Китае и ФРГ. В 1980 г. дат­ская компания «Ново индастри» разработала метод превращения инсулина свиньи в инсулин человека путем замещения 30-го ос­татка аланина в цепи В на остаток треонина. Оба инсулина не раз­личались по активности и времени действия.

Работы по генно-инженерному получению инсулина начались около 20 лет назад. В 1978 г. появилось сообщение о получении штам­ма кишечной палочки, продуцирующего крысиный проинсулин (США). В этом же году были синтезированы отдельные цепи челове­ческого инсулина посредством экспрессии их синтетических генов в клетках Е. coli (рис. 5.11). Каждый из полученных синтетических генов подстраивался к 3′-концу гена фермента бета-галактозидазы и вво­дился в векторную плазмиду (pBR322). Клетки Е. coli, трансформи­рованные такими рекомбинантными плазмидами, производили гиб­ридные (химерные) белки, состоящие из фрагмента бета-галактозидазы и А или В пептида инсулина, присоединенного к ней через оста­ток метионина. При обработке химерного белка бромцианом пептид освобождается. Однако замыкание дисупьфидных мостиков между образованными цепями инсулина происходило с трудом.

В 1981 г. синтезирован ген-аналог проинсулина — мини-С- проинсулин, в котором 35-звенный С-пептид был заменен на сег­мент из шести аминокислот: арг-арг-гли-сер-лиз-арг и показана его экспрессия в Е. coli.

В 1980 г. У.Гилберт с сотрудниками выделили мРНК инсулина из опухоли бета-клеток поджелудочной железы крысы и с помощью обрат­ной транскриптазы получили с нее кДНК Полученную кДНК встрои­ли в плазмиду pBR322 Е. coli, в среднюю часть гена пенициллиназы. Рекомбинантная плазмида содержала информацию о структуре про­инсулина. В результате трансляции мРНК в клетках синтезировался гибридный белок, содержащий последовательности пенициллиназы и проинсулина, который выщепляли из такого белка трипсином.

В 1978 г. сотрудниками Института биоорганической химии под руководством академика Ю. А. Овчинникова был осуществлен синтез двух структурных генов, кодирующих синтез нейропепти­дов: лейцин-энкефалина и брадикинина. Синтезированный ген лейцин-энкефалина имел два «липких» конца:

Полученный синтетический ген был встроен вместе с фрагмен­том природной ДНК, содержащим промотор и проксимальную часть гена белка бета-галактозидазы кишечной палочки Е. coli, в плазмиду-вектор pBR322 и обработан смесью рестриктаз — EcoRI и BamHI. Полученная рекомбинантная плазмида рЕк была трансформирована в клетки Е. coli. В результате экспрессии встроенного ген бактерия начала продуцировать гибридный (химерный) белок, cодержащий на N-конце участок бета-галактозидазы, а на С-конце последовательность нейропептида. С помощью бромциана химерный белок расщепляли in vitro и получали активный лейцин-энкефалин. На рис. 5.12 представлены схема клонирования синтетиче| кого гена лейцин-энкефалина и его экспрессия в клетках кишечной палочки.

СИНТЕЗ СОМАТОСТАТИНА

Аналогичным путем был синтезирован соматостатин — гор­мон гипоталамуса (рис. 5.13). Молекула соматостатина состоит из 14 аминокислотных остатков. Соматостатин подавляет выделение инсу­лина и гормона роста человека. В Национальном медицинском цен­тре «Хоуп» (Калифорния) был осуществлен химико-ферментатив­ный синтез гена длиной в 42 нуклеотида, способного кодировать соматостатин. Участок ДНК, кодирующий гормон соматостатин, получен путем соединения тринуклеотидов. Из 52 н. п. синтетического гена 42 пары составляли структурный ген гормона, а остальные слу­жили для присоединения синтетического гена к плазмиде pBR322, а также к сегменту лактозного оперона (lac) из генома Е. coli или к бета-галактозидазному гену. Такую синтетическую чужеродную ДНК встраивали непосредственно за бактериальным геномом (или внут­ри его) после расщепления ДНК рестрикционными эндонуклеазами с образованием в результате трансляции гибридного белка.

Основные этапы генно-инженерного синтеза соматостатина по­казаны на рис. 5.14. Синтетический ген соматостатина был встроен в плазмиду pBR322 Е. coli вблизи конца гена, кодирующего фер­мент бета-галактозидазу. Между двумя генами был помещен кодон метионина. После выделения рекомбинантной плазмиды в бакте­риальную клетку кишечная палочка стала синтезировать гибридный белок. Часть его (соматостатин) затем отщепляли от бета-галактозидазы BrCN. Такой сложный способ получения гормона был необходим, так как соматостатин, синтезированный в виде свобод­ных молекул, быстро деградирует под действием бактериальных протеаз. Первый синтез соматостатина генно-инженерным спосо­бом был осуществлен в 1977 г. Бойером. Выход гормона составил 10000 молекул на одну клетку. Из 100 г биомассы Е.coli, выра­щенной в ферментере объемом 8 л, удалось выделить 5 мг соматостатина, т.е. столько, сколько можно его выделить из 100 г овечь­их мозгов.

5.8. СИНТЕЗ СОМАТОТРОПИНА

Соматотропин (или гормон роста человека ГРЧ) секретируется передней долей гипофиза. Впервые он был выделен и очищен в 1963 г. из гипофиза. Его недостаток приводит к заболеванию — гипофизарной карликовости (1 случай на 5000 человек). Гормон обладает видовой специфичностью. Обычно его получают из гипофи­за трупов, но в недостаточном количестве. Гормона хватает лишь для лечения 1/3 случаев гипофизарной карликовости в развитых стра­нах. Основные производители — Швеция, Италия, Швейцария и США. Молекула ГРЧ состоит из 191 аминокислотного остатка.

Препарат из трупного материала представляет собой смесь из нескольких форм, из которых пять имеют 22 кДа, другие являют­ся димерами, а остальные — фрагментами, образующимися при протеолизе. Это приводило к тому, что у 30 % больных, получав­ших препарат, против гормона вырабатывались антитела, сводив­шие на нет его биологическую активность.

Принимая во внимание это обстоятельство, в настоящее время ГРЧ синтезируют методами генетической инженерии в специаль­но сконструированных клетках бактерий. Будучи синтезированным в клетках Е. coli, ГРЧ содержит дополнительный остаток метиони­на на Н2N-конце молекулы. Биосинтез ГРЧ из 191 аминокислот­ного остатка был осуществлен в 1979 г. Д. Гедделем с сотрудника­ми. Сначала клонировали двунитевую кДНК; далее путем расщеп­ления получали последовательность, кодирующую аминокислотный порядок гормона, за исключением первых 23 аминокислот, — с фен (—NH2) долей (23), и синтетический полинуклеотид, со­ответствующий аминокислотам от первой до двадцать третьей со стартовым ATG-кодоном в начале. Затем два фрагмента объеди­няли и подстраивали к паре lac-промоторов и участку связывания рибосом. Конечный выход гормона составил 2,4 мкг на 1 мл культуры, что составляет 100 000 молекул гормона на клетку; Полученный гормон на конце полипептидной цепи содержал дополнительный остаток метионина и обладал значительной био­логической активностью. С 1984 г. после серьезных клинических ис­пытаний на токсичность компанией «Генетек» (Сан-Франциско) было начато широкомасштабное производство бактериального соматотропина.

ГРЧ в клетках Е. coli и в культуре клеток животных был получен в 1982 г. одновременно в Институте Пастера (Париж) и в Институ­те молекулярной биологии (Москва). Оказалось, что в бактериаль­ных клетках возможен синтез аналогов ГРЧ, с помощью которых изучались участки молекулы, важные для стимулирования роста и процесса неоглюкогенеза на молекулярном уровне.

Огромный интерес представляют выделение и синтез поли­пептида, обладающего полной биологической активностью гипоталамического рилизинг-фактора соматотропина (СТГ-РФ). Вве­дение этого фактора способно компенсировать недостаток сома­тотропина. Таким образом, наличие СТГ-РФ и самого гормона, полученных в генетически сконструированных бактериальных клет­ках, очень важно для успешного лечения заболеваний, обуслов­ленных недостатком этого гормона, и ряда патологических забо­леваний, таких, как некоторые формы диабета, регенерация тка­ней после ожогов и др. Предполагаем, что СТГ-РФ можно ис­пользовать и для увеличения массы и роста домашних животных, так как он, не обладая видовой специфичностью, способен сти­мулировать освобождение гормона роста у ряда животных.

бета-Эндорфин — опиат мозга, состоящий из 31 аминокислотного остатка, был синтезирован в генетически сконструированных клет­ках в 1980 г. группой ученых из Австралии и США. Бета-эндорфин получен в клетках Е. coli в виде гибридного белка с бета-галактозидазой. Процедура синтеза бета-эндорфина включала: получение пу­тем обратной транскрипции мРНК — кДНК, кодирующей белок- предшественник, содержащий помимо последовательности бета-эндорфина последовательность АКТГ и бета-липотропина (Р-ЛТГ), в дальнейшем удаляемые. Бета-эндорфин, полученный из гибридного белка и тщательно очищенный, обладал значительной биологи­ческой активностью. Он специфически взаимодействовал с анти­сывороткой против бета-эндорфина. От бета-эндорфина человека ген­но-инженерный бета-эндорфин отличался по двум аминокислотам, и эти отличия можно было легко устранить на нуклеотидном уровне путем замены двух кодонов в ДНК бактериальной плазмиды.