«Виролюция»

Виролюция (fb2) - Виролюция [Важнейшая книга об эволюции после «Эгоистичного гена» Ричарда Докинза] (пер. Дмитрий Сергеевич Могилевцев) 1173K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Фрэнк Райан

Фрэнк Райан Виролюция

Посвящается Терри Йетсу, чья доброжелательность, способность вдохновить и щедрая помощь помогли ступить на дорогу, изменившую мою жизнь

Благодарности

Без поддержки Майлса Арчибальда, моих редакторов в издательстве «Коллинз» и моего агента Джонни Пегга эта книга не увидела бы свет. Им моя непреходящая благодарность. Джулия Коппиц была воистину благословением для меня, взяв на себя редактирование и подготовку к печати. Я в невозвратном долгу у многих ученых, самоотверженно помогавших мне в нелегком труде, а в особенности у Луиса П. Вильярреала и Линн Маргулис, в тогдашней фазе моей жизни ставших без малого моими наставниками. Среди прочих следует упомянуть Терри Йетса, Мэрилин Руссинк, Лорен Ризберг, Яна Сапа, Массимо Палмарини, Макса Эссекса, Эрика Ларрсена, Джошуа Ледерберга, Маурисио Линареса, Оливера Кваррелла, Дугласа Зука, Рэйчел Тарлингтон, Еву Яблонску, Мэрион Дж. Лэмб, Робина Холлидея, Джеймса В. Трумана, Линн М. Риддифорт, Экарда Уиммера, Соррадо Спадафора, Барбару К. Мэйбл, Джерри Вильсона, Энди Бэннистера, Роджера Батлина, Клауса Ремера, Клеменс Рупрехт, Солин Мак-Иннес, Клаудию Бандеа, Майкла Сивайнена, Хью Дикинсона, Роберта Грант-Даунтона, Дональда Уильямсона, Беатрис Ланцрайн, Алана Дж. Чока, Энди Баннистера, Сиднея Пирса и Мэри Е. Румфо. Они так или иначе просвещали меня, беседовали со мной, спорили и даже не соглашались, прибавляя мне опыта и знаний. Увы, я не могу в должной мере поблагодарить всех, кто помогал в течение долгих лет моего причудливого, извилистого и не всегда однозначного пути к познанию, но я хотел бы выразить свою необыкновенную признательность. Если поразмыслить, ведь это удивительная честь и привилегия — принадлежать к небольшой группке любопытствующих, ищущих — пусть мучительно и трудоемко — истину о нашем удивительном мире. Эти люди и их любопытство, по сути, и есть наука — и я горжусь тем, что принадлежу к их числу. Список моих благодарностей был бы ущербным и плачевно неполным без выражения признательности редко упоминаемым, но в высшей степени влиятельным коллегам — редакторам научных журналов, кто тем или иным образом способствовали публикации моих эволюционных идей, открывая их для профессионального обсуждения и оценки. Среди них я хочу особо выделить Дугласа Зука, Робина Фокса, Дэвида Катлера, Джона Аллена, Дэвида Ричардсона, Джона Сритера и Камрана Аббаси.

Наука не имеет отечества, она — свет, озаряющий мир.

Луи Пастер

Как и наука, вирусы не имеют отечества. Ничто не может задержать их на границах государств или часовых поясов.

Ричард М. Краузе

Относительно малое число ученых занято исследованием вирусов… их жизнеустройства и способа действия, и эти ученые куда лучше осознают… эволюцию нашего с ними симбиотического существования.

Джошуа Ледерберг

Введение. Ветер перемен

Уверен: наши взгляды на эволюцию были бы совершенны иными, если бы биологи изучали генетику и естественный отбор после того, как убедились в справедливости дарвиновской теории, а не до того — как большинство биологов сейчас.

Дж. Б. С. Холдейн

В первых строках своей знаменитой книги «Восхождение человека» Джейкоб Броновски заявляет: «Человек — существо удивительное и выдающееся. Способности его уникальны и несравненны, никакое иное животное не сравнится с ним». Несомненно, первым побуждением всех, кто не против поставить человека в один ряд с животными, будет горячее одобрение этих слов. Конечно же, мы, люди, — уникальны. Мы уникальны в осознании нашего существования. Мы настолько превосходим разумом животных, обитающих на одной земле с нами, что смогли перестроить самую эту землю, создавая рукотворные пейзажи. Но значит ли подобное интеллектуальное превосходство глубокое биологическое отличие? Быть может, эволюционно нас следует отделить от всех прочих форм жизни? Быть может, эволюция, определившая суть нашего естества, протекала совершенно иначе, чем у других?

Когда двенадцатого февраля 2001 года две конкурирующие группы одновременно объявили о завершении полного анализа человеческого генома, все ожидали подтверждения человеческой уникальности. Впервые в истории на всеобщее обозрение выставлен подробный анализ наших генов, всех сорока шести хромосом, определяющих человеческое существо!

Увы, с подтверждением уникальности получилось не очень. Однако результаты были воистину замечательными.

Первой удивительной особенностью оказалась сравнительная малочисленность наших генов — всего-то близ двадцати тысяч. Ожидалось, что сложное человеческое устройство потребует, как минимум, сотню тысяч или больше. Для сравнения заметим: оказалось, у нас всего лишь в десять раз больше генов, чем у бактерии, на треть больше, чем у мухи дрозофилы, и почти столько же, как у червя нематоды. Выходит, количественно величина нашей генной памяти такого же порядка, как и у этих скромных малоразмерных жизненных форм. Однако наш геном гораздо более сложным и изощренным способом кодирует процесс производства белков, и тем же количеством генов, что и у дрозофилы, мы можем записать гораздо большее количество разных белков.

Главнейшей же находкой была демонстрация нашей общности, общего происхождения с прочими формами земной жизни. Например, у нас с дрозофилой 2758 общих генов и 2031 общих генов с червем нематодой. А вся троица — человек, муха и червяк — имеет целых 1523 общих гена!

И хотя некоторых читателей, несомненно, огорчит это известие, Дарвин бы обрадовался — ведь такая общность возникла не случайно. Нам уже хорошо известна чрезвычайная точность генетического анализа в криминалистике — даже малая толика доступного биоматериала позволяет доказать причастность определенного — и никакого другого — человека к преступлению. 1523 общих гена — более чем убедительное свидетельство, и я даже не возьмусь подсчитывать шансы на случайное совпадение подобного числа генов (сколь ничтожная доля процента там будет — миллиардная или триллиардная). Это говорит нам, насколько важна эволюционная биология, — возможно, она важнее всех наук, да и прочих человеческих занятий тоже. Ведь она одна пытается посредством экспериментов и логики понять происхождение жизни, от ее самых зачатков в ужасных и неподходящих условиях новорожденной планеты до прекрасной, завлекающей пышности и разнообразия, окружающего нас сейчас на плодородной голубой Земле.

Во Вселенной есть и другие великие тайны — и среди звезд и галактик, и в равно удивительном мире элементарных частиц, — но никакая другая наука не берется объяснить, как произошли мы, преобразователи земли и открыватели наук. Искренне верующие не согласятся, приписывая наше происхождение всемогущему создателю, но эта точка зрения рождена не наукой, а верой. На мой взгляд, религия и наука попросту расходятся в системе основополагающих верований, и потому сопоставление их воззрений едва ли продуктивно. Но хочу заострить внимание на моменте, представляющемся мне в особенности важным. Креационисты — включая сторонников теории «разумного творения» — объявляют эволюцию всего лишь теорией, основанной на предположении Дарвина о естественном отборе. А значит, реальность эволюции, по их мнению, в полной мере доказать не удастся никогда — ведь теория есть логическая конструкция, к ней можно привязывать факты, а можно и не привязывать. Эволюция, по их мнению, — лишь одно из возможных объяснений. Подобные взгляды господствуют среди креационистов несмотря на то, что уже полтора века ученые непрестанно подвергают гипотезу о естественном отборе все новым и новым кропотливейшим проверкам — и всякий раз она с торжеством их проходит. Но я уверен: в горниле подобных испытаний и дебатов вырисовывается новая перспектива, глубже и шире прежней. Эволюционная биология претерпевает кардинальные изменения, и ветер перемен способен принести неоспоримые доказательства эволюционной теории.

Эволюционная теория оказала глубокое влияние на умы. Многое написано о том, как она повлияла буквально на все проявления человеческой мысли и жизни. Например, выдающийся французский биолог Жак Моно, получивший вместе со своим соотечественником Франсуа Жакобом Нобелевскую премию за изучение производства живыми клетками закодированных геномом белков, весьма характерно выразился в своей книге «Случай и необходимость»: «Даже сегодня многие выдающиеся умы не в силах принять или хотя бы понять, что естественный отбор мог из бесформенного шума создать безо всякой помощи всю музыку биосфер». Книга Моно увидела свет в 1970 году — по иронии судьбы, одновременно с первой публикацией воистину пионерских взглядов Линн Маргулис на критическую важность симбиоза в эволюции клеток, обладающих ядром, и работы Сусуми Оно о роли генной и геномной дупликации в происхождении животных и растений.

Признаюсь: я поклонник Моно и высоко ценю его вклад в биологию. Но эволюционные его взгляды были строго редукционистскими и селекционерскими. Как большинство его современников, он полагал: эволюция происходит посредством естественного отбора результатов единственного источника генетических изменений — мутации. Поскольку мутация дает, в сущности, случайный результат, Моно даже употреблял для описания ее роли термин «неинформативность». В приведенной выше цитате под «шумом» понимались именно такие случайные генетические изменения, сравнимые со случайным шумом радио. И лишь когда бессмысленные статические помехи — случайные мутации — попадают в жернова естественного отбора — возникает «музыка». Очень сомневаюсь, что кому-либо удалось лучше передать дух тогдашнего (да и нынешнего) дарвинизма.

Схема «случайные мутации — отбор» кажется весьма привлекательной. Более того, она легко укладывается в математическое модели, позволяя с прекрасной точностью описывать вероятность выживания и динамику популяции. Разве такая модель может оказаться неверной?

В общем-то, она и не оказалась неверной — но она всего лишь часть большого и весьма нетривиального целого. В этой книге я обрисую картину эволюции, весьма отличающуюся от простой схемы «неинформативный шум — отбор». Центральное утверждение этой книги следующее: случайные мутации — столь блестяще концептуализированные великим Моно — далеко не единственный источник генной и даже геномной изменчивости. В этой книге я намерен продемонстрировать и доказать со строго научной точки зрения, что один-естественный отбор не мог дать начало жизни и породить ее существующее разнообразие. Наряду с ним действовал ряд факторов, каждый из которых — важный источник наследуемых генетических изменений. Без этих факторов естественный отбор не привел бы к положительному результату. Великие эволюционные силы, такие, как симбиоз и гибридизация, принципиально важны для возникновения видового разнообразия. Именно знания о них так отчаянно не хватало Дарвину. Эти силы весьма отличаются от «случайного шума» и куда плодотворнее его. Они приносят в объединенный геном новые комбинации работающих, функциональных генов, они создают новые геномы с лучшим потенциалом выживания. Наше понимание этих сил эволюции сильно продвинулось за последнюю пару десятилетий, и теперь мы видим: они играли и играют не менее важную роль в эволюции, чем естественный отбор, необходимым образом его дополняя. Но исследования по симбиозу и гибридизации никогда ранее не выставлялись на широкую публику, не приобрели известности. В этой книге я продемонстрирую: эти силы — не просто теория, но научно подтвержденный факт. Роль их может быть воспроизводимо доказана с куда большей определенностью, чем криминалист может заключить о принадлежности ДНК по найденному биоматериалу.

Наиболее удивительным в области эволюционных исследований является новый взгляд на человеческую эволюцию, оказавшуюся тайной куда загадочнее и страннее, чем кто-либо мог предположить еще десятилетие назад. Более того, новый взгляд на эволюцию имеет большое практическое значение — не только из-за возможности понять глубже и полнее наше происхождение, но и из-за того, что он может предоставить более глубокое понимание эмбрионального развития человека, его физиологии, генетики и химии метаболизма. Для меня как физиолога и эволюционного биолога этот новый взгляд представляет огромный интерес, сводя в единое целое многие направления исследований, занимавших меня долгие годы. Современная медицина все более нуждается в понимании процессов, происходящих на молекулярном уровне, — ведь это необходимо для полноценного развития и применения генной терапии. Медикам нужно знать, как работают наши гены, как процессы происходят в клеточном ядре, как ведут себя хромосомы в отдельности и та совокупная цельность, какую мы зовем «человеческим геномом». А чтобы это знать, надо разобраться в процессах, приведших к появлению клетки и генома. Постичь это мы сможем, лишь разгадав от и до великую тайну человеческой эволюции.

Представляя книгу «Виролюция», я приглашаю вас, читатель, отправиться со мною в необычное путешествие. Я приглашаю вас заглянуть в самую суть генетических и геномных процессов, приведших к появлению человеческого генома. Для меня, врача и биолога-эволюциониста, было большой радостью открыть в этом путешествии много важного для медицины, найти новые идеи о том, как именно гены обуславливают возникновение многих распространенных и нелегких заболеваний: рака, множественного склероза, аутоиммунных заболеваний и даже душевных расстройств, таких, как шизофрения. Для меня тут есть и еще кое-что: поначалу я как врач заинтересовался — причем довольно-таки въедливо — природой заразных болезней. Благодаря помощи знающих и опытных коллег этот интерес из любительского перерос в научный, дал начало новым исследованиям — и появлению у меня новых важных идей. Надеюсь, вам понравится история о том, как же именно это произошло, и новые идеи покажутся вам столь же вдохновляющими и расширяющими кругозор и понимание, как и мне.

Добро пожаловать в путешествие! Возможно, местами оно покажется вам странноватым, а иногда и попросту пугающим, но уверяю вас: в конце концов вы будете впечатлены и захвачены удивительной картиной могучих сил, сотворивших нас и по сей день активно работающих в нас, продолжая эволюцию человечества как биологического вида.

1. Загадка из мира заразных болезней

Можно научиться хорошему и у врага.

Аристофан

Elysia chlorotica — очень красивый листовидный морской слизень, обитающий в соленых болотах восточного побережья Соединенных Штатов от Новой Шотландии на далеком севере до теплой Флориды на юге. Как и гласит латинское название, слизень этот полупрозрачен, чудесного изумрудно-зеленого цвета, а плавает он, элегантно взмахивая отороченными золотом юбками — разросшимися ажурными краями ноги. Цвет его — знак глубокой тайны, ибо слизень Elysia — существо удивительное, одно из «животных-растений», как их удачно назвал английский ботаник Фредерик Кибл в конце девятнадцатого столетия[1]. Эти создания соединяют в себе черты растений и животных. Но таинственность Elysia этим далеко не исчерпывается, ибо его существование кроет в себе загадку очень непростую, и ответ на нее, хотя и чрезвычайно познавательный, — ужасающ. Чтобы понять, в чем дело, рассмотрим сперва чрезвычайно любопытный жизненный цикл Elysia в прибрежных болотах.

Жизнь червя-гермафродита начинается, когда первое тепло весны пробуждает его от зимней спячки. Тогда слизень откладывает яйца в стоячую воду, и через неделю или около того из яиц выходят личинки. Следующие несколько недель личинки проводят, плавая туда и сюда в слоях планктона в поисках зеленых отростков единственного вида водорослей — Vaucheria litorea. Найдя, накрепко к нему прицепляются и завершают метаморфоз, превращаясь в крохотных слизней. Едва родившись, те начинают питаться, проедают оболочку водоросли и высасывают содержимое ее клеток. Vaucheria litorea — зеленая водоросль, полная — как, например, листья деревьев — крохотных округлых органелл, известных как «хлоропласты». Они поглощают солнечную энергию и в процессе фотосинтеза, фундаментально важном для земной жизни, превращают ее в энергию химическую. Ее же можно запасать впрок — и ею же, запасенной, питаются растительноядные животные. В сущности, все живое, окружающее нас, зависит от фотосинтеза и неразрывно с ним связано. Без фотосинтеза наш мир выглядел бы совсем по-другому. Не было бы кислорода в атмосфере, деревьев, цветов, не плавали бы рыбы в морях, не существовало бы ни птиц, ни зверей, ни человека.

Фотосинтез впервые произошел, должно быть, около трех миллиардов лет назад, когда на нашей молодой и чрезвычайно беспокойной планете появились первые бактерии, названные теперь за сине-зеленую окраску «цианобактериями». Спустя много лет эти пионеры фотосинтеза посредством эволюционного процесса синтеза инкорпорировались в ранние ядерно-клеточные (эукариотические) формы жизни, ранее называвшиеся «протозоа», но теперь получившие наименование «протистов», — это предки зеленых водорослей и растений. Впрочем, сами первопредки-цианобактерии никуда не подевались, они и сейчас живут и здравствуют в областях океана, где встречается планктон. А их наидревнейшие формы, хотя и подсократившись геномом, все так же живут в клетках водорослей и наземных растений в виде крошечных внутриклеточных включений — хлоропластов. Хищничество Elysia как раз и направлено на них — он умудряется отделять хлоропласты от прочего содержимого клеток водоросли и внедряет их в особые клетки, выстилающие внутренность кишечника. Вскоре эти клетки разрастаются, запускают крошечные отростки во все части тела растущего слизня, и драгоценные хлоропласты концентрируются сплошным равномерным слоем прямо под кожей. Когда формирование этого слоя заканчивается, до конца жизни слизень больше не пользуется ртом, получая всю необходимую для жизни энергию от внедренных хлоропластов — мириадов чудесных зеленых огоньков под кожей слизня, расцветивших ее изумрудным цветом.

Но этим далеко не исчерпываются тайны удивительного Elysia. Ведь поглощенные хлоропласты для преобразования солнечной энергии в химическую нуждаются в постоянном притоке протеинов, которые производят ядра клеток водоросли. Но теперь хлоропласты — в слизне, и как же они выживают целых девять месяцев жизненного цикла взрослого слизня?

Оказывается, в ходе эволюции Elysia chlorotica нужные для производства протеинов гены были перенесены из ядра клеток водоросли в ядро клеток слизня[2].

В этой природной генной инженерии еще многое остается непонятным, но все более умножаются и усиливаются свидетельства в пользу того, что за перенос ответственны вирусы, населяющие ткани слизня и ядра его клеток. Этим вирусам присуща интересная особенность: они содержат особое соединение, энзим обратную транскриптазу, и обычно это говорит о том, что перед нами так называемые ретровирусы. В последующих главах я еще немало расскажу про эти чрезвычайно интересные создания, ретровирусы, но в данный момент нам достаточно знать лишь то, что энзим обратная транскриптаза позволяет вирусу залезть в клеточное ядро. Подробности того, как именно вирусам удалось породнить столь разные царства живого — растительное и животное — в морском слизне, не понятны до сих пор. Обитающие в слизне ретровирусы весьма архаичны, изучены не слишком хорошо, хотя известно: они концентрируются в ядрах клеток слизня, а оттуда вполне безобидно и безопасно путешествуют по внутренним органам и тканям, включая и захваченные хлоропласты.

Но и этим загадки слизня не исчерпываются. Финальная его тайна полна драматизма. В конце жизненного цикла, когда слизни пробуждаются от спячки и откладывают яйца, ретровирус активизируется. Вскоре после кладки взрослые слизни заболевают и гибнут — прежде безобидные ретровирусы буйно размножаются, поражая все органы и ткани. И это не случайное совпадение: в каждом без исключения завершающем жизненный цикл слизне были обнаружены интенсивно размножившиеся ретровирусы, а патологические изменения в тканях прямо указывали на вирусную атаку. И эти болезнетворные вирусы не могли прийти извне, из моря — в аквариумах с искусственной морской водой заболевание развивается так же. Потому трудно не прийти к заключению: убивают слизня его личные персональные ретровирусы, благодаря которым он и может существовать — ведь именно эти странные вирусы перенесли гены хлоропластов из водорослей и тем самым дали слизню возможность питаться солнечной энергией. Если оно и в самом деле так, то перед нами запрограммированное природой уничтожение всех взрослых особей вида. Вирусы, сделавшие возможным без малого идиллическое существование носителя, внезапно переключаются в летальный режим, истребляя уже бесполезное после откладки яиц прежнее поколение.

Если роль вируса в жизненном цикле Elysia chlorotica мы оценили правильно, то перед нами весьма яркая иллюстрация мощного эволюционного механизма, известного как «агрессивный симбиоз». Ведомый случайными и не вполне безопасными обстоятельствами, я предложил концепцию «агрессивного симбиоза» много лет назад — и едва ли мог представить, насколько большое значение эта концепция сыграет в будущих моих исследованиях и карьере.

В понедельник 25 июля 1994 года мне случилось беседовать с Терии Йетсом, профессором биологии млекопитающих в Университете Нью-Мексико. Он рассказывал мне, как столкнулся с новым заболеванием, обнаруженным в Нью-Мексико в мае 1993-го. Эта распространившая по всей Америке болезнь ко времени нашей беседы убивала половину заразившихся ею. Йетс вел меня по просторному, похожему на огромную пещеру залу Музея биологии Юго-Запада США, и со стен его на меня смотрели роскошно рогатые головы аляскинских баранов и африканских антилоп. Пол был сплошь заставлен столами, в чьих ящиках покоились ряды за рядами крошечные тела, десятки тысяч их: летучих мышей с расправленными крыльями, грызунов — и все заботливо, аккуратно приготовлено, все расправлено — от вибрисс до хвостов. Коллекция не только велика количественно — она еще и упорядочена по времени, с самого своего начала в 1880-х, когда натуралисты двинулись на запад вместе с железной дорогой. И ключ к разгадке появления болезни лежал как раз там, среди бесчисленных рядов аккуратно пронумерованных трупов.

О появлении новой болезни стало известно 14 мая 1993 года. По дороге среди иссохшей пустыни Нью-Мексико мчалась «скорая помощь», торопясь в госпиталь Службы охраны здоровья индейцев в Гэллапе. Персонал «неотложки» заранее связался с госпиталем, так что, когда машина развернулась, подъехав задом к дверям приемного покоя, экстренная команда медиков под руководством доктора Брюса Темпеста уже поджидала у двери. Пациент — молодой навахо — был в мгновение ока вынесен из машины, уложен на каталку и доставлен в отделение экстренной помощи, где его грудную клетку просветили рентгеном, одновременно проводя кардиопульмонарное восстановление жизненных функций. Рентгенограмма оказалась странной: обычно почти прозрачные в рентгеновском диапазоне легкие оказались матово-белыми. Некий патологический процесс привел к затоплению полостей в легких, вытеснив воздух, — по сути, пациент утопал в физиологических выделениях собственного тела. Попытка восстановления жизненных функций оказалась безуспешной, пациент умер прямо во время процедур.

Так трагично заявила о себе новая болезнь, распространившаяся в «четырехугольных» штатах Юго-Запада США: Нью-Мексико, Аризоны, Юты и Колорадо. Хотя проявилась она на территории племени навахо, вскоре ее отметили и на территориях других штатов, населенных другими народностями. Болезнь распространилась по всей территории США, но ее эпицентром так и остались пустыни Нью-Мексико и Аризона. Местное население было в панике: здоровые молодые люди в хорошей физической форме, заразившись, гибли всего лишь за сутки — легкие их были полностью затоплены. Когда я впервые приехал в Нью-Мексико, эпидемия еще была в разгаре и все отделение интенсивной терапии Университетского госпиталя в Альбукерке занималось исключительно новыми случаями этого заболевания. Благодаря напряженным исследованиям и разработке эффективной методики медицинским персоналом многих больниц во многих городах летальность заболевания понизилась с начальных семидесяти процентов почти до пятидесяти. Я приехал в Нью-Мексико как раз за тем, чтобы изучать новые, впервые проявившиеся болезни, в особенности болезни вирусного происхождения, такие, как «Эбола» и ВИЧ-1 — это было необходимо для моей новой книги, «Вирус-Х»[3]. Возникновение новой всеамериканской эпидемии дало мне редкую возможность увидеть во всех подробностях, как реагируют наука, медицина и система здравоохранения на возникшую эпидемию. Я застал работу по определению наилучшей терапии и исследованию болезни в полном разгаре, и я чрезвычайно благодарен моим очень занятым и самоотверженным коллегам, позволившим мне присутствовать на консилиумах и при научных экспериментах.

Я уже знал: ученые отделения изучения патогенов Центра по контролю и профилактике заболеваний США в Атланте — знаменитые на весь мир знатоки инфекций — уже обнаружили, что эпидемия в «четырехугольных» штатах вызвана доселе неизвестным вирусом. У меня появилась возможность увидеть своими глазами, откуда произошел новый вирус, почему так агрессивно ведет себя при встрече с новыми хозяевами-людьми. В Альбукерке мне было позволено наблюдать за работой врачей Университетского госпиталя, борющихся за жизнь инфицированных. Врачи оказали мне неоценимую любезность, разрешив беседовать с жертвами болезни, их родственниками. Я смог представить весь ужас встречи человека с неизвестной смертоносной болезнью, узнать переживания зараженных. Я побывал в Атланте, где понаблюдал за работой вирусологов и генетиков Центра по контролю и профилактике заболеваний. Именно они впервые поняли, что имеют дело с новым вирусом, представителем рода хантавирусов, и распознали его всего лишь через тринадцать дней после обнаружения болезни, используя технику молекулярного анализа. Вирусу дали имя «Sin Nombre» — то бишь безымянный. Я присутствовал на сетевой дискуссии между эпидемиологами и вирусологами центра, с одной стороны, и исследователями-медиками и интернами госпиталя в Альбукерке, с другой. Смотрел с любопытством на полученное под электронным микроскопом изображение нового хантавируса, выглядевшего так невинно — будто комочек хлопка.

Я почти завершил сбор материала по исследованию эпидемии «Sin Nombre», когда, побеседовав со множеством занимавшихся этим ученых, решил вернуться в Альбукерке и поговорить с Терри Йетсом. Я полагал: это интервью будет рядовым, одним из множества — я ведь просто хотел составить впечатление о биологах, открывших, что вирус разносится животными. Я уже знал: убийственный для людей вирус разносил обычнейший американский грызун, скромная оленья мышь — заокеанская родственница европейской полевки.

Профессор Йетс занимал пост директора важного биологического заказника «Севилетта» в Нью-Мексико, где биологи осуществляют одну из самых на сегодняшний день детальных и объемных программ эколологического мониторинга. Именно оттуда и происходит большая часть собранных в коллекции музея млекопитающих. Йетс — всемирно известный специалист по эволюции млекопитающих. В отличие от большинства биологов, он не стал концентрировать внимание и исследовательские усилия на одном виде или роде млекопитающих. Его заинтересовали эволюционная систематика и процессы, приведшие к возникновению видового разнообразия и ведущие к дальнейшей эволюции и возникновению новых видов. Вспышка вызванной хантавирусом «Sin Nombre» эпидемии буквально на заднем дворе Йетса добавила новый, непредвиденный практический смысл его изысканиям, проводившимся уже десятилетия. Йетс и его коллеги не только сумели найти хантавирус в живых мышах, но и смогли извлечь генетический материал вируса из огромной коллекции мышиных тел, хранящейся в музее, и тем самым установить важные черты эволюции вируса. Я спросил, а с какой целью исследовались тела из коллекции.

Йетс ответил: «Нас интересует потенциал совместной эволюции хантавируса с его носителем — ведь оба эволюционируют параллельно».

Его слова удивили меня — ведь, подобно большинству медиков, я считал вирусы всего лишь паразитами. Меня учили современному дарвинизму как части базового набора биологических знаний, лежащих в основе нынешней медицины. Заметим: немало людей, не занимавшихся биологией, путают вирусы с бактериями, хотя организмы эти сильно различаются. Большинство вирусов — намного меньше бактерий. Вирусы настолько малы, что под обычным световым микроскопом их и не разглядеть. Обнаружить и увидеть их можно, лишь используя достаточно изощренные методы: иммунологические пробы, молекулярную химию либо огромную увеличительную силу электронного микроскопа. По устройству генома вирусы также сильно отличаются от бактерий. Их ДНК упакованы, как и наши, в цепочки, в то время как ДНК бактерий упакованы в тороидальную структуру. Вирусы — абсолютные чемпионы по эволюции посредством мутаций. Они мутируют с поразительной скоростью — в тысячи раз быстрее бактерий, а те мутируют в тысячи раз быстрее нас. Мутации с такой скоростью медикам очень важно принимать во внимание, поскольку именно посредством мутаций вирусы и бактерии становятся устойчивыми к лекарствам. Именно в феноменальной стремительности мутаций ВИЧ-1 и палочки Коха состоит проблема лечения СПИДа и туберкулеза. Пациенту нужно прописывать целый набор различных лекарственных препаратов, чтобы бороться со стремительно изменяющимися вирусами и бактериями.

Из разговора с Терри Йетсом я узнал: много видов грызунов по всему миру являются носителями хантавирусов. Самый первый из открытых хантавирусов был найден в Корее, близ реки Хантаан. Именем этой реки был назван и род вирусов, и вызываемая первым из найденных хантавирусов болезнь: хантаанская лихорадка. Потому, когда Йетс заговорил об эволюционных аспектах хантавирусов, я подумал: он имеет в виду мутации. Тогда я ничего не знал про коэволюцию — параллельную эволюцию вируса и его носителя — и нисколько не сомневался в традиционных эволюционных и медицинских представлениях. Я спросил Йетса:

— А что такое, по-вашему, вирус?

— Хороший вопрос. Некоторые считают вирусы неживыми — с этим я, конечно же, не согласен. Но для меня важно не то, «живые» вирусы или нет, а вопрос о применимости биологического понятия «вида» к вирусам. Можно ли говорить о видах вирусов в таком же смысле, в каком говорим о видах млекопитающих? Вообще говоря, я лишь недавно заинтересовался вирусами, интерес мой почти случаен и возник из-за моей работы с млекопитающими. Ведь почему-то именно млекопитающие — главный природный резервуар вирусов. Так что для меня вопрос определения понятия «вида» для вирусов неразрывно связан с их параллельным, взаимообусловленным развитием с носителями вируса. Думаю, у вирусов своя генеалогия, отражающая их историю и эволюционную траекторию. Анализируя эту эволюцию, изучая ветвления генеалогического древа, можно определять группы вирусов, принадлежащие к одной эволюционной ветви. И если посмотреть на хантавирусы, эволюционный анализ показывает весьма сильную корреляцию между генеалогическими древами млекопитающего-носителя и его вируса.

Признаюсь, я не очень понял моего собеседника, поскольку привык думать о вирусах совершенно иначе — что было, как теперь понимаю (а тогда уже я начинал подозревать), неправильно и с медицинской, и с эволюционной точки зрения.

— Когда вы говорите об изучении вирусов, то имеете в виду изучение его генома? — спросил я.

Здесь мне следует объяснить для читателей, не имеющих биологического образования: геном — это совокупность всех генов живого существа. У всех живых существ, за исключением вирусов, геном закодирован последовательностью ДНК, геном же вирусов — хантавирусов, например — может кодироваться и молекулами РНК.

— Да, изучение генома, — подтвердил Йетс, — а также любых других его свойств, позволяющих пролить свет на его эволюцию. Вирус — до крайности простой организм. Например, для хантавирусов достаточно проанализировать последовательности аминокислот в РНК, чтобы понять, где место этого вируса на генеалогическом древе. А такой анализ, к счастью, можно проделать с высокой точностью.

— Вы, наверное, изучаете вирус начиная с того времени, как он был обнаружен? Или у вас есть способ узнать, каким вирус был в прошлом?

— Это вопрос непростой. Мы используем методологию, называемую «кладистикой». В общих чертах это филогенетический анализ (анализ генеалогического древа) различных линий вирусов.

— А вирусы эти вы наблюдаете в различных видах животных?

— Не совсем. Я имею в виду анализ изменений, произошедших за огромные промежутки времени. Мы преуспели в извлечении образцов ДНК из наших замороженных образцов и неплохо справляемся с извлечением ДНК из окаменелостей. Исследователи сумели извлечь ДНК из окаменелых растений миоцена — то бишь из растений древностью в тридцать миллионов лет. Для проведения филогенетического анализа нужно взять последовательность ДНК из хантавируса, носимого оленьей мышью из «четырехугольных» штатов, и сравнить с аналогичными последовательностями других видов вирусов, встречающихся на параллельных генеалогических ветвях вирусов и грызунов-носителей. В результате можно заглянуть в прошлое нашего вируса, проследить его эволюцию, сравнить с другими эволюционными линиями, ответвившимися ранее от интересующей нас линии.

Постепенно я начинал понимать, о чем именно говорит Йетс — и какие выводы можно сделать из его утверждений.

— То есть вы считаете связь между вирусом и его носителем чрезвычайно важной и существенной?

— Именно. К примеру, можно взять вирусы плацентарных млекопитающих и сравнить их последовательности с последовательностями вирусов сумчатых млекопитающих и яйцекладущих — они ведь архаичнее плацентарных.

— Как я понимаю, эти вирусы сходны, но это все же разные вирусы, и, поскольку где-то в прошлом животные имели общего предка, вы полагаете, что и вирусы имели общего предка?

— Конечно!

И вот здесь мне пришла в голову удивительная идея. Полагаясь на свои познания в биологии, и эволюционной биологии в особенности, я привык думать, что вирусологи рассматривают эволюцию вирусов, в общем-то, так же, как и я. А именно: вирусы эволюционируют неизмеримо быстрее млекопитающих и, значит, вирус в мгновение ока — если сопоставить со временем эволюции млекопитающих — приспосабливается к новому хозяину. И тем не менее я задал вопрос:

— А что, если вирус и его носитель-млекопитающее влияют на эволюцию друг друга? Что, если одно эволюционное древо тесно переплетается с другим на всем протяжении — огромном протяжении — эволюционного процесса?

Я провел куда больше времени, чем предполагал, в гостях у профессора Йетса. Я получил возможность изучить его работы, тщательно обдумать его идеи. Йетс не смог дать определенный ответ на мой вопрос, но заметил, что и в самом деле вирусы и их носители следуют очень близкими коэволюционными траекториями.

Высказанные им идеи заставили меня всмотреться пристальнее в специфику взаимоотношений вирусов и их носителей. Я беседовал со многими биологами, и в особенности с вирусологами, я пересмотрел множество источников. И насколько я мог видеть, никому не приходила в голову идея о взаимном влиянии вируса и его носителя на эволюции друг друга. Я понимал: если эта догадка найдет подтверждение на практике, если станет доказанным фактом — то это откроет совершенно новые горизонты. Моя случайная находка была как раз тем, на что каждый ученый надеется натолкнуться, проводя исследования, тем, что заставляет напряженно задуматься и даже поставить под сомнение истины, вынесенные со студенческой скамьи.

Давайте же зададимся вопросом: что такое вирус?

Биологи дадут вам очень разные ответы. Некоторые попросту процитируют выдающегося иммунолога и писателя сэра Питера Медавара, лауреата Нобелевской премии за работы по изучению пересадки тканей, — он шутливо назвал вирус скверной новостью, прикрытой белками. Но это определение, хотя и остроумное, весьма мало добавляет к пониманию природы вируса. Молекулярные биологи и генетики предпочтут рассматривать вирус скорее с химической точки зрения, а эволюционисты и до недавнего времени симбиологи склонны рассматривать вирусы просто как средства «горизонтального переноса генов» между разными видами. Мы уже видели поразительный пример слизня Elysia chlorotica, чей странный ретровирус делает возможным «горизонтальный» перенос генов из царства растений в царство животных, от водоросли к слизню. Любопытный взгляд на вирус сформулировал Эккарт Уиммер, профессор факультета молекулярной генетики и микробиологии университета Стони-Брук, Нью-Йорк, ставший знаменитым благодаря реконструкции в 2002 году вируса полиомиелита буквально из подручных лабораторных материалов[4]. Эксперимент этот вызвал большой интерес, хотя и не совсем здоровый. Уиммер с соавторами не просто воспроизвели вирус — они, основываясь на своем результате, сделали ряд заявлений весьма глубокого философского характера. Они утверждали: если известны формулы, описывающие геном вируса, вирус можно воспроизвести. Они даже привели эмпирическую формулу вируса полиомиелита:

C332, 652H492, 388N98, 245О131, 196P7, 501S2, 340

Странно думать, что живой организм, пусть и чрезвычайно маленький, можно свести всего лишь к перечню атомов. Тут уместно вспомнить известного французского натуралиста Жана Анри Фабра, названного «поэтом энтомологии», человека доброго, очень уважавшего Дарвина как личность и как ученого, но не принимавшего дарвиновские взгляды. В восьмой главе своего труда «Осы-охотники: продолжение» Фабр описал «скверный и, по-видимому, напрасный» эксперимент по скармливанию осам, питающимся гусеницами, «пригоршни пауков». Здесь нет нужды описывать эксперимент в деталях, достаточно привести заключение Фабра, приведшее к отрицанию им эволюции. Цитирую: «Конечно, это великое предприятие, вполне соответствующее непомерным человеческим амбициям, — пытаться втиснуть мир в тесный шаблон формул. Но… короче говоря, я скорее поверю, что эволюционная теория не способна объяснить пищевые предпочтения ос».

Да, при некоторых обстоятельствах вирусы ведут себя просто как инертные мертвые вещества. Я и сам когда-то провел эксперименты, это весьма наглядно продемонстрировавшие. В бытность студентом Шеффилдского университета я заинтересовался тем, как именно иммунная система млекопитающих реагирует на вирусную атаку. Проникновение столь чуждых организмов в нашу кровеносную систему — в прямом смысле самое сердце нашего бытия, — несомненно, чрезвычайная угроза для организма (по крайней мере, так я думал). С помощью наставника, профессора микробиологии Майка Макэнтегарта, я поставил эксперимент по впрыскиванию вирусов в кровеносную систему кроликов. Кое-кто из читателей, возможно, обеспокоится судьбой бедных ушастых грызунов, но тревожиться не стоит, я впрыснул им бактериофаг — питающийся лишь бактериями вирус, известный как πХ174. Кролики не заболели — но их иммунная система среагировала точно так же, как среагировала бы и на болезнетворный вирус. В организме стали образовываться антитела, концентрация их нарастала двумя последовательными волнами, достигнув максимума через двадцать один день, — тогда одна капля их лимфы за мгновение бы убила миллионы вирусов.

В эксперименте я намеренно не старался воспроизвести обычное поведение вирусов. Введение вируса в совершенно чуждый ему организм, в принципе, немногим отличается от высадки неподготовленных и незащищенных людей, например, на Марс. В чуждой окружающей среде вирус не мог ни размножиться, ни выжить, заложенные в него возможности реагировать на внешние стимулы оказались недостаточными — и вирус умер. Но если бы я ввел вирусы оспы, гриппа или ВИЧ-1 в людей — результат бы оказался совсем другим. Вирус бы отреагировал на естественного носителя, и началось бы интенсивное и весьма неприятное взаимодействие человека с вирусом.

Суть приведенных выше суждений в том, что бесполезно и бессмысленно рассматривать вирусы вне среды их естественного обитания. Если вирус вне носителя, то к нему вполне можно применить определение профессора Уимммера. Вне носителя вирус — инертная комбинация генов и белков. Лишь в обстановке, естественной для жизненного цикла вирусов, лишь в процессе взаимодействия с естественным носителем можно увидеть и понять истинную природу вирусов.

Именно потому я, как и Терри Йетс, считаю: вирусы в их естественной среде обитания должны считаться живыми существами. В этом смысле сведение сути вируса к простой композиции химических элементов есть сведение к абсурду, к бессмыслице. Таким же образом можно представить совокупностью химикатов и человека, разве что список этих химикатов будет куда длиннее, чем у вируса. Рассматривающие вирус просто как химическое соединение упускают из виду то, что вирусы явились результатом длительного и чрезвычайно сложного процесса эволюции — равно как и люди. И я полагаю, что, хотя профессор Уиммер защищает взгляд на вирусы как на инертный набор химикатов, на самом деле он так не считает. Когда вирус внедряется в подходящую клетку, то и для профессора Уиммера он живое существо.

Как все прочие формы жизни, вирусы рождаются и умирают. Когда мы пытаемся лечить вызванные вирусами болезни, мы используем убивающие вирусы препараты — так же, как, борясь с вызванным бактериями заболеванием, мы используем антибиотики. И что самое главное, законы эволюции применимы к вирусам так же, как и к другим формам жизни, — именно потому так тяжело лечить зараженных вирусами людей. Если бы вирусы были всего лишь инертными наборами химикатов, едва ли возникла бы пандемия СПИДа. Человеческая иммунная система вышвырнула бы ВИЧ-1 из организма безо всяких проблем.

Несомненно, нам стоит постараться, чтобы узнать и понять вирусы как можно полнее и глубже. Всем нам известно, как важно подобное знание и понимание для лечения вирусных заболеваний. Не менее оно важно и для ветеринарии, и в агрономии — ведь вирусы поражают и растения. Но есть и причина не столь очевидная — но не менее, а, пожалуй, и более важная. Мои исследования, равно как и работы таких вирусологов, как Луис Вильярреал и Мэрилин Руссинк, отчетливо и убедительно продемонстрировали: вирусы сыграли ключевую роль в эволюции жизни на Земле, начиная с первых немногих живых существ до поразительного разнообразия, наблюдаемого теперь. Ни для какого существа вклад вирусов в эволюцию не был настолько существенным, как для человека. И что самое поразительное — ключевую роль в процессе возникновения человека сыграл вирус, чрезвычайно похожий на ВИЧ-1.

Я понимаю: мои утверждения кажутся невероятными, и пугающими к тому же. Когда я впервые обнародовал столь новые идеи, они вызвали большей частью либо замешательство, либо агрессивное отторжение. Подобная реакция не была для меня неожиданностью, поскольку в результате сильно покосилась господствовавшая тогда «теория синтеза», трио принципов, на которых более семидесяти лет незыблемо покоилось теоретическое обоснование современного дарвинизма.

2. Кризис современного дарвинизма

Эта книга пытается донести до читателя… сколь тяжело сделать определенный вывод, сколь трудно распознать новое и важное человеку, оказавшемуся в черной пещере не-знания, ощупывающему каменные стены, пытающемуся определить наклон пола, слушающему эхо собственных шагов, отметающему ложные догадки и наипростейшие версии, назойливые и повсеместные, как паутина.

Хорас Фриленд Джадсон о книге «Двойная спираль» [5]

Важнейшее — и вреднейшее — недоразумение в понимании дарвинизма у людей, не занимающихся наукой, это считать, будто в основе дарвиновской теории эволюции лежит принцип «выживания наиболее приспособленных». Именно против него и направлено большей частью острие гнева людей религиозных, именно в нем коренятся возможности весьма неприятных социальных последствий — например, оправдание способности не замечать, как люди прозябают в нищете и умирают от голода, либо оправдание притеснений по расовому либо религиозному признаку. Потому важно подчеркнуть: Дарвин отнюдь не писал и не говорил про «выживание наиболее приспособленных». Тезис этот измыслил английский социальный философ Герберт Спенсер, сформулировавший его впервые в книге «Принципы биологии», опубликованной в 1864 году[6]. Спенсер разрабатывал свою теорию еще до прочтения дарвиновской книги «О происхождении видов», вышедшей за пять лет до книги Спенсера. Социальный философ не был сведущ в биологии, и хотя спенсеровский тезис многие рассматривают как синоним либо как наиболее популярное и ясное выражение сути дарвиновского «естественного отбора» — на самом-то деле Спенсер попросту не понял научно обоснованную и строгую теорию Дарвина, но употребил как средство усилить свою точку зрения на социальную философию. Историки науки и философы, изучавшие доктрину Спенсера, пришли к заключению: он понимал эволюцию как целенаправленное развитие физического мира, включающего все биологические организмы, а также человеческие разум, культуру и общество. К сожалению, именно спенсеровская концепция «выживания наиболее приспособленных» привела к появлению столь неудачно названого «социального дарвинизма» в конце девятнадцатого столетия со всеми его неприятными выводами и последствиями.

Спенсеровские идеи не имели и не имеют под собой научного основания, но они пришлись ко двору, прозвучали в тон господствовавшим в то время расовым, этническим и классовым предрассудкам и остались популярными до середины двадцатого столетия, оказав сильное влияние на политику и общество. Воистину трагично то, что спенсеровские идеи по сей день не умерли, многие из далеких от науки людей в них верят и сейчас частенько выражение «выживание наиболее приспособленных» употребляется, чтобы объяснить либо извинить ущемление чьих-то прав и достоинства. Спенсеровские идеи были так популярны, что самому Дарвину пришлось выдержать изрядный натиск со стороны Спенсера и его сторонников, ратовавших за свой взгляд на эволюцию. Надо сказать, Дарвин на некоторое время поддался и принял идеи Спенсера, но затем решительно их отбросил и вернулся к изначальной концепции.

Вопрос: почему я поднимаю столько шума по поводу, казалось бы, почти неощутимых различий, ведь концепция «приспособленности» и до сих пор центральная в дарвиновской теории? Да, конечно, приспособление — основа основ эволюционной биологии, но дарвиновское ее определение фундаментально отличается от безапелляционного суждения Спенсера. Потому я считаю нужным особо выделить, что именно подразумевал Дарвин под эволюцией вследствие естественного отбора и чем отличается дарвиновское «приспособление» от спенсеровского «выживания наиболее приспособленных».

Поклонники сериала «Голубая планета» Ричарда Аттенборо, наверное, помнят фильм про омаров — описание того, как самка атлантического омара, существа, могущего достигать двадцати килограммов веса, собирается выметать икру. Самка уже получила семя самца — совокупление произошло, скорее всего, как только она перелиняла — и с тех пор самка семь месяцев пряталась в холодной глубине, вдали от хищников и зимних штормов, и терпеливо выжидала подходящего для метания икры момента. Но вот решение принято, и самка начинает долгий, в месяц длиною путь наверх, к теплым водам песчаных отмелей, а по прибытии ей придется яростно сражаться с другими самками омара за подходящее укромное местечко. Но вот наконец, через восемь с лишним месяцев после первого оплодотворения, она откладывает в песок более двадцати тысяч икринок, вываливает их из прилепленных к брюшку гроздьев, похожих на виноградные, в яму. И через считанные минуты из икринок вылупляются крошечные личинки омаров — плавать в теплом защищенном месте, отвоеванном мамиными усилиями. Другие морские беспозвоночные, такие, как морские ежи, и некоторые рыбы, мечут миллионы икринок. Подобное поведение, сам факт производства миллионов возможных потомков тесно связан с «приспособленностью» в том смысле, в каком о ней говорят биологи.

«Приспособленность» с дарвиновской точки зрения — это мера успешности индивидуума в размножении, в способности оставить свои гены в генетическом богатстве популяции, ее генетическом пуле. Дарвиновское «приспособление» — концепция очень простая, вовсе лишенная морализаторского оттенка и уж тем более претензий на суждение о ценности индивида. Имеется в виду лишь размножение, и ничего более. Но, как мы видим на примере омара, размножение — отнюдь не просто откладывание яиц или, как в случае с людьми, вынашивание плода в утробе. Индивиду нужно сперва выжить в сложной и небезопасной обстановке, затем вступить в состязание с индивидами своего же вида за возможность размножиться, а далее приложить все силы — пусть даже и весьма небольшие, как у омара, — чтобы обеспечить выживание наибольшего числа потомков. На самом деле эволюционные биологи и характеризуют приспособленность индивида именно тем, насколько он много, в пропорции к остальным индивидам, оставил своих генов в генетическом пуле данного поколения.

Люди не производят миллионы яиц в ранней стадии эмбрионального развития, но рождают вполне сформировавшихся младенцев, а их требуется очень долгое время носить в чреве. Именно с этой целью эволюция сделала матку женщины камерой, формою схожей с перевернутой грушей, оптимально приспособленной для вынашивания единственного плода. Наибольшее зарегистрированное число младенцев, выношенных в течение одной беременности и выживших, родила в январе 2009 года жительница Соединенных Штатов. Они были зачаты при помощи искусственного оплодотворения и едва ли выжили бы без помощи новейших технологий современной медицины. Ведь гинекологи считают наличие более чем одного плода фактором риска — опасностью и для матери, и для потомства.

Для людей «приспособляемость» — явление куда более сложное, чем у омаров, но в сущности своей оно такое же неспенсерианское, как и приспособляемость у омаров, и определяется также способностью распространять свои гены.

Современная концепция дарвиновской селекции проста до жестокости, выражается вероятностями и легко поддается математическому анализу. Когда индивид любого вида получает некое, пусть малое, выживательное преимущество над прочими индивидами, он с большей вероятностью проживет дольше и оставит потомство, и, если это преимущество передается по наследству, потомки этого индивида также будут опережать по выживаемости прочих индивидов своего поколения — и, таким образом, со временем преимущество закрепится в данном виде. То есть совершится эволюционное изменение. Наследуемое выживательное преимущество дает индивиду и его потомкам шанс внести больший вклад в генетический пул вида, чем средний его представитель. В этом простом факте и есть суть концепции «приспосабливаемости». С дарвиновской точки зрения, мера приспособленности есть мера предпочтения естественным отбором. Со временем, в особенности если изменения произошли в группе особей, изолированной географически либо по иным причинам от остальной части вида, накопление наследуемых изменений — или даже одно значительное изменение — настолько преобразит индивидов данной группы, что они не смогут более рождать потомство с индивидами своего прежнего вида. Это — образцово дарвиновское объяснение ветвления генеалогического древа, того, как возникают новые виды от общих предков.

Образование нового вида из старого носит название «специация». Спенсер, находившийся под влиянием французского биолога-эволюциониста Ламарка, полагал: эволюция движет все живое, а в особенности человека к высшей, утопической цели. Но дарвиновская теория эволюции не предполагала подобных целей. Напротив, естественный отбор посредством простейшего физического выживания и относительного репродуктивного успеха не имеет никакого отношения к морали и отнюдь не обязан вести к философскому либо религиозному идеалу индивида либо общества.

Предложенная Дарвином концепция естественного отбора логична и может найти экспериментальное подтверждение. Несмотря на существенное противодействие со стороны религии и альтернативных теорий эволюции, уже при жизни Дарвина его концепцию поддержало большинство ученых, она снискала симпатии широкого круга образованных людей. Однако у нее наличествовала и слабость, о которой Дарвин был хорошо осведомлен. Чтобы эволюция работала, необходим источник наследуемых изменений, которые дадут индивиду и его потомкам преимущество в выживании — а значит, и в относительной приспособляемости. Сегодня мы знаем: изменения зиждутся на изменении генома, но в эпоху Дарвина механизмов наследования не понимали. Сама идея генетики еще не родилась, и гениальное прозрение о ДНК явилось на свет почти через столетие после выхода книги «О происхождении видов». В рамках науки его времени дарвиновская работа была, без всякого преувеличения, революционной, кардинально меняющей взгляды на мир. Едва ли можно винить Дарвина за отступление к отброшенной ныне теории о смешении родительских «свойств» в потомстве (как будто бы такой сугубо генеалогический подход способен обеспечить обширные генетические и геномные изменения, приведшие к нынешнему разнообразию жизни). Процесс возникновения новых свойств долгое время был слабым местом дарвинизма.

Потому едва ли удивительно, что в 1894 году в Оксфорде президент Британской ассоциации прогресса науки маркиз Солсбери подверг сомнению концепцию естественного отбора. Слушать его речь довелось почтенному Томасу Генри Гексли, прозванному недоброжелателями «бульдогом Дарвина», но при этом бывшему одним из величайших — и самых трезвомыслящих — биологов своего времени. Но тогда защищать естественный отбор ему было очень непросто. Прежние критики, нападавшие на дарвиновскую теорию с позиций религии, были стеснены ее узкими рамками. Но маркиз Солсбери был высокообразованным человеком, ученым, бывшим премьер-министром, и критика его была логичной и последовательной. Солсбери не подвергал сомнению реальность эволюции и превозносил Дарвина за вклад в просвещение общества, но подверг критике концепцию естественного отбора. Ибо ни один ученый не подтвердил в лаборатории либо путем наблюдений за дикой природой тот факт, что естественный отбор способен породить новый биологический вид из прежнего. Более того, дарвиновская теория подразумевала очень медленную, постепенную эволюцию видового разнообразия, для чего история Земли должна была насчитывать порядка миллиарда лет. А лорд Кельвин, очень многими почитаемый первейшим физиком Земли, высчитал, что Земля не может быть старше миллиона лет, и таким образом на дарвиновскую эволюцию отводилось слишком мало времени.

Хотя Гексли защищал дарвиновскую теорию изо всех сил, ему не хватило доказательств, и, само собою, Гексли оказался бессилен против лорда Кельвина. И это было нижайшей точкой в истории дарвинизма, падением столь низким, что внук Гексли, Джулиан, для описания того времени употребил слова «затмение дарвинизма». Джулиан Гексли подробно описал сложности, вставшие перед теорией Дарвина в конце девятнадцатого и начале двадцатого столетия. В двадцатом же столетии положение осложнилось еще и растущим разрывом дарвинизма со многими биологическими дисциплинами. Во множестве научных публикаций авторы просто принимали как данность эволюционную адаптацию и влияние естественного отбора, притом, цитируя Гексли-внука, «не обращая особого внимания на современные данные цитологии, теории наследственности и результаты экспериментов». Новое поколение сторонников естественного отбора игнорировало зарождающуюся генетику, чьим пионером был баварский монах Грегор Мендель, и не обратило внимания на открытие мутаций голландским ботаником Хугом де Фриз. Эволюционная биология развалилась на три фракции: упорно верующих в естественный отбор, менделианцев (мы б их сейчас назвали генетиками) и мутационистов, вдохновленных Хуго де Фризом. Разногласия тянулись несколько десятилетий.

В начальных главах своей книги «Эволюция: современный синтез» Джулиан Гексли точно определил суть проблемы: «По-настоящему тяжелой и основательной критике подверглась теория естественного отбора как эволюционного принципа, и сосредоточилась эта критика на проблеме наследования изменений».

Сегодня мы знаем: лорд Кельвин ошибался. Земля куда старше, чем представлял Дарвин, — ей четыре миллиарда шестьсот миллионов лет. Жизнь зародилась на ней в самом начале ее истории, и для развития нынешнего биологического разнообразия времени было достаточно. Более того, уже в самом названии своей книги Гексли указал, как именно разрешились разногласия между тремя школами эволюционистов. Можно усмотреть иронию в том, что проблема ликвидирована посредством слияния всех трех конкурирующих точек зрения (хотя подобный исход и можно было предугадать). В новой концепции объединились и естественный отбор, и растущее понимание менделевской генетики, и потенциал мутации — ведь передача по наследству неизбежна, если мутации подвергаются клетки сперматозоидов либо яйцеклетки. Воссоединение трех теорий породило синтетическую теорию современного дарвинизма. Но тем самым, как особо подчеркнул Гексли, дарвинизм приобрел вид, существенно отличающийся от оригинального замысла Дарвина.

Дарвин, основываясь на идеях своего кумира, геолога Чарлза Лайелла, предполагал медленное, постепенное изменение. Эволюция виделась ему восходящим, гладким, непрерывным процессом «трансмутации» живых существ посредством смешения признаков обоих родителей и естественного отбора. Однако новая эволюционная биология приняла, что генетические изменения происходят путем случайных одномоментных событий, воспроизведения ошибок, возникших при делении половых клеток, таких, как спермин и яйцеклетки. Новая эволюционная биология приняла и менделевскую теорию генов, полагая, в отличие от воззрений девятнадцатого столетия, что наследуется не смесь родительских признаков, что существуют дискретные единицы наследственности, блоки кодированного знания, и в потомстве они соединяются взаимодополняющим парным образом как часть процесса полового размножения.

Дарвиновская идея была великим прозрением, породившим эволюционную биологию как науку, а новая объединенная теория, известная как «современный дарвинизм» либо «неодарвинизм», стала краеугольным камнем в развитии и основании эволюционной концепции. Она сделалась самым сердцем нынешней биологии, став необходимой всем ее разделам. После фундаментального открытия химической структуры и роли ДНК, сделанного в 1953 году Уотсоном и Криком, и последовавшей затем революции в молекулярной биологии и генетике развитие современного дарвинизма получило новый мощный импульс. Но, нисколько не отрицая огромной важности такого прогресса эволюционной теории, я позволю себе подчеркнуть аспект ее, весьма редко привлекающий внимание. А именно: ведь лишь один из компонентов современного дарвинизма — сугубо теоретический. Два других, мутации и менделеевская генетика, обосновываются и доказываются со всей строгостью нынешней генетики. Почему же, защищая современный дарвинизм от креационистов, эволюционные биологи не спешат вытаскивать свои козырные карты из рукава?

Отчасти это обусловлено тем, что мутации традиционно считались и описывались дарвинистами как чисто случайные и потому «не-творческие» изменения, а естественный отбор, обычно называемый просто «отбор», превозносился как единственная созидательная сила. Подобные воззрения, хотя и вполне допустимые три поколения назад, к сожалению, до сих пор представляются в качестве объяснения эволюции в большинстве школ, колледжей и университетов — вопреки множеству имеющихся фактов, говорящих о том, что процесс эволюции куда сложнее и гораздо интереснее, чем можно заключить, полагаясь лишь на донельзя упрощенную и наивную теорию «естественного отбора». Пока я не стану заострять внимание на том, в силу каких обстоятельств (весьма, надо сказать, запутанных и временами невразумительных) возникло такое положение дел. Я сосредоточусь на важности теории мутаций и менделеевской генетики для медицины, где, как мы вскоре увидим, эти теории играют важнейшую роль в понимании генетической обусловленности многих болезней.

Цистический фиброз — одна из наиболее распространенных генетически обусловленных болезней. Им страдает в среднем один ребенок из двух с половиной тысяч, родившихся в Великобритании, и один из четырех тысяч, родившихся в США. Частотность его в Канаде и Австралии имеет сходные значения. Цистический фиброз реже встречается среди азиатского и африканского населения. Среди европеоидных детей в США частотность его такая же, как и в Великобритании, — а среди американцев азиатского происхождения цистический фиброз встречается лишь у одного из тридцати тысяч новорожденных. Но болезнь в той либо иной степени распространена по всему земному шару и с одинаковой вероятностью поражает как мальчиков, так и девочек. В 1989 году интернациональный коллектив ученых открыл генетическую природу этого заболевания: мутацию единственного гена, известного как «трансмембранный регуляторный ген цистического фиброза», или CFTR, локализованного в седьмой хромосоме. Он кодирует перенос воды и соли через клеточные стенки в различных телесных железах, выделяющих слизь. При болезни тяжелее всего поражаются легкие, поджелудочная железа, печень, кишки, пазухи и половые органы. В отсутствие болезни выделяемая этими органами слизь жидка и не вязка, но у людей, пораженных цистическим фиброзом, она густая и липкая, накапливается в органах и закупоривает протоки. Например, в легких накапливающаяся слизь может изолировать часть легкого, и в этой части может развиться бактериальная инфекция. То бишь страдающие цистическим фиброзом подвержены респираторным заболеваниям, включая пневмонию, что весьма опасно для здоровья и жизни. Накопление слизи чрезвычайно вредит и поджелудочной железе — органу, принципиально важному для пищеварения. Это же генетическое нарушение приводит к чрезмерному выделению соли с потом — и на этом факте основан метод диагностики заболевания, известный как «потовая проба». Цистический фиброз проявляется в разной степени — от тяжелой, проявляющейся уже вскоре после рождения, до легкой, диагностируемой в позднем подростковом возрасте или даже у взрослых.

Хотя в данное время цистический фиброз не поддается лечению, жертвам его можно помочь. Например, существуют физиотерапевтические процедуры, очищающие легкие, и заместительные терапии, позволяющие возместить недостаток пищеварительных ферментов. Цистический фиброз — одна из первостепенных целей современных медицинских исследований, направленных на излечение болезни путем исправления вызвавшего ее генетического дефекта. Но чтобы понять смысл такой процедуры, следует пояснить, что же такое гены и как их отклонение от нормальности связано с проявлениями многих известных заболеваний. К счастью, основы генетики столь просты и логичны, что понять их способен практически каждый.

Представим ген как очень длинное слово, написанное на языке, носящем название «ДНК». В алфавите этого языка всего лишь четыре буквы — это химикаты, известные как «нуклеотиды», содержащие нуклеиновые кислоты гуанин, аденин, цитозин и тимин, как правило обозначаемые латинскими буквами G, А, С, Т. Алфавит всего лишь из четырех букв может показаться слишком маленьким, но, если представить себе, сколько возможных комбинаций этих букв возможно в слове длиною от нескольких сотен до десятков тысяч символов, ясно, что даже и такого алфавита хватает для сколь угодно сложных и разнообразных записей. Двадцать тысяч человеческих генов собраны в сорок шесть хромосом. То есть, используя нашу аналогию со словами, можно представить геном ядра наших клеток книгой с сорока шестью главами, по хромосоме на главу.

При формировании сперматозоидов и яйцеклеток в яичках и яичниках ген CFTR копируется, и, когда происходит оплодотворение и зачатие, зародыш получает по копии этого гена от каждого из родителей.

В процессе копирования могут произойти ошибки, ген CFTR может записаться неправильно — именно такой процесс и понимается как «мутация». Но если подумать, единичная мутация вовсе не обязана оказывать влияние на ребенка — ведь он получает две копии гена CFTR. Если одна копия испорчена, но вторая — цела, то второй, нормальной, копии может оказаться достаточно для того, чтобы болезнь не развилась.

И вот здесь нам необходимо обратиться ко второй составляющей современного дарвинизма — менделевской генетике. Современники Менделя считали: наследование есть процесс смешения родительских признаков, и это было принято Дарвином за основу концепции наследственности в его теории эволюции. Мендель, аббат монастыря августинцев чешского города Брно, был сыном фермера и изучал эффекты перекрестного скрещивания различных разновидностей бобовых, которые выращивал в монастырском саду. Когда он, например, брал пыльцу желтых бобов и использовал ее для опыления зеленых бобов, то результатом были не желто-зеленые бобы, как можно было бы ожидать согласно теории «смешения признаков». Бобы-гибриды были все желтыми. Когда этот новый гибрид был подвергнут перекрестному скрещиванию, результат оказался еще более удивительным: смесь желтых и зеленых бобов — как у родителей. Но желтых и зеленых было не поровну — желтых бобов оказалось втрое больше, чем зеленых. Анализируя результаты, Мендель заключил: наследование цвета бобов не может происходить от смешения признаков, оно обусловлено некими дискретными носителями цвета, передаваемыми от обоих родителей, — носителями наследственной информации, которые мы теперь называем «генами». Но этим открытие Менделя не исчерпывалось.

Грегор Мендель открыл еще и то, что, когда потомок наследовал разные разновидности одного и того же гена, одна разновидность временами полностью подавляла другую. Потому при смешении генов потомство, хотя и имело один ген для желтого цвета, а другой для зеленого, все оказалось желтым. При дальнейшем перекрестном скрещивании в среднем у четверти потомков оказалось по два желтых гена, у половины — по желтому и зеленому и еще у четверти — два зеленых. Это не только объясняет результат Менделя, но прямо указывает на природу возникновения цистического фиброза.

Медицинские исследования подтвердили: когда ребенок получает одну дефектную копию гена CFTR и одну нормальную, нормальная версия гена доминирует над дефектной. С точки зрения генетической функциональности дефектная версия остается бездействующей. А это значит, что болезнь разовьется лишь в том случае, когда ребенок получит дефектные гены от обоих родителей. В медицинской генетике это явление известно как «рецессивный тип наследования болезни».

Хотя приведенное здесь объяснение наследственной природы заболевания весьма упрощено, тем не менее оно отчетливо указывает на возможность лечения цистического фиброза путем генной терапии. Болезнь развивается от неправильной работы гена CFTR. Значит, для излечения больному нужно каким-то образом ввести правильную версию CFTR.

Не сомневаюсь: со временем станет возможно излечить самую причину цистического фиброза, вводя правильную версию гена CFTR в хромосомы пациентов, хотя на пути к этому еще много проблем, как технического, так и этического свойства. Пока ученые ограничили свои усилия исключительно стволовыми клетками легких, и на сегодняшний день их успехи весьма скромны.

Когда мутация изменяет ген в половой хромосоме, а не у аутосомной (неполовой), механизм возникновения болезни усложняется. Например, гемофилия, провоцирующая чрезмерное кровотечение через недостаточную свертываемость крови (из-за недостатка коагуляционного фактора VIII), возникает из-за рецессивной мутации в Х-хромосоме. Мужчины имеют лишь одну копию Х-хромосомы, унаследованную от матери, и потому болеют. Женщины же, имеющие две Х-хромосомы — по одной от каждого из родителей, — редко страдают от гемофилии. Для проявления болезни им нужно получить два дефектных гена. То бишь гемофилия — не только заболевание, специфически сцепленное с полом, но и, по Менделю, рецессивный признак. Но мутации генов Х-хромосомы могут быть и доминантными, как, например, мутации, приводящие к появлению рахита, устойчивого к витамину D, — и мутировавшая Х-хромосома вызывает заболевание как у мужчин, так и у женщин.

В результате мутаций может измениться и число хромосом, как при болезни Дауна, когда человек имеет лишнюю копию двадцать первой хромосомы. У хромосом могут быть фрагментированные, дублированные, отсутствующие либо иным образом поврежденные участки, что также приводит к болезням. Хотя генная их терапия еще на зачаточной стадии, существуют хорошо разработанные методы их предотвращения, ранней диагностики и определения степени риска, так что семьи, где риск проявления подобных болезней повышен, могут быть предупреждены об этом заранее.

Многие генетически обусловленные заболевания могут быть предотвращены, и бывают предотвращены, путем разъяснения того, что именно приводит к их появлению. Врачи объясняют людям риск позднего материнства, необходимость избегать радиационного облучения половых клеток и зародыша, предостерегают от использования наркотиков и небезопасных лекарственных препаратов наподобие талидомида. Для семей с высоким риском заболеваний предлагается искусственное оплодотворение с последующим генетическим контролем образовавшегося зародыша на самых начальных стадиях его развития. Эта техника, известная как «предымплантационная генетическая диагностика», позволяет обнаружить предпосылки к большому числу генетически обусловленных заболеваний, включая заболевания, сцепленные с полом, заболевания, обусловленные дефектами единичных генов и хромосомными дефектами. Распознаются генетические предпосылки к возникновению таких сцепленных с полом болезней, как гемофилия, сидром хрупкой Х-хромосомы, многочисленных нервно-мышечных расстройств (более девяти сотен их разновидностей) и сотен других болезней. Можно обнаружить и предпосылки к возникновению таких обусловленных дефектами единичных генов болезней, как цистический фиброз, болезнь Тея-Сакса, серповидноклеточная анемия и болезнь Хантингтона.

В общем и целом предимплантационной диагностике поддаются прежде всего уже известные генетически обусловленные болезни, поскольку приводящие к ним дефекты генов известны. Конечно, некоторым людям подобные манипуляции с эмбрионом могут показаться неприемлемыми с этической точки зрения, но по мнению правительств и организаций, следящих за медицинской этикой, выгоды генетической диагностики перевешивают этические сомнения. Важно также понять, что предимплантационная генетическая диагностика, позволяющая отобрать здоровые эмбрионы, не только резко снижает риск проявления болезни у потомства, но также и обеспечивает здоровье будущих поколений.

За последнее десятилетие был достигнут и весьма существенный прогресс в понимании роли мутаций при возникновении раковых заболеваний.

Но перед тем, как приступить к этой интересной и весьма злободневной теме, стоит потратить пару минут на выяснение природы и сути предмета нашего разговора. Итак, что же такое рак? Отчего он происходит? И почему так нас пугает?

Рак относится к болезням, при которых клетки начинают бесконтрольно размножаться и вторгаться в различные ткани тела. Иными словами, клетки, запрограммированные природой существовать в гармонии со всеми другими клетками, тканями и органами тела, вдруг бунтуют и начинают вести себя независимо от остальных. Как ни странно, результатом этого бунта является бессмертие взбунтовавшихся — культура раковых клеток, в принципе, бессмертна — способна размножаться сколько угодно раз. Подобное бесконтрольное размножение чрезвычайно опасно для тканей, органов и всего организма индивидуума, заболевшего раком. Размножающиеся «бунтовщики» приникают в кровь, попадают в ткани и органы, нарушая их упорядоченную работу, и могут привести к смерти.

Различают более сотни разновидностей рака, классифицируемых либо по органам, где он возникает (например, грудь или толстая кишка), либо по типам клеток, начинающих бесконтрольно делиться. Например, «карциномой» называют рак кожных клеток либо клеток, выстилающих поверхность внутренних органов, «саркомой» — рак клеток внутренних тканей либо костей, «лейкемией» — рак клеток крови, «лимфомой» и «миеломой» — рак клеток иммунной системы. По словам профессора Кароля Сикоры, экс-руководителя Международного агентства по изучению рака при Всемирной организации здравоохранения, «рак столь пугает, поскольку он — наш внутренний враг»[7]. Ужасает он и тем, насколько часто встречается. Раком болеет каждый третий житель развитых стран. В 2008 году только в США было диагностировано 1 437 180 новых случаев рака, в этом же году в Великобритании насчитали более миллиона двухсот тысяч людей, болеющих раком. Увы, ирония положения заключается в том, что по мере улучшения качества здравоохранения и развития новых терапий, поддерживающих жизнь больных раком, количество больных, скорее всего, будет увеличиваться. Сикора ожидал три миллиона больных раком в Великобритании к 2020 году. В самом деле, кажется, ни дня не обходится без сообщений по телевидению, газетах и журналах, на личных страницах в Интернете о болезни раком того или иного известного человека, без рассказа самого заболевшего либо его родных и близких о мучениях и страданиях. Если поискать «рак» в «Гугле», поиск выдает более трехсот миллионов страниц. Даже медицинский термин для рака и его истолкование звучат до крайности удручающе: «злокачественная опухоль», при которой клетки тела «бесконтрольно размножаются», порождая «метастазы» в органах тела, куда эти клетки вторгаются.

Все мы знаем: рак — повсеместно одно из наиболее распространенных заболеваний, ответственное за большое число смертей. Также известно, что частота заболеваний раком возрастает по мере старения. Многие, вероятно, знают, что латинское наименование рака, «cancer», обозначает ракообразное и дано за характерную форму раковых опухолей — они, словно рачьи ноги, расползаются от опухоли, проникая в соседние органы и ткани. Но позвольте мне, как врачу, заверить вас: многие формы рака поддаются терапии, некоторые же можно излечить полностью. Как и с любым пугающим явлением, понимание сути и причины рака довольно-таки сильно уменьшает страх перед ним. Несомненно, разумный, логичный подход к лечению рака и выбор терапии как раз и основываются на правильном понимании причин и сути этой болезни.

Тело наше состоит из разнообразных органов и тканей: мозга, сердца, легких, желез внутренней секреции, простаты и многого другого, а эти органы, в свою очередь, состоят из различных типов клеток. Износившись в процессе жизнедеятельности, эти клетки умирают и должны замещаться новыми клетками, рожденными в результате деления. Первый шаг в понимании рака — это уяснение того факта, что почти все виды рака вызываются нарушениями регуляции размножения клеток генами либо другими регулирующими факторами.

Две группы генов являются в особенности важными для управления размножением клеток. Одна группа известна как «онкогены» («онко» значит «опухоль») и названа так из-за увеличения риска возникновения рака в случае неправильного функционирования этих генов. Вторая группа носит название «гены-супрессоры опухолевого роста». Как и указывает название, при нормальном функционировании они подавляют стремление клеток к бесконтрольному размножению — то есть к образованию раковых опухолей. Потому мутации, неподходящим образом активирующие онкогены либо деактивирующие гены-супрессоры, могут быть непосредственной причиной рака.

Декодирование человеческого генома выявило сопутствующие раку генетические изменения в таких подробностях, что два американских онколога, Фогельштайн и Кинцлер, объявили: «Рак — это генетически обусловленное заболевание»[8]. Эти онкологи выявили мутировавшие гены, ответственные за возникновение различных типов рака, а также результаты действия этих мутаций — изменения в механизме нормального функционировании генов. Например, одна из пяти разновидностей рака молочной железы связана с мутацией генов BRCA1 и BRCA2. Генетики предсказывают: восемьдесят процентов женщин, являющихся носителями этих мутаций, в течение жизни заболеют раком молочной железы — чему может помешать заранее проведенная хирургическая операция. Недавно метод предимплантационной генетической диагностики стал применяться и для тех семей, где у потомства возможен рак молочной железы, и тестирование эмбриона на предмет наличия мутаций генов BRCA1 и BRCA2 становится все более доступным. Уже в нескольких странах родились на свет дети, чьей жизни не угрожает рак молочной железы.

В 2006 году, в рамках комплексного проекта по генному скринингу, в США исследовали более тринадцати тысяч генов, взятых из раковых клеток молочной железы и толстой кишки. Гены раковых клеток сравнили с нормальными и обнаружили: в раковых клетках в среднем ненормально функционируют девяносто генов[9]. Но за развитие рака на ранней стадии ответственно гораздо меньшее число генов: в среднем одиннадцать — и для рака молочной железы, и для рака толстой кишки. Основываясь на этих результатах, Национальный институт здравоохранения США взялся за составление «Атласа ракового генома». Целью этого проекта является декодирование генома раковых клеток всех разновидностей человеческого рака и, путем сравнения этих геномов с геномами нормальных клеток, выявление генетических нарушений, вследствие которых и происходит рак[10]. Уже начались исследования в рамках этого проекта по раку легких, мозга и яичников.

Думаю, вполне логично ожидать, что с ростом нашего знания о мутациях и их природе появятся новые способы предотвращения и терапии рака. Однако, хотя понимание природы мутаций и развитые на этой основе медицинские приложения генетики оказались весьма полезными и действенными, следует подчеркнуть: мутации — не единственный механизм появления передающихся по наследству генетических изменений в эволюционном процессе, а также не единственная причина генетических изменений, обуславливающих возникновение рака и других заболеваний.

3. Генетическая сеть жизни [11]

Склонись робко перед фактом, словно малое дитя, будь готов оставить любое мнение, любой предрассудок, покорно следуй за природой к любой пропасти — иначе ничего не узнаешь и ничему не научишься.

Томас Генри Гексли [12]

Когда жарким сентябрьским днем 1994 года я приехал в нью-йоркский университет Рокфеллера, чтобы взять интервью у его знаменитого ректора, лауреата Нобелевской премии Джошуа Ледерберга, я считал: мне очень крупно повезло. Джошуа Ледерберг — едва ли не самый занятый из всех людей, с кем мне доводилось встречаться. И вот он согласился побеседовать со мной! Произошедшая двумя месяцами ранее встреча с Терри Йетсом радикально изменила мой взгляд на вирусы. По возвращении в Англию я принялся лихорадочно поглощать литературу по новому предмету. Я задался вопросом: а вдруг новые пандемии, включая СПИД, могут быть истолкованы как явления эволюционной природы?

Я прибыл на интервью раньше времени и решил прогуляться по Йорк-авеню до 68-й улицы, свернул у реки близ внушительного здания Нью-Йоркского госпиталя и подошел к низкому бетонному парапету на набережной. На него можно было опереться и бросить взгляд на широкую Ист-ривер с ее мутной черно-зеленой водой.

Мне уже довелось здесь побывать во времена работы над книгой о туберкулезе, и вид госпиталя пробудил много ярких воспоминаний. Весьма уважаемый мною ученый Рене-Жюль Дюбо большую часть жизни проработал в университете Рокфеллера. Исследователь, философ, публицист, дважды удостоенный Пулитцеровской премии, он был одним из наиболее оригинальных мыслителей среди ученых, чьи работы привели к созданию антибиотиков. Благодаря его работам были открыты присутствующие в почвенных бактериях пептиды-антибиотики — такие, как стрептомицин и неомицин, в значительной мере благодаря ему было открыто лекарство от туберкулеза. Знаю: именно написанное мною о Дюбо в книге по туберкулезу и открыло передо мной двери Ледерберга. Но работа Дюбо над антибиотиками прервалась внезапно и трагически именно здесь, в Нью-Йоркском госпитале, где умерла от туберкулеза его жена Мари-Луиза. Глядя на внушительную громаду моста Квинсборо, я не мог удержаться от воспоминаний о Дюбо, о его весьма оригинальной точке зрения на микробы и вирусы. С первого взгляда кажется: вирусы повсюду. Если взять любую форму жизни и исследовать на наличие вирусов, они непременно отыщутся. Но, как ни странно, до недавнего времени было известно всего лишь пять тысяч их разновидностей. Лишь в самое последнее время обнаружили: вирусы буквально кишат в морях и океанах. Непонятно, что они там делают, отчего их столько, — но огромное их количество заставляет предположить, что роль их весьма важна.

Сейчас мы твердо знаем: абсолютное большинство форм жизни (а может, все живое без исключения) является носителем вирусов, но знаем мы о вирусах прискорбно мало, и знание наше даже на самом базовом уровне, скорее всего, неадекватно. Два месяца интенсивного чтения литературы о вирусах меня в этом полностью убедили. Я также пришел к убеждению, что ограниченность нашего взгляда на вирусы привела к неспособности понять важнейшие их свойства. И вот, мучимый такими сомнениями, я оказался в Зале основателей, где задержался перед портретом первого директора Рокфеллеровского института медицинских исследований Саймона Флекснера, заслужившего награду, которую в полной мере способен оценить лишь врач: в честь него была названа бактерия возбудителя тропической дизентерии Shigella flexneri. Затем я вошел в потрепанный черно-зеленый лифт, достаточно старый, чтобы быть современником Флекснера, инстинктивно насторожился, сгруппировался, слушая, как древний механизм лязгает и стонет, поднимаясь на четвертый этаж.

Я пожал Ледербергу руку в комнате, заставленной ящиками с научными статьями и слайдами презентаций, со стенами, увешанными дипломами и грамотами. Ледерберг сидел напротив меня, лысоголовый и солидный, напоминающий невозмутимого Будду.

— Коллекция своеобразная, — сказал он добродушно, заметив, как я рассматриваю стены. — Я ведь пришел в микробиологию из генетики, причем с биохимической стороны. А впервые познакомил меня с генетикой ваш однофамилец Фрэнсис Райан, бывший моим учителем в Колумбийском университете. Чудесный человек. Исследовал мутации, приводящие к недостаточности питания у хлебной плесени. Я поступил в Колумбийский колледж в 1941 году. В этом году Фрэнсиса не было в университете. Пришлось подождать, пока он вернется, — и уж тогда явиться к нему в лабораторию.

Мы уселись среди стопок журналов и статей, и я потихоньку приступил к интервью.

— Но наверное, нечто пробудило ваш интерес к предмету еще до того, как вы оказались в колледже?

— Это вопрос непростой, и однозначный ответ на него дать трудно. Но с самого раннего возраста, о котором у меня еще сохранились воспоминания, я уже хотел заниматься наукой. Не сомневался: буду заниматься наукой, и, скорее всего, медицинского плана, — и готовил себя соответственно.

— В вашей семье были научные работники?

— Вовсе нет. Отец мой был ортодоксальным раввином. Не думаю, что между областями деятельности была уж такая диаметральная разница, но конфликт поколений, безусловно, присутствовал.

Я слегка замешкался, обдумывая это странное утверждение.

— Наверное, объединяло вас некое обоюдное стремление узнать жизнь, готовность рассуждать о ней и, возможно, некое философское состояние ума?

— Да, именно так. Необходимость учиться, любознательность… мы оба это принимали.

— Сколько вам было лет, когда вы получили Нобелевскую премию?

— Мне было тридцать три. Нобелевский комитет долго выжидал — работу-то я сделал в двадцать один.

Конечно, я уже знал: Ледерберг начал изучать медицину в Колумбийском колледже врачей и хирургов, но уже тогда он был всецело заинтересован работами Освальда Эвери из университета Рокфеллера. Эти работы позволили Эвери предположить: именно ДНК, а не белки, как это считалось ранее, главные ответственные за наследственность. Это заключение стало принципиально важным для последующего открытия Уотсоном и Криком химической структуры ДНК, что революционизировало генетику и наше понимание эволюционной биологии. Джошуа Ледерберг сыграл немаловажную роль во всем этом.

Еще во времена студенчества он отказывался поверить в то, что бактерии воспроизводят генетически идентичные копии себя. Именно потому он написал руководителю постдокторской работы Фрэнсиса Райана в университете Рокфеллера Эдварду Татуму и попросился к нему в лабораторию. Первый плод этого сотрудничества был опубликован в разделе писем журнала «Nature» 19 октября 1946 года и занимал менее половины страницы. Эта заметка называлась «Рекомбинация генов у Escherichia Coli». Escherichia Coli — распространенная бактерия, обитающая в кишечнике. В заметке сообщалось, что бактерии способны передавать генетический материал от одной разновидности к другой вследствие процесса, теперь называемого «бактериальной конъюгацией». Термин «конъюгация» происходит от латинского слова, обозначающего супружество. В заключение статьи Татум с Ледербергом недвусмысленно заявили: «Эти эксперименты приводят к выводу о наличии половых взаимоотношений у бактерий».

То есть Джошуа Ледерберг получил Нобелевскую премию за открытие пикантного факта: бактерий, оказывается, тоже занимаются сексом.

Секс — совершенно нормальная форма поведения, иногда сопровождаемая специфическими брачными ритуалами, свойственная практически всем животным, растениям и более простым формами жизни. Факт способности бактерий к сексу и к обмену посредством секса генетической информацией весьма важен для медицины, поскольку проясняет некоторые аспекты устойчивости бактерий к антибиотикам.

Джошуа Ледерберг предположил, что, возможно, стоит рассматривать живой организм как метаболический механизм, способный взаимодействовать — просить о помощи другие живые организмы и получать ее — на химическом и даже на генетическом уровне. И это послужило отправной точкой нашей последующей беседы, продлившейся почти до вечера.

— С одной стороны, каждый организм независим, кодирован своим набором генов, — говорил Ледерберг, — но организмы ведь взаимозависимы. Например, мы не смогли бы выжить, не полагаясь на генетический механизм, обеспечивающий функционирование растений. — Здесь он имел в виду фотосинтез, позволяющий растениям производить сахара и аминокислоты, обеспечивающие возможность жизни животных, и, в частности, человека. — В этот смысле мы — симбионты растений, пользователи их генов.

Любопытно было, что Ледерберг прибег к концепции симбиоза для объяснения нашего взаимодействия с растениями. Я вспомнил о той настойчивости, с какой он постоянно упоминал симбиоз повсюду, даже в названиях своих книг и статей.

— Существуют морские беспозвоночные, — говорил Ледерберг, — пошедшие и дальше в симбиозе: вместо питания растениями они помещают живые водоросли под кожу. Многие из известных случаев сожительства бактерий с насекомыми немногим от этого отличаются. Мы наблюдаем интеграцию сожительствующих организмов, хотя геномы симбионтов различаются. Клетки симбионтов не соединены, организмы могут быть отделены друг от друга. Однако такой симбиоз лишь количественно отличается от случаев, когда сожительство осуществляется на клеточном уровне — как в случае с хлоропластами растений. Но у хлоропластов примечательна глубина взаимодействия: ведь изначальные хлоропласты обменялись с ядрами значительным числом генов. Так что уже много эпох не существует «чистых» геномов.

Я заметил: подобные идеи могут весьма озадачить биологов и генетиков, привыкших считать гены передающимися простейшим вертикальным образом, от родителей к потомству.

— Поразмыслите немного, постарайтесь вспомнить факты — и убедитесь сами: исключения из этого правила встречаются настолько часто, что логичнее считать исключением само это правило, — сказал Ледерберг.

Здесь я с энтузиазмом подхватил его мысль и подвел к наиболее интересовавшей меня в тот момент теме.

— В массовом сознании вирус — нечто безусловно злое, заражающее людей, причиняющее болезни и временами приводящее к смерти. Но если следовать вашей логике, вирусы также могут существовать в симбиозе с животными?

Задавая этот вопрос, я знал: еще в 1952 году Ледерберг опубликовал важную статью под названием «Генетика клетки и наследственный симбиоз»[13]. В этой статье он предложил новый научный термин «плазмиды» для обозначения всех дополнительных факторов наследственности, расположенных в клетках вне хромосом и заполняющих генетический провал между различными формами жизни. В той же статье он прямо заявил о том, что плазмиды — симбиотические организмы, чьи гены стали частью генетического набора той жизненной формы, с какой плазмиды сосуществуют. С моей точки зрения, такой перенос уже готовой, сформировавшейся ранее и в ином месте генетической информации с эволюционной точки зрения весьма отличается от дарвиновской концепции случайного изменения в генах, происходящих из-за ошибок в копировании ДНК при делении клеток.

— Интересный вопрос, — заметил Ледерберг.

Я рассказал про узнанное мною об эпидемии хантавируса, в частности о факте рождения у мышей потомства, не зараженного вирусом. Мыши заражаются вирусом, взрослея, из-за обилия вируса в моче и других выделениях матери. Но, заражаясь вирусом, столь ужасным и смертельным для людей, молодые мыши не выказывали никаких признаков заболевания. Напротив — биологи, работавшие над изучением взаимодействия мышей и вирусов, пришли к выводу о благоприятном влиянии вируса: были основания полагать, что зараженные вирусом мыши росли более здоровыми и крупными.

Наконец я набрался храбрости спросить о том, что занимало меня уже два месяца.

— Я понимаю: вирусы не способны думать, у них нет и не может быть концепции «добра» и «зла», они лишены морали и самой возможности иметь мораль. Но возможно ли вирусам оказываться полезными для животного-носителя?

— Хм, любопытно… Мне неизвестны однозначно трактуемые примеры такой взаимной выгоды, но, если рассудить логически, почему бы и не быть выгоде? На ум немедленно приходит кросс-иммунитет к другим инфекциям. Благотворное влияние… пожалуй, насчет животных сказать затрудняюсь.

Я сделал следующий шаг:

— Может ли вирусное заражение некоего вида изменить его — причем настолько, что образуется новый биологический вид?

Пожалуй, это был самый дерзкий вопрос из всех, заданных мной Ледербергу, — и он глубоко задумался, прежде чем дать ответ.

— Я бы посоветовал вам недавно вышедшую книгу, — ответил он мне. — Ее написал Ян Сапп, и она про симбиоз, об истории этого понятия[14]. Ян — историк науки из университета Йорка в Канаде. Во время написания книги он был приглашен поработать в моей лаборатории. Он последователь идей Линн Маргулис — пожалуй, наиболее активной и сведущей сторонницы идей симбиоза. Наверное, вам случалось читать ее труды. Когда симбиоз приводит к конвергенции геномов различных форм жизни, создавая, таким образом, своеобразный, если можно так выразиться, гибрид, это, несомненно, влечет за собой эволюционные изменения самого решительного толка. Сейчас общепринято, что эукариотические клетки развились именно таким образом.

Эукариотические клетки — это клетки, имеющие ядро. Именно эволюционный скачок от безъядерных одноклеточных организмов привел к возникновению животных, растений, грибов, водорослей и меньших существ — например, амеб. Это событие было объявлено выдающимся дарвинистом Эрнстом Майром самым важным в эволюции жизни на Земле.

Интервью с Терри Йетсом открыло передо мною новое видение вирусов и их роли в эволюции, интервью же с Джошуа Ледербергом это видение расширило и углубило. Я покинул Нью-Йорк, полный решимости всерьез и основательно взяться за изучение этого вопроса.

Во вводной главе этой книги я обрисовал трехсторонний симбиоз морского слизня Elysia chlorotica, водоросли и неизвестного вируса, предположительно ретровируса, активно задействованного в жизненном цикле слизня. Но в 1994 году я еще ничего не знал про слизня Elysia chlorotica, а ученые тогда еще не вполне понимали роль вируса в его жизни. По правде говоря, я и об идеях симбиоза еще имел смутное представление и даже не знал, как определяется симбиоз с биологической точки зрения. В самом ли деле симбиоз подразумевает эволюционный механизм, отличающийся от весьма уважаемого и популярного современного дарвинизма? Из беседы с Ледербергом я сделал вывод о существенной разнице между этими двумя эволюционными механизмами, но Ледерберг не считал их опровергающими друг друга. И я запомнил его совет: «Вам нужен прочный фундамент для развития ваших идей». Моим фундаментом стала наука о симбиозе, множество ее данных о случаях и механизмах симбиоза, а в особенности я сконцентрировался на том, как симбиологи — люди, изучающие симбиоз, — выяснили, что симбиоз может быть движущей силой эволюции.

Читатели великолепной книги Яна Саппа об истории симбиоза знают, что в 1868 году, через девять лет после публикации Дарвином книги «О происхождении видов», швейцарский ботаник Симон Швенденер открыл любопытную особенность биологии лишайников. Все знают, что такое лишайники, видели их плоские, пастельных тонов нашлепки на валунах, могильных камнях (и даже знаменитых мегалитах Стоунхенджа), — но лишайники куда разнообразнее и распространеннее, чем подозревают большинство из нас, лишь поверхностно знакомых с их миром. Они играют важную роль в мировой экологии, будучи первыми организмами, заселяющими безжизненные, даже враждебные жизни ландшафты — от выжженных солнцем песчаных дюн до исхлестанных ветрами ледяных долин Антарктики. Лишайники цепляются к освещаемым солнцем поверхностям, разрушают камень, создавая почву, впитывают воду из росы и тумана, создавая запасы воды, важные для поддержания жизни в лесах. Благодаря лишайникам возникают своеобразные экосистемы, которые способствуют выживанию многих других форм жизни. Например, выносливые мхи и лишайники, спокойно переносящие под снегом арктические зимы, составляют основное питание саамских северных оленей. Во времена Швенденера лишайникам еще только-только дали место в систематике живого, определив их как отдельный класс, отдельный толстый сук, отходящий от ствола, представляющего царство растений. Натуралисты тогда усердно взялись за определение более чем тысячи видов, из каких состоит этот класс. Но увы! Их усилия оказались растраченными понапрасну. Швенденер показал: лишайники вовсе не отдельные организмы, а результат соединения двух весьма отличающихся форм жизни, водорослей и грибов.

Согласно знаменитому шведскому натуралисту Карлу Линнею, с восемнадцатого столетия было принято: каждый живой организм — отдельное самостоятельное существо, принадлежащее к определенному виду, а виду этому можно приписать определенное положение на систематическом древе живого. Например, мы, люди, принадлежим к виду «сапиенс» рода «гомо» — ветви, принадлежащей семейству «приматы» класса «млекопитающие». Но лишайник оказался не отдельной веточкой либо листком древа жизни, но тесным сплетением двух отдельных стволов, произрастающих из общего корня — царств протистов и грибов. Это открытие было катастрофой для упорядоченной биологии викторианского времени. Многие натуралисты, изучающие лишайники, наотрез отказались принять его, отвергая самую возможность подобного сосуществования, заклеймив его как беспочвенную фантазию, разрушающим упорядоченное строгое здание систематики и не предлагающим ничего взамен.

Но вопреки сопротивлению, местами продолжавшемуся полвека, двойная природа лишайников была принята, лишайники стали изучаться именно как результат симбиоза двух организмов, а некоторые биологи (а в особенности ботаники) осознали: лишайники могут быть не единственным примером тесной связи и партнерства между весьма разными живыми существами. Это осознание повлекло за собой внимательное рассмотрение паразитизма как феномена.

На примере лишайников стало ясно, что традиционное понимание паразитизма недостаточно для объяснения всех особенностей сложных взаимоотношений, взаимозависимости водоросли и гриба, образующих лишайник. Были обнаружены и другие примеры совместного, взаимозависимого существования у самых разных организмов в различных сообществах, от дубовых лесов до коралловых рифов. Немецкий ботаник Альберт Бернард Франк установил: почти каждое растение живет в тесном сообществе с грибом, зачастую физически сросшимся с ним, проникшим в него, так что знакомое всем сплетение корней выдернутого из земли садового растения — большей частью именно гриб. Надпочвенная часть растения обеспечивает гриб углеродными соединениями и энергией, а гриб поставляет корню воду и минералы. В семнадцати тысячах существующих разновидностей орхидей связь между растением и грибом настолько тесная, что гриб, как оказалось, снабжает созревающие семена не только водой и минералами, но и углеродными соединениями. Новая растущая область биологии, изучающая совместное существование живых существ, требовала строгого определения и наименования — и они были даны другим немецким ботаником, Антоном де Бари. Он предложил термин «симбиоз» и определил его как «совместное существование живых организмов»[15]. Это определение позволило объединить многие уже известные формы взаимозависимого сосуществования, включая паразитизм, когда один партнер пользуется другим, ничего не отдавая взамен, но вредя, комменсализм, когда один партнер также пользуется другим, не вредя ему при том, и мутуализм — выгоду от сосуществования получают оба партнера. Партнеры в сосуществовании получили название «симбионты», а партнерство в его целокупности — «голобионт».

В последующие годы было обнаружено ошеломляющее количество случаев симбиоза буквально во всех природных экосистемах. В особенности изобилуют случаи симбиоза во флоре и фауне океанов, включая кораллы, создающие коралловые рифы, и тропические дождевые леса с их поразительным видовым разнообразием. С самого начала предполагалось, что подобный симбиоз влечет за собой возможность эволюционных изменений взаимодействующих партнеров, и в 1910 году русский биолог Константин Мережковский[16] предложил термин «симбиогенез» для определения процесса, в котором симбиоз выступает в качестве эволюционного фактора.

В настоящее время считается: симбиогенез действует на нескольких уровнях. Большинство людей знакомо с «очистительной», или «санитарной», формой симбиоза, когда свирепые хищники вроде акул и морских окуней терпеливо ждут в очереди близ определенных мест у морского дна и позволяют мелким рыбкам и ракообразным очищать свою кожу и даже полость рта от мусора и паразитов. По очевидным причинам эта форма симбиоза названа «поведенческим» симбиозом. Метаболический симбиоз имеет место, когда симбионты обмениваются полезными веществами, как, например, растения с грибами. Любопытный симбиоз такого рода происходит у гигантских трубчатых морских червей, населяющих глубокие подводные расселины. Там, у глубоких разломов земной коры, где выходят на поверхность тектонические плиты, близ подводных вулканов, не имеющие рта трубчатые черви получают питательные вещества от бактерий, обитающих в их тканях, — а эти бактерии получают энергию от сульфида водорода, выделяемого подводными гидротермальными источниками (так называемыми «черными курильщиками»). Во многих случаях наличествуют одновременно и метаболический, и поведенческий симбиозы, например при опылении растений посредством насекомых либо птиц колибри, когда растение обеспечивает насекомое либо птицу нектаром, а подвижный партнер симбиоза транспортирует пыльцу к другим растениям, тем самым компенсируя их неспособность передвигаться.

Симбиоз работает и на третьем, более глубоком уровне — уровне так называемого «генетического» симбиоза. Эта книга и началась с его загадочного, захватывающего воображение примера — существования при непосредственном участии вируса изумрудно-зеленого слизня Elysia chlorotica.

История симбиологии насчитывает уже более века, и кажется весьма странным, что занимающиеся ею не рассматривали вирусы в качестве потенциальных симбионтов. В книге Саппа немного ссылок на работы по вирусам. Правда, в первое десятилетие после Второй мировой войны американский генетик Эдгар Альтенберг разработал симбиотическую теорию «вироидов», основанную на предполагаемом сходстве вирусов с невидимыми «обнаженными генами», или «плазмагенами», спрятанными в живых клетках. Альтенберг допускал, что вироиды могли играть роль в клеточной эволюции и что вызывающие рак вирусы могли в каждом пораженном пациенте возникать из вироидов, и ранее находившихся в клетках. Прозрения Альтенберга во многом оказались верными — но, к сожалению, он ошибался насчет природы вирусов. Вирусы — ни в коей мере не «обнаженные гены», и концепция «вироидов» так и не была принята биологией.

Завзятый борец с устоявшимися мнениями Рене Дюбо тоже пытался убедить коллег-вирусологов, что при определенных экологических условиях вирусы могут усилить выживательный потенциал носителя. Но в шестидесятых у провидца Дюбо не было технологий, позволяющих исследовать геном на молекулярном уровне, и его идеи не получили доказательств и не были приняты коллегами.

Приняв совет Ледерберга близко к сердцу, в последующие годы я уделил много внимания изучению симбиоза и его роли как эволюционной силы. Среди наиболее полезного из всего прочитанного мною были книги и статьи выдающегося биолога Линн Маргулис, профессора Массачусетского университета. Именно Линн Маргулис сыграла центральную роль в разработке современного понимания симбиоза. Я собрал целую библиотеку книг и статей по симбиологии, выпущенных за век с лишним существования этой дисциплины. И я понял: многие симбиологи заблуждались насчет самых основных черт природы вирусов, что существенно затруднило понимание их возможной роли как партнера в симбиозе.

Симбиоз, кстати, предполагает наличие двух взаимодействующих форм жизни либо организмов. Следовательно, чтобы рассуждать о возможном симбиозе с вирусами, стоит весьма внимательно рассмотреть возможность применения к вирусам терминов «форма жизни» либо «организм». И кажется, я нашел способ корректно применить эти понятия к вирусам. Даже самые закоренелые скептики согласятся: во время взаимодействия с носителем вирусы, несомненно, предстают «живыми». Биологам следует понять и принять: вирусы нужно рассматривать в рамках их жизненных циклов в естественной для них обстановке. Именно такой подход позволит рассматривать вирусы с эволюционной точки зрения как живые организмы.

Уяснение этого факта существенно облегчило мне выработку такого определения понятия симбиоза в применении к вирусам, которое было бы приемлемым как для вирусологов, так и для симбиологов. Изучая литературу по предмету, продолжая интервьюировать ведущих специалистов по двум этим дисциплинам, я постепенно оказался готовым экстраполировать хорошо проверенный концептуальный механизм симбиогенеза к вирусам, и, в частности, судить о вкладе вирусов в симбиогенез на генетическом уровне. Также мне пришло в голову рассмотреть симбиоз с точки зрения эволюции.

Дарвиновская теория предполагает линейный и вертикальный характер эволюции, новые виды, по ней, возникают от видов-предков подобно тому, как от основного ствола дерева отходят ветви. Симбиоз же предполагает «сеточность» эволюционной картины, горизонтальные связи между единовременно существующими различными формами жизни (принадлежащим не только к разным видам, но и, возможно, разным царствам живого). На первый взгляд может показаться: между симбиогенезом и современным дарвинизмом — ничего общего. Но это лишь на первый взгляд. Вопреки отчетливым различиям между механизмами, лежащими в основе этих двух эволюционных парадигм, симбиогенез не противоречит современному дарвинизму, и, в частности, дарвиновской концепции естественного отбора. Вопрос не в том, работает ли естественный отбор в случае симбиоза — поскольку, несомненно, он работает. Вопрос в том, каким именно образом он это делает в условиях, когда биологически взаимодействуют разные формы жизни.

Проще говоря, так ли естественный отбор работает в симбиогенезе, как он работает при мутационных изменениях генома? Для ответа рассмотрим два хорошо известных примера симбиоза.

Колибри обитают в зонах теплого климата обеих Америк. Более чем три сотни их видов нуждаются в ежедневной дозе нектара для поддержания жизни. Эволюция сделала крылья колибри способными удерживать птичку неподвижно в воздухе перед цветком и контролировать положение тела с исключительной точностью. Клювы колибри сделались одень длинными и тонкими, приспособленными к форме цветка, а длинные языки могут доставать до нектара в самой его глубине. Но и цветки приспособились к птичьим клювам. Один из наиболее ярких примеров симбиоза — фиолетовый саблекрыл, чей изогнутый клюв входит в цветок колумнеи, будто сабля в плотно подогнанные ножны. Такое соответствие клюва и формы цветка важно, поскольку оно обеспечивает взаимную выгоду: во-первых, только фиолетовый саблекрыл способен пить нектар из цветков колумнеи, а во-вторых, тычинки цветка колумнеи расположены таким образом, чтобы оставить пыльцу в нужном месте на лбу птицы и она оплодотворила следующий цветок. Из примера этого симбиоза видно: отбор работает также и для того, чтобы закрепить лучшие и выгоднейшие формы сотрудничества между организмами.

Если вернуться к уже упоминавшемуся «очистительному» поведенческому симбиозу, то видно: достижение взаимной выгоды подразумевает существенное изменение поведения и хищников, и санитаров. Хищник сдерживает голод и агрессию, пока рыбы и рачки, поедающие с его кожи паразитов, терпят страх и сдерживают желание удрать. Столь значительные перемены в поведении хищника и его потенциальной добычи должны быть закодированы в геномах партнеров такого симбиоза, как и изменения формы и поведения, обеспечивающие взаимное приспособление цветка и колибри. То есть снова перед нами естественный отбор, выступающий как орудие обеспечения лучшего взаимодействия партнеров в симбиозе. Оттого встает немаловажный вопрос о сосуществовании вирусов и их носителей: может быть, естественный отбор работает и на уровне вирус — носитель? Если да, то на какой стадии сосуществования вируса и его носителя происходит выход на общий эволюционный уровень, когда изменения в индивидуальном организме носителя и вирусе, находящемся в нем, приобретают устойчивый характер? Такой вопрос задал и попытался ответить на него выдающийся эволюционный биолог Джон Мейнард Смит, покойный ныне профессор университета Суссекса, убежденный сторонник современного дарвинизма.

В своей главе сборника «Симбиоз на источник эволюционных изменений», изданного под редакцией Линн Маргулис и Рене Фестера[17], Мейнард Смит предложил весьма интересную экстраполяцию дарвиновского взгляда на симбиоз. Считая, что симбиоз сыграл важнейшую роль в трех из пяти главнейших эволюционных трансформаций, он тем не менее полагает: нет причин считать симбиоз противоречащим неодарвиновским взглядам на эволюцию. Но он также утверждает, что для закрепления наивыгоднейших форм партнерства в симбиозе естественный отбор может работать по-иному, чем при закреплении мутационных изменений.

Обосновывая свою точку зрения, Мейнард Смит рассмотрел симбиоз между микробом и сложным многоклеточным его носителем и разделил формы этого симбиоза на категории. Первая: микроб-симбионт может существовать и размножаться вне носителя, что подразумевает эволюцию согласно традиционной индивидуальной, «эгоистической» дарвиновской схеме. Вторая: когда симбионт не может выжить без носителя, а в особенности когда симбионт не может размножаться без носителя (такой процесс размножения Мейнард Смит назвал «прямой передачей»); в этом случае механизм естественного отбора изменяется. Вирусы не могут ни выживать, ни размножаться без носителей, они по сути своей паразиты, так что неудивительно включение их Мейнардом Смитом в категорию симбионтов, способных размножаться лишь через прямую передачу. Он писал: «Прямая передача означает, что гены симбионта передадутся потомкам лишь в том случае, если носитель выживает и размножается. А это значит в общем и целом, что в генах симбионта будут закрепляться лишь те мутации, которые дают эволюционное преимущество его носителю».

Когда Мейнард Смит пишет про «закрепление мутаций», он имеет в виду эволюционный отбор в традиционном дарвиновском смысле. Проще говоря, симбионт — в нашем случае вирус, взаимодействующий с носителем, — будет подвергаться таким генетическим изменениям в результате отбора, какие увеличивают приспособляемость и выживаемость носителя вируса. Вирус откликается на нужды своего хозяина.

Эта интерпретация симбиоза с дарвиновской точки зрения позволяет установить, в какой степени сходны — и в какой различны — эволюция индивидуальная и эволюция симбиоза. Как было видно на примере колибри и «очистительного» симбиоза, симбиолог должен рассматривать даже очевидного паразита и его хозяина как симбионтов, учитывать их взаимовлияние и взаимодействие. И теперь выводы симбиологии (дисциплины уже солидной и весомой), полученные на основе изучения огромного числа примеров симбиоза, указывают: при сосуществовании микроба и его носителя оба реагируют на присутствие друг друга. То есть в эволюционном смысле естественный отбор должен обеспечивать усовершенствование этого партнерства, приводя к симбиогенезу. Так должно происходить на всех трех уровнях симбиоза: и поведенческом, и метаболическом, и генетическом.

При генетическом симбиозе случаются внезапные резкие изменения, когда геномы двух радикально отличающихся форм жизни сливаются, образуя новый единый голобионтический геном[18]. Эта весьма драматическая ситуация способна привести к эволюционному скачку, и представляется неизбежным, что естественный отбор будет функционировать уже для единого голобионтического генома. Неудивительно, что некоторые биологи усматривают противоречие между неизбежно скачкообразным характером эволюции при наиболее фундаментальной, генетической форме симбиоза и постепенным характером эволюции, декларируемым ортодоксальным дарвинизмом. Но Мэйнард Смит противоречия здесь не видит. Он подчеркивает, что «нет противоречий между дарвиновским убеждением в возможности сложных адаптационных изменений, происходящих постепенно, через множество промежуточных шагов, и внезапным возникновением новых возможностей эволюционного изменения в том случае, когда в процессе симбиоза соединяются генетические материалы двух различных существ, каждое их которых прошло свой путь эволюции и естественного отбора».

Подобный взгляд позволяет не только свести воедино дарвинизм и эволюцию посредством симбиоза, но и определить роль симбиоза с вирусами в нашей, человеческой эволюции.

4. Пространство СПИДа

Летом 1985 года диагноз «СПИД» был поставлен кинозвезде… Тогда стало понятно и ощутимо: СПИД приобрел характер эпидемии, угроза его распространилась повсеместно. Вдруг обнаружились больные СПИДом дети, желавшие ходить в школу, больные СПИДом рабочие, желающие ходить на работу… Когда Америка обратила внимание на болезнь, СПИД уже стал пандемией.

Рэнди Шилтс [19]

Вирусы не раз вызывали эпидемии, память о которых — словно могильные камни, рассеянные по истории человечества. Открывающая эту главу цитата взята из хроники пришествия СПИДа в США. В ней описываются и волна негодования, и предрассудки, и взаимные обвинения, и недоумение публики. Там описываются самоотверженная работа немногих врачей и ученых — и ошеломительная неспособность многих организаций и политических деятелей осознать масштаб проблемы, их попытки оттянуть принятие нужных мер.

Мое мнение может показаться некорректным и неразумным, но я считаю: даже такая чудовищная трагедия многому нас научила, дала новое знание. Но это мое мнение, конечно же, основано на ретроспективном анализе. Когда новый и неизвестный ранее вирус прибыл на американские берега в 1976 году, немногие (а может, и вообще никто) смогли понять, чем это грозит.

Ведь в отличие от, например, гриппа или оспы симптомы СПИДа не указывают на источник болезни. ВИЧ-инфекция крадется среди людей тихо, почти незаметно. Заражение очень часто не привлекает внимания, остается нераспознанным. В худшем случае — легкое повышение температуры, сыпь. У половины же зараженных заражение не проявляется никак. Вирус долго скрывает свое присутствие. Иногда годами он прячется в клетках крови, называемых «лимфоцитами», и его жертвы не подозревают о нем. Но даже и в таком состоянии ВИЧ остается заразным и может передаваться через кровь и прочие телесные жидкости, а в особенности при половых контактах, гомосексуальных и гетеросексуальных. ВИЧ — это паразит, агрессивный партнер симбиоза, убийца, лишенный жалости и предрассудков. Он поражает и мужчин, и женщин, и младенцев, и стариков, и европейцев, и азиатов — всех. В период, когда зараза еще ничем себя внешне не проявляет, вирус мутирует с необыкновенной скоростью, и через два-три года после заражения исходный вирус уже невозможно распознать среди миллионов его потомков, соревнующихся за место в организме.

СПИД потряс наше общество до самых корней. Он — словно холодная тень, вставшая со страниц давней истории, от кошмара бубонной чумы и оспы. Распространяется новая погибель через молодых здоровых людей, передаваясь при сексе, и, в отличие от страшных болезней прошлого, действует тайно и зловеще, поражая и убивая иммунные клетки, как раз и предназначенные для борьбы с болезнями. Пока не появились современные противовирусные средства, разрушение иммунитета жертвы подвергало ее риску множества крайне неприятных заболеваний. Например, в организме размножались амебы, поражая кишечник и внутренние органы — в то время как обычный человек, в чей организм они регулярно попадают, например, с водой из-под крана, практически их не замечает. Обычно не вызывающие существенных поражений вирусы — например, причиняющий герпес цитомегаловирус — вызывают тяжелейшее заболевание. Кожа несчастных больных СПИДом испещрена сине-фиолетовыми опухолями, кровь их поражается жуткими формами лейкемии, поверхность их тел — и внутренняя, и внешняя — деформирована и повреждена взбесившимися от отсутствия сопротивления крошечными тварями. Это воистину адские муки, горше тех, какие воображал Данте, живописуя мучающихся грешников. Еще горше то, что зараза может передаваться от матери ребенку, кошмар чудовищных мук может передаваться из поколения в поколение. В особенности остро эта проблема встает в бедных развивающихся странах, где больные родители умирают, оставляя больных детей заботам несчастных дедушек и бабушек либо скверно оборудованных приютов. Зачастую таких детей попросту бросают.

У пандемии СПИДа два непосредственных виновника, родственных ретровируса, известных как «вирусы иммунодефицита человека», или ВИЧ-1 и ВИЧ-2.

Пожалуй, настало время рассказать подробнее о ретровирусах. Это большое и разветвленное семейство вирусов, объединенных тем, что их геном состоит не из ДНК, как у любых других форм жизни, а из родственных молекул РНК. Ретровирусы поражают практически все прочие формы жизни, от простейших морских беспозвоночных — таких, как морской слизень, — до приматов, включая человека. Жизненный цикл вирусов предусматривает внедрение их генома в ядра клеток носителя. Очень важно понять, зачем и почему вирусы это делают. Обычно ретро-вирусы распространяются при совокуплении или от матери к ребенку. ВИЧ-1 передается через мужскую смазку, выделяемую перед эякуляцией, через женские вагинальные выделения, предназначенные для смазывания влагалища при сношении, через сперму, кровь — например, при вторичном использовании нестерилизованного шприца. Заражение возможно и при грубом сношении, сопровождающемся повреждением кожи и слизистых оболочек, при родах, а также через материнское молоко при вскармливании грудью. Вирус проникает в кровь и находит клетки, где главным образом и обитает, — клетки иммунной системы, известные как «Т-лимфоциты хелперы», или, в научной классификации, CD4+T. Но вирус может размножаться и в других клетках, таких, как белые кровяные тела макрофаги, и в некоторых тканях и органах — прежде всего в яичках. Проникнув в Т-лимфоцит, вирус использует свой энзим, обратную транскриптазу, для превращения вирусной РНК в ДНК и затем внедряет эту ДНК в хромосомы лимфоцита. Этот типичный для всех ретровирусов процесс был открыт лауреатом Нобелевской премии Говардом Теминым, назвавшим встроенную ДНК-форму ретровируса «провирусом». Эта форма включает и гены-регуляторы, LTR, обеспечивающие воспроизведение вирусной РНК клеткой. Провирус остается в хромосомах все время жизни зараженной клетки и воспроизводится при каждом делении, попадая в дочерние клетки.

Находясь в клетке, провирус побуждает ее производить новые копии оригинального вируса, выходящие из клетки полностью готовыми заражать другие клетки. Распространяясь с кровью, вирусы попадают в половые органы — откуда через спаривание вирус попадает в другие организмы. Существует несколько разновидностей ВИЧ-1, распространяющиеся отчасти по-разному — или с точки зрения симбиоза ведущие себя различным образом по отношению к носителю. Это обстоятельство объясняет недоразумения, непонимание и ханжество, зачастую сопровождавшие распространение СПИДа в начале его истории. Разновидность, чаще всего встречающаяся в США и Западной Европе, распространялась преимущественно через гомосексуальные половые контакты и вторично используемые шприцы, а также через используемую для переливания кровь. Это создало почву для развития предрассудков. Но разновидность, вызвавшая куда большую по масштабам эпидемию СПИДа в Африке — и все более распространяющаяся по Азии, — передается через гетеросексуальный контакт и от матери к ребенку.

Думаю, в пришествии страшной болезни, подобной СПИДу, нет совершенно ничего апокалиптически искупительного либо морально очищающего. Как и все вирусы, ВИЧ-1 по сути своей аморален. В природе встречается множество вирусов иммунодефицита, и я далее представлю свидетельства того, что человечество на протяжении своей эволюции не раз страдало от эпидемий, вызванных этими вирусами, которые распространялись главным образом через предпочитаемые людьми гетеросексуальные контакты. Склонность некоторых разновидностей ВИЧ распространяться через гомосексуальные контакты, загрязненные иглы, кровь попросту отражает изменчивость вируса, способность использовать новые эволюционные возможности. Если и возможно извлечь какой-то урок из эпидемии СПИДа, так это урок о невозможности применения человеческой морали либо норм поведения к болезнетворным вирусам.

Даже и сегодня, вопреки брошенным правительствами миллиардам долларов на поиски лекарства от СПИДа, болезнь остается неизлечимой — хотя страдания больных можно в значительной степени облегчить. Жизнь их можно продлить, как можно уберечь их от большей части жутких вторичных инфекций. На время написания этих слов в мире умерло от СПИДа около тридцати миллионов человек; по оценке ООН, в 2007 году в мире было еще около тридцати миллионов зараженных, из них более двух миллионов — дети. В прогнозе, опубликованном годом ранее, ООН предсказала: в ближайшем будущем только в Африке будет более девяноста миллионов больных СПИДом, что приведет к появлению восемнадцати миллионов сирот.

Стоит задаться вопросом: отчего же столь простое существо, как вирус, с геномом всего лишь из трех генных участков, кодирующих не более десятка генов, оказалось столь упорным и непобедимым врагом?

Я полагаю, ответ прост: пандемия СПИДа — эволюционный феномен. А таким явлениям очень трудно препятствовать. По-видимому, мы имеем дело с продуктом длинной истории заражения животных ретровирусами подобного типа. Ретровирусы имеют большой эволюционный опыт, прекрасно отлаженные поведенческие стратегии. Когда ВИЧ впервые повстречался с человеком, вирус уже был запрограммирован на требуемый вид поведения. Поэтому, хотя такая человеческая пандемия едва ли предсказуема, целиком неожиданной назвать ее нельзя.

Вирусы очень малы — в среднем в тысячу раз меньше бактерий. Геном их относительно прост. Но это не повод недооценивать их биологическую роль — а она, как мы увидим, исключительно важна в эволюции. И чтобы оценить эту роль должным образом, рассмотрим пристальнее, откуда и как произошли вирусы ВИЧ-1 и ВИЧ-2.

В 1995 году мое внимание привлекла статья в «Сайнтифик америкен», напечатанная восемью годами ранее — как раз во времена разгоревшейся эпидемии СПИДа, вызвавшей всеобщее смятение и отчаяние. Авторы этой статьи — профессор Макс Эссекс, глава отделения биологии рака и президент гарвардского Института ВИЧ, и его аспирант Филис Дж. Канки[20]. Название — «Происхождение вируса иммунодефицита человека». Название не то чтобы интригующее, но подзаголовок гласил: «Вызывающий иммунодефицит вирус не единственен». Далее следовало объяснение того, что печально известный ВИЧ-1 имеет близких сородичей, обитающих и в человеке, и у африканских обезьян (и низших, и человекообразных). В особенности же провокационным выглядело утверждение о том, что некоторые из этих родственных ретровирусов научились сосуществовать с носителями, не приводя их к болезни.

Что же могло побудить вирусы, сравнимые с ВИЧ-1 по возможной смертоносности, настолько изменить поведение? Я был заинтригован и связался с профессором Эссексом, а тот любезно согласился поговорить со мной.

К весне 1995 года я уже усвоил и принял идеи Терри Йетса, Джошуа Ледерберга, проинтервьюировал многих ведущих вирусологов Европы и Великобритании, работающих в столь различных областях, как ботаника, зоология и молекулярная биология, и осознал: если подходить к проблеме как врач, считая ВИЧ злом, однозначно вредящей человеку сущностью (что представляется целиком логичным, не правда ли?) — объективности не добьешься. Вирусы не добры и не злы. Потому для отыскания эволюционных причин возникновения СПИДа нужно отрешиться от свойственного врачам «человекоцентричного» подхода и принять нейтральную позицию — сколь бы она ни казалась противоестественной мне, врачу. Став в позицию бесстрастного наблюдателя, я решил искать ответ на вопрос: чего же именно — глубокого, фундаментального — из происходящего в мире вирусов мы пока не замечаем и не понимаем? Возможно ли, что мы пока не осознаем некой основополагающей истины, способной перевернуть наше представление о вирусах, вывести на новый уровень понимания их? С такими мыслями я планировал свое возвращение в Америку в феврале 1995-го, собираясь поговорить со многими экспертами-вирусологами в Йеле и Гарварде — а среди гарвардских коллег и с Эссексом. К сожалению, как раз в начале недолгого — всего несколько недель — моего запланированного пребывания в Америке Эссекс должен был Америку покинуть, и мне пришлось ограничиться телефонным разговором за два дня до вылета из Англии и затем недолгой встречей в суматохе и беготне вашингтонского аэропорта.

Я и сам занимался исследованиями иммунного отклика на переносимые кровью вирусы и с энтузиазмом предвкушал встречу с коллегой, разделявшим мой интерес к иммунитету. Именно Макс Эссекс впервые открыл связь между СПИДом — ужасающим крушением иммунной системы, открывающим дорогу множеству вторичных заболеваний, характерных для СПИДа, — и ретровирусами, обитающими в животных и человеке. В первые годы после обнаружения СПИДа именно Макс Эссекс предположил, что причиной СПИДа является ретровирус.

Я спросил Эссекса, почему же он стал исследовать вирусы. А он объяснил, что интерес к вирусам возник у него как к возможному источнику хронических заболеваний, в частности рака.

— Когда я только начинал учебу — то есть в конце шестидесятых, было уже ясно: некоторые формы рака у животных вызываются вирусами, — сказал Эссекс. — Но насчет людей оставалась неясность, и продолжалась полемика о возможности вирусного рака у людей.

Мы поговорили немного о его недавних исследованиях, об установленной связи между болезнями и ретровирусами.

— При мне в нашей лаборатории была открыта пара-другая вирусов, чьими носителями являются кошки и обезьяны, и это показало весьма убедительно: обитающие в организме долгое время ретровирусы — а это оказались именно ретровирусы — на самом деле могут причинять хронические заболевания, такие, как лейкемия и другие виды рака. А при изучении этих заболеваний обнаружилось: у зараженных вирусами кошек перед развитием рака проявлялось сильнейшее подавление иммунной системы, и, даже если рак не развивался, поражение иммунной системы все же происходило. Нетрудно было установить: поражение иммунной системы происходит именно из-за ретровируса. Это открытие приобрело большое значение, когда Роберт Галло обнаружил первый ретровирус, чьим носителем мог быть человек[21].

Ретровирус, упомянутый профессором Эссексом, — это вирус Т-клеточной лейкемии человека, HTLV-1, причиняющий рак крови, то есть поражающий белые кровяные тельца, лейкоциты, играющие ключевую роль в сопротивляемости организма вирусной инфекции, да и вообще любому чужеродному вторжению в кровь либо ткани организма. Стоит отметить, что изучение вирусной лейкемии, по сути, началось еще в 1976 году, когда японский исследователь доктор Киёши Такасуки занялся недавно открытой формой лейкемии. При ней пораженные клетки деформировались странным образом, напоминая собранные воедино лепестки цветов. Такасуки заметил: почти все больные поступали с Кюсю, большого острова на юго-западе Японии. Такасуки отправился на Кюсю и обнаружил: в местных госпиталях много больных с новой странной формой лейкемии. В те времена еще никто не знал причины заболевания, названного «Т-клеточный лейкоз-лимфома взрослых». Затем, как уже отмечалось здесь, Роберт Галло с коллегами из Национального института здравоохранения США нашли причину болезни, ретровирус, в крови двадцативосьмилетнего больного из Алабамы, страдавшего от лимфоидного рака кожи. Двумя годами позже японские вирусологи Иорио Хинама и Мицуаки Йошида сумели выделить тот же ретровирус из крови японских больных. Этот вирус, известный теперь как «вирус Т-клеточной лейкемии (лейкоза) взрослых», или HTLV-1, и был первым обнаруженным ретровирусом, чьим носителем является человек.

— Это произошло еще до идентификации ВИЧ? — спросил я Эссекса.

— Да, еще до того. Пожалуй, как раз тогда ВИЧ начал распространяться в США, но его еще не распознали и не определили СПИД как отдельную болезнь.

Так наша беседа подошла к очень важному моменту в истории раннего исследования СПИДа, и я постарался разговорить профессора.

— Тогда Национальный институт рака совместно с японскими коллегами проводил семинар в Сиэтле, чтобы определить, насколько важную роль могут играть человеческие ретровирусы. Я был одним из председателей семинара, приехал туда вместе с Галло и полудюжиной людей из его лаборатории. Японских исследователей было пять или шесть, Хинама, Иёши, Йошида и Такасуки среди них, — то есть люди, внесшие фундаментальный вклад в исследование лейкемии. При обсуждении проблемы стало ясно: многое нужно, даже очень нужно делать — а пока ничего не делается. Я предложил выяснить, могут ли человеческие ретровирусы, такие, как вирус Т-клеточной лейкемии, подавлять иммунитет наподобие того, как подавляют иммунитет кошачьи ретровирусы — ведь и в том, и в другом случае поражаются одни и те же клетки, лимфоциты. Мне предложили заняться этим самому.

— А какие же клетки иммунной системы поражает вирус Т-клеточной лейкемии?

— Лимфоциты Т4 — те самые клетки, какие поражает и ВИЧ. Не совсем еще ясно, через одни и те же рецепторы происходит заражение либо через разные, — но клетки определенно те же самые. И стратегии поведенческие одинаковые: заражение через секс и от матери к ребенку, хотя ВИЧ, кажется, более эффективно передается через кровь, чем HTLV-1.

И по сей день HTLV-1 остается причиной многих случаев лейкемии в Японии и США, среди аборигенов Австралии, в Перу, Колумбии, Эквадоре, Африке, в странах Карибского бассейна и среди эскимосов Северной Канады. По словам Эссекса, распространяется эта лейкемия почти как СПИД, хотя от страны к стране доминирующие способы распространения болезни отличаются. В Японии вирус распространяется главным образом от матери к ребенку при кормлении грудью, а в обеих Америках и Австралии — через сексуальные контакты и через зараженные шприцы для инъекций, кровь для переливания и препараты на ее основе. И проявление заболевания также напоминает СПИД — большинство пациентов умирают от последствий разрушения иммунной системы. Лишь у малой части пациентов развивается поражение нервной системы и у еще меньшего числа, по истечении долгого времени после заражения — рак крови. Сходный вирус, HTLV-2, поражает тех, кто вводит внутривенно наркотики.

Я весь превратился в слух, когда Эссекс рассказывал о том, как раскрывалась тайна пандемии СПИДа, о первых шагах к разгадке.

— Мы изучали подавление иммунитета при заражении HTLV и совместно с Галло выдвинули гипотезу о ретровирусах как возможной причине СПИДа. И как раз в это время, в канун 1982 года, было объявлено о клиническом определении СПИДа как отдельного заболевания. Еще до открытия ретровируса, вызывающего его, мне позвонил глава Центра изучения приматов в Новой Англии Рон Хант и сообщил: случаи, подобные описанному нами подавлению иммунитета у кошек и подавлению иммунитета у человека при СПИДе, наблюдаются в его обезьяньем питомнике при Гарварде — этот питомник располагается в полусотне километров от кампуса медицинского факультета. Хант попросил меня приехать и обсудить ситуацию — возможно, я смогу указать на причины заболевания? Я приехал, побеседовал с Роном, с Норманном Летвином и еще с парой исследователей и предложил взглянуть на образцы крови и тканей. Мы обнаружили вирус у животных, больных лимфомой, и у тех, кто жил с ними рядом, хотя еще и не болел. Используя электронный микроскоп и серологические методы, мы доказали — это был ретровирус. У многих болевших лимфомой обезьян и у тех, кто лимфомой не болел, но был заражен и страдал от подавления иммунитета, обнаружились антитела к вирусу, кросс-реактивному и морфологически сходному с вирусом HTLV-1, заражавшим японцев. Когда же был обнаружен вирус, вызывавший СПИД[22], то есть ВИЧ-1, у нас уже были образцы вируса, вызывавшего подавление иммунитета у обезьян, и мы задались вопросом: насколько схож этот вирус с ВИЧ-1? Я сотрудничал тогда с Роном Дестрозье и Нормой Летвин, работы в моей лаборатории координировала Филис Канки, в то время моя аспирантка. В крови у больных обезьян мы обнаружили неизвестный ранее вирус, названный нами STLV–III. Это был вирус, теперь известный как ВИО (вирус иммунодефицита обезьян)[23]. Конечно, открытие вируса иммунодефицита обезьян сыграло важнейшую роль в нашем понимании происхождения СПИДа. Но это открытие позволило сделать важное заключение о происхождении вируса — ведь в те времена еще никто и понятия не имел, в каком месте Земли и от чего произошел вирус иммунодефицита человека. Как только мы поняли, что нашли у обезьян вирусы, родственные ВИЧ и HTLV-1, то заключили: наиболее вероятное место происхождения ВИЧ и HTLV-1 — Африка, и, возможно, переходное звено от обезьяньего вируса к человеческому тоже стоит поискать в Африке. За год-два до того голландские и бельгийские исследователи опубликовали работы по клинической диагностике СПИДа у африканцев. И потому мы сказали себе: «Может, нам стоит присмотреться к африканцам с высоким риском СПИДа: проституткам, пациентам с венерическими заболеваниями и, возможно, к больным заразными болезнями — и поискать вирус переходной формы от обезьяньего к человеческому». Мы исследовали образцы крови у людей этой группы риска и нашли кросс-реактивные антитела, а затем и сам вирус.

О каком же вирусе говорил Эссекс?

— Люди были заражены вирусом, очень напоминающим обезьяний, практически неотличимым от него, — сказал профессор. — Этот новый вирус был родственен ВИЧ-1, но ощутимо от его отличался.

Как и ВИЧ-1, этот второй по счету ретровирус человека был выделен Люком Монтанье из Института Пастера и определен как второй вирус иммунодефицита человека, или ВИЧ-2. Меня очень заинтересовало родство между этим вирусом и ВИО, ранее открытым группой Эссекса.

— Позднее обнаружилось, что обезьяны Западной Африки бывают носителями целого ряда вирусов иммунодефицита. Некоторые из них, в частности обезьяны-эндемики, например мартышки мангобеи, являются носителями вируса, неотличимого от ВИЧ-2, поражающего живущих на этой территории людей. При этом существуют разновидности ВИЧ-2, поражающие людей на разных территориях, и они существенно отличаются друг от друга, но вирусы у людей и обезьян, живущих на одной территории, не отличаются.

Я глубоко задумался над услышанным. Обезьяний вирус иммунодефицита и человеческий ВИЧ-2 — это практически один и тот же вирус. Говоря словами профессора: «Попросту мы зовем его одним образом, когда он у обезьян, и другим, когда у людей». Но из этого заключения следует очень важный вывод: что ВИЧ-1 перешел к людям от группы шимпанзе, у которых он свободно распространяется в тканях и внутренних органах, но болезни не вызывает. Подобно ВИЧ-1 у шимпанзе, ВИО также свободно размножается в тканях мангобеев, не вызывая заболевания. Но при встрече с новым подходящим носителем вирус ведет себя очень агрессивно. Для подтверждения достаточно вспомнить события в обезьяньем питомнике Гарварда, где африканские мангобеи, носители ВИО, были помещены в один вольер с азиатскими макаками. А вспомнив, не слишком удивишься и возможности заболевания людей после контакта с шимпанзе, носящими сходный с ВИЧ-1 вирус обезьяньего иммунодефицита.

Придя к такому выводу, я начал задавать вопросы:

— Предположим, что некий вирус уже долгое время обитает в животном и оба достигли в развитии той стадии, когда сосуществование с вирусом не приносит вреда животному. И вот некий сходный вид животных приходит в контакт с данным видом. Кажется весьма вероятным, что вирус, перекочевав от одного носителя к другому, начнет себя вести до крайности агрессивно. Возможно ли, что это есть проявление эволюционного механизма? А вдруг это симбиотическое проявление эволюции, развитие сосуществования между вирусом и носителем? Но что тогда получает животное-носитель от сосуществования? На ум немедленно приходит вывод: польза хотя бы оттого, что животное близкого конкурирующего вида, захотевшее занять экологическую нишу нашего животного, погибнет от заболевания, вызываемого поменявшим хозяина вирусом.

— Да, вполне логичная гипотеза, — согласился Эссекс. — Я мыслил сходным образом и пришел к похожим выводам. Они отражены в моих публикациях — например, в статье, опубликованной в «Сайнтифик Америкэн». Там я сопоставил данные о поведении вируса обезьяньего иммунодефицита, заражающего различные виды обезьян, с данным Франка Феннера об эпидемии миксоматоза в Австралии. Когда первые европейцы привезли домашних кроликов в Австралию, те удрали и, поскольку в Австралии нет хищников, способных эффективно контролировать популяцию кроликов, нет ни лис, ни хорьков, кролики чрезвычайно размножились и принялись уничтожать посевы. Австралийцы решили уничтожить кроликов и заразили их миксоматозом — заболеванием для кроликов новым. Эпизоотия распространялась быстро и эффективно, истребив 99,8 процента популяции. Но затем случились две непредвиденные вещи. Первая: за четыре года выжившие размножились и новая популяция оказалась устойчива к миксоматозу — их не убьешь даже новыми его штаммами. Вторая: сожительствующий с кроликами вирус стал для них менее опасным. Думается мне, это бесспорное и ясное доказательство приспособления и носителя, и вируса к оптимальному выживанию обоих. Теперь, если привезти новых кроликов, их положение окажется незавидным. Пережившие эпидемию кролики носят в себе вирус, но могут с ним жить, могут оставаться совершенно нормальными и здоровыми, а носимый ими вирус остается в достаточной степени опасным и заразным, чтобы истребить новоприбывших кроликов-конкурентов.

Я сделал следующий шаг:

— Некоторые вирусы герпеса становятся в особенности болезнетворными, когда переходят от одного вида обезьян к другому. Не кажется ли вам, что и в случае ВИЧ мы наблюдаем то же самое?

— Конечно! — подтвердил профессор. — Думаю, самые яркие примеры этого — вирусы Herpesvirus simiri и Herpesvirus anteles. Они сосуществуют мирно, не вызывая болезни, с какой-нибудь одной разновидностью обезьян, скажем паукообразными обезьянами или беличьими саймири, но при переходе к другим разновидностям эти вирусы вызывают тяжелые, зачастую смертельные заболевания.

— То есть вы согласны, что в данном случае наблюдается пример индуцированного симбиозом эволюционного изменения?

— Думаю, можно даже доказать наблюдениями, что наиболее подверженные болезни обезьяны-конкуренты способны занять ту же экологическую нишу, что и носители вируса, и едят ту же пищу. В то же время обитающие на этой же территории обезьяны, занимающие другую нишу и едящие другую пищу, гораздо менее восприимчивы к вирусу.

Когда два или более партнера вступают во взаимовыгодный симбиоз, всякий партнер привносит качества, каких не хватает остальным. Роль носителя вируса в симбиозе очевидна: он предоставляет вирусу жилище и свой генетический механизм, позволяющий вирусу размножаться. Без носителя вирус не выживет. Польза от вируса не столь очевидна, но ведь ключевая особенность вирусов — то есть его эволюционная «черта» — это способность представлять собой смертельное оружие. Именно это вирус может дать носителю. На примере морского слизня Elysia chlorotica мы видели, как ретровирусы, спокойно обитающие в тканях и ядрах клеток, вдруг становятся агрессивными и убивают носителя в конце его жизненного цикла. В книге «Вирус X» я впервые выдвинул эволюционную концепцию «агрессивного симбиоза» как важного механизма (отнюдь не объявляя его единственным!) эволюции во многих естественных ситуациях, и прежде всего при взаимодействии болезнетворных вирусов и их носителей. Но определение и описание этого механизма было лишь первым шагом создаваемой мною теории. Оставалось еще выяснить, как именно, в эволюционном смысле, механизм работает, как развивается партнерство вирусов и их носителей в природе.

Начал я с пары разумных и логичных предположений. Первым делом я решил в общем и целом согласиться с концептуальной подоплекой эволюционных исследований в вирусологии. Также я принял, что дарвинизм и симбиогенез не являются взаимно исключающими. Есть убедительнейшие доказательства того, что в природе работают оба этих эволюционных механизма. А это значило, что каждый случай взаимодействия вируса с носителем нужно, во-первых, рассматривать как отдельное самостоятельное явление, а во-вторых, рассматривать его как с традиционно дарвиновской, так и с симбиогенетической точки зрения, а не порознь с той либо другой. Иногда доминирующим механизмом эволюции может оказаться дарвиновский, то есть выгода отдельного организма, селекция на уровне отдельных, «эгоистичных» генов. Иногда же доминирующим механизмом эволюции может оказаться нечто весьма близкое к симбиогенезу, то есть отбор будет работать в сторону улучшения взаимодействия вируса и носителя. И я не вижу причин, почему в определенных ситуациях не работать обоим механизмам одновременно: скажем, в начале может работать «эгоистический» отбор, но затем во главе угла окажется взаимовыгодное сосуществование. Такой подход вполне согласуется с оригинальной точкой зрения де Бари. Более того, он согласуется и с математическим моделированием, проведенным двумя оксфордскими исследователями, профессорами Андерсоном и Мэем, посвятившим в начале 90-х годов XX века немало времени исследованию динамики взаимодействия вируса с носителем, их коэволюции — дарвиновской теории, концептуально весьма близкой симбиотической точке зрения на сосуществование видов.

В последующие годы я продолжал работать над изучением болезней, вызываемых вирусами, их зарождения и развития, и обнаружил, что агрессивный симбиоз проходит в развитии через серию весьма специфических и отчетливых стадий. Предварительная стадия сводится к тому, что вирус находит нового для себя партнера. Образ взаимодействия вируса с этим партнером сильно зависит от того, насколько близок новому носителю вид, изначально носивший вирус. Если близок, то вирус может использовать прежние, уже хорошо развитые, отработанные стратегии размножения, если нет — должен искать новые, и потому сперва его способность передаваться от одного нового носителя к другому может быть невысокой. «Безымянный» («Sin Nombre») хантавирус перешел к людям от грызуна и, хотя убивал большой процент заразившихся, между людьми практически не передавался. Вызвавшие печально знаменитые эпидемии геморрагических лихорадок последнего времени африканские вирусы Марбург, Ласса, Эбола, южноамериканские Мачупо и Хунин вели себя так же. Ласса, Мачупо и Хунин перешли от грызунов и практически не могли распространяться между людьми. Еще не установлены с достоверностью природные носители Марбурга и Эболы, но их неспособность передаваться от человека к человеку тоже предполагает природного носителя, биологически весьма далекого от человека. В этих случаях генетическое различие между новым и старым носителями делает невозможной эволюционное развитие нового симбиоза. Но если вирус переходит от генетически родственного вида — например, вирус кроличьего миксоматоза, симбиотичный бразильскому лесному кролику, или вирусы ВИЧ и HTLV, перепрыгнувшие от мартышек и шимпанзе к близкородственному им человеку, — генетическое сходство носителей открывает путь эволюционной динамике. Поскольку механизм иммунитета и ткани нового носителя уже «знакомы» вирусу, прежние стратегии размножения вируса будут работать с новым хозяином почти так же, как и со старым. Более того, все такие «родственно-кочующие» вирусы обладают важным общим свойством: единожды попавши в нового индивида либо биологический вид, они уже никогда и никуда не уходят, ни из отдельного индивида, ни из пораженной популяции, ни из вида в целом. Это свойство в биологии называется «персистентностью», а такие вирусы называются «персистентными вирусами». Очевидно, столь долгое и по необходимости весьма тесное сосуществование влечет за собой значительные эволюционные последствия и для вируса, и для носителя.

Чтобы вирус мог долгое время сосуществовать с носителем, очевидно, носитель должен оставаться в живых достаточно долгое время. В некоторых случаях такое сосуществование может и не приводить к заметным болезненным проявлениям. Я даже осмелюсь предположить, что, скорее всего, довольно большое число вирусов вступают во взаимодействие с новыми носителями, не приводя к замечаемым нами болезням, и такое взаимодействие, естественно, чаще всего ускользает от нашего внимания. Но в случае миксоматоза и ВИЧ новый хозяин, будь то австралийский кролик или человек, не способен мирно сосуществовать с вирусом. Весьма устрашающий процент, 99,8 процента австралийских кроликов и около 98 процентов людей не могут пережить первый контакт с вирусами соответственно миксоматоза и ВИЧ-1. Вот это и есть первая стадия агрессивного симбиоза: вторгшийся вирус убивает всех, не способных вынести его присутствие. Я обозначил это ужасающее явление как «выбраковка болезнью». Так оно было с миксоматозом и кроликами и, надо думать, со СПИДом и нашими человеческими либо дочеловеческими предками, заселившими протяженную и непрерывную область африканских тропических лесов. Нетрудно представить, что «выбраковка болезнью» оставит от популяции новых носителей лишь часть, способную перенести присутствие вируса и потому генетически отличающуюся от остальных, вымерших членов популяции — и от прочих особей этого вида. Хотя выжившие могут и не быть целиком здоровыми и жить в среднем меньше, но главное в эволюционной перспективе то, что они способны долгое время сосуществовать с вирусом. Наступает время второй стадии агрессивного симбиоза: долговременное взаимодействие вируса и носителя, коэволюция, потенциально способная привести к выгоде для обоих.

Такова моя теория. Некоторые, возможно, не согласятся с нею — но таким скептикам замечу: теория вполне устойчива к критике. Если я прав и агрессивный симбиоз, развившийся во взаимовыгодное партнерство, обычен в природе, то этот можно подтвердить нахождением патогномоничного признака данного партнерства: естественного отбора, работающего именно на уровне партнерства.

Один из важнейших подарков молекулярной генетики эволюционной биологии — это возможность прослеживать изменения в последовательностях ДНК с течением времени и определять таким образом, какие последовательности сохранены естественным отбором, а какие нет. Вирусы, как мы знаем, эволюционируют с ошеломляющей скоростью. Поэтому если при изучении вируса, сосуществующего с носителем, обнаружатся устойчивые в течение долгого времени вирусные геномы — это окажется веским аргументом в пользу естественного отбора, работающего на уровне партнерства. Если же удастся сделать следующий шаг и показать, что именно этот сохраняющийся вирусный генетический код способствует выживанию носителя — или, говоря в терминах симбиоза, способствует выживанию на уровне голобионта, — это будет бесспорным доказательством справедливости симбиотической эволюционной парадигмы вируса и носителя.

В сущности, найти в природе доказательства естественного отбора на уровне партнерства не так уж и сложно.

Наверняка многие мои читатели, биологи либо нет, знакомы с довольно-таки жестоко устроенным жизненным циклом ос-паразитов. Около двадцати пяти тысяч видов этих насекомых живут в агрессивном симбиозе с двадцатью тысячами видов полиднавирусов. Симбиоз стал настолько глубоким, что многие полиднавирусы активно участвуют в процессе размножения ос и сформировавшиеся, готовые к размножению вирусы уже присутствуют в откладываемых осой яйцах. Вирусы могут обитать вблизи яичников осы либо просто синтезироваться клетками осы к моменту откладывания яиц; вместе с яйцами вирусы неизбежно попадают в гусеницу-жертву. В нормальных условиях яйца осы не выжили бы в гусенице — ее иммунная система заметила бы и уничтожила их. Но вирусная инфекция парализует иммунную систему гусеницы, а затем изменяет ключевые жизненные процессы организма гусеницы, превращая ее в живые консервы для личинок ос. Биологи не устают удивляться изощренной сложности этого превращения: вирусы заставляют гусеницу производить сахара для питания личинок и даже нарушают работу гормональной системы гусеницы, не позволяя совершиться естественному метаморфозу гусеницы в бабочку либо мотылька.

Несомненно, в данном случае мы видим именно пример естественного отбора, работающего на уровне партнерства, — ведь эти осы, по сути, обязаны жизнью сосуществованию с полиднавирусами. А когда биологи исследовали сосуществование вирусов с осами-паразитами, то выяснили, что оно насчитывает как минимум семьдесят четыре миллиона лет и, значит, оно существовало уже во времена динозавров[24]. В свете теории симбиогенеза неудивительна и другая находка этих биологов: важнейшие группы вирусных генов остались неизменными в течение столь огромного промежутка времени, естественный отбор их не затронул. Именно того и следует ожидать при взаимно выгодном симбиозе.

Уже на продвинутой стадии моих изысканий я обнаружил: знаменитый Феликс д’Эрель, один из открывателей бактериофагов, признанный «отец» и молекулярной биологии, и вирусологии, весьма живо защищал идею о способности бактериофага выступать в качестве партнера в симбиозе. Но те, кто занимались эволюционной вирусологией, попросту проигнорировали эту идею. Несомненно, тому были причины, коренившиеся в разногласиях между дарвинизмом и симбиогенезом на тогдашней стадии развития обеих теорий. Вышло так, что вирусология и теория симбиоза сделались отдельными, практически игнорирующими друг друга дисциплинами. Хотя столь крупные специалисты, как Ледерберг и Эссекс, с энтузиазмом говорили о возможности симбиоза во взаимоотношениях вируса с носителем, эта идея не была принята большинством ученых из той и другой областей.

Насколько я знаю, никто и никогда не читал докладов о вирусах ни на единой конференции Международного общества по изучению симбиоза, проводимой раз в четыре года. Несмотря на чрезвычайную важность исследования бактерий для симбиологии — что давно привело симбиологов к рассмотрению бактерий как симбионтов, — ни в книгах, ни в докладах, ни в журнальных публикациях я не смог найти никаких свидетельств того, что вирусологи-эволюционисты хоть раз обращали внимание (я уже не говорю про серьезные исследования) на динамику симбиоза с вирусами.

Для некоторых читателей, в особенности не занимающихся наукой, тоже может показаться странным взгляд на вирусы как на симбионты. Разве вирусы — не жуткие патогены, абсолютно эгоистичные разрушительные генетические паразиты? Конечно, они паразиты, но рассматривать их лишь как паразитов — это не видеть целого. В конце концов, паразитизм — тоже разновидность симбиоза.

Несомненно, агрессивный симбиоз в стадии «выбраковки» — исключительно неприятное явление. И к сожалению, если искать его примеры в природе, то они находятся без труда. Один из вероятных примеров — это битва за территорию между британской рыжей белкой и ввезенной из Америки серой белкой, угрожающая вымиранием рыжей белки на территории Великобритании. Сперва натуралисты полагали: серая белка выигрывает битву за выживание, поскольку она больше и агрессивнее аборигенной рыжей. Но теперь известно: серая белка — носитель вируса беличьей оспы, для серой белки безвредного, но смертоносного для рыжей. Вирус легко переходит на рыжих белок, вступая в агрессивный симбиоз с ними. Как и вирус кроличьего миксоматоза, распространение вируса беличьей оспы сопровождает распространение серых белок.

После публикации «Вируса X» я продолжил работу над развитием и доказательством концепции вирусов как симбионтов. В свете эпидемии СПИДа, которая все больше завладевала моими мыслями, я понял, насколько важным может быть правильное понимание симбиотических возможностей вирусов для людей. Понимание это зародилось в беседе с Максом Эссексом, когда мы обсуждали возможные пути перехода ретровирусов от одного вида к другому. В то время я уже знал, что носителями ретровирусов могут быть и обезьяны, и люди, и коровы, и куры, и грызуны. Я спросил, насколько же ретровирусы распространены в природе.

— Они везде, и, несомненно, их куда больше, чем мы обнаружили на сегодняшний день, — ответил он.

— Отсюда следует, что они сосуществуют с нами уже очень долгое время?

— Да, скорее всего, так оно и есть.

Как уже писалось здесь, СПИД вызывается ретровирусом и, с человеческой точки зрения, действие этого ретро-вируса на человечество имеет далеко идущие последствия. Если я не ошибаюсь в моих рассуждениях, СПИД — эволюционный феномен. В самом деле, даже из нашей беседы с профессором Эссексом можно сделать однозначный вывод: СПИД — лишь последняя в ряду подобных ретровирусных инфекций человечества, поражавших и наших далеких дочеловеческих предков. И каждая такая инфекция влекла за собой эволюционные последствия. Если оно так на самом деле, можно ли экстраполировать эволюционные уроки, преподанные нам СПИДом, на прошлое? Можно ли использовать знание о СПИДе для выяснения того, насколько вирусные инфекции определили эволюцию человечества?

Я начал искать подтверждение своей идеи. Но она казалась слишком новой и шокирующей, многие ученые отказывались даже обсуждать ее. Но в последующие годы я нашел четыре научных группы, занимавшиеся поисками свидетельств о существовании в прошлом «выбраковок» человечества посредством вызванной вирусами болезни. Все четыре группы, сравнивая митохондриальные и ядерные гены человека и шимпанзе, нашли доказательства таких «выбраковок». Тогда я принялся копать глубже, отыскивая доказательства работы естественного отбора на уровне партнерства во взаимодействии ВИЧ-1 и человеческого генома. Но интересующие меня данные появились только в 2004 году — в виде статьи в «Нейчур». Статья называлась «Доминирующее влияние HLA-В на возможную коэволюцию ВИЧ и HLA»[25]. Использование термина «коэволюция» в статье весьма значимо. Аббревиатурой HLA обозначаются антигены лейкоцитов человека — это производные группы генов в шестой хромосоме, играющие ключевую роль в иммунной системе организма. HLA-В и HLA-A обозначают два таких гена, помогающие нашему телу отличить свои, произведенные телом белки от белков, произведенных чужеродными пришельцами, такими, как вирусы. В статье сообщалось о нескольких важных результатах наблюдений. Прежде всего скорость прогрессирования СПИДа сильно зависела от экспрессии гена[26] HLA-В, но не от экспрессии HLA-A. То есть в естественном отборе при взаимодействии человека и ВИЧ-1 доминирующее эволюционное влияние на вирус оказывал именно ген HLA-В, а не HLA-A. С точки зрения человеческой и медицинской, это значит, что чаще всего СПИД будет поражать людей-носителей определенного вида генов HLA-B.

Говоря просто и прямо, тут мы наблюдаем явный пример естественного отбора на уровне симбиотического взаимодействия вируса и его носителя-человека в условия пандемии СПИДа.

Мы разговаривали с Эссексом и об удивительном открытии ретровирусной ДНК в человеческом геноме. В нем содержатся и цельные вирусные ДНК, и обрывки их, а также их производные, которые, возможно, играют важную, хотя еще и не до конца понятную роль.

Я спросил, в чем, по его мнению, эта роль.

— Я не могу сказать, в чем она, — ответил он, — но смею предположить: наверняка эти участки вирусной ДНК в геноме человека небесполезны и сохранились в силу исполнения ими некой практически важной функции.

Затем профессор пустился в рассуждение об общих свойствах контроля экспрессии генов у разных биологических видов. Сейчас становится все очевиднее, что у многих очень разных форм жизни последовательности, контролирующие экспрессию, весьма сходны — и эти последовательности очень важны для нормального функционирования отдельных генов и генома в целом. Возможно, как раз в процессе симбиоза с вирусами их контрольные последовательности и были «захвачены» носителями-млекопитающими.

Хотя Эссекс рассуждал с дарвиновской точки зрения, его суждения с легкостью укладываются в симбиологический контекст. И если их принять, немедленно встает вопрос: быть может, симбиогенез вируса и его носителя на самом глубинном, генетическом уровне, слияние цельных геномов, и есть именно то, о чем говорил Мейнард Смит, — внезапное фундаментальное изменение? Быть может, такой симбиогенез сыграл важную конструктивную роль в человеческой эволюции?

5. Парадоксы человеческого генома

Тогда я задумался над вопросами глубокими и фундаментальными, над тем, отчего эта первая клетка, должная развиться в плаценту, оказывает такое влияние на репликацию вируса. Я размышлял над этим и над подобными же вещами следующие тридцать лет.

Луис Вильярреал [27]

Честно говоря, для всех нас явилось шоком удивительное, почти невероятное достижение, представленное в феврале 2001 года сразу двумя конкурирующими группами. Тогда впервые были обнародованы результаты полной расшифровки человеческого генома. Несомненно, для биологии это достижение воистину потрясающее, исполинское и обреченное войти в историю как величайшее человеческое достижение двадцать первого столетия — достойный преемник славы открытия ДНК в двадцатом столетии и построения дарвиновской теории в девятнадцатом.

Но для обычной, далекой от науки публики парадоксальность великого открытия целиком потерялась среди журналистского визга и профессиональной терминологии. Ведь даже ученым это расшифровка генома не разъяснила целиком и полностью, как же именно работают гены и хромосомы, и тем паче не разъяснило, отчего и почему один человек так отличается от другого.

Я уже упоминал об удивлении, сопровождавшем открытие того факта, что наша библиотека генов относительно невелика: всего двадцать тысяч томов. Наш набор протеинов, куда более многочисленный, отнюдь не кодируется посредством взаимно однозначного соответствия с определенным геном. Каждый белок кодируется набором определенных участков гена, известных как «экзоны», разделенных загадочными не участвующими в кодировании белков участками ДНК, известными как «интроны». Более того, контроль над процессом кодирования белков оказался на удивление сложным. В ДНК присутствуют определенные «бюрократические» участки, соседствующие с каждым геном либо окаймляющие его, и эти участки решают, как и когда данный ген активируется. Другое собрание «бюрократов» решает, какие именно экзоны задействовать и соединить в единое целое посредством процесса, называемого «альтернативным сплайсингом». Для иллюстрации того, до каких крайностей может дойти этот удивительный механизм, рассмотрим ген мухи-дрозофилы, называемый Dscam. Этот ген способствует росту нервов у эмбриона мухи-дрозофилы[28]. Он составлен из двадцати четырех экзонов. С трудом поддается воображению, как генетические «бюрократы» смогли выбрать и состыковать в нужном порядке экзоны из разных участков ДНК — и при том, что пришлось выбирать из 38 000 различных комбинаций. И это все для кодирования единственного белка!

В открытом человеческом геноме оказалось много поразительного: от сложнейшей системы контроля до таинственно бездействующих интронов, играющих, однако, немаловажную роль в странной лотерее построения белков. Но страннее всего оказалось распределение частей человеческого генома, какими они предстали после работы по дешифровке. Было довольно-таки обескураживающим обнаружить, что «позвоночная» часть нашего генома, то, что делает нас теплокровными животными и людьми, — занимает не более полутора процентов генома. В то же время человеческие эндогенные вирусы, HERV, занимают почти девять процентов! Более того, огромные куски генома соответствуют вовсе уж непонятным образованиям, например, таким, как LINE (занимает 21 процент) и SINE (занимает 13 процентов), а также включает большое число образований, известных как Alu-повторы.

Перед нами лежит во всем гаргантюанском великолепии парадокс нашего существования, наследство миллиардов лет эволюции. Но если б мы только понимали, что же именно перед нами…

Как в матрешке, здесь за одной тайной скрываются все новые и новые. Так начнем же штурмовать их простым вопросом: что такое человеческие эндогенные вирусы, или HERV, и отчего они занимают столь значительную часть человеческого генома?

Боюсь, тянущееся десятилетиями упорное нежелание рассматривать вирусы в качестве симбионтов привело к целому ряду недоразумений и непониманий. И теперь, чтобы двигаться вперед, необходимо их разрешить.

В 1959 году выдающийся генетик, нобелевский лауреат Сальвадор Лурия предположил: вирусы-фаги — это мобильные сегменты генетического кода бактерии-носителя, чья функция — переносить ДНК от одной бактерии к другой. По-видимому, его мнение повлияло на исследования выдающегося биолога и тоже нобелевского лауреата Говарда Темина, одного из открывателей принципиально важного для ретровирусов энзима, обратной транскриптазы. Открытие обратной транскрипции Темином и Дэвидом Балтимором пошатнуло главную догму генетики того времени. Это открытие показало: генетическая информация не обязательно идет от ДНК через РНК к белку. В определенных обстоятельствах, прежде всего с участием ретровирусов, генетическая информация может передаваться от РНК к ДНК. Это был революционный прорыв, давший возможность понять природу ретровирусов. В 1970 году Темин экстраполировал свое открытие, предположив, что ретровирусы — это отпрыски генома носителя. Если принять во внимание ограниченность знаний того времени и сложность взаимодействия вирусов с носителями, заключение кажется вполне логичным. В 1949 году выдающийся французский эксперт по бактериофагам, нобелевский лауреат Андре Львов предложил термин «профаг» для обозначения генома фага, интегрированного в ДНК клетки, но бездействующего, спящего в бактерии-носителе. Называя стадию внедрения генома ретровируса в геном позвоночных «провирусом», Темин имел в виду именно этот термин Львова. Гипотеза Темина о происхождении ретровирусов из элементов генома носителя стала известна как «гипотеза провируса». Если бы Лурия и Темин оказались правы, две из важнейших групп вирусов оказались бы лишенными эволюционной истории, свойственной другим формам жизни. Эти вирусы оказались бы поздними гостями без родословной, без эволюционного древа и истории. Однако большинство современных вирусологов придерживаются другого взгляда на природу ретровирусов, их происхождение и роль в эволюции. Эту роль можно наглядно проиллюстрировать на весьма ярком, хоти и не слишком приятном примере.

Коалы населяют прибрежные области Восточной и Южной Австралии от Аделаиды на юге до южных районов мыса Кейп-Йорк. Коала — символ штата Квинсленд, любимец детишек всего мира из-за внешней схожести с плюшевым медвежонком. Но, как любой австралиец знает с детства, коала вовсе не медведь, а единственный выживший представитель целого семейства сумчатых млекопитающих с эволюционной историей, насчитывающей от двадцати пяти до сорока миллионов лет. Факт подобного выживания предполагает, что коала выработали уникальные способности, позволяющие спокойно переносить жаркий и временами очень сухой климат их естественной среды обитания. Лишь три животных — коала, большая сумчатая летяга и кольцехвостый опоссум — приспособились жить, питаясь малокалорийными листьями эвкалипта. А коала даже умудряется получать из них и большую часть необходимой воды. Несмотря на внешность ожиревшего лентяя-обжоры, коала почти не имеет запасов жира. У него медленный метаболизм, и потому он кажется ленивым и апатичным. Эти прекрасные, воистину уникальные животные выжили, несмотря на интенсивную охоту и занятие людьми их среды обитания, но увы — сегодня перед коалами встал новый и, возможно, более страшный враг.

Последние сорок лет австралийские ветеринары наблюдают все более частые случаи лимфомы и лейкемии — рака различных клеток крови — у коал. Встревожившись, ветеринары провели более тщательное исследование и выяснили: уровень заболеваемости растет и в популяциях диких коал, и среди обитателей зоопарков Юго-Восточного Квинсленда. Распространение заболеваний указывало на их вирусную природу, и, принимая во внимание сходные случаи рака у людей, кошек и обезьян, наиболее вероятной причиной болезней признали ретровирус. Предположение было подтверждено Хангером и его коллегами с факультета зоологии университета Квинсленда: в крови больных коал и в пораженных раком тканях обнаружили ретровирус[29]. Его разглядели и сфотографировали под электронным микроскопом, подвергли генетическому анализу, выделили характерные ретровирусные последовательности и подтвердили: да, это новый вызывающий эпидемию вирус. Его назвали «ретровирус коалы», или KoRV. Генетические последовательности вируса обнаруживают сходство с последовательностями вируса, заражающего гиббонов и других человекообразных обезьян. То есть вирус мог перейти от них к коалам в недалеком прошлом.

Была открыта и странная особенность поражающего коал вируса. Он ведет себя не так, как ВИЧ и HTLV. Эти последние передаются от индивидуума к индивидууму, заражают и потому известны как «экзогенные» вирусы («экзо» и значит «внешний» — зараза, пришедшая извне). А ретровирус коал — внутренний, эндогенный. Он переходит к потомству с геномом, унаследованным от родителей. Лимфому и лейкемию вызывает вирус, гнездящийся в хромосомах коалы.

Это еще не конец истории про рак у коал — но мы к ней вернемся чуть позже. А сейчас я предлагаю немного отступить и рассмотреть жизненный цикл ретровирусов.

Как все прочие вирусы, они заражают некий биологический вид или несколько близких видов. Далее они попадают в кровь носителя, где выискивают подходящие клетки либо ткани. В случае ВИЧ-1 первичная цель вируса — лимфоциты, хотя вирус проникает во многие другие клетки и ткани тела. Нормальная же среда обитания вируса — геном носителя и его ближайшие окрестности. Вирус гнездится в хромосомах с их лабиринтом генов, сложной машинерией, позволяющей синтезировать белки, и неимоверно сложным контролирующим, «бюрократическим» генетическим аппаратом. Заметим походя, что вирусы — единственные организмы, настолько малые и примитивные, что способны обитать в геноме. Но как благодаря этому ничтожные по размерам вирусы столь могучи с эволюционной и болезнетворной точки зрения? Попадая в клетку, вирус немедленно вторгается в ядро, впрыскивает туда свой геном, объединяет его с геномом клетки, завладевает контрольными механизмами и заставляет чужой геном производить копии вируса.

Здесь стоит задержаться и задуматься хорошенько над возможными последствиями такого явления. Каждый день и каждый час в мире живого происходят разнообразнейшие взаимодействия вирусов с носителями, и в этих взаимодействиях сливаются геномы существ, принадлежащих к разным царствам живого, находящихся на самых разных ветвях эволюционного древа, от мельчайших и примитивнейших бактерий и археев до рыб-клоунов, морских слизней, орлов, парящих над морями и океанами, мартышек, горилл и орангутангов, населяющих тропические дождевые леса, и, в конце концов, до Гомо сапиенс, который хоть и оставил давным-давно африканскую прародину, тем не менее несет ее в своих генах. Возможно, нам повезло в том, что большинство таких слияний происходит в периферических тканях и органах и не оказывает существенного влияния на ход эволюции. Но иногда слияние происходит в жизненно важных органах и тканях и непосредственным образом сказывается на эволюционном процессе. Только представьте себе потенциал эволюционных изменений, несомых столь примитивным организмом, как вирус: он, приспособленный порабощать геном хозяина, может поселиться в половых клетках носителя, в сперматозоидах, в яйцеклетках — и передаваться по наследству! Эволюционные возможности подобного симбиоза на самом глубинном, генетическом уровне трудно недооценить.

Процесс передачи ретровируса по наследству получил название «эндогенизация». Эндогенизация превращает свободно блуждающий и заражающий клетки экзогенный ретровирус в упакованный в геном эндогенный вирус, отдавший свободу за долгую жизнь, возможно — и бессмертие в качестве составной части нового генома. С точки зрения симбиоза создается новый голобионтический геном, результат динамики взаимодействия ранее раздельных геномов вируса и носителя. На примере коал мы видим первый шаг этого поразительного взаимодействия, наблюдаем, как происходит эндогенизация в наших млекопитающих родичах.

В 2009 году австралийский ветеринар и вирусолог Рэйчел Тарлингтон была приглашена поработать на факультете ветеринарии Ноттингемского университета, и я воспользовался возможностью побеседовать с нею. В начале карьеры она была практикующим ветеринаром, но затем переключилась на исследовательскую работу в тематическом парке «Мир грез» в курортной зоне «Золотой берег» штата Квинсленд, где находится большой зоопарк со ста двадцатью коалами, которые свободно размножаются. В популяции наблюдалась очень высокая заболеваемость летальными формами лейкемии и лимфомы, и это побудило тамошнего ветеринара Джона Хангера предположить возможность ретровирусной эпидемии. Эта эпидемия и стала темой диссертационной работы Тарлингтон.

— Джон Хангер обнаружил, что это эндогенный ретровирус, то есть, конечно, унаследованный вирус, сделавшийся частью генома животного, — сказала мне Тарлингтон. — Обычно эндогенные вирусы не могут работать как вирусы — по крайней мере, так считалось традиционно. Считалось, что они — остатки прежних вирусных инфекций, сумевших внедриться в половые клетки. Перед нами встала непростая задача: вирус нашелся, но это был унаследованный вирус.

— В самом деле, странно, — согласился я. — Насколько я знаю, никто раньше не наблюдал процесс эндогенизации вируса. Думаю, это чрезвычайно важное наблюдение. Но откуда он взялся, этот вирус?

— Скорее всего, перешел от грызуна. Близкородственный вирус выделен у гиббонов. Обычно близкородственные вирусы переходят на близкородственные виды. Но есть ранние работы Джоанны Мартин и Майкла Тристема, проделавших большую работу по филогенезу ретровирусов мышиной лейкемии. Они, по сути, идентифицировали ретровирус коал или по крайней мере его часть, а также указали на два исключения из общего правила «близкородственного» перехода.

Мартин и Тристем хорошо знали, что ретровирусы способны переходить от одного носителя к другому между представителями одного вида, но иногда они переходят и к другим видам плацентарных млекопитающих. Их заинтересовала возможность преодоления ретровирусами гораздо большей эволюционной дистанции — например, между разными классами. Подобный «прыжок» для вируса — нечто совершенно экстраординарное. Подтип черепные, включающий класс млекопитающих, включает также семь других классов: костных рыб, птиц, рептилий и прочих. Для проверки возможности перехода между классами Мартин и Тристем стали искать эндогенные ретровирусы, родственные вирусу мышиной лейкемии, — он может быть как эндогенным, так и экзогенным у грызунов.

Результаты оказались весьма показательными[30]. Оказалось, что, хотя вирусы редко одолевают большие с эволюционной точки зрения расстояния, тем не менее они на это способны. Эндогенные вирусы, близкородственные вирусу мышиной лейкемии, широко распространены в геноме четырех классов наземных животных. Они встречаются, например, у таких амфибий, как прудовая лягушка, камышовая жаба, таких рептилий, как африканская гадюка и боа-констриктор, африканский карликовый крокодил и комодский дракон; у таких птиц, как шалашник, дрозд-белобровик, куропатка, крапивник, фазан и курица; у таких млекопитающих, как мыши, коты, коалы, опоссумы и ехидны. Большинство эндогенизировавшихся вирусов — последствия давних инфекций. Но обнаружились и два случая совсем недавней эндогенизации. В первом случае вирус встречается у многих видов птиц; он настолько схож с вирусом, найденным у ехидны — яйцекладущего млекопитающего, — что это подразумевает недавний переход вируса от млекопитающего к птицам. Во втором случае вирусом-путешественником оказался ретровирус коалы, который (что подтвердил Хангер) обнаружил чрезвычайное сходство с вызывающим лейкемию вирусом гиббонов, известным как GaLV. Вирусы коалы и GaLV отличаются не более чем разновидности GaLV у гиббонов, что приводит к выводу о недавнем переходе экзогенного вируса к коалам и последующей эндогенизации.

При дальнейшей работе Тарлингтон и ее коллег с вирусом коалы открылся целый ряд пугающих деталей — например, то, как именно внедрялся вирус в геном коалы. Количество фрагментов и место их внедрения в хромосомы могли очень сильно меняться от животного к животному[31]. Агрессивность вируса тоже сильно отличалась от обычно наблюдаемой у эндогенных вирусов, давно уже вошедших в геном носителя. Исследователи отметили это, заявив, что «KoRV по агрессивности больше походил на экзогенный, чем на эндогенный вирус». Они заново проверяли и перепроверяли данные, проводили тесты спермы, исследовали семейные группы, чтобы подтвердить эндогенность вирусов, их наследование от зараженных животных. И тут они обнаружили явление, удивившее их более всего.

В популяциях коалы в Квинсленде, занимающем северо-восток Австралии, вирус был распространен равномерно. Но в коалах юго-востока процент зараженных был меньше и по мере удаления от Квинсленда уменьшался. В Балларате рядом с Мельбурном лишь 60 процентов животных носили вирус, а далее на запад вдоль южного побережья, в сторону Кенгуриного острова, у двадцати шести исследованных животных не нашлось ни единого случая заражения. Далее исследователи проверили кровь 225 животных на острове — и тоже не обнаружили и следа заражения.

Отыскивая логическое объяснение находке, Тарлингтон с коллегами изучили историю австралийских популяций коалы от начала двадцатого столетия. Тогда коалы находились на грани вымирания, их интенсивно промышляли из-за пользовавшегося спросом меха. Поскольку в южной части Австралии в это время коал осталось мало, кто-то расселил коал в особых изолированных местах наподобие Кенгуриного острова. Этих коал использовали, чтобы пополнить популяции материковых коал.

— Вы полагаете, что вирус относительно новый и заражает коал лишь последнюю сотню лет или около того? — спросил я Тарлингтон.

— Насколько мы смогли выяснить, вирус начал интегрироваться в геном коал около сотни лет назад. И этот факт мы установили на основании того, что у коал южных популяций его нет. Отсюда можно установить время, когда вирус еще не начал распространяться. Кенгуриный остров был населен коалами где-то в 1920-х. Но эти коалы пришли с другого острова, где популяция была изолирована с конца девятнадцатого столетия.

Таким образом, австралийские биологи установили: вирусу австралийских коал всего век — в масштабах типичной эволюции время симбиотического взаимодействия попросту ничтожное.

Я попробовал прощупать глубже:

— Вы предполагаете, что этот вирус явился как экзогенный? Есть ли доказательства его экзогенности?

— Над этим работает аспирант Грег Симмондс. Установлено: несколько видов грызунов Юго-Восточной Азии являются носителями сходного вируса, но экзогенный он или эндогенный, пока еще неясно. Грег делает работу по грызунам Юго-Восточной Азии. Он еще не опубликовал ее, но можно уже предположить с большой степенью вероятности: коалы подхватили вирус от грызунов.

Мне становилось все более ясным: имеет место наблюдение агрессивного симбиоза в реальном времени, от агрессивного начального взаимодействия между экзогенным вирусом и носителями и «выбраковки» до партнерства на самом глубинном симбиогенетическом уровне, с последующим слиянием геномов.

— Вы обнаружили высокую вариативность вируса среди животных. Вариативность эта относится к индивидуумам, или к малым группам в популяции, или к популяциям? — спросил я.

— К индивидуумам. Мы исследовали несколько популяций, но в основном наша работа была сосредоточена на популяции «Мира грез». Там животные привыкли к людям, образцы крови и ткани можно забирать безо всяких проблем — тамошние коалы почти как домашние кошки. С диким животным такое обращение немыслимо. Но мы исследовали и диких животных, пользуясь возможностями больницы Квинслендской службы национальных парков. Это некоммерческая ветеринарная больница, лечащая больных животных.

— Я полагаю, коалы в «Мире грез» размножаются?

— Активно.

— То есть они — родственники?

— Да, хотя кто кому и какой родственник, понять непросто.

— Я имел в виду не одну семью, но кровнородственную группу, — пояснил я.

— Конечно, они в большей степени родственники, чем коалы дикой популяции, но они вовсе не чистая линия, как у лабораторных мышей.

— Но вы обнаружили высокую изменчивость в присоединении вируса к геному — колоссальную, по правде говоря. По-моему, это говорит о протекании активного эволюционного процесса. Вирус заражает разных животных различным образом — словно происходит исследование вирусом генома.

— Я бы сказала, тут происходят два различных процесса. Скорее всего, коалы обмениваются еще и экзогенной версией вируса.

— Но это, наверное, нелегко доказать — например, было очень трудно обнаруживать ВИЧ-1 на ранних стадиях развития СПИДа.

— Конечно, эндогенные вирусы легко обнаружить — они уже сидят в геноме. Доказательство экзогенной передачи намного труднее.

— Некоторые беспокоятся, что из-за эпидемии коалы могут вымереть.

— Этого не стоит опасаться. Популяция Квинсленда весьма успешна — только в Брисбене больше четырех миллионов коал. Вы можете представить такое в большом городе?

— Хорошо, я верю — коалы не вымрут. Но возможно, эпидемия создаст «бутылочное горлышко» выживания или наподобие того?

— Очень сомневаюсь. Популяции в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе процветают. Они в безопасности, причем нет даже и тени угрозы. А у популяции Южной Австралии дела еще лучше.

Эпидемия ретровируса коалы весьма наглядно демонстрирует, как быстро могут распространяться передаваемые половым путем болезни — и как быстро экзогенный вирус может превратиться в эндогенный, соединившись с геномом носителя. Эта стремительность подталкивает к выводу, что эндогенизация — свойство адаптивной стратегии вирусов. А этот вывод, в свою очередь, указывает: ретровирусы, как и бактериофаги, — настоящие «чемпионы» среди природных симбионтов. Как всегда в беседе с высококвалифицированным, опытным ученым, я узнавал много нового — и это способствовало развитию моих собственных идей. По заверениям Рэйчел, коалам вымирание не грозит, они даже и близко не подойдут к вымиранию — но заразится почти каждое животное. И я не думаю, что эндогенизируется в конце концов некая «более слабая» версия вируса — попросту те носители, кто не смог выдержать агрессивного симбиоза с вирусом, вымрут. Тут уместно упомянуть еще одно — и очень важное — обстоятельство.

До недавнего времени вирусологи полагали: подгруппа ретровирусов, известная как «лентивирусы» (включающая ВИЧ-1 и ВИЧ-2), — не подвержена эндогенизации, поскольку не было найдено ни единого примера эндогенизации лентивирусов. Но в 2007 году были опубликованы результаты совместного исследования ученых из Оксфордского и Стэндфордского университетов: у европейского кролика, Oryctolagus cuniculus, был обнаружен эндогенный лентивирус[32]. Затем в декабре 2008 года тот же коллектив сообщил об обнаружении первого случая эндогенизации лентивируса у примата, серого мышиного лемура Microcebus murinus, обитающего на Мадагаскаре[33].

В свете таких находок, а также учитывая пандемичность СПИДа и обилие вирусных остатков в человеческом геноме, напрашивается вывод о весьма важной роли ретровирусов в человеческой эволюции — причем роли, играемой прямо здесь и сейчас.

Изучая стремительно растущий корпус работ по эндогенным вирусам человека, я наткнулся на чрезвычайно оригинальные идеи Луиса Вильярреала, профессора Центра исследования вирусов и факультета молекулярной биологии и биохимии Калифорнийского университета. К моему удивлению и радости, я обнаружил: он был соавтором главы по эволюции вирусов в «Вирусологии» Филдса — настольной книги всех вирусологов. Более того, его исследовательские интересы были сосредоточены на явлениях самого глубинного уровня — молекулярной биологии и генетике вирусов, то есть там, где происходят интимнейшие явления генетического симбиоза. Но была еще одна, и даже более важная, причина, по какой я стал искать встречи с Луисом Вильярреалом. Вся его научная работа была посвящена детальному анализу эволюционного взаимодействия вирусов с их носителями, и, в частности, тому, как вирусы меняют эволюцию носителей. Несомненно, именно в этом направлении следует искать ключ к парадоксальной загадке, откуда столько вирусов в человеческом геноме. Я уверен, что ответ нельзя найти, рассматривая человечество само по себе, — его следует рассматривать исключительно как органичную часть всего живого на Земле.

Наш первый разговор мы начали с самых основ: когда и откуда явились вирусы?

— Тут есть, по мнению некоторых людей, дилемма, — заметил Вильярреал. — Вирус — паразит клетки. Следовательно, по их мнению, пока не образовались клетки, вирусов быть не могло. Но на самом деле вирусы могут паразитировать на любой способной к репликации системе, включая другие вирусы. В общих чертах, как только у вас появилось нечто способное к размножению, его может заразить вирус. В истории живого нет фиксированного момента, о котором можно сказать: «До него вирусов не было, а после — были». И в пребиотическом мире наверняка были генетические паразиты, паразиты всего, способного воспроизводить себя.

Мне стало любопытно, что же думает Вильярреал о распространенном убеждении многих генетиков и биологов о заимствовании современными вирусами генетического материала у носителей?

Вильярреал сказал, что придерживающиеся такого взгляда люди не понимают самой сути вирусов. Большинство вирусных генов не найдено ни у бактерий, ни у животных, ни у растений — да и ни в каком другом носителе. А это значит: вирусы способны сами по себе производить сложные гены. Большей частью их геномы — это коллекция разнородных частей, заимствованных у других вирусов. Океаны кишат подобными вирусами. По сути, прямо перед нашими глазами непрерывно происходит генетическое творение, причем в гигантских масштабах, — нечто вроде биологического «Большого взрыва».

Я спросил Луиса, что именно побудило его заподозрить возможную важность роли вирусов в эволюции их носителя.

— Я начал подозревать это, хотя довольно-таки смутно, еще в бытность мою студентом. Я тогда начал работать над персистентностью[34] вирусов.

Тридцатилетняя работа Вильярреала привела к убеждению: в тех случаях, когда персистентная стратегия доминировала в поведении вирусов, это радикально изменяло динамику взаимодействия вируса с носителем. Причем изменения были настолько сильными, что классическая модель взаимодействия хищник — жертва, известная как «модель Лотки-Вольтерра», оказывается неприменима. Мне идеи Вильярреала открыли новый взгляд на происхождение ретровирусов, составляющих столь значительную часть человеческого генома. Чтобы понять суть этих идей, нужно внимательно проанализировать, что значит дарвиновская концепция естественного отбора в применении к персистентным вирусам.

— Когда говорят о естественном отборе среди вирусов при их взаимодействии с носителями, почти всегда упускают из виду временной фактор, — сказал Вильярреал. — Что можно сказать об эволюционной приспособленности вируса, заселившего целый биологический вид, но сделавшего это через передачу по наследству? Традиционное понимание «приспособленности» тут не годится. Традиционное понимание опирается на представление об успешном размножении, репликации, но это представление никак не включает время. Следует задать себе вопрос: «Что значит „приспособленность“ для существа, ставшего практически бессмертным?»

Надо сказать, идея такого бессмертия показалась мне неоднозначной — хотя и заманчивой. В самом деле, это радикально новое объяснение поведения более чем двух сотен различных групп вирусов, вторгшихся в наш геном и геномы наших предков, — предположить, что эти вирусы обменяли возможность свободного горизонтального перехода между носителями на некий вид бессмертия. Геномы этих вирусов, их «эгоистичные» гены, их «бюрократы-контролеры» стали воспроизводить себя, только когда воспроизводил себя носитель, то есть когда воспроизводился голобионтический геном. Но ведь в таких экстраординарных условиях меняется и носитель. Невозможно полагать (как до сих пор делает большинство эволюционных биологов), что носитель до и после эндогенизации вируса — идентичен. Результат соединения вируса и носителя следует воспринимать с симбиотической точки зрения как новый голобионтический организм с новым генетическим кодом, рожденным объединением двух геномов: вируса и позвоночного. И это объединение — не просто механическая сумма. Объединение генома позвоночного с геномом вируса, приспособленного управлять геномом позвоночного, несомненно, в эволюционном смысле может быть куда плодотворнее, чем простая сумма двух геномов.

Поразмыслив, я пришел к мысли применить идеи Луиса Вильярреала к случаю с коалами. Прямо сейчас ретровирус коалы истребляет членов популяции, не могущих сосуществовать с ним. Репродуктивная стратегия этого вируса подразумевает вторжение в геном половых клеток коалы, причем осуществляемое разнообразными способами. Результатом этого становится эволюционная гибкость, недостижимая в случае раздельного развития и вируса, и носителя. Более того, эволюция симбиотического союза может быть подстегнута большой скоростью эволюционных изменений, присущей вирусам. В геноме нет антител, нет иммунной системы, нет препятствий для репликации вируса, хотя есть внутренние генетические и эпигенетические механизмы, способные, в принципе, препятствовать вирусному вторжению и репликации вируса. Сложное и агрессивное симбиотическое взаимодействие вируса с носителем происходит у сумчатых прямо сейчас и сопровождается жесткой селекцией, выбраковкой неспособных ужиться с вирусом. И кажется мне, результат здесь очевиден: за исключением изолированных популяций останутся лишь способные ужиться с вирусом, явится новое голобионтическое партнерство коалы и вируса.

Выходит, мы наблюдаем рождение нового вида не посредством линейного вертикального ветвления, как полагает неодарвинизм, а через соединение раздельных геномов, участвующих в симбиогенезе. По сути, возможность именно такого горизонтального видообразования долгое время исследовалась многими исследователями — например, Линн Маргулис, изучавшей симбиоз с бактериями-носителями. Трудно вообразить более жесткий и эффективный отбор, чем выбраковка посредством активного симбиотического вируса, передающегося через самый процесс размножения носителя?

В то время, когда состоялся наш первый разговор с Вильярреалом, мы оба были заняты написанием книг по материалам наших исследований. В том же году была опубликована моя книга «Слепое пятно Дарвина»[35]. В ней я сравнивал симбиотическую эволюцию с воззрениями современного дарвинизма, основанного на синтезе эволюционных идей тридцатых годов. В книгу я включил и две главы о вирусах. В одной я рассуждал о симбиозе «с точки зрения вирусов» и строго определил такой симбиоз, а в другой описал известные на то время примеры симбиоза с вирусами. Вильярреал же свою книгу «Вирусы и эволюция жизни» опубликовал несколькими годами позже. В ней он описал роль вирусов в эволюции живого от самого начала жизни до нынешнего ее разнообразия[36].

Вильярреал признался мне: у него есть трудности с формулировкой понятия симбиоза, когда речь заходит о вирусах. Я не слишком удивился. Моя предыдущая книга «Вирус X» заинтересовала некоторых вирусологов, но не убедила их в симбиотической природе вирусов. Среди же симбиологов книга вовсе не вызвала интереса. Так что, в сущности, трудности Вильярреала был следствием известного скептицизма, присущего и вирусологам, и симбиологам. Никто ранее не брался за разработку достаточно строгого и формального определения симбиоза с вирусами одновременно с симбиологической и вирусологической точек зрения, причем такого определения, чтобы оно было понятно и приемлемо для ученых из обеих этих областей. Тогда я объяснил Вильярреалу, что работаю над такой формулировкой, в частности, стараюсь определить вирусный симбиогенез с точки зрения генетики. Когда «Слепое пятно Дарвина» было опубликовано, я послал экземпляр Вильярреалу. Объяснение симбиоза с точки зрения вирусологии показалось ему полезным для исследователей, в особенности концепция «агрессивного симбиоза». Еще большее удовольствие доставило мне его приглашение провести серию семинаров на эту тему в его институте. Это было первым формальным признанием концепции вирусов как симбионтов в сообществе вирусологов.

С моей стороны я всецело приветствовал возможности, открывшиеся для меня вследствие редкого в научном мире плодотворного сотрудничества, основанного на взаимной симпатии, энтузиазме и бескорыстном интересе. Кроме того, мне многому можно было научиться у старшего — и выдающегося — коллеги.

Вильярреал обладает поразительно обширными и подробными знаниями о взаимодействии вирусов с их носителями. Одним из предметов его исследований были ретровирусы. Он предположил, что ретровирусы описали очень длинную эволюционную траекторию: от вирусов, селившихся в морских беспозвоночных, до вирусов морских предков позвоночных и, в конце концов, нынешнего человека. Исследования привели его к замечательному и многое объясняющему открытию: при каждом крупном эволюционном изменении — при возникновении хордовых, затем млекопитающих и приматов — возникало и множество новых видов ретровирусов. Это важная подсказка для задачи объяснения парадоксальной структуры человеческого генома. Вильярреал получил и еще один важный и позволяющий многое понять результат. Прежнее поколение генетиков-эволюционистов изучало странные элементы генома, известные как LINE и SINE, согласно принципам современного дарвинизма рассматривая их как отдельные, наличествующие у многих форм жизни сущности, произошедшие из генома и затем развивавшиеся в геноме. Но Вильярреал сопоставил и сравнил эти развивающиеся сущности с параллельной эволюцией ретровирусов, заразивших этих же носителей, и обнаружил значительную общность между тем и другим. Его данные и сделанные на их основе выводы позволили существенно углубить понимание того, как естественный отбор действует на ретровирусы в симбиозе с геномом, и понимание эволюционных истоков элементов LINE и SINE.

Линн Маргулис назвала внезапные и кардинальные изменения, происходящие вследствие симбиотического объединения геномов вируса и носителя, «эволюционным эквивалентом удара молнии». Но чтобы понять, каков будет эффект этого «удара молнии» в долгосрочной перспективе, и в особенности чтобы понять, каким образом это сыграло ключевую роль в формировании человеческого генома, нам следует изучить подробнее работу естественного отбора для ряда голобионтических партнерств вируса и носителя.

Можно узнать многое о механике подобного генетического союза на примере важнейшего симбиотического партнерства, способствовавшего созданию человеческого генома, — древнего эволюционного переворота, давшего нашим клеткам митохондрии, а нам — возможность дышать кислородом.

Цитируя Льюиса Томаса: «Нас сдают внаем, нас разделили и заняли. Внутри наших клеток живут, даруя энергию, позволяющую нам радоваться солнечному дню и стремиться к совершенству, сотни и тысячи созданий, в строгом смысле нам не принадлежащих, обитающих в цитоплазме — части клетки, лежащей между ядром и оболочкой»[37]. Большинство биологов принимают эволюционное объяснение их существования, впервые выдвинутое Маргулис в конце шестидесятых годов двадцатого века: более миллиарда лет назад дышащие кислородом бактерии вступили в голобионтическое партнерство с одноклеточным протистом (раньше их называли «протозоа»), который и стал предком всех животных, растений, грибов и дышащих кислородом протистов, населяющих сегодня Землю. Снова цитируя Томаса: «Они настолько же симбионты, насколько и ризобиальные бактерии, живущие в корневой системе бобовых и позволяющие накапливать азот. Без митохондрий мы бы не могли двинуть ни единым мускулом, не могли бы согнуть палец и думать не могли бы».

Чем же можно доказать подобное утверждение?

Доказательств известно несколько. Геном митохондрий составлен из типичных бактериальных генов, и они, в отличие от наших ядерных генов, соединены в кольцо, что характерно для бактерий. Размножаются митохондрии независимо от ядра, типичным для бактерий процессом почкования. Геномы митохондрий всех современных имеющих митохондрии форм жизни настолько генетически схожи, что они, несомненно, произошли от общего предка. Как ни удивительно, генетический анализ показывает: ближайший из современных родственников предка всех митохондрий — это бактерия Rickettsia prowazeki, возбудитель печально известного заболевания — разносимого вшами эпидемического тифа. Теперь нам известно: этот возбудитель тифа не может существовать самостоятельно, он чрезвычайно интенсивно (и зачастую агрессивно) взаимодействует с клетками носителя, геном его естественным отбором редуцирован и рудиментарен и не позволяет бактерии жить вне клеток-носителей.

Если изучить, как естественный отбор влиял на геном наших митохондрий в течение длящегося миллиард лет голобионтического симбиоза с ядерными клетками, обнаружится, что геном предка митохондрий претерпел радикальные изменения — был разрушен, упрощен. Большое число изначально присутствовавших генов исчезло, было выброшено за ненадобностью, а около трехсот генов переместились от митохондрии в ядро, где, в подобии уже обсуждавшегося здесь сожительства Elysia chlorotica с чужими хлоропластами, эти перенесенные гены продолжают работать согласованно с остатком генов митохондрии. Но не может не удивлять то, что за миллиард лет симбиоза геном митохондрии сохранил отчетливо бактериальный характер. Как мы увидим далее, понимание симбиотического происхождения человеческих митохондрий важно для изучения заболеваний, обусловленных нарушениями митохондриального генома.

Приведенный выше рисунок иллюстрирует структуру генома типичного ретровируса — такого, как вызывающий СПИД ВИЧ-1, или KoRV, вызывающий лейкемию у коал, или любой из 30–50 семейств HERV, входящих в обширную коллекцию вирусных компонентов человеческого генома.

При взгляде на этот рисунок видно: геном начинается и кончается с областей, обозначенных как «LTR» — это сокращение английского выражения «длинный концевой повтор» (long terminal repeat), и эти области — не гены как таковые, но «бюрократы» с чрезвычайно мощными «управленческими» способностями. Такие «бюрократы» встречаются только у вирусов, именно они несут способность манипулировать генетическим аппаратом носителя. Собственно вирусные гены, управляющие жизненным циклом ретровируса, содержатся в трех областях, обозначенных как gag, pol и env (эти обозначения принято писать курсивом). В области gag содержатся гены, кодирующие белки матрицы вируса (специфичные антигены), область pol кодирует важнейший для ретровируса энзим, обратную транскриптазу, и другие важные энзимы, включая «интегразу», позволяющую вирусной ДНК залезть в хозяйскую хромосому, область же env кодирует белки оболочки вируса.

С традиционной дарвиновской точки зрения, любое вторжение вируса в геном хозяина можно интерпретировать как «эгоистическое» действие с целью выживания этого вируса, и, вполне возможно, естественный отбор будет действовать во многом индивидуально для вируса и носителя. Однако, как мы уже видели на примере СПИДа, даже в разгар жесточайшей эпидемии можно наблюдать и отбор, работающий в значительной мере на уровне симбиоза. Во время активного распространения эпидемии логично ожидать неприятных последствий агрессивного симбиоза и «выбраковки» значительной части вида-носителя. Но, судя по эпидемии у коал, эта стадия может длиться не так уж много времени. «Выбраковка» приводит к созданию нового партнерства между вирусом и носителем, остатки вида размножаются снова, и эти остатки, активно взаимодействующие с вирусом, будут иметь эволюционное преимущество. Если экзогенная инфекция летальна для носителя, то совокупление носителя эндогенного вируса с теми, кто не носит эндогенный вирус, приведет к их гибели. А носители эндогенного вируса останутся заразными в течение очень долгого времени. Вирусные же элементы в геноме размножатся, внедрив себя в хромосомы, предоставив геному носителя уже готовые гены и мощные средства управления ими, — и это способно радикально изменить эволюционную траекторию новой сущности, нового голобионтического организма.

Вполне логично ожидать, что за сотню миллионов лет голобионтического партнерства млекопитающих и вирусов естественный отбор сделает с эндогенными вирусами то же, что и с митохондриями: выбросит ненужные вирусные гены и «бюрократические» управляющие элементы — но вирусов в геноме так много, что некое активное меньшинство будет присутствовать всегда. Оно всегда будет играть важную роль в голобионтической эволюции. Следует также ожидать, что вирусы даже после внедрения в наш геном и превращения в его часть по-прежнему останутся в сути своей вирусами. Если принять во внимание, что такое голобионтическое партнерство и естественный отбор у человека и его предков происходили с сотнями вирусов (в процессе чего и был создан человеческий геном), то понятной становится структура произошедших от вирусов частей человеческого генома.

Вильярреал полагает, что LINE и SINE, вместе составляющие тридцать четыре процента человеческого генома, либо являются производными ретровирусов, либо контролируются ими. Вывод обескураживающий и поразительный. Это значит: вирусы вместе с их производными и тесно связанными структурами составляют как минимум сорок три процента человеческого генома — и со временем, по мере дальнейшего исследования еще не расшифрованных частей генома, этот процент, скорее всего, увеличится. Скептики вполне резонно могут потребовать доказательств. И как же доказать столь созидательную роль симбиоза с вирусами в происхождении нашего генома? Для этого нужно искать доказательства естественного отбора на голобионтическом уровне при взаимодействии вируса с носителем. Более того, нужно продемонстрировать и важность геномных ретровирусов и их производных в человеческой генетике, развитии эмбриона, физиологии — и, конечно же, в возникновении человеческих заболеваний.

6. Как вирусы помогли нам стать людьми

Лишь на огне кузнец чекан дарит Куску железа, мудрый труд свершая; И, золота огнем не расплавляя, Высоких форм художник не творит[38]. Микеланджело

Вирусы долгое время рассматривали как чистейший пример эволюции путем естественного отбора. Я же утверждаю: вирусы являются также мощнейшей эволюционной силой, действующей посредством симбиогенеза. Вы спросите: отчего же потребовалось столько времени, чтобы прийти к пониманию этого? Ответ на этот вопрос сложен и во многом коренится в истории нашего знакомства с вирусами. Мы познакомились с ними, распознав в них возбудителей болезней, в том числе ужаснейших эпидемий, какие только знала человеческая история, — и смотрели на них лишь как на агрессивных и эгоистичных паразитов. Есть и другие, менее явные причины, и не в последней степени — распространенные заблуждения насчет сложности устройства вирусов, их эволюции и поведения. Многие из больших вирусов — например, вирусы оспы, вызывающие целый ряд болезней, от ветрянки у людей до бородавок у моллюсков, — на генетическом уровне гораздо сложнее, чем представляет большинство биологов. Еще более удивительна и сложна генетическая структура недавно найденного в океане гиганта среди вирусов, известного как вирус «Мими», — по сложности она не уступает малым бактериям. Но даже в этом случае вирус с бактерией не спутаешь, даже самые большие вирусы по строению очень отличаются от бактерий. Вирусы заключены в белковую оболочку, сильно отличающуюся от клеточной, их гены, как у нас, линейны, а не замкнуты в кольцо, как у бактерий. Все без исключений вирусы — клеточные паразиты, а бактерии (хотя и не все) способны жить самостоятельно. Если вы, читатель, еще не можете принять самую возможность рассматривать вирус как симбионта, позвольте мне помочь вам, предложив весьма иллюстративную аналогию.

Философы многих обществ древности, включая досократовских греков, японцев, индусов, полагали: все в мире состоит из четырех основных элементов, земли, воды, огня и воздуха. И если включение в состав основных элементов воды, земли и воздуха понятно — это же составляющие видимой материи, то огонь — исключение. Огонь принципиально враждебен материи, он — уничтожитель ее, он несет бедствие, он — следствие войн и стихийных бедствий, он вырывается из жерл вулканов, фантастически мощных и страшных. Он — насилие и гибель. Так почему же древние люди столь различных культур включали его в число основных элементов природы? Возможно, из-за его алхимической роли в сотворении нового. Ведь огнем извлекается металл из руды, добываются медь, железо и золото. Свойства огня дуалистичны, он может разрушать, но может и созидать.

С эволюционной точки зрения вирусы обладают такой же дуальностью.

С 1994 года, когда рассказ Терри Йетса о совместной эволюции хантавируса и его носителей-грызунов подтолкнул меня к мысли о возможной симбиотической роли вирусов, идея симбиоза с вирусами стала фокусом моих исследований. Как говорят биологи, это стало моей экологической нишей в научном мире. Я сосредоточился на рассмотрении вклада вирусов в человеческий геном с симбиотической точки зрения. С ортодоксально дарвиновской точки зрения человеческие эндогенные вирусы — всего лишь интервенты-паразиты, преследующие лишь свои цели и эволюционирующие независимо. Не спорю, многие взаимодействия вирусов с носителями начинаются именно так. Также вполне логично предположить, что вирусы, пусть даже и включенные в человеческий геном, могут подвергаться индивидуальному, «эгоистическому» отбору. Я не собираюсь противоречить эволюционной механике современного дарвинизма — я считаю себя дарвинистом в той же степени, что и симбиологом. Однако настаиваю: невозможно понять столь обширное присутствие вирусных элементов в человеческом геноме, если не рассматривать сосуществование человека и вирусов одновременно как с ортодоксально дарвиновской, так и с симбиотической точек зрения. Конечно, поначалу, когда ретровирус заражает не знакомого дотоле с этим вирусом носителя, доминировать будет «эгоистическая» эволюционная динамика. Но она быстро изменится в сторону партнерства, в особенности когда вирус персистентный. Долговременное выживание вируса становится тесно связанным с выживанием части вида, сумевшей пережить агрессивную начальную стадию симбиоза. При этом начинается новая эволюционная динамика, начинается активный симбиоз вируса и носителя, и отбор происходит уже симбиотическим образом.

С точки зрения симбиоза пандемия СПИДа представляет собой все еще первую стадию симбиотической динамики, названной мною «агрессивным симбиозом». Вирусная же эпидемия среди коал, насчитывающая, должно быть, чуть более сотни лет, уже вступила во вторую стадию агрессивного симбиоза. Большая часть представителей вида заражена, вирус активно отсеивает не способные ужиться с ним генотипы, с устрашающей скоростью происходит эндогенизация. Чрезвычайное разнообразие способов внедрения вируса в геном коал вполне логично на ранней стадии голобионтической эволюции, когда отбор уже активно работает на уровне генетического взаимодействия вируса с носителем. В постигшем коал бедствии мы наблюдаем эволюционную динамику, которая, несомненно, происходила не раз и не два в истории позвоночных, в особенности млекопитающих, чьи геномы ныне изобилуют внедренными и передающимися по наследству ретровирусами.

Насколько мне известно, ни один геном млекопитающих не колонизирован ретровирусами столь обширно, как наш. Я допускаю, что интерпретация этого обширного присутствия в духе современного дарвинизма вполне возможна, но настаиваю на значительном влиянии симбиоза на образование вирусной части нашего генома. Принципиально важно то, что мы, люди, представляем собой голобионтическое единство вирусов и млекопитающих. Доказать это либо опровергнуть можно исследованиями вклада ретровирусов в наш геном и их роли в нем. На практике это значит — обнаружить активно действующие вирусные гены и контрольные последовательности, сохраненные в геноме на протяжении долгого времени естественным отбором, действующим на уровне партнерства между вирусами и позвоночными. Признаки действия этих генов и последовательностей должны обнаруживаться на каждом уровне нашего существования: и в работе генома, и в эмбриональном развитии, и в повседневной работе биохимии нашего тела.

Здесь логично вспомнить еще одного нобелевского лауреата — занимавшуюся цитогенетикой американку Барбару Мак-Клинток, которая изучала геном кукурузы[39]. В двадцатых годах двадцатого столетия она разработала технику слежения за хромосомами растений и изучения их изменения в процессе размножения растений. Ее работа стала революционной для нескольких отраслей генетики. Например, она открыла, что в процессе соединения мужских и женских половых клеток (деление на полы столь же характерно для растений, как и для животных) родительские хромосомы выстраиваются в так называемом «танце хромосом», или мейозе, и обмениваются частями. Теперь мы называем это явление «половой генетической рекомбинацией» — и это объясняет, почему отличаются разные дети одних и тех же родителей. В течение сороковых и пятидесятых годов прошлого столетия Мак-Клинток открыла транспозоны — гены, способные перепрыгивать из одной хромосомы в другую. Она обнаружила первых представителей огромной армии мобильных элементов генома, найденных с тех пор в геномах каждого из изученных когда-либо растений либо животных. Как это случается со многими, опередившими свое время, работы Мак-Клинток были встречены с изрядной долей скепсиса. Потому она прекратила публикацию своих результатов в 1953 году. Если бы она понимала принципы вирусного симбиоза, возможно, она бы нашла поддержку среди симбиологов своего времени. Понадобилось целых тридцать лет, чтобы научный мир принял и понял ее пионерские идеи — Нобелевскую премию ей дали всего лишь в 1983 году. Транспозоны, открытые Мак-Клинток, — это ДНК-транспозоны, которые, по нынешним представлениям, с ретровирусами не связаны. Насчет их происхождения существует несколько противоречащих друг другу теорий, но симбиотический подход подводит к заключению об их вирусном происхождении — или, по крайней мере, что они происходят от ДНК-содержащих вирусов.

ДНК-транспозоны составляют половину генома кукурузы. Их находят у всех живых существ, и их способность модифицировать хромосомы дает начало эволюционным изменениям, хотя и таит в себе опасность возникновения болезней. Аналогичные ДНК-транспозоны составляют три процента человеческого генома, и до недавнего времени их значение для эволюции человека оставалось непонятым. Недостаток этот был исправлен в 2007 году, когда Пэйс и Фешо проанализировали активность подобных человеческим ДНК-транспозон в процессе эволюции приматов. Результаты они получили в высшей степени интригующие — но и обескураживающие. По их оценке, человеческий геном содержит по меньшей мере сорок различных семейств ДНК-транспозон, включающих более девяноста восьми тысяч членов. И они должны были проявлять большую активность на ранней стадии эволюции приматов. Но их активность прекратилась около тридцати семи миллионов лет назад[40]. Цитирую Пэйса и Фешо: «Эти данные указывают на большую активность ДНК-транспозон в эволюции млекопитающих предков приматов и ранних приматов и на последующее почти полное прекращение их активности у антропоидного предка нынешних приматов».

Два других — и гораздо больших — транспозонных элемента человеческого генома — LINE и SINE — по происхождению отличаются от ДНК-транспозонов. Отличаются они и тем, как реплицируются и вставляют свои копии в хромосомы: им приходится транслировать свою ДНК назад в РНК, а та должна снова превратиться в ДНК, чтобы внедриться в геном. Это типичное для ретровирусов поведение, зависящее от ретровирусного энзима обратной транскриптазы; поэтому LINE и SINE и зависящие от них Alu-повторы объединены в одной группе, названной «ретротранспозоны».

Читая интригующие заключение работы Пэйса и Фешо, я вспомнил замечание Вильярреала о том, что массовое заселение человеческого генома ретровирусами пришлось как раз на то время, когда прекратилась активность ДНК-транспозон. Вильярреал назвал это явление «великой колонизацией человека эндогенными ретровирусами»[41]. В особенности массово заселило дочеловеческий геном семейство эндогенных ретровирусов, известное как «HERV-K». Ретровирусы этого семейства эндогенизировались позже прочих вирусов, присутствующих в нынешнем человеческом геноме, они специфичны именно для человека. Вильярреал также подозревал, что эти новые вирусы заменили старые, присутствовавшие в геноме ранее. Хотя это не более чем гипотеза, она заставляет задуматься: быть может, огромная транспозонная часть нашего генома, по числу ДНК вдвое превышающая часть генома, доставшуюся нам от позвоночных предков, — это кладбище древней генетической войны между вирусами, войну эту выиграли HERV-K.

Первые эндогенные вирусы были открыты в конце шестидесятых — начале семидесятых, и не в человеческом геноме. К их открытию привело изучение вызывающих лейкемию вирусов у кур и мышей. В то время открытие внедряющихся в геном вирусных генов было с трудом воспринято научной общественностью. По словам первооткрывателя эндогенных вирусов кур Робина А. Вайса, «менделевский перенос генома, интегрировавшего в себя вызывающий рак вирус, в половые клетки здоровых животных, был расценен как нечто противоестественное»[42]. Когда Вайс, в те времена работавший в Университетском колледже Лондона, послал в печать статью, где показывалось, как «нормальная» куриная клетка с эндогенизированным в геноме вирусом птичьей лейкемии может передать вирусный env-ген другому вирусу и тем самым сделать его активным и заразным, — статью отвергли с порога, рецензент объявил подобное невозможным.

В начале семидесятых годов прошлого века ученые были очень удивлены, обнаружив под электронным микроскопом, что ретровирусы присутствуют в плаценте бабуинов. Впоследствии аналогичные вирусы были обнаружены в плацентах здоровых кошек, мышей, морских свинок и человека. Это подвигло их на поиски вирусных генов в хромосомах приматов, и они в самом деле были найдены в конце семидесятых[43]. В 1981 году американцы Малколм А. Мартин, работавший в Национальном институте здравоохранения в Вифезде, и Морис Коэн, работавший в Национальном институте исследования рака во Фредерике, сообщили об обнаружении первых ретровирусных последовательностей в человеческом геноме[44]. Коэн обозначил находку как «ERV1» — это была единичная копия вируса, встроенная в восемнадцатую хромосому. Причем копия дефективная, не имеющая части 5’LTR, так что превратиться в полноценный вирус она не могла. Мартин с Коэном также обнаружили, что область ДНК рядом с фрагментом 3’LTR практически идентична аналогичной по расположению области ДНК у шимпанзе, что указывает на присутствие ERV1 в хромосоме на этом же месте у общего предка шимпанзе и человека.

В 1984 году группа Коэна открыла более интересный эндогенный вирус — полноценный вирусный геном, внедренный в седьмую хромосому. Находку назвали «ERV3»[45]. Как и в случае ERV1, изучение последовательностей показало, что интеграция вируса произошла на заре эволюции приматов, поскольку он присутствовал в геномах всех исследованных обезьян Старого Света, от мартышек до человекообразных. Сейчас полагают, что это голобионтическое партнерство установилось от сорока до тридцати миллионов лет назад. Группа Коэна обнаружила и еще один любопытный и важный факт: области gag и pol генома ERV3 содержали стоп-кодоны — мутации, предотвращавшие активацию генома. То есть хотя вирус и сохранился почти в целости, способность размножаться и заражать потерял. Исследователи также установили, что области, ответственные за регулирование деятельности вируса и способные контролировать работу генома носителя — env и две области LTR, — сохранились целиком. Сохранение таких деталей вирусного генома в процессе эволюции подтверждает работу эволюции именно на голобионтическом уровне, то есть симбиотическую ее динамику. Результаты указывают на возможную существенную роль ERV3 в эволюции приматов — причем как в прошлом, так и, возможно, в настоящем. Влияние ERV3 сможет сказываться на работе генетического аппарата человека.

После открытия эндогенных ретровирусов человека они получили общее обозначение «HERV». Новооткрытым HERV дают наименования по первой транспортной РНК.

Поясним, что такое «первая транспортная РНК». ДНК транслируется в белки при посредничестве РНК, и эта РНК создается как точная половинка ДНК, содержащая ту же генетическую информацию. Затем созданная РНК отделяется от ДНК и отправляется в рибосомы, синтезирующие белки органоиды в цитоплазме. После РНК другого типа, известная как «транспортная РНК», или «тРНК», подтаскивает нужные аминокислоты, чтобы в рибосоме синтезировался белок — по одной аминокислоте за раз. Для каждой из двадцати составляющих белки аминокислот есть своя РНК, обозначенная своей буквой алфавита. Первая аминокислота в собираемом белке приносится первой транспортной РНК.

В 1986 году японский исследователь Macao Оно, работающий в университете Китасато, обнаружил ретровирус человека в геноме клеток печени зародыша. Он определил: в его случае первой транспортной РНК была РНК для аминокислоты лизина. Лизин обозначается буквой «К»[46]. Поэтому Оно назвал открытый эндогенный вирус HERV-K — и этот вирус стал первым в ряду тех, которые, как мы сейчас знаем, наиболее тесно связаны с человеческой эволюцией.

Сходным образом вирус ERV3 теперь обозначается как «HERV-R», хотя для удобства изложения я буду и в дальнейшем упоминать о нем как о ERV3, поскольку в ранних работах по его исследованию он обозначается именно так. Открытия ERV3 и HERV-K стали предвестниками большого исследовательского интереса к эндогенным ретровирусам человека, поначалу растущего медленно, но резко усилившегося в начале нового тысячелетия.

Теперь мы понимаем: ретровирусная часть нашего генома состоит из множества копий эндогенных ретро-вирусов, или HERV, подвергавшихся интенсивному эволюционному прессингу со времени их первого вторжения в человеческий геном. Эти вирусы и действующий на них естественный отбор, ранее привлекавшие лишь спорадический интерес, теперь — важнейший объект исследований в лабораториях всего мира. В зависимости от того, как определять семейства вирусов, все HERV можно распределить на 30–50 семейств, а семейства эти разделить на 200 с лишним групп и подгрупп, каждая из которых имеет свою четко определенную эволюционную траекторию. Такое изобилие вирусов в геноме указывает на то, что за сотню с лишним миллионов лет эволюции млекопитающих они много раз подвергались вирусному заражению и экспансии вирусов в геном. Поскольку у всех нас один и тот же набор HERV, это значит — все наши прямые предки были заражены. И хотя нельзя с уверенностью сказать, что каждая группа HERV прибывала в наш геном одинаковым образом, свидетельства пандемии СПИДа и в особенности эпидемии лейкемии у коал заставляют предположить: жестокая выбраковка вирусом не раз происходила и у предков человека и сопровождалась вымиранием значительной части популяции. Мы, современные люди, — наследники переживших безжалостный эволюционный процесс. Не слишком воодушевляющая мысль, правда?

Хотя большая часть этих «выбраковок» произошла более десяти миллионов лет назад, значительная доля их пришлась на прямых предков человека — восемь из десяти полноразмерных подгрупп HERV-K присущи только людям. Они — исключительно наши вирусные партнеры. Весьма примечательно и то, что одна из LTR этих подгрупп HERV-K кодирует последовательность ДНК, встречающуюся также и у ВИЧ-1, — что подталкивает к предположению об эволюционной связи между этими семействами вирусов.

И какие же из этого всего следуют выводы?

В 1996 году Рой Дж. Бриттен из Калифорнийского технологического института смог привести десять примеров того, как эндогенные вирусные последовательности в геноме помогают регулировать экспрессию полезных генов[47]. Семь из десяти примеров относились к человеку, два — к морскому ежу и один — к мыши. Относящиеся к человеку примеры включали ген, ответственный за производство кератина, важного компонента нашей кожи и глаз, гены, связанные с иммунитетом, гены, отвечающие за производство паратиреоидного гормона, ген BRCA-1, ответственный за возникновение рака молочной железы у людей, ген, ответственный за выработку энзима амилазы, позволяющего переваривать крахмал, и ген, связанный с возникновением аденомиосаркомы почки у детей (опухоли Вильмса). Цитирую Бриттена: «Эти примеры демонстрируют, что повторяющиеся сегменты ДНК или мобильные элементы генома, внедрившиеся в человеческий геном в прошлом, сохранившиеся либо модифицированные отбором, теперь контролируют процесс экспрессии соседних генов». Уместно подчеркнуть: выражение «сохранившиеся либо модифицированные отбором» есть фактическое признание симбиогенетического характера динамики естественного отбора, действующего на уровне голобионтического генома.

В Австралии Рэйчел О’Нейл с коллегами обнаружили находящиеся в центральных областях хромосом (центромерах) ретровирусы, активно модифицирующие хромосомы межвидовых гибридов валлаби и тем способствующие быстрейшему появлению нового вида[48]. Русский генетик Евгений Свердлов предположил, что интегрированные HERV могли изменить характер экспрессии генов и тем сыграть важную роль в эволюции гоминидов и возникновении различных эволюционных ветвей гоминидов[49]. Дженнифер Ф. Хьюз и Джон Ф. Коффин из Медицинской школы университета Тафта в Бостоне доказали, что эндогенные ретровирусы человека могли приводить к удалению больших участков хромосом, дупликации их, изменению их места в хромосоме — то есть играли важную роль в человеческой эволюции[50]. Известно, что вирусы могут конкурировать друг с другом, и в настоящее время несколько экспертов-вирусологов — а среди них и Эрик Ларсен, профессор патологии университета Упсалы — высказали предположение о возможной полезной роли HERV в защите человеческого зародыша.

Профессор Ларсен внес существенный вклад в исследования HERV, начиная с самого открытия ERV3 и HERV-K, и напрямую связан с множеством новых находок в этой области в начале двухтысячных. Я знал о его работах задолго до того, как повстречался с ним на конференции Линнеевского общества в Лондоне в 2008 году. На этой конференции Ларсен представил резюме своих результатов, в том числе результаты по интенсивной экспрессии протеинов посредством HERV в человеческом мозге. Эти результаты показались столь необычными, что профессора прервали посреди выступления, прося подробных объяснений.

В начале семидесятых Ларсен окончил медицинский факультет университета Упсалы, одного из старейших и сильнейших университетов Скандинавии. Уже студентом Ларсен заинтересовался возможной ролью вирусов в возникновении рака. В особенности интересными казались ретровирусы — магистерская диссертация Ларсена была посвящена поискам ретровирусов в раковых клетках. Как он пишет: «Я начал работу над проектом, нацеленным на выделение экзогенных человеческих ретро-вирусов из пораженных тканей. Подобные исследования интенсивно велись во многих лабораториях по всему миру — как раз тогда президент Никсон объявил войну раку, и многие откликнулись с энтузиазмом. Но моей главной целью был поиск не экзогенных, а эндогенных человеческих вирусов. Под руководством вирусолога Микуласа Паповича, приехавшего из Братиславы и получившего место в нашей лаборатории, я исследовал многие типы человеческих раковых заболеваний, главным образом глиомы (опухоли мозга), рак крови (лимфомы), опухоли мышц и соединительных тканей (саркомы). Мы искали обратную транскриптазу, открытую несколькими годами ранее. Мы исследовали образцы сыворотки и тканей, а также сами вирусы под электронным микроскопом, использовали несколько разных интерференционных тестов для поиска новых вирусов. Мы довольно часто замечали активность обратной транскриптазы, хотя и на довольно низком уровне, и в особенности часто она отмечалась, когда клетки подвергались воздействию мутагенов — веществ, способных вызывать мутации ДНК».

В начале 2009 года Ларсен согласился дать мне интервью.

— Что вы исследуете сейчас? — спросил я.

— Я работаю главным образом над эндогенными вирусами в плацентарных тканях. В культурах клеток плацентарных тканей наблюдается просто поразительная экспрессия ERV3. Наше внимание сосредоточено преимущественно на трофобластах (это клетки внезародышевой оболочки, ответственные за формирование плаценты). К сожалению, методики тестирования еще несовершенны…

Замечу: несмотря на упомянутое профессором несовершенство, исследование эндогенных вирусов в плацентарных тканях может привести к революционным результатам. Чтобы понять почему — давайте совершим краткий экскурс в захватывающую область биологии — репродуктивную биологию.

После оплодотворения материнской яйцеклетки отцовским сперматозоидом каждое человеческое существо начинается свою жизнь крошечным зародышем, медленно путешествующим по фаллопиевой трубе до безопасного убежища в матке. В возрасте всего четырех дней, когда зародыш — лишь пустой клеточный мешок, он уже посылает гормональный сигнал, получив который матка начинает готовиться к имплантации. В возрасте шести дней зародыш глубоко внедряется во внутреннюю оболочку матки, и так создается удивительный орган, назначенный стать средством связи и взаимодействия между развивающимся зародышем и матерью. Этот орган называется «плацента». Важнейшей деталью устройства плаценты, необходимой для ее работы, является соединительная зона толщиной всего в один слой клеток, отделяющая кровь матери от крови плода. Ее не различить невооруженным глазом — но она позволяет питательным веществам поступать из крови матери в кровь зародыша и в то же время уносит из нее продукты метаболизма, выводимые из организма матери ее почками и печенью. Эта тончайшая мембрана выполняет и другую важнейшую функцию. Половина антигенов зародыша — от отца, то есть они враждебны иммунной системе матери. Если кровь матери вступит в прямой контакт с развивающимся зародышем, иммунная система матери отторгнет зародыш как чужеродное тело, попавшее в ткани. Включится такой же мощный механизм отторжения, какой включается при пересадке чужих органов. Оттого же возникают проблемы наподобие резус-несовместимости, которые приходится изучать — и находить пути их решения — современному акушерству.

Чтобы не допустить контакта антигенов зародыша с клетками материнской крови, клетки соединительной зоны спаяны в один непрерывный объект — подобно сплошному листу, а не мозаике из отдельных клеток. Соединительных стенок между этими клетками нет, их ядра рассыпаны по мембране. Такие мембраны называются «синтиций». И здесь нас снова встречает загадка. Клетки позвоночных не способны сливаться в синтиций. Но ретровирусы — такие, например, как ВИЧ-1, — способны сплавлять клетки позвоночных в многоядерные конгрегации без клеточных стенок.

В феврале 2000 года Джон М. Маккой с коллегами из Института генетики в Кембридже, штат Массачусетс, объявили об открытии доселе неизвестного протеина, позволяющего клеткам сплавляться в синтиций. Эти ученые подтвердили: данный протеин кодируется ответственным за формирование белковой вирусной оболочки геном env человеческого ретровируса HERV-W. Как и вирусы HERV-K, вирусы HERV-W содержат гены и последовательности, принципиально важные для работы человеческого генома. Это открытие было первым весомым и неоспоримым доказательством генетического симбиоза с ретро-вирусами в человеческой эволюции[51]. Через пару месяцев независимо работающая группа Малле из Франции подтвердила открытие[52]. Тремя годами позже было обнаружено, что второй человеческий эндогенный ретровирус, известный как HERV-FRD, кодирует другой синтициновый протеин, играющий важную роль в формировании плацентарной мембраны[53]. Эти протеины получили названия «синтицин 1» и «синтицин 2». У каждого своя особая роль в образовании плаценты. К тому же синтицин 2 (но не синтицин 1) важен для подавления иммунитета — еще одной функции плаценты.

Далее исследования развивались столь стремительно, что за год оказалось возможным прийти к полноценной модели формирования плаценты, описывающей согласованные действия двух производящих синтицины HERV, связанных к тому же и с коэновской находкой ERV-3. Вся троица работает согласованным образом для создания структур, необходимых для защиты и питания зародыша в утробе. Но исследование выявило и весьма любопытную деталь: обнаружилось присутствие приблизительно у одного процента кавказоидов мутации, не позволявшей ERV-3 осуществлять подавление иммунитета и способствовать слиянию клеток — но при этом беременность по-прежнему оставалась возможной. С чем это связано, до сих пор не выяснили, но можно предположить: хотя ERV-3, очевидно, играет важную роль в формировании плаценты в большинстве беременностей, незаменимым он не является. Возможно, другой вирус подключается вместо него.

Как же совместить такую необходимость HERV для организма с эволюционной теорией, а в особенности с естественным отбором? Ранее полагали, что они интегрируются в геном раз и навсегда, — но было показано, что HERV могут покидать хромосомы либо вследствие случайного удаления их частей (известно, что это случается с ходом эволюции), либо когда хромосомы обмениваются частями (что происходит при формировании спермиев и яйцеклеток и называется «половая гомологическая рекомбинация»). Но когда группа французских ученых исследовала эволюционную траекторию ретровирусного гена, кодирующего синтицин 1, ERVWE1, то обнаружила «поразительное сохранение» не только этого гена, но и LTR в течение огромного промежутка времени[54]. Едва ли нужно повторять, что это — прекрасное подтверждение симбиотического характера эволюционной динамики, убедительное свидетельство того, что ген env и LTR вируса HERV-W были сохранены естественным отбором в процессе эволюции приматов. Этот ген присутствует у шимпанзе, горилл, орангутангов, гиббонов и людей.

Отбором на уровне партнерства можно объяснить и другие наблюдаемые свойства HERV, из-за потери генов или мутации лишившихся изначальной экзогенной независимости.

Одни специалисты полагают, что плацента млекопитающих развилась без симбиотического участия вирусов, но другие, включая Вильярреала, считают вирусы причастными к образованию плаценты с самого начала существования плацентарных млекопитающих. По-видимому, оба сценария имеют право на существование, поскольку у каждой большой группы млекопитающих, исследованных на сегодняшний день — а это грызуны, жвачные (включая овец и коров) и приматы, — в образовании плаценты участвуют совершенно разные вирусы. Тут, вероятно, нам помогут сумчатые — млекопитающие, у которых плаценты нет. Их геномы при этом изобилуют ретровирусами, а у некоторых сумчатых, таких, как жирнохвостая сумчатая мышь, возникает подобие плаценты, исчезающей по мере развития зародыша. Напрашивается вывод: именно изучение сумчатых поможет понять, как возникла плацента у млекопитающих. К сожалению, исследования по этой теме были свернуты из-за недостатка финансирования, несмотря на первые многообещающие результаты.

Сейчас мы узнаем все больше о роли, играемой HERV в тканях человеческого тела. Например, LTR содержат «бюрократические» элементы, способствующие экспрессии генов как вирусного, так и позвоночного происхождения и влияющие разными способами на производство клетками белков. Но важнее всего роль HERV в развитии человеческого эмбриона. В середине девяностых годов прошлого века Ларсен с коллегами из университета Упсалы объединился с Патриком Венаблем из Хаммерсмитского госпиталя в Лондоне и Коэном, перешедшим на работу в лабораторию «Эбботт» в Чикаго, где исследовал экспрессии генов ERV3 в человеческих тканях. Совместно они выяснили, что экспрессия ERV3 далеко не ограничивается плацентой и наблюдается во многих тканях, например в сальных железах кожи, буром жире, яичниках, адреналиновых железах, производящих стероиды и впрыскивающих их в кровь, а также в культурах человеческих клеток, подвергнутых стрессу путем понижения содержания кислорода в окружающей среде[55]. Экспрессия ERV3 в производящих гормоны железах — таких, как яичники и адреналиновые железы, — указывает: экспрессия ERV3 может быть зависимой от гормонов.

Шестью годами позже эта же группа в сотрудничестве с другими группами из Великобритании и Германии продолжила изучение экспрессии ERV3 (уже переименованного в HERV-R), а также HERV-К в развивающемся человеческом зародыше[56].

Работа с человеческими зародышами неизбежно влечет за собой проблемы морального свойства, потому следует пояснить: для исследований использовались не зародыши от прерванных беременностей, но от женщин, нуждающихся в удалении зародыша из-за внематочной беременности — опасной для жизни ситуации, когда оплодотворенная яйцеклетка внедряется не в стенку матки, но в стенку фаллопиевой трубы. Было обнаружено, что HERV-R (ERV-3) весьма активен во многих тканях зародыша, включая адреналиновые железы, почки, печень, язык, сердце и центральную нервную систему. Столь высокая экспрессия HERV-R в упомянутых тканях и органах указывает на важность ее для нормального развития клеток этих тканей и органов. Несомненно, настолько нужным и важным для человека HERV-R мог сделаться лишь в результате симбиотической интеграции в процессе эволюции.

В 2003 году французские ученые продолжили эти изыскания, исследуя человеческий геном на предмет env-генов HERV, прямо участвующих в синтезе протеинов в здоровых тканях, и нашли шестнадцать таких генов[57]. Как уже указывалось, активная экспрессия этих генов подразумевает сохранение их естественным отбором по причине выполнения ими важных функций. Три из них участвуют в образовании плаценты, два активно работают в щитовидной и адреналиновых железах — и, возможно, связаны с производством гормонов. Все шестнадцать генов весьма активны в тестикулах, что подтверждает хорошо известный факт активной экспрессии эндогенных ретро-вирусов в половых органах самцов — от мухи дрозофилы до человека. Французские ученые выяснили: хотя некоторые из этих генов не столь активно участвуют в синтезе белков, как остальные, все без исключения их контрольные последовательности, их «бюрократы», задействованы в создании спермы.

Что примечательнее всего, Ларсен с соавторами обнаружили очень активную экспрессию вирусных генов env и gag в важнейших структурах и тканях головного мозга — а это подразумевает важность этих генов для физиологии и анатомии человека. Среди синтезируемых вирусом белков присутствуют синтицины 1 и 2 — те самые, играющие важнейшую роль в образовании плаценты. Поразительно, но экспрессия вирусных генов в мозге интенсивнее, чем даже в плаценте, и, по-видимому, интенсивнее, чем где-либо еще в организме. Никто пока не знает, что эти протеины делают в мозге и различаются ли они неким образом от протеинов плаценты, но, вероятно, они играют важную роль.

Сейчас многие лаборатории занимаются исследованиями по этой теме, и, надо думать, в скором времени эта роль прояснится. Например, недавно обнаружили 533 случая присутствия транспозируемых элементов в кодирующих белки генах человеческого генома[58]. Другое исследование открыло широкую распространенность «транспозируемых элементов» в областях человеческого и мышиного геномов, вовлеченных в работу иммунной системы и реакции на внешние стимулы[59]. Немецкие исследователи подтвердили большую активность HERV в здоровых человеческих тканях и заключили: «HERV активны в человеческих клетках, причем их активность зависит от типа этих клеток». Среди тканей и органов с наибольшей активностью HERV — кожа, щитовидная железа, плацента, репродуктивные органы. По сути, нет ни единой ткани либо органа, где бы HERV были вообще неактивны, что подтверждает «перманентное и активное присутствие эндогенных ретровирусов в человеческом транскриптоме»[60]. Свидетельства в пользу обширного участия вирусной компоненты генома в построении и функционировании человеческого тела столь весомы, что генетики призывают организовать масштабный проект по изучению транскриптома HERV[61].

Интервью с Эриком Ларсеном, одним из организаторов этого проекта, я завершил вопросом:

— Как вы думаете, не есть ли открытое на сегодняшний день — лишь верхушка айсберга?

— Несомненно! — ответил он.

Принимая во внимание обширность присутствия вирусов в нашем геноме, неизбежен вопрос о роли этих вирусов в заболеваниях. В трех последующих главах мы подробно обсудим этот вопрос. Мы обсудим роль их в возникновении и развитии болезней в целом и общем и уделим особое внимание раку и аутоиммунным заболеваниям. А попутно бросим более пристальный взгляд на странные образования, названные LINES, SINES и Alu, составляющие более тридцати четырех процентов человеческого генома.

7. Выводы для медицины

Заблуждение считать, будто наша Земля хрупка и уязвима. Несомненно, это прочнейшая во Вселенной оболочка, устойчивая к всевозможным случайностям, не поддающаяся смерти. Уязвимы и хрупки на ней, нежны и беззащитны как реснички бактерий — именно мы.

Льюис Томас[62]

Джерри А. Койн — выдающийся ученый, профессор факультета экологии и эволюции Чикагского университета. Весной 2006 года после лекции в Ассоциации юристов Аляски об эволюции и «разумном творении» к нему подошел скептически настроенный молодой юрист.

— Профессор Койн, — сказал он, — я не верю в ваши слова об эволюции, но даже если они и верны, то какая с этого выгода?

Койн спросил, что молодой человек имеет в виду.

— Какая практическая ценность? — пояснил тот. — К чему это можно приложить?

В заданном вопросе, конечно, можно усмотреть критику дарвинизма, но, вероятно, молодой человек имел в виду иное — его интересовала осязаемая польза, какую понимание эволюции может принести человечеству.

Ответ на этот вопрос не так уж прост. Отчасти польза в том, что понимание эволюционной биологии дает нам понимание происхождения жизни и принципов функционирования живых организмов. Несомненно, такое знание очень важно в век массированного вторжения людей в места, прежде человека почти не знавшие, в тропические леса и глубины океана — а это вторжение провоцирует ущемление и даже полное вымирание многих видов живых существ. Но тут я хочу рассказать о пользе, которую может принести понимание эволюционной биологии в исследовании генетической подоплеки заболеваний. В прошлом люди смотрели на эволюционную биологию лишь с точки зрения эволюции путем естественного отбора — а естественный отбор, честно говоря, почти не имеет прямого отношения к медицине. Я уже писал здесь, что генетические факторы эволюции — те силы, которые, выражаясь классическим дарвиновским языком, дают начало передаваемым по наследству изменениям, — ответственны и за возникновение болезней. И понимание этих факторов принципиально важно для лечения многих наследственных заболеваний, калечащих людей, причиняющих страдания и боль, не дающих полноценно жить и ведущих к преждевременной смерти.

Здесь уже говорилось о важности понимания мутаций — случайных ошибок при копировании ДНК в процессе деления клетки. Мы уже узнали, как возникли человеческие митохондрии посредством симбиотического соединения свободной дышащей кислородом бактерии и древнего протиста в отдаленнейшем прошлом. Для совершенствования получившегося голобионтического генома естественный отбор имел больше миллиарда лет.

Геном человеческих митохондрий — наиболее компактный из всех митохондриальных геномов; он состоит из тридцати семи бактериальных генов, в отличие от генов нашего ядра организованных в типичную для бактериальных органелл кольцевую структуру. Эти гены кодируют очень важные транспортные РНК и протеины, определяющие возможность дышать кислородом и извлекать энергию из этого процесса. Из более чем двух тысяч генов, наличествовавших у бактерии — предка митохондрии, около трехсот перекочевало в ядро; многие из них обеспечивают генетическую связь между ядром и митохондриями, необходимую для усвоения кислорода клеткой. Каждая человеческая клетка содержит много митохондрий — от сотен до тысяч. Митохондрии размножаются независимо от ядра, на манер бактерий — почкованием. Получаем мы митохондрии исключительно от матерей, митохондрии содержатся в цитоплазме яйцеклетки — и это весьма существенно сказывается на характере передачи наследственных заболеваний, обусловленных изменениями в митохондриях. И в самом деле, сейчас не вызывает сомнений: генетика митохондриальных заболеваний сильно отличается от генетики заболеваний, вызванных изменениями генов ядра. Генетика митохондриальных болезней гораздо сложнее.

Но что же это за болезни и как же их генетическая подоплека связана с симбиозом митохондрий и клеток?

Когда мы вдыхаем кислород, он проникает в каждую клетку нашего тела и быстро достигает митохондрий, где и осуществляется самое таинство процесса дыхания. Там с помощью кислорода сахара превращаются в пригодную для хранения и переноски форму, аденозинтрифосфат, или АТФ, — универсальный источник энергии для живых клеток. Процесс этот известен под названием «окислительное фосфорилирование». Потому митохондрии — поставщик энергии для каждой живой клетки нашего тела. Парадоксальным образом кислород является опаснейшим для живых тканей ядом и потому требует тщательнейшего обхождения. Биологи считают, что именно в силу токсичности кислорода митохондрии не слились с ядром, несмотря на колоссальное время существования симбиоза клетка — митохондрии. И сейчас при химических реакциях в митохондрии и вблизи нее создаются весьма ядовитые кислородные соединения, известные как «токсичные свободные радикалы», — и они способны вызывать заболевания.

Митохондрии весьма важны и для поддержания здоровья тканей и клеток. Например, нормальное функционирование органов и тканей во многом зависит от своевременного возобновления клеток, а это подразумевает запрограммированную смерть старых клеток, так называемый «апоптоз». Митохондрии напрямую вовлечены в этот процесс. Потому едва ли окажется удивительным обнаружить прямую связь между нарушениями митохондриальных генов и тяжелыми наследственными болезнями.

Одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний зрения — болезнь Лебера, или наследственная атрофия зрительного нерва. Мужчин она поражает в четыре раза чаще, чем женщин. У пораженных ею людей в детстве зрение нормальное, но в подростковом возрасте либо чуть позже вдруг возникает странное замутнение посреди поля зрения. Обычно такое начинается на одном глазу, но быстро распространяется и на второй. Вскоре зрение больного серьезно ухудшается, вплоть до фактической слепоты, а при обследовании врачи замечают странное просветление диска — области в центре глазного яблока, где к нему подсоединяется глазной нерв. Подоплека этого заболевания долго оставалось загадкой, пока в 1988 году не обнаружили: болезнь вызвана мутациями митохондриальных генов. Хотя около двух десятков мутаций связаны с этой болезнью, за 85–90 процентов случаев ответственны всего лишь три мутации. Почему эти мутации воздействуют именно на зрительный нерв, в точности не известно. Возможно, митохондрии неверно программируют апоптоз клеток в зрительном нерве, и это вызывает его дегенерацию.

Поскольку болезнь Лебера наследуется только от матери и генетическая подоплека ее сложна, иногда считали, что эта болезнь связана с дефектами Х-хромосомы, то есть что дефектный ген переносится материнской Х-хромосомой, — но генетика заболевания вовсе не следует законам Менделя. Она определяется передачей цитоплазмы материнской яйцеклетки, что и влечет иной характер наследования. Чтобы понять его, а также то, каким образом дефекты митохондриального генома вызывают заболевания, рассмотрим подробнее происходящее на генетическом уровне.

Геном митохондрии очень мал по сравнению с ядерным геномом, и потому было бы логичным предположить редкость митохондриальных наследственных заболеваний по сравнению с ядерными — но это не так. Они встречаются довольно часто, и причиной тому бактериальная природа митохондрий. Среди унаследованных от наших предков-позвоночных ядерных генов лишь малый процент участвует в кодировании белков, и потому мутации ядерной ДНК далеко не всегда приводят к заболеваниям. С другой стороны, большинство митохондриальных ДНК кодируют функционально важные белки, и потому мутации этих ДНК с гораздо большей вероятностью приводят к болезни. К этому следует добавить большую склонность бактериальных генов к мутациям — мутации в митохондриальных ДНК случаются в десять — двадцать раз чаще, чем в ядерных. А вдобавок митохондриальные заболевания могут возникать и в силу мутаций части митохондриального генома, оказавшейся в ядре. В дополнение ко всему этому митохондрии делятся куда чаще, чем сама клетка, а митохондрий в клетке много. Естественно, мутации возникают куда чаще, чем в таком же по размеру наборе ядерных генов. Поскольку митохондриальные мутации могут возникать и спустя много времени после рождения ребенка, налицо ситуация, когда в одних и тех же клетках ткани бывают и нормальные, и мутировавшие митохондрии. Не правда ли, яркий пример того, как разница в происхождении и эволюционном развитии — в нашем случае факт симбиоза с некогда свободно существовавшей бактерией — сказывается на возникновении и развитии болезни, несмотря на то что симбиоз продолжается уже колоссальное время — миллиард лет? Генетическую подоплеку митохондриальных заболеваний невозможно понять, не поняв симбиотической природы эволюции митохондрий.

Митохондриальные заболевания возникают в семьях из поколения в поколение, бывают всевозможных степеней тяжести — от легких до фатальных, — а проявление болезни зависит от пораженного органа и степени его потребности в кислороде. Надеюсь, теперь читатель поймет, отчего столь сложно такие заболевания диагностировать, в особенности у новорожденных детей и в младенчестве, несмотря на обилие митохондриальных заболеваний. Приблизительно один новорожденный ребенок из семи тысяч шестисот страдает от них. Они составляют значительную часть того, что доктора именуют «врожденными пороками метаболизма». Ведущие к тяжелым заболеваниям мутации были идентифицированы у тридцати из тридцати семи митохондриальных генов и более чем у трех десятков ядерных генов митохондриального происхождения. У больных детей развиваются и прогрессируют неврологические заболевания, сопровождаемые различными изменениями в органах и тканях с высоким потреблением кислорода: мозга, сердца, печени и скелетных мышц. Болезни эти включают смертельно опасную молочную ацидемию (болезнь Лейха), кардиомиопатию с катарактой (синдром Сенджерса) и другие серьезные расстройства метаболизма. Поражены могут быть печень, сердце, почки, кишечник, эндокринные железы и кровь. Из-за этих болезней происходит дегенерация мозга и нервной системы.

Широко известный пример митохондриального заболевания, вызванного мутациями содержащихся в ядре митохондриальных генов, — атаксия Фридрайха. Ее вызывает мутировавший ядерный ген FXN, кодирующий митохондриальный протеин фратаксин, который делает возможным удаление железа из митохондрии; потому в случае отсутствия фратаксина либо его дефектности митохондрия накапливает железо, из-за чего сильно повреждается свободными радикалами и прекращает функционировать. По мере накопления клинических данных доктора заподозрили: дефекты митохондрий могут играть значительную роль в происхождении многих болезней — таких, как сахарный диабет, рак, инфаркт, остеопороз, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, инсульт — и, возможно, в самом процессе старения. Генетики уже тестируют генную терапию наследственной атрофии зрительного нерва (болезни Лебера). Несомненно, со временем будут разработаны новые эффективные виды генной терапии митохондриальных заболеваний, и для разработки их потребуется учитывать симбиотическое эволюционное происхождение митохондрий, а также сложную генетическую и молекулярную динамику, возникающую как следствие такого происхождения митохондрий.

Ранее я вкратце описал роль HERV, их продуктов и зависящих от них элементов в человеческой эволюции, генетике, эмбриологии и поддержании нормального метаболизма. Теперь же, полагаясь на эти знания, приступим к изучению связи эндогенных ретровирусов с наследственными заболеваниями.

Как было показано ранее в это книге, эндогенные ретро-вирусы, несомненно, внесли важнейший вклад в человеческую эволюцию. Однако и после включения в наш геном они остаются потенциально вредоносными. Что сулит нам сосуществование с множеством уже развитых, функциональных чужеродных генов и вирусных LTR, этих мощных регуляторов генной активности? Конечно, мы не выбирали наших сожителей. Вирусы едва ли дожидаются, пока естественный отбор помашет им ручкой и скажет: «Включись в геном, ты полезен». Симбиоз с вирусами происходит по их инициативе, диктуется их стратегией выживания.

Во время недавнего моего выступления перед группой биотехнологов слушатель спросил меня: «Какая часть из всех этих угнездившихся в геноме вирусов активна?»

Я затруднился с ответом. Прежде всего потому, что наши знания о вкладе HERV в нормальное функционирование человеческого генома весьма ограничены. Но есть и другие, не менее весомые причины. Особенности бактериального в своей сущности митохондриального генома наталкивают на мысль, что и вирусные части человеческого ядерного генома могут вести себя вовсе не так, как части, доставшиеся нам от предков-позвоночных. Они ведь и структурно отличаются: вирусные гены не состоят из разделенных интронами экзонов, что свойственно генам позвоночных. Имеются и другие отличия. Мутация — стоп-кодон — в ключевой последовательности гена позвоночных делает ген неактивным. То же самое случается и в случае мутации в ключевой последовательности вирусных генов, но, как показали упоминавшиеся выше исследования Вайса, вирусный ген либо целая область env вирусного генома могут быть реактивированы при взаимодействии с другим вирусом.

Подобное взаимодействие, приводящее к созданию нового голобионтического вирусного генома вследствие рекомбинации нескольких отдельных вирусных геномов, по сути, проявление симбиоза между вирусами. Свойство вирусов объединяться важно для медицины — обычно так и возникают новые штаммы гриппа, вызывающие пандемии. Например, анализ, проведенный Канадской национальной микробиологической лабораторией в Виннипеге и Центром по контролю и профилактике заболеваний США в Атланте, показал: вызвавший эпидемию апреля 2009 года вирус свиного гриппа — это сборная солянка из частей генома вирусов гриппа человека, птиц и свиней. Причем эти исходные вирусы встречаются в разных частях света: в Северной Америке, Европе и Азии. Хотя в точности происхождение вируса свиного гриппа не выяснено, вполне возможно, что он развился в геноме свиней посредством голобионтического слияния геномов трех разных вирусов гриппа. Слияния такого рода — мощнейший из известных симбиогенетических механизмов, способный за очень короткое время произвести новую смертоносную заразу. Потому и не слишком удивительно мнение экспертов, считающих, что новому вирусу присуща «такая сложность, какой до сих пор мы понять не можем».

Вирусы и их последовательности обладают и другими характерными особенностями. Например, несмотря на наличие стоп-кодона, оборванная им генная последовательность может сохранить способность кодировать белки, хотя и не такие, как раньше. Я хочу особо подчеркнуть и прошу запомнить: длительное время после интеграции вируса в геном носителя вирусные гены и последовательности сохраняют принципиально вирусный характер. Например, они способны к рекомбинации с вирусными компонентами в других хромосомах. А некоторые производные вирусов и зависящие от них структуры сохраняют вирусную способность воспроизводить себя в геноме носителя. Потому-то на теперешней стадии изучения вирусной составляющей генома разумно просто сознаться: мы не знаем, какая именно часть огромного вирусного наследия нашего организма активна. Несомненно, значительная часть — ведь, как мы уже знаем, вирусные компоненты принципиально важны для человеческого развития и нормального метаболизма.

В силу изобилия вирусов и их производных в нашем геноме и несмотря на давность «приручения» естественным отбором этих вирусов, неудивительно, что иногда наши эндогенные вирусы все же вызывают заболевания. Чтобы понять, как это происходит, следует снова взглянуть на наследственные заболевания, вызываемые дефектами генома митохондрий. Как и митохондрии, HERV когда-то были независимо развивающимися паразитическими организмами. Но когда «эгоистический» экзогенный вирус вступил в долговременное голобионтическое партнерство с носителем, развиваться он уже стал по законам симбиоза. И законы эти должны были вступить в силу сразу после эндогенизации, ибо ведущий себя «эгоистически» вирус, передающийся по наследству, очень опасен для носителя. Поэтому сразу после внедрения вируса в геном половых клеток защитные средства клеток носителя делают неактивными вирусные гены и контрольные последовательности посредством таких эпигенетических механизмов, как метиляция, — об этом я расскажу чуть позднее. Но в случае митохондрий такая защита действенна далеко не всегда, и то же самое можно сказать о вирусах.

Генетический симбиоз зачастую приводит к эволюции более быстрой, чем при классическом процессе накопления мутаций и отбора. Я начал свою книгу «Слепое пятно Дарвина» с описания работ профессора Кванга Жеона, исследовавшего симбиоз амебы Amoeba proteus и хромогенной бактерии. Этот симбиоз начался с жесточайшего паразитизма, но за год превратился в генетический симбиоз. Результаты исследований профессора Кванга Жеона можно резюмировать так: во-первых, произошел такой же союз бактерии с протистом, какой произошел давным-давно с предками митохондрий; во-вторых, генетический симбиоз, включающий объединение геномов, может происходить с устрашающей быстротой. Появление в геноме мощных регуляторов генной активности, таких, как LTR, и соседство их с генами позвоночных, гибкость вирусных генов и их способность внедряться в самые разные места генома подвергают новообразовавшийся голобионтаческий организм проверке на прочность. И рано или поздно — причем по шкале времени вирусной эволюции, скорее всего, рано — общий геном и организм, кодируемый им, изменятся.

Изучая эндогенные вирусы, следует запомнить и учитывать несколько важных обстоятельств. Первое: рассматривая эндогенные вирусы, вирусные последовательности и зависящие от них элементы (такие, как Alu) в качестве возможного источника болезней, следует принимать во внимание возможное сильное отличие их поведения от поведения аналогичных элементов позвоночного происхождения. Второе: участие HERV в процессе болезни может происходить отнюдь не от «эгоистического» поведения HERV, но из-за вовлеченности HERV в работу тела — будь то формирование эмбриона либо нормальный метаболизм. Это может происходить из-за мутации позвоночных генов — но также из-за взаимодействия со свежеприбывшим экзогенным вирусом либо со связанной с другим HERV структурой, подобной LINE или Alu. Третье: вирусы всегда остаются в сущности своей вирусами. Как митохондрии сохранили отчетливо бактериальные особенности, так и вирусы остались верны себе. Это значит: как бы долго ни были инкорпорированы они в голобионтический геном, HERV и их производные могут причинять болезни иначе, чем гены позвоночных и их производные. И то, каким образом HERV это делают, можно понять и предсказать, опираясь на знание вирусов.

Генетическое отличие между мужчиной и женщиной в том, что у мужчины есть Y-хромосома, унаследованная от отца, и Х-хромосома, унаследованная от матери, — а у женщины две Х-хромосомы, по одной от отца и от матери. Для производства биологически активной спермы критически важен участок Y-хромосомы, называемый «фактором азооспермии», или AZF. Когда специалисты по мужскому бесплодию исследовали, что же случается с этим участком хромосомы у страдающих бесплодием мужчин, обнаружилось: в самых тяжелых случаях, когда сперма вообще не производилась, AZF отсутствовал. Генетикам хорошо известно, что Y-хромосома, мягко говоря, изобилует ретровирусными элементами. Одна из причин этого в том, что Y-хромосома, будучи всегда одиночной, не может найти при мейозе аналога от другого родителя и потому не может обмениваться частями с другой хромосомой, как это происходит со всеми остальными хромосомами. Здесь уже говорилось об этом процессе, половой рекомбинации, естественной части процесса образования новых половых клеток. Именно в силу половой рекомбинации разные дети одних и тех же родителей — конечно, если это не однояйцовые близнецы — отличаются друг от друга. Этот же процесс — один из способов, каким биологический вид может избавиться от ненужных генов и участков хромосом в процессе эволюции. Неспособность Y-хромосомы к участию в процессе половой рекомбинации — одна из причин накопления HERV в этой хромосоме. Из-за того логично ожидать, что большая часть связанных с HERV элементов Y-хромосомы — «мусорная» ДНК. Но было бы неразумным полагать, что все эти элементы — «мусорные».

Здесь уже упоминалась находка французскими учеными шестнадцати HERV генов и областей генома, способных участвовать в синтезе протеинов, причем экспрессия всех этих генов наблюдалась в тестикулах. Также упоминалось, что эндогенные ретровирусы весьма активно задействованы в работе мужской половой системы — причем для широчайшего диапазона видов, от насекомых до человека. Все шестнадцать контрольных последовательностей этих HERV — «бюрократов»-регуляторов, находящихся в LTR, — чрезвычайно активно участвуют в производстве спермы. Это подталкивает к выводу о важности с точки зрения физиологии HERV, находящихся в Y-хромосоме. Возможно, этим объясняется и наличие идентичных провирусов HERV15, окаймляющих с двух сторон последовательности AZF, будто часовые, охраняющие ценный объект? Пока не известно, несут ли эти провирусы регуляторные функции, — но у вируса справа уже обнаружена внедрившаяся LINE-последовательность. Также известно: если некая область хромосомы уже «созрела» для удаления из генома, по обе стороны этой области будут наблюдаться специфические «точки отрыва». Генетики нашли их в провирусах HERV15.

Находящиеся в Y-хромосоме позвоночные гены не могут меняться при половой рекомбинации, поскольку на каждой Y-хромосоме эти гены идентичны — ведь они клоны соответствующих генов отца. Но окаймляющие область AZF провирусы HERV сохраняют вирусную способность к рекомбинации: находящийся справа от AZF провирус одной хромосомы обменивается не с идентичным собратом, а с находящимся слева от AZF вирусом другой хромосомы. И поскольку каждый вирус несет присоединенную к нему часть хромосомы с собой, в результате область AZF удаляется.

Профессор Марк А. Джоблинг из Лестерского университета подтвердил своими исследованиями, что удаление AZF — результат рекомбинации HERV[63]. Важно отметить еще один вывод из результатов Джоблинга. Оказывается, возможен альтернативный исход, когда область AZF может удвоиться. Исследования не показали никаких отклонений в спермообразовании у индивидуумов с удвоенной областью AZF. На этом примере видно, насколько важную роль могут играть HERV с их типично вирусным механизмом рекомбинации — они могут удалять участки хромосом и удваивать их.

Недавний анализ семнадцатой человеческой хромосомы — наибольшей из всех и в особенности изобилующей генами, кодирующими белки, — обнаружил следы множества перестановок хромосомных участков, включая большое число удвоений. Данные указывают на прямую причастность к этому явлению эффектов рекомбинации, типичных для HERV и связанных с ними объектов[64]. Установлено, что эти перестановки тесно связаны с проявлениями многих заболеваний.

Сейчас полезно напомнить читателю, какие именно элементы человеческого генома связаны с HERV. Все области LINE и некоторые SINE — это остатки HERV, образовавшиеся в результате симбиоза наподобие того, как образовался редуцированный эволюцией геном митохондрии. Обилие LINE и SINE в геноме подталкивает к выводу об их очень важной эволюционной роли — и это все в большей степени признается генетиками-эволюционистами. LINE включают в себя область генов pol, включающую гены обратной транскриптазы и интегразы, поэтому LINE могут самостоятельно реплицироваться и внедряться в хромосомы; области же SINE и Alu, этих генов не имеющие, нуждаются в содействии HERV или LINE для репликации либо перемещения. Изучение LINE пока еще на ранней стадии, поэтому остается лишь догадываться, в силу каких причин (вполне возможно, эволюционных) они почти не встречаются в богатых кодирующими белки генами частях генома. В человеческом геноме девятьсот с лишним тысяч LINE, и представляется чрезвычайно удивительным то, что до сих пор известны лишь считанные случаи, когда внедрение этих элементов в гены причиняет болезнь. Случаи эти включают одну разновидность гемофилии, вызванной внедрением LINE в ген фактора свертывания крови VIII, и две разновидности мышечной дистрофии, вызванные внедрением LINE в ген «дистрофина», находящийся на Х-хромосоме и кодирующий белок, существенный для нормального функционирования мышц[65].

Элементы же Alu ведут себя диаметрально противоположным образом, активно внедряясь в области, в особенности богатые кодирующими белки генами, что открывает возможности как для эволюционных изменений, так и для опасных повреждений генома. Последнее весьма вероятно, если Alu вставляют себя в важную контрольную последовательность или ген, что равносильно мутации. Странные соединения, известные как Alu-повторы, наблюдаются лишь у приматов и весьма коротки — не более трехсот нуклеотидов. Зато они поразительно эффективны в умножении себя — в человеческом геноме больше миллиона их копий. Большинство этих вставок-репликаций мы унаследовали от предков-приматов, но около 200 Alu-повторов характерно лишь для людей. Более того, количество их увеличивается со скоростью один повтор в среднем на двести рождений (поколений), так что наиболее поздние вставки можно использовать для исследования эволюции Гомо сапиенса. Из всех связанных с вирусами элементов человеческого генома Alu-повторы наиболее склонны внедряться поблизости от активно производящих генов.

Хотя сами Alu не вирусного происхождения, их зависимость от HERV и LINE влечет за собой типично вирусное поведение. Потому они причисляются к ретротранспозонам вирусного типа. Огромное их число в человеческом геноме дает возможность для частых рекомбинаций вирусного типа, приводя к удалению генов либо их удвоению, и может вызывать генетически обусловленные заболевания. Alu способны повреждать целые сегменты хромосом и значительно изменять геном. Такие Alu-обусловленные мутации ответственны за большое число наследственных заболеваний, включая гипокальциурическую гиперкальциемию, гиперпаратиреоидизм новорожденных, нейрофиброматоз, Х-сцепленный тяжелый комбинированный иммунодефицит, гемофилию, синдром Аперта, дефицит холинэстеразы, наследственную дисмоидную фиброму, х-сцепленную агаммаглобулинемию, наследственную ангиоэдему, дефицит глицеролкиназы, некоторые разновидности сахарного диабета второго типа, а также многие врожденные пороки новорожденных. Надо думать, что по мере исследований количество обнаруженных заболеваний, связанных с Alu, будет только увеличиваться[66].

За миллионы лет эволюции огромная армия HERV и связанных с ними объектов вступила в симбиоз и внедрилась в геном наших далеких и близких предков, участвуя во всех сложностях эволюционного процесса, включая мутации и развитие симбиоза. Естественному отбору хватило времени для конструирования составного голобионтического генома, отключая либо выбрасывая нежелательные части и настраивая оставшиеся для долговременного партнерства. Но мы уже видели на примере генов и последовательностей вирусного происхождения, что даже отлаженный голобионтический геном продолжает оставаться под угрозой внедренных в него вирусов и после интеграции. Некоторые генетики-эволюционисты полагают, что привнесенная вирусами «пластичность» генома не ослабла и по сей день, хотя и в нормальной повседневной деятельности человеческого организма, и при развитии эмбриона экспрессия вирусных частей генома, вирусных генов и «бюрократов» чаще всего отражает их симбиотическую, а не «эгоистическую» роль. Говоря проще, подавляющее большинство наблюдаемой деятельности эндогенных вирусов, их протеинов и контрольных последовательностей отвечает потребностям нормального человеческого метаболизма.

Однако именно это обстоятельство и создает затруднение для медицины. Как же отличить «нормальное» от «ненормального», если и в том, и в другом участвуют вирусы?

Ранее я писал, что HERV-антигены синтицин 1 и 2 весьма интенсивно производятся в тканях мозга. Хотя их роль там пока не ясна, несомненно, они важны для построения либо функционирования мозга. Получаемые в последнее время данные указывают на то, что HERV, а в особенности семейство HERV-W, могут быть связанными с заболеваниями мозга и душевными расстройствами. Это семейство ретровирусов широко разбросано по нашему геному — по меньшей мере 654 вставки, и многие из них содержат остатки вирусных геномов. Семейство HERV-W включает также вирусы, кодирующие синтицин-1. Это обстоятельство побудило исследователей заняться выяснением возможного участия HERV в развитии таких болезней, как шизофрения.

Шизофрения — сложное заболевание. Изучение близнецов и случаев шизофрении в разных поколениях одной и той же семьи указывает: в развитии этой болезни вносят вклад и наследственные факторы, и влияние окружающей среды. Возможно, шизофрения на самом деле — это несколько различных заболеваний, вызываемых разными причинами. Инфекции, и вирусные инфекции в частности, уже давно рассматриваются как возможные инициаторы этой болезни. Когда три группы исследователей взялись обследовать тридцать пять человек с недавно обнаруженной шизофренией, то обнаружили генетические последовательности, идентичные pol-генам HERV-W в жидкости, омывающей головной и спинной мозг (цереброспинальной жидкости). Ретровирусные последовательности находят у пяти процентов страдающих хронической шизофренией, но их нет у здоровых людей либо тех, кто страдает от нервных заболеваний невоспалительной природы. Экспрессия РНК типа HERV-W в лобных долях мозга у страдающих шизофренией увеличена по сравнению со здоровыми людьми. Все это может подтолкнуть к выводу о HERV как главной причине шизофрении. А когда пять лет назад те самые исследователи изучали экспрессию HERV в культурах клеток человеческих тканей, то открыли: если заразить культуру обычными, часто встречающимися вирусами (такими, например, как простой герпес или вирус гриппа), то активируются и прежде латентные элементы HERV.

Иными словами, внешнее воздействие (в данном случае — заражение экзогенным вирусом) может спровоцировать экспрессию HERV. Потому следует быть в особенности осторожными в анализе деятельности HERV и связанных с ними структур. В 2005 году подобный анализ предприняли Франк с коллегами, детально изучив активность HERV в двухстах пятнадцати пробах, взятых у нормальных пациентов и пациентов с шизофренией и биполярными расстройствами. Исследователи обнаружили целый ряд семейств HERV, вовлеченных в деятельность мозга нормальных индивидуумов, включая семейства HERV-E, HERVF, HERV9 и HERV-К. Лишь подсемейство HERV-K10 оказалось связанным, причем довольно слабо, с шизофренией и биполярными расстройствами. Хотя это и согласуется с результатами предыдущих исследований по экспрессии HERV при шизофрении, данные говорят, скорее, в пользу нормальности такой экспрессии для функционирования мозга, а не о роли HERV как источника болезней. HERV могут быть частью нашей иммунной системы и помогать нам справляться с болезнями и вовсе не быть их причиной.

Ясно, что нам нужно узнать больше о роли эндогенных вирусов в человеческой эволюции, эмбриогенезе и в нашем нормальном повседневном метаболизме, прежде чем делать выводы об их возможной роли как источника болезней.

8. Аутоиммунные заболевания

Всего превыше: верен будь себе[67].

Уильям Шекспир, Гамлет

В развитых странах от аутоиммунных заболеваний страдает приблизительно каждый двадцатый. Это значит, что у большинства есть родственник, друг либо знакомый, страдающий таким заболеванием.

Различные в проявлениях и в том, какие органы и ткани поражают, эти болезни имеют общие черты. При них наблюдаются симптомы, типичные для воспалительных процессов, но без какого-либо внедрения чужеродного объекта в тело. Едины они и в своем патологическом характере, весьма странном и устрашающем: иммунные клетки и антитела начинают атаковать ткани их носителя, будто иммунная система человека, весьма гибкая и отлично приспособленная бороться с инфекциями и вторжениями чужеродных объектов, вдруг потеряла способность различать «своих» и «чужих». Это удивительное состояние предсказал в начале двадцатого столетия великий немецкий исследователь и новатор Пауль Эрлих, назвавший его «horror autotoxicus»[68]. Разгадка тайны его возникновения, несомненно, позволит узнать истинную причину аутоиммунных заболеваний. Вскоре мы приступим к обсуждению этой загадки, а пока полезно взглянуть на несколько примеров наиболее частых случаев таких заболеваний.

Одно из наиболее известных и распространенных — это системная красная волчанка, или болезнь Либмана-Сакса, зачастую называемая «СКВ» или просто «волчанкой». У женщин она встречается вдесятеро чаще, чем у мужчин, причем у людей африканского происхождения чаще, чем у европейцев, и проявляется чаще всего в возрасте от двадцати до пятидесяти лет. Волчанка — одна из рекордсменок по количеству и разнообразию поражаемых органов и тканей. При ней на лице может появляться красная чешуйчатая сыпь в форме бабочки, захватывающая нос и щеки, что обычно и служит причиной для обследования на волчанку. Но чаще и больше всего она поражает суставы, приводя к артриту пальцев на руках, а иногда поражает и большие суставы, такие, как лучезапястный и коленный суставы, хотя поражение это не столь тяжелое и обширное, как при ревматоидном артрите. Болезнь может приводить и к опасной для жизни ситуации, когда тромб закупоривает сосуды в важном органе. Однажды ко мне поступила пациентка с сердечным приступом. Каково же было мое удивление, когда рутинный анализ крови показал присутствие нейтрофильных лейкоцитов (так называемых «клеток красной волчанки») и повышенный уровень лейкоцитов, характерный для воспалительных процессов, — что и позволило мне поставить правильный диагноз. Волчанка поражает мышцы сердца, легкие, почки и мозг, причем симптомы и степень поражения могут сильно различаться — от почти незаметных до угрожающих жизни.

В последнее время волчанку зачастую пытаются диагностировать, отыскивая в крови антитела, нацеленные на ядра клеток поражаемых тканей, — хотя эти же самые антитела иногда встречаются и при других аутоиммунных заболеваниях, и у совершенно здоровых людей. Более разумным было бы исследование крови на наличие враждебных ДНК антител. Как это ни поразительно, при волчанке иммунная система тела атакует собственный генетический код! При ревматоидном артрите аутоиммунной атаке подвергаются большие и малые суставы, и поражаются суставы на удивление сходным, симметричным образом. Болезнь сопровождается воспалением синовиальных сумок, а иногда и других органов, например кровеносных сосудов кожи, легких, почек, сердца и белков глаз. Типичное для ревматоидного артрита аутоантитело «ревматоидный фактор», найденное приблизительно у восьмидесяти пяти процентов больных, направлено против важнейшего протеина нашей иммунной системы, обеспечивающего его нормальное функционирование, — против иммуноглобулина IgG.

Некоторых читателей, наверное, удивит тот факт, что диабет первого типа — недостаточность инсулина, зачастую присутствующая у молодых людей, — также числится среди аутоиммунных заболеваний. Люди склонны считать диабет попросту нехваткой гормона инсулина. В сущности, это справедливо, но причина нехватки инсулина как раз и кроется в том, что иммунные клетки и антитела нашего тела атакуют бета-клетки островков Лангерганса — крошечных скоплений производящих инсулин клеток, находящихся преимущественно в хвосте поджелудочной железы. Инсулин многофункционален в нашем метаболизме, и одна из важнейших функций инсулина — это способствовать переносу глюкозы из крови в клетки. Стандартным тестом на диабет первого типа является анализ крови на наличие антител, нацеленных против декарбоксилазы глютаминовой кислоты (ГКД65) — соединения, необходимого для нормального функционирования островков Лангерганса.

Мой последний пример — это рассеянный, или множественный, склероз (PC), многими, хотя и не всеми, рассматриваемый как аутоиммунное заболевание. При нем поражаются миелиновые оболочки нервных волокон головного и спинного мозга. Нервные клетки сообщаются друг с другом через длинные нервные волокна аксоны, напоминающие сверхтонкие электрические провода. Их оболочки, аналогичные пластиковой или резиновой изоляции проводов, образует вещество миелин. При развитии рассеянного склероза происходит аутоиммунная атака на миелин во множестве рассеянных по центральной нервной системе мест, где образуются характерные бляшки, очаги разрушения миелина белого вещества головного и спинного мозга. Такая «демиелинизация» приводит к такому же эффекту, какой бывает при повреждении изоляции проводов. Качество передачи сигналов по аксонам ухудшается. Болезнь имеет осциллирующий характер, приступы сменяются ремиссией. Как и при всех аутоиммунных заболеваниях, приступ можно смягчить иммунодепрессантами. Недавно долговременного улучшения у многих пациентов стали добиваться, вводя бета-интерферон и другие сходные по действию препараты.

Аутоиммунных болезней слишком много, чтобы здесь описать их все хотя бы вкратце. Для нас важно подчеркнуть их общую черту: все они вызваны тем, что наша мощная, быстро реагирующая и адаптирующаяся иммунная система перестает воспринимать определенные части тела как «свои». Эти заболевания настолько распространены, проблема их лечения настолько важна, что огромные деньги и усилия тратятся на изучение иммунологических реакций, патологии, молекулярной химии внутритканевого воспаления — а также генетической подоплеки развития этих заболеваний и предрасположенности человека к ним.

В конце семидесятых и в восьмидесятых годах прошлого века мне посчастливилось внести небольшой вклад в изучение аутоиммунных заболеваний. В то время я работал под руководством гастроэнтеролога Дерека Хольдсворта и гематолога Эрика Престона и изучал неспецифический язвенный колит — аутоиммунное заболевание, при котором поражается слизистая оболочка толстой кишки. Мы впервые обнаружили, что неспецифический язвенный колит иногда сопровождается понижением функций селезенки (гипоспленизмом). Некоторые пациенты нуждались в резекции толстой кишки, сложной и тяжелой операции, при которой удаляются вся толстая кишка и прямая кишка и временами возникает опасное, угрожающее жизни осложнение: рассеянная интраваскулярная коагуляция. Я заметил, что это осложнение чаще возникает у пациентов с пораженной селезенкой, и предположил, что, возможно, оно связано с бактериальными антигенами, переносимыми кровью. Потому с согласия пациентов я повторил эксперименты с бактериофагами, которые раньше проводил с кроликами, проверяя способность иммунной системы пациентов реагировать на безвредный для них вирус. Эксперимент подтвердил мои опасения: тела пациентов с гипоспленизмом вовсе не вырабатывали антител в ответ на присутствие вируса в крови.

Мы тогда заключили, что повреждение селезенки — это лишь часть общего поражения иммунной системы, возможно тесно связанного с аутоиммунностью. Наши догадки были подтверждены коллегами, проведшими аналогичные исследования и обнаружившими, что гипоспленизм проявляется также при ревматоидном артрите и волчанке. Я же продолжил свой эксперимент, исследуя кровь больных язвенным колитом на предмет наличия аутоантител, характерных для широкого спектра аутоиммунных заболеваний. Оказалось, у многих эти антитела присутствовали, хотя признаков заболеваний не наблюдалось. Но затем я в течение длительного периода времени — десять — двенадцать лет — наблюдал за этими пациентами, и у некоторых из них развились заболевания, соответствующие обнаруженным антителам. Это подтвердило разделяемое многими убеждение: у аутоиммунных заболеваний имеется общая причина, и, скорее всего, — причина генетического характера.

В 2005 году журнал «Нейчур» посвятил серию обзорных статей о состоянии исследований аутоиммунных заболеваний, включая обзоры исследований по генетике, патологии, терапии, а также анализ возможностей будущих исследований. Статьи эти в основном уделяли внимание классической генетике заболеваний и изучению воспалительных процессов при них — двух важнейших аспектов аутоиммунности. Но при этом даже не предпринималось попыток осветить роль человеческих эндогенных ретровирусов в аутоиммунных заболеваниях. Я же сейчас покажу, что HERV могут играть в этих заболеваниях весьма важную роль.

В 1990 году Артур М. Криг и Альфред Д. Штейнберг из Иммунологического отделения Национального института здоровья США опубликовали обзорную статью под названием «Ретровирусы и аутоиммунность». Изложенные там результаты экспериментов на животных позволяли утверждать: экспрессия ретровирусов тесно связана с аутоиммунностью. Артур М. Криг и Альфред Д. Штейнберг заключили: хотя изучение человеческих ретровирусов и находится на ранней стадии, есть косвенные свидетельства в пользу их соучастия в развитии аутоиммунных заболеваний[69].

Чтобы прояснить этот вопрос, нужно закрыть три объемных пробела в наших знаниях по данной теме. Прежде всего нужно детально изучить роль ретровирусов в эволюции очень важной области человеческого генома, известной как главный комплекс гистосовместимости (МНС) — он находится в шестой хромосоме. Затем следует понять молекулярную химию иммунных и воспалительных процессов, вовлеченных в аутоиммунность. И третье: опираясь на эти знания, нужно определить возможный вклад эндогенных ретровирусов в аутоиммунность, в развитие воспалительных процессов, вызванных аутоиммунным откликом организма.

Как уже говорилось, развитие иммунной системы, способной распознавать «своих» и «чужих», — важнейшее условие успешной борьбы организма с чужеродными пришельцами, подобными бактериям и вирусам. Эта же система отторгает имплантированные органы и ткани. По необходимости она должна быть гибкой и быстро реагировать на новые виды агрессивных микроорганизмов, а в особенности вирусов, поскольку они способны мутировать с ужасающей скоростью даже внутри наших тел. В отличие от беспозвоночных, чьи иммунные системы ригидны, наша иммунная система способна адаптироваться и откликаться на атаки даже быстро меняющихся агрессоров. Это единственная система нашего тела, которая откликается на изменение окружающей среды быстрыми эволюционными изменениями, — потому мы и зовем ее «системой адаптивного иммунитета». Она и определяет нашу биологическую сущность. И тут встает вопрос: как же такая сложная система, столь отличающаяся быстротой эволюции от прочих частей тела своих носителей-позвоночных, могла у этих позвоночных развиться?

Нам хорошо известно, когда именно это произошло — причем произошло фактически внезапно, с зарождением позвоночных. У нынешних костных рыб такая же иммунная система, как и у нас. Но ничто не возникает из ничего. Поэтому настоящий вопрос таков: когда же именно среди морских беспозвоночных — а возможно, и в более раннюю эпоху, когда существовали только одноклеточные, — возникло хотя бы отдаленное подобие иммунной системы и как из этой первой искры развилась сложнейшая и быстро реагирующая иммунная система человека?

В 2009 году Луис Вильярреал опубликовал большую обзорную статью об истоках адаптивного иммунитета, в которой представил данные изучения взаимодействия между вирусами и носителями, начиная с бактерий и переходя от беспозвоночных с их негибкой, но довольно эффективной иммунной системой к зарождению адаптивной иммунной системы у позвоночных и далее к иммунной системе млекопитающих, а затем приматов, включая человека. Называлась статья так: «Источник „самости“: генетические паразиты и происхождение адаптивного иммунитета». В ней Вильярреал убедительно доказывает, что первичные формы иммунной системы — а значит, первое утверждение биологической «самости» — произошли от сложного эволюционного взаимодействия между вирусами-фагами и их бактериями-носителями[70].

Ученым давно известно, что вирусы-фаги временами вступают в симбиотическое партнерство с бактерией-носителем, когда вирус присутствует в бактерии, но не размножается нормальным образом — ведь это привело бы к разрушению бактерии и выходу большого числа вирусов-потомков. Вирусологи теперь понимают: такое сосуществование вируса с бактерией — жестокая и коварная, вполне в духе Макиавелли сделка, осуществляемая при помощи механизма, известного как «модуль аддикции». Стоит посвятить несколько минут описанию работы этого механизма.

Если вкратце, то вирус помещает полную копию своего генома в бактерию, но геном остается изолированным от бактерии, обернутым в оболочку и представляет собой плазмид. Геном остается полностью дееспособным, способным производить агрессивные экзогенные вирусы, и потому назван «профаг». Профаг кодирует особые метаболические продукты. Первый — с долговременным эффектом, и, если нет противоядия, он является летальным для носителя токсином. Второй же как раз и есть это противоядие, и он — короткоживущий. Для бактерии, конечно же, лучше избавиться от потенциально смертельного вируса, и бактерии вполне способны избавляться от плазмид через процесс полового размножения, открытый Джошуа Ледербергом и Эдвардом Татумом. Но если бактерия выбросит плазмид, действие противоядия быстро кончится, и долгоживущий токсин убьет бактерию. Но смертью лишь этой бактерии дело не ограничится: этот же свирепый вирус распространится и убьет все бактерии, не обладающие «модулем аддикции», то есть плазмидом. Другими словами, вирус убивает все бактерии, не являющиеся носителями ему подобных вирусов.

Здесь мы видим яркий пример агрессивного симбиоза. Некоторые читатели, возможно, возразят: мол, здесь всего лишь пример «эгоистического» поведения вируса. Но если поразмыслить, прикинуть долговременные эволюционные последствия, то ясно: «модуль аддикции» делит вид бактерий надвое — на тех, у кого есть опасный, но и способный защитить модуль, и на тех, у кого нет. С иммунологической точки зрения «модуль аддикции» создал первичную биологическую «самость».

Это пример того, как сложное взаимодействие между вирусом и бактерией развилось от «эгоизма» до мутуализма. А это, в свою очередь, подразумевает, что естественный отбор уже работает на уровне партнерства. Потому неудивительно обнаружить, что со временем вирусы-фаги становятся «дефективными», теряют заразность и становятся частью целого, бактериально-вирусного голобионта, развивающегося симбиотически. Здесь картина аналогична наблюдаемой при симбиотической эволюции митохондрий либо эндогенизации ретровирусов, превращающихся в HERV либо родственные им структуры. Содержащая «защитный» вирус бактерия защищена от инфицирования сходными вирусами, как это происходит временами с эндогенными вирусами. Начиная с этого первичного «иммунитета», подробно объясняя и анализируя каждый последующий шаг, Вильярреал описывает, как принцип «модуля аддикции» работает на каждой стадии эволюции иммунной системы, от простых и неадаптивных начальных версий ее до сложной высокоадаптивной системы, какая защищает сегодня людей. Процитирую Вильярреала: «Вся адаптивная иммунная система, которая на ранних стадиях развития должна „самообучиться“ различению своего и чужого, установить биологическую самоидентичность и не допускать саморазрушения (аутоиммунности), ведет себя как один огромный модуль аддикции».

Чтобы связать этот факт с уже известными данными о генетической подоплеке аутоиммунных заболеваний, нужно обсудить подробнее человеческий главный комплекс гистосовместимости (МНС) — а вернее, его совместно с прилегающими областями. Сейчас этот комплекс генов обозначается как хМНС. Выше уже писалось: он тесно связан и с аутоиммунностью, и с откликом на инфекцию. Приблизительно каждый пятый из четырехсот двадцати одного гена хМНС играет важную роль в работе нашей иммунной системы. В 1999 году Роджер Докинз с коллегами из Университета Западной Австралии провели глубокое и детальное изучение областей генома, соседствующих с МНС и включающих его, и установили: эти области произошли посредством дублирования простых древних генных структур, развившихся впоследствии в пять различаемых теперь классов МНС[71]. При дальнейших исследованиях австралийские ученые выяснили, что, например, блок генома, содержащий ген HLA-A — тот самый, который участвует в коэволюциии с ВИЧ-1, — содержит десять идентичных генных блоков и в каждом есть последовательности МНС первого класса, тесно ассоциированные с HERV-16.

Австралийские ученые предложили модель эволюции МНС, в которой важнейшую роль играют ретровирусы, — и это вполне согласуется с гипотезой Вильярреала о роли вирусов в эволюции биологической самости. Они также упомянули возможность полезной и даже защитной роли HERV для нашей иммунной системы и сделали вывод: если последовательности HERV в самом деле могут защищать организм, то открываются богатые возможности для терапии с их использованием.

Коль скоро человеческая хМНС содержит множество существенных для нашей иммунной системы генов, то неудивительна ее связь с десятками и сотнями разнообразных заболеваний. Но лишь малое их число связано с определенными генами. Например, анкилозирующий спондилоартрит связан с геном HLA В27, диабет первого типа — с генами DRB1, DQA1 и DQB1, а целиакия, или глютеновая болезнь, — с генами HLA-DQ2 и HLA-DQ8. Генетическая подоплека многих других заболеваний — таких, например, как волчанка, — более сложна. Вероятно, многие аутоиммунные заболевания — например, диабет первого типа, аутоиммунная тиреоидная болезнь, болезнь Аддисона, волчанка и миастения тяжелая псевдопаралитическая — связаны не с определенным геном (или генами), но с определенными комбинациями генов в областях, окружающих МНС.

Уже известно: вирусы могут провоцировать аутоиммунность у животных. Некоторые исследователи полагают, что вирусы способны маскироваться под антигены животного, и потому, когда включается иммунная система, она повреждает и собственные ткани животного. В 1997 году ученые из Швейцарии и Италии, работающие над совместным проектом, сообщили: эндогенный ретровирус HERV-K10 кодирует суперантиген, могущий служить причиной диабета первого типа. Суперантигены — это токсины вирусного и бактериального происхождения, действующие на иммунную систему и провоцирующие ее преувеличенную и чрезмерную реакцию. Правда, оговоримся, что результаты этой группы были оспорены несколькими другими группами, сделавшими вывод о необходимости более тщательных экспериментов.

Другие ученые, исследовавшие проблему суперантигенов, обратили внимание на связанные с HERV-K последовательности, найденные в панкреатических островках диабетиков. Эти последовательности были недавно идентифицированы как env ген HERV-K18. Известно — этот ген кодирует суперантигены. Третьи ученые показали; производство суперантигенов HERV-K18 может быть спровоцировано химическим соединением интерфероном-альфа, тесно связанным с реакцией организма на воспалительные процессы. Это соединение вызывает быстрый рост числа Т-лимфоцитов того типа, который связан с вызванными инсулиновой недостаточностью диабетами. Интерфероны — главные регуляторы иммунного отклика на вирусную инфекцию. Потому корреляция между суперантигеном и интерфероном указывает на способ, которым прибывший извне чужеродный вирус может спровоцировать опосредованное HERV производство суперантигенов, приводя к чрезмерной реакции иммунной системы в определенных органах.

Мне хотелось бы сказать подробнее о двух распространенных болезнях — рассеянном склерозе и волчанке.

В 1997 году французский ученый Эрве Перро, в чью группу входили исследователи из Лондона и Гренобля, сообщил о молекулярной идентификации нового ретровируса, выделенного у больных, страдающих рассеянным склерозом[72]; его обозначили как «ретровирус, ассоциированный с рассеянным склерозом», или MSRV. Впоследствии этот вирус идентифицировали как эндогенный вирус, принадлежащий к семейству HERV-W — тому самому, что включает HERV, кодирующий синтицин 1 в плаценте. Простоты ради я буду называть его «MS-вирус». Четыре года спустя эта же группа авторов показала: env-ген этого вируса провоцирует мощный Т-лимфоцитный иммунный отклик, возможно весьма существенный для иммунопатологического действия MS-вируса. Тип отклика указывал на возможную роль env-гена как суперантигена. Год спустя эта же группа ввела найденный вирус в брюшную полость лабораторной мыши и спровоцировала обширный иммунный отклик. Мышь погибла от летального мозгового кровотечения. Но складывавшуюся ясную картину несколько затемнили результаты польских исследователей, показавших наличие MS-вирусов в крови пациентов с другими нервными заболеваниями и даже у здоровой контрольной группы. Картина еще более разупорядочилась, когда датские исследователи обнаружили связь между MS-вирусом и парой других эндогенных ретровирусов: HERV-H/RGH — одним из двух ретровирусов, еще способных производить вирусные частицы в тканях, и ERV-9.

По данным группы Перро, экспрессия MS-вируса гораздо выше в областях мозга, поврежденных склерозом, — так называемых «бляшках». В 2002 году группа итальянских исследователей подтвердила экспрессию генных транскриптов MS-вируса в здоровом мозге и показала усиленную в двадцать — двадцать пять раз экспрессию у пациентов с рассеянным склерозом вкупе с мощной иммунореактивностью к вирусу в поврежденных областях. Выяснилось, что экспрессия происходит не в самих нервных клетках, а в клетках воспомогательных, известных как «микроглии» и «астроциты». Наиболее интенсивное окрашивание было обнаружено у астроцитов в самом центре пораженных областей. Несомненно, это очень значимая находка — хотя и не окончательное доказательство того, что MS-вирус является причиной болезни[73].

Доказательная база весьма усилилась, когда Джозеф М. Энтони сообщил в 2004 году результаты совместного исследования канадских, американских, французских и британских исследователей, обнаруживших факт активной экспрессии синтицина-1, кодируемого env-геном MS-вируса, в микроглиях и астроцитах больных рассеянным склерозом[74]. Экспрессия синтицина-1 наблюдалась в областях активной демиелинизации. В роли синтицина-1 сомнений не было — именно он провоцировал выделение соединений, убивающих олигодендроциты — клетки, формирующие миелиновую оболочку. Подобные действия синтицина-1 озадачивают. С какой стати белку, вовлеченному в нормальный метаболизм мозга, провоцировать воспалительный процесс? Возник вопрос: быть может, существуют различные модификации синтицина-1? Или же его «сбивают с пути истинного» некие иные действующие лица?

В 2007 году группа итальянских исследователей сделала следующий шаг, показав: провоспалительные химические соединения цитокины, обеспечивающие мобилизацию воспалительного ответа, активно участвуют в регуляции экспрессии синтицина-1 в астроцитах. Этих исследователей, как и многих других, накопленные доказательства подтолкнули к однозначному выводу: MS-вирус — в особенности его env-ген — играет одну из главных ролей в патологии рассеянного склероза. Энтони даже предложил MS-вирус в качестве «мишени для терапевтического вмешательства». Тем не менее нужны дальнейшие исследования — ведь многое остается непонятным. Почему синтицины вовлечены в настолько разные процессы? Они способствуют развитию плаценты, они участвуют в нормальной работе здорового мозга — и вдруг провоцируют воспалительный процесс.

Несомненно, в будущем нас ожидают новые интересные результаты исследования очевидной тесной связи между MS-вирусом и рассеянным склерозом. Я же пока оставлю эту тему и перейду к результатам исследований связи HERV и их производных с одним из наиболее известных и распространенных аутоиммунных заболеваний — системной красной волчанкой.

На сегодняшний день ученые детально исследовали воспалительные процессы, происходящие при этой часто встречающейся болезни, и ее симптомы. Известно: она поражает женщин гораздо чаще, чем мужчин, сопровождается значительными иммунными расстройствами, касающимися белых кровяных телец, и выработкой антигенов, атакующих ядра клеток, и, в частности, двойные спирали ДНК. С этой болезнью связаны мутации нескольких генов хМНС, но непосредственного гена-«виновника» пока не нашли. Правда, недавно направление поиска, возможно, было указано экспериментами на мышах, у которых отсутствует фермент панкреатическая дезоксирибонуклеаза (ДНКаза), помогающий клетке избавиться от продуктов разрушения ДНК (гидролизирующий ДНК). У этих мышей наблюдались симптомы заболевания, весьма схожие с симптомами человеческой волчанки. Заметим: название энзима принято писать обычным прямым шрифтом, название же кодирующего энзим гена — курсивом. То есть кодирующий ДНКазу ген обозначается как «ДНКаза1». Полученные в экспериментах с мышами результаты побудили японских исследователей в поисках мутаций, возможно нарушающих нормальное функционирование гена, секвенировать[75] ген ДНКаза1 у двадцати страдающих волчанкой пациентов. Эти мутации были найдены у двух пациенток, тринадцати и семнадцати лет[76].

При более детальном обследовании этих пациенток выяснилось: уровень антиядерных антител в их крови в семь — восемь раз выше, чем у пациентов, не имеющих данной мутации, и в семьдесят — восемьдесят раз выше, чем у людей, не страдающих волчанкой. Уровень направленных против ДНК антител у этих пациенток был также намного выше. Ученые заключили: мутации гена ДНКаза1 мешали нормальному лизированию ДНК в клетках и это, в свою очередь, способствовало развитию болезни.

В 2003 году Секигава с коллегами из Токио опубликовал очень интересные результаты, касающиеся связи с волчанкой вируса HERV клон 4–1, который принадлежит к семейству HERV-E[77]. Это целиком сохранившийся эндогенный ретровирус, способный к экспрессии протеинов, с целыми и невредимыми генными областями gag, env и pol. Этот вирус размножился до такой степени, что по нашим хромосомам разбросано восемьдесят пять его копий. Секигава, во-первых, показал, что количество несущих gag-последовательности транспортных РНК — то есть РНК, переносящих код из ядра к производящим белки частям клетки, — в лимфоцитах больных волчанкой существенно увеличивается по сравнению с лимфоцитами здоровых людей. И во-вторых, что лекарства, используемые для лечения болезненных проявлений волчанки, стероиды и иммунодепрессанты, подавляют экспрессию этого вируса. Результаты очень интересные — но и они, как мне кажется, не могут служить доказательством безусловной виновности HERV в развитии аутоиммунных заболеваний.

В 2008 году Д. Стетсон от имени целой группы коллег из Йеля в США и Вильжю во Франции доложил об открытии нового механизма, посредством которого эндогенные ретровирусы могут способствовать развитию аутоиммунности[78]. Читатели уже знают о способности клеток крови реагировать на присутствие вируса. Но и в клетках тканей есть структуры, способные обнаруживать чужеродную ДНК. Эта внутриклеточная сигнальная система также способна включить мощный антивирусный отклик. Хотя механизм его функционирования пока не очень понят, известно, что он координируется особыми интерферонами. Они регулируют выполнение многосторонней реакции отклика на вирус: ограничивают его размножение в пораженных клетках, сигнализируют соседним клеткам о присутствии инфекции и дают сигнал к увеличению популяции лимфоцитов, предназначенных защитить клетки от агрессора. К сожалению, эта внутриклеточная система не всегда способна различить человеческую и вирусную ДНК либо РНК — чаще всего сбой происходит тогда, когда клетку заполняют неубираемые продукты распада своих ДНК и РНК. Таким образом провоцируется мощная, опосредованная интерферонами аутоиммунность.

Изучая иммунную систему тканевых клеток, Стетсон с коллегами идентифицировали принципиально важный энзим Trex 1, удалявший продукты распада ДНК из клеток. Известно, что мутации гена Trex 1 приводят к синдрому Айкарди, который влечет за собой задержки в умственном и физическом развитии. Другие мутации гена Trex 1 приводят к разновидности волчанки — волчанке Хатчинсона. Стетсон с соавторами в экспериментах на мышах выяснили: неадекватное функционирование Trex 1 ведет к накоплению продуктов распад ДНК внутри клетки, что провоцирует аутоиммунный отклик и летальное поражение сердца.

Следующая находка оказалась еще более интригующей. При анализе накопления продуктов распада ДНК в клетке выяснилось: большая их часть происходит из областей LINE-1, LTR и SINE. То есть из эндогенных ретровирусов. В полной мере значение этой находки до конца не осознано. Больше похоже на то, что разрушение и последующее удаление ретровирусных ДНК — часть нормального метаболизма клетки. В нормальных условиях энзим Trex 1 удаляет эти продукты распада из клетки. Но при дефиците Trex 1 продукты накапливаются и провоцируют опосредованный интерферонами отклик, ведущий к аутоиммунности.

Обобщая полученные результаты, Стетсон и его коллеги сделали вывод, что, учитывая активное участие эндогенных ретровирусов и их последовательностей в нормальном метаболизме, возможно, Trex 1 был создан эволюцией как защитный механизм против аутоиммунности и, вероятно, он связан с широким спектром аутоиммунных заболеваний. Таким образом, мы подходим к мысли, что при исследованиях адаптивного иммунитета и аутоиммунных заболеваний нельзя не учитывать возможное влияние человеческих эндогенных ретровирусов.

9. Рак

Развертывание событий в жизненном цикле организма обнаруживает удивительную регулярность и упорядоченность, не имеющих себе равных среди всего, наблюдаемого в неживой природе. Организм контролируется великолепно упорядоченной группой атомов…

Эрвин Шрёдингер

Это цитата из знаменитой книги Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?». Именно она вдохновила Крика и Уотсона и многих их современников на поиск структуры ДНК. Шрёдингер удивляется тому, что произошедшее от мутации перемещение всего нескольких атомов из группы упорядоченных управляющих атомов половых клеток может привести к крупномасштабным изменениям наследственности организма. Увы, мутации, в особенности действующие на онкогены либо гены, подавляющие развитие опухолей, могут привести к изменениям в тканях и органах и сделать человека предрасположенным к развитию рака этих тканей и органов. Но «перемещение всего нескольких атомов» из их прежде упорядоченного состояния хотя и очень важный, но далеко не единственный механизм генетических и геномных изменений и не единственный двигатель эволюции — равно как и не единственная причина рака.

Причина рака коренится в нас самих, ведь рак фундаментально отличается от бактериальных заболеваний, таких, как туберкулез, и от вирусных, таких, как СПИД. При раке наши собственные клетки вдруг начинают себя вести самым ужасающим образом. Вдруг группа клеток перестает взаимодействовать с остальными клетками тела и начинает агрессивно и «эгоистично» делиться, будто подчиняясь внутреннему приказу обессмертить себя. Пониманию происходящего может помочь то, что многие простейшие формы жизни, не знающие полового размножения, ведут себя подобным же образом. В некотором роде они бессмертны. Рак словно обращает вспять один из главнейших шагов эволюции живого — шаг, после которого простейшие организмы вроде амеб развились в более сложные живые образования: в животных, растения и грибы со сложным половым размножением, со специализированными органами, такими, как листья, или плодовые тела грибов, или головной мозг животных, и эти органы работают согласованно друг с другом, обеспечивая жизнь существа.

Принимая во внимание способность вирусов внедряться в геном животных и их способность вносить в этот геном изменения, неудивительно, что вирусы могу быть причиной рака. По крайней мере двадцать процентов раковых заболеваний человека вызываются вирусами, и еще многие виды рака, по мнению вирусолога и специалиста по раку Робина А. Вайса, могут оказаться связанными с вирусами[79]. Типичный пример — вирус человеческой папилломы, или HPV. В 2008 году немецкий патолог Харальд цур Хаузен был награжден Нобелевской премией в области медицины за открытие того факта, что именно вирус человеческой папилломы вызывает рак шейки матки — второй по частоте рак, встречающийся у женщин[80]. Понимание значения этого открытия пришло с запозданием, и лишь в последнее время были развернуты программы вакцинирования молодых женщин, нацеленные на предотвращение инфицирования вирусом папилломы. Этот вирус также увеличивает риск заболевания анального отверстия, пениса, рта и горла, что указывает на возможность в будущем более широкого применения вакцины. Заражение другими вирусами также может быть связано с раком. Например, вирусы гепатита В и С повышают риск рака печени, а вирус Эпштейна-Барр, причиняющий мультигландулярный аденоз, бывает связан с раком крови и носовых проходов.

Вызывающие рак вирусы называются «онковирусами». Ретровирусы также способны вызывать рак, хотя происходящие при этом процессы весьма отличаются от тех, посредством каких, например, причиняет рак вирус HPV. Надо сказать, экспериментальное изучение ретровирусов человека и животных весьма способствовало пониманию рака как явления в целом, а в частности — пониманию роли вирусов в возникновении рака.

Типичная картина жизни вируса такова: он проникает в геном клетки-носителя, добивается контроля над ним и заставляет производить вирусы. Как и прочие вирусы, ретровирусы вторгаются в хромосомы некоторых клеток, внедряя в геном провирусы, служащие для производства дочерних ретровирусов. Иногда при проникновении в геном вирус внедряется слишком близко от ключевых участков генома, контролирующих процесс нормального деления и размножения клеток. Эти влиятельные гены обычно под строжайшим генетическим и эпигенетическим контролем, но вирус перехватывает контроль, и гены эти становятся «протоонкогенами». Они могут быть «включены» контролирующей вирусной LTR и заставить клетку делиться и размножаться неконтролируемым бесконечным образом. Это самый частый случай причинения ретровирусом рака у животных. Другой подобный механизм срабатывает, когда провирус подхватывает группу генов клетки, контролирующих процесс ее деления, и вставляет в геном самого вируса. Провирус при этом повреждается, поскольку целостность его генома нарушена, но тем не менее он остается способным включать онкогены и вызывать неконтролируемое деление клетки. Есть и третий механизм причинения ретровирусом рака. У клетки есть гены, называемые «генами-супрессорами», в нормальной ситуации не допускающие чрезмерного деления клетки, но, если провирус внедрился близко к гену-супрессору, вирусная LTR может взять контроль над ним и отключить его в то время, когда ему следовало бы включиться.

Теперь известно: вирусы — весьма частая причина рака во всем царстве животных. Они вызывают рак и у моллюсков церастодерм, и у бирманских питонов (вероятно), и у лососей, домашних кур, мышей, коал, кошек, крупного рогатого скота, лошадей, овец, мартышек, человекообразных обезьян и, конечно, у человека. Вирусы действуют жестоким и беспощадным образом, вызывая эпидемии и эндемии, со всеми ужасающими последствиями, какие влечет за собой уже обсуждавшийся в этой книге агрессивный симбиоз.

Чрезвычайно интересный вирус с уникальными и необычными свойствами был изучен профессором Массимо Пальмарини из Института сравнительной медицины при университете в Глазго. Я давно знал о выдающихся исследованиях Пальмарини в области ретровирусологии, а узнав, насколько удивителен исследуемый им вирус и коэволюция этого вируса со своими носителями овцами[81], я нанес визит в лабораторию профессора.

Вирус этот, известный под названием «джакзикте», или JSRV, вызывает бронхиально-альвеолярную аденокарциному у овец. На африкаанас «джакзикте» (Jaagsietke) означает «болезнь погони», поскольку при аденокарциноме овцы дышат так, будто их только что загнала собака. Существуют две почти идентичные разновидности вируса (их так и подмывает назвать «эго» и «альтер эго» разновидностями). «Эго»-разновидность — это эндогенный, одомашненный вирус, обозначаемый как enJSRV, а «альтер эго»-разновидность — это собственно JSRV, свирепый заразный экзогенный вирус, вызывающий рак легких у овец и распространенный во всех странах с развитым овцеводством. В особенности большие проблемы с ним в Великобритании[82].

«Эго» и «альтер эго» очень схожи, более девяноста процентов их генетических последовательностей совпадают. В далеком прошлом экзогенная форма вируса заражала общего предка нынешних овец и коз. Заражение происходило через половой контакт, как это обычно для ретровирусов, после чего вирус эндогенизировался в геноме. Дальнейшая его эволюция чрезвычайно интересна и сложна.

Во время моего визита в марте 2009 года среди сотрудников профессора Пальмарини царило здоровое оживление. Результаты их работ были приняты в печать в престижнейший американский журнал «Сайнс». Они выяснили, каким образом эндогенный вирус внедрялся в хромосомы, картографировали эти включения и использовали их в качестве генетического маркера, позволяющего получить информацию о том, как распространялись по миру домашние овцы в процессе истории. Люди первыми одомашнили именно овец и коз, поначалу — лишь как источник мяса. Приблизительно в пятом тысячелетии до нашей эры их стали использовать и как источник шерсти. Исследование Пальмарини с коллегами оказалось первым, в котором эндогенные ретровирусы использовались для получения исторических сведений и изучения культуры скотоводческих обществ древности.

Результаты оказались замечательными во многих отношениях. Но меня в особенности заинтересовал временной фактор, и я спросил профессора, когда же «джакзикте» впервые заразил овец.

— Думаю, до эволюционного расхождения овец и коз, что случилось от семи до пяти миллионов лет назад, — ответил профессор.

— Так вы находите эти вирусы и у коз?

— Только старейшие провирусы. Только они общие у овец и коз. И овцы, и козы носят сейчас различные вирусы.

— Но это похожие вирусы?

— Да, они очень схожи.

— Но они принадлежат к разным семействам вирусов?

— Нет, они просто по-разному интегрировались в геном.

В опубликованной работе профессор уделил большое внимание тому, как именно интегрировался вирус в хромосомы, и объединил определенные виды интеграции в кластеры, разделив места интеграции по областям генома. Мне захотелось узнать, почему это важно.

— Я думаю, — сказал Пальмарини, — что интерес тут отчасти практического свойства, поскольку оказывается, что эндогенные вирусы могут со временем служить генетическими маркерами. Зная, когда и куда они интегрировались, и соотнося это с резкими изменениями численности овец, можно узнать много любопытного.

Лишь после этих слов до меня кое-что дошло! Каждый случай интеграции в разное место на хромосоме, пусть даже внедренные последовательности были идентичными, соответствовал своему предку, отдельной овце, чей геном по-своему интегрировал вирус. И каждая из этих овец дала начало своей линии овец-потомков, сохранивших интегрированный вирус на прежнем месте. Я вдруг понял, насколько ошибался в предыдущих моих суждениях, полагая, что эндогенные ретровирусы могут размножаться уже после интеграции в геном носителя. До меня дошло: размножаться могут производные вируса, LINE и SINE, — но не полноценный эндогенный ретровирус. Полноценные эндогенные ретровирусы наподобие JSRV остаются там, где и произошла интеграция вируса с геномом у предка нынешних носителей. Потому внедрение вируса в хромосому, попадание его в определенный кластер может служить генетическим маркером и дает возможность исторических выводов. Я вдруг осознал: это же может дать нам мощнейший инструмент для понимания эволюции человеческого генома! Но я хотел удостовериться, что правильно понимаю результаты Пальмарини и его коллег. Я спросил, приложимы ли полученные результаты к другим ретровирусам — например, к разнообразным включениям ретровируса в геном коалы. Станет ли каждый индивидуальный случай внедрения ретровируса в геном коалы историческим генетическим маркером наподобие того, как это произошло с овцами?

— Я уверен в этом, — ответил профессор.

Пальмарини исследовал лишь одно семейство овечьих ретровирусов. А я задумался над тем, что же значат его выводы для людей, с их десятками семейств и двумястами подсемействами эндогенных ретровирусов, интегрировавшимися в самых разных местах. Один только вирус HERV клон 4–1, принадлежащий к семейству HERV-E (он изучался Секигавой с коллегами в связи с исследованиями волчанки), дублирован в геноме восемьдесят пять раз, причем в разных местах на разных хромосомах. Я полагал, что эти копии возникли из-за свойства вирусных последовательностей дублировать себя. Но по-видимому, каждая копия может соответствовать отдельной особи, в геном которой внедрился вирус. То есть, изучая распределение вирусов по местам интеграции, можно изучать историю человека и его предков. А как насчет недавно эндогенизировавшегося HERV-K113? Что, если посмотреть на распределение мест его интеграции по геномам людей разных народов? Открытие Пальмарини можно использовать, чтобы приоткрыть темнейшие страницы человеческой истории, отобразить миграции и демографические изменения, заглянуть в невероятное прошлое. Посмотреть далеко вниз, на предков-приматов, и на млекопитающих, и на существовавших до них позвоночных… моя голова закружилась от открывающихся перспектив.

Позднее, когда профессор показывал мне свою лабораторию, половина которой занималась изучением рака и где была сделана предварительная работа по созданию вакцины против вируса человеческой папилломы, я перевел разговор на рак. Пальмарини обладает обширными знаниями о ретровирусах и раке, и мне хорошо было известно, что исследования профессора показали уникальность ретровируса «джакзикте» в его прямой связи с раком. Когда мы пошли в центр Глазго пообедать в итальянском ресторане, весьма уместно называвшемся «Массимо», я заметил:

— Если не ошибаюсь, вы особо подчеркнули: вирус «джакзикте» — единственный, обладающий непосредственным онкогенным действием.

— Это единственный ретровирус, онкогенный в силу кодирования им особого протеина.

— Не могли бы вы пояснить?

— Большинство обладающих непосредственным онкогенным действием вирусов — это ДНК-вирусы, но не ретровирусы. Эти ДНК-вирусы содержат онкогены, внедряемые вирусом прямо в ДНК носителя. При экспрессии вирусных генов клетка становится раковой.

— Именно так вирус папилломы вызывает рак?

— Не совсем. В этом случае вирус не кодирует онкогенные протеины, но они могут провоцировать онкогенез. Деление клетки регулируется двумя протеинами, Rb и р53. Два гена вируса папилломы — Е6 и Е7 — кодируют протеины, способные присоединятся к Rb и р53 и блокировать их регуляторную функцию. Когда регуляция деления клетки нарушена таким образом, клетка начинает бесконтрольно делиться. Вирус служит лишь тем камнем, который начинает обвал, — в дальнейшем генетическая структура делящейся клетки изменяется, и новые клетки уже делятся бесконтрольно и без помощи вируса.

Я повернул разговор назад, к ретровирусам:

— Насколько мне известно, все ретровирусы оказывают онкогенное действие, внедряясь в геном носителя и активируя онкоген либо взаимодействуя с геном-супрессором онкогенеза.

— Большей частью они активируют онкогены. А может случиться и транскрипция, при которой эти онкогены комбинируются с вирусами. В результате вирус принимает онкоген в состав своего генома — и делается способным к быстрому инициированию онкогенеза.

Этот разговор вернул меня к изначальной цели моего визита, вирусу «джакзикте». В прошлом, где-то от четырехсот тысяч до миллиона трехсот тысяч лет назад, этот вирус нашел способ, как предотвратить вторжение своего экзогенного «альтер эго» обычным половым путем. Поэтому экзогенный вирус изменил тактику и стал заражать через легкие, а там «понял», как вызывать у носителя рак. Я спросил Пальмарини, как именно это произошло.

— В случае «джакзикте» есть структурные протеины, образующие оболочку и обладающие прямым онкогенным действием.

— То есть оболочка вируса содержит онкогенные белки?

— Из них оболочка и состоит.

— Вся?

— Именно! Потому этот вирус способен своим непосредственным действием вызывать рак у носителя. Он попросту заражает, производит рак и убивает. По мне, в этом нет никакого смысла.

Палмарини имел в виду следующее: поведенческая стратегия, подразумевающая развитие рака у носителя и его гибель, выглядит бессмысленной с «точки зрения» вируса, поскольку убивает источник его существования.

Бессмысленная на первый взгляд агрессия такого рода характерна для вирусов, вызывающих кратковременные сильные эпидемии, — например, для вируса оспы, в особенности когда он заражает популяцию, в прошлом оспы не знавшую. Но даже оспа не убивает всех зараженных, в особенности когда становится эндемичной, и я согласился с профессором:

— Да, с эволюционной точки зрения это кажется бессмысленным. Ведь этот экзогенный вирус убивает всех зараженных?

— Если заразить искусственно, то да. Например, если ввести ягнятам вирус, они непременно погибнут. Но в природе не так. Может быть заражена целая отара, но у большинства овец в ней будет очень низкий уровень содержания вируса в крови и тканях, и лишь у единиц разовьется рак. Возможно, в естественных природных условиях вирус редко достигает того определенного вида клеток в легких, у которых он и может вызвать бесконтрольное деление.

— А может быть, иммунная система овец убивает вирус прежде, чем он достигнет нужной клетки?

— Вряд ли. В крови овец нет антител к этому вирусу, и клеточный иммунитет не срабатывает.

— То есть у овец нет никакой иммунной реакции на вирусную агрессию? Вообще никакой?

— Нет.

— Поразительно, фантастично! Вызывающий эпидемии вирус у овец, схожий со своим собратом, эндогенизировавшимся в геноме, — и никакой иммунной реакции, даже если экзогенный вирус и выкашивает популяцию. Если сравнить с коалами, там картина совершенно иная. У них иммунная реакция, безусловно, присутствует. Здесь же что-то совершенно иное. Возможно, я не встречал такого никогда. Иммунной реакции ведь нет не потому, что вирус повреждает иммунную систему, подобно вирусу СПИДа?

— Нет. Когда мы изучали опухоли, то обнаружили, что вирус проникает в клетки-прекурсоры пневмоцитов и трансформирует их. Мы пока еще изучаем процесс, стараясь понять, какие именно клетки подвергаются трансформации. Кажется, это разновидность стволовых клеток терминальных бронхиол — или альвеолярные клетки.

— Думаете, рак возникает именно в них, в стволовых клетках?

— Да. Ягнята более подвержены заражению, поскольку у них эти стволовые клетки интенсивно делятся. Чтобы вирус мог заразить клетки, те должны делиться. Лентивирусы (наподобие ВИЧ-1) могут обойтись и без этого, но, в общем, ретровирусам для заражения нужны делящиеся клетки. У взрослых овец по-другому. Если ввести им вирус, то рак не развивается — или развивается лишь после очень долгого инкубационного периода. Но у ягнят рак развивается очень быстро. Думаю, большинство животных защищено от вируса как раз тем, что вирус не может достичь клеток, которые может поразить. А если и достигает, то, как правило, по чистой случайности.

— А насколько рано вирус попадает к ягнятам?

— Это мы исследуем сейчас. Известно: существует корреляция между возрастом овец и длиной инкубационного периода. Мне кажется, причиной возникновения опухоли может быть стремление вируса размножиться, а рак дает эту возможность. Возможно, вирусу нужно произвести опухоль, чтобы размножаться интенсивнее.

Профессор Пальмарини и его группа проводят новаторский эксперимент, намереваясь проверить, возможно ли изменить генетику овец и сделать их устойчивыми к вирусу, вызывающему рак. Профессор ищет способ включить защитную функцию эндогенизировавшегося ретровируса в легких, чтобы этот вирус действовал так же, как и в половых органах.

— Мы выводим трансгенную линию овец, включая в геном эндогенные вирусы и добиваясь их экспрессии, хотя в нормальной ситуации они экспрессии не проявляют. Мы вставляем в геном овец вирусные последовательности, уже имеющиеся в их геноме. Мы добавляем в геном копии уже присутствующих там генов. Но очень важно, чтобы люди поняли: мы не собираемся заменить нынешнюю популяцию овец трансгенными овцами. Мы просто проводим эксперимент, а вернее, два различных эксперимента. Пока мы вставляем только гены оболочки и области gag, ответственной за блокировку передачи экзогенного вируса половым путем, но в двух различных линиях овец.

Замечательно было бы, если б Пальмарини добился успеха в эксперименте! Это значило бы, что он смог пресечь эндемичную вирусную инфекцию, причиняющую много страданий овцам и финансовых потерь — фермерам, и дал пример успешной профилактики рака у млекопитающих.

Учитывая наши теперешние познания об участии вирусов в развитии рака, и в особенности о роли экзогенных ретровирусов в этом процессе, неудивительно, что ученые задумались о возможной связи между огромной коллекцией ретровирусов в нашем геноме и множеством разновидностей рака, поражающего людей на всех стадиях жизненного цикла, от эмбрионального развития до старости. Те способы, какими провоцирует рак экзогенный вирус — например, внедряясь в геном рядом с генами, ответственными за нормальное деление и размножение клеток, либо внедряя в свой геном эти гены, — подталкивают к заключению о способности эндогенных вирусов делать то же самое. Эта мысль вызвала к жизни исследования HERV и их производных, подобные работе профессора Пальмарини с вирусом «джакзикте».

Тромбоциты — это липкие частицы крови, помогающие остановить кровотечение из раны. Еще в 1975 году ученые, исследовавшие кровь пациентов, страдающих лейкемией, обнаружили нечто подобное вирусным частицам в тромбоцитах. Другие ученые увидели под электронным микроскопом типичный вирусный энзим, обратную транскриптазу, а также сами вирусные частицы в пробах тканей, взятых у больных раком той части костного мозга, которая производит эритроциты и тромбоциты. Эти виды рака носят название «тромбоцитомия» и «полицитомия». Затем в крови пациентов, страдающих этими видами рака, был обнаружен протеин HERV-K. У контрольной группы здоровых людей, а также у пациентов с другими видами лейкемии подобного присутствия выявлено не было.

С тех пор различные HERV находили в клетках, пораженных лейкемией, а также клетках других тканей и органов, пораженных разными видами рака: желудка, кишечника, костного мозга, мочевого пузыря, простаты, шейки матки. Находили их и при меланоме, семиномах, гератокарциномах, раке молочной железы и простаты[83]. Но окончательного вывода на основе всех этих находок сделать не удавалось. Не разъяснило окончательно ситуацию и обнаружение прямой связи между фрагментами HERV, такими, как LINE-1, SINE и Alu-повторы, и некоторыми разновидностями рака — например, раком пищевода.

Снова и снова повторялась та же картина. Проводящие эти важнейшие исследования ученые не могли определить, вирусы ли виновны в патологии — либо наблюдаемое представляет собой отклик вирусов на патологию. Ученые просто не понимали роли HERV и их производных в нормальной физиологии организма. И лишь совсем недавно появилось исследование, где сообщается о возможном механизме индицирования заболеваний посредством HERV. Проявления лейкемии стволовых клеток оказались связанными с перемещением участка восьмой хромосомы, включающего ген FGFR1 — а этот ген кодирует важный рецептор для факторов роста, контролирующих клетки соединительной ткани, известные как «фибропласты». У страдающих лейкемией стволовых клеток в костном мозге начинается неконтролируемое размножение белых кровяных телец, могут бесконтрольно размножаться и другие клетки крови, может развиться лейкемия и лимфома. Связь с HERV привлекла внимание французских исследователей, обнаруживших слияние последовательностей HERV-К с последовательностями FGFR1 в самой точке разрыва на восьмой хромосоме. Затем исследователи обнаружили этот участок восьмой хромосомы, подвергшийся транслокации в девятнадцатую хромосому, у пациента, страдающего атипичной лейкемией описанного выше типа[84]. Было выдвинуто предположение: произошла вирусная рекомбинация между HERV на восьмой и девятнадцатой хромосомах и при этом участок восьмой хромосомы перешел на место транслокации в девятнадцатой хромосоме.

В 1996 году связь HERV с раком была продемонстрирована и группой из Вашингтона, показавшей, что внедрение HERV-С в ген, кодирующий фактор человеческого роста плейотрофин, вызывает чрезвычайно агрессивную форму рака клеток плаценты, известную как «хориокарцинома»[85]. А в первое десятилетие XXI века Ремер, Армбрюстер и их немецкие коллеги представили убедительный (и весьма устрашающий) ряд доказательств участия определенных вирусов семейства HERV-К в карциногенезе[86]. В этих исследованиях впервые было отмечено повышение числа антигенов к последовательностям gag и env HERV при раке половых органов — таких, например, формах рака, как семинома и тератокарцинома. Ремер и Армбрюстер с коллегами идентифицировали новый необычный ген Np9 в составе env-области HERV-К, кодирующий белок в ядре клеток. Экспрессия гена Np9 наблюдается при развитии раковой опухоли — и он вполне может играть некую роль в карциногенезе. Однако даже это исследование, хотя и подталкивает настойчиво к заключению о провоцировании рака генами HERV-К, все же не дает оснований считать такое провоцирование бесспорным фактом.

Экспрессия генов вирусов семейства HTDV/HERV-K приводит к появлению вирусных частиц в клетках тестикул. Но физиология этого процесса до конца не понята — и потому трудно объяснить высокие уровни экспрессии вирусов и их генов у тестикулярных разновидностей рака. Правда, некоторые исследователи предполагают участие HERV в возникновении и развитии этих видов рака. Возможные пути вовлечения HERV в карциногенез описаны в очень полезном обзоре, сделанном Рупрехтом и его коллегами[87]. Вставки LINE-1 оказались связанными с раком молочной железы, a SINE, в особенности Alu-повторы, — со многими разновидностями рака, включая рак мозга, глиому, и могут быть связаны с нарушением функции генов BRCA1 и BRCA2, ассоциированных с раком молочной железы. Например, Монтанья и его сотрудники описали удаление последовательностей из гена BRCA1, произошедшее у двух семейств с повышенным риском рака молочной железы. Удаление это произошло в результате рекомбинации между двумя очень схожими Alu-повторами. Думаю, подобная рекомбинация — важный источник патологии — непременно будет упущена из виду обычными методами секвенирования, не учитывающими вирусные элементы[88].

Поразительное количество Alu-повторов в человеческом геноме и их способность разнообразными способами мешать нормальному функционированию генов означает: Alu-повторы обязательны к рассмотрению при изучении генетики рака. Например, О’Нейл и ее коллеги показали: онкоген MYB, часто дублирующийся при патогенезе одного из видов рака человеческих лейкоцитов, в геноме окаймлен с обеих сторон Alu-повторами — а значит, легко может дублироваться в результате рекомбинации Alu-повторов[89]. При нормальном функционировании организма удвоения эти встречаются лишь изредка, но при лейкемии их частота резко увеличивается.

Другие исследователи установили связь между Alu-повторами и модификациями генов BRCA1 и BRCA2. Рекомбинация Alu-элементов также была ассоциирована с острой миелоидной лейкемией, с различными опухолями эндокринных желез, аутосомным доминантным раковым синдромом, вызванным происходящими в половых клетках мутациями подавляющего опухоли гена MEN1. Фукуучи с коллегами обнаружили происходящее в половых клетках удаление этого же гена. Удаляет его вирусная по характеру рекомбинация окаймляющих его Alu-повторов — и современный анализ, основанный на секвенировании, не обнаружил бы подобного эффекта именно в силу тенденции игнорировать вирусную часть генома[90]. Alu-повторы связаны также с наследственным колоректальным раком, раком груди и яичников, саркомой Эвинга и раком мозга (глиомой). Несомненно, список подобных связей будет расти по мере исследования.

Завершить эту главу я хочу кратким описанием работы Спадафоры и его коллег из Рима. Они, полагаясь на свое глубокое понимание HERV, использовали действующие против обратной транскриптазы лекарства, применяющиеся ныне при лечении СПИДа и для борьбы с развитием опухоли при семи различных видах рака[91]. Обычный подход к лечению рака — это хирургическое удаление опухоли либо уничтожение ее при помощи радиации либо химиотерапии. Новаторский же подход Спадафоры и его коллег состоит в том, чтобы заставить клетки прекратить бесконтрольное деление и вернуться в норму. То есть вместо удаления либо уничтожения раковых клеток их постарались превратить в нормальные.

Эксперименты шли со многими распространенными видами рака: раком половых органов — тератокарциномой, раком мускулов и соединительных тканей — фибросаркомой, раком кости — остеосаркомой, глиомой, различными видами меланом, с наследственным раком толстой кишки, раком простаты и щитовидной железы. Во всех этих видах рака антиретровирусные препараты, в особенности блокирующие важнейший ретровирусный энзим обратную транскриптазу, приводили к резкому замедлению размножения раковых клеток у подопытных животных и в клеточных культурах и к восстановлению нормального процесса деления и дифференциации клеток, перепрограммируя экспрессию генов. Когда же терапия препаратами, блокирующими обратную транскриптазу, прекращалась, раковые опухоли возобновляли прежнее развитие.

Пока этим замечательным открытиям объяснения нет, хотя в более ранних работах той же группы была изучена активация HERV-K при злокачественных преобразованиях клеток меланомы, и были получены результаты, возможно указывающие на объяснение экспериментов с блокированием обратной транскриптазы[92]. Как и в других видах рака, процесс превращения нормальных клеток кожи, содержащих пигмент меланин, — меланоцитов — в раковые клетки происходит многоступенчатым образом и провоцируется рядом генетических и эпигенетических факторов. Исследователи обнаружили активацию эндогенных ретровирусов на двух стадиях превращения клетки: во-первых, во время самого процесса превращения клетки в раковую и, во-вторых, в выработке механизма защиты раковой клетки от иммунного отклика тела. В клеточных культурах эти стадии сопровождались активацией экспрессии HERV-K и массированным выделением вирусных частиц. Снижение же экспрессии HERV-K при помощи эпигенетического механизма, известного как «интерференция РНК», предотвращало превращение клетки в раковую. Исследователи заключили: «Эти данные позволяют предположить активную роль HERV-K в развитии меланомы».

Эти открытия не дают панацеи от рака — но дают важные сведения о его возникновении и развитии и могут послужить для разработки новых способов его терапии.

10. Шире и глубже

Идея пришла ко мне, как и к Дарвину, внезапным проблеском вдохновения, была обдумана в течение нескольких часов, записана вместе с наброском ее возможного развития и приложений, какие тогда пришли мне в голову, скопирована на тонкую бумагу для писем и послана Дарвину.

Альфред Рассел Уоллес

В 2008 году мне выпала честь организовывать совместно с президентом профессором Дэвидом Катлером двухдневный симпозиум Линнеевского общества Лондона. Название симпозиума было таково: «Движущие силы эволюции: от Дарвина к современности». Целью симпозиума было собрать мировых специалистов по эволюционной биологии для рассказа о современном состоянии эволюционной теории и чествования стопятидесятилетия представления теории естественного отбора перед этим самым обществом в июле 1858 года, за год до того, как эта теория была представлена широкой публике публикацией книги «О происхождении видов». Сегодня мы знаем: та лекция, прочитанная всего перед тридцатью двумя членами общества в аудитории, существующей по сей день в историческом Берлингтон-хауз на Пикадилли, была волнующим и полным высокого смысла событием не только для Дарвина, но и для другого английского (некоторые скажут: уэльского) натуралиста, Альфреда Рассела Уоллеса, независимо пришедшего к открытию эволюции путем естественного отбора. Обстоятельства тех событий любопытны и поучительны. Конечно, нам известно: Дарвин пришел к идее эволюции еще в октябре 1838 года, но воздерживался от ее опубликования в течение двух десятилетий — пока не накопил огромное число свидетельств в ее пользу из литературы по биологии, агрономии, садоводству и огородничеству, а также благодаря своей полевой работе. Уоллес все это честно и скромно отметил, когда в среду первого июля 1908 года — в день пятидесятилетия исторической лекции — был награжден Дарвиновско-Уоллесовской золотой медалью Линнеевского общества за свой вклад в развитие теории эволюции. Эпиграф к этой главе — из благодарственной речи Уоллеса по поводу награждения. Он описал, как пришел к эволюционной теории независимо от Дарвина, но отказался признавать свой вклад равным вкладу Дарвина:

— Моя работа весьма отличается от его долгих кропотливых трудов. Я был тогда — и временами остаюсь и сейчас — торопливым пылким юношей. Он же, кропотливый и аккуратный исследователь, искал полного и убедительного раскрытия найденной истины, но не стремился к немедленному завоеванию славы и признания.

Несмотря на протесты Уоллеса, нелогично было бы отрицать его вклад в эволюционную теорию, его неустанные усилия по изучению природы Амазонки, а затем Малайского архипелага. Там, оправляясь от лихорадки, он и испытал внезапный порыв вдохновения — приходящего обычно, как мудро заметил Пастер, лишь в подготовленный разум. Изложение его идей уместилось на двадцати с небольшим листках тонкой бумаги (это была статья «О законе, который управляет интродукцией новых видов»), принесенных почтальоном одним «спокойным утром пятницы» 18 июня 1858 года Дарвину. Согласно его биографам Десмонду и Муру, в этом письме Дарвин увидел крушение работы всей своей жизни, как результат проволочек с ее опубликованием. Но, по правде говоря, письмо явилось не так уж и внезапно. Уоллес уже встречался с Дарвином и был одним из многих партнеров по переписке, чьи результаты Дарвин использовал как аргумент в поддержку своей теории. Оба переписывались уже несколько лет, и Дарвин знал о том, что Уоллес мыслит в сходном направлении. В мае 1857 года Дарвин написал Уоллесу, что готовит работу к публикации и собирается завершить подготовку в течение двух лет. Уоллес же в письме, столь испугавшем Дарвина, не упоминал про публикацию, но просил переслать свою статью знаменитому геологу сэру Чарлзу Лайелю. Дарвин на просьбу добросовестно откликнулся, переслал письмо и добавил свое, где жаловался на собственную медлительность и предлагал Лайелю устроить публикацию статьи Уоллеса.

Многократно обсуждалось, отчего и почему Дарвин настолько задержался с публикацией своей теории. Большинство считает: он хорошо представлял, сколь шокирующее впечатление теория эволюции произведет на чопорную верхушку среднего английского класса, приверженного англиканской церкви, — и потому не спешил устраивать подобное потрясение. К тому же он хорошо представлял, насколько тяжелым это окажется для его глубоко верующей жены Эммы. Скептики могут возразить: в 1844 году, когда Дарвин описал вкратце на 189 страницах суть теории, заказал копию рукописи местному школьному учителю и написал Эмме письмо, которое следовало вскрыть лишь после смерти Дарвина, — он не слишком заботился об ее чувствах. В этом письме, объявленном «наиболее важной и последней просьбой», он завещал опубликовать рукопись посмертно. Дарвин писал: «Если мое мнение об этой теории окажется верным, если ее примет хотя бы один компетентный специалист, она существенно продвинет науку вперед». Жене завещалось заплатить издателю весьма солидную по тем временам сумму в четыреста фунтов стерлингов и передать книги и заметки, чтобы издатель мог их обработать и издать в виде книги. Дарвин ожидал, что после публикации Эмма и ее брат Хенсли займутся ее активным продвижением[93]. Но после сообщения от Уоллеса Дарвин был в отчаянии, полагая, что, промедлив, потерял все. Он жаловался Лайелю: «Весь мой приоритет и новизна, какими бы они ни были, теперь рассеяны в пух и прах».

Лайель поразмыслил над ситуацией и предложил компромисс: Дарвин и Уоллес должны совместно объявить о своих открытиях. Дарвин согласился, заметив: «Я буду чрезвычайно рад опубликовать набросок моих построений на дюжине страниц либо около того». Но ему показалось, что это может выглядеть проявлением «мелочности». Тревожась об этической двусмысленности ситуации, Дарвин попросил Лайеля узнать мнение выдающегося ботаника Джона Дальтона Хукера. Но вскоре Дарвин был отвлечен семейными делами. Его младший сын Чарлз — страдавший, по всей видимости, синдромом Дауна — заболел смертельно опасной тогда скарлатиной, свирепствовавшей в графстве Кент, где жили Дарвины. И в том видится куда более разумное и человечное объяснение того, что сообщение о великом открытии, представленное как «Совместное эссе Дарвина и Уоллеса», было зачитано перед небольшой группой собравшихся членов Линнеевского общества в отсутствие и Дарвина, и Уоллеса.

Сейчас почти единодушно считается: эссе особого впечатления на собравшихся не произвело. Но это едва ли можно считать верным, поскольку представляли его Лайель и Хукер, настаивавшие на «необходимости чрезвычайного внимания к данной работе» и предупреждавшие, что услышанное может оказать глубокое влияние на «будущее естественной истории». Ученые объясняли, что «эти джентльмены (то есть Дарвин и Уоллес), работая независимо и не зная результатов друг друга, пришли к одной гениальной теории, объясняющей возникновение и разнообразие форм жизни на нашей планете, и оба могут претендовать на лавры первооткрывателей в этом важном направлении исследований. Ни один до сих пор не опубликовал свои результаты, хотя мы на протяжении многих лет уговаривали мистера Дарвина это сделать. Теперь оба автора оказали нам высокую честь, отдав работы на наш суд, и мы посчитали целесообразным в интересах науки изложить выдержки из обеих работ перед Линнеевским обществом».

Таким образом, выдающиеся ученые поступили честно и разумно по отношению к обоим исследователям, поставив молодого и неизвестного Уоллеса в один ряд с Дарвином. Трудно представить более справедливое решение, учитывая, что Лайель и Хукер знали о приоритете Дарвина, знали об огромной работе, проделанной им на протяжении более чем двух десятилетий ради превращения теории эволюции из догадки и гипотезы в теорию, подтвержденную многими данными из различных областей науки. И Лайель, и Хукер знали: выступление будет вскоре опубликовано и публикация эта еще важнее выступления, поскольку приоритет должен быть подтвержден черным по белому, публикацией в серьезном научном журнале. Это и было сделано в августе того же года, когда совместное эссе было опубликовано в «Журнале записок Линнеевского общества», распространив новость и другим тремстам семидесяти одному члену Линнеевского общества, лекции не слышавшим. После этого эссе стало доступно широкому кругу читающей публики и было перепечатано многими журналами.

Но поспешность с презентацией результатов и последующей публикацией в отсутствие обоих авторов имела далеко идущие и в то время, пожалуй, непредсказуемые последствия. Вскоре стало ясно: в понимании естественного отбора у Дарвина с Уоллесом существенные расхождения. Дарвин полагал: основная причина отбора — конкуренция между членами вида. Уоллес же полагал главной причиной давление окружающей среды, заставляющей организм приспособиться ради выживания. И если для Дарвина отбор был бессмысленным механизмом, Уоллесу он представлялся целенаправленным. Более того, Уоллес считал людей исключением, не подверженным отбору. Уоллес оконфузил и привел в отчаяние своих научных последователей, когда провозгласил иное действие отбора на людей по сравнению с прочими формами жизни и предложил спиритическое объяснение действия естественного отбора на Гомо сапиенсов. Чарлз Х. Смит, отдавший немало времени и усилий для понимания настоящих движущих мотивов Уоллеса и подоплеки его идей, предполагает, что главной идеей письма, посланного Уоллесом Дарвину, было «обоснование исключительности человека»[94].

Насколько существенен, с нашей сегодняшней точки зрения, тот факт, что Уоллес не упомянул возможную публикацию в письме и тем более не давал права на нее Дарвину? Смит цитирует три различных источника, в которых Уоллес жалуется на публикацию. Но в сущности, претензии его относятся не к самому факту публикации, а к тому, что ее сделали без разрешения. Ведь он не смог отредактировать перед публикацией свою статью, написанную поспешно, да к тому же во время болезни.

Несомненно, письмо Уоллеса не оставило Дарвину выбора и заставило поторопиться с публикацией. Книга сосредоточила внимание публики именно на Дарвине и его теории естественного отбора, но Уоллес также получил известность и возможность добиться широкого признания. Заметим: несмотря на склонность к спиритизму, Уоллес внес значительный вклад в науку, в особенности в энтомологию и биогеографию. Трогательное обстоятельство: на вручении золотой медали Линнеевского общества восьмидесятипятилетнему Уоллесу (он оказался единственным, для кого эта медаль была в самом деле изготовлена из золота, а не из серебра) присутствовал девяностооднолетний Хукер.

И как же удивительно, что в том же историческом здании, в зале, украшенном знаменитой картиной, изображающей Дарвина и Уоллеса, наш двухдневный юбилейный семинар начался с блестящего выступления Линн Маргулис, выдающейся американской исследовательницы, профессора университета Амхёрста и одной из основательниц современной симбиологии! Темой ее пленарного доклада было развитие первых ядерных форм жизни в протерозойской эре, более двух миллиардов лет назад, на ранней стадии развития биосферы, когда в атмосфере еще не было кислорода. Согласно предложенной Маргулис теории эндосимбиоза, первые обладающие ядром клетки родились из слияния двух подобных бактериям одноклеточных организмов. Первый — это быстро плавающая спиралевидная (наподобие вызывающей сифилис спирохеты) серная бактерия. Второй — это археобактерия (их теперь называют иногда «археями»), подобная микроорганизмам, ныне обитающим в горячих источниках Йеллоустонского парка. Этот архей существовал в метаболическом симбиозе с древней спирохетой, питаясь выделяемыми ею соединениями серы. Со временем оба организма слились, дав начало эукариотическим формам жизни.

Позднее, с появлением первых сине-зеленых цианобактерий в прибрежной полосе древних морей — предшественников нынешних хлоропластов в растениях и водорослях, — появилась форма жизни, способная улавливать энергию солнца и производить кислород в результате жизненного процесса. Со временем это привело к нынешней атмосфере Земли. Затем, около миллиарда лет назад, предшественники митохондрий, дышащие кислородом бактерии, присоединились к растущему голобионтическому союзу и дали начало нынешнему разнообразию жизни: растениям, животным, грибам и некоторым протистам. Потому весьма уместным оказалось и награждение спустя полгода Линн Маргулис наряду с другими светилами биологии, за вклад в биологию в целом и эволюционную биологию в частности, серебряной медалью Дарвина — Уоллеса. И я пользуюсь возможностью выразить в этих строках мою благодарность этому замечательному и дальновидному исследователю за поддержку и вдохновение моих скромных изысканий в области симбиоза с вирусами. Ее и Луиса Вильярреала я считаю теми, кто побудил меня заняться эволюционной биологией и очертил мои интересы в ней.

В октябре того же года я вступил в Международное сообщество симбиологов и получил приглашение написать небольшую популярную статью «о симбиотическом потенциале вирусов» для журнала сообщества. Эта статья появилась в весеннем выпуске журнала за 2004 год. Вот таким скромным образом идея симбиоза с вирусами была впервые представлена научному сообществу. А в сентябре 2005 года я получил письмо по электронной почте от Мэрилин Руссинк, исследовательницы вирусов растений из Фонда Самуэля Робертса Нобля в США. Она проинформировала меня о том, что добыла мой адрес у Луиса Вильярреала и берет на себя смелость переслать мне только что законченную обзорную статью, принятую в печать в журнал «Нейчур ревьюз».

«Я хочу выразить вам свою благодарность за книгу „Слепое пятно Дарвина“, — написала она. — Она подвигла меня начать исследования в этом направлении. Теперь она — обязательное чтение в моей лаборатории».

Конечно, мне ее интерес весьма польстил. Кроме того, мне очень понравилась ее статья — свежестью взгляда и ясностью изложения. В сущности, Руссинк проанализировала всю эволюцию вирусов растений, сравнивая и противопоставляя «эгоистическую» эволюцию путем мутаций и последующего отбора с симбиогенезом как движущей силой эволюции. В заключение она написала: «Полагаю, оба вида эволюции происходят в соответствующих обстоятельствах, но эволюция путем симбиотической ассоциации (симбиогенез) — наиболее вероятная модель для многих эволюционных ситуаций, сопровождавшихся быстрым изменением вида либо формированием нового вида»[95].

Несколько месяцев спустя я поинтересовался у Луиса Вильярреала и Мэрилин Руссинк, не хотят ли они объединиться со мной в группу, целью которой стало бы объяснять наши вирусологические идеи симбиологам на грядущем Мировом конгрессе симбиологического общества в Вене. Оба согласились. Вот так впервые в истории общества в современном университетском кампусе, расположенном в сердце старого города прекрасной Вены, мы представили концепцию симбиоза с вирусами. Вильярреалу довелось председательствовать на утренней секции, и начал ее он с важнейшей темы: созидательной роли вирусов в эволюции их носителей. Я рассказал о том, как именно определять симбиоз с вирусами и как понимать его в приложении к человеку. Я ожидал, что Руссинк расскажет о роли симбиогенеза в эволюции вирусов растений, но она предупредила: доклад ее будет по другой — и совершенно новой — теме. И в самом деле, мы все были удивлены — она рассказала о принципиально новом эксперименте по поиску неизвестных вирусов, основанном на симбиотической методологии. И почти сразу эксперимент привел к успеху: был обнаружен новый вирус, живущий в симбиозе с растениями, растущими в засушливом районе Йеллоустоунского парка. Вирус этот поражал грибок, поражавший, в свою очередь, тропическое прутьевидное просо, растущее на почвах вблизи геотермальных источников. Известно, что этот грибок сообщает растению теплоустойчивость, — то есть налицо классические признаки симбиоза. Но когда грибок был «излечен» от обнаруженного вируса, пораженное грибком растение оказалось неспособным перенести жар и сухость и погибло. Когда же вирус был снова введен в грибок, к просу вернулась теплоустойчивость. Последующие исследования Руссинк и ее коллег показали: вирус, скорее всего, участвует в метаболическом процессе, обеспечивающем выживание партнеров этого трехстороннего симбиотического союза[96].

Для меня этот результат был в особенности важен и знаменовал новый шаг в вирусологии и симбиологии: впервые биолог посмотрел на природу сквозь призму симбиотической методологии и сумел выделить дотоле неизвестный, явственно существующий в симбиозе вирус. Аргументы, представленные в трех наших докладах, оказались настолько убедительными, что организаторы конгресса попросили меня и Вильярреала написать две связанных друг с другом статьи, где бы определялся симбиоз с вирусами с точки зрения симбиологии и рассматривался процесс взаимодействия вируса с носителем на протяжении эволюции жизни на Земле. Обе эти статьи были опубликованы в специальном выпуске журнала «Симбиология» в 2007 году[97].

Двумя годами позднее на конференции в Линнеевском обществе Лондона Мэрилин Руссинк, теперь уже полный профессор Фонда Самуэля Робертса Нобля, описала новые результаты поиска вирусов в здоровых растениях. Исследования проводились в основанной в Коста-Рике полевой лаборатории, работающей в тесном сотрудничестве с Фондом Нобля в Ардморе, штат Оклахома. В докладе она рассказала о своей работе по мутуалистическим вирусам, о сожительстве вирус — грибок — растение и новом открытии устойчивости к засухе, являющейся результатом симбиоза с вирусами. Она упомянула также и другие полученные результаты, которые, во-первых, указывают на большое число эндогенных вирусов в геноме растений, что позволяет сделать вывод об симбиогенезе растений и вирусов в процессе эволюции, и, во-вторых, наводят на мысль о возможности вирусов наделять растения новыми генами, способными резко изменить биохимию жизненных процессов.

На этой же конференции историк науки Ян Сапп, основываясь на эндосимбиотической теории происхождения клетки Линн Маргулис, представил собранные воедино из многих научных дисциплин данные о различных филогенетических линиях, начиная с бактерий и археев, давших начало нынешнему разнообразию живого.

Из результатов в различных отраслях биологии, полученных за последние два десятилетия, становится все более ясным: мутации и симбиогенез — не единственные движущие силы эволюции. Возможно, наиболее важным концептуальным результатом этой конференции стало недвусмысленное заключение: за симбиогенезом и современным дарвинизмом стоят разные движущие начала. Но стало ясно также и то, что обе теории можно объединить в тесно связанное целое, где работающий на разных уровнях естественный отбор и обеспечит связь между обоими механизмами. К этому целому следует присоединить и еще два эволюционных механизма, десятилетиями пребывавших в забвении, но сейчас, в эпоху молекулярной генетики и все возрастающего понимания устройства генома и его функционирования, нуждающиеся в радикальном переосмыслении. Эти два механизма: гибридизация и эпигенетика — сыграли важную роль в эволюции; оба они отличаются концептуально и функционально от мутаций и симбиогенеза.

За два года до этой конференции «Биологический журнал Линнеевского общества» опубликовал мой обзор этих сил эволюции, озаглавленный «Конструктивные геномные модификации и естественный отбор: современный синтез»[98]. И среди докладчиков было много тех, чьи работы цитировались в моем обзоре. Слово «геномные» вместо «генетические» я употребил в названии именно затем, чтобы включить в изложение и эпигенетику, по определению не могущую быть отнесенной к «генетическим» механизмам. Слово же «конструктивные» было употреблено, чтобы подчеркнуть то, что — вопреки прежним взглядам — гибридизация и эпигенетика, сопряженные на разных уровнях с дарвиновским естественным отбором, в эволюционной перспективе также созидательны и конструктивны. Я свел воедино в одной работе четыре различные дисциплины, ибо изначальное единство симбиогенеза и мутации, на мой взгляд, — это компонент общей картины, включающей все четыре источника генной и геномной изменчивости — и эти источники вкупе с естественным отбором дают всеобъемлющее объяснение эволюционных явлений.

Поскольку концепция конструктивных геномных модификаций («геномной креативности») задумывалась максимально общей, она нисколько не противоречит всей массе существующих концептуальных работ по эволюции. Напротив, она указывает на возможность применения навыков и методик, характерных для какой-либо частной области, к другим областям. И хотя я ожидал встретить некоторое неприятие либо даже полное отрицание идей, изложенных в моей статье, отклик оказался совершенно иным. Коллеги восприняли ее со спокойным интересом, вызванным возможностью применить изложенное к своей работе либо переосмыслить эту работу в свете описанных в статье концепций.

Вскоре после публикации моей статьи Мартин Е. Федер, старший профессор университета Чикаго, написал сперва короткую заметку, а затем и большую статью о взаимодействии естественного отбора со всеми источниками геномной модификации — то есть сделал следующий необходимый шаг в развитии концепции конструктивных геномных модификаций[99]. Вместе взятые, его и моя работы дали достаточно полный обзор современной эволюционной биологии. Федер, отдавая должное работам трех предыдущих поколений биологов и врачей по формированию современного дарвинизма, расширил эволюционную парадигму, включив в нее все четыре движущих силы эволюции: мутации, симбиогенез, гибридизацию и эпигенетику — и в то же время учел разнообразие работы естественного отбора во взаимодействии с этими механизмами. Сейчас активное участие всех четырех этих механизмов в человеческой эволюции все яснее. Более того, все четыре играют важные роли в генетической и эпигенетической подоплеке человеческих болезней.

11. Пол и эволюционное древо

Гибрид — от латинского слова hybrida, обозначающего потомка домашней свиньи и дикого кабана. Так в древнем Риме называли потомков отца-римлянина и матери-варварки либо потомков свободного и рабыни.

Краткий Оксфордский словарь английского языка

Прославленные Ван Гогом подсолнухи — воистину чудесное явление мира растений. Родина их — Южная Америка. Первым из европейцев увидел их экзотическую красоту Франсиско Писарро. В стране инков Туантинсуйу, в современном Перу, их считали символами бога солнца и отливали из золота. Жилистый стебель, позволяющий растению поворачиваться вслед за двигающимся по небосводу солнцем, достигает трех метров в высоту, а цветок может быть диаметром в целый метр — буйство красок, пиршество желтых, оранжевых, темно-красных лепестков, окружающих центральный диск со спиральным узором цветков, из которых развиваются семечки.

Ботаник Лорен Ризеберг открыл: подсолнух — особенное растение, причем настолько особенное, что это меняет наши представления об эволюции растений, а возможно, и об эволюции животных. Заинтересовался подсолнухами он, когда работал под руководством Эдварда Шиллинга над магистерской диссертацией в университете Теннесси, изучая мексиканские разновидности подсолнухов. А позже, когда он приступил к работе над кандидатской диссертацией в университете штата Вашингтон, подсолнухи послужили ему еще раз — темой диссертации стал, как он выразился, «вызывающей много споров вопрос о возможности возникновения новых видов посредством гибридизации».

Гибрид — это результат половой связи между различными видами. Межвидовые помеси и у животных, и у растений испокон веку будили интерес натуралистов. Крепкие и выносливые мулы — гибриды лошади и осла — описаны еще в «Илиаде» Гомера. Но и Гомер, и знавшие мулов с древности китайцы были осведомлены об их бесплодности. Надо сказать, самая возможность плодотворной гибридизации противоречит предложенной в 1753 году Линнеем системе классификации живого. В основе ее — предположение о принципиальном различии видов и несмешиваемости их друг с другом. Это же предположение лежит в основе нынешней классификации живых существ. Многие эволюционные биологи и по сей день рассматривают продукт смешения видов, сколько бы он ни был энергичным и выносливым, как эволюционный тупик. Десятилетия это воззрение было краеугольным камнем современного дарвинизма, сутью его «биологической концепции вида», где вид определялся через репродуктивную изоляцию. Дарвин хорошо понимал, что гибридизация ставит под сомнение некоторые положения его теории, и оттого посвятил ей целую главу в книге «О происхождении видов». Он заметил: «Живущие в одной местности виды едва ли сохранили бы различия друг с другом, если бы могли свободно скрещиваться». Но внимательное чтение этой главы открывает неоднозначность дарвиновских взглядов.

Гибридизация приводит к радикально измененному геному потомства по сравнению с геномами родителей, поскольку, как и при генетическом симбиогенезе, сводит в геноме потомства уже готовые гены и последовательности генетически весьма различающихся существ. Конечно, в отличие от генетического симбиогенеза, геномы родителей при гибридизации родственны. Они принадлежат близкородственным видам, а не к разным царствам живого, как, например, бактерия и млекопитающее. Но не следует недооценивать различия между видами при гибридизации. Сотни генов развивались различно с тех пор, как эти виды эволюционно разошлись. И потому геном потомства будет сильно отличаться от родительского. Чтобы гибридизация стала существенной для эволюции, необходимо, чтобы гибриды были способными давать потомство, чтобы могли передавать измененный геном новым поколениям. Для этого они должны разрешить значительные генетические и репродуктивные проблемы. Но даже если проблемы и будут разрешены, будущие поколения потомков-гибридов должны быть в достаточной мере приспособленными и выносливыми, чтобы отвоевать место в экологической нише, занимаемой родителями. Либо гибриды должны обладать новыми оригинальными свойствами, позволяющими им выжить и преуспеть там, где не могут существовать виды-родители. Потому вряд ли стоит удивляться, что в двадцатом столетии большинство биологов не считали гибридизацию способной внести хоть какой-то вклад в эволюцию.

Не надо, однако, удивляться и тому, что были и такие специалисты, которые придерживались обратного мнения. Даже в те годы, когда сформировался и упрочился современный дарвинизм, некоторые ботаники продолжали считать гибридизацию источником эволюционных изменений в растениях, невзирая на то, что говорили по этому поводу коллеги-зоологи. Споры одних с другими частенько принимали весьма напряженный характер.

При гибридизации происходит слияние мужских и женских половых клеток и слияние геномов двух родительских форм жизни. Процесс этот столь сложен, а и возможные последствия столь запутанны и многозначны, что ученые и по сей день не смогли понять их. Известно, что геном новообразованного гибрида подвергается значительной реорганизации. Кроме сложного взаимодействия родительских геномов, в процесс вовлекаются негенетические (эпигенетические) механизмы, изменяющие экспрессию генов. В процессе также могут участвовать многочисленные эндогенные ретровирусы[100].

Ядро клетки растения либо животного содержит двойной набор хромосом, по одной от каждого родителя. Этот набор назван «диплоидным», от греческого слова «двойной». Если половинки набора получены от особей одного вида, они практически идентичны. Но при гибридизации их получают от особей разных видов, и генетические различия между ними велики. В прошлом эволюционные биологи полагали, что при гибридизации происходит удвоение нормального набора хромосом и гибрид получает четверной набор вместо двойного. Увеличение числа хромосом называется «полиплоидия», и наличие четверного набора называется, таким образом, «тетраплоидия». Поскольку тетраплоидия встречается довольно редко, тетраплоидный гибрид вынужден будет скрещиваться с нормальными, диплоидными особями — и потомки их будут нести три набора хромосом, то есть будут триплоидными. А поскольку три набора не могут разделиться надвое в процессе формирования половой клетки, гибридизация неизбежно приводит к стерильности.

Например, гибрид тетраплоидного и диплоидного арбузов триплоидный — и потому не имеет семечек. У мулов немного иначе, поскольку мул — это потомок лошади, имеющей шестьдесят четыре хромосомы, и осла, имеющего шестьдесят две. Мул, получая по половине хромосом от каждого из родителей, имеет шестьдесят три хромосомы — и потому стерилен. Именно такие примеры привели выдающегося генетика, лауреата Нобелевской премии за работы по искусственно вызванным мутациям Германа Дж. Мёллера к заключению о малой роли полиплоидии в эволюции животных, поскольку половое размножение становится невозможным[101].

Мёллер полагал, что пол у большинства животных определяется различиями в хромосомах — как X- и Y-хромосомы у человека — и что триплоидность — обязательная промежуточная стадия в формировании гибридов. Но Мёллер ошибался, причем весьма серьезно. Пол большинства животных определяется не разницей в хромосомах, и триплоидность не является обязательной стадией в формировании гибридов. Именно благодаря таким ошибкам исследование полиплоидии у животных и растений на протяжении целого столетия было неполноценным и недостаточным. Именно с такими предрассудками пришлось бороться Ризебергу в его работе с гибридами подсолнечника.

В 1987 году Ризеберг стал членом исследовательского коллектива в ботаническом саду «Ранчо Санта Анна» в Южной Калифорнии. Главной темой его исследований стала эволюционная история однолетних североамериканских подсолнухов. Как он вспоминал позднее, то время было идеальным для начала исследований по эволюции, поскольку внезапно стал доступным целый ряд новых молекулярных и генетических методов исследования. Цитируя Ризеберга: «Я изучал происхождение дикорастущего в Калифорнии подсолнуха, который считается классическим примером гибридизации. Но исследование на молекулярном уровне показало: это вовсе не гибрид. Полученный результат подтолкнул меня к более широкому изучению гибридизации у подсолнухов».

Ризеберг применил молекулярный и генетический анализ к двум другим видам подсолнухов, Helianthus annuus и Helianthus petiolaris, дико растущих в сравнительно мягких и благоприятных условиях в центральных и западных областях США. Затем он сравнил результаты с результатами, полученными для трех других видов, Helianthus anomalus, Helianthus deserticola и Helianthus paradoxus, выживающих в крайне суровом окружении — таком, как сухие песчаные почвы Невады и Юты и соленые болота Западного Техаса. И вот тут Ризеберг нашел искомое. Растущие в мягких условиях растения были нормальными, с обычной эволюционной историей, но выживающие в экстремальных условиях оказались гибридами. При этом обнаружилась и весьма удивительная особенность этих растений.

Если смотреть лишь на хромосомы, то эти растения не заподозрили бы в гибридности. Они не были полиплоидами, имели нормальное число хромосом. И это было воистину замечательное открытие[102]. Это было первое экспериментальное подтверждение того, что новый вид может развиться посредством гибридизации и сохранить нормальное число хромосом в геноме. Этот случай назвали «гомоплоидной гибридизацией» — и он повлек за собой весьма важные для теории эволюции последствия.

В 1993 году Ризеберг стал руководителем лаборатории в университете Индианы, в Блумингтоне, где продолжил работу с подсолнухами, и после десятилетних трудов снова удивил научный мир, создав гибридный вид посредством полового скрещивания видов-прародителей[103]. Его успех тут же поставил перед биологами новые животрепещущие вопросы: как же произошли гибридные виды? Как долго занимает в природе процесс образования такого вида? Есть ли у гибрида преимущества над видами-прародителями?

В суровых естественных условиях, где росли природные гибриды, выведенные гибриды Ризеберга выжили, а их прародители погибли. Гибриды вообще выглядели выносливее и крепче. Семена их были больше, корни у них росли быстрее, а значит, они быстрее добирались до подземных водоносных пластов, листья их были уже и не такие сочные, как у прародителей, что сокращало потерю влаги в жарком сухом климате. Они быстрее зацветали и отцветали, что позволяло лучше воспользоваться кратким сезоном дождей, и корни их впитывали меньше минералов, что позволяло приспособиться к жизни в соленой почве. По мнению Ризеберга, этих преимуществ оказалось более чем достаточно, чтобы гибриды превратились в новый вид за пятьдесят — шестьдесят поколений, что «всего лишь мгновение с точки зрения эволюции»[104].

Благодаря этим открытиям подсолнухи сделались главным тестовым объектом для изучения образования видов в ботанике. Работа с ними повлекла важные последствия для экологии, для изучения возникновения и гибели видов растений. Мы теперь знаем, что такие растения, как пшеница, кукуруза, сахарный тростник, кофе, хлопок и табак, — гибриды, полученные либо проводимой человеком селекцией, либо природным образом. Недавние исследования показали: семьдесят процентов нынешних цветковых растений прошли через один или более циклов хромосомного удвоения, а частота такой гибридной полиплоидии у папоротников может достигать девяносто пяти процентов[105]. И поскольку гибридизация не только увеличивает генетическую сложность, но и оставляет след во всех грядущих поколениях, гибридизация растений теперь рассматривается как самостоятельная движущая сила эволюции.

Очевидно, что гибридизация и концептуально, и практически отличается от механизма мутация/отбор. Как и симбиогенез, она носит горизонтальный характер, сводя воедино большое число уже готовых генов из разных ветвей эволюционного древа. В прошлом биологи считали появление гибридов в природе редкостью и потому, найдя полиплоидное растение в природе, не принимали его в расчет, полагая единичной случайностью. Сегодня же все большее число ботаников занимается изучением естественной гибридизации в самых разных условиях и подтверждает, что гибридизация — весьма распространенный и важный процесс во многих видах, родах и семействах[106]. Но в те времена, когда Ризеберг открыл гомоплоидную гибридизацию у растений, многие зоологи еще настаивали на принципиальном отличии животных от растений и на незначительной роли гибридизации в эволюции животных. Они указывали, что для создания нового вида посредством гибридизации нужно, чтобы гибриды не скрещивались с исходными видами, поскольку потомство гибридов и родительских видов либо будет стерильным, либо растеряет генетическое своеобразие, растворится в общей массе. Казалось, у животных гибридизация никак не может быть эволюционной силой.

Но в августе 2006 года это представление рассыпалось в прах после работ с группой весьма красивых, экзотических и ярких живых существ. Забавная параллель с ризеберговскими подсолнухами, не правда ли?

Бабочки геликониды («бабочки-страстоцветы») имеют размах крыльев в восемь сантиметров и более, они обитают в Андах от Коста-Рики до Эквадора. Все шестьдесят с лишним видов этого семейства имеют черные крылья, испещренные разнообразными белыми рисунками. Такая броская окраска предупреждает хищников о ядовитости потенциальной добычи. Одна из наиболее красивых бабочек семейства, Heliconius heurippa, ведет, скорее, одиночный образ жизни. Ночует она на ветвях в нижнем ярусе леса, а днем совершает короткие быстрые вылазки на освещенные места. Колумбийский биолог Маурисио Линарес стал изучать Heliconius heurippa еще в 1989 году, когда приступил к работе над диссертацией под руководством Ларри Гильберта в Остине, штат Техас. Линарес знал: Гильберт и его коллега К. Браун считают Heliconius heurippa гибридом двух видов, Heliconius melpomene и Heliconius cydno, поскольку узор на крыльях Heliconius heurippa представляет собой смешение узоров того и другого видов. Линарес взялся подтвердить это — либо опровергнуть.

Такое предприятие обязательно начинается с детального изучения жизненного цикла бабочек в дикой природе. Heliconius melpomene и Heliconius cydno — виды родственные, и территории их обитания на лесистых горных склонах в значительной степени перекрываются. В эволюционной истории этих видов не было гибридизации, но весьма вероятно, что половой отбор по узору на крыльях был главным фактором, определившим их происхождение и успешное выживание. Их раскраска служит заметным сигналом для особей противоположного пола и хорошо отпугивает хищников. Крылья геликонид бархатисто-черные, на них — яркие пятна. У cydno они белые и желтые, a melpomene еще более пышна и роскошна — она имеет пятна красного, желтого, оранжевого цвета. Узор у heurippa — нечто среднее между ними, он включает широкие желтые и красные полосы. Форма, тон и положение пятен heurippa таковы, будто в них состыкованы рисунки на крыльях cydno и melpomene; впечатление такое, словно природа собрала крылья heurippa из кусочков крыльев видов-родителей. При этом heurippa обитает в тех же условиях, что и melpomene, и в восточных колумбийских Андах ее успешно потеснила. Именно там Линарес начал свои исследования, которые заняли у него немало времени. Он провел несколько экспедиций, отыскивая бабочек с характерным узором на крыльях, либо желтые яйца, отложенные на страстоцветы, либо белых, с черными пятнами и оранжевой головой гусениц, достигающих в зрелом возрасте двух сантиметров длины. Задача доказательства гибридной природы heurippa оказалась весьма сложной и потребовала сбора многих экземпляров бабочек.

В наши дни сложно отыскать не тронутый человеком лес, а в труднодоступных местах зачастую прячется банда-другая местных повстанцев. В январе 1999 года Линарес, уже профессор, отправился на северо-восток, в место, находящееся в двухстах километрах от Боготы, оставил машину и ушел в ближайший лес. Заметил единственную heurippa, но поймать не смог. Дружелюбная крестьянка поделилась с профессором едой, «чудесным кусочком броненосца». Но Линарес заметил: она странно нервничала в его присутствии.

Перекусив, Линарес снова отправился на поиски и уже было потерял надежду что-либо поймать, как вдруг наткнулся на участок нетронутого леса и поймал там восемь heurippa меньше чем за час.

Бабочки — существа деликатные, их крылья легко помять — поэтому для перевозки в лабораторию им требуется особое обращение. Линарес смачивал кусочек ватки водой, складывал крылья бабочки вместе и оборачивал бабочку влажным хлопком, а затем помещал в конверт из плотной бумаги — наподобие того, какие используют коллекционеры марок для особо важных образцов. Упрятав добычу в карман, Линарес пошел назад — но, выйдя из лесу, решил подстраховаться и глянуть на место, где оставил джип, в бинокль.

— Я увидел четырех типов, окруживших мой автомобиль, — рассказывал Линарес. — Бандиты униформы не носили, но один был в маске и с фальшивой бородой. Думаю: неужели они хотят угнать мой чудесный «Судзуки»? И что мне теперь делать? Прятаться и оставаться на ночь в лесу — перспектива неприятная. А может, лучше спуститься, обойти их да и направиться домой?.. В конце концов я выбрал наименее разумный путь и оказался в компании трех мужчин и женщины, вооруженных пистолетами. Меня уложили на землю и заковали в цепи.

Линареса привели в лагерь и принялись расспрашивать, что он делал в этой местности. Ученого заподозрили в шпионаже, хотя он и повторял все время, что явился только ради бабочек. Он вынул из кармана собранных бабочек, показал их и сказал, что их обязательно нужно покормить сладкой водой, иначе за ночь они умрут. Линарес сумел настоять на своем, и главарь повстанцев принес ученому сахар — возможно, чтобы проверить, на самом ли деле он станет кормить бабочек. Любопытные повстанцы, столпившись вокруг, смотрели с изумлением, как профессор из Боготы развел в воде сахар, потом одну за другой достал бабочек из защитных конвертов и, аккуратно сложив крылья, поднес их к блюдцу так, чтобы хоботок касался сиропа и бабочка могла напиться.

Что повстанцы подумали о столь удивительном зрелище, осталось неизвестным, но утром ученый был отпущен.

— Мне удалось выяснить, — рассказал мне Линарес, — что за рисунок на крыльях отвечали определенные гены.

— И какие именно гены вы открыли? — спросил я, побуждая его рассказать подробнее. — Существует ли однозначное соответствие генов этим прекрасным узорам?

— Да, существует! Выявлены гены, отвечающие за полосы разного цвета. Например, появление на передней паре крыльев красной полосы определяется геном, названным нами аллелью[107] В, а желтой полосой бабочка обязана аллели NN…

Как странно, наверное, ощущать себя первым человеком, разгадавшим секрет, стоящий за цветами живых драгоценностей, украшающих наш мир! В своей книге «Мысли, возникшие поздно ночью при прослушивании Девятой симфонии Малера» Льюис Томас приводит мнение Джоан Пейзер, эксперта по современной музыке, опасавшейся, что научный анализ убьет тайну музыки, лишит нас возможности восторгаться ею. Возможно, кому-то покажется, что генетический анализ делает то же самое с красотой живого (вернее, с нашей способностью ею наслаждаться), но для меня — и, уверен, для Линареса — красота крыльев heurippa ничуть не стала меньшей из-за того, что нам известен ее источник. Скорее, мое благоговение перед нею обострилось. Я проникся тем большим уважением к природному совершенству и научному анализу, позволившему с достаточной строгостью показать гибридное происхождение бабочки heurippa. Проделав колоссальную работу, Линарес сумел, скрещивая cydno и melpomene поколение за поколением, экспериментально подтвердить гибридное происхождение heurippa и воссоздать чудо ее крыльев в лаборатории. Воистину и наука может приносить эстетическое удовлетворение. Мне Линарес признался: работа с бабочками была одним из наибольших удовольствий его жизни.

Любой, кому посчастливилось увидеть калейдоскоп форм и расцветок экспериментов Линареса, разделил бы его радость и энтузиазм. Любопытно, что все гибридные самки первого поколения оказались стерильными, хотя самцы были способны размножаться. Но к торжеству Линареса, при скрещивании этих самцов с самками видов-родителей появилось здоровое плодородное потомство гибридов с рисунками на крыльях, отличающимися от родительских. Скрещивание с самками melpomene дало гибридов с рисунком, похожим на рисунок чистокровной melpomene, но всего два поколения скрещиваний с самками cydno дало гибридов с рисунками, очень похожими на буйную раскраску Heliconius heurippa. Достоверность лабораторных экспериментов была подтверждена и результатами генетического анализа представителей этих трех видов бабочек, двух родительских и гибридного. Генетики заявили: геном heurippa является гибридной смесью геномов двух видов-прародителей.

Об этом эксперименте стало известно в июне 2006 года, после публикации в журнале «Нэйчур» статьи о первой доказательной демонстрации эволюции гомоплоидного гибрида у бабочек[108]. Многолетняя работа увенчалась впечатляющим успехом. Образование нового вида посредством гибридизации стало воистину революционным событием. Было неопровержимо показано, что гибридизация животных может приводить не только к тетраплоидному, но и к гомоплоидному гибриду. Более того, узор на крыльях гибридов не привлекал особей противоположного пола родительских видов, но был вполне притягательным для особей гибридного вида — и так достигалась требуемая для поддержания вида гибридная изоляция.

Я тогда спросил Линареса, дает ли гибридизация преимущества, делает ли она гибриды более приспособленными, чем виды-родители.

— Очень может быть, — сказал он, — хотя мы пока не обнаружили явственных преимуществ у heurippa. Не исключено, что преимуществом может быть то, что нет видов, мимикрирующих под heurippa, и то, что комбинация желтых и красных полос, вероятно, лучше отпугивает хищников, чем желтые либо красные полосы порознь. Также возможно, что гусеница heurippa лучше справляется со вторичной структурой листьев растений, на которых живет и питается. Не исключена и повышенная устойчивость гусениц к холодам высокогорья.

Публикация о гибриде геликонид вызвала целую лавину публикаций того же рода. Например, группа из США опубликовала статью о другом примере гомоплоидного гибрида у бабочек — речь шла о приспособившемся к горным условиям роде Lycaeides (голубянка), распространенном на большой территории, включающей Западную Канаду, США и северо-запад Мексики[109]. Эти же авторы предложили список, возможно, гибридных видов животных, включающий африканских циклид (порода рыбок), мух-дрозофил и бабочек-хвостоносцев (парусников). В наши дни зоологи все более заинтересовываются гибридизацией как возможной движущей силой эволюции животных. Но потребуется время, чтобы новое воззрение распространилось среди широкого круга биологов. Например, совсем недавно биологи были встревожены гибридным смешением вьюрков Галапагосских островов, происходящим вследствие причиненных человеком изменений в экологии островов. Эта тревога происходит из непонимания простого факта естественности гибридизации. Она — такой же эволюционный механизм, как и мутации с последующим отбором. Виды претерпевают нормальный эволюционный процесс, пытаясь приспособиться к изменяющейся обстановке. Они адаптируются через гибридизацию.

Одним из биологов, пытавшихся убедить коллег в напрасности тревог, была Барбара Мэйбл, тоже выступавшая на конгрессе Линнеевского общества в 2008 году. Ее курсовая работа, выполненная в университете Гуэлфа (Канада), была о брачных призывах лягушек — интерес исследовательницы сконцентрировался на скрещивании тетраплоидных самок с диплоидными самцами. Если мыслить как прошлое поколение зоологов, то потомство от таких союзов должно быть триплоидным и, следовательно, бесплодным — но лягушки являются исключением из правила[110]. Я спросил Барбару Мэйбл, какую цель она преследовала в своей работе?

— Целью было определить, насколько и как изменяются брачные призывы у родителей-гибридов в результате увеличения размера клеток за счет удвоения числа хромосом, ассоциируемого с тетраплоидией.

Надо сказать, что у клеток полиплоидов ядра больше, чем у обычных диплоидов, и клетки, содержащие эти ядра, увеличены в размерах. Это одна из причин, почему гибриды-полиплоиды у растений здоровее и крепче диплоидов — ведь в их клетках больше питательных веществ.

— Моя работа была не более чем студенческой, учебной, — добавила Мэйбл, — но она подтвердила предположение моего руководителя Джима Богарта. Он считает, что удвоение генома может автоматически приводить к репродуктивной изоляции. Брачные призывы триплоидых гибридов и в самом деле оказались иными, нежели призывы их родителей, — как мы и ожидали, они оказались чем-то средним между ними[111].

Джим Богарт — один из ведущих канадских специалистов по лягушкам, и после получения степени бакалавра Мэйбл осталась работать под его руководством над магистерской диссертацией, посвященной исследованию факторов, благоприятствующих гибридизации древесных лягушек. Хотя это происходило еще до того, как стали доступными средства молекулярного анализа, полученные результаты свидетельствовали: репродуктивный успех и успешная эволюция нового гибридного вида сильно зависят от генетической совместимости, достигаемой, предположительно благодаря способности генома распознавать целые хромосомы. Это один из тех сложных механизмов, посредством которых тетраплоидные прежде виды превращаются в диплоидные, — и этот механизм уже наблюдался во многих геномах, включая человеческий.

— В тогдашних условиях наши выводы, — сказала Мэйбл, — несомненно, были очень смелыми. Мы заключили, что генетическая совместимость может быть куда гибче, чем это считалось ранее. Этим результатом я горжусь до сих пор.

Тетраплоидность, то есть удвоение числа хромосом, потенциально способна сильно изменить и усложнить форму жизни. Возникнуть тетраплоидность может двумя способами. Первый — это мутация, предотвращающая уменьшение числа хромосом в процессе формирования половой клетки (аутотетраплоидия); второй — половое соединение различных геномов через гибридизацию (аллотетраплоидия). Поскольку аутотетраплоидия лишь добавляет второй набор хромосом, идентичных первому, сразу приращения генетической сложности не возникает. Но при этом в клетке оказывается множество лишних генов, способных избежать строгого контроля естественного отбора и безнаказанно мутировать, образуя новые гены. При аллотетраплоидии соединяются различные геномы, и это, подобно симбиогенезу, неизбежно влечет за собой резкое увеличение генетической и геномной сложности. Как и симбиогенез, аллотетраплоидия дает толчок горизонтальной, а не вертикальной эволюции, не от предка к потомку, а через соединение различных видов живого.

Хотя гибридизация — в особенности приводящая к полиплоидному потомству — сулит много возможных выгод, она может иметь и негативные последствия. Некоторые из них имеют генетическую природу и слишком сложны, чтобы обсуждать их в этой книге. Но стоит упомянуть, что часть их связана с увеличением клеточного ядра при полиплоидии и клетки в целом. Другие неприятные последствия — это нарушения генома, при которых возникают клетки с неправильным числом хромосом. Эта ситуация называется «анеуплоидией»[112]. При этом могут возникать тяжелые эпигенетические нарушения, приводящие к нарушениям регуляции генов, — что весьма интересует меня как врача. Обо всем упомянутом выше современный генетик-эволюционист обязан знать. Важно сохранять здравую оценку достоинств и недостатков гибридизации, избегая переоценивать либо недооценивать их.

В 1999 году Галлардо с коллегами сообщили об открытии первого тетраплоидного гибридного млекопитающего — живущей в пустыне красной вискачи, lympanoctomys barrerae[113]. Вид этот возник около шести миллионов лет назад, что подтверждает стабильность гибридного генома[114]. Эти же исследователи подтвердили: еще одна недавно описанная разновидность южноамериканских грызунов, Pipanacoctomys aureus, является близкородственным тетраплоидным видом[115]. Сейчас уже известно, что многие роды животных включают гибридные виды, например цзо — гибрид домашней коровы и яка; бифало — гибрид бизона и домашней коровы; лигр — помесь льва и тигра; холпин — гибрид черной косатки и дельфина-афалины; цапля Вурдмана — гибрид белой и большой голубой цапли. Гибридами являются королевская змея-альбинос, маисовый полоз-альбинос, галапагосские вьюрки. Существуют гибриды койотов, волков, динго, шакалов, домашних собак, гибриды различных видов оленей, гибриды полярного медведя и гризли.

Специалисты по охране диких животных и экосистем озабочены сохранением не просто отдельных видов, а генофонда. Чем больше генетическое разнообразие в экосистеме, тем более вероятно ее выживание. А гибридизацию все более широко признают способом сохранения и приумножения генетического разнообразия экосистемы. Например, Брэд Уайт, специалист по генетике диких животных университета Трента, Онтарио, посредством генетического тестирования установил: все две с лишним тысячи выживших в Алгонкинском национальном парке восточных волков несут ДНК койота в геноме. По мнению Уайта, подобная генетическая диверсификация — страховка от внезапных резких изменений в окружающей среде, способных привести к вымиранию вида.

Цитирую Мэйбл: «Причина, по которой полиплоидия стала сейчас предметом первостепенного научного интереса, — это результаты секвенирования генома. Они показали, что все эукариоты многократно проходили через стадию полиплоидии в своей эволюционной истории… Генетическое секвенирование открыло также, что гибридизация в эволюционной истории случалась гораздо чаще, чем считалось ранее, и что геномы — это большей частью мозаика следов предыдущих гибридизаций с множеством видов».

Несомненно, генетическое секвенирование откроет еще многое — и неожиданное — в истории эволюции.

12. Полиплоиды ли мы?[116]

Наши половые клетки — и половые клетки всех прочих существ, населяющих сейчас Землю, прожили сотни миллионов лет — и каждая потенциально способна жить вечно.

Сусумо Оно[117]

В 2006 году по миру разнеслась весть об открытии, способном существенно изменить наши взгляды на эволюцию человека. Открытие это — результат исследований Дэвида Райха и его коллег из Школы медицины Гарвардского университета и Массачусетского технологического института, сравнивавших генетические последовательности геномов человека и шимпанзе[118]. Исследование велось с целью ответа на два вопроса. Первый: как давно существовал гипотетический общий предок шимпанзе и человека? Второй: какие эволюционные механизмы привели к расхождению генеалогических ветвей шимпанзе и человека?

Предыдущие оценки, базирующиеся главным образом на анализе окаменелостей, указывают, что расхождение произошло около семи миллионов лет назад. Практически общим убеждением было, что расхождение случилось из-за медленного накопления мутаций и последующего естественного отбора. Но открылось удивительное — вернее, даже два удивительных обстоятельства. Первое — это более поздняя дата расхождения, чем считалось до того. Как писали Райх с коллегами: «Расхождение случилось не более шести миллионов трехсот тысяч лет назад, а возможно, и позднее». Второе обстоятельство оказалось гораздо труднее понять и принять. Сравнение разных генетических последовательностей у человека и шимпанзе дало разные оценки времени расхождения! Наш геном состоит из двух типов хромосом, двух половых хромосом X и Y и двадцати двух пар неполовых хромосом, называемых «аутосомы». От каждого родителя мы наследуем одну половую хромосомы и двадцать две копии аутосом. Две Х-хромосомы — и ребенок женского пола, X и Y — женского. Все аутосомы указали на приблизительно одинаковое время расхождения, но если «верить» Х-хромосомам, то расхождение произошло гораздо позже. По словам Райха и его коллег: «Данные указывают на колоссальную разницу в генетическом расхождении Х-хромосом в сравнении с аутосомами». Может, это результат некоей странности Х-хромосомы, замедляющей мутации этой хромосомы по сравнению с аутосомами? Но при сравнении хромосом людей и горилл подобных неувязок обнаружено не было. Райх с коллегами написали так: «Для объяснения многочисленных особых черт этого явления мы предлагаем простое, хотя и провокационное объяснение: уже после эволюционного разделения линий человека и шимпанзе происходил обмен генами между ними до окончательного разделения менее чем шесть миллионов триста тысяч лет назад».

То есть наиболее вероятным объяснением, по мнению Райха и его коллег, было продолжающееся миллион с лишним лет после разделения линий скрещивание человека и шимпанзе. Это заключение неизбежно должно было вызвать — и вызвало — оживленную дискуссию. Но если Райх и его сотрудники правы, то наша человеческая Х-хромосома, равно как и Х-хромосома шимпанзе, — гибридного происхождения. Исследование Райха с коллегами стало важной вехой в развитии биологии не только из-за этого открытия. Оно показало, как важнейшие события эволюционной истории можно обнаружить путем генетического секвенирования и сравнения геномов. Лучше всего об этом можно сказать словами редакционной статьи «Нью-Йорк таймс», посвященной открытию: «Если эти результаты подтвердятся, нам придется переосмыслять не только нашу эволюционную историю, но и процесс образования видов в целом»[119].

Среди африканских приматов гибридизация довольно часта. Исследователи нередко обнаруживают гибриды обезьян, экологи изучают зоны образования таких гибридов. Изучены и факторы, способствующие гибридизации в процессе сложного взаимодействия животных и их среды обитания (см., например, работу Детвиллера с соавторами[120]).

Гомо эректус — это один из важнейших с эволюционной точки зрения наших предков, покинувший Африку около двух миллионов лет назад и расселившийся по большей части территории Старого Света. Гомо эректус был способен создавать и использовать каменные орудия труда. Некоторые ученые полагают, что он мог сооружать плоты, чтобы переплывать реки и даже проливы. Кости Гомо эректуса находят во многих местах Африки, Европы и Азии. Более того, кое-где Гомо эректус выживал очень долгое время, даже и тогда, когда вторая волна переселенцев из Африки — ближайших предков современных людей — стала заселять мир. В марте 2008 года «Сайнтифик Америкэн» опубликовал статью, где приводилось мнение Мюррея Кокса из университета Аризоны, полагавшего, что он обнаружил генетические свидетельства в пользу гибридизации ранних людей с Гомо эректусами[121]. До тех пор, основываясь на данных изучения генетических последовательностей митохондриальных хромосом и Y-хромосом, ученые полагали, что современные люди не смешивались с другими видами человека. Однако Кокс с коллегами предположили: гены наших «родственников» могут прятаться и в других местах, например в области Х-хромосомы, известной как RRM2P4. В этой области обнаруживаются необычные различия в генетических последовательностях у людей из разных континентов, например африканцев, китайцев, жителей Центральной Азии, Страны басков на границе Испании и Франции и островов Тихого океана. И эти различия указывают на существование общего предка близ двух миллионов лет назад, то есть именно тогда, когда Гомо эректус покинул Африку и начал расселяться по большей части земного шара. Причем старейшие варианты последовательностей сосредоточены почти исключительно в Азии. Хотя построения Мюррея Кокса и его коллег небесспорны, его теорию косвенно подтверждает тот факт, что Гомо эректусы еще жили в Азии около тридцати тысяч лет назад — поразительная жизнестойкость, указывающая на отличную приспособленность к среде обитания.

Возможность гибридизации между современными людьми и Гомо эректусами удивительна и чрезвычайно интересна. В ее свете тем более удивителен факт отсутствия гибридизации современного человека с неандертальцами (как это показывают данные последних исследований). Генетические и палеонтологические данные показывают: эволюционные линии современного человека и Гомо эректуса разошлись около четырехсот тысяч лет назад. Для других млекопитающих такой срок представляется не слишком большим, в особенности если судить по типичным временам эволюционного расхождения. Так что до сих пор открытым и активно обсуждаемым является вопрос: были ли современные люди и неандертальцы разными видами либо подвидами одного вида? Потому логично ожидать, что и генетические различия между людьми и неандертальцами окажутся невелики — во всяком случае, гораздо меньшими, чем между человеком и шимпанзе, чей общий предок существовал около семи миллионов лет назад. Другими словами, различия в большей части геномов человека и неандертальца вряд ли большие, чем между геномами двух людей, не являющихся родственниками. Но в отдельных частях генома будут присутствовать незначительные, но значимые различия, определяющие видовую разницу.

Для иллюстрации приведу несколько фактов. В Европе и некоторых частях Азии неандертальцы появились около трехсот тысяч лет назад и жили там, пока не вымерли — что произошло, как полагают, близ тридцати тысяч лет тому назад. С другой стороны, современные люди появились в Африке около четверти миллиона лет назад — примерно в то же время, когда неандертальцы появились в Европе. Но современные люди прибыли во владения неандертальцев гораздо позже, в промежуток от ста до пятидесяти тысяч лет назад, — сначала на Ближний Восток, а затем и в отдаленнейшие закоулки Западной Европы, вплоть до Франции и Испании.

Вопреки предрассудкам, бытующим со времен первых находок неандертальских костей, неандертальцы очень походили уровнем развития на тогдашних Гомо сапиенсов. Мозг неандертальцы имели приблизительно такой же, охотились на тех же животных, хорошо умели изготовлять и применять каменные орудия. Бытует мнение, что орудия эти были не столь изощрены и разнообразны, как у Гомо сапиенса, но данные раскопок показывают: обе ветви человечества были в достаточной мере приспособлены, чтобы существовать в самом разнообразном природном окружении.

Потому антропологи больше столетия ломают голову над вопросом: отчего же неандертальцы вымерли?

Несомненно, объяснение включит в себя ряд причин, и климатические изменения в том числе. Но трудно отказаться от возможной причастности к их вымиранию современных людей, вторгшихся на неандертальскую территорию. Факты говорят сами за себя: неандертальцы вымерли через двадцать тысяч лет после появления современных людей в Западной Европе — а до того неандертальцы жили там триста тысяч лет. Ключевой вопрос здесь: какую же роль могли сыграть современные люди в вымирании неандертальцев? Они выиграли соревнование за природные ресурсы, в том числе за дичь? Устроили войну на выживание с этими своими ближайшими родственниками? А может, смешались с ними и растворили их в себе, будучи более многочисленными и постоянно увеличивая свое число за счет продолжающейся миграции из Африки?

Благодаря новаторским исследованиям Сванте Паабо из Института эволюционной антропологии Общества Макса Планка (Германия) мы знаем: сравнительный анализ митохондриальной ДНК не дал никаких свидетельств в пользу гибридизации между неандертальцами и современными людьми. Конечно, этого недостаточно, чтобы полностью исключить возможность гибридизации, поскольку львиная доля наших ДНК находится в ядре. Но предварительные данные по ядерной ДНК неандертальцев и сравнение их с данными по ядерной ДНК современных неандертальцам Гомо сапиенсов показывают, как говорит Паабо, что неандертальцы внесли «очень малый вклад, если внесли вообще» в геном современных людей[122]. Но эти данные показывают и весьма любопытную (довольно-таки неожиданную) особенность неандертальцев: они менее генетически разнообразны, чем современные люди, — возможно, вследствие происхождения от меньшей исходной популяции либо из-за прохождения через серию эволюционных «бутылочных горлышек». «Бутылочным горлышком» называется то, что я обычно называю «выбраковкой», происходящей вследствие эпидемий, войн либо голода.

Вопрос о вымирании неандертальцев остается неразрешенным до сих пор. И у Гомо сапиенсов, и у неандертальцев присутствуют версии гена FOXP2, который, как полагают сейчас, ответственен за развитие связной речи. Есть мнение, что этот ген мог перейти к людям от неандертальцев, хотя, скорее, оба получили его от общего предка. Этот вопрос прояснится, когда будет получена и проанализирована достаточно полная версия генома неандертальцев. Возможно, это позволит окончательно ответить и на вопрос о гибридизации — например, случалась ли она с достаточной частотой в группах, обитавших в определенной местности, либо не случалась почти (или вообще) никогда. А если справедливо последнее, немедленно возникают новые вопросы, включая вопрос о причинах отсутствия гибридизации.

Еще в 1970 году генетик Сусуму Оно, ученый смешанного японско-американского происхождения, работающий в Медицинском центре «Город надежды» (Дуарте, Калифорния), опубликовал книгу «Эволюция посредством удвоения генов» — достаточно новаторскую, ниспровергающую тогдашние основы, где прямо и безапелляционно утверждал неспособность традиционной схемы мутация/отбор объяснить эволюцию жизни. Рассуждая логически, Оно заключил: если первые формы жизни были подобны нынешним бактериям с геномом в несколько тысяч генов, то все будущие поколения и унаследовали бы геном в несколько тысяч генов, пусть и модифицированных мутациями и естественным отбором. Так оно и происходит с современными бактериями, по-прежнему имеющими геном в несколько тысяч генов. Оно казалось очевидным, что должны быть иные эволюционные механизмы, не только увеличивающие количество генов в геноме, но и создающие принципиально новые гены. В человеческом геноме есть и гены, унаследованные от предков-бактерий, — но есть и большое число генов, бактериям не свойственных. Оно предположил, что за многие миллионы лет эволюции обязательно должны были происходить удвоения отдельных генов и прочих участков хромосом, удвоения целых кластеров генов и геномных структур — и, возможно, удвоения целых геномов.

Во время публикации книги Оно число генов в геноме еще не было известно. Однако современная генетика практически в точности подтвердила его предположение. Геном дрозофилы содержит тринадцать тысяч шестьсот генов, асцидии — шестнадцать тысяч, морского ежа — двадцать семь тысяч триста пятьдесят, у человека — близ двадцати тысяч. Хотя я должен предупредить читателя: эти оценки всегда упускают из вида огромное число вирусных генов и генетических последовательностей, которые нужно рассматривать как существенную часть всякого генома, включая человеческий. Также следует подчеркнуть, что число генов — не слишком верный указатель на степень сложности генома, поскольку гены могут разделяться и снова рекомбинировать при сплайсинге. Потому полтора процента наших генов, унаследованных от предков-позвоночных и составляющих эти самые двадцать тысяч, кодируют, по всей видимости, более восьмидесяти тысяч белков. Однако до некоторый степени количество генов все-таки дает представление о сложности генома.

Отметив, что его теория носит общий характер и нуждается в доработке для объяснения многих частных явлений, Оно взялся показать, как геном мог усложняться в процессе эволюции. Наиболее важным механизмом такого усложнения и разнообразия ему представлялось удвоение генома — иными словами, полиплоидия, и, в частности, тетраплоидия. Оно предположил, что в эволюционной истории позвоночных были два общих случая удвоения генома. Первый — на ранней стадии, когда существовали первые рыбы и примитивные хордовые. Второй — существенно позднее, приблизительно на стадии разделения рыб и амфибий. Современный генетический анализ подтвердил правоту Оно, установив, что, по всей вероятности, первая дупликация генома произошла где-то пятьсот десять миллионов лет назад, а вторая — около четырехсот двадцати миллионов лет назад. Гипотеза об удвоениях получила название «гипотеза 2Р». В наши дни все больше ученых считают гипотезу Оно гениальным прозрением, имеющим далеко идущие последствия для генетики и теории эволюции.

Поскольку «2Р» произошли в глубоком прошлом, трудно понять, как именно это случилось, но большинство специалистов соглашаются на гибридизации как наиболее вероятном механизме. В обеих больших гибридизациях участвовали рыбы либо близкие их предки — и это прекрасно согласуется с тем, насколько теперешние рыбы склонны к гибридизации, производя предсказанное Оно тетраплоидное потомство. Конечно же, два «великих» удвоения существенно повлияли на размер генома и его сложность у всех последующих позвоночных, включая человека.

Гены НОХ — древний генетический кластер, играющий важную роль в процессе развития эмбриона. Интересная его особенность — это расположение НОХ-генов в виде групп в соответствующих хромосомах. Расположены они в порядке активации этих генов при развитии зародыша и места их экспрессии в эмбрионе. Именно под действием этих генов происходит упорядоченное развитие эмбриона — например, образование и рост конечностей. Гены НОХ считаются теперь первостепенно важными объектами изучения в эволюционной биологии развития (эво-дево). Хотя эти гены и очень древние, их ДНК удивительным образом сохранились почти неизменными на протяжении долгого времени. Как пишут генетики Ферье и Мингильо: «Сообщество специалистов по эво-дево было взбудоражено известием о том, что НОХ-гены во всем царстве животных, в принципе, гомологичны и действуют гомологичным образом»[123].

Общие гены, общий механизм управлением развития зародыша, возможно, не так уж удивительно отыскать у всех без исключения животных, от морских беспозвоночных наподобие медуз и морских ежей до примитивных позвоночных вроде ланцетника, общих предков амфибий и рептилий и далее, вплоть до млекопитающих, включая человека. Но морские ежи и насекомые имеют всего один кластер HOX-генов, у людей их четыре[124]. Результаты секвенирования позволяют предположить, что четыре человеческих HOX-кластера возникли при дублировании единственного древнего кластера. Конечно, данные секвенирования еще недостаточны, чтобы согласиться с полиплоидностью наших далеких предков, поскольку удвоение кластеров могло произойти посредством вирусной рекомбинации либо посредством другого механизма, дублирующего участки генома, а не геном в целом. Но были найдены и другие примеры четырехкратно повторенных важных генных кластеров, управляющих процессом развития человеческого эмбриона. К тому же четырехкратные повторения весьма часты в человеческих хромосомах — причем настолько, что «гипотеза 2Р» представляется единственным разумным тому объяснением[125]. Именно это привело одного из ведущих мировых генетиков, профессора Вольфе из Тринити-колледжа в Дублине, к убеждению в правоте Оно[126].

Потому на вопрос: «Полиплоиды ли мы?» — можно, по моему убеждению, дать однозначный ответ: «Да». И, как обычно для описываемых здесь находок, это имеет большое значение для изучения эволюции человека, его нормального метаболизма и физиологии, для эмбриологии и, конечно же, изучения заболеваний.

Полиплоидия может быть не только результатом гибризизации. Она может возникнуть и у клеток взрослой особи под влиянием повреждающих факторов в процессе заживления раны, вирусной инфекции либо в процессе старения. Полиплоидия может быть стадией развития заболеваний, в особенности рака. Движущие силы эволюции имеют много общего с источниками болезней — что, несомненно, может пролить новый свет на эволюционную биологию и медицинскую онкологию.

Нарушения в НОХ-генах вызывают отклонения в развитии — от лишнего шейного ребра, вызывающего ущемление нервов у взрослых, до тяжелых расстройств развития эмбриона: деформации костей черепа, удвоенных либо сросшихся пальцев на руках и ногах, ненормального развития мозга и умственных способностей. Исследования последнего времени показывают: НОХ-гены играют важную роль в развитии многих видов рака: лейкемии, раке толстой кишки, кожи, простаты, груди и яичников[127].

Дублирование генов, одной из причин которого является гибридизация, встречается во многих геномах — но не всякое дублирование является результатом гибридизации. К ней может приводить ряд механизмов, включающий мутацию, рекомбинацию вирусных последовательностей и зависящих от них структур, таких, как Alu-повторы. Дублирования тоже могут привести и к эволюционным изменениям, и к болезни. Сравнение генома человека и шимпанзе открыло: одна из кодирующих белки последовательностей ДНК повторяется двести двенадцать раз в человеческом геноме — и лишь тридцать семь раз в геноме шимпанзе. Экспрессия этого белка происходит в коре головного мозга, преимущественно в тех ее участках, которые отвечают за когнитивные функции. Возможно, столь многочисленные копии этой последовательности имеют прямое отношение к увеличению нашего мозга по сравнению с мозгом шимпанзе[128]. По словам Эвана Эйхлера из университета Вашингтона, исследование генных повторов, удаления и переупорядочивания участков хромосом является в настоящее время «одной из самых актуальных и интересных областей генетических исследований». В человеческом геноме находят все больше повторяющихся генетических сегментов. По словам Боба Холмса: «Важно не только то, какие у тебя гены, — но и сколько их»[129].

Болезнь Шарко-Марии-Тута, поражающая периферические нервы, — одна из наиболее распространенных наследственных невропатий. Она встречается приблизительно у одного из двух с половиной тысяч людей. Отличительной особенностью этого заболевания является очевидное истощение конечностей, особенно малоберцовой группы мышц в области икр — у пациента развивается симптом аистовых ног, сильный изгиб стопы, потеря чувствительности кожи. Причина заболевания — в генетическом дефекте, мешающем производству протеинов, важных для нормального функционирования нервной системы. Дефект этот возникает вследствие различных механизмов, прежде всего мутаций, в особенности мутаций гена, регулирующего движение митохондрий вдоль аксонов[130]. Более двух десятилетий назад Джеймс Лупски, генетик, работающий в Бейлоровском колледже медицины в Хьюстоне, штат Техас, выяснил, что некоторые случаи этого заболевания происходят не от мутации либо повреждения нормальных генов, а от удвоения определенного участка семнадцатой человеческой хромосомы[131]. Возможно, это удвоение произошло посредством HERV либо Alu-структур. Дальнейшее изучение обнаружило небольшие изменения последовательностей в копии, типичные для возникающих со временем мутаций, и потому протеин, кодируемый этим дублирующим участком, чуть отличается от нормального и, несомненно, может замещать его в нервных клетках.

Как я уже писал в главах, посвященных вирусам, проведенные в последнее время исследования генома показали значительную разницу между геномами людей. У одних возможны лишние участки хромосом, в других частей участков может не хватать — хотя многие такие индивидуумы совершенно здоровыми. Объяснение тому, несомненно, в естественном отборе — в прошлом особи с серьезными дефектами не имели возможности размножаться, и такие дефекты были устранены из генофонда популяции. Но всегда остается возможность новых изменений, приводящих к заболеваниям. Макс Виглер, профессор Колумбийского университета Нью-Йорка, разработал технологию генетического скрининга, позволяющую сравнить число копий генов у различных клеток одного и того же индивидуума либо клеток одного типа, взятых у разных индивидуумов. Используя эту технологию, Виглер и его сотрудники протестировали геномы двухсот шестидесяти четырех семей, чтобы обнаружить вариации в числе копий определенных генов либо генетических последовательностей, ассоциируемых с раком либо иными заболеваниями. Скрининг геномов показал: приблизительно у десяти процентов аутистов наблюдались генные мутации и изменения числа копий генов по сравнению с нормальными людьми. Были также обнаружены хромосомные аберрации, связанные с дефектами умственного развития и роста детей. Удалось выявить и изменения числа копий генов в клетках, располагающихся вблизи растущей раковой опухоли, — а это может служить важным показателем степени угрозы для жизни людей.

Младенцы, страдающие синдромом Ангельмана (синдромом «счастливой марионетки»), при рождении выглядя совершенно здоровыми, но в возрасте месяца-двух начинают испытывать трудности с глотанием и сосанием, а затем развитие ребенка существенно нарушается. Ребенок не способен научиться говорить, он отстает умственно, страдает припадками. Симптомами синдрома Ангельмана (назван по имени британского врача Гарри Ангельмана, открывшего его) являются маленькая голова ребенка, что связано с недостаточным ростом мозга, постоянно высовывающийся язык, приступы беспричинного смеха. У большинства пораженных им детей болезнь вызывается удалением либо удвоением определенной группы генов пятнадцатой хромосомы, управляющих экспрессией протеина убикитина.

Синдром Прадера-Вилли — еще одно наследственное заболевание, ведущее к нарушениям развития ребенка: к умственной отсталости, малому росту, ожирению и другим проблемам. Синдром встречается у одного из двенадцати тысяч новорожденных и вызван дефектами все того же участка пятнадцатой хромосомы. Причина этого дефекта, возможно, HERV либо Alu-структуры. Мы также коснемся этого вопроса в последующих главах.

Еще один случай дублирования генов в этой же области пятнадцатой хромосомы связан с болезнью Коудена, при которой больной поражается множеством небольших доброкачественных опухолей — со временем, однако, способных переходить в злокачественные. Другие удвоения, встречающиеся в пятнадцатой хромосоме, связывают с фобиями и паническими состояниями.

В наше время медицинская генетика шагнула далеко за пределы анализа отдельно взятых генов. С развитием технологии геномного скрининга ученые детально исследуют геном, хромосому за хромосомой, открывая все больше случаев удвоений и переупорядочиваний отдельных генов, генных последовательностей и участков хромосом. Недавно было сообщено о 1447 участках хромосом, содержащих существенно отличающееся число копий последовательностей ДНК (то есть и лишние копии, и отсутствующие последовательности), — и эти участки занимают до двенадцати процентов генома[132]. Они содержат сотни генов, в том числе и ответственных за развитие многих болезней, много управляющих последовательностей и удвоенных сегментов хромосом. Это лишний раз подтверждает, что изучение того, как меняется число копий последовательностей ДНК в геноме, имеет очень большое значение для медицины.

В этой книге я беру на себя смелость прогнозировать влияние результатов стремительно развивающейся эволюционной биологии на медицину, и на медицинскую генетику в частности. Мои прогнозы касаются как высокотехнологичной области молекулярной генетики, так и генетики клинической.

Возможно, некоторое число моих читателей — наверняка небольшое — уже знакомо с клинической генетикой. Но, учитывая скорость и направление развития современной медицины, скорее всего, с клинической генетикой в ближайшем будущем познакомятся очень многие.

Живущий в английском Шеффилде «клинический генетик» доктор Оливер Кваррелл уже два десятилетия помогает людям. Я приехал к нему в детскую больницу Шеффилда, чтобы взять интервью и узнать больше о его занятиях.

— Я генетик широкого профиля, — сказал он. — Ко мне приходят желающие забеременеть и беременные, я занимаюсь детьми и взрослыми, страдающими наследственными заболеваниями.

— И насколько часты наследственные заболевания?

— Они встречаются у двух с половиной процентов населения.

Я был шокирован:

— Настолько часто?

— Вообще-то есть разные оценки. Названная мной — из работы Пэт Бэйрд, она составляет регистр наследственных заболеваний.

После этого разговора я заинтересовался работами Патрисии Бэйрд, профессора медицинского факультета университета Британской Колумбии, и узнал, что ее последние исследования говорят о еще большей цифре: от трех до пяти процентов людей страдают от заболеваний, проявляющихся сразу после рождения[133].

— Люди обращаются к вам в связи с беременностью, если полагают, что могут быть проблемы? — спросил я Кваррелла.

— Именно.

— Не ошибусь ли я, полагая, что большинство из этих проблем — не слишком важного свойства?

— Как раз наоборот: я обычно имею дело с теми, кому может понадобиться хирургическое вмешательство либо серьезное лечение. Например, косолапость, волчья пасть, порок сердца — вплоть до хромосомных дефектов. Если среди ваших ближайших родственниц было три случая рака груди, причем в молодом возрасте, то велика вероятность, что этот рак — наследственный. Следовательно, мы должны произвести проверку на наличие генетических предпосылок к раку груди. Замечу еще: рак груди тесно связан с раком яичников. Обычно про историю рака груди в семье люди рассказывают без ошибок и путаницы. Но при рассказе о случаях рака яичников в семье путаются, не различая этот рак и разные формы рака матки, потому нужна особая проверка. Если похоже на то, что в семье повышенный риск рака, мы сохраняем ДНК и затем, со временем, проверяем в меру возможностей всю семью, идентифицируем мутации, рекомендуем, кому нужно подвергнуться скринингу. Если решено, что у пациента высокая степень риска, то скрининг проходят все его ближайшие родственники.

Я поинтересовался, как же доктора справляются с этой нелегкой и нервной работой — проверкой целых семей и как вообще это сказывается на врачебной практике.

— Выявив мутацию в семье, мы стремимся к тому, чтобы все ее члены прошли тестирование. Это сильно изменило число наших пациентов и привело к изменению числа врачей-генетиков и технического персонала. Нам понадобилось больше специалистов, секретарей и т. п.

Затем разговор пошел об узкой специализации Кваррелла, его «экологической нише» в клинической генетике: болезни Хантингтона. Это нейродегенеративное заболевание названо так в честь впервые описавшего его в 1872 году американского доктора Джорджа Хантингтона. В Западной Европе оно встречается в среднем у семи человек из ста тысяч. Проявляется болезнь Хантингтона в зрелом возрасте, в тридцать — сорок лет, и вызывает порывистые, хаотические, неуправляемые движения конечностей и тела, называемые «хореей». По мере развития болезни проявляются симптомы, сходные с симптомами болезни Паркинсона, обычно сопровождаемые когнитивными нарушениями, также развивающимися и усугубляющимися со временем. Заниматься болезнью Хантингтона Кваррелл начал в 1980-х годах, когда ученые из Бостона впервые обнаружили мутацию в последовательности ДНК четвертой хромосомы, приводящую к развитию болезни. Кваррелл тогда получил место лабораторного ассистента, и его задачей был поиск мутаций четвертой хромосомы у семей, где наблюдалась болезнь Хантингтона. В 1993 году был наконец идентифицирован мутировавший ген, получивший название «хантингтин».

Я спросил Кваррелла, какова роль этого гена.

— Ах, если б мы это знали!.. Тогда бы мы существенно продвинулись в понимании этой болезни и ее лечении. Идентифицировав хантингтин, мы выяснили, что он содержит последовательность CAGCAG, повторенную несколько раз. CAG кодирует аминокислоту глютамин. Так что производимый белок содержит цепочку из последовательно расположенных глютаминов (полиглютаминовый трек). При болезни Хантингтона он увеличивается и теряет стабильность. До экспериментов с клонированием традиционно мыслящие генетики считали: мутация хантингтина из тех, которые дают гену новую функцию, — иными словами, они думали, что мутировавший ген кодирует белок, действующий не совсем обычным образом. Поэтому ваш вопрос целиком закономерен. В самом деле, какова же нормальная роль хантингтина? Кажется, он участвует во многих клеточных процессах. Но выяснить, какие именно процессы могут приводить к патологии, не удалось. Учтите: экспрессия хантингтина происходит в каждой клетке. Дегенерация нейронов в центральной нервной системе при болезни Хантингтона избирательна: некоторые нейроны мозга повреждаются в первую очередь, некоторые же почти не затрагиваются. Пациент долгое время выглядит совершенно здоровым — а затем, когда его нервные клетки поражаются все сильнее и со временем начинают умирать, в буквально смысле дегенерирует. На поздних стадиях болезни проявляются следствия гибели большого числа нейронов.

— Это похоже на бомбу замедленного действия, начинающую повреждать нейроны лишь в определенном возрасте. Наводит на мысли, что болезнь как-то связана с развитием эмбриона.

— Несомненно, хантингтин связан с развитием эмбриона. Но это не совсем относится к нашей теме. Когда стали проводить эксперименты с клонированием, сразу попробовали отключить хантингтин. Проводили эксперименты на мышах, отключили обе копии гена — и зародыш, лишенный хантингтина, погиб в утробе. Так что хантингтин важен для развития эмбриона. Но что именно он делает — пока непонятно.

— У многих живых существ встречается этот ген?

— У очень многих — вплоть до рыб. Но болезнь развивается только у человека.

В настоящее время Кваррелл — активный участник Европейского проекта по изучению болезни Хантингтона, нацеленного на выяснение роли хантингтина в человеческом организме. Непосредственная задача проекта: собрать данные о десяти тысячах пациентов со всей Европы, свести их в единую базу. Данные эти должны включать результаты генетического обследования, исследования проявлений болезни, а также лекарственной терапии.

Наконец я задал Кварреллу вопрос, относящийся не только к болезни Хантингтона, но и к большому числу упомянутых в этой книге болезней (и к гораздо большему числу не упомянутых):

— Что изменилось бы для вас, клинического генетика, если бы вы могли свободно отключать и включать отдельные гены?

— В этом направлении уже проделана кое-какая работа, — ответил Кваррелл. — Исследователи воспроизвели мутацию хантингтина у трансгенной мыши и создали нечто вроде управляющего механизма, позволяющего включать либо выключать мутировавший ген. Рассматривалось две группы мышей с мутацией хантингтина. У одной мутировавший ген был отключен через восемнадцать недель. Со временем у мышей группы с включенным геном заболевание развивалось и дальше, приводя к сильной дегенерации, у мышей же с отключенным геном наблюдалось существенное улучшение[134]. Это обнадеживающий результат.

— Полагаю, если удастся отключить мутировавшую копию гена, то другая копия, нормальная, возьмет на себя ее функции?

— Здесь речь идет об ингибиторах РНК. Проблема в том, что если вы захотите отключить хантингтин, то можете с равной вероятностью отключить и нормальный ген, и мутировавший. В общем, перед нами задача научиться отключать нужный ген.

В следующих двух главах мы рассмотрим возможность именно такой процедуры — возможность избирательного отключения нужного гена.

13. Гений, управляющий генами

Откройте любой свежий журнал — и увидите, насколько популярна эпигенетика. Только в этом году в ПабМед[135] перечислено больше пяти тысяч статей по эпигенетике. Конечно, эта отрасль исследований имеет и свой собственный журнал, «Эпигенетика», и следует моде нынешнего времени: запущен проект под названием «Эпигеном человека». Как могли бы выразиться в журнале «Вог», эпигенетика — это современность!

Джеральд Вейсман [136]

Финальная стадия нашего путешествия привела нас вплотную к загадочной, привлекательной и потенциально весьма могущественной силе, способной в будущем исполнить желание доктора Кваррелла. Называется она «эпигенетика». Эта отрасль науки изучает, как возможно произвести стабильные изменения клеток, тканей, органов либо организма в целом независимо от изменений в последовательностях ДНК. Иными словами, эпигенетика — это возможность без помощи последовательностей ДНК управлять нашими генами и даже целыми хромосомами. Удивительно, что такая возможность вообще существует, поскольку предполагает нечто способное управлять главной управляющей системой живого существа — его геномом.

Насколько же эпигенетика отличается от генетики? Это можно проиллюстрировать на простом и ярком примере: по крайней мере столетие ученые сравнивали однояйцовых близнецов, подчеркивая их сходство, имея в виду их генетическую одинаковость, — но теперь их сравнивают, подчеркивая различия, чтобы показать, насколько они отличаются с эпигенетической точки зрения. Еще одно существенное отличие генетических механизмов от эпигенетических в том, что наши гены никак не откликаются на изменения окружающей среды, они неизменны — конечно, если не повреждаются действием внешних факторов наподобие радиации. Эпигенетические же контроллеры способны откликаться на воздействия окружающей среды. Возможно, эпигенетические механизмы и были отлажены эволюцией как раз для задач подобного рода. Именно эпигенетический механизм оповещает растения о приходе весны. Как мы узнаем в этой и следующих главах, эта же система отклика на окружающее воздействие весьма интересна для медицины. Отчасти ироническим выглядит то обстоятельство, что эпигенетические изменения и механизмы, стоящие за ними, способны наследоваться — ведь именно это предположение лежало в основе многократно осмеянной и безоговорочно отвергнутой теории эволюции, впервые предложенной великим французским биологом Жаном-Батистом Ламарком. Именно Ламарк впервые определил сам термин «биология» и предложил концепцию эволюции на полстолетия раньше Дарвина — хотя ключевые положение ламарковской теории были отброшены и заменены куда более убедительной концепцией естественного отбора.

И что же могло побудить ученых в наш век, начисто отвергнувший ламарковские построения, признать, что существует некая высшая управляющая сущность, некий без малого волшебный дух, способный управлять самими генами?

Понятие эпигенетики было определено в 1930-х годах британским эмбриологом Конрадом Хэлом Ваддингтоном, попытавшимся решить одну из величайших биологических загадок: как же взрослое животное либо растение во всей его сложности вырастает строго определенным, правильным образом из одной-единственной оплодотворенной клетки (зиготы). Тайна развития эмбриона занимала умы философов, натуралистов и теологов еще с Античности. В IV столетии до н. э. Аристотель пытался разгадать ее, наблюдая яйца птиц. Он понял, что в начале развития эмбрион в яйце — отнюдь не крохотная копия птенца, но нечто бесформенное, без определенных черт, лишь постепенно принимающее форму птичьего тела. Крохотное сердце формируется и начинает биться далеко не сразу. Лишь к концу срока инкубации птенец формируется, и наконец совершается таинство появления на свет. Но даже ум столь великий был ограничен в суждениях невысоким уровнем античного знания. Аристотель не знал, что самки размножающихся половым путем животных производят на самом деле очень малое яйцо — единственную крохотную яйцеклетку, ничтожную по сравнению с яйцами птиц и рептилий, и оплодотворяется она еще меньшей мужской половой клеткой, сперматозоидом. Аристотель ошибочно посчитал женским плодотворным агентом менструальную кровь. Однако он верно рассудил, что новое существо возникает лишь тогда, когда соединяются мужские и женские плодотворные агенты (он назвал их «флюидами») — например, в курином яйце либо в матке женщины. Внутренняя сила соединившихся флюидов движет процессом развития. Аристотель полагал, что каждое живое существо нуждается в «душе» (хотя аристотелевская концепция души отличается от христианской). Он предположил: «душа» возникает именно при слиянии мужского и женского флюидов и затем руководит процессом развития. Под влиянием «души» бесформенная материя изменяется и вырастает в новое, полноценное и способное к жизни существо. Аристотель также посчитал логичным, что от слияние мужского и женского начал одного рода существ возникает существо того же «типа живого», что и родители. Среди историков бытует мнение, хотя и не бесспорное, что термин «эпигенез» ввел именно Аристотель. Греческое «эпи» как часть сложных слов означает «расположенный поверх чего-либо», возле чего-либо, следующий за чем-либо; «генез» означает «творение».

Религия приняла известную часть аристотелевских идей и методов, но религиозные взгляды были решительно оспорены и отвергнуты материализмом XVIII столетия. Его сторонники отказались принимать телеологическое объяснение развития эмбриона и жизни в целом, посчитав, что в мире существует лишь «материя в движении». Оттого возникла доктрина «преформизма», полагающая, что в оплодотворенном яйце уже присутствует миниатюрная копия взрослого существа. И в самом деле, в 1694 году Николас Гартсекер, датский математик и натуралист, занимавшийся и микроскопией, поразил мир образом полностью сформировавшегося крошечного человечка — гомункулуса, якобы увиденного в головке сперматозоида. Споры приверженцев эпигенеза и преформизма продолжались еще и во время Дарвина, и его восторженного немецкого последователя Эрнста Геккеля. На гораздо более высоком научном уровне, с опорой на современные знания в биологии, спор этот продолжался среди эмбриологов и в XX столетии, рождая теории экзотические и забавные. Веяния в эмбриологии были настолько переменчивы и странны, что, как с толикой сарказма выразился Джеральд Вейсман (чье мнение процитировано в начале главы), подобным переменам и экзотике место, скорее, в артистических салонах либо на подиумах столиц европейской моды, а не в лабораториях.

Конечно, теперь никто всерьез о гомункулусе не говорит, но загадка остроты не потеряла: как же могла крошечная оплодотворенная клетка произвести, например, волосковые сенсорные клетки, улавливавшие звук в лабиринте внутреннего уха Моцарта, либо сложные ткани, впадины и выпуклости глаз Микеланджело либо Тёрнера? А что удивительнее всего, как из этой единственной клетки мог развиться несущий разум человеческий мозг — орган, позволяющий обсуждать философские, теологические и научные вопросы?

Неудивительно, что в молодости эта тайна захватила воображение юного Конрада Уоддингтона, обучавшегося естественным наукам в Кембриджском университете. С самого начала интересы Уоддингтона были шире, чем у большинства современников. Они включали историю арабской алхимии и александрийского гностицизма, подтолкнули к изучению философии и метафизики. Окончив университет, Уоддингтон устроился на работу в качестве эмбриолога и лектора по зоологии в лабораторию Стренджвейса в Кембридже, где занимался исследованиями под руководством выдающегося эмбриолога Б. Фелл, внесшей основополагающий вклад в изучение развития эмбриона. Там «последний из ученых-биологов Возрождения» начал протяженную серию экспериментов с эмбрионами птиц, земноводных и млекопитающих, нацеленных на объяснение эмбрионального развития в терминах науки, а не телеологии[137].

В 1939 году Уоддингтон показал, что при эмбриогенезе происходит взаимодействие между ядром и цитоплазмой яйцеклетки и это неким образом дает начало тканям и органам, изначально не присутствующим в яйцеклетке[138]. В это же время Уоддингтон ввел термин «эпигенетический» для описания предмета своих исследований и, сознательно делая отсылку к Аристотелю, включил в определение «эпигенетического» все аспекты эмбрионального развития[139]. Уоддингтон знал про гены, хотя поначалу и не был осведомлен о том, что гены состоят из последовательностей ДНК. Из работ немецких исследователей он знал, что некие химические соединения, известные как «организаторы», определяют, где головная, а где задняя часть развивающегося эмбриона. Эти же «организаторы» определяют, будет животное иметь двустороннюю симметрию, подобно человеку, с зеркально отображенными правой и левой частями, или радиальную симметрию, подобно морским звездам и ежам. Уоддингтон внес значительный вклад в изучение этих организующих факторов. Уоддингтон понял и то, что клетки развивающегося эмбриона могут взаимодействовать друг с другом. В 1947 году он занял кафедру генетики в университете Эдинбурга и там же десятилетие спустя учредил первую эпигенетическую лабораторию и внес значительный вклад в развитие биологии. Он же основал «Школу управляемого человеком будущего» и заложил основы современного комплексного, междисциплинарного подхода к изучению окружающей среды. До самой смерти в 1975 году, в возрасте семидесяти лет, Уоддингтон оставался верен концепции эпигенетики как современной интерпретации идей Аристотеля. С тех пор эпигенетика существенно продвинулась как дисциплина, расширив предмет изучения от эмбрионального развития до управления генами на всех стадиях индивидуального жизненного цикла. Например, для человека это включает эмбриональное развитие, постэмбриональное развитие ребенка от новорожденного до взрослого и управление генами в течение жизни взрослого. Универсализация эпигенетики сделала ее чрезвычайно важной для медицины.

Во времена Уоддингтона трудно было вообразить себе нынешний уровень эпигенетики, использующей теперь маркировку отдельных клеток и анализ на молекулярном уровне действия отдельных генов, что требует манипуляции отдельными молекулами. Правда, следует заметить: настоящая революция в биологии началась уже при Уоддингтоне, а после его смерти затронула каждую отрасль биологии. Одним из следствий этой революции стала новая материалистическая интерпретация старой теории преформизма.

Хотя и нет крошечного гомункулуса, скорчившегося в головке сперматозоида, все его чертежи присутствуют в яйцеклетке с момента оплодотворения. Новомодная дисциплина эмбриологического развития, наряду с ее бурно развивающейся сестрой, эволюционным развитием (эво-дево), вместо туманных философских рассуждений представила миру неоспоримые факты. Трансляционные и регуляторные гены могут быть секвенированы, помещены в хромосомы, их действие может быть наблюдено. Теперь свет разума может осветить красоты и великолепие изумительной работы генома и проникать все дальше и глубже, пока мы наконец не выясним в мельчайших деталях, как же гены обеспечивают рост эмбриона и управляют им.

В самый первый день самого начала вашей жизни — в день зачатия, а не в день появления на свет — происходит первое деление оплодотворенной яйцеклетки (зиготы). Вы теперь — две клонированные клетки, каждая из которых унаследовала от родителей по двадцать две пары хромосом плюс две половых хромосомы. Если в добавление к Х-хромосоме, полученной от матери, вы получили Х-хромосому от отца, вы — женщина. Если от отца получили Y-хромосому, вы — мужчина. На этой очень ранней стадии вашего эмбрионального развития эпигенетический механизм отключения генов, называемый метиляцией (вскоре мы объясним его подробнее), не действует. Что это может значить в свете огромного присутствия эндогенных вирусов в нашем геноме, не совсем понятно. Но когда итальянский исследователь Коррадо Спадафора, значительно продвинувший изучение рака, применил на этой ранней стадии эмбриогенеза у мышей препарат, блокирующий обратную транскриптазу, — развитие эмбриона остановилось на четырех клетках[140]. По-видимому, эндогенные вирусы играют очень важную, хотя еще совершенно непонятую роль на ранней стадии эмбриогенеза млекопитающих.

На четвертый день вы превращаетесь в твердый шарик из 16 или 32 клеток, на следующий день превращающийся в полый эмбрион, известный как «бластула»; выглядит он так: внешняя клеточная стенка и внутренняя клеточная масса, известная как «зародышевый диск», окружают жидкую сердцевину. Затем из этой внутренней клеточной массы вы разрастаетесь и за следующую пару дней, благодаря помощи ваших симбиотических эндогенных вирусов, присоединяетесь к слизистой оболочке матки, внедряетесь, врастаете, обретаете покой, уют и пищу на все время пребывания в утробе. Тут вы решаете, что пора оповестить маму о своем присутствии, и выделяете гормон — хорионный человеческий гонадотропин (ХЧГ), попадающий в кровеносную систему матери и побуждающий ее яичники производить эстроген и прогестерон, — поскольку не хотите, чтобы клетки слизистой оболочки матки терялись при ненужном теперь механизме менструации. Вы же к этим клеткам присоединились!

Вас, развивающегося, вовсе не тревожат токсикозы вашей мамы. Кстати, популярные тесты на беременность как раз и меряют уровень зародышевого ХЧГ.

С седьмого по десятый день вашу внутреннюю полость начинают беспокоить выступы, знаменующие начало образования телесных полостей. До сих пор все ваши клетки были копиями материнской оплодотворенной яйцеклетки. Но с гаструляцией вступают в дело особые сигнальные вещества (изучаемые в «эво-дево»), оповещающие последовательности генов, нужные для первого фундаментального преобразования зародыша — дифференцирования на три типа: «эктодерму», в будущем должную превратиться в кожу и нервную систему, «экзодерму», образующую внутреннюю оболочку кишок и внутренних органов, и «мезодерму», превращающуюся в мышцы, кости и сердце. Боюсь шокировать читателя, но первый выступ, первое отверстие, соединяющее внешние и внутренние части зародыша, соответствует не рту, а окончанию желудочно-кишечного тракта, то есть анусу. Мы, люди, как и все позвоночные, начинаем развитие с анального отверстия, с него начинается построение нашего двусторонне симметричного тела — в отличие, например, от радиально симметричной морской звезды. Вашему будущему рту еще только предстоит пробиться к поверхности с другого конца. С пятнадцатого же по двадцать первый день начинают интенсивно работать унаследованные от родителей гены — в особенности НОХ-гены, учетверенные в результате «2Р», двух исторических гибридизаций человеческого генома.

Отныне выросты в сторону от центральной линии образуются под управлением НОХ-генов, передняя часть зародыша приобретает признаки головы, задняя же часть становится рудиментарным хвостом. Вдоль оси голова — хвост образуются параллельные борозды, возвещая образование «нервной бороздки». Ее края со временем сомкнутся, образовавшийся цилиндр — это ваш будущий спинной хребет. Головной же ее конец преобразуется в мозг, который в данный момент воспринимает, осмысливает и запоминает эти слова. К двадцать первому дню у вас появляются рудиментарные жабры, наследие морского прошлого, известные занимающимся эмбриональным развитием биологам как «глоточные арки», и четче обозначается короткий толстый хвостик. Если глоточные арки останутся на поздних стадия развития зародыша и далее, уже после рождения, они могут привести к образованию кисты и прочих патологий, требующих хирургического вмешательства. Уже в двенадцать недель почти все органы и части тела изрядно развиты и различимы — за исключением мозга и легких. С этого времени большинству ваших органов и частей остается лишь расти. Но даже при рождении ваш мозг, столь сложный и большой по отношению к прочим частям тела, еще в значительной мере недоразвит. В первые дни после рождения мозг прибавляет по четверти миллиона нервных клеток каждую минуту, и это колоссальное увеличение размеров и сложности продолжается первые два года жизни. Если сравнить нас с нашими ближайшими эволюционными родственниками — шимпанзе, то окажется: отношение массы мозга к массе тела при рождении у человека и шимпанзе одинаково. Но после рождения человеческий мозг растет с такой скорость, что ко времени взросления весит в три с половиной раза больше, чем мозг шимпанзе.

Ваше развитие как на стадии эмбриона, так и после рождения — чрезвычайно сложный, заранее запрограммированный и скрупулезно, до мельчайших мелочей отлаженный процесс. Но и он временами дает сбой. Потому вряд ли удивительно то, что, по разным критериям, проблемы развития встречаются у значительной части человеческой популяции: от двух с половиной до пяти процентов ее. Путешествуя по страницам этой книги, вы уже видели: в механизмах, управляющих нашим развитием, в изощренных процессах, сопровождающих наше эмбриональное развитие, может крыться генетическая подоплека заболеваний, проявляющихся как при рождении, так и позднее, в течение жизни. Хотя факторы окружающей среды долгое время считали способными повлиять на проявления болезни при эмбриональном развитии либо после рождения, только сейчас врачи стали понимать, как именно на молекулярном уровне эти факторы сказываются на функционировании генома. И сколь же знаменательным выглядит то, что мы, исследуя сложности взаимодействия окружающей среды и генома, оказываемся перед тайной, столь привлекавшей и мучившей Уоддингтона — и Аристотеля!

Выше я описал, как все без исключения клетки нашего тела — клетки кожи, печени, глаза, мозга и прочие — происходят из единственной всепорождающей оплодотворенной яйцеклетки, зиготы. Нам известно: ядерный геном этой клетки содержит генетический код, унаследованный от отца и матери. Митохондрии же мы наследуем только от матерей. Все наши весьма отличающиеся клетки во всех тканях и органах наших тел содержат тот же ядерный и митохондриальный геном, что и зигота. Все они содержат те же самые ядерные ДНК — как вирусные, так и «позвоночные», и те же самые митохондриальные ДНК, упакованные в бактериальное кольцо. Но когда зигота делится, производя дочерние клетки, а они, в свою очередь, делятся снова и снова, наделяя потомство все тем же генетическим набором зиготы, — что же заставляет эти идентичные клетки измениться, утратить идентичность, превратиться в разные ткани и органы, позволяя нам развиться и вырасти в полноценное взрослое существо?

В 1958 году американский биолог Дэвид Л. Нэнни из университета Мичигана предложил возможный ответ на этот вопрос[141]. Нэнни отнюдь не игнорировал открытую за пять лет до того ДНК, признавая, что «генетический материал», хотя еще и не «исследованный в достаточной степени, находит значительное подтверждение в экспериментах». Разделяя растущее увлечение научного сообщества ДНК, восхищаясь ее гениальной простотой как носителя генетического кода, Нэнни заглянул дальше — причем гораздо дальше. Вот что он пишет: «Обнаружение ДНК позволяет провести гораздо более четкое, нежели ранее, концептуальное различие между двумя типами управляющих систем клетки». Курсив — мой. Одна такая система — это, по выражению Нэнни, «библиотека клеточных черт», основанная на ДНК как генном материале. Вторая, названная им «вспомогательным механизмом с другими принципами функционирования», определяет, «какие именно черты проявятся в определенной клетке». Думаю, вряд ли кто-либо во времена Нэнни четче обозначил различие между двумя важнейшими системами управления разной природы, названными Нэнни «генетической» и «эпигенетической».

Уже в то время были если не прямые, то косвенные свидетельства в пользу того, что бактерии с абсолютно одинаковым геномом могут выглядеть по-разному и различно вести себя. Поскольку бактерии едва ли меняют геном в течение жизни, разница подразумевает действие эпигенетического механизма. Более того, эти эпигенетически произведенные изменения воспроизводятся при делении клеток и повторяются бесконечно — другими словами, эпигенетические изменения закрепляются и воспроизводятся при бактериальном эквиваленте митоза, дающего начало клеткам, формирующим наши органы и ткани.

Учитывая степень лихорадочного оживления, последовавшего за открытием ДНК, не удивительно, что сменилось поколение, а то и два перед тем, как биологи осознали: все удивительные действия и свойства «кода жизни» и связанной с ним молекулярной химии недостаточны. Факт остается фактом: разницу между клетками печени, сердца, мозга нельзя объяснить исключительно действием генов либо управляющих генетических последовательностей, либо даже изумительно точных и отлаженных генетических сигнальных последовательностей, контролирующих процессы включения и работы генов. Слова Нэнни оказались пророческими. В клетке есть некий механизм, управляющий самими генами, и, вероятно, этот же механизм регулирует генную управляющую и сигнальную системы.

Спустя три года после публикации новаторской работы Нэнни английский биолог Мэри Ф. Лайон предположила, что у самок млекопитающих одна из Х-хромосом должна быть деактивирована на ранней стадии эмбрионального развития. Здесь уже неоднократно писалось о том, что у самок — две Х-хромосомы, а у самцов лишь одна. Это значит, что, если у самок будут задействованы обе хромосомы, геном самок при развитии будет задействован принципиально иным образом, чем геном самцов. Лайон, окончившую Кембриджский университет, Уоддингтон зазвал работать в Институте генетики в Эдинбурге. Именно там, изучая генетику мышей, Лайон предположила: деактивация второй Х-хромосомы у самок важна при эмбриогенезе, поскольку гарантирует, что и мужские, и женские эмбрионы будут подвергаться действиям одной и той же «дозы» Х-хромосомных генов[142]. Предсказание Лайон должным образом подтвердилось: у женских эмбрионов отключение в самом деле происходит на шестнадцатый день эмбриогенеза и служит важным стабилизирующим механизмом развития эмбриона.

Мы с вами уже сделали два очень существенных шага в сторону понимания современной эпигенетики, но остается главный вопрос: каким образом эпигенетический механизм действует? Как это часто случается в биологии, ответ подсказали микробы, в чьем поведении ученые заметили необычные черты.

В бактериях действует особый специализированный химический инструмент, на биологическом жаргоне называемый «ограничивающим энзимом». Он рвет ДНК на куски. Эти химические «секиры» реагируют на последовательности ДНК, модифицированные добавлением небольшого радикала метила. Метил — это одновалентный радикал простейшей органической молекулы, состоящий из единственного атома углерода, присоединенного к трем атомам водорода. Поскольку углерод имеет валентность четыре, у метиловой группы остается свободная связь, и посредством ее этот радикал может присоединяться к атомам и молекулам (обозначается он так: — СН3). Генетики обнаружили удивительный факт: метилированную ДНК химические «секиры» не трогают, но если ДНК не метилирована, «секиры» рубят ее на части. У бактерий это служит защитой от вирусов — ДНК вторгающихся вирусов не метилированы. Потому бактерия может распознать чуждость вторгшейся ДНК, и «секиры» тут же исполняют защитную функцию, уничтожая агрессора. Потому исследователи предположили: метилирование ДНК сделает ее невидимым для мощных химических анализаторов клетки.

В год смерти Уоддингтона (1975) Робин Холлидей, глава Отделения генетики Национального института медицинских исследований в Лондоне, вместе со своим аспирантом Джоном Е. Пью сделал еще один принципиальный шаг к пониманию эпигенетического механизма. По их мнению, присоединение метиловой группы к одной из четырех кодирующих «букв» ДНК, нуклеотиду цитозину, по всей длине гена либо управляющей последовательности может играть важную роль в регулировке действия этого гена. А от этого всего шаг до осознания того, что подобное регулирование может определять судьбу клеток в процессе нормального развития эмбриона[143]. Ныне известно, что процесс, названный «цитозиновой метиляцией», — один из главнейший эпигенетических механизмов, решающих судьбу каждой отдельной клетки при развитии эмбриона. Он продолжает играть фундаментальную роль в управлении клетками каждой ткани и органа на протяжении всей жизни взрослого человека.

Теперь самое время повторить вопрос Уоддингтона: как же возникают очень разные клетки, формирующие наши органы и ткани? В статье, написанной совместно с Пью, Холлидей дал ответ на него. Эпигенетические процессы включают и выключают определенные гены в различных клетках. Именно такое управление экспрессией генов, в особенности «генов развития», определяющих ключевые стадии развития эмбриона, приводит к тому, частью чего станет клетка — кожи, печени, глаза или мозга.

В 2009 году я связался с Холлидеем, в то время жившим в Австралии, чтобы поговорить о его открытии. Я поинтересовался, что же особенного в метиле и его связи с ДНК?

— В метиле всего четыре атома — очень простая группа. Ее присоединение не мешает химической активности цитозина, то есть связи цитозина с гуанином. В 1975 году мы уже знали: в ДНК присутствует метилированный цитозин. Правда, мы не знали, зачем он там и какие функции несет, хотя, конечно, ожидали, что он вовлечен во что-то важное. А теперь уже знаем: он — маркер, сигнал, который могут распознать протеины (такие, как факторы транскрипции), участвующие в процессе экспрессии генов.

Упоминаемые Холлидеем факторы транскрипции — это связывающиеся с ДНК управляющие структуры, определяющие, какой ген включить, а какой выключить и в какое время это должно произойти в течение эмбриогенеза. Если цитозины в какой-либо фазе транскрипции метилированы, ген отключается. Если цитозины деметилированы, ген включается. Холлидей и Пью предложили также оригинальную модель того, как сами метиловые группы могут быть присоединены к генетическим последовательностям либо удалены, причем безо всяких изменений в последовательности ДНК.

Год 1975-й оказался в особенности важным для развития эпигенетики. Одновременно с Холлидеем и Пью, но независимо от них работающий в Медицинском центре «Город надежды» Артур Д. Риггс предложил объяснение механизма отключения Х-хромосомы посредством ее метилирования[144]. А чуть позже еще двое американских биологов, Руфь Сагар и Роберт Китчин, согласившись с Холлидеем и Пью, предположили, что могут существовать и другие механизмы эпигенетического управления[145].

Забавно, но в статьях, увидевших свет в 1975 году, исследователи, столь продвинувшие эпигенетику, термина «эпигенетика» не употребляли ни в заглавии, ни в тексте. Об этом поведал сам Холлидей в очень важной своей статье, опубликованной в 1987 году в «Сайнс». Статья называлась «Наследование эпигенетических дефектов»; в ней рассказывалось о наследовании эпигенетических механизмов контроля от родительской клетки к дочерней[146].

Открытия вызвали новые вопросы. Как присоединяются и отсоединяются метиловые группы? Если, как сейчас полагают почти все, метилирование — не единственный эпигенетический механизм, какие еще козыри у эпигенетики в рукаве? И важнейший вопрос: способны ли эпигенетические механизмы изменить наследственность живого существа? При положительном ответе на него биологи должны согласиться с наличием еще одной движущей силы эволюции.

В 1989 году Ева Яблонка, работавшая в Еврейском университете, Иерусалим, и Мэрион Дж. Лэмб, работавшая на факультете биологии в Биркбек-колледже при Лондонском университете, попытались дать ответ на часть этих вопросов. Во введении к своей новаторской статье они предложили, в сущности, принципиально новую концепцию наследственности[147]. Признавая, что генетическая информация содержится в закодированном виде в ДНК, исследователи предположили, что при наследственности переносится не только геном, но и сложная структура, известная теперь как «хроматин». Читателям хорошо известно, что человеческие гены — это линейные последовательности ДНК, занимающие определенные места в сорока шести хромосомах. Но хромосомы не плавают свободно в ядре, они тесно связаны с особыми РНК, протеинами и прочими молекулами, образуя плотно упакованные объекты, — вот они и составляют химическое содержание хроматина.

Как уже писалось, маркировка может осуществляться присоединением метиловой группы к молекуле нуклеотида цитозина. Как объяснили Яблонка и Лэмб, это всего лишь один (хотя и очень важный) механизм, посредством которого эпигенетическая система управляет генами. Многие годы генетики замечали: экспрессия гена, хромосомы или даже набора хромосом зависит от пола родителя, передавшего этот ген либо хромосому(ы). С точки зрения классической менделевской генетики это бессмысленно и необъяснимо. Это ведь подразумевает, что геном неким образом определяет, от матери или отца пришла каждая определенная ДНК. Выражаясь на эпигенетическом жаргоне, упакованная в хроматин ДНК неким образом «импринтирована», и геном может распознать ее происхождение. Мы вернемся к этой концепции в следующей главе, где я обсужу применение ее в медицине, а пока я хочу вкратце воспроизвести рассуждения Яблонки и Лэмб из их новаторской статьи.

Основываясь на предположении, что эпигенетическая система управления передается от родителей потомству, Яблонка и Лэмб предложили «модель наследования приобретенных эпигенетических изменений», согласно которой система эпигенетического управления (а управляет она генами) откликается на воздействия окружающей среды, а изменение, вызванное откликом, может наследоваться будущими поколениями. Предположение смелое, даже дерзкое, и сводится оно к тому, что внешние факторы способны привести к долговременным изменениям формы жизни — то есть к эволюционным изменениям.

Современная синтетическая концепция эволюции полагала, что действия естественного отбора на фоне постоянных небольших генетических изменений, происходящих вследствие мутаций, достаточно для возникновения новых видов. Яблонка и Лэмб же предположили, что накопление эпигенетических изменений в геноме может быть не менее важным источником создания новых биологических видов — за счет репродуктивной изоляции популяций, претерпевших разные эпигенетические изменения. Они хорошо понимали, что выдвинуть такую концепцию перед эволюционистами традиционного толка — все равно что махать красной тряпкой перед быком. Повторим еще раз: Яблонка и Лэмб предположили возможность образования новых видов через наследование приобретенных эпигенетических изменений, то есть оживили призрак давно осмеянной и отвергнутой ламарковской теории эволюции.

Со времен формирования синтетической концепции дарвинизма в тридцатых годах прошлого столетия любая попытка реанимировать предложенный Ламарком эволюционный механизм неизбежно встречала яростное неприятие. В 2009 году я взял интервью у Яблонки и Лэмб и поинтересовался, какова была реакция коллег, занимающихся эволюционной биологией, на то, что они приняли ламарковскую концепцию.

— Мы с самого начала думали о проблеме, формулировали ее и полученные результаты в терминах, разработанных Нэнни, — ответила Ева Яблонка. — А что касается слова «ламарковский», то употребление его было и осталось проблематичным. Но мы питаем активный интерес к истории науки, потому видим себя сторонниками неоламаркизма, продолжателями традиции этого учения. Я считаю, неправильно было бы это не признавать. Поэтому мы не избегаем упоминать имя Ламарка, причем отнюдь не из желания эпатировать — мы в самом деле считаем себя его последователями… Когда мы впервые послали статью о наследовании приобретенных изменений в различные биологические журналы, то встретились с полным безразличием, даже с враждебностью. Серьезно нас воспринял лишь Джон Мейнард Смит, и лишь благодаря его ободрению и помощи мы смогли опубликовать статью. Джон не согласился с нашими выводами и предположениями, но посчитал наши идеи в достаточной степени важными, чтобы их опубликовать.

Я был весьма заинтригован тем, что выдающийся неодарвинист Джон Мейнард Смит занял столь взвешенную позицию, хотя мог бы просто и бесповоротно отвергнуть идею, идущую вразрез с его убеждениями. Поэтому я посчитал своим долгом спросить, как же получилось, что Мейнард Смит решил помочь.

— Произошло так, — отвечала Ева, — что уже после нескольких отказов из журналов Мэрион случайно повстречалась с Мейнардом Смитом на конференции. Мэрион была его аспиранткой, и они остались в очень хороших отношениях, хотя не встречались уже очень долго. Вот Мэрион и рассказала про нашу отвергнутую журналами статью и дала ему рукопись. Он прочел ее в самолете и был впечатлен в достаточной мере, чтобы рекомендовать ее для публикации в «Журнал теоретической биологии». Позже он написал на нее критический комментарий[148]. Мы же, в свою очередь, привели в ответ доказательства, описание механизмов и моделей того, что понимали как наследование приобретенных свойств[149]. Приблизительно в это же время я написала статью «Системы наследования и эволюция новых уровней индивидуальности», которую также не пропускали в печать целых четыре года. Два с половиной года из них она лежала в единственном журнале по эволюционной биологии, в конце концов отвергнувшем ее по причине «необоснованности» сделанных там выводов. Статья сообщала о переходах на новые уровни индивидуальности и по духу была близка к идеям книги, которую писал в то время Джон совместно с Ёрсом Шатмари, хотя в то время мы о ней не знали[150]. Затем в 1993 году на конференции эволюционистов в Монпелье я доложила результаты своей неопубликованной статьи. Джон присутствовал на конференции, и мой доклад произвел на него сильное впечатление. Он предложил мне присоединиться к группе теоретической биологии, организуемой Шатмари в Будапеште. Я согласилась. К нам приезжали с визитами и Мэрион, и сам Джон. Конечно же, споры об эволюции и роли наследования эпигенетических изменений продолжались, но тем большим они делали удовольствие от работы. Джон чудесный человек и великий ученый. За время моего пребывания в Будапеште я опубликовала несколько хороших статей, и одна из них была об эволюции путем эпигенетического наследования.

В 1995 году, невзирая на сопротивление сторонников традиционалистских взглядов, Яблонка и Лэмб опубликовали свою первую совместную книгу с вызывающим названием: «Эпигенетическое наследование и эволюция: ламаркианский взгляд»[151].

Во введении они описали то смешение отрицания и энтузиазма со стороны коллег, которое подвигло написать книгу: «Эмоциональная и агрессивная реакция, столь часто встречаемая нами при рассказе о наших взглядах и идеях, не оставила сомнений: мы затрагиваем очень чувствительное место». Замечательным выглядит то, что Джон Мейнард Смит, несмотря на неприятие изложенных в книге взглядов, как и в случае со статьей, помог с публикацией.

— И что же происходит сейчас, спустя полтора десятилетия после опубликования книги? — спросил я. — Коллеги все так же агрессивно воспринимают неоламаркианские идеи, как и в девяностых годах прошлого века?

— Думаю, сейчас люди гораздо восприимчивее к нашим идеям, и тому есть несколько причин, — сказала Ева Яблонка. — Прежде всего наследование эпигенетических изменений стало общеизвестным и достоверным фактом. Постоянно появляются все новые его примеры, их трудно игнорировать. Молодое поколение исследователей не видит в нашей концепции ничего противоестественного, они могут промоделировать подобное наследование и вызванные им эволюционные изменения на компьютере. Так что смена научных поколений, численное моделирование и большое число обнаруженных случаев эпигенетического наследования сделали нашу точку зрения более приемлемой для исследователей.

В 2005 году Яблонка и Лэмб опубликовали вторую книгу, ставшую для любознательного читателя, профессионально не занимающегося биологией, введением в эпигенетику и эпигенетические системы наследования. Называется эта книга «Эволюция в четырех измерениях»[152].

Сейчас уже ясно, что идея гена как отдельного участка ДНК, кодирующего единственный протеин, идея возможности узнать все об особи, посмотрев на ее гены, — идея, считавшаяся без малого священной в генетике и эволюционной биологии, — более не выдерживает критики. Она на самом деле заслуживает данного ей Яблонкой и Лэмб названия «генетической астрологии».

Еще в 1989 году они, несмотря на тогда еще весьма слабое понимание эпигенетических процессов, предположили, что эпигенетический контроль над экспрессией генов осуществляется не только посредством метилирования цитозина, но и через другие механизмы, влияющие на структуру и функции цитозина. Теперь известно, что существует несколько таких механизмов — химических реакций, действующих на ядерные белки (гистоны) на краях хромосом. Эти белки могут взаимодействовать с различными простыми химическими группами. Одна из этих групп — ацетиловая группа, и ацетилизация гистона — важный механизм эпигенетического контроля за экспрессией генов. Другой важный и весьма избирательный механизм известен как «регуляторные РНК» — речь идет о коротких молекулах РНК, способных интерферировать с процессом трансляции генов. Этот процесс часто называют «РНК-интерференцией», он способен уничтожать транспортные РНК, несущие код от определенного гена, — и тем препятствовать трансляции гена в определенный протеин. Эти три эпигенетических механизма — метилирование, модификация гистонов и РНК-интерференция — имеют чрезвычайно большое значение для медицины.

Яблонка и Рац из университета Тель-Авива изучили широкий спектр разновидностей эпигенетического наследования у различных форм жизни, включая бактерии, протесты, растения и животных. Опубликованная ими по результатам этих исследований статья весьма обширна и содержит примеры эпигенетического наследования, осуществляемого посредством различных механизмов — таких, как метилирование, модификация гистонов, РНК-интерференция и некоторые другие[153]. В заключение статьи авторы просчитали нужным поставить под сомнение прежние концепции эволюции.

Как мы уже видели на примере генетики митохондрий, эпигенетическое наследование нарушает каноны классической генетики и не следует правилам Менделя. Несмотря на это, появляется все больше оснований полагать, что эпигенетические изменения, хотя и не имеют мутационной природы, сыграли весьма важную роль в эволюции жизни на Земле. Мы уже поняли и узнали, сопоставляя мутационный механизм эволюционных изменений с генетическим симбиогенезом, что эпигенетические механизмы могут действовать одновременно и притом влиять друг на друга, вместе составляя совокупность правил и инструкций для развития и дифференциации клеток. Примите к тому же во внимание, что эпигенетические механизмы необходимо как-то контролировать и упорядочивать и что они подвержены влиянию окружающей среды — ведь они и развились в качестве реакции на такие влияния. Таким образом, получается картина, важность которой не уступает ее сложности.

В 1989 году легендарный открыватель ДНК Джеймс Уотсон провозгласил: «Раньше мы считали, что нашей судьбой управляют звезды. Теперь нам известно: в значительной мере судьбой нашей управляют наши гены»[154]. Это утверждение не потеряло своей верности — но теперь оно видится хотя и неотъемлемой частью общей картины, но далеко не всей картиной. А картина эта весьма удивительна: она включает не только генетику с ее экстраполяцией на «эво-дево», но и стремительно развивающуюся эпигенетику, повлекшую за собой переосмысление многих аспектов развития организма от зиготы до старости. Эпигенетика развивается сейчас настолько интенсивно и влечет за собой настолько далеко идущие последствия для нашего понимания биологии и эволюции, что два оксфордских исследователя, Роберт Грант-Даунтон и профессор Хью Р. Дикинсон, пропели настоящую хвалебную оду ей во введении к своей фундаментальной обзорной работе об отношении эпигенетики к эволюции, морфологии и таксономии растений: «Мы верим, что, когда исключительную значимость новой исследовательской дисциплины — эпигенетики — признает большинство ботаников, это повлечет за собой революционное переосмысление традиционных ботанических дисциплин»[155].

14. Приближающаяся революция

Важность эпигенома в патогенезе распространенных человеческих заболеваний, скорее всего, столь же значительна, как и роль мутаций.

А. Г. Уилсон [156]

Синеголовый губан обитает на коралловых рифах Карибского моря. Дерзкие и агрессивные самцы губана щеголяют яркой раскраской — узкие зеленые, белые, синие полосы с широкими черными полосами между ними. А самки, составляющие их гаремы, меньше размером и куда скромнее на вид — окраска их мягкого желтого тона, брюшко серебристое. Но если самец погибает либо по какой-то причине оставляет гарем, наибольшая по размеру самка меняет пол: ее яичники уменьшаются, разрастаются семенники — все за день-другой. И вот она уже щеголяет дерзкой раскраской: зеленой, белой, синей с широкими черными полосами. Вдобавок она начинает вести себя по-мужски задиристо и становится по духу и плоти новым властным хозяином гарема. Заинтригованный столь впечатляющей способностью к метаморфозе, я написал доктору Джону Годвину, изучающему смену пола у таких рыб, как синеголовый губан, и спросил: быть может, в эту перемену вовлечены эпигенетические факторы?[157]

— Я удивлюсь, если эпигенетика окажется ни при чем, — ответил он, — но пока у меня нет совсем никаких данных, подтверждающих это. Возможно, они появятся в ближайшем будущем, когда станет доступным новое поколение генетических секвенсоров и мы начнем получать новые данные.

Поскольку ДНК губанов остается неизменной, весьма вероятно, что в удивительном явлении смены пола задействованы эпигенетические механизмы, подобные метилированию ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференции. Если и в самом деле так, разве не поражает воображение масштаб изменений, произведенных простейшим химическим соединением? Присоединение метиловой группы к одной из четырех «букв», составляющих нашу ДНК, небольшое изменение белка, экспрессия коротенькой РНК могут вызвать фундаментальные изменения внешнего вида и жизнедеятельности организма. Конечно, мы знаем: эпигеном способен реагировать на внешние воздействия; в случае губанов — на потерю доминирующего самца, хозяина гарема. Существует огромное число примеров подобного рода и у животных, и у растений, реагирующих на изменения температуры, длительность светового дня и качество освещения, на уровень кислорода в окружающей среде или на присутствие гормона. Так, у головастиков определенных видов древесных лягушек для эпигенетических изменений достаточно лишь присутствия слюны либо мочи хищника в луже, где растет головастик. Разнообразие, чувствительность и интенсивность реакции эпигенетической системы поразительны — она словно бы служит легендарным «шестым чувством», распознает сигналы внешней среды и тут же на них реагирует, заставляет действовать определенным образом области управления нужными генами.

У людей существует загадочная система общения между матерью и растущим плодом. Информация об основных элементах материнской диеты как-то передается эмбриону, и это непонятным образом позволяет будущему ребенку приспособиться к среде, в которой он окажется после рождения. Существует много доказательств — как эпидемиологических, так и клинических и экспериментальных данных, — что воздействия, которым мать подвергалась в течение беременности, играют значительную роль в развитии восприимчивости к некоторым хроническим заболеваниям[158].

Столь оживленное взаимодействие организма с окружающей средой интригует и выглядит многообещающим. Неудивительно, что Яблонка и Лэмб посчитали возможным реанимировать дух ламаркизма. Одновременно другие исследователи изучают роль дарвиновского естественного отбора в эпигенетике. Возможно, найдутся и новые, неортодоксально мыслящие исследователи, которые взглянут по-новому на идеи Уоллеса, вспомнив, какое он значение придавал влиянию окружающей среды на видообразование. Но причудливость, сложность и быстрота реакции живых организмов на изменения окружающей среды в нашем мире рождают тревогу. Ведь наша планета перенаселена, ее реки, озера и океаны загрязнены, древние естественные ландшафты — такие, как дождевой лес, — уничтожаются повсюду, человеческая популяция страдает от алкоголя, табака и наркотиков, люди подвели к черте вымирания огромное количество видов животных и растений. Угроза нависла и над нашими ближайшими родственниками в животном мире — над гориллами и орангутангами. По мнению большинства экспертов, мы сами создали величайшую угрозу для современного общества, спровоцировав широкомасштабные климатические изменения. Поневоле задумаешься, преувеличивал ли Льюис Томас, замечая: «Мы слишком молоды как вид и слишком незрелы, чтоб ответственно относиться к миру вокруг. Мы распространились по Земле за несколько тысяч лет — ничтожный срок по часам эволюции. Мы заняли все места этой планеты, пригодные для жилья, истребляем все живое и теперь создали угрозу для самих себя…»

В этих условиях новая, интенсивно развивающаяся дисциплина эпигенетика — пусть и принадлежащая сугубо к биологии, но связывающая исподволь все без исключения ее отрасли с многообразным влиянием окружающего мира — приобретает особую важность. Эпигенетика как нельзя ярче демонстрирует, что жизнь на Земле — единое целое.

Каковы же последствия для медицины того факта, что метиловая группа может присоединяться к цитозину, гистоны хромосомы могут ацетилироваться, а регуляторная молекула РНК — активироваться? Каковы с медицинской точки зрения последствия возможности включения факторов, провоцируемых окружающей средой, не изменяющих ДНК, но способных контролировать работу генома? Насколько важной окажется эпигенетика для лечения болезней, если ученые найдут способ заставить эпигенетические механизмы работать нужным образом? В марте 2009 года я посетил свою альма-матер, Медицинскую школу Шеффилда, чтобы взять интервью у доктора Джерри Уилсона — представителя растущей армии медиков, склонных использовать эпигенетические методы в своей практике.

Уилсон применяет эпигенетические методы при лечении аутоиммунных заболеваний, в частности ревматоидного артрита. Как знают уже многие пациенты, страдающие ревматическим артритом и анкилозным спондилитом, революционная новая терапия, использующая лекарства, известные как супрессоры ТНФ (туморный некрозисный фактор), совершенно изменила подход к лечению их болезней. ТНФ — это вещество, выделяемое белыми кровяными клетками. Он играет важную роль во многих процессах, происходящих в человеческом теле, — в частности, при воспалениях, являющихся следствием аутоиммунности. ТНФ-ген контролируется контролирующей последовательностью известной как ТНФ-промоутер. Работая в Шеффилде с 1991 по 1995 год над завершением докторской диссертации, Уилсон исследовал генетические последовательности ТНФ-промоутера. Уилсон верит — в подтверждение эпиграф к этой главе, — что у медицинской эпигенетики большое будущее.

— Все клетки нашего тела имеют одинаковый набор ДНК, — говорит он. — Они различаются только тем, какой набор генов в них работает. Механизм, управляющей процессом экспрессии генов, — эпигенетический. Нарушение нормальных эпигенетических установок — одна из причин развития раковых опухолей. Среди них провокация рака курением. По-видимому, определенные составляющие табачного дыма могут стимулировать производство регуляторных РНК, вызывающих отключение генов, которые подавляют развитие раковых опухолей.

В конце семидесятых годов прошлого века Холлидей и его студент Пью задались вопросом: не вызывают ли рак нарушения процесса метилирования? В 1978 году Пью выдвинул эту идею[159], а годом позже Холлидей опубликовал более подробную статью о «новой теории карциногенеза»[160]. В сути своей идея Холлидея и Пью была такой: если ДНК повреждается и затем восстанавливается, но уже без присоединенной метильной группы, это может нарушить контроль за нормальной экспрессией генов. Много лет спустя, характеризуя свои ранние идеи, Холлидей ярко и точно описал сущность рака с генетической и эпигенетической точек зрения[161].

По словам Холлидея, рак меняет вид и поведение нормальных клеток — то, что биологи называют «фенотипом». Процесс этот постепенен, на промежуточных стадиях некоторые черты нормальной клетки еще сохраняются. Но в конце долгого процесса преобразований клетка полностью теряет черты нормальной и начинает бесконтрольно размножаться. При этом теряется генетическая стабильность. Это очевидно при взгляде на ядро раковой клетки, где встречается полиплоидия и прочие генетические ненормальности. Эпигенотип — общая картина эпигенетических процессов внутри клетки — тоже полностью нарушен. Мощный у нормальной клетки механизм эпигенетического управления у клетки раковой теряет контроль над генами.

Холлидей взглянул на процесс развития рака с эволюционной точки зрения. Ведь когда одна либо несколько клеток «сошли с колеи» и стали бесконтрольно размножаться — они вступили на путь «эгоистической эволюции», а естественный отбор, конечно же, выбирает как раз клетки с наибольшими ненормальностями. С тех пор в тысячах исследований была подтверждена связь между нарушениями эпигенетического контроля и раком. Теперь хорошо известно, что нарушения метилирования — чрезмерное деметилирование одних частей генома и чрезмерное метилирование других — характерны для многих видов рака. Они приводят к ошибочной активации онкогенов, к отключению генов, подавляющих развитие рака, либо к тому и другому вместе.

Эти находки подтолкнули к более широкому исследованию нарушений различных эпигенетических механизмов при развитии рака. Как оказалось, при раке не только нарушается метилирование — но возможны изменения процесса ацетилирования гистонов, РНК-интерференции и импринтинга, упоминавшихся выше. Например, у детей, страдающих синдромом Беквита-Видемана, тысячекратно повышен риск развития злокачественных опухолей детского возраста — таких, например, как опухоль Вильмса (рак почек). В настоящее время ученые исследуют эпигенотипы различных видов рака, включая рак груди, легких, пищевода, желудка, толстой и прямой кишок, различных форм лейкемии и многих других злокачественных опухолей, поражающих кровь и лимфатическую систему, например, таких архетипических форм рака, как лимфома и миелома.

Конечно, в увлечении новой областью исследований не стоит забывать обычные, традиционно признаваемые факторы риска, и внешние — например, курение для рака легких либо папиллома для рака шейки матки, а также генетическую подоплеку карциногенеза. Не стоит также пренебрегать развитием традиционных способов лечения и исследования рака: радиологией, хирургией и радиотерапией. Если появятся надежные и гарантированные средства борьбы с раком — а я не сомневаюсь в этом, — они не будут некой единообразной панацеей, а станут результатом объединения огромного корпуса знаний, накопленного в различных областях медицины.

Всю нашу жизнь эпигеном откликается на воздействия окружающей среды. Поэтому читатели едва ли удивятся, узнав, что связь между эпигенетикой и старением — это важнейшая область эпигенетических исследований.

Конечно, старение — не болезнь в обычном смысле этого слова. Это естественный процесс, характерный для всех форм жизни, которым присуще половое размножение: и для целакантов, и для дубов, и для тропических древесных лягушек, и для человека. Притом — как ни странно — простейшие формы жизни, такие, как бактерии и амебы, не стареют. Старение и смерть — удел существ, чьи тела разделены на различные клетки, ткани и органы и чье размножение требует слияния мужской и женской половых клеток. Надо заметить, отношение к старению и смерти в разных культурах разное, но с медицинской точки зрения проблемы старения всегда одни и те же, вне зависимости от культуры, места жительства и этнической принадлежности.

Люди по-разному относятся к старению, но большинство согласится: мы любим жизнь и хотим полноценно жить как можно дольше. Серьезные болезни омрачают существование, отнимают у жизни достоинство и независимость — неотъемлемое право любого человека. Несомненно, помочь нам жить как можно дольше, сохраняя при этом полноценный образ жизни, — разумная и достойная цель для медицины.

В 2007 году М. Фрага и М. Эстеллер, работающие в Лаборатории рака и эпигенетики в Мадриде, опубликовали замечательный обзор о важности эпигенетики в старении, заключив, что «это зарождающаяся область исследований, обещающая значительный прогресс в ближайшем будущем»[162]. Сейчас несколько исследовательских групп работает над картой метилирования человеческого генома, сравнивая геномы молодых и старых, ведется также подобная работа над картами гистонных модификаций. В интервью с Джерри Уилсоном я коснулся проблемы старения и доказательств вовлечения в этот процесс эпигенетических процессов.

— У всех членов одной семьи наблюдается сходное увеличение либо уменьшение метилирования с возрастом, — сказал Уилсон. — Но в среднем по населению метилирование с возрастом не меняется. В связи с этим стоит снова задаться вопросом: «Почему в некоторых семьях риск заболеть раком выше?» Конечно, дело в генетической предрасположенности, но эпигенетические факторы тоже следует принимать во внимание.

Однояйцовые близнецы — идеальный предмет наблюдения для генетики. Для эпигенетики однояйцовые близнецы также исключительно ценны, но по причине в точности обратной — не потому, что они генетически идентичны, а как иллюстрация нарастания со временем эпигенетических различий. В основополагающей статье в американском журнале «Материалы Национальной академии наук США» Фрага с коллегами сообщили результаты изучения однояйцовых близнецов[163]. Оказывается, близнецы по-разному восприимчивы к заразным заболеваниям и даже к распространенным психическим расстройствам, таким, как шизофрения и биполярные расстройства. Испанские исследователи задались вопросом: «Может ли быть, чтобы два человека, начавшие жизнь с абсолютно идентичным набором генов, по сути генетических клонов друг друга, со временем стали различаться по экспрессии этих генов?» Во многом это исследование, затронувшее восемьдесят пар близнецов, тридцать пар мужчин и пятьдесят — женщин, в возрасте от трех лет до семидесяти четырех, может считаться совершенной и исчерпывающей проверкой способности эпигенома реагировать на окружающую среду.

Исследователи обнаружили: в начале жизни эпигенетические механизмы однояйцовых близнецов практически идентичны. Но с возрастом приблизительно у трети близнецов проявляются существенные эпигенетические различия в метилировании ДНК и модификации гистонов. Эти модификации касаются всего генома, затрагивают и вирусные последовательности, и «позвоночные» гены, и, по-видимому, оказывают существенное влияние на экспрессию генов. Существует прямая связь между возрастом близнецов и степенью эпигенетических различий. У молодых они относительно слабо различаются, а у старых различия весьма существенны и хорошо заметны. Разница больше у близнецов, ведущих разный образ жизни и меньше времени проживших вместе, что, по словам Фрага с коллегами, «подчеркивает роль факторов окружающей среды в трансляции общего генотипа в два разных фенотипа». Далее авторы статьи размышляют, не в этом ли кроется причина различной восприимчивости однояйцовых близнецов к некоторым заболеваниям.

Для Уилсона однояйцовые близнецы были важным объектом исследования аутоиммунных заболеваний, и ревматоидного артрита в частности.

— Данные по ревматоидному артриту сходны с данными по диабету первого типа, — сказал Уилсон. — Одним из наших способов определить роль генетического фактора и было сравнение частотности заболевания ревматоидным артритом у разнояйцовых и однояйцовых близнецов. Если бы болезнь эта имела целиком генетическую природу и ответственные за нее гены всегда функционировали, то логично было бы ожидать ревматоидный артрит у обоих близнецов. Но не более тридцати процентов однояйцовых близнецов болеют им одновременно. Процент совпадений у разнояйцовых близнецов еще меньше — всего семь процентов. Понятно, напрашивается вопрос: отчего семьдесят процентов расхождения у однояйцовых? Возможно, это как раз результат влияния окружающей среды. Ревматический артрит — заболевание, развивающееся по мере взросления, и потому растущие эпигенетические расхождения между близнецами могут, в принципе, объяснить, почему один болеет, а другой — нет.

Я спросил, не может ли сказываться и различный уровень стресса у близнецов? За десятилетия опыта консультирования в клинике я много раз видел, как продолжительный стресс провоцирует аутоиммунные заболевания, иногда даже несколько одновременно.

— Да, в самом деле. Мы исследовали влияние классических стрессовых гормонов, включая кортикостероиды, и обнаружили, что кортикостероиды могут оказывать сильнейшее влияние на гены, причем результатом действия кортикостероидов могут быть как генетические, так и эпигенетические изменения. Есть данные в пользу того, что кортикостероиды могут влиять на эпигенотип клеток.

Я спросил, по-прежнему ли доктор Уилсон думает, что изучение изменений эпигенома для медицины не менее важно, чем изучение геномных мутаций?

— Да, я так сказал однажды и по-прежнему так считаю. Проблема в том, чтобы достичь должной степени исследованности. Эпигенетика каждой клетки сложна, а клеток множество разновидностей. И для одной клетки речь идет не просто о метилировании — а о множестве возможных модификаций гистонов.

— И о РНК-интерференции?

— Да, и о ней, конечно.

— Американцы много говорят о так называемом «раковом геноме», — сказал я, — но, похоже, скоро нам придется вести речь и о «раковом эпигеноме».

— Конечно. Проблема в том, что эпигенетика находится на уровне, пройденном генетикой двадцать лет назад. Экспериментальные исследования с технической точки зрения сложны. Нельзя провести скрининг целого генома в поисках эпигенетических маркеров таким же образом, как проводится скрининг в поисках некой генетической последовательности. Например, для исследования генов я недавно послал шестьсот образцов ДНК пациентов с ревматоидным артритом в Италию, чтобы определить четыреста тысяч генетических маркеров. А в эпигенетике мне приходится возиться с единственным геном TNF, поскольку эпигенетический анализ чрезвычайно сложен. И потому почти невозможно определять слабые различия — хотя, как мне кажется, они исключительно важны. У нас есть еще не опубликованные данные о том, что ген TNF с возрастом постепенно деметилируется. Поэтому экспрессия протеина TNF неизбежно растет с возрастом. У макрофагов деметилирование увеличивается лишь на одну целую шесть десятых процента в десятилетие. Значение небольшое, но за пять-шесть десятилетий это приводит к существенному увеличению экспрессии TNF — и риска болезни.

Замечание Уилсона о малых изменениях эпигенома показалось мне важным.

— Пластичность эпигенома, его способность меняться под воздействием окружающей среды, наверное, усложняют исследования, но и, полагаю, делают их более интересными?

— Следует помнить, что все клетки человеческого тела отличаются. Около года назад в «Нэйчур» была статья на эту тему. Авторы нашли в среднем четыре тысячи работающих генов в каждой клетке, причем у каждой случайно включалась одна из двух аллелей — копий гена, полученных от каждого из родителей. Причем то, какая именно копия включалась, менялось от клетки к клетке. Так что если анализировать возможные комбинации включенных и отключенных генов, то все клетки оказываются разными.

Я представил всю ошеломляющую сложность проблемы. За последние два десятилетия генетический скрининг развился очень сильно, появились схемы, позволяющие делать скрининг огромного количества ДНК за очень малое время. В таком же развитии нуждается и эпигенетика. Из разговора с доктором Уилсоном я вынес впечатление: такой прогресс не за горами.

Чтобы понять перспективы эпигенетики в медицине, нужно усвоить несколько простых и взаимосвязанных вещей. За пару последних десятилетий медики изо всех сил старались научиться изменять экспрессию генов, но это оказалось слишком трудным. Теперь мы знаем: экспрессию генов контролируют различные эпигенетические механизмы, на которые может влиять окружающая среда. А медицинские препараты и курсы лечения как раз и действуют таким образом, что меняют химический состав окружающей клетку среды. То есть напрашивается вывод, что возможно создать препараты, влияющие на эпигенетические механизмы. Думая об этом, я снова и снова повторял про себя вопрос, заданный мною доктору Кварреллу: «Что будет, если мы сможем свободно отключать и включать отдельные гены?»

Предположим, что посредством терапии будут отключены гены BRCA1 и BRCA2, увеличивающие риск рака груди, либо ген HLA В27, играющий ключевую роль в развитии анкилозного спондилита, либо гены DRB1, DQA1 и DQB1, подвергающие человека риску развития диабета, либо гены HLA-DQ2 и HLA-DQ8, делающие человека склонным к заболеванию целиакией? А если бы мы знали, как включать защитные гены, тем либо иным образом полезные для организма? Наше углубляющееся знание эпигенетики (возможно, вкупе с генной терапией) способно помочь в лечении болезней, обусловленных HERV, LINE или Alu-повторами и тысячами мутаций, вызывающими наследственные заболевания, да и в тысячах обычных заболеваний, с которыми каждодневно приходиться справляться докторам.

Здесь уместно вспомнить результаты исследования, вселившие в доктора Кваррелла надежду на излечение его пациентов, страдающих болезнью Хантингтона. Они были опубликованы в 2000 году Ямамото, Лукасом и Хеном из Центра нейробиологии и поведения Колумбийского университета. К тому времени генетическая подоплека болезни Хантингтона была полностью разъяснена, определен и назван «хантингтином» основной ген, ответственный за нее, найдено и точное положение его в четвертой хромосоме, локализована мутация в этом гене, определена и природа мутации — слишком большое число CAG-повторов. Если у человека при рождении от шести до тридцати четырех повторов, он будет здоровым. Но при более чем сорока повторах болезнь практически неизбежна, несмотря на присутствие здоровой версии хантингтина. И чем больше число повторов, тем меньше возраст, с которого начинается развитие болезни. Вообще говоря, известен целый ряд обладающих сходными чертами болезней, обусловленных CAG-повторами. Этот ряд включает восемь прогрессирующих неврологических заболеваний, таких, как Х-сцепленная бульбарная спинальная мышечная атрофия и спинноцеребральная атаксия. Возможно, если мы научимся лечить одну из них — сможем лечить и все остальные.

Основываясь на сложной искусственной системе, позволяющей включать и отключать мутировавший ген, группа Ямамото произвела эксперимент на мышах. Когда мутировавший ген включали, у мышей развивалась патология наподобие болезни Хантингтона со всеми ее физическими проявлениями. Когда же ген отключали, патология исчезала, а с тем улучшалось и физическое состояние. Но механизм отключения не был эпигенетическим. Пять лет спустя две сотрудничающих группы исследователей из Программы генетических исследований (университет Айовы) и Национального института сердца, легких и крови (Национальный институт здравоохранения США, Вифезда) сделали важный следующий шаг, рассмотрев РНК-интерференцию в качестве управляющего механизма.

Позволю себе напомнить: РНК-интерференция — это эпигенетический механизм, работающий посредством взаимодействия небольшой молекулы РНК с определенной транспортной РНК, то есть молекулой, переносящей код от гена в ядре до производящей белки структуры вне ядра. Промоделировав на мышах болезнь Хантингтона, исследователи показали: РНК-интерференция, направленная против транспортной РНК, переносящей код от мутировавшего гена, сильно понижала концентрацию этих РНК и тем уменьшала экспрессию кодируемых дефектным геном протеинов. И поскольку РНК-интерференция чрезвычайно избирательна, на экспрессии нормального хантингтина она никак не сказывалась. Понижение экспрессии дефектного гена привело к значительным изменениям в пораженном мозге лабораторных мышей и в культурах тканей. Исследователи установили: «Отключение дефектного гена хантингтина положительным образом повлияло на поведение и нейропатологические ненормальности, ассоциированные с болезнью Хантингтона». И заключили: «Наши данные позволяют с уверенностью заключить о перспективности применения РНК-интерференции для лечения болезни Хантингтона и дают основу для разработки такого применения»[164].

В свете изложенного выше неудивительно, что теперь по всему миру возникают и разрастаются центры исследования медицинского потенциала эпигенетики, лечения с ее помощью рака, воспалений, старения, врожденных и наследственных заболеваний, диабетов — широчайшего спектра самых распространенных заболеваний. В эти центры вкладывают деньги ведущие фармацевтические компании, причем деньги очень большие. И уже имеется внушительный список новых лекарств и новых применений лекарств уже известных.

Количество новых методов терапии растет столь быстро, что в этой книге едва ли возможно описать их подробно. Первые методы терапии были довольно грубыми и примитивными — как и первые лекарства, применяемые для них. Но повышение точности и избирательности терапий — лишь вопрос времени. Можно с уверенностью прогнозировать скорое появление эпигенетических терапий, работающих на уровне единичного гена, способных блокировать определенный онкоген либо стимулировать ген, подавляющий развитие рака, исправить неправильную модификацию гистона в митохондриальном гене, привести в порядок нарушенные эпигенетические механизмы контроля, приводящие к тяжелым воспалениям и аутоиммунным заболеваниям, разрушающим человеческие жизни. Эпигенетические терапии могут повлиять на старение — многое из описанного выше способно продлить жизнь, одновременно делая жизнь стариков более яркой и полноценной.

Надеюсь, я не оставил у вас сомнений в важности понимания сложной и причудливой истории эволюции нашего человеческого генома. Если да, то главную цель моей книги можно считать достигнутой. Ради этого я писал ее. Если мы выучимся управлять геномом, управлять каждым геном, какого бы происхождения они ни был — митохондриального, позвоночного либо вирусного, — мы сможем буквально все. И это сулит колоссальные выгоды медицине.

Я оставляю вам, мой читатель, самому пофантазировать на тему того, как это изменит наш взгляд на общество, нашу историю и мир вокруг нас.

15. В конце пути

Воистину, чем больше я смотрю на творения природы, тем более готов увидеть в ней самое невероятное.

Плиний

Во введении к этой книге я пригласил вас, читатель, отправиться со мною в необычное путешествие. Надеюсь, теперь вы увидели своими глазами, насколько оно удивительно и познавательно, насколько экзотично — и отчасти даже пугающе в частях, касающихся эпидемий и болезней. Надеюсь, я сумел изменить ваше представление об эволюции и могучих силах, приведших к созданию человеческого генома. Вполне может быть, я не вполне сумел преодолеть ваши сомнения, возможно, у вас сложилось свое мнение о том либо ином. Это ваше право. Я не проповедник, требующий слепого доверия. Моя цель — последовательное, логичное научное объяснение, подкрепленное экспериментальными данными. Вполне возможно, из приведенных мною данных вы извлекли больше, чем я. Конечно же, я не был и не мог быть вашим единственным проводником по стремительно меняющемуся миру эволюционной биологии и сопряженных областей — в этой книге я представил вам других проводников — крупных ученых, куда более меня сведущих в своих научных сферах.

Самые запоминающиеся, лучшие путешествия — те, из которых не хочется возвращаться. А это путешествие не окончено и, надеюсь, не окончится никогда. Несравненная Мэрилин Руссинк положила начало объединению двух обширных областей — симбиоза и вирусологии, и активное взаимодействие их только начинается. Полагаю, взаимодействие это будет углубляться и расширяться, изучение эволюции вирусов в животном мире даст много новых и чрезвычайно увлекательных результатов. Впереди еще хватает загадок. Например, неясна роль горизонтального переноса генов в одноклеточных формах жизни, или «Кембрийский взрыв», когда, по эволюционным меркам мгновенно, возникло биоразнообразие на Земле. Великая тайна, очень меня интригующая, — это кардинальное изменение формы и поведения, известное как метаморфоз. Оно хорошо известно у насекомых, но в куда меньшей степени изучено у морских животных, где оно гораздо основательнее и экзотичнее. Загадочно и эволюционное происхождение вирусов, наверняка неразрывно связанное с эволюцией живого в целом.

В процессе написания этой книги я много взаимодействовал с коллегами, обсуждая новые идеи и обмениваясь ими. Многостороннее сотрудничество такого рода возникло после прочитанного мною доклада на конференции вирусологов, организованной Руссинк в Нобелевском фонде, в Ардморе, штат Оклахома. Одна из сессий этой конференции была посвящена симбиозу с вирусами. Среди заинтересовавшихся моим докладом была Клаудия Бандеа, работающая в Национальном центре инфекционных заболеваний (Центр по контролю и профилактике заболеваний, Атланта).

Двадцать пять лет назад Бандеа сформулировала весьма оригинальную теорию о природе вирусов, которой я весьма серьезно заинтересовался. Читатели, полагаю, вспомнят, что в начале этой книги я утверждал: истинная биологическая природа вирусов раскрывается лишь тогда, когда вирус вторгается в клетку естественного для этого вируса носителя, и лишь во взаимодействии с нею вирус проявляет себя живым существом. Так вот, теория Бандеа представляет собой развитие этой идеи. Исторически вирусы определялись через их компоненты, способные заражать. Бандеа доказывает, что это — результат искажения и непонимания истинной природы вирусов, и это непонимание поставило вирусы и вирусологию на периферию биологической науки. Для Бандеа наиболее интересной и полноценной является та стадия жизни вируса, когда он в клетке-носителе высвобождает свой геном и тот соединятся с геномом носителя. Именно тогда вирусные гены, протеины и контрольные последовательности выражаются наиболее полным образом в борьбе за создание потомства — новых вирусов. В этой стадии вирус преображается в некое молекулярное существо внутри клетки-носителя. По определению Бандеа, вирус становится «молекулярным организмом»[165]. В поддержку своей теории Бандеа предлагает эволюционную модель происхождения древних вирусов от одноклеточных паразитов, потерявших мембрану и клеточные структуры, чтоб иметь возможность существовать внутри клетки-носителя.

Мне нравятся те, кто смело предлагает новые идеи, — без них наука была бы обречена на стагнацию. Мне в особенности понравилась идея о принципиальной важности внутриклеточной стадии жизни вирусов. Хотя я считаю стадию существования вируса вне клетки тоже важной, несомненно, что вирус можно понять как форму жизни, лишь рассматривая его взаимодействие с носителем. Я написал Эккарту Уиммеру — вирусологу, воссоздавшему вирус полиомиелита из простейших химикалий и записавшему его химическую формулу, — о проблеме определение «живости» вируса, и Уиммер согласился с наличием двух разных стадий жизненного цикла вирусов. Первая стадия — «инертная фаза», когда вирус существует вне хозяина в виде частицы, и вторая — «фаза жизни», когда вирусы внутри клетки-носителя присоединяют свой геном к ее геному.

«Когда меня спрашивают, живые вирусы или нет, — написал мне он, — я отвечаю просто „да“— они и то, и другое».

Сходного мнения придерживается и французский вирусолог Жан-Мишель Клавери. Я согласен с ним в том, что старомодное отрицание «живости» вирусов и — что еще хуже — оставление за ними лишь роли молекулярно-биологических инструментов для исследования генома очень мало дают для понимания вирусов и их биологической роли. Цитирую Клавери: «После признания большинством биологов неживыми и отнесения на периферию биологии вирусы заслуженно вернули себе внимание. Возможно, они сыграли принципиально важную роль в развитии эукариотической клетки (то есть клетки с ядром, свойственной протистам, грибам, растениям и животным). Они могли быть причиной разделения организмов на три главных царства живого»[166].

Да, вирусы снова в центре внимания. Глубокий мыслитель Патрик Фортер, директор Отделения микробиологии Института Пастера в Париже, в серии блестящих статей доказывал: обилие и разнообразие вирусов, в особенности в море, указывают на важность вирусов для баланса биосферы. Патрик Фортер — один из немногих, способных объяснить нам, что же происходило в «мире РНК» — этот мир, как считают сейчас многие исследователи, существовал до «мира ДНК» клеточных форм жизни. Посредством структурного и генетического анализа Патрик Фортер объясняет эволюционный переход от одного мира к другому, осуществившийся при очень интенсивном взаимодействии конкурирующих молекул и вирусов, а также иллюстрирует вопрос существования последнего универсального общего предка[167]. В других статьях он обсуждает удивительные недавно открытые вирусы, включая гигантский вирус «Мими», паразитирующий на амебах. Геном этого вируса состоит более чем из тысячи генов. Вкупе с большим количеством белков, содержащихся в этом вирусе, он превышает размерами некоторые малые бактерии. А вирусы, поселяющиеся в странных микробных формах жизни, известных как «археи», странностью не уступают носителям. Как пишет Фортер, секвенирование генома поражающих археи вирусов обнаружило: значительная часть их генов (а иногда и все вообще) не встречается больше ни у какой формы жизни. На их примере мы в очередной раз убеждаемся: вирусы развились отнюдь не путем «хищения» генов у носителей. Как и Вильярреал, Фортер подтвердил: большинство вирусных генов, где бы они ни встречались в природе, свойственны именно вирусам — хотя есть все растущие доказательства в пользу того, что вирусы даже очень удаленных эволюционных ветвей интенсивно обменивались генами друг с другом в процессе эволюции.

Фортер также согласен с Вильярреалом в том, что вирусы развивались параллельно с носителями. При этом он представил весьма впечатляющую информацию о влиянии вирусов на развитие клеточных форм жизни — от бактерий до людей. Отталкиваясь от теории Фортера, можно сделать смелое предположение, что переход от мира РНК к миру ДНК произошел именно вследствие действия вирусов и процесс репликации ДНК, различный для трех разновидностей живого — археев, бактерий и ядерных клеток, — был определен именно разновидностями древних вирусов. Выходит, что мельчайшие из живых организмов — крошечные эволюционные сущности вирусы — могли сыграть столь великую созидательную роль в происхождении и разнообразии живого на Земле. Таким образом, в конце нашего путешествия открываются перспективы новых исследований и нового знания. Я считаю, что для понимания эволюционного процесса в природе необходимо сначала понять и узнать — в общем и в малых деталях — все возможности изменения живого организма. Только тогда мы окажемся способными судить, какой именно эволюционный механизм (либо сразу несколько) работает в данном конкретном случае. Этот взгляд не противоречит полученным ранее результатам и выводам. Скорее, опираясь на предыдущие взгляды и концепции, он развивает их и предлагает более широкое понимание всего спектра сил и возможностей изменения живого, изучаемого современной эволюционной биологией.

В этой книге я старался ясно обозначить, что эволюцию двигают именно те силы, которые формируют генетическую и эпигенетическую подоплеку заболеваний. Я попытался объяснить, как знание о различных механизмах геномной деятельности теоретически и практически применяется в медицине, помогая объяснить генетические и эпигенетические причины огромного числа человеческих заболеваний — равно как и заболеваний растений и животных.

Я пишу эти строки в надежде на скорое явление новой блестящей медицинской перспективы — подхода, основанного на понимании устройства человеческого генома и его происхождения с эволюционной точки зрения, на понимании роли вирусных частей этого генома, занимающих огромную его часть.

Я верю в явление такого подхода. Чтобы обозначить возможности его появления, я старался особо сконцентрироваться на болезнях, поражающих большинство из нас. Мы уже видели, как различные механизмы, помещаемые под общее определение «геномной креативности», дают широкое и отчетливое понимание механизмов геномной изменчивости. Благодаря этому пониманию врачи теперь могут изучать эти механизмы во взаимодействии и по отдельности и использовать полученное знание для исправления вызывающих болезни дефектов на самом глубинном уровне. К этому исследователи шли по меньшей мере два десятилетия, и лишь в последнее время прогресс ускорился благодаря распространению новых техник молекулярного анализа.

Конец путешествия все-таки означает возможность отойти в сторонку, присесть и поразмыслить спокойно над своими впечатлениями. Изредка в науке случается так, что единственная идея кардинально изменяет целую отрасль. Примеры: теория гравитации Ньютона, затем теория относительности Эйнштейна, ДНК-революция, произведенная открытием Уотсона и Крика, концепция естественного отбора, выдвинутая Дарвином столетием ранее. Последней пришлось эволюционировать в синтетическое учение, объединившее естественный отбор с генетикой Менделя и мутациями как источником передающихся по наследству изменений. Я считаю, что и этот синтез теперь нуждается в модификации.

В наше время биологи-эволюционисты признали важность дополнительных механизмов генетических изменений, различные факторы, объединенные мною под общим названием «геномной креативности» и способные производить мелкие и крупные наследуемые генетические и эпигенетические изменения. Помимо мутаций, остающихся во всеобщем мнении чрезвычайно мощным механизмом генетической изменчивости посредством ошибок в копировании генома при делении клеток, важную роль играют симбиогенез, гибридогенез и эпигенетическое наследование. Для упрощения понимания и запоминания я позволил себе составить таблицу различных механизмов геномной креативности, наглядно иллюстрирующую различия между механизмами наследственных изменений генома. Подчеркну еще раз очевидное: для работы естественного отбора необходимы механизмы внесения в геном изменений и передачи их по наследству. Но с другой стороны, без стабилизирующего эффекта естественного отбора силы геномной креативности привели бы к хаосу. И отбор, и механизмы изменений равно важны — одно без другого не может работать.

Зададимся же вопросом: как же в свете наших новых взглядов выглядит знаменитое дарвиновское эволюционное «древо жизни»?

В июле 1837 года Чарлз Дарвин завел «маленькую записную книжку в коричневом переплете», в которой записывал соображения по поводу «трансмутации» — о том, что мы сейчас понимаем под «эволюцией». Его заметки со временем стали основанием нынешней концепции эволюции, предлагая первое состоятельное объяснение возникновения жизни, ее последующего изменения и распространения от древнейших времен до нынешнего разнообразия. В той же книжке Дарвин набросал генеалогическую историю животных и растений, изобразив ее в виде могучего дуба. Окаменелости — остатки вымерших видов — его отпавшие ветки, а ствол — предполагаемый последний универсальный общий предок, первоисточник всей нынешней жизни. Это дерево было перерисовано и воспроизведено мириады раз — в книгах и статьях, в школьных классах и университетских аудиториях. Мы называем его «древо жизни». И возможно, именно вследствие наблюдений за силами, приведшими к созданию этого древа, за взаимоотношениями его ветвей мы и пришли к пониманию геномной креативности — в самом широком смысле этого термина.

С возникновением генетического секвенирования, примененного впервые к микробным формам жизни, генетики-эволюционисты обнаружили, что бактерии и археи не просто разделенные крупные ветви. По словам Грэхэма Лотона, написавшего обзорную заметку в «Нью сайнтист», бактерии и археи запросто обменивались генетическим материалом, так что «аккуратное деление на ветви быстро дегенерировало в непроходимую чащу родственных связей, причем многие виды оказывались в одних отношениях близкородственными, а в других — далекими»[168]. Гибридизация — важная эволюционная сила у растений, и сейчас все более растет убеждение в важности ее как эволюционной силы для животных, так что и здесь вместо ясного ветвления эволюционного древа наблюдается тенденция к превращению в непроходимую чащу. А если еще добавить влияние симбиогенеза, то мы обнаружим сросшиеся ветви, исходящие из очень далеко расположенных сучьев. Сейчас уже очевидно: биологи, а в особенности биологи-эволюционисты не должны игнорировать вирусы. И потому мы должны как-то отобразить симбиотические вирусы на древе жизни — возможно, как некое туманное роение, размывающее контуры корней, ствола, ветвей — и так до последнего листочка.

Возможно, нам следует изображать дарвиновское древо не кряжистым дубом, а, скорее, старейшим на Земле деревом — узловатой, древней, остистой сосной, напряженно борющейся за жизнь на голой скале. Это величественное, огромное дерево, его корни переплетены, они всевозможных форм и очертаний, их пронизывает мицелий вездесущих грибов. И, произрастая от такой сложной основы, стремятся вверх гротескно искаженные, деформированные ствол и ветви, с многажды обломанными в жестоких зимних бурях и сросшимися заново телами, с обнаженной золотистой сердцевиной, искривленной и бугристой, словно края водоворота, наводненной полчищем вирусов, проникших в ее самую суть, в непостижимую глубину, ставших неотъемлемой частью дерева. Но, несмотря на все это, древо жизни могуче и непобедимо, оно растет и развивается, и оно воистину полно жизнью.

Глоссарий

Аксон — отросток нервной клетки, по которому нервные импульсы идут от тела клетки (сомы) к иннервируемым органам и другим нервным клеткам.

Апоптоз — программируемая клеточная смерть, регулируемый процесс самоликвидации на клеточном уровне. Убирает ненужные клетки, но может происходить и вследствие болезни, приводя к гибели нормальных клеток.

Аутосома — любая хромосома, кроме половой.

Бактериофаг — вирус, паразитирующий на бактериях.

Видообразование — процесс возникновения новых биологических видов.

Гаструляция — сложный процесс морфогенетических изменений, сопровождающийся размножением, ростом, направленным перемещением и дифференцированием клеток, в результате чего образуются зародышевые листки (эктодерма, мезодерма и энтодерма) — источники зачатков тканей и органов. Второй после дробления этап онтогенеза. При гаструляции происходит перемещение клеточных масс с образованием из бластулы двухслойного или трехслойного зародыша — гаструлы.

Геном — все гены гаплоидного набора хромосом и каждого из внехромосомных генетических элементов, содержащиеся в отдельной клетке зародышевой линии многоклеточного организма. У вирусов геном могут составлять и РНК.

Геномная креативность — совокупность всех сил и механизмов, дающих начало наследственным изменениям формы жизни и создающих изменчивость — основу работы механизма естественного отбора.

Гибридизация — процесс образования или получения гибридов, в основе которого лежит объединение генетического материала разных клеток в одной клетке. Может осуществляться в пределах одного вида (внутривидовая гибридизация) и между разными систематическими группами (отдаленная гибридизация, при которой происходит объединение разных геномов).

Голобионт — партнерство в симбиотическом союзе.

Демиелинизация — разрушение миелинового слоя нервных волокон. Встречается при неврологических заболеваниях (например, при рассеянном склерозе).

Зигота — диплоидная (содержащая полный двойной набор хромосом) клетка, образующаяся в результате оплодотворения (слияния яйцеклетки и сперматозоида).

Интрон — участок ДНК, который является частью гена, но не содержит информации о последовательности аминокислот белка.

Кладистика — направление филогенетической систематики. Характерные особенности кладистической практики состоят в использовании так называемого кладистического анализа (строгой схемы аргументации при реконструкции родственных отношений между таксонами), строгом понимании монофилии (происхождения таксона от одного общего предка) и требовании взаимно однозначного соответствия между реконструированной филогенией и иерархической классификацией.

Комменсализм — способ совместного существования двух разных видов живых организмов, при которых одна популяция извлекает пользу от взаимодействия, а другая не получает ни пользы, ни вреда.

Лентивирусы — род вирусов семейства Retroviridae с длительным инкубационным периодом. Вирусы Вич-1 и ВИЧ-2 принадлежат к этому семейству.

Макрофаг — клетки в животном организме, способные к активному захвату и перевариванию бактерий, остатков погибших клеток и других чужеродных или токсичных для организма частиц.

Мейоз — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. При нем образуются половые клетки (гаметы), такие, как яйцеклетка и сперматозоид.

Метастаз — отдаленный вторичный очаг патологического процесса (злокачественной опухоли), возникший перемещением вызывающего его начала (опухолевых клеток, микроорганизмов) из первичного очага болезни через ткани организма.

Миелин — вещество, образующее оболочку нервных волокон.

Мимикрия — внешнее сходство одного животного (имитатора) с другим животным (моделью), развившееся в процессе естественного отбора и обычно предоставляющее определенные преимущества животному-имитатору.

Множественный (рассеянный) склероз — хроническое аутоиммунное заболевание, при котором поражается миелиновая оболочка нервных волокон головного и спинного мозга.

Мутуализм — взаимодействия между видами, приносящие обоюдную пользу.

Нуклеотиды — фосфорные эфиры нуклеозидов, нуклеозид-фосфаты. Свободные нуклеотиды играют важную роль в энергетических и информационных внутриклеточных процессах, а также являются составляющими частями нуклеиновых кислот и многих коферментов. В частности, из нуклеотидов состоят ДНК и РНК.

Обратная транскриптаза — см. ретровирусы.

Окислительное фосфорилирование — один из важнейших компонентов клеточного дыхания, приводящего к получению и накоплению энергии в виде АТФ. Субстратами окислительного фосфорилирования служат продукты расщепления органических соединений — белки, жиры и углеводы.

Онковирус — вирус, вызывающий рак.

Онкоген — ген, вызывающий рак.

Паразитизм — форма взаимоотношений между организмами различных видов, из которых один (паразит) использует другого (хозяина) в качестве среды обитания и источника питания, нанося ему вред.

Патогномоничный — термин применяется для описания симптома или признака, который характерен только для какого-либо одного конкретного заболевания и позволяет точно диагностировать его.

Плазмиды — дополнительные факторы наследственности, расположенные в клетках вне хромосом и представляющие собой кольцевые (замкнутые) или линейные молекулы ДНК.

Полиднавирусы — семейство из более чем двадцати тысяч вирусов, симбиотически существующих с осами-паразитами.

Полиплоидия — наличие у формы жизни более чем двух наборов хромосом.

Профаг — геном вируса-фага, инкорпорированный в геном бактерии-носителя.

Протеаза — энзим, разрушающий протеин.

Провирус — вирус, инкорпорированный в геном хозяина (см. профаг).

Рекомбинация — процесс обмена генетическим материалом путем разрыва и соединения разных молекул.

Рецессивное наследование — ситуация, когда индивидуум получает одинаковый рецессивный ген от каждого из родителей.

Ретровирусы — семейство РНК-содержащих вирусов, заражающих преимущественно позвоночных. Наиболее известный и активно изучаемый представитель — вирус иммунодефицита человека. После инфицирования клетки ретровирусом в цитоплазме начинается синтез вирусного ДНК-генома с использованием вирионной РНК в качестве матрицы. Все ретровирусы используют для репликации своего генома механизм обратной транскрипции: вирусный фермент обратная транскриптаза (или ревертаза) синтезирует одну нить ДНК на матрице вирусной РНК, а затем уже на матрице синтезированной нити ДНК достраивает вторую, комплементарную ей нить. Образуется двунитевая молекула ДНК, которая, проникнув через ядерную оболочку, интегрируется в хромосомную ДНК клетки и далее служит матрицей для синтеза молекул вирусных РНК. Эти РНК выходят из клеточного ядра и в цитоплазме клетки упаковываются в вирусные частицы, способные инфицировать новые клетки.

Симбионт — один из партнеров в симбиотическом сожительстве.

Симбиогенез — эволюционные изменения вследствие симбиоза.

Синцитин — протеин, кодируемый геном оболочки ретро-вируса, встроенным в геном человека (env-ретровирусом), и вызывающий слияние клеток у млекопитающих. Синцитин может быть вовлечен в развитие множественного склероза.

Системная красная волчанка (СКВ, болезнь Либмана-Сакса) — системное аутоиммунное заболевание, при котором вырабатываемые иммунной системой человека антитела повреждают ДНК здоровых клеток; преимущественно повреждается соединительная ткань с обязательным наличием сосудистого компонента. Название болезнь получила из-за своего характерного признака — сыпи на переносице и щеках (пораженный участок по форме напоминает бабочку), которая, как считали в Средневековье, напоминает места волчьих укусов.

Суперантигены — токсичные антигены, обычно производимые микробами, провоцирующие массированную иммунную реакцию, бесполезную физиологически и вредящую носителю.

Тетраплоидия — наличие четырех наборов хромосом в клетках организма.

Транспозоны — последовательности ДНК, способные случайным образом перемещаться внутри генома. Транспозоны — один из классов мобильных элементов генома, «прыгающие гены».

Трофобласт — наружный слой клеток плаценты, не дающий крови матери смешиваться с кровью зародыша.

Фенотип — совокупность всех доступных наблюдению признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития.

Фибробласты — клетки соединительной ткани организма, образующие коллагеновые волокна.

Хантавирус — представитель группы вирусов, поражающих крыс, мышей и полевок.

Хроматин — нуклеопротеид клеточного ядра, составляющий основу хромосом. Представляет собой переплетение тонких, при исследовании легко окрашивающихся нитей, образованных ДНК и различными белками.

Цитозин — одна из четырех аминокислот, составляющих ДНК.

Экссудат — мутная, богатая белком и клетками гематогенной и гистогенной природы жидкость, которая пропотевает из мелких кровеносных сосудов в месте воспаления.

Эндогенный — внутреннего происхождения, вызываемый внутренними причинами. Эндогенный ретровирус — это ретровирус, ставший частью генома своего носителя.

Эпигенетика — изучение устойчивых изменений в клетках, тканях, органах либо форме жизни в целом, происходящих вне зависимости от изменений в последовательностях ДНК.

Эукариотическая клетка — клетка с ядром (у растений, животных, грибов и протистов).

Эутерии — высшие звери, плацентарные млекопитающие, в противоположность метатериям (сумчатым) и протериям (яйцекладущим) млекопитающим.

Библиография

Статьи Фрэнка П. Райана:

1. Ryan F. Р. Human endogenous retroviruses in health and disease: a symbiotic perspective. Journal of the Royal Society of Medicine 2004; 97: 560–565.

2. Ryan F. P. Genomic creativity and natural selection: a modern synthesis. Biological Journal of the Linnean Society 2006; 88: 655–672.

3. Ryan F. P. Viruses as symbioses. Symbiosis 2007; 44:11–21.

4. Ryan F. P. Viruses in cyclical symbioses. The Self in Evolution, ed. Lynn Margulis (в печати).

5. Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 1: mutation and symbiogenesis. Journal of the Royal Society of Medicine 2009; 102: 272–277.

6. Ryan F. P. An alternative approach tomedical genetics based onmodern evolutionary biology. Part 2: retroviral symbiosis in embryology and normal physiology. Journal of the Royal Society of Medicine 2009; 102: 324–331.

7. Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 3: HERVs in miscellaneous and autoimmune diseases. Journal of the Royal Society of Medicine 2009; 102: 415–424.

8. Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 4: HERVs in cancer. Journal of the Royal Society of Medicine 2009; 102:474–480.

9. Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 5: epigenetics and genomic duplications. Journal of the Royal Society of Medicine 2009; 102: 531–537.

Общая библиография no теме:

1. Arnold M. L. Natural Hybridization and Evolution. Oxford: Oxford University Press, 1997.

2. Bronowski J. The Ascent of Man. London: British Broadcasting Corporation, 1973, reprinted 1974.

3. Gilbert S.F., Epel D. Ecological Developmental Biology. Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates Inc, 2009.

4. Jablonka E., Lamb M. J. Epigenetic Inheritance and Evolution: The Lamarckian Dimension. Oxford University Press, Oxford, 1995.

5. Jablonka E., Lamb M. J. Evolution in Four Dimensions. Cambridge, Massachusetts, and London: the MIT Press, 2005.

6. Margulis L. Symbiosis in Cell Evolution. New York: W. H. Freeman, 1981, reissued 1993.

7. Margulis L., Fester R. Symbiosis as a Source of Evolutionary Innovation. Oxford: Oxford University Press, Oxford, 1999.

8. Morse S. J. Emerging Viruses. Oxford: Oxford University Press, 1993.

9. Ohno S. Evolution by Gene Duplication. New York: Springer Verlag, 1970.

10. Ryan F. Tuberculosis: The Greatest Story Never Told. Bromsgrove: Swift Publishers, 1992.

11. Ryan F. Virus X. London: HarperCollins, UK, 1996.

12. Ryan F. Darwin’s Blind Spot. New York: Houghton Mifflin, 2002.

13. Sapp J. Evolution by Association: A History of Symbiosis. Oxford: Oxford, University Press, 1994.

14. Smith J. M, Szathmáry E. The Origins of Life. Oxford: Oxford University Press, 1999.

15. Thomas L. The Lives of a Cell. London and New York: Penguin Books 1978.

16. Thomas L. Late Night Thoughts on Listening to Mahler’s Ninth Symphony. London and New York: Penguin Books, 1980, reprinted 1983.

17. Villarreal L. P. Viruses and the Evolution of Life. Washington, DC: ASM Press 2005.

Примечания

1

Keeble F. Plant Animals: A Study in Symbiosis. Cambridge: Cambridge University Press, 1919.

(обратно)

2

Rumpho M.E, Worful J.M, Lee J., et al. Horizontal gene transfer of the algal gene psb0 to the photosynthetic sea slug Elysia chlorotica. Proceedings of the National Academy of Sciences 2008; 105 (46); 17 867-17871.

(обратно)

3

Ryan F. Virus X. London: HarperCollins, UK, 1996.

(обратно)

4

Wimmer E. The test-tube synthesis of a chemical called poliovirus. European Molecular Biology Reports 2006; 7: 53–59.

(обратно)

5

Judson H. F. The Eighth Day of Creation: Makers of the Revolution in Biology. London: Penguin Books, 1979.

(обратно)

6

Spencer H. Principles of Biology. London, Williams and Norgate, 1864.

(обратно)

7

A better way to treat cancer, Sikora K. Daily Telegraph 18 Sept 2006. /А-better-way-totreat-cancer.html

(обратно)

8

Vogelstein В., Kinzler K. W. Cancer genes and the pathways they control. Nature Medicine 2004; 10 (8): 789–799.

(обратно)

9

Sjöblom Т, Jones S., Wood L. D., et al. The consensus coding sequences of human breast and colorectal cancers. Science 2006; 314: 268–274.

(обратно)

10

.

(обратно)

11

Название этой главы — перефразированная цитата из нобелевской речи Дж. Ледерберга: «Земная жизнь — плотная цепь генетических взаимодействий».

(обратно)

12

Huxley L. Life and Letters of Thomas Henry Huxley. Vol I London: Macmillan & Co, 1900: 219.

(обратно)

13

Lederberg J. Cell genetics and hereditary symbiosis. Physiological Review, 1952; 32: 403–430.

(обратно)

14

Sapp J. Evolution by Association: A History of Symbiosis. Oxford: Oxford, University Press, 1994.

(обратно)

15

De Вагу Н. A. Die Erscheinung der Symbiose (1879).

(обратно)

16

Константин Сергеевич Мережковский (1855–1921) — ботаник, зоолог, философ, писатель. Брат писателя и общественного деятеля Д. С. Мережковского. — Прим. ред.

(обратно)

17

Margulis L., Fester R. Symbiosis as a Source of Evolutionary Innovation. Oxford Oxford University Press, Oxford, 1999. См. также: Smith J. M., Szathmáry E. The Origins of Life. Oxford: Oxford University Press, 1999.

(обратно)

18

Ryan F. Darwin’s Blind Spot. New York: Houghton Mifflin, 2002.

(обратно)

19

Shilts R. And the Band Played On. London: Penguin Books, 1987.

(обратно)

20

Essex М., Kanki P. J. The origins of the AIDS vims. Scientific American, October 1988: 256: 64–71.

(обратно)

21

Polesz B. J., Ruscetti F. W., et al. Detection and isolation of type-C retrovirus particles from fresh and cultured lymphocytes of a patient with cutaneous T-cell lymphoma. Proceedings of the National Academy of Sciences, 1980; 77: 7415–9. See also, Gallo R. The discovery of the first human retrovirus: HTLV-1 and HTLV-2. Retrovirology 2005; 2:17–24.

(обратно)

22

В книге «Virus X» я описал увлекательную историю открытия вируса ВИЧ-1 в январе 1983 года Люком Монтанье из Пастеровского института в Париже.

(обратно)

23

Kanki P. J., McLane М. F., et al. Serologic identification and characterization of a macaque T-lymphotropic retrovirus closely related to HTLV–III. Science 1985; 228: 1199–1201.

(обратно)

24

Whitfield J. В. Parasitoids, polydnaviruses and endosymbiosis. Parasitology 1990; 6: 381–384. Whitfield J. B. Estimating the age of the polydnavirus / braconid wasp symbiosis. Proceedings of the National Academy of Sciences 2002; 99: 7508–13.

(обратно)

25

De Groot N., Otting N., et al. Evidence for an ancient selective sweep in the МНС class I gene repertoire of chimpanzees. Proceedings of the National Academy of Sciences 2002; 99:11 748-53. Gagneux P., Wills C., Gerloff U., et al. Mitochondrial sequences show diverse evolutionary histories of African hominoids. Proceedings of the National Academy of Sciences 1999; 96: 5077–82. Zhao Z., Jin L., Fu Y.-X., et al. Worldwide DNA sequence variation in a 10-kilobase noncoding region on human chromosome 22. Proceedings of the National Academy of Sciences 2000; 97: 11 354-8. Vogel T. U., Evans D. T., Urvater J. E., et al. Major histocompatibility complex Class 1 genes in primates: co-evolution with pathogens. Immunological Reviews 1999; 167: 327–337.

(обратно)

26

Экспрессия гена — процесс, в ходе которого наследственная информация от гена преобразуется в РНК или белок. — Прим. ред.

(обратно)

27

Из моего интервью с профессором Луисом Вильярреалом, 2002.

(обратно)

28

Gilbert S. F.. Developmental Biology, seventh edition. Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates Inc, 2003:130.

(обратно)

29

Hanger J. J., Bromham L. D., McKee J. J., et al. The nucleotide sequence of koala (Phascolarctos cinereus) retrovirus: a novel type c endogenous virus related to gibbon ape leukemia virus. J. Virol. 2000; 74 (9): 4264–72.

(обратно)

30

Martin J., Hemiou E., Cook J., et al. Interclass transmission and phyletic host tracking in murine leukemia virus-related retroviruses. J. Virol. 1999;73 (3): 2442–9.

(обратно)

31

Tarlinton R., Meers J., Young P. R. Retroviral invasion of the koala genome. Nature 2006; 442: 79–81; Tarlinton R., Meers J., Young P. Biology and evolution of the endogenous koala retrovirus. Cellular and Molecular Life Sciences, 2008. Online at doi 10.1007/s00 018–008–8499-y.

(обратно)

32

Katzourakis A., Tristem М., Pybus O. G., Gifford R. J. Discovery and analysis of the first endogenous retrovirus. Proceedings of the National Academy of Sciences 2007; 104 (15): 6261–5.

(обратно)

33

Gifford R. J., Katzourakis A., Tristem M., et al. A transitional endogenous lentivirus from the genome of a basal primate and implications for lentivirus evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 2008; 105 (51): 20 362-7.

(обратно)

34

Здесь: способность длительно сохранять свои свойства в окружающей среде. — Прим. ред.

(обратно)

35

Ryan F. Darwin’s Blind Spot. New York: Houghton Mifflin, 2002.

(обратно)

36

Villarreal L. P. Viruses and the Evolution of Life. Washington, DC: ASM Press 2005.

(обратно)

37

Thomas L. The Lives of a Cell. London: Penguin Books, 1974: 4.

(обратно)

38

Перевод А. Эфроса. — Прим. ред.

(обратно)

39

.

(обратно)

40

Расе II J.K., Feschotte C. The evolutionary history of human DNA transposons: evidence for intense activity in the primate lineage. Genome Research 2007; 17: 422–432.

(обратно)

41

Villarreal L. The source of self: genetic parasites and the origin of adaptive immunity. Annals of the New York Academy of Sciences (in press).

(обратно)

42

Weiss R. A. The discovery of endogenous retroviruses. Retrovirology 2006; 3:67 Online at doi: 10.1186/1742–4690-3–67.

(обратно)

43

Harris J. R. Placental endogenous retrovirus (ERV): structural, functional and evolutionary significance. Bioessays 1998; 20: 307–316.

(обратно)

44

Martin M. A., Bryan T., Rasheed S., Khan A. S. Identification and cloning of endogenous retroviral sequences present in human DNA. Proceedings of the National Academy of Sciences 1981; 78 (8): 4892–6. Cohen M., Rein A., Stephens R. M., et al. Baboon endogenous virus genome: molecular cloning and structural characterisation of nondefective viral genomes from DNA of a baboon cell strain. Proceedings of the National Academy of Sciences 1981; 78 (8): 5207–11.

(обратно)

45

O’Connell C., O’Brien S., Nash W. G., Cohen M. ERV3, a full-length human endogenous provirus: chromosomal localization and evolutionary relationships. Virology 1984; 138: 225–235.

(обратно)

46

Ono M. Molecular cloning and long terminal repeat sequences of human endogenous retrovirus genes related to types A and В retrovirus genes. Journal of Virology 1986; 58 (3): 937–944.

(обратно)

47

Britten R. J. DNA sequence insertion and evolutionary variation in gene regulation. Proceedings of the National Academy of Sciences 1996; 93: 9374–7.

(обратно)

48

O’Neill R.J.W., Eldredge М. D. В., Graves J. А. М. Chromosome heterozygosity and de novo chromosome rearrangements in mammalian interspecies hybrids. Mammalian Genome 2001; 12: 256–259.

(обратно)

49

Sverdlov E. D. Retroviruses and human evolution. Bio Essays 2000; 22: 161–171.

(обратно)

50

Hughes J. F.,Coffin J. M. Human endogenous retrovirus К solo-LTR formation and insertional polymorphisms: implications for human and viral evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 2004; 101: 1668–72.

(обратно)

51

Mi S., Lee X., Li X., et al. Syncytin is a captive retroviral envelope protein involved in human placental morphogenesis. Nature 2000; 403: 785–9.

(обратно)

52

Blond J.-L., Lavillette D., Cheynet V., et al. An envelope glycoprotein of the human endogenous retrovirus HERV-W is expressed in the human placenta and fuses cells expressing the type D mammalian retrovirus receptor. Journal of Virology 2000; 74: 3321–9.

(обратно)

53

Blaise S., de Parseval N., Bénit L., Heidmann T. Genomewide screening for fusogenic human endogenous retrovirus envelopes identifies syncytin 2, a gene conserved on primate evolution. Proceedings of the National Academy of Sciences 2003; 100:13 013-8.

(обратно)

54

Bonnaud B., Bouton О., Oriol G., et al. Evidence of selection on the domesticated ERVWE1 env retroviral element involved in placentation. Molecular Biology and Evolution 2004; 21:1895–901.

(обратно)

55

Andersson A.-C., Merza M., Venables P., et al. Elevated levels of the endogenous retrovirus ERV3 in human sebaceous glands. Journal of Investigative Dermatology 1996; 106: 125–128.

(обратно)

56

Andersson A.-C., Venables P., Tonjes R. R., et al. Developmental expression of HERV-R (ERV-3) and HERV-K in human tissue. Virology 2002; 297: 220–225.

(обратно)

57

De Parseval N., Lazar V., Casella J.-F., et al. Survey of human genes of retroviral origin: identification and transcriptome of the genes with coding capacity for complete envelope proteins. Journal of Virology 2003: 77 (19): 10 414-22.

(обратно)

58

Nekrutenko A., Li W.-H. Transposable elements are found in a large number of human protein-coding genes. Trends in Genetics 2001; 17(11): 619–621.

(обратно)

59

Van Lagemaat L.N., Landre J.-R., Mager D.L., Medstrand P. Transposable elements in mammals promote regulated variations in diversifications of genes with specialized functions. Trends in Genetics 2003; 19 (10): 530–6.

(обратно)

60

Seifarth W.,Frank O., Zeilfelder U., et al. Comprehensive analysis of human endogenous retrovirus transcriptional activity inhuman tissues with a retrovirus-specific microarray. Journal of Virology 2005; 79: 341–52.

(обратно)

61

Flockerzi A., Ruggieri A., Frank О., et al. Expression patterns of transcribed human endogenous retrovirus HERV-K (HML-2) loci in human tissues and the need for a HERV transcriptome project. BMC Genomics 2008; 9: 354. Online at doi:10.1186/ 1471–2164-9–354.

(обратно)

62

Thomas L. The Lives of a Cell. London and New York: Penguin Books 1978.

(обратно)

63

Bosch Е., Jobling M.A. Duplications of the AZFa region of the humanY chromosome are mediated by homologous recombination between HERVs and are compatible with male fertility. Human Molecular Genetics 2003; 12 (3): 341–347.

(обратно)

64

Zody M.C., Garber M., Adams D. J., et al. DNA sequence of human chromosome 17 and analysis of rearrangement in the human lineage. Nature 2006; 440: 1045–9.

(обратно)

65

Kazazian H.H., Wong С., Youssoufian H., et al. Haemophilia A resulting from de novo insertion of LI sequences represents a novel mechanism for mutation in man. Nature 1988; 332: 164–166. Narita N., Nishio H., Kitoh Y., et al. Insertion of a 5’ truncated L1 element into the 3’ end of exon 44 in the dystrophin gene resulted in skip of the exon during splicing in a case of Duchenne muscular dystrophy. Journal of Clinical Investigation 1993; 91 (5): 1862–7. Holmes S. E., Dombroski B.A., Krebs C., et al. A new retrotransposable human L1 element from the LRE2 locus on chromosome 1q produces a chimaeric insertion. Nature Genetics 1994; 7: 143–148.

(обратно)

66

Batzer MA, Deininger PL. Alu repeats and human genomic diversity. Nature Reviews Genetics 2002; 3: 370–380. Sukarova E, Dimovski AJ, Tchacarova P., etal. An alu insert as the cause of a severe form of hemophilia A. Acta haematologica 2001; 106 (3): 126–129.

(обратно)

67

Перевод Б. Пастернака. — Прим. ред.

(обратно)

68

Ужас самоотравления (англ.).

(обратно)

69

Krieg A.M., Steinberg A. D. Retroviruses and autoimmunity. Journal of Autoimmunity 1990; 3: 137–166.

(обратно)

70

Villarreal L. The source of self: genetic parasites and the origin of adaptive immunity. Annals of the New York Academy of Sciences (in press).

(обратно)

71

Dawkins R., Leelayuwat C., Gaudieri S., et al. Genomics of the major histocompatibility complex: haplotypes, duplication, retroviruses and disease. Immunological Reviews 1999; 167: 275–304.

(обратно)

72

Perron H., Jouvin-Marche E., Ounanian-Paraz A., et al. Multiple sclerosis retrovirus particles and recombinant envelope trigger an abnormal immune response in vitro, by inducing polyclonal V 16-T-lymphocyte activation. Virology 2001; 287: 321–332.

(обратно)

73

Dolei A., Serra С., Mameli G., et al. Multiple sclerosis-associated retrovirus (MSRV) in Sardinian MS patients. Neurology 2002; 58: 471–473.

(обратно)

74

Anthony J. М., van Marie G., Opii W., et al. Human endogenous retrovirus glycoprotein-mediated induction of redox reactants causes oligodendrocyte death and demyelination. Nature Neuroscience 2004; 7 (10): 1088–95.

(обратно)

75

Секвенирование — определение последовательности нуклеотидов в гене. — Прим. ред.

(обратно)

76

Yasumoto K., Horiuchi T., Kagami S., et al. Mutation of DNASE1 in people with systemic lupus erythematosus. Nature Genetics 2001; 28: 313–314.

(обратно)

77

Sekigawa l., Ogasawara H., Naito T., et al. Systemic lupus erythematosus and human endogenous retroviruses. Modern Rheumatology 2003; 13:107–113.

(обратно)

78

Stetson D.B., Ko J.S., Heidmann T., et al. Trex 1 prevents cellintrinsic initiation of autoimmunity. Cell 2008; 134: 587–598.

(обратно)

79

Weiss R. А. Retroviruses and cancer. Current Science 2001; 81 (5): 528–534.

(обратно)

80

.

(обратно)

81

Dunlap К. А., Palmarini M., Varela М., et al. Endogenous retroviruses regulate periimplantation placental growth and differentiation. Proceedings of the National Academy of Sciences 2006; 103 (39): 14 390-5.

(обратно)

82

Cousens C., Bishop J.V., Philbey A.W., et al. Analysis of Integration sites of Jaagsietke sheep retrovirus in ovine pulmonary adenocarcinoma. Journal of Virology 2004; 78 (16): 8506–12.

(обратно)

83

Более подробное описание этих исследований и обсуждение результатов можно найти в работе Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 4: HERVs in cancer. Journal of the Royal Society of Medicine 2009: (in press).

(обратно)

84

Guasch G., Popovici C., Mugneret F., et al. Endogenous retroviral sequence is fused to FGFR1 kinase in the 8p 12 stemcell myeloproliferative disorder with t (8; 19) (pl2; q13.3). Blood 2003; 101 (1): 286–288.

(обратно)

85

Schulte A. M., Shoupeng L., Kurtz A., et al. Human trophoblast and choriocarcinoma expression of the growth factor pleiotrophin attributable to germ line insertion of an endogenous retrovirus. Proceedings of the National Academy of Sciences 1996; 93: 14 759-64.

(обратно)

86

Более подробное описание этих исследований и дальнейшие ссылки можно найти в работе: Ryan F. P. An alternative approach to medical genetics based on modem evolutionary biology. Part 4: HERVs in cancer. Journal of the Royal Society of Medicine 2009: (in press).

(обратно)

87

Ruprecht K., Mayer J., Sauter М., et al. Endogenous retroviruses and cancer. Cellular and Molecular Life Sciences, 2008; 65: 3366–82.

(обратно)

88

Montagna M., Santacatterina M., Torri A., et al. Identification of a 3kb Alu-mediated BRCA1 gene rearrangement in two breast/ovarian cancer families. Oncogene 1999; 18 (28): 4160–5.

(обратно)

89

O’Neil J., Tchinda J., Gutierrez A., et al. Alu elements mediate MYB gene tandem duplication in human T-ALL. Journal of Experimental Medicine 2007; 204 (13): 3059–66.

(обратно)

90

Fukuuchi A., Nagamura Y., Yaguchi H., et al. A wholeMEN1 gene deletion flanked by Alu repeats in a family with multiple endocrine neoplasia type 1. Japanese Journal of Clinical Oncology 2006; 36 (11): 739–744.

(обратно)

91

Более подробное описание этих исследований и дальнейшие ссылки можно найти в работе: Ryan F.P. An alternative approach to medical genetics based on modem evolutionary biology. Part 4: HERVs in cancer. Journal of the Royal Society of Medicine 2009: (in press).

(обратно)

92

Serafïno A., Balestrieri E., Pierimarchi P., et al. The activation of human endogenous retrovirus К (HERV-K) is implicated in melanoma cell malignant transformation. Experimental Cell Research 2009; 315: 849–862.

(обратно)

93

Smith С.Н. The Alfred Russel Wallace Page.

(обратно)

94

Gardiner B., Milner R., Morris M. (eds). Wallace defends Darwin’s Priority — 50 years on. In Survival of the Fittest: Celebrating the 150th anniversary of the Darwin-Wallace Theory of Evolution. The Linnean Society Special Issue № 9 2008: 47.

(обратно)

95

Roossinck M. J. Symbiosis versus competition in plant evolution. Nature Reviews Microbiology 2005; 3: 917–924.

(обратно)

96

Márquez L.M., Redman R. S., Rodriguez R. J., Roossinck M.J. A virus in a fungus in a plant: three-way symbiosis required for thermal tolerance. Science 2007; 315: 513–515.

(обратно)

97

Villarreal L.P. Viral persistence and symbiosis: are they related? Symbiosis 2007; 43:1–9. Ryan F.P. Viruses as symbionts. Symbiosis 2007; 44: 11–21.

(обратно)

98

Ryan F. Р. Genomic creativity and natural selection: a modern synthesis. Biological Journal of the Linnean Society 2006; 88: 655–672

(обратно)

99

Feder M.E. Evolvability of physiological and biochemical traits: evolutionary mechanisms including and beyond singlenucleotide mutation. Journal of Experimental Biology 2007; 210:1653–60.

(обратно)

100

Ryan F. Genomic creativity and natural selection: a modern synthesis. Biological Journal of the Linnean Society 2006; 88: 655–672.

(обратно)

101

Muller H. J. Why polyploidy is rarer in animals than in plants. American Naturalist 1925; 59; 346–353.

(обратно)

102

Rieseberg L.H. Homoploid reticulate evolution in Helianthus: evidence from ribosomal genes. American Journal of Botany 1991; 78:1218–37.

(обратно)

103

Rieseberg L. H., Raymond O., Rosenthal D.M., et al. Major ecological transitions in annual sunflowers facilitated by hybridisation. Science 2003; 301: 1211–1216.

(обратно)

104

Ananthaswamy A. Hybrids survival in the desert. New Scientist 2003,16 August: 12–13.

(обратно)

105

Soltis D.E., Soltis P. S. Polyploidy: recurrent formation and genome evolution. TREE 1999; 14: 348–352.

(обратно)

106

Arnold M. L. Natural Hybridisation and Evolution. Oxford: Oxford University Press 1997: 7. См. также, Martinson G. D., Whitham T.G., Rurek R. J., Keim P. Hybrid populations selectively filter gene introgression between species. Evolution 2001; 55: 1325–1335.

(обратно)

107

Аллели — различные формы одного и того же гена, определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака. — Прим. ред.

(обратно)

108

Mavárez J., Salazar С. А, Bermingham E., Salcedo С., Jiggins C.D. Speciation by hybridization in Helioconius butterflies. Nature 2006;441: 868–71.

(обратно)

109

Gompert Z., Fordyce J.A., Forister M.L., et al. Homoploid hybrid speciation in an extreme habitat. Science 2006; 314: 1923–5.

(обратно)

110

Mable В.К., Bogart J. Р. Hybridization between tetraploid and diploid species of tree frogs (genus Hyla). Journal of Heredity 1995; 86: 432–440.

(обратно)

111

Mable В.К., Bogart J. Р. Call analysis of triploid hybrids resulting from diploid-tetraploid species crosses of hylid tree frogs. Bioacoustics 1991; 3:111–119.

(обратно)

112

Cornai L. The advantages and disadvantages of being polyploid. Nature Reviews Genetics 2005; 6: 836–846.

(обратно)

113

Gallardo M.H., Bickham J.W., Honeycutt R. L., et al. Discovery of tetraploidy in a mammal. Nature 1999; 401: 341.

(обратно)

114

Gallardo M.H., Kirsch J.W. A. Molecular relationships among Octodontidae (Mam malia: Rodentia: Cav iomorpha). Journal of Mammalian Evolution 2001; 8: 73–89.

(обратно)

115

Gallardo M.H., Kausel G., Jiménez A., et al. Whole-genome duplications in South American desert rodents (Octodontidae). Biological Journal of the Linnean Society 2004; 82: 443–451.

(обратно)

116

Название этой главы взято из статьи Spring J. Hypothesis. Vertebrate evolution by interspecific hybridisation — are we polyploid? Federation of European Biochemical Sciences Letters 1997; 400: 2–8

(обратно)

117

Ohno S. Evolution by Gene Duplication. New York: Springer Verlag, 1970.

(обратно)

118

Patterson N., Richter D. J., Gnerre S., et al. Genetic evidence for complex speciation of humans and chimpanzees. Nature 2006;441:1103–8.

(обратно)

119

Our human history. New York Times 22 May 2006, Editorial.

(обратно)

120

Detwiller K. M., Burrell A.S., Jolly C.J. Conservation implications of hybridization in African primates. American Society of Primatologists Conference 2003, abstract #127.

(обратно)

121

Whitfield J. Lovers, not fighters? New genetic signs that modern humans mated with Homo erectus. Scientific American March 2008; 21.

(обратно)

122

Saey T. Н. First rough draft of Neanderthal genome released. Science News Web Edition 12 February 2009.

(обратно)

123

Ferrier D.E.K., Minguillón C. Evolution of the Hox / ParaHox gene clusters. International Journal of Developmental Biology 2003; 47: 605–611.

(обратно)

124

Gibson T. J., Spring J. Evolution of sequences, structures and genomes. Biochemical Society Transactions 2000; 28 (2): 259–264.

(обратно)

125

Brooke N. M., Garcia-Fernandez J., Holland P. W. H. The ParaHox gene cluster is an evolutionary sister of the Hox gene cluster. Nature 1998; 392: 920–922. See also, Pebusque M.J., Coulier F., Birnhaum D., Pontarotti P. Ancient large-scale genome duplications: phylogenetic and linkage analyses shed light on chordate genome evolution. Molecular Biology and Evolution 1998; 15: 1145–59.

(обратно)

126

McLysaght A., Hokamp K., Wolfe К. H. Extensive genomic duplication during early chordate evolution. Nature Genetics 2002; 2: 128–129.

(обратно)

127

Более подробное описание этих исследований и дальнейшие ссылки можно найти в работе: Ryan F.P. An alternative approach to medical genetics based on modern evolutionary biology. Part 5: epigenetics and genomic duplications. Journal of the Royal Society of Medicine 2009: (in press).

(обратно)

128

Check E. Mix and match: the hunt for what makes us human. Nature «News» 2006; 443: 8.

(обратно)

129

Holmes В. Magic Numbers. New Scientist 8 April 2006: 38–41.

(обратно)

130

Bernaud R., Boyer A., Nègre., et al. Prenatal detection of the 17p11.2 duplication in Charcot-Marie-Tooth disease type 1A: necessity of a multidisciplinary approach for heterogeneous disorders. European Journal of Human Genetics 2002; 10: 297–302.

(обратно)

131

Lucito R., Healy J., Alexander J., et al. Large scale copy number polymorphisms in the human genome. Science 305: 525–528.

(обратно)

132

Redon R., Ishikawa S., Fitch K. R. Global variation in copy number in the human genome. Nature 2006; 444: 444–456.

(обратно)

133

Baird P. А.Reducing birth defects in populations. Centre for Health Services and Policy Research, The University of British Columbia, January 1999. HPRU 99: 4D. -04D.pdf.

(обратно)

134

Yamamoto А., Lucas J.J., Hen R. Reversal of neuropathology and motor dysfunction in a conditional model of Huntington’s disease. Cell 2000: 101: 57–66.

(обратно)

135

PubMed — англоязычная текстовая база данных медицинских и биологических публикаций, созданная Национальным центром биотехнологической информации (NCBI) США на основе раздела «биотехнология» Национальной медицинской библиотеки США. — Прим. ред.

(обратно)

136

Weissmann G. Fashions in science: from philosophers’ camp to epigenetics. The Federation of American Societies for Experimental Biology (FASB) Journal 2008; 22: 4033–7.

(обратно)

137

Телеология — философское учение о целесообразности бытия, оперирующее наличием разумной воли Творца или внутренней силы, потенциально заключающей в себе цель и окончательный результат. — Прим. ред.

(обратно)

138

Stern C.D. Conrad H. Waddington’s contributions to avian and mammalian development, 1930–1940. International Journal of Developmental Biology, 2000; 44: 15–23.

(обратно)

139

Уоддингтон ввел термин «эпигенетический» в своей книге «An introduction to Modem Genetics». London: Allen & Unwin, 1939: 154–156.

(обратно)

140

Spadafora C. A reverse transcriptase-dependent mechanism plays central roles in fundamental biological processes. Systems Biology in Reproductive Medicine 2008; 54: 11–21.

(обратно)

141

Nanney D.L. Epigenetic control systems. Proceedings of the National Academy of Sciences 1958; 44; 712–717.

(обратно)

142

Lyon M. F. Gene action in the X-chromosome of the Mouse (Mus musculus L). Nature 1961; 190: 372–373.

(обратно)

143

Holliday R., Pugh J. Е. DNA modification mechanisms and gene activity during development. Science 1975; 187: 226–232.

(обратно)

144

Riggs A. D. X inactivation, differentiation and DNA methylation. Cytogenetics and Cell Genetics 1975; 14: 9–25.

(обратно)

145

Sagar R., Kitchin R. Selective silencing of eukaryotic gene expression. Science 1975; 189: 426–433.

(обратно)

146

Holliday R. The inheritance of epigenetic defects. Science 1987; 238:163–170.

(обратно)

147

Jablonka E., Lamb M. J. The inheritance of acquired epigenetic variations. Journal of Theoretical Biology 1989; 139: 69–83.

(обратно)

148

Maynard Smith J. Models of a dual inheritance system. Journal of Theoretical Biology 1990; 143: 41–53.

(обратно)

149

Jablonka E., Lachmann M., Lamb M.J. Evidence, mechanisms and models for the inheritance of acquire characteristics. Journal of Theoretical Biology 1992; 158: 245–68.

(обратно)

150

Smith J.M, Szathmáry E. The Origins of Life. Oxford: Oxford University Press, 1999.

(обратно)

151

Jablonka E., Lamb M.J. Epigenetic Inheritance and Evolution: The Lamarckian Dimension. Oxford University Press, Oxford, 1995.

(обратно)

152

Jablonka E., Lamb M. J. Evolution in Four Dimensions. Cambridge, Massachusetts, and London: the MIT Press, 2005.

(обратно)

153

Jablonka E., Raz G. Transgenerational epigenetic inheritance: prevalence, mechanisms, and implications for the study of heredity and evolution. In press, The Quarterly Review of Biology 2009; 84 (2): 31–176.

(обратно)

154

Gilberts. F., Epel D. Ecological Developmental Biology. Sunderland, Massachusetts: Sinauer Associates Inc, 2009: 8.

(обратно)

155

Grant-Downton R.T., Dickinson H. G. Epigenetics and its implications for plant biology. 1. The epigenetic network in plants. Annals of Botany 2005; 96: 1143–64. Grant-Downton R. T., Dickinson H. G. Epigenetics and its implications for plant biology. 2. The «epigenetic epiphany»: epigenetics, evolution and beyond. Annals of Botany 2006; 97: 11–27.

(обратно)

156

Wilson A. G. Epigenetic regulation of gene expression in the inflammatory response and relevance to common diseases. Journal of Periodontology 2008; 79: 1514–9.

(обратно)

157

Godwin J., Luckenbach J.A., Borski R.J. Ecology meets endocrinology: environmental sex determination in fishes. Evolutionary Development 2003; 5 (1): 40–49.

(обратно)

158

Gluckman P.D., Hanson М. А., et al. Effect of the in utero and early life conditions on adult health and disease. New England Journal of Medicine 2008; 359: 61–73.

(обратно)

159

Pugh J.E., Holliday R. Do chemical carcinogens act by altering epigenetic controls through DNA repair rather than by mutations? Heredity 1978; 40: 329.

(обратно)

160

Holliday R. A new theory of carcinogenesis. British Journal of Cancer 1979; 40: 513–522.

(обратно)

161

Holliday R. DNA methylation and epigenotypes. Biochemistry (Moscow) 2005; 70 (5): 500–504. (русскоязычное издание Биохимия 2005; 70 (5): 612–617.

(обратно)

162

Fraga M., Esteller M. Epigenetics and aging: the targets and the marks. Trends in Genetics 2007; 23 (8): 413–418.

(обратно)

163

Fraga M. F., Ballestar E., Paz M.F., et al. Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proceedings of the National Academy of Sciences 2005; 102 (30): 10 604-9.

(обратно)

164

Harper S. Q.S., Taber P.D., Не Х., et al. RNA interference improves motor and neuropathological abnormalities in a Huntington’s disease mouse model. Proceedings of the National Academy of Sciences 2005; 102 (16): 5820–5.

(обратно)

165

Bandea C.I. A new theory on the origin and nature of viruses. Journal of Theoretical Biology 1983; 105: 591–602. Bandea С. I. The origin and evolution of viruses as molecular organisms (new paper under submission).

(обратно)

166

Claverie J.-M. Viruses take center stage in cellular evolution Genome Biology 2006: 7 (6). doi:10.1186/gb-2006–7–6–110.

(обратно)

167

Forterre P. The two ages of the RNA world, and the transition to the DNA world: a story of viruses and cells. Biochemie 2005; 87: 793–803. Forterre P. Three RNA cells for ribosomal lineages and three DNA viruses to replicate their genomes: a hypothesis for the origin of cellular domain. Proceedings of the National Academy of Sciences 2006; 103 (10): 3669–74. Forterre P., Prangishvili D. The great billion-year war between ribosome — and capsid — encoding organisms (cells and viruses) as the major source of evolutionary novelties. Proceedings of the National Academy of Sciences (in press).

(обратно)

168

Lawton G. Uprooting Darwin’s tree. New Scientist 24 January 2009: 34–39.

(обратно)

Оглавление

Благодарности

Введение. Ветер перемен

1. Загадка из мира заразных болезней

2. Кризис современного дарвинизма

3. Генетическая сеть жизни [11]

4. Пространство СПИДа

5. Парадоксы человеческого генома

6. Как вирусы помогли нам стать людьми

7. Выводы для медицины

8. Аутоиммунные заболевания

9. Рак

10. Шире и глубже

11. Пол и эволюционное древо

12. Полиплоиды ли мы?[116]

13. Гений, управляющий генами

14. Приближающаяся революция

15. В конце пути

Глоссарий

Библиография Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg