«Вирусы: Скорее друзья, чем враги»

Вирусы: Скорее друзья, чем враги (fb2) - Вирусы: Скорее друзья, чем враги (пер. М. Веселкова) 5504K скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Карин Мёллинг

Карин Мёллинг Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Переводчик М. Веселкова

Научные редакторы А. Мацкевич, М. Сайфуллин

Редактор И. Тулина

Главный редактор С. Турко

Руководитель проекта А. Василенко

Корректоры Е. Аксёнова, О. Улантикова

Компьютерная верстка К. Свищёв

Художественное оформление и макет Ю. Буга

© 2017 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

Russian translation arranged with World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина Паблишер», 2018

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Предисловие

Мы стоим на плечах гигантов. Находясь среди гигантов, я за несколько десятилетий познакомилась с выдающимися учеными своего времени, слушала, наблюдала – часто с обожанием и уважением, а иногда вносила в общее дело свой посильный вклад. Исходя из этого и в определенной степени в противовес всему, что я видела, эта книга была задумана как «антивирусная». Мы привыкли считать, что вирусы – опасные и ужасные создания, которые несут в себе разрушение, угрозу – в общем, совершенно отвратительны. Тем не менее они – часть нашей жизни, окружающей нас среды, развития жизни на Земле и процесса эволюции. Они – часть наших генов! Положительные качества микроорганизмов и вирусов почти всегда остаются без внимания, а они заслуживают большего уважения, чем обычно удостаиваются. Читатели этой книги неожиданно для себя откроют совсем иной мир вирусов, и я надеюсь, что наше путешествие в этот мир окажется увлекательным, а не зловещим, не очень научным и ненапряженным, порой провокативным, современным с точки зрения науки, а иногда и футуристичным.

Каждый читатель найдет в этой книге что-нибудь удивительное для себя о вирусах: где на нашей планете они проявляют активность – в океанах, в садах и на деревьях, на кожных покровах и внутри организма, включая кишечник, головной мозг и репродуктивную систему. Вирусы влияют на наше здоровье, душу, чувство страха или бесстрашие, депрессивное состояние, ощущение свободы, способность принимать решения и, как пример, на ожирение. Представьте себе: ВИЧ-подобные вирусы давным-давно сделали откладывание яиц ненужной функцией для человека. Я надеюсь, что все, о чем я написала в книге, не единожды вызовет у вас живой интерес, а мне точно так же было очень интересно создавать эту книгу.

Более 40 лет я изучаю болезнетворные вирусы и читаю лекции о них – правда, это не является основной темой моей книги, – поэтому я знаю о ВИЧ/СПИДе, но при этом считаю, что в возникновении большинства вирусных заболеваний виноваты мы сами – все дело в нищете, антисанитарии, мобильности и наших привычках.

Читатель совершит путешествие в самые глубины того, что составляет наш мир. Современный доктор Фауст Кристофера Марло или Гёте, вполне вероятно, мог бы быть молекулярным биологом, а может быть, даже вирусологом, поскольку «виросфера» охватывает весь мир, а возможно, и Вселенную! Весьма вероятно, что Гёте отдал бы должное вирусам, если бы знал об их существовании и значении.

В самом деле, Гомункул, созданный Гёте образ, поместил Фауста в мир, близкий к молекулярному. Как началась жизнь? И как она заканчивается? Как развивается прогресс и возникают инновации – безусловно, не без участия вирусов и их всем известной «неряшливости». Есть в этом мире и «шумные лемуры, висящие вниз головой на деревьях и обитающие в норах», хотя они не очень похожи на лемуров из «Фауста» Гёте – это очень странные создания, которые 13 млн лет являются носителями ВИЧ-подобных вирусов!

Данную книгу необязательно читать подряд с начала до конца; скорее, нужно выбирать интересующие вас главы, перепрыгивать с одной на другую, переворачивать страницу за страницей, пропускать части текста, если вам кажется, что они слишком сложны и изобилуют научной терминологией. Дополнительная информация приводится в глоссарии и в библиографии. Тем не менее завершающая глава книги предназначена для всех читателей. Здесь концентрированно сведен воедино большой массив информации, как хор голосов в последнем tutti[1] фуги моего любимого Иоганна Себастьяна Баха.

Я беру на себя риск поразмышлять о развитии науки и о том, что движет учеными-исследователями в их повседневной деятельности. Я считаю себя свидетелем и наблюдателем, который может описать собственный опыт, и при этом мною движет идея и надежда, что он будет воспринят как характерный для ученого и общераспространенный, а не покажется исключительно моим личным. Некоторые мои замечания достаточно критичны, но мною движет не горечь и обида, а скорее некоторое изумление в отношении того, что произошло, что я упустила и что все еще поддерживает мой интерес. Поэтому некоторые части книги написаны как своего рода детективные истории, чтобы читателю не было скучно. Другие написаны в философском духе, чтобы у вас, дорогой читатель, было разнообразие. Коллега охарактеризовал мою книгу на немецком языке как три тома в одном: детективная история об ученых, изложенная популярным языком, анализ развития науки за несколько десятилетий и философский труд. Я не философ, но занятия наукой располагают к рассуждениям и сомнениям. Прямо противоположное мнение о моей книге высказал немецкий писатель и кинорежиссер Александр Клюге в книге «Хроника чувств»[2], назвав меня автором «сказок на ночь», подобных тем, которые ему в пятилетнем возрасте рассказывала няня. Вот такие два мнения. Поэтому вполне вероятно, что от этой книги вас будет клонить в сон, но может быть, вы найдете эти истории занимательными или вам просто будет интересно их прочитать. Моя книга предназначена не только для коллег – ученых, работающих в этой же сфере науки и смежных сферах, но и, пожалуй, главным образом для студентов и неспециалистов – читателей, которым можно пропустить некоторые очень уж узкопрофильные научные замечания. Прочтите о последствиях для новорожденных кесарева сечения и «голодной зимы»[3]. А знали ли вы, что вирусы могут «видеть»? Или взять, например, главу о тюльпанах, о первом финансовом кризисе – и то и другое обусловлено вирусами! Таким образом, экономисты тоже могут узнать кое-что интересное.

Кого я хочу поблагодарить? Всех, с кем меня свела жизнь, – и не только гигантов мысли, поскольку любой человек может стать источником вдохновения и что-нибудь дать другим. Мне всегда нравилось получать информацию отовсюду понемногу. В моей судьбе за всю жизнь принимали участие многие люди и организации, и эти эпизоды так переплелись, что их невозможно отделить друг от друга. Меня поддерживали многие – родители, школа, разные университеты, фонды, организации, предоставлявшие гранты, исследовательские организации и общество в целом. Все они поддерживали меня на пути познания, давая возможность найти себя в жизни. И, что имеет далеко не последнее значение, они финансировали мои исследования вирусов и рака – самое дорогостоящее хобби на свете.

Кроме того, мне всегда приходилось иметь дело с молодыми людьми, многих из которых я в силу своих профессиональных обязанностей мотивировала и поддерживала, что было не только долгом: я делала это с большим удовольствием, и временами мне удавалось достичь успеха. Общение с молодежью помогало мне оставаться молодой и не терять связи с изменчивым миром. И наконец, последнее, но важное замечание: сильный противник делал меня сильнее. Выяснилось, что научиться противостоять противникам сложнее, чем казалось, и были моменты, когда я не знала, как справиться с трудностями, поэтому следовала следующему совету коллеги: «Уйди в “подполье”, но старайся быть поближе к выходу и пиши хорошие статьи – это тебя спасет!»

Фонд Studienstiftung проявил величайшую щедрость и терпение, поддержав мой неожиданный переход из физики в молекулярную биологию и мое желание работать в Калифорнийском университете в Беркли (США). В то время университетский городок был охвачен студенческими волнениями. Мой переход к изучению молекулярной микробиологии стал возможен именно благодаря этому фонду. Решение окунуться в совершенно неизвестную для себя область молекулярной биологии в то время, когда никто не мог мне объяснить, что это такое, было для меня одним из самых трудных. Так я стала исследователем и ученым, несмотря на то, что все отговаривали меня от этого шага. Меня поддержал Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин), поэтому я 20 лет вела независимые исследования, в ходе которых мне посчастливилось сделать несколько открытий в вирусологии и изучении рака, что проложило мне путь в будущее, но он оказался намного труднее, чем можно было предположить. Все это происходило в то время, когда женщин – членов Общества Макса Планка было так же мало, «как и женщин-музыкантов в Берлинском филармоническом оркестре под управлением Герберта фон Караяна и в иерархии Католической церкви». Как отметил в одной из публичных лекций Хайнц Шустер, позже ставший директором Общества Макса Планка, в то время в двух вышеназванных организациях было лишь по одной женщине: тогда еще очень юная кларнетистка Сабина Майер и дева Мария – мать Иисуса Христа. Мне повезло, и поддержка Общества Макса Планка пошла мне на пользу.

Я очень благодарна Цюрихскому университету за то, что он дал мне возможность много лет вести исследования и что руководство университета приняло смелое решение назначить меня, человека, не имеющего медицинского образования, деканом медицинского факультета. В то время, предшествовавшее эпохе гендерного равенства, я была единственной женщиной-деканом. «Не высказывайся публично», – совершенно серьезно посоветовал мне один друг, который очень хорошо знал ситуацию и своих коллег, – очевидно, не всех устраивало мое назначение. От меня ждали покорности.

Я благодарна Манфреду Эйгену из Института биофизической химии (Гёттинген) за то, что он неоднократно приглашал меня на свои знаменитые ежегодные зимние семинары по вопросам исследования РНК, которые проводились в Клостерсе (Швейцария); именно там появились некоторые из идей, рассматриваемых в этой книге. Там я как специалист по ретровирусам получила признание коллег, поскольку Эйген считал эти вирусы перспективной моделью эволюции. Меня восхищала широта кругозора Эйгена, его способность видеть перспективу и то, как часто его простые расчеты кинетики реакций, чисел, параметров взаимодействия приводили в замешательство некоторых докладчиков.

Кроме того, я благодарна Институту специальных исследований (Берлин) и Принстонскому университету за приглашения и поддержку, за то, что они создавали атмосферу, стимулирующую рождение новых идей в процессе обсуждения, и за фантастическую возможность наблюдать, как у тебя на глазах открываются новые горизонты мышления. У меня возникает желание выйти к доске с мелом в руках, поскольку это пробуждает в памяти воспоминания об оживленных и спонтанных обсуждениях, проходивших в Принстонском университете. Совершенно невозможно забыть, как вели себя у доски Джон Хопфилд и Фримен Дайсон. Рассуждая о нейронных сетях и квантовой механике, они задавали вопросы, которые никогда не задают зомбированные узкопрофильные специалисты. Что касается этой книги, Дайсон дал мне следующий совет: «Людей интересуют люди, они ничего не хотят знать о генетике!» В процессе написания книги я старалась следовать его совету.

Хочу выразить особую благодарность моим бывшим студентам, коллегам и соавторам по многим статьям, на которых я ссылаюсь в разных главах этой книги и благодаря которым я себя ощущала молодой и энергичной. Большинство из них с таким энтузиазмом относились к науке, что зачастую забывали о карьере и не думали о будущем. Мы провели вместе много приятных часов и значительную часть моей жизни.

Моя особая благодарность Феликсу Брекеру за критическое прочтение этой книги на немецком и английском языках с точки зрения молодого ученого, за проверку целого ряда уточненных данных, цифр, фактов, фамилий, ссылок на другие публикации. Я благодарна Ульрике Кале-Штайнвей за ее комментарии с точки зрения непрофессионала и постоянную поддержку. Кроме того, хочу высказать слова благодарности, к сожалению, ныне покойному Альфреду Пинью, он заслуживает благодарности не в последнюю очередь за то, что не разделял моего мнения. Кроме того, хочу поблагодарить Штефана Болльмана, редактора этой книги из немецкого издательства С.Н.Beck, который, несмотря на душевные страдания, все же проявил толерантность к моему стилю, и Пола Вули – за редактирование первого варианта этой книги на английском языке.

Мне пришлось дважды ограничивать рамки исследований рака в силу печальных обстоятельств. Я посвящаю эту книгу памяти Хайнца Шустера, одного из основателей Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин). Он с большим энтузиазмом отнесся к моей работе и оказывал мне всяческую поддержку, был моим близким другом и благородным человеком. И еще я посвящаю эту книгу Паулю Гредингеру из Цюриха, который не был ученым и сожалел, что очень мало знает о науке, но был уверен, что будет учиться «в следующей жизни». Гредингер работал в аналитическом центре и имел репутацию новаторски мыслящего креативного человека. Он дал мне один незабываемый совет: «Если кто-то крадет результаты вашей работы, это честь для вас. И самое главное, не встречайтесь с равными вам людьми, только с теми, кто выше вас. Это гораздо более инновационно». Как же он был прав! Мне было позволено находиться в обществе их обоих, делиться с ними идеями и мыслями. Они вдохновляли меня, делали меня счастливой и верили в меня более, чем я сама.

Мне дважды пришлось прощаться навсегда, и я никогда этого не забуду. Попытаюсь сохранить память об этих людях, написав эту книгу.

Карин Мёллинг, Берлин – Цюрих, 2016 г.

1. Вирусы – совсем не то, что вы себе представляли

Вирусы: история успеха

Слово «вирус» у людей зачастую вызывает раздражение: «Фу, уберите это отсюда» – или «Будьте осторожны: это зараза, можно заболеть!». Однако данная книга написана с противоположных позиций: на самом деле вирусы лучше своей расхожей репутации. Гораздо лучше. Здесь изложена удивительная, иная сторона представления о вирусах. Вирусы – друзья, а не враги!

Вирусология полностью изменилась. Изменение парадигмы произошло как-то незаметно, и в настоящее время фокус сместился с восприятия вирусов как возбудителей заболеваний на их положительные качества: вирусы как фактор эволюции, вирусы и инновации, вирусы у истоков жизни на Земле или по крайней мере их присутствие на планете с момента зарождения на ней жизни. На протяжении истории развития человечества вирусы являются нашими своеобразными «бодибилдерами» или генными модуляторами. Что такое вирусы? Откуда они взялись? Являются ли вирусы живыми микроорганизмами? В силу каких причин и при каких условиях они становятся возбудителями заболеваний? Ознакомившись с этой книгой, вы, уважаемый читатель, сможете ответить на следующие вопросы: готовы ли вы, как и раньше, плавать в море; действительно ли детские соски-пустышки, произведенные в странах Восточной и Юго-Восточной Азии, могут вызывать развитие рака и нужно ли от них отказываться; надо ли бояться салата из-за наличия в нем большого количества вирусов, вызывающих вирусные заболевания растений?

Из этой книги вы немало узнаете о том, как устроена жизнь: о строении клеток и генов, о вкладе вирусов в способность организмов адаптироваться к внешним условиям, вы зададитесь вопросом, могут ли вирусы влиять на свободную волю человека, и почерпнете информацию о степени нашего «родства» с бактериями и червями и о том, как вирусы могут заменить секс. Вы узнаете, что именно вирусы «изобрели» все иммунные системы и «вооружили» клетки противовирусной защитой. Разобраться в этих вопросах гораздо проще, чем может показаться, и я это утверждаю, исходя из собственного опыта. Какова роль вирусов в развитии рака и как вирусы используются в генной терапии? Действительно ли «прыгающие» гены, которые не что иное, как «запертые в клетке вирусы», отвечают за гениальность? Известно ли вам, что вирусы способны «видеть»? На самом деле это почти так, и они воспринимают мир в голубом цвете! Из книги вы узнаете, какие меры были предприняты для спасения каштановых деревьев, откуда на тюльпанах появились полоски, а на голубых балконных петуньях белые вкрапления (все дело, конечно, в вирусах) и как вирусы вызвали первый финансовый кризис, называемый «тюльпаномания». И наконец, треть населения планеты, вероятно, хочет знать, как контролировать массу тела или бороться с ожирением. (И тут дело в вирусах? Да, конечно.) Вирусы всегда были и до сих пор причастны ко всему вышеупомянутому. А теперь давайте рассмотрим «историю успеха» вирусов.

В 2009 г., когда отмечалось двухсотлетие со дня рождения Чарлза Дарвина, я обедала с коллегами из Института специальных исследований в Берлине. Во время разговора я поинтересовалась их мнением о происхождении жизни на Земле. Среди моих собеседников были философы, историки, социологи и юристы – что они думали по этому поводу? Большой взрыв? «И уж конечно же, не Адам и Ева», – сказали они, отвергая учение о сотворении мира. Но их реакция на мой вопрос в целом вызвала ощущение растерянности и беспомощности. «Раз именно вы задаете этот вопрос, – отметил один из ученых, – значит, это имеет какое-то отношение к вирусам». Да, именно так я и думаю: вирусы были в самом начале или по крайней мере оказали влияние на жизнь вскоре после ее зарождения.

История медицины обусловила формирование одностороннего представления о вирусах как о возбудителях заболеваний. Мы узнали о вирусах именно от медиков. Большинство вирусных заболеваний неизлечимо – эффективного лечения нет, что способствовало формированию негативного мнения о вирусах. На протяжении веков люди были бессильны против вирусных инфекций. Полиомиелит, корь, ветряная оспа и грипп уничтожали культуры, решали исход войн, приводили к разрушению городов и истребляли население на огромных территориях. Люди были не в состоянии отличить вирусные инфекции от бактериальных, но, в сущности, в этом не было необходимости, поскольку, как свидетельствуют результаты самых последних исследований, бактерия Yersinia pestis, возбудитель чумы, приобрела столь выраженный смертоносный характер в силу воздействия на нее фага – вируса, обитающего в бактерии.

Во многих европейских городах есть мемориальные «чумные колонны» – так, в Вене это Pestsäule, популярное место встреч в наши дни. Собор Санта-Мария-делла-Салюте в Венеции сегодня напоминает о «черной смерти» 1347 г., о страхе перед инфекцией и о благодарности выживших. Венеция ежегодно красочным парадом гондол чтит память умерших от чумы, однако город так и не смог полностью оправиться от нанесенного чумой урона. В Мексике испанские конкистадоры одержали победу над индейцами майя в основном благодаря кори, которая местному населению была незнакома и потому оказалась для него смертельной. Майя отомстили, заразив своих завоевателей сифилисом, и так это заболевание попало в Европу. Исход Первой мировой войны по крайней мере частично был предопределен эпидемией гриппа, которая унесла около 100 млн жизней. С 1981 г. от ВИЧ/СПИДа в мире умерло около 37 млн человек, и ежегодно отмечается инфицирование еще 2 млн.

Человечество научилось отличать вирусы от бактерий лишь в последние сто лет. Самое очевидное различие – это размер. Вирусы в большинстве случаев меньше бактерий (хотя бывают и исключения из этого правила), и по крайней мере в настоящее время их репликация зависит от клеток, включая клетки животных, растений и бактерий. Бактерии, в отличие от вирусов, могут размножаться автономно. В настоящее время вирусы не обладают такой способностью, хотя, вполне возможно, в далеком прошлом они могли это делать. Как бактерии, так и вирусы являются возбудителями заболеваний. Антибиотики уничтожают бактерии, но не вирусы. Если врач все же назначает антибиотики, значит, это делается для профилактики развития у пациента бактериальной суперинфекции. Существует очень много книг о вирусах как возбудителях заболеваний. На протяжении многих лет именно этому я учила студентов-медиков в Берлинском и Цюрихском университетах. Но в этой книге я пишу совершенно о другом.

Альтернативный взгляд на проблему тоже нужен. Благодаря новым технологиям вирусология с начала века полностью изменилась. Если ранее мы воспринимали вирусы как врагов человека и животных и даже всех форм жизни, то в настоящее время осознаём, что вирусы внесли свой вклад в зарождение жизни на Земле и с тех пор по сей день оказывают положительное влияние на развитие всего живого на планете. За последние 10 лет или около того наши представления обо всех микробах – вирусах и бактериях – кардинально изменились. Новые методы, новые экспериментальные подходы и новые чувствительные методы детектирования позволили выяснить, что вирусы далеко не только патогенны. Разве не удивительно, что вирусы не распространяются быстрее, чем это происходит, учитывая, что ежегодно совершается более 3 млн авиарейсов с пассажиропотоком около 300 млн человек, и при этом воздух на борту самолета просто рециркулируется, а не очищается с помощью дорогостоящих стерилизующих фильтров. Большинство вирусов и других микроорганизмов безвредны для своих хозяев, и это нужно помнить.

Вирусы – повсюду. И как вы узнаете далее, они самые древние биологические организмы на планете и, вне всякого сомнения, самые распространенные. Человек как вид появился в мире, который существовал до нас миллиарды лет. Мы пришли в этот мир совсем недавно, населяем планету меньше нескольких сот тысяч лет. Те, кто не смог справиться с существовавшими микроорганизмами, вымерли, другие же научились сосуществовать с ними. Нам не известно, сколько популяций погибло от болезней и были ли среди них неандертальцы. Важно отметить, что заболевания развиваются при нарушении баланса, а изменение условий среды происходит при несоблюдении правил гигиены, во время путешествий, в перенаселенных городах, вследствие исчезновения лесов, водоемов, загрязнения окружающей среды и близкого контакта с другими видами – носителями неизвестных нам вирусов (зооноз). Новые для организма микробы могут вызвать заболевание, а на организм, привыкший к этим микробам, они не оказывают негативного воздействия. В большинстве случаев мы сами виноваты в том, что заболели, – довольно категоричное заявление! Приведу простой пример: человек простыл, а это значит, что при изменившейся температуре создаются более благоприятные условия для репликации некоторых вирусов, что и приводит к развитию заболевания, в частности ринита или гриппа. «Принцип простуды» – вот в чем суть вирусологии! В норме организм человека находится в хорошо выверенном балансе с окружающей средой; заболевание развивается, только если баланс нарушен или организм оказывается в необычных для себя условиях. В этом случае возникают условия для репликации вирусов, и мы заболеваем.

Новое тысячелетие началось с события, вызвавшего удивление. Две научные публикации изменили наш взгляд на мир. В одной из этих статей показано, что вирусы составляют половину всего нашего генетического материала, нашего генома, всех наших генов, а во второй речь идет о том, что микроорганизмы доминируют везде – вокруг и внутри нас. Обе эти публикации основаны на новой, появившейся в конце прошлого века технологии секвенирования – определения последовательностей крупных геномов, в частности генома человека. В первой из этих двух публикаций, которая появилась в 2001 г., описано определение последовательностей наших генов, состоящих из 3,2 млрд пар строительных блоков – нуклеотидов. Это было результатом огромных усилий и многомиллионного финансирования. Никто не представлял, из чего, собственно, состоит наш геном. Ответ – из вирусов. Геном человека почти наполовину состоит из вирусов или по крайней мере вирусных последовательностей, «недовирусов», или остатков древних вирусов, населяющих наш геном миллионы лет. Вполне возможно, что гены прочих организмов могут содержать до 85 % вирусных последовательностей. А где предел? 100 %? Далее мы вернемся к этому вопросу. Еще более удивителен тот факт, что эти вирусоподобные элементы могут перемещаться, они могут «прыгать» и наши геномы постоянно меняются. Еще один удивительный факт: все геномы всех особей на планете взаимосвязаны. На генетическом уровне мы все родственники: мухи и прочие насекомые, водоросли и планктон, черви и даже пекарские дрожжи, бактерии, растения, грибы и так далее до человека, и конечно, вирусы, поскольку они являются «поставщиками» многих генов.

Консорциум, намеревавшийся сопоставить большое количество геномов в рамках проекта «Геном человека» (HGP), представил результаты этой работы в одной из самых объемных публикаций, которые я когда-либо видела в журнале Nature.

В последнее время были разработаны новые методы, позволяющие оценить количество вирусов на нашей планете. На Земле вирусов больше, чем звезд на небе: 1033 вирусов, 1031 бактерий и «лишь» 1025 звезд и скоро будет около 1010 людей. Мы захватчики в мире микроорганизмов, и никак иначе. Огромное количество микроорганизмов, бактерий, архей, вирусов и грибов населяет организм человека и доминирует в окружающей среде. В нашем кишечнике несколько килограммов бактерий и вирусов, но они не являются возбудителями заболеваний. Наоборот, они способствуют перевариванию и усваиванию различных веществ, в том числе и незаменимых, которые иным образом организм получить не может. Помимо этого, микроорганизмы находятся на кожных покровах, на слизистой ротовой полости, влагалища, на пальцах рук и ног и в репродуктивной системе, формируя локально-специфические сообщества бактерий и вирусов. Это весьма неожиданное наблюдение о повсеместном присутствии микроорганизмов стало результатом недавно проведенного широкомасштабного анализа микробиоты человека в рамках проекта «Микробиота человека» (HMP). Это своего рода продолжение проекта «Геном человека» (HGP). Новое понятие «микробиота» означает последовательность всех микроорганизмов в образце без уточнения отдельных микроорганизмов. «Изучаем всё сразу» – таков принцип исследования. Эта вторая сенсационная статья была опубликована в 2010 г. И с тех пор вопрос о роли микробиоты в функционировании кишечника человека, в процессе пищеварения, поддержании нормального состояния организма или развитии заболеваний, включая такие актуальные, как ожирение и даже аутизм и, как ни странно, депрессия и беспокойство, – привлекает пристальное внимание. Равно как и связанный с этим вопрос о еде, а конкретнее: что такое правильное питание? Одинаково ли оно для японцев и итальянцев? Мы не знаем даже этого! А ведь вирусы влияют и на это, они в астрономическом количестве присутствуют в Мировом океане, а любая тарелка салата полна вирусов – и их невозможно смыть, поскольку они внутри клеток, – и всё же они безвредны. Вирусы – повсюду, равно как и бактерии и, возможно, все прочие микроорганизмы, и все они никак не связаны с болезнями. Это – новая информация, которая появилась лишь в начале нашего века благодаря новой технологии секвенирования генов, которая за последние десять лет стала в несколько миллионов раз дешевле и быстрее.

Человек – суперорганизм, целостная экосистема. В организме здорового человека 1013 аутентичных человеческих клеток, наших «собственных». Кроме того, наш организм является хозяином еще 1014 бактерий, а помимо этого, еще и вирусов, которых больше как минимум в 10–100 раз. Наш геном, состоящий примерно из 20 000–22 000 генов, дополнен до более чем нескольких миллионов генов, что в 350 раз превышает число генов в наших истинно человеческих клетках. Микроорганизмы есть в кишечнике человека и на его коже, и если спросить, действительно ли их не следует смывать в душе, я бы ответила: «Нет!» Это полезные микроорганизмы, они защищают нас от чужеродных микроорганизмов.

Последовательности вирусных и бактериальных геномов входят и в наш геном. Это кажется невероятным. Что в нас осталось от человека? Одной из причин, почему я взялась за эту книгу, было желание рассказать об этом как можно большему числу людей.

Бактерии называют нашим вторым геномом. Это общепризнанное представление. Нам придется добавить к ним вирусы в качестве третьего генома. А кроме того, существуют миллионы грибков. Они – наш четвертый геном? А как насчет архей? Да, конечно, они тоже вносят свой вклад.

Для данной экосистемы нехарактерно перманентное состояние войны – это не уничтожение, а своего рода «игра в пинг-понг», основанная на хорошо сбалансированном сосуществовании и коэволюции. Понятие «война» в данном случае неприменимо. Опасность возникает только при нарушении равновесия. В большинстве случаев люди сами виноваты в своих заболеваниях. Вирусы и бактерии ведут себя весьма рационально. Они с выгодой для себя используют необычные ситуации и слабости своих хозяев. Такое представление я считаю приемлемым, а вот слово «война» в данном контексте не принимаю.

Еще одной новостью стало открытие гигантских вирусов, мимивирусов – самых больших из когда-либо открытых вирусов, которые по размеру превосходят многие бактерии. Эти вирусы даже могут быть «хозяевами» более мелких вирусов. Они обладают рядом характеристик, напоминающих скорее бактерии. Сначала их и описывали как «мимикрирующие бактерии», в связи с чем и назвали мимивирусами. Таким образом, не существует четкой границы между вирусами и бактериями, а мир вирусов и бактерий постоянно меняется. Все известные определения вирусов устарели. И какое же теперь определение вирусу мы можем дать? Как насчет «переходного звена» между живым и неживым?

После Большого взрыва

Большой взрыв произошел почти 14 млрд лет назад. С этого началась Вселенная, но не жизнь! С тех пор Вселенная постоянно расширяется. Солнце возникло 4,5 млрд лет назад, и среди астероидов и космических тел, населяющих Вселенную, сформировалась наша Солнечная система. Под действием силы гравитации твердые тела и газ соединялись и формировались более тяжелые элементы. Они сталкивались и группировались, образуя планеты, вращающиеся вокруг Солнца. В настоящее время большинство некрупных астероидов не в состоянии пройти через атмосферу Земли, это так называемые падающие звезды, которые можно наблюдать в ночном небе, ярко вспыхивающие и умирающие.

Только крупные астероиды могут достичь поверхности Земли. Астероиды, долетавшие до Земли, доставили из космоса ряд химических элементов, известных нам по периодической таблице Менделеева. Мы состоим из «космической пыли», что звучит довольно поэтично.

Взаимодействие кислорода и железа – дело непростое, одного только столкновения недостаточно, нужна еще энергия, выделяемая при взрыве сверхновых звезд. Я всегда удивляюсь тому, как железо стало центральным фрагментом молекулы гемоглобина – нашего «эликсира жизни»! Кусок железного метеорита есть и в моей кунсткамере (коллекция диковинных вещей, включая окаменелости, например аммониты, ракушки, куски окаменевшего дерева, янтарь и кораллы; к сожалению, невозможно собирать ископаемые вирусы, как бы мне бы этого ни хотелось). Однажды в Кампо-дель-Сьело («Небесное поле» – какое примечательное название), на севере Венесуэлы, упал железный метеорит. Это темный и очень тяжелый кусок железа, поэтому я поверила, что это метеорит (материал, появившийся на Земле в результате падения астероида) и ему действительно 500 млн лет, хотя я не в состоянии это доказать. Некоторые люди считают, что метеорит обладает чудодейственной силой и лечит от болезней, но я думаю, что нет! Недавно я пополнила свою коллекцию диковинных вещей банкой Coca-Cola – зачем? Потом поймете.

В школе мы изучаем планеты: Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Огромный Юпитер находится на более удаленном расстоянии, а его сила гравитации препятствует слипанию астероидов, поэтому из тысяч астероидов образовался пояс астероидов. Этот пояс называется «зона обитания», поскольку некоторые исследователи надеются найти там внеземные формы жизни. Один из этих астероидов, Церера, представляет особый интерес, поскольку в 2014 г. космические агентства обнаружили там облака и предположили, что астероид покрыт льдом, под которым находится вода. Как мы знаем, вода – важнейший элемент для развития жизни. Так могла ли существовать жизнь на Церере? Если бы мы нашли ответ на этот вопрос, то узнали бы больше о своем происхождении. РНК, вирусы и бактерии – полагаю, именно их и следует искать.

Откуда на Земле вода? Это интересный вопрос, во многом остающийся открытым. Действительно ли «грязные снежки», подобные Церере, занесли на нашу планету воду из космоса, а «грязная пыль» способствовала кристаллизации и превращению воды в лед? Могли ли быть «снежки» настолько большими, что они обеспечили водой Голубую планету, которая выглядит голубой из космоса, потому что 2/3 ее поверхности покрыто водой? Астрофизик Анна Фребель рассчитала, что в каждой банке Coca-Cola может содержаться 5 % первичной воды, которая прослеживается в глубины веков, вплоть до Большого взрыва, произошедшего 14 млрд лет назад. Поэтому я и добавила банку этого напитка в свою коллекцию диковинных вещей.

Примерно 4 млрд лет назад космический объект размером с Марс столкнулся с Землей, в результате чего была «вытолкнута» и Луна (по крайней мере так гласит ведущая теория образования спутника Земли). С тех пор Луна отдаляется от Земли на 3,8 см в год. Луна определяет ритм смены дня и ночи с периодом, который увеличился с шести до 24 ч. На начальных этапах появления жизни на Земле Луна играла важную роль. Марс находится слишком далеко от Солнца, а Венера – слишком близко, и потому там слишком жарко. Юпитер выполняет функцию нашего охранника: его масса в 300 раз больше Земли и он притягивает космические обломки Вселенной, астероиды, предотвращая их падение на Землю. Нам везет… пока. Всегда существует угроза, что один из этих астероидов может столкнуться с Землей. В 2029 г. ожидается столкновение с Землей астероида Апофиз. Некоторые недавно проведенные расчеты показывают, что столкновения все же удастся избежать!

Жизнь возникла на Земле около 3,8 млрд лет назад. Это произошло примерно через 10 млрд лет после Большого взрыва. Форма коры Земли в то время очень сильно отличалась от того, как она выглядит сейчас, и поверхность дрейфовала на внутреннем расправленном слое планеты. Смещение тектонических плит продолжается до сих пор, и расстояние между Америкой и Европой каждый год увеличивается на 2,5 см. В Азии столкновение тектонических плит привело к образованию Гималайских гор, и тектонические процессы продолжаются до сих пор, вызывая ужасные землетрясения. Границы тектонических плит можно определить на всем земном шаре по вулканическим огненным кольцам. В точках соприкосновения континентов океаническое дно разверзлось, образовались вулканы, произошел выброс магмы, которая быстро затвердела на дне океана. Так возникли подводные кратеры, гидротермальные струи или «черные курильщики». Из этих вулканов, расположенных на дне океанов, происходил выброс черной пыли и дыма. В силу высокого давления на таких глубинах температура воды может достигать 400 °С. Вот где-то здесь и зародилась жизнь. Эта концепция в настоящее время принята практически всеми учеными. Солнечные лучи не в состоянии проникать в толщу воды на глубину более 200 м, поэтому Солнце не может рассматриваться как источник энергии, и вероятнее всего, на ранних этапах формирования жизни источниками энергии стали химические реакции. Появление жизни на Земле без солнечного света происходило под воздействием энергии, выделяемой в результате химических реакций. Это и стало двигателем жизни. По мнению многих ученых, именно там образовались первые биомолекулы, такие как РНК. Нуклеотиды, строительные блоки, из которых состоит РНК, имеют довольно сложную структуру. «Ну и как же они могли появиться первыми?» – возразят некоторые ученые. Сегодня образование нуклеотидов можно смоделировать в лабораторных условиях. Совсем недавно английский химик Джон Сазерленд получил в реакционном сосуде все три основных строительных блока жизни (нуклеотиды для нуклеиновых кислот, аминокислоты для белков и жирные кислоты для жиров) из очень простых веществ и химических соединений: цианистого водорода, сероводорода, фосфора, воды (HCN, H2S, P, H2O) и в данном случае энергии в форме ультрафиолетового излучения. Как указывают авторы, для ускорения многостадийной однореакторной реакции были использованы некоторые минералы. В качестве катализаторов для пребиотических химических реакций взяли цинк и медь. Таким образом, весь биологический материал мог образоваться одновременно. Как мне представляется, в основе появления жизни лежали простые условия. Простые только на первый взгляд.

Вместо Адама и Евы

Зарождающаяся жизнь сама создала условия роста. Она не приспосабливалась к окружающей среде, но создавала необходимые условия, особенно что касается кислорода. Солнечный свет способствовал повышению (путем фотосинтеза) концентрации кислорода, который постепенно заменял преобладающий в атмосфере метан и стал основой дыхания млекопитающих. Около 2,2 млрд лет назад Земля превратилась в ледяной шар, но жизнь продолжала существовать. Где же она укрылась? Может быть, около «печки» Земли – горячих подводных гидротермальных выходов? Это они сохранили жизнь на Земле и не дали ей погибнуть? Правда, возможно, что жизнь возникла не в теплых условиях, а в условиях холода; вполне может быть, что первые формы жизни существовали внутри кристаллов льда, где вода течет по каналам, и вероятно, некоторые молекулы могли послужить основой для образования биомолекул, таких как РНК. У этой теории есть сторонники, поскольку в кристаллах льда, где циркулирует жидкость, была обнаружена РНК. Кроме того, модельная РНК изучается в лабораторных условиях после глубокой заморозки, чтобы выяснить, претерпевает ли она какие-либо изменения, мутирует или как-то эволюционирует. Находясь поблизости от «черных курильщиков», жизнь быстро развивалась, и 2 млрд лет назад океаны были уже населены бактериями, одноклеточными организмами, росли колонии морских водорослей, а 600 млн лет назад развились губки, медузы и черви, 500 млн лет назад появились крабы с твердым панцирем, кораллы и первые животные с зубами. Затем наступил так называемый Кембрийский взрыв, ознаменовавшийся впечатляющим ростом числа форм жизни. Появились первые позвоночные. 300 млн лет назад появились целакантообразные рыбы. Целакант (Coelacanth) считался вымершим видом, но в 1999 г. директор одного музея, находясь в Южной Африке, случайно увидел такую рыбу в рыбацкой сети. Ее геном секвенировали, что помогло реконструировать переход от плавников к лапам. Такое заключение стало возможным по результатам анализа генов! 250 млн лет назад Земля представляла собой один суперконтинент Пангею. В этот период произошло первое массовое вымирание, и у меня возникает вопрос: а не может ли нечто подобное повториться?

65 млн лет назад в результате катастрофы на Земле погибло до 90 % всего живого. Это было обусловлено падением астероида, огромного метеорита размером с Гималайские горы, в районе полуострова Юкатан в Мексике; образцы океанского грунта, собранные Центром морских исследований MARE (Бремен), подтверждают факт падения. 15-сантиметровый пласт содержит продукты горения и золу. Этот слой получил название мел-третичной (К-Т) границы, указывающей на переход от мелового периода мезозойской эры к третичному периоду кайнозойской эры, и его следы обнаруживаются по всему миру. Неожиданное увеличение концентрации иридия, называемое «иридиевая аномалия», также считается подтверждением столкновения Земли с объектом внеземного происхождения. Падение этого астероида вызвало стометровые цунами, солнце заволокли облака пыли, и началось вымирание динозавров. Их гибель открыла путь другим видам животных, мелким, размером с мышь, которые были всеядны, что и помогло им выжить. Они могли найти защиту в подземных норах. И наконец, на сцене появились мы! 5 млн лет назад появились обезьяны. Шимпанзе – наши ближайшие родственники, генетически мы совпадаем на 98,4 %. Чем мы отличаемся от шимпанзе? Не только более крупным мозгом, но еще и специальными – комбинаторными – свойствами наших генов, которые сделали нас более сложными. На этом вопросе мы остановимся позже. 3,2 млн лет назад на территории Восточной Африки жила Люси, наш самый древний предок, австралопитек. 1,7 млн лет назад появился Homo erectus, выходец из Африки. Вполне возможно, что Homo erectus уже мог добывать огонь и использовать его. Мог ли он говорить? Он вымер. Затем 200 000 лет назад появился Homo sapiens, и опять же в Африке, после чего 60 000 лет назад он заселил Евразию. Неандертальцы жили в период 200 000–40 000 лет назад, после чего вымерли. Почему они вымерли? От голода, патогенов, болезней, похолодания или изменения климата? Они оставили наскальные рисунки в пещерах и несколько генов в нашем геноме. Позволю себе сделать одно замечание: я, в отличие от некоторых газетных колумнистов, не очень удивлена. Тем не менее я не верю отчетам, согласно которым неандертальцы страдали депрессией, которой и в наши дни подвержены некоторые люди. Кто-нибудь знает последовательность гена депрессии?

12 000 лет назад наши предки, охотники и собиратели, осели на земле и стали земледельцами, держали скот. Затем наши предки начали пить молоко, или по крайней мере большинство из них. Некоторые, как я, например, до сих пор не могут к нему привыкнуть. Чтобы организм мог переваривать молоко, необходима определенная мутация. Молоко защищает человеческий организм от дефицита витамина D, что является селективным преимуществом для людей, проживающих в северных регионах и испытывающих недостаток в солнечном свете. Примерно 12 000 лет назад закончился последний ледниковый период и люди перешли из Сибири в Америку. Это было началом нашей цивилизации.

Соседство домашнего скота и людей привело к передаче от животных человеку заболеваний, известных как зоонозы. Животные и по сей день остаются самым распространенным источником инфекционных заболеваний. Так, мясо лесной дичи, содержащее обезьяний вирус, попало в пищевую цепочку человека, вызвав возникновение ВИЧ, а крыланы стали источником вируса Эбола. За последние 2,5 млн лет было 20 ледниковых периодов, а потепление было скорее промежутками между ледниковыми периодами. Одна из причин этого явления – изменение орбиты Земли вокруг Солнца каждые 100 000 лет. Есть простой способ запомнить периодичность наступления ледниковых периодов: 450 000, 350 000, 150 000 и 50 000 лет назад. Последний ледниковый период закончился примерно 12 000 лет назад. Цикл прецессии оси вращения Земли составляет 24 000 лет, что влияет на климат. В следующий раз климат изменится при наступлении очередного ледникового периода, и это произойдет через 39 000 лет. Но кого сейчас волнует проблема глобального похолодания? Наоборот, мы обсуждаем проблему глобального потепления. В истории нашей планеты не известны модели, объясняющие быстрое изменение климата, но поскольку были ледниковые периоды, то должны были наблюдаться и периоды глобального потепления.

Сначала были вирусы

«Все должно начинаться с чего-то маленького и простого». Это утверждение кажется логичным, но существуют и другие точки зрения. Геном бактерий и архей состоит примерно из 1 млн нуклеотидов, что слишком много для начала. По крайней мере я так думаю. Должно было быть что-то поменьше, гораздо меньше, и более примитивное: возможно, комбинация нескольких молекул, биомолекул в часто упоминаемом дарвиновском «маленьком теплом пруду». Вполне возможно, что РНК как первая биомолекула легла в основу древа жизни. Ученые, открывшие гигантские вирусы, приводят веские доводы в пользу гипотезы о том, что сначала появились гигантские вирусы, но может оказаться, что это необъективная точка зрения – эти вирусы слишком большие, чтобы быть первыми. Первая РНК уже как бы «голый» вирус, а точнее вироид. И такая РНК до сих пор обитает в наших клетках. (Ниже мы подробнее остановимся на этом вопросе.)

С самых ранних времен вирусы находятся повсюду; никакие пипетки, используемые для исследования вирусов, никакие мировые эпидемии не могли бы вызвать столь широкое и повсеместное распространение вирусов – они «заполняют» все без исключения живые существа. В конце концов, известно, что на планете существует 1,8 млн известных вирусов и примерно в 10 раз больше неизвестных, не говоря уже о бактериях. Ничто в мире не свободно от вирусов, но исследователи, в том числе и я, продолжают искать такие исключения. Мне не удалось найти ни одной биологической системы без вирусов, хотя, пожалуй, есть одна – это круглый червь Caenorhabditis elegans. У него сильнейшая противовирусная защита! Следовательно, и он когда-то подвергался воздействию вирусов, поскольку без вирусов не бывает и противовирусной защиты! Позже вы сами убедитесь в этом.

Как Дарвин представлял себе происхождение жизни на Земле? Будучи человеком обстоятельным, вот что Дарвин в 1871 г. писал своему другу ботанику Джозефу Хукеру, директору Садов Кью в Лондоне: «Часто говорят, что в настоящее время есть все условия, какие только можно себе представить, для образования первых живых организмов. Но если (это “если” с таким большим допуском!) представить себе, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду, где есть все азотистые и фосфорнокислые соли, источники тепла и света, электрическая энергия и т. д., образовалось бы в результате химических процессов некое белковое соединение, готовое к более сложным изменениям, то в нынешних условиях такое соединение было бы немедленно сожрано или абсорбировано, чего не произошло бы до возникновения живых существ». Следовательно, в настоящее время не так-то просто воссоздать условия, при которых в свое время возникла жизнь. Мы не знаем, какими были эти первоначальные условия на Земле. И все же Дарвин не исключал, что все живые существа на Земле имеют единое происхождение. Будучи по образованию физиком, я с энтузиазмом разделяю эту простую мысль.

Я опубликовала статью «Являются ли вирусы нашими самыми древними предками?» (Отчет Европейской организации молекулярной биологии, EMBO, 2012). В конце названия статьи стоял вопросительный знак, поскольку никто в этом не уверен до конца. Статью поместили в разделе «Мнение». Вскоре читатель прислал мне по электронной почте письмо, в котором писал о Феликсе д’Эрреле – о нем и его коллеге Джоне Бёрдоне Сандерсоне Холдейне мы поговорим более подробно позже. Так вот, еще в 1920-е гг. оба эти исследователя опубликовали эссе с идеей, что, возможно, жизнь началась с вирусов. В это время Феликс д’Эррель только что открыл фаги, вирусы бактерий. Непосредственно после этого оба исследователя предположили, что вирусы, обладающие способностью к саморепродукции, имеют, по определению Дарвина, «первобытное происхождение». Я разделяю эту точку зрения. Однако современники д’Эрреля и Джона Бёрдона Сандерсона Холдейна решительно отвергли эту идею.

Ежегодно нью-йоркский литературный агент и публицист Джон Брокман в рамках проекта Edge задает ведущим ученым вопрос о будущем знании. В 2005 г. вопрос был следующим: «Во что мы верим, но не можем доказать? Что думают ведущие мыслители о науке в эпоху неопределенности?» Мой ответ был бы: «Сначала появились вирусы!» А теперь давайте дадим точное определение вируса.

Оглядываясь назад

Что такое вирус? Прежде всего понятие «вирус» переводится с латыни как «сок», «слизь», «яд».

Мой коллега Экард Уиммер из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук изучает одну из самых мелких вирусных частиц, а именно возбудитель полиомиелита, который состоит из 3 326 552 атомов углерода, 492 288 атомов водорода, 1 131 196 атомов кислорода, 98 245 атомов азота, 7501 атома фосфора и 2340 атомов серы. Поскольку удалось определить молекулярный состав этих вирусных частиц, он охарактеризовал вирус как химическое соединение, по крайней мере пока вирус находится вне клетки. Как только он проникает в клетку, то перестает быть химическим соединением, поскольку самостоятельно реплицируется и размножается. Такое существование в двух формах довольно уникально. В таком случае сам по себе человеческий организм тоже всего лишь химическое соединение? Это не так.

Всего 120 лет назад был проведен эксперимент по передаче болезнетворных вирусов. Фильтратом экстракта из растений табака, пораженных мозаичной болезнью, обработали здоровые листья, и они оказались инфицированными. Это открытие в 1892 г. сделал русский ботаник Дмитрий Ивановский. Однако он полагал, что имеет дело с чем-то имеющим отношение к бактериям. Поэтому считается, что вирус был открыт голландским микробиологом Мартином Бейеринком, хотя сам Бейеринк признавал труды Ивановского. Бейеринк ввел понятие «вирус», чтобы отличать его от более крупных бактерий, которые не могут проходить сквозь фильтры, так называемые «фильтры Шамберлана», через которые проходят только небольшие вирусы. Почти в то же время (в 1898 г.) Фридрих Леффлер и Пауль Фрош выявили у животных небольшие трансмиссивные вирусы – возбудители ящура, поражающего крупный рогатый скот. Этот очень заразный вирус поражает коров. Поэтому первый научно-исследовательский институт по изучению этого вируса был основан на полуострове в Балтийском море. Однако из-за сильного ветра вирус распространился и оттуда. Исследовательский институт, названный в честь Леффлера и Фроша, является самым крупным в Европе исследовательским центром такого рода. Его повторное открытие несколько лет назад привлекло внимание такого числа любопытных, что в итоге туда не попал никто из-за транспортной пробки. Институт располагает огромными стерилизационными камерами (автоклавами), в которых можно дезинфицировать даже коровьи туши.

До недавнего времени считалось само собой разумеющимся, что все вирусы малы по размеру и представляют собой наночастицы, что их можно обнаружить только при помощи электронного микроскопа, их невозможно отфильтровать, они имеют ДНК или РНК, которая часто находится в симметричных белковых структурах, например икосаэдрах; они самостоятельно не реплицируются и являются паразитами, для репликации им нужны клетки, они не способны осуществлять синтез белка, нуждаются в энергии, производимой клетками. Вирусы по большей части локализуются в определенных клетках-хозяевах, в ряде случаев имеют оболочку, заимствованную у клетки-хозяина, на поверхности которой имеются рецепторы для связывания со специфической клеткой-хозяином. Это патогены, возбудители заболеваний, которые вредят клеткам-хозяевам, злоупотребляют их «гостеприимством» ради собственного потомства, маскируются и используют принцип троянского коня. Короче говоря, вирусы – это враги.

В последние годы мы выяснили, что практически все из вышеперечисленного не соответствует действительности. По размеру вирусы бывают больше многих бактерий. Вирусы и сами могут стать хозяевами для других вирусов, а по размеру могут намного превосходить наночастицы или быть намного меньше их, и на самом деле они не всегда представляют собой частицы! По размеру вирусы могут отличаться в 10 000 раз – очень широкий диапазон; кроме того, у них весьма разнообразная морфология, около десятка разных типов геномов и множество совершенно разных стратегий репликации. Число генов у вируса может составлять от 0 (!) до 2500. Для сравнения: у человека 20 000 генов, всего в 10 раз больше. «Ноль генов» характерен для вироидов, хотя они, как правило, не считаются вирусами. Различаются вирусы, которые содержат нуклеиновые кислоты, но не имеют белковой оболочки или (наоборот) имеют только белковую оболочку при отсутствии нуклеиновых кислот. Последние являются прионами, которые зачастую не считаются вирусами, но я бы все же отнесла их к вирусам. Существуют вирусы только с посторонними генами, без собственных, например вирусы экзотических растений, поли-ДНК-вирусы (PDV) – факт, который может нам кое-что рассказать об эволюции. Кроме того, есть эндогенные вирусы, никогда не покидающие своих клеток-хозяев, а также рудиментарные вирусы, «прыгающие» в наших геномах. Эти два типа вирусов не имеют оболочки, поэтому являются «запертыми», «заблокированными» вирусами, не способными перемещаться из одной клетки в другую.

Вирусы – мобильные (генетические) элементы – полезно ли это определение? Да, вирусам нужна энергия, но необязательно клетки-хозяина. Подойдет химическая энергия, а она вырабатывается «черными курильщиками», в окружении которых возникла жизнь и куда не проникает солнечный свет. Вирусам нужно прибежище, компартменты, а еще глина, то есть минеральные вещества, как ускоряющие процесс факторы – тот самый «маленький теплый пруд» Дарвина, – чтобы концентрация компонентов была высокой. Первым такого рода аккумулированием могли быть липидные мешочки. Тогда возникает вопрос: был ли это ранний вирус или ранняя клетка? Первоначально не было резкого разграничения между вирусами и клетками, и, скорее всего, они по совокупности образуют континуум. Недавно обнаруженные гигантские вирусы разрушили все ограничения, поскольку они почти бактерии и у них даже есть признак, который, как считается, бывает только у бактерий: компоненты для синтеза белка. А способность синтезировать белок часто используется для определения жизни. Таким образом, эти «почти бактерии» – переходная форма между вирусами и бактериями, между живым и неживым. Обнаружение гигантских вирусов коренным образом изменило наше представление о вирусах и способствовало тому, что мы стали считать вирусы более «живыми», чем представлялось ранее. Минималистичное определение вирусов предусматривает и их неспособность синтезировать белок, что является одним из признаков жизни. Однако гигантские вирусы все-таки «почти» могут синтезировать белок!

Вирусы обнаружены везде, где есть жизнь. Вирусы способны захватывать и доставлять гены, они могут мутировать, рекомбинировать, вставлять, удалять и смешивать гены. Их репликация ненадежна и поэтому представляет нечто новое для вируса и клетки-хозяина. Онкогенные вирусы способны извлекать гены из клетки и заставлять их мутировать в процессе репликации, что может повысить их онкогенность. Но истинно и прямо противоположное: они могут доставлять гены в клетку, придавая им новые свойства, в ряде случаев – полезные, в ряде случаев – вредные. Они способны доставить онкогены в клетку или индуцировать рак, а могут доставить гены для лечения рака. В клетку попадает больше генов, чем из нее выводится. Вирусы не могут спровоцировать «войну», «мериться силами» или вести «гонку вооружений», и столь нелестные описания способностей вирусов не вполне корректны. Вирусы «играют в пинг-понг» со своей клеткой-хозяином. Горизонтальный перенос генов между микроорганизмами и всеми прочими живыми хозяевами привел к образованию сложных геномов. Вот так наш геном и стал очень интересной комбинацией других весьма разнообразных микроорганизмов и других генов. Каждый микроорганизм – комбинация генов, полученных от большого количества других микроорганизмов, чаще всего вирусов. Вирусы, без сомнения, имеют самый большой набор генов, самое большое на Земле пространство последовательностей, значительная часть которого не используется. Вирусы характеризуются бóльшим, чем клетки, разнообразием генов, что подтверждает мнение, что вирусы появились на Земле раньше клеток (более подробно об этом далее).

Как давно мы знаем о вирусах? Давайте совершим экскурс в прошлое. Тридцать пять лет назад ВИЧ вторгся в человеческую популяцию, и на данный момент от него погибло более 37 млн человек. Сто лет назад вирус гриппа во время Первой мировой войны унес жизни почти 100 млн человек. Корь, которую конкистадоры принесли в Мексику из Европы, привела к гибели индейцев майя. В Средние века бактерия чумы уничтожила треть населения Европы, около 25 млн человек. За 600 лет до этого, в 542 г., от чумы Юстиниана погибло все население Рима. Заболевание приняло характер пандемии и охватило все Средиземноморье, вплоть до Константинополя. На пике пандемии ежедневно умирали 6000 человек. Фукидид описывал неизвестную болезнь, поразившую население Афин во время Пелопоннесской войны (около 400 г. до н. э.). Эта болезнь могла быть вызвана вирусом Эбола, кори, оспы или иными вирусами, или бактерией pesti. 3500 лет назад египетский фараон, видимо, страдал полиомиелитом, если судить по изображению человека с парализованными ногами на саркофаге. Ретровирусоподобные элементы присутствовали у неандертальцев, которые жили 250 000–300 000 лет назад, после чего неандертальцы вымерли. А потом наступает провал в нашем понимании истории развития жизни на Земле. Большое удивление вызвало открытие ВИЧ-подобного вируса у кроликов, а именно кроличьего эндогенного лентивируса типа K (RELIK), возраст которого составляет 12 млн лет.

Возраст другого ВИЧ-подобного вируса, выявленного у лемуров (родственников обезьян) на острове Мадагаскар, может составлять 4,2 млн лет. Никто не ожидал, что ВИЧ-подобные вирусы могут существовать так долго и даже передаваться по наследству.

Последние 10 лет в Лондоне и Принстонском университете одним из самых актуальных направлений исследований является новая область науки – палеовирусология. Последовательности генов вируса Эбола, возраст которого составляет 50 млн лет, были обнаружены в геномах свиней, обезьян и летучих мышей, а в геноме человека, но не лошадей выявлены последовательности генов борнавируса. Однако борнавирус вызывает заболевание только у лошадей, но не у человека. Таким образом, эндогенные последовательности и их продукты защищают организм от соответствующих вирусных заболеваний. Эти РНК-содержащие вирусы не должны в принципе интегрироваться в ДНК, но они это делают через «незаконные» механизмы, предусматривающие использование клеточно-молекулярных процессов, в частности чужеродной обратной транскриптазы. Даже плацентой мы обязаны родственникам ВИЧ, эндогенному ретровирусу человека (HERV-W), которому почти 30 млн лет. Возраст эндогенных ретровирусов человека, которые можно найти в геноме человека, составляет 35–100 млн лет. Некоторые из них относятся к интактным вирусам, которые могут формировать частицы, хотя, как правило, они уже не являются инфекционными. Эндогенные вирусы, вероятно, гораздо старше, чем мы представляем, поскольку они не рассматриваются как вирусы. Динозавр, живший 15 млн лет назад и выставленный в Музее естествознания в Берлине, страдал вирусной инфекцией, индуцированной osteodystrophy deformans – это один из парамиксовирусов, аналогичный вирусу кори и приводящий к деформации костей. Это заболевание до сих пор существует и называется синдромом Педжета.

Если углубиться в историю существования жизни на Земле на 200 млн лет назад, можно увидеть отпечатки вирусов, но на этом рубеже наше путешествие в прошлое заканчивается. Вирусная информация в силу мутации исчезает в генетическом «фоновом шуме». Найденные остатки древних эндогенных ретровирусов являются подтверждением наличия вируса. Недавно обнаруженная рыба целакант, существовавшая примерно 300 млн лет и считавшаяся вымершей, характеризуется удивительно стабильной генетикой и содержит последовательности древних ретровирусов.

Вместе с тем есть процессы, которые дают ключ к пониманию даже более ранних вирусов. Гигантские вирусы можно обнаружить не только у современных амеб, но и в специализированных иммунных клетках многоклеточных организмов – макрофагах – две линии, которые разошлись 800 млн лет назад и стали развиваться независимо друг от друга, и считается, что они были инфицированы до разделения. Найти дополнительные свидетельства за пределами 800 млн лет почти невозможно. И все же остается неохваченным большой временной период до начала жизни на Земле, примерно 3,8 млрд лет назад. Вирусы, вероятно, принадлежат к самым древним известным биологическим ископаемым. Реальное удивление вызвали вироиды, которые представляют собой вирусоподобные структуры и существуют до сих пор – не только сами по себе, но и в качестве рибозимов или структуры, родственной кольцевым РНК во всех человеческих клетках. Они восходят ко времени, когда еще не существовало генетического кода, – вероятно, 3,5 млрд лет назад. В одной научной публикации я попыталась реконструировать эволюцию жизни на Земле, основываясь на современных вирусах. Статья называлась «Какие современные вирусы могут рассказать нам об эволюции?», а редактор на всякий случай добавил примечание – «личное мнение»! (Archives of Virology, 2013).

Когда впервые секвенировали геном человека и эта информация была опубликована 15 лет назад, Frankfurter Allgemeine Zeitung (FAZ) напечатала на всю страницу всего четыре буквы – A, T, G и C, алфавит жизни, без интервалов, без слов, без предложений, без параграфов. За эту страницу газету удостоили премии. Напечатанное на ней совершенно точно отражает наши знания о генах: только буквы! Практически все остальное мы пока не понимаем. А потом начинается «текстовой анализ». Что означают эти буквы? В геноме человека примерно 3,2 млрд таких букв, что соответствует 20 000 генов, и тем не менее лишь 2 % общего числа генов закодировано. А для чего предназначены остальные, то есть большинство букв? Это тоже генетическая информация, или это часто упоминаемая «мусорная ДНК», или что-то другое? Хорошо, выдам секрет, что касается «остальных»: по большей части речь идет об информации, касающейся регуляции экспрессии генов. В ближайшие как минимум 50 лет ученые будут заняты осознанием этой информацией во всех деталях. Этот проект известен как ENCODE – «Энциклопедия элементов ДНК».

Нужно помнить несколько цифр: у вирусов, в частности у ВИЧ, – 10 генов, у фагов – 70, у бактерий – 300, у человека – 20 000–22 000, у банана – 32 000. Это что же, у банана больше, чем у человека? Как ни странно, да! И все же бананы не умнее нас. Это неоднократно называлось парадоксом: размер генома и число генов никак не соотносятся со сложностью того или иного вида. У человека не самое большое число генов, но у него самые длинные гены, и самое главное, эти гены способны лучше рекомбинироваться (путем сплайсинга, о чем пойдет речь в следующей главе) для повышения их общей сложности, превосходя в этом отношении все прочие известные виды. И наконец, один ген какого-либо вируса состоит примерно из 1000 нуклеотидов.

Перед тем как пойти дальше, читателю нужно выучить два слова или по крайней мере их аббревиатуры: ДНК и РНК. Их можно просто запомнить. И еще немного дополнительной информации: ДНК и РНК представляют собой крупные молекулы, которые являются носителями генетической информации, организованной в такие структуры, как гены. Первичная генетическая информация обычно закодирована в ДНК, и только вирусы, помимо прочего, могут использовать в качестве первичной генетической информации РНК и даже комбинацию ДНК и РНК. ДНК называют молекулой жизни. Она известна всем как двойная спираль, которая напоминает винтовую лестницу с двумя перилами (цепями), соединенными горизонтальными брусками как ступеньками (расположенные друг над другом основания). В 1953 г. эту структуру открыли Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, тогда еще молодые амбициозные и авантюристически настроенные ученые из Кембриджа (Великобритания), один из которых «никогда не отличался скромностью» – по крайней мере именно так Уотсон характеризует Крика в своей знаменитой книге «Двойная спираль»[4]. Они хотели получить Нобелевскую премию, и это им удалось. Кроме того, важная информация поступила от Розалинд Франклин, которая провела рентгеновский дифракционный анализ и получила структурные данные, которые попыталась скрыть. Действительно ли она сказала Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику, что у них неправильная модель, что все должно быть наоборот? Уотсон в своей знаменитой книге рассказал, как было сделано это открытие. Новая театральная пьеса «Фотография 51», связанная со снимком Франклин, – детективная история американского драматурга Анны Зиглер о том, как рентгеновский снимок Розалинд Франклин поспособствовал открытию, а сама Розалинд даже и не подозревала о своем вкладе. Как это ни печально, но она умерла молодой от рака, развившегося у нее вследствие экспериментов с рентгеновским излучением. Гораздо реже упоминается руководитель кафедры, где работала Франклин, – Морис Уилкинс, которого она не признавала, но который вместе с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком стал лауреатом Нобелевской премии. Швейцарский коллега великодушно предоставил ему большой объем чистой ДНК. Уилкинс использовал его в качестве исходного материала для кристаллизации. Позднее он привлек внимание в связи со своим возможным участием в коммунистическом движении. В настоящее время имя этого ученого известно не очень широко.

ДНК – двухцепочечная спираль, в то время как РНК – одноцепочечная, более гибкая спираль, похожая на веревку; она легче претерпевает изменения и имеет большое значение для появления новых нуклеотидных последовательностей у вирусов. Крик сформулировал «основную догму молекулярной биологии» – «от ДНК к РНК и белку», объясняющую поток генетической информации внутри клетки. По мнению некоторых, Крик не отличался догматизмом, но его имя оказалось связанным с догмой. С точки зрения молекулярных биологов, ДНК была доминантой на протяжении полувека, но в настоящее время ее догоняет по значимости РНК. С точки зрения эволюции РНК предшествовала ДНК, поэтому прямо противоположная догма тоже возможна: и РНК может превратиться в ДНК. Это мы почерпнули у вирусов. Поэтому, дорогой читатель, потребность в молекулярной биологии практически отпала. Многие детали можно опустить, а некоторые приводятся в глоссарии.

Матрос и сплеснивание

Во время плавания по Балтийскому морю на трехмачтовом круизном судне «Лили Марлен» однажды утром меня удивил один матрос, сделав подарок: сращенную веревку. Он соединил две веревки, срастив их концы (в биологии используется слово «сплайсинг»), – получилось наглядное пособие для студентов, которым я читаю лекции по вирусологии. По словам матроса, для сращивания требуются определенные навыки, но это занятие скрашивало утомительные ночные вахты. В книге «Сплесень и узлы» описывается, как это используется в мореходстве. Хорошо было бы иметь книгу с таким же названием в молекулярной биологии. Сращивание – это своего рода противоположность узлу. Только когда концы веревки правильно сращены, моряк может быстро и беспрепятственно проверить все связанные части, протянуть веревки через шкивы и поднять паруса; при наличии узлов этого не удалось бы сделать. Такой же принцип работает и для молекулярного мира. Двухцепочечная ДНК транскрибируется в одноцепочечную РНК – гибкую копию ДНК, имеющую жесткую структуру. РНК можно укорачивать, как веревку, путем сплайсинга: веревка разрезается, какой-нибудь кусочек удаляется, а полученные концы соединяются без использования узлов путем сращивания. Длина удаленных кусочков может быть разной. А сейчас я открою один секрет: у человека самое большое число таких удаляемых участков из расчета на один ген. Именно поэтому мы самые сложноорганизованные живые существа. В этом заключается наша уникальность; возможно, мы действительно являемся «венцом творения».

Наши гены имеют неоднородную структуру: они состоят из экзонов – участков, которые можно транслировать в белки, и интронов – промежуточных участков, которые удаляют, для чего их отрезают и сращивают (вновь соединяют) концы РНК. Гены человека в среднем имеют примерно 7–9 экзонов, между которыми расположены интроны. Представьте себе садовую изгородь, состоящую из столбов, чередующихся с пустым пространством, – это напоминает экзоны и интроны, хотя экзоны и интроны расположены с менее выраженной регулярностью. Более того, некоторые интроны могут оказаться очень большими (представьте себе калитку в изгороди).

Можно комбинировать различные связи между интронами и экзонами, в которых интроны, как правило, являются удаляемыми участками. На самом деле интроны не пустые, как промежутки между столбами забора. Что за информацию они несут в себе? Они не содержат последовательности генов для кодирования белков, но направляют и регулируют производство белка; интроны являются хранилищем регуляторной информации и определяют время и локализацию производства белка. Таким образом, интроны контролируют экзоны. Среди ученых было принято считать, что экзоны важнее, однако в настоящее время признано, что они зависят от интронов. Экзоны кодируют белки, в то время как интроны являются некодирующими (НК). Каталог известных нкРНК представляет собой быстро расширяющееся семейство очень важных регуляторных РНК – только в последнее время было открыто около десятка таких РНК. Поэтому, дорогой читатель, пожалуйста, запомните понятие «нкРНК». Соответствующая ДНК называется нкДНК, а ее транскрипция приводит к образованию нкРНК. Для меня особенно интересен тот факт, что вирус и человек – непревзойденные «специалисты» по сплайсингу. Почему вирусы? Потому, что они при их малых размерах проявляют столь незаурядные способности (они – наши предки!). Матрос понятия не имел, как много стоит за сращенной веревкой, которую он мне подарил.

В качестве примера получения «месседжей» из одного всеохватывающего «месседжа» давайте посмотрим, какое количество слов можно получить из «комбинированных экзонов» после «сплайсинга» слова с учетом пробелов. Supercalifragilisticexpialidocious – это не самое длинное, но одно из самых известных английских слов. Слова из него получают путем удаления (а не перестановки) букв, и они получились следующими: super (супер), supercilious (излишне волосяной), perfidious (вероломный), precious (драгоценный), serious (серьезный), superficial (поверхностный), fragile (хрупкий), pallid (бледный), series (серии), focus (фокус). И таких слов намного больше, можете сами попробовать. У вирусов сплайсинг осуществляется только в пределах одного «слова», поскольку они в силу своего минималистского строения содержат только экзоны и не имеют интронов. Так совершенно по-разному человек и вирусы научились оптимальным образом использовать свой генетический материал. Именно эта сложность лежит в основе сложности организмов человека и вируса. Вот почему я вдвойне благодарна матросу за подарок.

Вирусы – живые или неживые?

Вирусы не лишены признаков жизни – по крайней мере они более живые, нежели камень или кристалл. Можно слишком упростить понимание этого вопроса, сказав, что любые микроорганизмы, которые по размеру меньше вируса, – неживые, а более крупные микроорганизмы – живые. Вирусы находятся на границе между живым и неживым или же являются тем и другим одновременно. Я не усматриваю никакой сингулярности, не ставлю точки и не определяю четкую границу; речь, скорее, идет о постепенном переходе от отдельно взятой биомолекулы к клетке. На заре зарождения жизни на Земле РНК-содержащие вирусы были самыми крупными биомолекулами и существуют до сих пор.

«Что такое жизнь?» – этот вопрос в 1944 г. был вынесен в заголовок очень известной книги физика Эрвина Шрёдингера и побудил целое поколение физиков заниматься биологическими исследованиями. Жизнь подчиняется законам термодинамики и сохранения энергии. Для живых клеток характерна отрицательная энтропия, основанная на организованных структурах, в силу чего энтропия зачастую называется «мерой неупорядоченности». Например, если не убирать рабочий стол, беспорядок на нем будет усиливаться, а если постараться и навести порядок, стол станет чистым, без признаков беспорядка. Жизнь и второй закон термодинамики основаны на этом правиле: питание и энергия позволяют вести упорядоченную жизнь. Следует признать, что Шрёдингер задавался вопросом о законах жизни, а не о законах ее происхождения.

Я полагаю, что НАСА должно иметь более четкое определение жизни, поскольку агентство пытается найти жизнь за пределами нашей планеты. Безусловно, они знают, что ищут. Джерри Джойс, работавший в свое время в Институте Солка (Калифорния), возможно, внес свой вклад в это определение, поскольку ему удалось получить в пробирке самореплицирующуюся РНК, способную мутировать и эволюционировать. Это был его подход к «повторению происхождения жизни». Вполне возможно, что это вдохновило космическое агентство США, которое дало следующее определение жизни: самовоспроизводящаяся система, содержащая генетическую информацию и способная эволюционировать. (В этом определении я бы опустила слово «генетическую», поскольку структурная информация тоже может эволюционировать. Я имею в виду вироиды.)

Вирусы можно сравнить с яблоками. Яблоко, лежащее на столе, не может себя продублировать и превратиться в два яблока – то же самое относится и к вирусу. Яблоку нужна земля, чтобы стать яблоневым деревом, дающим новые яблоки. Яблоки ведь живые? А как же вирусы? Может ли в данном случае чем-то помочь Чарлз Дарвин? Он считал, что жизнь, возможно, зародилась в «маленьком теплом пруду», и предполагал, что сначала все было просто, на этом его предположения закончились. Вирусу нужен пруд или хотя бы пробирка – среда с питательными веществами для репликации и производства потомства. Вирусы – просто организованные организмы. Поэтому они более «живые», чем камни, а вот камни действительно неживые. Как это ни странно, некоторые вирусы способны к агрегации и образованию симметричных квазикристаллических структур, которые чрезвычайно стабильны, резистентны к теплу и в этом смысле действительно напоминают камни. У кристаллов неправильной формы может даже сохраняться неправильное сворачивание, что почти напоминает репликацию. Так же могут себя вести, например, некоторые белковые агрегаты в тканях головного мозга – например, прионы. Может быть, у них есть нечто схожее с вирусами? Предполагаю, что да, и мы увидим это далее.

Бактерии принято считать живыми микроорганизмами. Они обладают способностью к делению и, таким образом, к самовоспроизведению, а, что самое главное, они синтезируют белок. Синтез белка считается важным пограничным маркером, разделяющим живое и неживое. Бактериям тоже нужны поступающие извне питательные вещества, то есть они не полностью независимые микроорганизмы. Кроме того, они вовсе не так просты! Не существует биологического «вечного двигателя» – механизма, способного работать без помощи энергии. Но источником энергии необязательно является клетка. При отсутствии солнечных лучей это может быть энергия химических реакций, как в случае с «черными курильщиками», находящимися на дне океана.

К великому удивлению, недавно обнаруженные гигантские вирусы содержат компоненты, необходимые для синтеза белка. Они очень похожи на живые бактерии, являясь «квазибактериями». Соответственно гигантские вирусы также называют мимивирусами, поскольку они, похоже, мимикрируют под бактерии. Будучи почти бактериями, эти гигантские вирусы являются хозяевами для более мелких вирусов, которые реплицируются внутри них. Все это вызвало чрезвычайно сильное раздражение у классических вирусологов, поскольку гигантские вирусы никак не вписываются в устоявшиеся представления о вирусах и их определения. Открытие этих вирусов в 2013 г. было прокомментировано в журнале Nature с точки зрения места вирусов в процессе возникновения жизни. В этом материале указывалось, что гигантские вирусы нужно поместить в основание древа жизни – вот на что надеялись ученые, открывшие этот вирус! В самом начале не было клеток и мимивирусов – и те, и другие слишком большие по сравнению с вирусами, поэтому они не могли быть у истоков жизни. Вероятно, ранние вирусы не нуждались в клетках. Это довольно смелое заявление и единственное, что не очень вписывается в мое утверждение «Сначала были вирусы». Современные вирусы нуждаются в клетках, но, возможно, это результат длительной эволюции. На самом деле существуют вироиды, «голые молекулы РНК», способные к репликации и эволюции, которые, возможно, изначально не зависели от клеток, как сейчас. Они могут делать все это как в пробирке Джойса – без клеток. Их можно было бы назвать «голые вирусы».

Вирусы – изобретатели и поставщики генетических инноваций. Они формируют наши геномы. Я так считаю и готова повторить это много раз, это мое кредо, мое «ceterum censeo»[5].

Вирусы действительно внесли свой вклад в образование клеток. Это очевидный факт, а не предположение. Современные вирусы – паразиты, они зависят от клеток. Вирус-паразит может передать свои функции хозяину и покинуть его с меньшим количеством генов, чем если бы он был сам по себе или ему приходилось бы выживать вне клетки-хозяина. Все выявляемые в настоящее время вирусы – паразиты, зависящие от клеток. Эволюция идет не только от простых структур к сложным, она может идти и в обратном направлении. Сложные структуры могут становиться проще, могут терять гены, делегировать свои функции и становиться специализированными. В зависимости от условий окружающей среды способности могут быть приобретены или утрачены. Примером тому служат митохондрии. Подождите, вот дойдем до последней главы этой книги!

Как же вирусы взаимодействуют со своей клеткой-хозяином? Существуют клетки-хозяева, не имеющие ядра, из которых состоят бактерии и археи, – это прокариоты, и клетки, содержащие ядра, – это эукариоты. Из них состоят насекомые, черви, растения, млекопитающие и т. д. Все эти организмы содержат вирусы, а бактериальные вирусы носят также специальное название «бактериофаги» или просто «фаги». Тем не менее нет необходимости разделять вирусы и фаги. В клетке-хозяине они ведут себя одинаково. Их «жизненные циклы» или циклы репликации описываются следующими характеристиками: вирус проникает в клетку в целях ее инфицирования, после чего он остается в клетке, интегрируется, реплицируется и/или разрушает ее. Иметь способность сохраняться в клетке – причем клетка-хозяин часто не замечает присутствия вируса – значит обеспечить себе постоянное или, другими словами, долговременное пребывание в клетке. Герпесвирусы прячутся в нейронах, где они могут оставаться годами. Многие вирусы растений остаются в клетках навсегда, так как никогда не приобретают оболочку, никогда не становятся активными (или вирулентными) и всегда размножаются вместе с растительной клеткой. Фаги сохраняются в клетках в форме интегрированных фагов, что называется лизогенным состоянием. Помимо этого, ретровирусы и некоторые другие ДНК-вирусы интегрируются в ДНК генома клетки-хозяина. В этом случае клетка-хозяин приобретает несколько дополнительных генов. Вместе с тем такая интеграция может обусловить генотоксический или мутагенный эффект и причинять вред клетке. Фаги и вирусы способны разрушить клетку-хозяина, высвобождая свое многотысячное «потомство», причем часто это бывает реакцией на стресс, примерно так, как реагирует на стресс наш организм: мы не находим себе места и теряем аппетит! Такой же эффект может вызвать прием у стоматолога. В таких ситуациях герпесвирусы выползают из своего убежища и оказываются у нас на губах, образуя очаг поражения.

Запомните общее правило: вторжение захватчиков может привести к объединению всех защитных сил или к поражению, вызванному чрезмерным стрессом, что относится и к человеческому обществу!

Уничтожат ли вирусы своих хозяев и может ли это привести к уничтожению человечества? Нет, все это небылицы, этого просто не может быть. Это нонсенс с точки зрения эволюции, поскольку в этом случае вирусы уничтожат саму основу своего существования или выживания и сами погибнут. Если большинство клеток исчезнет, их останется так мало, что вирусы просто не найдут последнюю клетку. Поэтому при недостатке клеток-хозяев вирусы приспосабливаются к новым типам хозяев. Речь идет о таком опасном явлении, как зооноз, вследствие которого человеческий организм инфицируется совершенно новыми для себя вирусами животных. До того, как исчезнут все клетки-хозяева, вирусы найдут им замену. Происходит переход от паразитической модели поведения к сосуществованию, что зачастую взаимовыгодно, то есть пользу от такого взаимодействия получает как вирус, так и хозяин. Если вирус поддерживает выживание клетки-хозяина, он повышает шансы на собственное выживание и выживание своего потомства. В процессе коэволюции вирус может стать менее агрессивным и менее вирулентным. Это происходит двумя путями: либо у хозяина повышается резистентность к вирусу, либо вирус перестает быть патогенным. Последнее достигается путем эндогенизации последовательности генов вируса в геноме хозяина. В нашем геноме очень много таких последовательностей – целое «кладбище» бывших вирусов. На вопросе эндогенизации мы остановимся ниже.

В процессе эволюции многие вирусы стали менее патогенными по отношению к своим «хозяевам». Например, вирус Эбола перешел к человеку от летучих мышей (это его основной хозяин), с вирусом атипичной пневмонии произошло то же самое. Аналогичным образом ВИЧ у обезьян (ВИО) больше не вызывает заболевание у обезьян. Поэтому, если немного подождать, может быть, организм человека тоже подружится с ВИЧ? Предполагаю, что это вполне возможно, только ждать, вероятно, придется очень долго.

2. Вирусы: как они заставляют нас болеть

Вирусы творят историю

Одним из величайших достижений медицины стала победа над вирусом оспы. Вспышек этого заболевания больше не должно быть, так как человечество изобрело вакцину от этого вируса и вакцинация вирусом коровьей оспы является профилактикой заражения натуральной оспой человека. Это открытие сделал Эдвард Дженнер, который в 1796 г. первым протестировал вакцину на собственном сыне. Он спас больше людей, чем кто-либо другой. Дженнер вывел принцип разработки вакцин: использовать сходный вирус, вызывающий заболевание лишь в легкой форме, чтобы защитить от опасного вируса. Использование вируса коровьей оспы вместо вируса натуральной оспы – пример эффективной вакцины, разработанной на основе более слабого вируса. Вирус оспы считался вымершим. Но, как это ни удивительно, время от времени все же возникают вспышки оспы – вирусы никогда не исчезают полностью.

В мире осталось всего несколько лабораторий – в России и США, где вирусы натуральной оспы хранятся в безопасных условиях. Насколько они защищены от угрозы биотерроризма? Эта угроза, похоже, стала вполне реальной после того, как в 2001 г. в США произошел биотеррористический акт с использованием вируса сибирской язвы, в результате которого погибло несколько человек. Тогда начались лихорадочные поиски остатков вакцины от оспы, которые хранились несколько десятилетий. Для производства этих вакцин использовали кожу животных, что совершенно не соответствовало приемлемым стандартам безопасности. Тогда вакцины все же приготовили в пятикратном разведении, чтобы увеличить количество доз! В моем диагностическом центре в Цюрихе мы быстро разработали методику тестирования вируса оспы. Необходимую информацию о последовательности генов вируса можно было без труда найти в интернете! Мы даже отрабатывали действия на случай возникновения угрозы появления вируса оспы и методики приготовления образцов для высокоточных методов диагностики. Существовала угроза биотеррористической атаки на участников ежегодного Международного экономического форума в Давосе. Мы надевали специальные защитные костюмы, включая маски, наподобие тех, что показаны в фильме «Эпидемия» с Дастином Хоффманом в главной роли. Строжайше соблюдая требования техники безопасности, мы использовали барокамеру, которая должна была предотвратить утечку вируса из лаборатории, однако из-за того, что кто-то из сотрудников по ошибке открыл не тот клапан, мы оказались на грани провала. Нам повезло: никаких опасных ситуаций не возникло. А потом все постепенно забыли об угрозе.

За двадцать лет до этого мне пришлось стать свидетелем последней чрезвычайной ситуации, связанной с заражением вирусом оспы в Берлине. Пациент находился в карантинном отделении, которое снаружи охранял полицейский, сидя на высоком стуле. Его задача заключалась в том, чтобы наблюдать за выходом и не допустить, чтобы этот пациент покинул палату. В это время рядом, в Институте Роберта Коха, работал единственный специалист, который знал, как тестировать вирус оспы. Этот человек обрабатывал куриные яйца, чтобы инокулировать вирус и поместить их в инкубатор для размножения. В то время это был единственный известный тест. Опасная ситуация, вызванная заражением вирусом оспы, показана в документальном фильме «Империя вирусов – убийц-невидимок». Этот чрезвычайно информативный фильм был снят экспертами как учебный материал. Когда я читала в Берлинском университете лекции по вирусологии, то в конце цикла всегда показывала слушателям этот фильм. Цикл лекций заканчивался в воскресенье, но студентам было интересно, и они приходили в университет даже в выходной. Во второй части фильма показана смоделированная чрезвычайная ситуация в Берлине, связанная с заражением оспой.

Еще один вирус, до сих пор приводящий в ужас человечество, – вирус гриппа, «испанка», именуемый H1N1. Примерно 100 лет назад во время Первой мировой войны этот грипп унес от 20 до 100 млн человеческих жизней. Вирус выделили совсем недавно, в 2005 г., из останков солдат и североамериканской эскимоски, похороненной в вечной мерзлоте на Аляске. В лабораторных условиях вирус реактивировали. Восстановленный вирус оказался в состоянии инфицировать животных. Работа с этим вирусом требовала использования высокотехнологичного оборудования и, помимо прочего, была чрезвычайно опасным занятием. По этому поводу СМИ совершенно оправданно выразили недовольство. Ученых интересовало, почему именно этот вирус является столь смертоносным, особенно для молодых мужчин. Было выделено всего несколько специфических последовательностей генов вируса, которые, возможно, повышают аффинность (узнаваемость) вируса к клеткам легких и усиливают патогенность данного вируса. (Прочие изменения нуклеотидов обнаружены в полимеразе, нуклеопротеине или гемагглютинине, поэтому до сих пор ученые не пришли к единому мнению по вопросу о том, какие именно изменения обусловливают смертоносный характер этого вируса.) Важнейшими факторами, обусловившими возникновение пандемии, были следующие: война, голод, влажность, холода, ранения, антисанитарные условия, перенаселенность палаток и условия полевых госпиталей – все эти обстоятельства, безусловно, нужно рассматривать в связи с характером последовательности вируса. В силу всех этих факторов и произошла катастрофа. За все это нам нужно винить самих себя.

В 2009 г. в Мексике начался свиной грипп, возбудителем которого стал вирус гриппа H1N1, но отличавшийся от вируса «испанки». Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила об эпидемии, посчитав, что вспышка представляет угрозу для населения всего мира. Но в расчеты вкралась ошибка. Данные по соотношению числа летальных случаев относительно гипотетически инфицированных людей оказались ошибочными, поскольку никто не знал реальной скорости распространения инфекции, например в Мексике, где люди не обращаются к врачу из-за какого-то гриппа. Показатель смертности составил 5 %, а не 50 % от численности инфицированного населения, не больше, чем при обычной сезонной эпидемии, поэтому тревога оказалась ложной.

Однако это действительно была пандемия, поскольку вирус распространился в очень большом количестве стран. Меры по обеспечению безопасности приняли быстро, и началось производство вакцины. Но для Запада оказалось слишком поздно, волна инфекции уже накрыла его. Население Южного полушария не хотело вакцинироваться даже бесплатно. Никто не воспринял свиной грипп всерьез. Я заболела этим гриппом в Китае, возможно, заразившись в каком-то интернет-кафе в Шанхае. По возвращении домой я чувствовала себя плохо, отменила поездку из Берлина в Цюрих, опасаясь, что могу кого-нибудь заразить, а потом в СМИ появилась бы статья о том, как профессор вирусологии распространяла вирус. У меня действительно был свиной грипп, и этот диагноз был подтвержден в моем диагностическом центре.

Вирусы – возбудители птичьего гриппа стали опасными в силу манипуляций, проделанных учеными в лабораторных условиях. На основе чисто птичьего вируса был получен вирус, заразный для человека. В последовательность генов вируса дважды внесли мутации в двух независимых лабораториях, в США и Голландии. Почему же ученые проводили столь рискованные эксперименты? Этот вопрос возник только после того, как наивные ученые опубликовали результаты своих исследований, и только тогда организации, финансирующие эти изыскания, забили тревогу. На эти исследования и публикацию их результатов был наложен обязательный шестимесячный перерыв, мораторий, который продлился дольше, чем было предусмотрено, после чего запрет на публикацию был смягчен: ввели запрет на публикацию детальной информации, чтобы невозможно было повторить эксперимент и превратить относительно безвредный вирус в опасный.

Однажды мораторий уже вводили в форме ограничений на использование рекомбинантных ДНК-технологий, а именно на создание новых генов путем комбинирования генных фрагментов. Решение о введении моратория было принято в 1975 г. на Асиломарской конференции. Кроме того, были установлены ограничения на применение генной терапии с использованием вирусов для лечения рака. И в настоящее время запрещено использовать реплицирующиеся вирусы в терапевтических целях, чтобы репликация вирусов не вызвала инфицирование половых клеток пациента, что, в свою очередь, может обусловить передачу вируса по наследству. Это ограничение очень четко выполняется и всеми принимается. Поэтому генная терапия безопасна и как раз по этим же причинам неэффективна. Такая терапия могла бы быть гораздо более эффективной, если бы разрешили репликацию вируса. В настоящее время используются другие подходы.

Запрет на исследование вируса гриппа можно кратко сформулировать следующим образом: запрещено «двойное использование». Это значит, что публикации не должны служить двум потенциальным целям: научной и в то же время представлять интерес для биотеррористов, равно как и для тех, кто способен использовать эту информацию в неблаговидных целях. Результаты исследований вирусов, подвергнутых манипуляциям, публиковались без технических подробностей, но это не умаляло их значимости, поскольку они продемонстрировали, что для получения «гуманизированного» вируса, который может передаваться от человека к человеку, достаточно четырех мутаций (замены нуклеотидов) из 13 500 нуклеотидов. Это всегда является основной угрозой.

Как это ни странно, определенные штаммы вируса гриппа всегда являются носителями трех из этих четырех мутаций, и нас отличает от одного из самых опасных вирусов только одна мутация. Это – реальная угроза, поэтому была создана всемирная мониторинговая служба по контролю над локальными вспышками гриппа Sentinella. На каждую предстоящую зиму создаются вакцины на основании ежегодных прогнозов по штаммам гриппа этой организации. Вакцины до сих пор часто получают в куриных яйцах – по одной дозе на яйцо, но для этого требуется несколько миллиардов «свободных от патогенов яиц» (СПС-яйца). В настоящее время, в сущности, имеется два препарата для лечения гриппа: тамифлю и реленза, что очень мало по сравнению с количеством препаратов для лечения ВИЧ. Тамифлю стал лидером продаж, и его покупали охваченные паникой правительства стран. Этот препарат хранится на складах и ждет, когда в случае необходимости его аликвотируют. В настоящее время действует довольно странное законодательство, в соответствии с которым отсчет срока годности препарата начинается только с даты его аликвотирования. В Скандинавии уже выявлены резистентные к лекарству вирусы, а в Японии, похоже, применение тамифлю привело к повышению числа самоубийств среди молодых людей. Грипп нельзя недооценивать. Я болела гриппом, именно гриппом, а не простудой, вызванной риновирусом. Я себя очень плохо чувствовала, находилась в полусознательном состоянии и даже не вспомнила, что специально на такой случай у меня в холодильнике хранится тамифлю. Он эффективен только сразу после инфицирования, что объясняется очень просто: на начальном этапе вирусная нагрузка невелика. Между прочим, бумажные носовые платки нужно выбрасывать не в корзину, стоящую рядом с рабочим столом, а в ведро с крышкой. И даже незаменимый секретарь должна остаться дома, а не распространять вирус в офисе.

Существует широкомасштабная система мониторинга вирусов – Глобальная инициатива по прогнозированию вирусов (globalviral.org). Google, как ни странно, тоже участвует в составлении прогнозов. Считается, что пользователи интернета в периоды распространения инфекции гораздо чаще ищут информацию по гриппу. В рамках проекта «Тенденции в распространении гриппа» были достоверно предсказаны волны гриппа за неделю до их наступления более чем по 100 американским городам. Очень умно!

Теоретически вирус Эбола считался потенциально опасным. Тем не менее все 24 вспышки с 1976 по 2013 г. не приобретали характер пандемии; в общей сложности было зарегистрировано 1500 смертельных случаев. Вспышки заражения этим вирусом были зафиксированы в Западной Африке, но очаги заражения оказались локальными и незначительными по размеру. Но они могли быть достаточно опасными и спровоцировать бегство из очагов эпидемии, что временами относится и к медикам, которые подвергаются самому серьезному риску, поскольку практически каждый второй пациент погибает от геморрагии – внутреннего кровотечения. Считалось, что пациенты настолько плохо себя чувствуют, что не в состоянии распространять вирус. В 2015 г. ситуация изменилась, так как повысилась мобильность населения, и рынки, школы и прочие места скопления людей усугубили ситуацию как никогда прежде. Эпидемия охватила три страны – Гвинею, Сьерра-Леоне и Либерию, где было отмечено 11 000 смертей из 30 000 случаев заражения. В регионе не хватает больниц и обычно за пациентами ухаживают родственники, которые таким образом заражаются сами. Основным источником заражения считаются традиции захоронения, сильно инфицированные тела и жидкости усопших, но по мере просвещения населения ситуация вполне могла измениться. Для этого заболевания не существует лечения, пациентам путем инфузии вводят жидкость, но при этом все равно требуются стерильные иглы. Во время карантина, длительность которого составляет до 30 дней, чтобы инфекция могла проявить себя, люди боялись подхватить болезнь. У тех, кто выздоровел, вырабатывается резистентность (устойчивость к вирусу), и они могут помогать другим. В крови переболевших даже пытались выявить антитела, оказывающие защитное действие. В настоящее время исследуются имеющиеся в научных учреждениях очень дорогие вакцины, которые получают в случае крайней необходимости. Распространители вируса – летучие мыши и мясо диких животных, но сами носители вируса не болеют. К животным – носителям вируса относятся также собаки, свиньи и, вероятно, грызуны, которые обитают во многих странах мира и могут быть заразны. Было показано, что эндогенизация последовательности генов вируса Эбола характерна для здоровых носителей и потенциальных переносчиков данного вируса. Эндогенизация означает присутствие последовательностей гена вируса в геноме животных (см. ниже).

Неожиданным оказалось, что вирус Эбола может прятаться в «резервуарах», например в головном мозге, и через несколько месяцев после выздоровления пациента индуцировать развитие тяжелой формы энцефалопатии. Впервые это явление было отмечено у выжившей после заражения Эболой медсестры, у которой через шесть месяцев выявили этот вирус в тканях головного мозга. Кроме того, у выздоровевших мужчин вирус сохраняется в семенной жидкости в течение четырех месяцев. Недавно разработанная вакцина может оказаться важной в будущем.

В Германии имеется определенный опыт «взаимодействия» с вирусом Эбола, поскольку он является близким родственником вируса – возбудителя геморрагической лихорадки Марбург. В компании Behring, офис которой находится под Марбургом (Германия), были отмечены случаи передачи вируса животным от обезьян, завезенных в 1960-х гг. Инфицированными оказались 30 человек, треть из которых погибли. Спустя 40 лет телеведущий Гюнтер Яух пригласил к себе на ток-шоу ученых и выживших пациентов. Сначала нам всем нужно было научиться громко и достаточно долго аплодировать, когда на сцену выходил ведущий. Затем мы обсуждали вопросы, касающиеся биотерроризма с использованием данного вируса, но, поскольку в настоящее время не существует никаких мер защиты от него и соответствующей терапии, это было бы опасно для самих террористов и непривлекательно с точки зрения биотерроризма. Памятуя, что в свое время происходило в Марбурге, сейчас лаборатории по проведению исследований по безопасности Марбургского и Гиссенского университетов оснастили оборудованием на самом высоком уровне биологической защиты (BSL4). Кроме того, в 2015 г. в Институте Роберта Коха (Берлин) открылась новая лаборатория с высокой степенью биозащиты. Во всей Европе найдется всего полдюжины таких лабораторий. Поэтому у Германии достаточно много шансов внести свой вклад в наши представления о вновь появляющихся опасных патогенах и заболеваниях. Известно, что вирусы редко полностью исчезают, поэтому мы должны готовиться к «возвращению» некоторых вирусов.

ТОРС (тяжелый острый респираторный синдром, или атипичная пневмония) – заболевание, для работы с возбудителем которого необходимы лаборатории с самым высоким уровнем биозащиты. В Гонконге коронавирус, возбудитель атипичной пневмонии, не однажды похищался из исследовательского института. Самым поразительным стал пресс-релиз 2014 г., в котором говорилось, что из парижской лабораторий с надлежащим уровнем безопасности пропало 30 контейнеров с возбудителями ТОРС из бака с жидким азотом, в котором хранятся образцы. Об этом происшествии по соображениям безопасности не сообщалось, чтобы никто не узнал об опасном содержимом пропавших контейнеров. Я предполагаю, что случилось вот что: просто кому-то потребовалось место в резервуаре с жидким азотом, вот его и «почистили». Все знают, что эти резервуары всегда заполнены, и иногда появляются очень старые образцы, хранящиеся много лет. Временами благодаря этому возникают новые направления исследований, как это было с ретровирусом с тогда еще новым онкогеном Jun. Даже в холодильнике помещения для семинарских занятий, который однажды сама чистила, я обнаружила кусочек маргарина, который семь лет никто не замечал, несмотря на то, что холодильником пользовались ежедневно. Вероятно, и образцы, пропавшие в Париже, благополучно закончили свой век в паровом стерилизаторе, в соответствии со стандартными процедурами, но были потеряны для исследовательских целей. Даже в моей цюрихской лаборатории с надлежащим уровнем защиты мы обнаружили дыру в стене, которая опасности не представляла, поскольку в помещении вообще и в стерильных помещениях в частности поддерживается низкое давление, но все же это было совершенно неожиданно.

Однажды поздно вечером в мой офис в Цюрихе пришла медсестра с кучей пробирок с образцами. В больницу с подозрением на ТОРС поступил пилот с Филиппин. Пора было бить тревогу. Сначала я позвонила коллеге из Института тропической медицины в Гамбурге, чтобы посоветоваться. Мне пришлось ждать почти до полуночи, пока он вернется с телешоу по ТОРС. Затем он продиктовал мне перечень реагентов (некоторые из них появились в Берлине буквально за неделю до этого) и праймеров для чувствительного лабораторного теста (полимеразная цепная реакция (ПЦР), о которой я расскажу ниже). Я считала, что для пациента с таким высоким риском это слишком долго, и предложила отвезти образцы в Гамбург, где и провести анализ. Их можно было туда отправить даже без сопровождения, воспользовавшись услугами World Courier. Нужно было упаковать один в другой, как в матрешке, примерно 10 контейнеров. Курьер на велосипеде, который должен был доставить контейнеры в аэропорт, уже ждал, и, чтобы его не задерживать, я украдкой спрятала последний оставшийся контейнер в карман своего лабораторного халата. Ночью институт в Гамбурге дал зеленый свет и сообщил, что результат анализа отрицательный, что вызвало чувство облегчения у сотрудников больницы. Пациент с ТОРС прибыл во Франкфурт (Германия), был помещен в карантинное отделение, получил лечение и выздоровел; при этом не произошло локальной вспышки заболевания, как это было в Канаде и Сингапуре. И почти «военные действия» – в частности, ежедневные отчеты о температуре тела у персонала – увенчались успехом. Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) проявила чрезвычайную обеспокоенность и всячески содействовала устранению опасных вспышек заболевания по всему миру; с этой целью ВОЗ часто публиковала отчеты и ежедневно давала рекомендации. В этот раз, как и в случае с вирусом Эбола, носителями вируса были летучие мыши. Летучие мыши живут крупными густонаселенными колониями и являются переносчиками вирусов, но сами не болеют. Выжившие люди также проявляют резистентность к вирусу, но до этого именно они стали жертвами болезни. Некоторые считают, что у летучих мышей иммунная система функционирует иначе, в частности имеется в виду гораздо более высокий уровень интерферона, в силу чего они гораздо меньше болеют. В настоящее время разрабатываются методы лечения ТОРС, в частности препараты на основе ингибиторов протеазы вируса. Аналогичный подход оказался эффективным при лечении ВИЧ. А между тем в Объединенных Арабских Эмиратах возникла новая вспышка ТОРС и умер шейх, его сын, а позднее и другие люди. Вероятнее всего, переносчиками вируса были верблюды. Этот вирус изолировали в медицинском центре «Эразмус» (Роттердам). Обычно вирус называют по месту его изоляции, поэтому в данном случае вирус получил название «ЕМС-вирус», но в настоящее время он известен как возбудитель ближневосточного респираторного синдрома (MERS-коронавирус). Отмечается увеличение показателя заболеваемости. Короткий эпизод инфицирования этим вирусом был зафиксирован в 2015 г. в корейской больнице – инфицированными оказались члены семей пациентов: они ухаживали за пациентами, поскольку как таковых медсестер в корейских больницах нет. ТОРС удалось быстро взять под контроль. Следует отметить, что в этом случае обошлись без эффективной вакцины и терапии и просто задействовали военных и приняли соответствующие меры санобработки.

Однажды ко мне в кабинет вошел мой коллега Алекс и сказал: «Я так себя плохо чувствую, просто умираю». Вспомнив картинки из учебника по вирусологии (я по образованию не медик), я диагностировала корь. Алекс только что вернулся c Украины, куда ездил на день рождения бабушки. В интернете появилась информация о вспышке кори в этой стране. В силу политической нестабильности поколение граждан Украины не прошло вакцинацию. Весь персонал Цюрихского института проверили на предмет выявления антител к возбудителю кори и на всякий случай вакцинировали, что сделать никогда не поздно. Алекс вместо того, чтобы отправиться в больницу, как ему было сказано, сел в трамвай, где заразил ребенка. К счастью, оба они поправились. Но вот недавно некий педиатр заразил корью детей в своей клинике, поскольку у него не было прививки. В связи с этим возник вопрос о том, чтобы врачи в обязательном порядке прививались от кори. Ежегодно от кори погибает 1,7 млн человек. Многие родители отказываются делать прививку детям, опасаясь побочных действий (утверждалось, что побочным действием прививки от кори является развитие аутизма, что не соответствует действительности). Корь особенно опасна для взрослых, поскольку возможным осложнением является энцефалит. Корь оставила свою отметину в истории человечества, так как стала причиной вымирания населения целых островов и одной из причин заката цивилизации майя, повлияла на исход битв Карла Великого и ускорила падение Римской империи. Кроме того, корь может поражать животных (возможно, кто-то помнит гибель большого числа тюленей в Северном море).

Опасения людей в отношении прививок от кори служат нам своеобразным уроком и позволяют понять, что вакцинация основана на доверии населения, его информированности и предоставлении людям корректной информации. Интерес к вакцинации резко снизился, когда распространилась информация, что американские секретные службы под видом проведения вакцинации осуществляли забор крови у сельского населения в Пакистане, чтобы выяснить, где прячется Усама бен Ладен. После этого в течение нескольких лет наблюдался рост числа отказов от вакцинации.

Норовирусы не очень опасны, но они чрезвычайно заразны. Для развития инфекции достаточно буквально нескольких вирусных частиц. В 1990-х гг. круизный лайнер Deutchland стал первым судном, на борту которого возникла вспышка норовирусной инфекции. Порт приписки этого судна – Нойштадт, он расположен на побережье Балтийского моря. Здесь прошло мое детство. Об этом случае много писали в газетах, был поднят оранжево-черный флаг, означающий карантин, то есть запрет подниматься на борт судна и покидать его. Руководитель диагностического отдела (кафедры диагностики) в Цюрихе, которому я позвонила, сразу правильно назвал возбудителя инфекции – норовирусы. Ими была заражена питьевая вода, поставленная на борт лайнера. Это – источник опасности, поскольку такое могло произойти на борту любого круизного судна и, возможно, привести к смерти пожилых людей и людей с ослабленным здоровьем. Теперь экипаж любого круизного судна в обязательном порядке инструктируют о действиях в подобных ситуациях – нужно полностью изолировать зараженных пассажиров! Недалеко от Цюриха в одной больнице пришлось ввести недельный карантин. Во Франкфурте изолировали ночной поезд, поскольку в нем оказались инфицированные школьники. Вероятно, в будущем мне нужно будет отказаться от поездок в шестиместных купе в этом поезде, но пока я на нем езжу.

А как насчет клещей? Если врач затрудняется поставить вам диагноз, не забудьте сообщить ему, что вас какое-то время назад укусил клещ. Желательно по возможности сохранить клеща для диагностики. Он может быть переносчиком бактерий Borrelia burgdorferi, возбудителя болезни Лайма (клещевого боррелиоза) или вируса клещевого энцефалита. Бактерии лечатся антибиотиками, а ВКЭ не поддается лечению. Диагноз ставится после изучения клеща. В ряде случаев, но не всегда, вокруг места укуса клеща на коже образуется «подвижный» красный ореол. В Принстонском университете все знали и говорили об этой угрозе. Однажды знаменитый ученый Джон Хопфилд – создатель искусственной нейтронной сети Хопфилда – сделал вид, что сошел с ума, а объяснил это тем, что у оленя, живущего у него в саду, очень часто бывают клещи. Возможно, и его укусил клещ. После укуса Джон на всякий случай принял антибиотик. Об этом важно помнить, если у вас сильно болит голова по необъяснимой причине. Между прочим, если вы едете летом отдыхать в Австрию, нужно обязательно заблаговременно сделать прививку против клещевого энцефалита. Их главный вирусолог – специалист по клещам, уж он-то должен знать!

Новые вирусы зачастую оказываются совсем не новыми. Однажды в Нью-Йорке с неба стали падать мертвые вороны. Через несколько лет всю территорию США захватил «новый» вирус – вирус лихорадки Западного Нила (ЛЗН). Судя по названию этого вируса, он появился не в Нью-Йорке; вероятно, его «доставили» самолетом из Израиля. Комары, зараженные птицами, могут индуцировать энцефалит у человека. Самый быстрый способ распространения вирусов – воздушный транспорт. На самолете вирусы за сутки могут попасть в любую страну мира, при этом они часто находят убежище в кондиционерах.

Общественность обычно выражает неудовольствие по поводу неспособности властей предпринять превентивные меры или достаточно быстро отреагировать на вирусы. Мы все должны осознавать, что речь идет о новых вирусах, которые застают нас врасплох. Одним из таких вирусов является вирус Зика. Я узнала о нем только в 2016 г. На протяжении нескольких десятилетий это был вирус обезьян, обитающих в Уганде в лесу Зика, но в 2016 г. он распространился в 32 странах мира, поэтому ВОЗ объявила о «глобальной чрезвычайной ситуации в области здравоохранения». Этот вирус вызывает микроцефалию у новорожденных, инфекцию головного мозга и передается половым путем. Переносчиками вируса, сходного с вирусом лихорадки Денге и желтой лихорадки, являются два вида комаров (Aedis aegypti,которые также являются переносчиками так называемой желтой лихорадки, и Aedis albopictus, тигровые комары). Для уничтожения москитов используют инсектициды или инфицируют их бактериями, которые блокируют вирус. Еще можно стерилизовать самок для предотвращения появления нового потомства. Каждая из этих задач трудноосуществима. Тигровые москиты добрались до Южной Европы. Они хорошо переносят низкие температуры и размножаются в лужах. Это новая, но далеко не последняя вспышка.

ВИЧ в качестве примера

Ранним утром, примерно 30 лет назад, отдыхая в Провансе (Франция), я пыталась связаться со своей коллегой Юттой, жившей в Берлине. «Ютта, в газете сообщается о несчастных случаях в американской лаборатории и смерти работавшего с ВИЧ оператора. Прекращай все работы. Выброси всё в паровой автоклав и уничтожь все образцы вирусов – это может быть опасно для жизни». А она – ни в какую! «А может быть, я сначала закончу эксперимент? Я буду соблюдать осторожность». Типичная реакция ученого. Помнится, когда мы смотрели на препарат ВИЧ в центрифужной пробирке, он был мутным, в отличие от всех других вирусов, выращенных в лабораторных условиях. Мы рисковали жизнью, сами того не зная. Однажды во время трансатлантического перелета я попросила стюардессу положить пробирку с образцом вируса в холодильник, и она лежала рядом с едой для пассажиров. Правда, пробирка была закрыта пробкой и опасности не было. И все же! А Ютта даже исследовала кровь своего коллеги, чтобы определить его ВИЧ-статус. А что было бы, если бы результат теста оказался положительным? В то время ВИЧ-положительный статус был равнозначен смертному приговору.

Во всем мире одна из самых частых причин смерти – инфекционные заболевания. От ВИЧ ежегодно умирает 2 млн человек. Еще столько же заражается ВИЧ. Для сравнения: в мире ежегодно умирает от рака 8,2 млн человек. В конце 1970-х гг. считалось, что благодаря антибиотикам удалось взять под контроль инфекционные заболевания. С появлением ВИЧ/СПИДа оптимизм исчез и его сменили страх и пессимизм. Даже возникла паника, как когда-то во времена страшной чумы Юстиниана в Восточной Римской империи около 541 г. О ВИЧ ничего не было известно – ни способы распространения вируса, ни пути заражения, ни диагностика и лечение. По счастливому совпадению именно тогда появились новые технологии, позволяющие лучше понимать болезни: молекулярная биология и генная инженерия. Наступила эра молекулярного клонирования, стало возможно рекомбинирование ДНК-фрагментов генов с помощью высокочувствительной полимеразной цепной реакции (ПЦР) для выявления крайне малого объема генетического материала путем его амплификации в пробирке. Все эти методы можно было использовать в исследованиях, и в результате удалось добиться одного из самых невероятных успехов в истории медицины, которого ранее никто не добивался. До сих пор не хватает только одного элемента: вакцины. Вот какое заключение можно сделать по результатам 35 лет интенсивных исследований. Вирус секвенировали практически сразу. Такой вирус можно было вырастить и амплифицировать его производство в лабораторных условиях, что позволило ученым и фармацевтическим компаниям подбирать препараты для лечения, а также разрабатывать надежные методики и тесты для скрининга образцов крови. Одновременно для лечения ВИЧ было одобрено более тридцати препаратов.

Недавно был разработан диагностический экспресс-тест для установления ВИЧ-статуса потенциального сексуального партнера перед тем, как пойти в мужскую сауну; процедура быстрая, однако не очень надежная. Самотестирование способствует снижению уровня инфицированности ВИЧ. В настоящее время в западных странах никто не должен умирать от СПИДа, ведь медицинская страховка покрывает расходы на соответствующую терапию, стоимость которой до сих пор составляет около $20 000 в год. Трудность состоит в том, чтобы поддержать малоимущие слои населения даже в богатых странах. Подход к подавлению резистентной ко многим лекарственным средствам ВИЧ-инфекции с помощью трех препаратов, который называется ВААРТ (высокоактивная антиретровирусная терапия), «тройная терапия», стал применяться при наличии достаточного количества препаратов в лечении других инфекционных заболеваний и рака. При этом ВИЧ-инфицированные пациенты могут вести практически нормальную жизнь, а продолжительность жизни у них практически такая же, как у неинфицированных, то есть в западных странах она составляет примерно 75 лет. В странах третьего мира срок жизни у пациентов с ВИЧ после постановки диагноза составляет примерно 11 лет. Часто это происходит на фоне «двойной терапии» (АРТ, антиретровирусная терапия) и запоздалого начала лечения. На Западе ВИЧ-инфицированные пациенты могут вести нормальную семейную жизнь и иметь неинфицированных детей. «Терапия как профилактика» – лозунг, означающий, что инфицирования не должно произойти, если пациент строго придерживается режима лечения. Доконтактную и постэкспозиционную профилактику (ДКП и ПЭП) начали проводить с 2012 г., и в этом направлении достигнут значительный прогресс, что привело «к почти полному выздоровлению» пациентов.

В зависимости от прописанных препаратов пациент, руководствуясь принципом «утро начинается с таблетки», должен принимать лекарства с интервалом в несколько часов или сутки. Так здоровые люди могут оставаться здоровыми, а терапия для ВИЧ-инфицированных является одновременно профилактикой для неинфицированных партнеров. Это, вероятно, оптимальный вариант до тех пор, пока (возможно) не будет разработана вакцина. Полностью вывести вирус из организма человека, то есть излечиться, пока невозможно, но это станет новой амбициозной целью. Вирус меняется и сохраняется в «резервуарах», недоступных для современных терапевтических средств. Тем не менее при «тройной терапии» вирусная нагрузка (ВН) снижается с 1 млрд до примерно 20 частиц на 1 мл крови. Таков диагностический предел выявления, основанный на вышеупомянутом высокочувствительном методе амплификации генов с помощью ПЦР.

В связи со столь значительным снижением вирусной нагрузки возник следующий вопрос: может ли пациент в случае эффективного лечения перестать быть источником заражения? При положительном ответе это означало бы, что не нужно принимать меры предосторожности при половых контактах – таковы были доводы. Интересно отметить, что этот вопрос впервые был поднят в Швейцарии – стране, где люди обеспокоены вопросами безопасности более, чем где-либо. Это предложение вызвало в мире волну дебатов, но в конечном итоге было принято. Поэтому в настоящее время ВИЧ-инфицированным не нужно сообщать партнеру о своем ВИЧ-статусе. Однако приверженность лечению и четкое выполнение всех предназначений врача ВИЧ-инфицированными пациентами являются жесткими и обязательным условием, а также строгим лимитирующим фактором.

В 2013 г. отмечалось 35-летие с начала исследований ВИЧ, в связи с чем в Институте Пастера (Франция) был проведен симпозиум. Лауреат Нобелевской премии «за открытие вируса иммунодефицита человека» Франсуаза Барре-Синусси пригласила принять в нем участие исследователей со всего мира. На этом мероприятии не присутствовал очень известный ученый Люк Монтанье, руководитель отделения, сотрудники которого открыли ВИЧ и который в 2008 г. также был удостоен Нобелевской премии. Любопытно узнать, что Монтанье отказался от исследований и идеи применения проверенных терапевтических средств для лечения ВИЧ-инфекции и обратил свой взор к «альтернативной медицине», предусматривающей использование экстрактов растений. Но такой подход не нашел широкой поддержки среди ученых.

Еще раз был показан исторический слайд – электронная микрофотография данного вируса. Уже на этом первом снимке видно, что вирус меняет свою внутреннюю структуру под действием протеазы, а созревание вируса происходит после того, как он покидает клетку. В качестве профилактики этого процесса используют ингибиторы протеазы, после чего виден эффект препарата. Незрелый вирус теряет способность инфицировать. Снимок вируса, полученный при помощи электронного микроскопа, имел историческую важность, поскольку Роберт Галло, возглавлявший в то время Национальный институт здравоохранения в Бетесде (штат Мэриленд), опубликовал его как сделанный им самим. Франсуаза показала мне эти два снимка на демонстрационной доске. В итоге протесты научного сообщества вынудили сделать заявление, что допущена ошибка: снимки перепутали и опубликовали «не тот снимок». Некоторые коллеги Галло после этого переехали в другие страны. А вот журналисты об этом случае не забыли. Галло получил вирус от Люка Монтанье, который щедро раздавал образцы другим исследователям. Смешав несколько вирусов, Галло вырастил в лаборатории вирус-кандидат, который, однако, оказался изолятом, полученным Монтанье. Как правило, вирусологи не смешивают изоляты вирусов. Наоборот, они изолируют отдельные клоны, но в данном случае произошло смешение и маскирование. В конечном итоге правительство Франции и администрация США пришли к компромиссу, в соответствии с которым обе стороны делят роялти от патента. В конце концов, Галло выявил очень важный фактор роста – интерлейкин IL-2, обеспечивающий распространение вируса в клеточной культуре, что явилось важным вкладом в разработку диагностического теста. Только ВИЧ настолько быстро мутирует, что не существует двух одинаковых изолятов этого вируса. Адвокаты строили защиту на основании того, что «полученный Галло изолят» отличался несколькими мутациями, однако им не удалось доказать, что это отдельный изолят. Нападки на Галло продолжались десять лет. Это стоило ему Нобелевской премии, несмотря на то, что вскоре после открытия вируса он опубликовал в журнале Science три замечательные статьи. Кроме того, Галло открыл Т-лимфотропный вирус человека типа 1 (HTLV-1) – эндемичный японский вирус, имеющий лишь отдаленное сходство с ВИЧ. Друг Галло сравнил его с футболистом, который живет по принципу «пропустил мяч – не беда, пробуй снова». Поэтому Галло приехал в Париж на празднование. Шоу должно продолжаться. Все участники ежегодной конференции в возглавляемом Галло Институте вирусологии человека (IHV) в Балтиморе присутствовали на приеме в честь «почти Нобелевского лауреата», организованном г-жой Кеннеди. Прием был платным.

Насколько впечатляют имеющиеся достижения в области разработки терапии ВИЧ/СПИДа? Весьма любопытно, что до сих пор требуются новые препараты, хотя вряд ли найдется вирус или заболевание, для лечения которого имелось бы столько препаратов. Наиболее эффективными оказались достаточно поздно разработанные ингибиторы интегразы. Разработанный в 2015 г. препарат предотвращает выход вируса из клетки-хозяина, а не репликацию, что делают большинство других препаратов. Это очень необычный подход, реализовать который не может ни один другой препарат, он заключается в том, чтобы «убедить» вирус выйти из своего убежища. Идея заключается в том, чтобы «вытащить вирус из его убежища» или «оказать на него шоковое воздействие и уничтожить», то есть сначала получить больше вирусов, а потом воздействовать на них. Иными словами, сначала повысить инфицированность организма, а потом снизить ее – звучит довольно рискованно.

В Африке стоимость препаратов существенно снизилась (до нескольких сот долларов в год) в силу того, что Билл Клинтон обязался снижать их стоимость. Однако побочным эффектом этого явления стало отсутствие у фармацевтических компаний заинтересованности в разработке новых препаратов. Препараты из Африки контрабандно поставлялись в другие страны, подрывая таким образом фармацевтический рынок. В настоящее время эти препараты выпускаются в двух цветах: светлые и темно-синие таблетки в зависимости от страны-производителя, поэтому можно проследить их происхождение. Одинаково ли они эффективны? Не знаю.

Однако остаются проблемы, касающиеся резистентности ВИЧ у получающих терапию пациентов. В вирусе содержится 10 000 нуклеотидов, и они мутируют – примерно 10 мутаций за одну репликацию каждые сутки. Работа обратной транскриптазы, фермента, необходимого для репликации вируса, транскрибирующего вирусную РНК в двуспиральную ДНК, часто подвержена ошибкам. Поэтому многие мутантные формы вируса аккумулируются и таким образом ускользают от терапии. В организме любого пациента всегда находится большое количество разных вирусов, называемых квазивидами. Все эти вирусы родственны между собой, хоть и неидентичны. Некоторые виды вирусов – мутанты, не поддающиеся одной терапии, и, следовательно, для них требуется другая терапия, которая зачастую представляет собой применение комбинации препаратов. Если заменить одну терапию другой, первоначальный вирус созревает довольно быстро, в течение нескольких недель, что немало удивило ученых, когда они это впервые это отметили. В западных странах уже используется «тройная терапия», и не за горами появление «тетратерапии» в виде одной таблетки. Кроме того, осуществляется разработка и первое тестирование инъекции лекарства пролонгированного действия, рассчитанного на три месяца. Объем инъекции пока достаточно большой (4 мл), и укол довольно болезненный.

Как сейчас обстоят дела в мире? Действительно ли все так хорошо, как говорят результаты исследований? В мире 37 млн людей с ВИЧ-положительным статусом, у 21 млн человек диагностирована инфекция, ежедневно регистрируется 2 млн новых больных (данные по состоянию на 2013 г.). Объединенная программа ООН по ВИЧ/СПИДу регулярно публикует такие данные. В 2013 г. 1,5 млн человек умерло от СПИДа, это 1/10 от аналогичного показателя за предыдущие 10 лет. 15 млн ВИЧ-инфицированных получают терапию, а 22 млн пока еще ждут ее. Получение терапии, снижающей вирусную нагрузку (ВН) до неопределяемого уровня, означает, что человек более не является носителем инфекции и не распространяет вирус. В США этот показатель составляет 30%, в Швейцарии и Великобритании – примерно 60%, в России – 11%. Почти четверть новых ВИЧ-инфицированных составляют женщины в возрасте 15–24 года. В Африке практически нет шансов повысить уровень жизни, и молодые женщины становятся проститутками, обслуживающими богатых «папиков». Если это не прекратится, эпидемия будет продолжаться. В настоящее время принимаются меры, направленные на удержание в школе девочек-подростков, для чего используют «финансовую мотивацию», то есть выдают им определенную сумму наличными, чтобы они не занимались проституцией и могли купить столь желанный сотовый телефон.

Точно так же путем денежных выплат ($12,5) продвигают идею обрезания у мужчин, что снижает уровень инфицирования примерно в два раза. Помнится, когда лет 30 назад впервые предложили применять обрезание, это воспринималось как чрезвычайная мера и как признание несостоятельности проводившихся исследований, и аудитория взрывалась смехом. Данная процедура применяется до сих пор, как и в библейские времена.

Спасти детей, сохранить следующее поколение стало целью после того, как в Африке потеряли целое поколение. Нужно исключить возможность заражения новорожденных. В западных странах заражение новорожденных ВИЧ во время родов трактуется как умышленные неправомерные действия медперсонала. Передачу вируса от матери к ребенку (ПМР) можно предотвратить, если мать получает терапию и во время родов принимает соответствующие препараты. Но предоставить таким пациентам возможность получать соответствующую терапию до сих пор достаточно проблематично. Вряд ли кто-нибудь помнит предложенную Джорджем Бушем модель: «Умейте воздерживаться, будьте честными и пользуйтесь презервативами». Самая серьезная задача для медиков – перенести учение на практику, но побудить людей отказаться от курения и правильно питаться, не говоря уже о защищенных половых контактах, достаточно сложно.

Хуже всего, что многие американцы, инфицированные ВИЧ, об этом даже не догадываются. Их число составляет 200 000 на каждые 1,3 млн человек. К числу таких людей относится одна треть новых зарегистрированных ВИЧ-инфицированных. К сожалению, именно новые ВИЧ-инфицированные пациенты особенно заразны. Новая, весьма впечатляющая стратегия сводится к тому, чтобы начать лечение как можно раньше, но для этого нужно знать, что человек ВИЧ-инфицирован! Еще одна серьезная проблема заключается в несоблюдении пациентами назначений врача. Около половины получающих терапию пациентов принимают лекарства нерегулярно и остаются заразными. Необходимо проводить разъяснительную работу, поскольку в случае с ВИЧ-инфекцией лекарства дают выраженный защитный эффект.

Ставится задача реализовать до 2020 г. «правило большого пальца» – «90 : 90 : 90», которое означает следующее: 90% инфицированных должны быть диагностированы, 90% из этих людей должны получать антиретровирусную терапию и у 90% этих пациентов вирусная нагрузка должна быть ниже определяемого уровня. При таком уровне вирусной нагрузки примерно 72% пациентов считаются успешно проходящими лечение. В этом случае не происходит заражения партнера и можно остановить пандемию. В ряде африканских стран (например, в Ботсване) такие мероприятия уже весьма успешно реализуются. Задача заключается в том, чтобы в результате лечения не удавалось выявить РНК ВИЧ. Объектом всех этих амбициозных усилий является вирусная нагрузка (ВН), и задача заключается в том, чтобы ВИЧ у пациентов со СПИДом находился ниже выявляемого уровня. Может быть, тогда к 2030 г. удастся победить СПИД? Но это только прогноз. В принципе это возможно, так как речь идет в основном об антивирусной терапии, проведении разъяснительной работы, улучшении санитарных и гигиенических условий и совершенствовании системы здравоохранения, но для этого нужны средства.

Берлинский пациент и младенец из Миссисипи – ВИЧ излечим?

Уникальный терапевтический эффект излечения одного пациента был получен в берлинской клинике «Шарите». ВИЧ-положительному пациенту с лимфомой для лечения должны были проводить пересадку костного мозга. С этой целью выбрали донора, обладающего естественной резистентностью к ВИЧ. При этом была надежда на то, что у «берлинского пациента» тоже выработается резистентность к этому вирусу и он вылечится, что действительно и произошло. Примерно у 15% европейцев наблюдается резистентность к ВИЧ-инфекции в силу естественной мутации на поверхности рецептора, при помощи которого вирус проникает в клетку (этот рецептор называется хемокиновым рецептором CCR5, а мутация – CCR5дельта32, поскольку молекула сокращается на 32 аминокислоты). Проводился ряд исследований останков людей, переживших эпидемию чумы, известную как «черная смерть», чтобы выяснить, выжили ли они в силу каких-то мутаций, произошедших в Средние века. Тела эксгумировали, чтобы выделить из останков последовательности генов, – но, похоже, подтверждений этой гипотезы обнаружено не было.

Пересадка костного мозга и замена лимфоцитов пациента ВИЧ-резистентными лимфоцитами оказалась эффективной мерой. Поэтому счастливчик Том Браун, перенесший ВИЧ, десять лет считался «функционально излеченным» – определение, которое дается пациентам с вирусной нагрузкой ниже выявляемого уровня, но может привести к более поздней ремиссии. «Стерилизация» могла бы оказаться более эффективной терапией, не сопровождающейся ремиссией. Эту процедуру повторяли восемь раз, но все попытки оказались безуспешными. Применительно к пациентам со СПИДом подобные повторные процедуры – дело непростое, поскольку для их проведения иммунитет пациента нужно свести практически на нет, а это довольно рискованная процедура. Поэтому этот случай можно рассматривать как не более чем модель для новых терапевтических подходов. Такие подходы предусматривают либо блокировку, либо подавление рецептора CCR5 (для чего используется сайленсерная РНК), после чего вирус не может попасть в клетку. Люди вполне обходятся без этого рецептора и живут нормальной жизнью.

Еще одним примером почти полного излечения является случай с младенцем из Миссисипи. Ему начали проводить лечение сразу же после рождения (в течение 30 часов) – это можно делать, поскольку такая терапия нетоксична. Ребенку в течение 19 месяцев проводили антиретровирусную терапию (АРТ). Такую же терапию проводили еще 19 детям в рамках контроля после лечения (КПЛ), направленного на контроль вируса. Однако это не полный контроль, поскольку в случае с младенцем из Миссисипи через четыре года вирус вновь дал о себе знать. Однако другой ребенок является «функционально излеченным» более 12 лет, поэтому можно надеяться, что остаточный вирус будет контролироваться на протяжении оставшейся жизни человека (для этого требуется снижение вирусной нагрузки (ВН) хотя бы на пять десятичных логарифмов (в 100 000 раз), чтобы этот показатель составлял 50 вирусных копий/мл).

Новые подходы направлены на то, чтобы «вырезать» ВИЧ молекулярными «ножницами», что намного легче осуществить, используя новейшую технологию, предусматривающую применение описанных ниже молекулярных «ножниц» (CRISPR/Cas9). Для этого потребовалась бы ex vivoгенная терапия специально отобранных клеток, возможно, вирусные векторы для лечения и реинфузия, а также терапия второй линии, чтобы бороться с «минимальными остатками заболевания» в клетках, поскольку не существует эффективной на 100% терапии. Кто в состоянии оплатить такие исследования и последующее лечение и где? В Африке? Но зато был создан новый журнал Cure HIV. Много шума. Еще один новый подход заключается в активации вируса, который прячется в организме пациента (для этого применяют препарат вориностат), чтобы против него можно использовать соответствующую терапию. Этот метод изучается в процессе исследовании DARE – очень символичное сокращение[6], поскольку увеличить вирусную нагрузку, чтобы после этого уничтожить вирус, рискованно. Кроме того, в настоящее время проводится исследование так называемых «элитных контроллеров» с целью выяснить, как их организм контролирует вирус. Иммунная система таких людей имеет одну особенность – наличие генного варианта HLA-B57, который, возможно, обусловливает контроль над вирусом. Такая возможность изучается в рамках Исследования вирусологических и иммунологических аспектов у контроллеров после прекращения лечения (VISCONTI). Основной тезис прост: лечение нужно начинать как можно раньше!

Вакцины против ВИЧ не существует?

Каковы же результаты тридцатилетней истории разработки вакцины? Вакцины от ВИЧ нет, и так как обещания ее разработать остались невыполненными, никто не решается делать прогнозы. Когда открыли ВИЧ, специалисты в области молекулярной биологии полагали, что удастся сразу же разработать против него вакцину. За модель взяли вирус гепатита В (HBV), при котором поверхностные молекулы индуцируют синтез антител, которые нейтрализуют вирус, противодействуют его инфекционности, предотвращая репликацию. По аналогии с HBV в качестве основы для разработки вакцины выбрали последовательность, кодирующую белок оболочки вируса ВИЧ. Эта последовательность стала известна уже через несколько месяцев после обнаружения вируса. Затем наподобие HBV использовали поверхностный белок ВИЧ, полученный из дрожжей и бактерий путем использования технологии рекомбинантной ДНК. Это было первое успешное производство вакцины с использованием новой технологии. Однако в отношении ВИЧ она не работала, несмотря на некоторое сходство ВИЧ с вирусом гепатита В. Причина заключается в том, что HBV генетически более стабилен и несет внутри вирусной частицы практически полную двуспиральную ДНК, которая гораздо меньше подвержена изменениям, нежели геном ВИЧ, представленный односпиральной РНК, которая весьма вариабельна, и ее до сих пор не удалось «поймать». Таким образом, прогнозы вирусологов оказались настолько нереалистичны, что все, кто имеет отношение к этой деятельности, до сих пор испытывают неловкость, поскольку различия между HBV и ВИЧ уже тогда были известны всем исследователям. Вакцины против поверхностных белков в состоянии нейтрализовать вирус в лучшем случае в пробирке, но никак не в реальной жизни, да и представлен он не одним видом, а характеризуется видовым разнообразием, наличием квазивидов и к тому же быстро изменяется.

Непреднамеренная «вакцинация» произошла в Австралии, когда пациенты с нарушением свертываемости крови получали дополнительный препарат крови «Фактор VIII». Этот продукт был заражен дефектным ВИЧ без одного добавочного гена (изначально он «негативный»), фактора патогенности Nef. Это был медленно реплицирующийся вирус, который мог бы стать идеальной вакциной, судя по ранее разработанным вакцинам, в частности по вакцине против полиомиелита, работающей по принципу ослабленного (медленно реплицирующегося) вируса. Это один из лучших дизайнов вакцин. Тем не менее через 10 лет некоторые реципиенты «Фактора VIII» заболели: вирус восполнил дефектный ген и стал быстрее реплицироваться, что, к немалому удивлению вирусологов, и привело к развитию заболевания.

Ведется тщательное исследование белков поверхности клетки, но пока эта деятельность не увенчалась успехом. Такие поверхностные молекулы нужны вирусу для обнаружения и заражения клетки-хозяина, поэтому поверхность клетки до сих пор находится в центре внимания исследователей. В настоящее время используется новый подход, заключающийся в исследовании антител у зараженных ВИЧ людей, у которых заболевание в течение продолжительного времени не прогрессирует. Этих людей называют долговременными нонпрогрессорами (LTNP) или элитными контроллерами (ЭК). В лабораторных условиях из объема антител, полученных у таких пациентов, отбирают антитела, способные связываться с поверхностью ВИЧ, нейтрализуя его и превращая в неинфекционный. Был проведен tour de force скрининг 200 000 антител, чтобы отобрать несколько антител-кандидатов, которые в настоящее время разрабатываются для получения новой вакцины.

В Таиланде проводилась ранняя стадия крупномасштабных клинических исследований (RV144), в которой участвовали 16 000 добровольцев. Полученные результаты неоднократно анализировали, и качество полученных данных улучшалось в зависимости от статистики, собранной между 2009 и 2015 г. Вакцина представляет собой «прайм-буст» – комбинацию вирусного вектора Canarypox (ALVAC) и gp120, поверхностного белка вируса (с использованием формы белка В и АЕ в качестве мономеров, а не триммеров, но, так как изначально не было известно, что вирусный белок естественным образом подвергается триммеризации, эта вакцина оказалась неоптимальной). Выяснилось, что вакцинация снижает риск заражения на 31%. Фонд Билла и Мелинды Гейтс спонсирует исследование одного из вариантов этой вакцины с участием 5400 добровольцев (форма С) в Африке и прогнозирует – или надеется, – что к 2030 г. эта работа увенчается успехом.

Новая технология позволяет идентифицировать нейтрализующие антитела широкого спектра действия (bnAb) в русле новой стратегии. Если одна вакцина оказывается неэффективной, возможно, успешной окажется комбинация вакцин, то есть последовательная иммунизация. Означает ли это, что можно поэтапно управлять иммунным ответом в целях разработки специальных классов антител к ВИЧ – речь идет о последовательности вакцин, поражающих движущуюся мишень? Трудно сказать. Аденоассоциированный вирус (ААВ) экспрессирует bnAb в клиническом исследовании, проводимом в настоящее время в Великобритании. Дэн Барух из Гарвардского университета тестирует вакцину «Aденовирус – Env». План исследования предусматривает использование модифицированного аденовируса для экспрессии нескольких белков ВИЧ (Gag, Pol и Env) и последующий «буст» с использованием только поверхностного белка вируса Env.

В наши дни разрабатывается «подход-обманка». Вместе «настоящего» поверхностного белка вируса синтезируют аналогичный и используют как антиген с более выраженными иммуногенными свойствами, чем «нативный» поверхностный вирусный белок Env. Данный синтетический поверхностный белок применяется в надежде на то, что антитела станут лучше распознавать «нативный» поверхностный белок. Такой подход используется при работе с животными моделями (мы тоже его весьма эффективно применяли), и он вполне может сработать, но применительно к ВИЧ это совершенно новый подход. В настоящее время планируется тестирование реплицирующихся вирусов в качестве вакцины, но при этом следует помнить, что реплицирующиеся вирусы оптимально использовать в качестве вакцины, если они не вызывают развитие заболевания. В данном случае использовали модифицированный герпесвирус CMV, поэтому в результате вакцинации невозможно повторное появление интактного ВИЧ. Давайте ждать и надеяться. Долго ли – 15 лет? 30 лет?

«Голая ДНК»

Однажды в 1990-х гг. я неожиданно получила приглашение поработать в Малверне, штат Пенсильвания, США. Ранее я несколько лет консультировала компанию Centocor по использованию гена рака для диагностики или лечения этого заболевания. Но в этот раз речь шла о проекте разработки вакцины против ВИЧ, и с этой целью Centocor создала новую дочернюю компанию Apollon. Я должна была руководить разработкой этой вакцины и получила внушительно звучащую должность – директор по науке, но команда, которой я руководила, была малочисленной! Ежемесячно я на неделю уезжала из Общества Макса Планка (Берлин), так как время, проводимое мной за компьютером, никто не фиксировал. Я работала в очень интересной области знаний – наша задача состояла в разработке вакцины, основанной на «голой ДНК». В то время это было новое направление. Суть такой ДНК-вакцинации сводилась к введению действующей ДНК, кодирующей вирус, для получения частей вируса, ряда белков, стимулирующих инфекцию. Это должно было привести к синтезу антител у реципиента вакцины. ДНК представляла собой сложную комбинацию разных генов вируса, амплифицирующих генов, и некоторые из них происходили из совершенно других вирусов или даже бактерий. Это широкое поле деятельности для вирусологов, но вместе с тем от них требуется высокий профессионализм, так как секрет заключается в том, как при создании модуля искусственного вируса выбрать, «вырезать» и рекомбинировать гены, чтобы усилить одни свойства и воспрепятствовать усилению других. Нельзя допустить, чтобы в итоге образовался интактный патогенный вирус. И исследователю, и американским таможенникам должно быть понятно, что человек не инфицирован, а всего лишь вакцинирован.

Получив большой объем ДНК, мы неожиданно обнаружили, что все образцы, пробирки с исследуемым материалом и реагенты заражены ДНК. Где-то произошла утечка, и до того, как нам удалось устранить проблему с должной системой биозащиты, оказалось, что мы все вакцинированы – вакцина попала в организм через нос и легкие. ДНК не пострадала! А потом мы превратили ее в «пустышку», чтобы ее невозможно было украсть или чтобы конкуренты не смогли ее имитировать, – это обычные в этой отрасли меры предосторожности, но в исследовательских лабораториях такие меры предпринимаются реже, а у меня все это было впервые.

Затем ДНК протестировали в Цюрихе на нескольких ВИЧ-инфицированных пациентах. Эта была первая в Европе вакцина, основанная на ДНК. В течение нескольких лет «нежелательных явлений» выявлено не было. (Самое главное, что у добровольцев не отмечался аутоиммунный ответ.)

Однако неожиданно вирусологи Цюрихского университета сами продемонстрировали «серьезное нежелательное» поведение. Возможно, потому, что вторглись на их «территорию»? Я попыталась сотрудничать с ними до того, как мы начали вводить вакцину пациентам, но у меня ничего не получилось. Я начала работу над этим проектом до того, как приехала в Цюрих, и это – информация для размышления для тех, кто хочет избежать неприятностей.

После инъекции мы отметили, что один пациент заразился «не тем» штаммом ВИЧ – штаммом, который наша вакцина не могла распознавать. Когда мы отошли от первого шока, возникла реальная проблема, поскольку в первой фазе клинических исследований пациентам обычно вводят вакцину для исследования только ее безопасности. Конечно, нам бы хотелось оценить ее эффективность и защитные свойства, хотя это не было целью исследования. В настоящее время конструкция ДНК-вакцин используется в армии США, но в комбинации с другими вакцинами. Особенно привлекателен последовательный подход – «прайм-буст»: сначала происходит праймирование с помощью ДНК, а затем реакция бустируется с помощью вируса. В данном случае вирус представляет собой модифицированный аденовирус с «метками» ВИЧ, поскольку вирусные частицы улучшают иммунный ответ. Видимо, введение ДНК «тренирует» иммунные клетки, превращая их в клетки с долговременной памятью. Для нас это было неожиданно. Вирус для активации иммунной системы в ряде случаев содержит редкие триплеты, обозначаемые как «деоптимизирующие кодоны», что приводит к снижению выработки вируса. Такое изменение, зачастую предназначенное для вакцин, приводит к тому, что вирус теряет способность вызывать заболевание. В прошлом реальные, но инактивированные вирусы использовали в качестве основы для разработки вакцин. При введении ДНК иглы для инъекций больше не используют; сейчас для инъекции ДНК в мышечную ткань применяют пистолет-инжектор. У меня есть такой пистолет, предоставленный компанией-производителем. Он лежит в безопасном контейнере с красной бархатной подкладкой (чтобы лучше смотрелся). Однако нам такое приспособление показалось не очень эффективным. Возможно, следовало бы усовершенствовать конструкцию. Во всем мире вакцинация ДНК проводится с помощью таких пистолетов в самых разнообразных вариантах: прививка от гриппа, от респираторно-синцитиального вируса или вируса Эбола, равно как и недавно появившегося вируса Зика. И все же введение одной только ДНК очень уж неэффективно, в силу чего необходимо комбинировать ее с другими вакцинами. В отличие от вирусов, на поверхности раковых клеток не наблюдается экспозиции «инородных» белков, поэтому довольно сложно подготовить иммунную систему к их распознаванию в качестве мишеней для производства антител. Поэтому в настоящее время предпринимаются попытки делать ставку не столько на производство антител, сколько на стимуляцию клеточно опосредованного иммунитета путем выращивания культуры лимфоцитов с генетическим кодом для усиленного синтеза цитокинов. Поэтому в ходе одного исследования мы вводили такую ДНК (продуцирующую интерлейкин-12) пациентам с меланомой и получили некоторый эффект (об этом далее). Идея заключается в том, чтобы помочь тому, кто готов помочь себе сам.

Микробициды в качестве женских презервативов

На основе препаратов для лечения ВИЧ, которые оказались неэффективными для пероральной терапии, недавно были разработаны препараты местного вагинального применения для защиты от ВИЧ, передаваемого половым путем. Во всем мире женщины хотят сами заботиться о своем здоровье, не полагаясь на партнера. Было установлено, что вагинальная область в качестве мишени для микробицидов, способных инактивировать микробы и ВИЧ, охарактеризована недостаточно. Два исследования микробицидов, проведенные Фондом Билла и Мелинды Гейтс, оказались неэффективными на поздних этапах разработки, и их пришлось досрочно прекратить, поскольку было установлено, что микробициды не только не обеспечивают профилактику ВИЧ, а, наоборот, повышают риск заражения. Несмотря на компетентность и репутацию специалистов, привлекаемых фондом, исследования не увенчались успехом, из чего следует, что наши представления по данному вопросу не соответствуют реальности.

В 2010 г. я вместе с еще десятком европейских ученых организовала в Стелленбоше (ЮАР) в рамках глобального обмена Европейской организации по молекулярной биологии (ЕОМБ) курс лекций, посвященный проблеме ВИЧ/СПИД, при поддержке ЕОМБ и пустила на это свой грант. ЕОМБ рассматривала это мероприятие как первый шаг по осуществлению деятельности во всемирном масштабе за пределами Европы. ЮАР – страна с самым высоким в мире показателем заражения ВИЧ. Кое-кто из 60 молодых участников-африканцев сомневался, стоит ли подавать заявку на участие, и не решился сообщить об этих лекциях другим – тема ВИЧ была порицаемой в обществе. Бывший президент ЮАР Табо Мбеки на протяжении многих лет заявлял, что ВИЧ-инфекции можно было бы избежать, если бы люди принимали душ. Видимо, именно поэтому люди погибали.

Студентам нравились сумки с логотипом ЕОМБ, и за них разве что не дрались. У нас таких сумок оказалось недостаточно, поскольку половина из них исчезла на таможне и найти их так и не удалось. Лекции проходили в безопасном месте в Стелленбоше, в здании, содержание которого спонсировалось Фондом Валленберга (Швеция). Слушатели не решались передвигаться по Кейптауну и покидать его и никогда не выходили из дома после захода солнца. Они боялись ходить по перенаселенным районам окрестностей Кейптауна.

В окрестностях Кейптауна 1 млн человек проживают в примитивных пристанищах из картонных коробок, автомобильных покрышек и листов гофрированного железа. По нашим оценкам, на все это количество людей приходится примерно 50 сухих туалетов, несколько голубых кабинок, стоящих в ряд практически за пределами перенаселенного района. Вместо того чтобы осмотреть голландские виноградники, мы пошли на церковную службу в такой перенаселенный район. Все крутилось вокруг СПИДа – проповедь, богослужение, оформление и обсуждение, после которого к нам, иностранцам, подходили люди и говорили: «Нам нужна помощь». Мужчины, например, думали, что от ВИЧ можно избавиться, если иметь половой контакт с девственницей. Какая фатальная ошибка! В целом, к сожалению, потраченные мной на организацию этих лекций время и силы оказались малорезультативными. Сейчас более крупные организации добиваются все более и более впечатляющих успехов.

Пока все исследования микробицидов ни к чему не привели. Даже результаты самого многообещающего исследования CAPRISA (ЮАР), представленные на заседании ЕОМБ и на Международном конгрессе по СПИДу в Риме, где сообщение вызвало широкий резонанс, оказались невоспроизводимыми. Еще одно исследование микробицидов PrEp-VOICE, в котором участвовали 10 000 женщин, не принесло никаких результатов. Причиной неудачи исследования стало невыполнение более чем 30% испытуемых назначений врача, что часто обусловлено отсутствием образования, жизненным уровнем и плохими жилищными условиями. В настоящее время 10 микробицидов оказались неэффективными. Чтобы предотвратить ненадежный прием добровольцами таблеток, есть вариант инъекционного системного препарата длительного действия, и сейчас ведется научное исследование такого препарата с использованием ингибитора интегразы. Эшли Хаас из Миннесотского университета (Миннеаполис) доказала, что ВИЧ не поражает клетки, выстилающие влагалище, однако вирус проходит через клеточные соединения. Вирус выбирает сокращенный путь, и действующие в клетке соединения оказываются неэффективными, поскольку вирус находится вне клетки. А наше соединение подошло бы для этих целей.

Таким образом, из-за недостатка знаний исследования не были спланированы должным образом. Отсюда вывод: исследователям нужно учиться на ошибках. Перед тем как ввести вирус в клетку, его нужно убить. В 2016 г. продолжаются два клинических исследования с микробицидами (CONRAD 128 и MTN-030/IPM 041), в рамках которых проходит тестирование – с умеренными результатами – вагинального кольца с двойной функцией: противозачаточное средство и защита от ВИЧ-инфекции.

Как довести ВИЧ до «самоубийства»

Мы с коллегами в Цюрихе разработали методику, в соответствии с которой ВИЧ «убивают» до того, как он инфицирует клетку. С нашей точки зрения, наиболее актуальный способ избежать заражения – обработать влагалище микробицидом. Комментарий в журнале Nature Biotechnology по поводу опубликованных нами результатов был озаглавлен «Как довести ВИЧ до самоубийства» (2007). Цюрихский университет напечатал открытки с этим слоганом, которые можно было взять в трамваях в дни юбилея университета. Однако это не помогло нам реализовать на практике этот метод. Слишком дорого и сложно. «Суицид» вируса основан на действии молекулярных «ножниц», так называемой РНКазы Н, вызывающей расщепление РНК в гибриде РНК–ДНК. Обычно этот процесс происходит внутри клеток после того, как вирусная РНК скопирована в ДНК и становится бесполезной. В настоящее время такие «ножницы» присутствуют внутри вирусных частиц и задействуются после того, как вирус проникает в клетку. Их активация внутри частиц приводит к гибели РНК до ее копирования, поэтому репликация вируса становится невозможной – так происходит «суицид», или прекращение жизненного цикла вируса. («Ножницы»-РНКаза – один из четырех ретровирусных ферментов и единственный фермент, который до сих пор не является мишенью ингибиторных препаратов, поскольку в клетке находится слишком много аналогичных ферментов. Мы активируем этот фермент: обрабатываем вирус до того, как он внедряется клетку, и вводим часть ДНК, которая обусловливает появление гибрида и активирует вирусные «ножницы», приводящие к гибели вируса. Мы корректно охарактеризовали этот эффект как «ДНК-сайленсер», но это вызвало яростную реакцию у рецензента, заявившего, что только «сайленсер РНК» является приемлемым определением, и мы ему уступили.)

Мой коллега ввел «шпильку» ДНК мышам во влагалище, используя в качестве носителя гель. Только через пять лет мы отметили, что такое же вещество американское Управление по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными средствами (FDA) одобрило в качестве «профилактического фактора» при половом акте и смазывающего вещества при использовании медицинских приспособлений во время проведения манипуляций в трахее и т.д. Фонд Билла и Мелинды Гейтс согласился протестировать наше соединение с использованием стандартных процедур, чтобы обеспечить непосредственную сопоставимость данных. Однако эта процедура предназначена для ВИЧ внутри клетки, что было неприменимо к нашему соединению. Поэтому тестирование не дало положительных результатов, что я предвидела, но не могла предотвратить. «Шпилька» успешно уничтожала ВИЧ на мышиной модели тяжелого комбинированного иммунодефицита, она полностью предотвращала инфицирование и приводила к существенному уменьшению размера опухоли у мышей. Онкогенный вирус мышиной модели – заменитель ВИЧ, не инфицирующий мышей, что является серьезной проблемой для исследователей, поскольку многие годы в таких исследованиях использовались только дорогостоящие обезьяны. В настоящее время путем добавления новых свойств разрабатываются новые, мышиные модели. Мы изложили результаты по уменьшению опухоли в рукописи и представили ее в Nature Biotechnology. Рецензенты запросили больше статистических данных и потребовали, чтобы мы всего за четыре недели провели исследования с бóльшим количеством мышей. И тут у меня начались проблемы. Одна из авторов забеременела и не хотела работать в виварии, еще один сотрудник ушел, а другие члены команды категорически отказались принимать участие в исследованиях на животных, и только один лаборант выказал готовность мне помочь, но у него не было разрешения на работу. Из 50 коллег никто не мог мне помочь. Поэтому я отказалась от всех своих должностей в институте и стала все делать сама. К своему удивлению, несмотря на многолетнюю административную работу, я все еще помнила, как обращаться с мышами и делать им инъекции.

Между тем мы пытались выполнить задание Фонда Билла и Мелинды Гейтс и добиться длительного сохранения свойств микробицидов ВИЧ. Мы протестировали петлю-«шпильку» ДНК после длительного хранения и в присутствии семенной жидкости, что является одним из важных параметров эффективности микробицидов. В гамбургском Институте экспериментальной вирусологии им. Хайнриха Петте мы поставили небольшой контейнер в мужском туалете и попросили мужчин стать анонимными донорами семенной жидкости. Это прекрасно сработало, но когда мы представили рукопись, то еще до того, как с ней начали работать, нас попросили показать письменное согласие доноров с указанием фамилий и письменное разрешение Комитета по этике больницы, на что ушло несколько недель. Совершенно новое требование. Даже донор кала применительно к инфекциям, передаваемым с калом (об этом речь пойдет ниже), должен был задним числом предоставить письменное согласие. Таким образом, для забора образцов любых жидкостей организма необходимо письменное согласие донора – будь то слезинка или капля мочи, – поскольку гены можно секвенировать и получить большой объем персонифицированной информации.

А что же будет дальше? Одна из проблем – высококачественное производство «шпилек» ДНК в соответствии со стандартами надлежащей производственной практики (GMP). Эти расходы просто непомерны. Я приезжала в Россию, два раза была в Китае и один раз в Африке. ВИЧ там до сих пор табуированная тема, а для производства соответствующих препаратов предусматривается чрезвычайно дорогостоящее GMP-производство (даже когда, как мне кажется, в этом нет необходимости). В странах третьего мира запрещено использовать более экономичные технологии, есть даже риск угодить за решетку. Во время моего пребывания в Китае главу выдающего разрешения комитета приговорили к смертной казни и расстреляли за то, что он недостаточно строго придерживался действующих в Китае правил, которые западные компании, приходя на китайский рынок, зачастую пытаются обойти. Возможно, этот чиновник спас не одну жизнь.

Происхождение и будущее ВИЧ

Как это ни странно, самые свежие результаты по ВИЧ касаются его происхождения. Некоторое время назад некий комитет проанализировал возможность возникновения ВИЧ вследствие «загрязнения» вакцины от полиомиелита. Скорее всего, нет, ВИЧ вряд ли появился в результате «загрязнения» полиовакцины, полученной из клеток обезьян.

Совсем недавно был проведен обширный анализ последовательностей генов нескольких сот образцов, полученных от пациентов в Киншасе, начиная с 1920-х гг. Один штамм ВИЧ-1 (М – основной штамм), который можно отследить до 1900 г., а другой штамм (О) – до 1920 г. в Конго, который в 1960 г. вдруг стал с огромной скоростью распространяться в Киншасе. Было ли это связано с тем, что в больницах, где лечили гепатит В, HVB и заболевания, передающиеся половым путем, не хватало стерильных игл? Вполне возможно, что социально-политическая ситуация в 1920-х гг. и появление железнодорожного сообщения между севером и юго-востоком тогдашнего Свободного государства Конго[7] способствовали распространению ВИЧ. СПИД стал следствием четырех независимых межвидовых вирусных трансмиссий от приматов к человеку: два от шимпанзе (М и N) и два от горилл (О и Р). Такой вывод сделан на основании анализа более чем 6000 образцов кала обезьян, собранных в дикой природе. В 1964 г. было зафиксировано заражение норвежского моряка штаммом подгрупп О, что считается первым случаем заражения. Массовые случаи заражения штаммами О и Р отмечались в Камеруне, который находится на расстоянии 1000 км от Киншасы. По реке Конго из Киншасы поставляются грузы и осуществляются пассажирские перевозки – вероятно, именно это способствовало распространению вируса.

Только ВИЧ-1 группы М, относящийся к четырем штаммам, распространился по всему миру и приобрел характер пандемии. Его переносчиками стали беженцы из Гаити, вернувшиеся из Киншасы на Гаити, после чего вирус распространился в Сан-Франциско, а потом и во всем мире. Прочие штаммы, сконцентрировавшиеся в Африке (группа С) и в России (группа А), являются следствием сингулярного «эффекта основателя», то есть передачи вируса от одного человека, которая приводит к локальному распространению. История обнаружения ВИЧ-2 восходит к 1940 г., а затем он был замечен в 1985 г. Было зафиксировано девять независимых случаев передачи инфекции от приматов к человеку, но распространения инфекции не произошло. Таким образом, очевидно, что ВИЧ является следствием контактов с приматами, и вызывает беспокойство, что 80% населения Демократической республики Конго (ДРК) до сих пор употребляют мясо диких животных, 20% которого заражено ВИЧ. Кроме того, осуществляется мониторинг новых случаев инфицирования отдельных лиц, в силу чего алфавит групп расширяется. Мы не знаем, почему только штамм М вызвал пандемию. Специалист по данному вопросу Мартина Питерс из Университета Монпелье дала следующий ответ на этот вопрос: просто совпало много факторов и это вызвало пандемию.

А что можно сказать о будущем ВИЧ? ВИЧ/СПИД более не является первостепенным направлением исследований. Это самый хорошо изученный вирус из всех. Уже в 2012 г. руководитель кафедры инфекционных заболеваний Национального института здоровья США Энтони Фаучи провозгласил: «Пора покончить с ВИЧ/СПИДом». А вот его коллега заявил: «По мне, так лучше заразиться ВИЧ, чем заболеть диабетом» (по мне, если честно, – нет). Главная цель заключается в выявлении новых ВИЧ-инфицированных лиц, чтобы начать их лечение как можно раньше, пока они наименее заразны. «Терапия для профилактики» – важное достижение, и это будет работать до тех пор, пока однажды (возможно) не появится вакцина.

Удивительный эффект ВИЧ заключается в появлении рака на поздней стадии. В центре внимания находится три вида рака: лимфома, рак шейки матки и саркома Капоши (СК). Эти виды рака развиваются в результате синергизма между ВИЧ и другими вирусами, в частности вирусом папилломы и вирусом герпеса. ВИЧ сам по себе не является онкогенным. Он схож с онкогенным Т-лимфотропным вирусом человека типа 1 (HTLV-1, вирусом-эндемиком из Японии, где он приводит к развитию скоротечной лейкемии (заболевание можно предотвратить, отказавшись от кормления грудью). Исследования рака основаны на ретровирусах, которые все еще близки друг другу. Они «очень многому научили» исследователей рака у человека. Мы обсудим это ниже в контексте онкогенов. В настоящее время под руководством Гарольда Вармуса, получившего Нобелевскую премию за анализ первого ретровирусного онкогена Src, основан новый научно-исследовательский институт. Есть вопрос: почему у ВИЧ-инфицированных пациентов развивается рак, несмотря на терапию и по крайней мере частичное восстановление иммунной системы? Существуют ли общие нарушения, которые помогут нам понять, как иммунная система влияет на развитие рака? Заболеваемость раком повышается с возрастом даже при отсутствии иммуноподавляющих вирусов, в частности ВИЧ. Почему, несмотря на применяемые терапии, рак быстрее развивается у пациентов с ВИЧ?

В России я участвовала в работе конгресса по ВИЧ и двум вирусам гепатита – гепатита С и гепатита В (2013), проходившего при поддержке американской организации Национального института здравоохранения (NIH). На этом конгрессе помимо научных вопросов обсуждались также проблемы диагностики и терапии вышеуказанных инфекций. Речь шла о бюрократической процедуре, нормативно-правовом обеспечении ВИЧ/СПИДа и туберкулеза, который в числе прочих заболеваний распространен в российских тюрьмах. Информация о туберкулезе зачастую представляет собой завуалированное описание ВИЧ/СПИДа, который считается социально неприемлемой темой. Несмотря натехническое обеспечение синхронного перевода и объявления о заседаниях на английском языке, переводчиков не оказалось. Наконец, я нашла одного, но он отказался переводить выступления. Таким образом, поездка оказалась бессмысленной. Мне хотелось понять систему и найти специалистов, занимающихся каким-нибудь известным микробицидом. Но ничего из этого не вышло.

Вместо этого я расспрашивала студентов на ресепшен и стендах фармкомпаний, которые немного говорили по-английски. Посетителей на их стендах не было – неужели из-за отсутствия бесплатных ручек и других небольших подарков? Потому что неинтересно? Недоступно? Цены на препараты космические. Соответствуют западным стандартам. Один из опрошенных был в Киле (Германия) и говорил по-немецки, а другой – по-английски. «Нет, мы ничего не знаем о ВИЧ/СПИДе». Несколько лет назад говорили о презервативах, но люди стесняются их покупать. Конечно, гомосексуализм – запретная тема, равно как и наркомания. «Нет, моя четырнадцатилетняя дочь ничего не знает о ВИЧ». ВИЧ-инфицированных отправляют «домой», туда, где они родились. Терапии ВИЧ практически не существует. И чтобы угодить тем, кто мог прослушивать разговоры, в ответах рефреном звучала фраза «Я люблю свою страну». Одна женщина предпочла разговаривать на улице. Она сказала, что лет 20 назад медицинское обслуживание было бесплатным, а сейчас уже нет. И такая ситуация не только в России, но и в Китае, и в Индии. Людям необходимо предоставлять больше информации, проводить диагностику и лечение ВИЧ-инфицированных.

3. Ретровирусы и бессмертие

Обратная транскриптаза – персональная ретроспектива

Один журналист спросил Хоуарда Темина по случаю вручения ему Нобелевской премии в Стокгольме в 1975 г., за что тот получил эту премию. «Я не могу этого объяснить, вы потеряете нить рассуждений через 30 секунд, – ответил он. – А почему бы вам вместо этого не написать “Бросайте курить?” Это гораздо важнее!» Он был активистом движения против курения и даже говорил об этом в своей благодарственной речи в присутствии короля Швеции, но, как это ни печально, он умер от рака легких, хотя никогда не курил.

Темин даже не пытался объяснить непрофессионалам свое изобретение. А я все же попробую. Я была свидетелем того, как все происходило. Он открыл обратную транскриптазу (ОТ) – фермент, необходимый для репликации ретровирусов, в частности ВИЧ. Этот фермент играет гораздо более важную роль, чем просто фермент для репликации вируса, и, как прогнозировал Темин, он играет важную роль в композиции нашего генома. Эти родственники ретровирусов амплифицируют наши гены, изменяют набор генов наших геномов, но никогда не покидают клетку. В настоящее время даже существует гипотеза, согласно которой РНК в процессе эволюции превратилась в ДНК именно благодаря обратной транскриптазе. Когда я начала исследования обратной транскриптазы, о ней еще ничего не знали, а сейчас, 45 лет спустя, ее рассматривают в качестве одного из наиболее распространенных и, вероятно, самых важных белков, известных в биологии.

Как я стала свидетелем открытия транскриптазы? Тема моих докторской и кандидатской диссертаций – «Репликация вирусов». Хорошо помню некоторые детали. В конце 1960-х я приехала из Беркли (США), где, собрав все свое мужество, оставила физику и резко переключилась на относительно неизвестную для себя область знаний – молекулярную биологию. Это случилось в то время, когда кампус был охвачен студенческими волнениями. Вернувшись в Германию, я искала проект для защиты кандидатской диссертации.

Гюнтер Стент, знаменитый генетик, переехавший из Берлина, пригласил меня к себе в офис в Беркли – у него на столе стоял макет здания Общества Макса Планка в Тюбингене, и он предложил мне поехать туда поработать. Именно так я и поступила: за день рассмотрела три темы и решила выбрать ту, которая показалась мне наиболее интересной и которая, вероятнее всего, могла быстро дать результаты. Восхитительный вид на горную цепь Швабская Юра оказал на мое решение большое влияние ненаучного свойства. Я привнесла в вирусологический институт молекулярную биологию. Однако сначала мне пришлось преодолеть трудный барьер. Мне нужно было научиться изолировать вирус из живых цыплят, которых я заразила вирусом миелобластоза птиц (ВМП), индуцирующим одно из заболеваний крови. Эта процедура предусматривала забор образцов крови непосредственно из сердца цыпленка при помощи гиподермичной иглы – сегодня такой метод не разрешили бы. Предметом изучения моего проекта был механизм репликации этого вируса. Однако несколько месяцев движения вперед в проекте не наблюдалось.

Затем на одной из знаменитых лекций, которые проходят по понедельникам в Обществе Макса Планка в Тюбингене, я узнала от Фридриха Бонхеффера (он только что вернулся с международной Гордоновской конференции), что Хоуард Темин открыл обратную транскриптазу. Некоторые посмеивались и говорили: «Он все еще твердит об этом». Мой проект застопорился, и я решила протестировать обратную транскриптазу. На следующее утро в 8:00 я стояла у двери кабинета Хайнца Шаллера, специалиста по репликации ДНК, так как хотела взять у него «строительные блоки» для ДНК (включая блоки с радиоактивными метками), а не для РНК. Их использование было единственным – но очень важным – отличием данного проекта от моих предыдущих исследований. Я располагала большим количеством вирусов, полученных от цыплят путем проведения пункции сердца. Вечером мы с Шаллером и другими коллегами собрались в помещении, где находился детектор радиоактивности, чтобы проанализировать полученные результаты: было получено невероятное количество ДНК с радиоактивными метками, и показания счетчика зашкаливали. Если иметь нужную идею, можно за один вечер провести эксперимент, достойный Нобелевской премии. Но, к сожалению, у меня не было нужной идеи! Я искала не тот фермент – РНК-полимеразу вместо ДНК-полимеразы. Через несколько недель все блоки для построения ДНК (нуклеотиды) были проданы в разные страны мира. Неионный детергент, используемый для разрушения вируса, доставали на автозаправочных станциях – эта информация разлетелась по миру благодаря сарафанному радио, и в скором времени детергент уже было не достать. Похоже, весь мир занялся исследованием обратной транскриптазы!

Самому же Темину пришлось пережить скептицизм коллег, по мнению которых, идея о том, что ДНК является промежуточным звеном для РНК вируса, была невероятной. Но, основываясь на этих экспериментах, Темин пошел еще дальше и предположил, что промежуточная ДНК, которую он определил как ДНК провируса, интегрируется в ДНК клетки-хозяина. ДНК вируса может замаскироваться в виде ДНК провируса в ДНК клетки-хозяина, что помогает ей выжить. Так появились понятия «ретровирус» и «обратная транскриптаза». Эти эндогенные вирусы и связанные с ними структуры способствуют активному размножению нашего генома, и на 50% благодаря ОТ. Но обратная транскриптаза способна на гораздо большее, и вы в этом убедитесь.

Как получить ДНК из РНК? Нужно сделать больше одного шага? Да, и использовать молекулярные «ножницы», нуклеазу, фермент, называемый рибонуклеазой Н или сокращенно РНКазой Н (подробнее остановимся на этом вопросе: вирус проникает в клетку, и РНК вируса сначала копируется с помощью обратной транскриптазы в ДНК посредством гибрида РНК–ДНК. После этого считается, что РНК выполнила свою функцию, и, чтобы получить двуспиральную ДНК, ее нужно удалить из гибрида при помощи РНКазы Н).

Во время ланча в Обществе Макса Планка в Тюбингене мне рассказали о студенте Вернере Бюсене, который изучал тимус телят. Обычно он ходил на скотобойню, собирал тимусную ткань и выделял из нее РНКазу. Но не имел представления о том, для чего предназначен этот фермент, – собственно, этого никто не знал. Только через несколько месяцев мне в голову пришла идея, что такой фермент с эффектом «ножниц» может использовать вирус, чтобы избавиться от РНК. Я проверила эту идею. Мой коллега дал мне несколько драгоценных РНК с радиоактивными метками, и я с большой долей уверенности могла доказать наличие активности РНКазы Н после растворения РНК. (Позднее я выяснила, что РНКаза Н объединена с обратной транскриптазой, образуя одну молекулу, и эти составляющие связаны и перемещаются вместе. ОТ копирует ДНК, а несколько нуклеотидов РНК позади РНКазы удаляются – очень эффективный механизм.) Открытие такого расщепляющего фермента (РНКазы Н) в ретровирусе позволило мне напечатать статью в журнале Nature, получить кандидатскую степень, приглашения выступать с лекциями в США и обзавестись на удивление большим количеством соавторов. Все они утверждали, что внесли свой вклад в разработку концепции и подготовку статьи. Как я узнала позднее, стоящие идеи приходят в голову сразу многим ученым. И еще я испытала разочарование, поскольку начиная с этого времени мне практически никогда не удавалось попадать в растущий поток публикаций по этой теме. Меня всегда кто-то опережал.

Существует еще один аспект. Меня часто спрашивают: откуда ученые берут идеи и как делаются открытия? Приведу один пример: сходите на ланч с другими учеными, задавайте вопросы, слушайте и учитесь! Только не ходите в фастфуд!

Очень известному позднее вирусологу Питеру Дюсбергу, который был замечательным ученым и преподавателем в Беркли в годы моего пребывания там (а известен он был не только тем, что приклеивал на инкубатор для выращивания культур тканей довольно пикантные фотографии красоток), не удавалось обнаружить в мышиных вирусах фермент РНКаза Н, удаляющий РНКазу. А я изучала куриный вирус. Дюсберг утверждал, что этой РНКазы Н в мышиных вирусах нет. Поэтому, с его точки зрения, мои наблюдения представляли собой единичное исключение, характерное для птичьего вируса. К счастью для меня, он опубликовал свою точку зрения. Это было самое лучшее, что для меня, молодого ученого, могло произойти, поскольку это позволило мне доказать неправоту ученого с мировым именем. Мы с ним дружили всю жизнь. Он часто заходил ко мне, когда приезжал в Берлин к матери; мы даже устраивали крупномасштабные подиумные дискуссии об опасности самого важного ретровируса – ВИЧ и практически никогда не сходились во мнениях.

Мне очень повезло: у меня был значительный объем мышиного вируса. Отчасти это произошло благодаря клеткам «Эвелин» – устойчивой клеточной линии, названной так в честь создавшего ее оператора. Она содержит достаточно много вируса для решения довольно неоднозначных научных вопросов и проведения экспериментов, результатов которых хватит на написание нескольких статей. Однако Эвелин дорого заплатила за это – вследствие пипетирования у нее возникли проблемы с суставами.

Позже, уже работая в Институте Роберта Коха в Берлине, я обратила внимание, что очищенная обратная транскриптаза состоит из двух субъединиц, а не из одной, как ожидалось. Можно было наблюдать две полосы в эксперименте (путем окрашивания белков после разделения их по размеру в электрическом поле). На симпозиуме, который проводился на базе лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, несколько докладчиков – известных ученых охарактеризовали вторую полосу как кофактор клеточного происхождения. Было известно, что у прочих полимераз есть кофактор – сигма-фактор. Однако эти выводы носили, скорее, предположительный характер и были основаны на аналогии, а не на экспериментах. Собравшись с духом, я подошла к Джиму Уотсону, который в то время руководил этой лабораторией, и сказала, что наблюдала увеличение нижней полосы за счет верхней. Нижняя полоса характеризует продукт деструкции – это не фактор клетки-хозяина. Если добавить немного протеазы (которая стимулирует процесс разрушения), процесс ускоряется. «У вас есть слайды? Завтра выступите по этой теме». Что я и сделала. Через три месяца он позвонил мне в Институт Коха в Берлине. До сих пор удивляюсь, где он взял мой номер телефона. «Скажите, разве не вы рассказывали о расщеплении обратной транскриптазы и ее разбивке на две субъединицы? А сейчас совершенно неожиданно в сборник симпозиума для публикации представлено четыре материала на эту тему». Никто даже не вспомнил об инородном сигма-факторе клеточного происхождения! И ни слова о полученных мной результатах! В 1975 г. все это было опубликовано в сборнике материалов симпозиума, и моя статья тоже, но, конечно, и другие, «скорректированные». С тех пор он никогда обо мне не забывает. «Привет, Карин», – говорит он в свои 85 с лишним лет и приглашает на лобстера. Уотсон написал книгу «Избегайте занудства»[8], в которой раскрывает секрет своего успеха: «Не нужно быть самым умным среди собеседников, собравшихся за столом». Нужно садиться рядом с теми, кто умнее вас, – именно так я поступила, и это было абсолютно правильно.

Будучи физиком по образованию и аспиранткой, я не умела выделять фермент ОТ. Я снимала комнату в St. Joseph’s Home в Цюрихе (там на прикроватной тумбочке лежала Библия). Мне разрешили наблюдать, как в Институте Чарльза Вайссмана при Цюрихском университете выделяют фермент. Я сидела в холодном помещении – при более высокой температуре фермент теряет активность – и, дрожа всем телом, наблюдала, как оператор проводил изоляцию. Вайссман изолировал Q-бета репликазу из бактерий (об этом пойдет речь в последней главе). После этого я вернулась домой, в Общество Макса Планка в Тюбинге, чтобы выделить из птичьего вируса фермент ОТ, реплицирующий вирус. Мне нужно было научиться у Вайссмана рассчитывать объем материала на входе и выходе, иметь представление о количественных показателях и проверять их баланс. И, какими бы исследованиями после этого мне ни приходилось заниматься, я никогда не забывала количественно определять свои действия. Вместе с Институтом Вайссмана мы разработали несколько моделей репликации вируса при помощи ОТ и РНКазы Н и сделали несколько совместных публикаций. Но процесс репликации ретровируса оказался гораздо сложнее, чем мы предполагали, то есть таким, каким его методом проб и ошибок создала природа. Через несколько лет ко мне обратилась Boehringer Company и заказала большой объем фермента ОТ для продажи: все лаборатории хотели использовать его для получения ДНК из РНК. Проблема, касавшаяся двух субъединиц, оказалась очень значимой, но ее удалось автоматически решить в процессе хранения фермента, как это произошло в моей морозильной камере. Я была рада, что мне удалось компенсировать институту в Берлине затраты на проведение исследования.

Примерно через 15 лет, в начале 1980-х гг., был открыт ВИЧ, самый значимый ретровирус, и мы начали анализировать репликативные ферменты ОТ/РНКазу Н ВИЧ. В настоящее время я пытаюсь «убить» ВИЧ путем активации (а не ингибирования) «ножниц» РНКазы Н в вирусных частицах вне клетки и надеюсь, что, может быть, это в итоге приведет к разработке терапии и предотвращению продуцирования вируса и распространения заболевания. Когда мы начали работать с ВИЧ, то собирались приготовить моноклональные антитела, разработанные незадолго до этого и подходившие для очистки и определения свойств различных веществ в силу их высокой специфичности. Для первого этапа требовалась иммунизация мышей очищенной ОТ. Маловыраженные признаки «ОТ-ВИЧ» на клетке для мышей вызвали панику в берлинском Обществе Макса Планка. Инспектор, прилетевший из Мюнхена, чтобы разобраться в этом вопросе, не решился пожать мне руку – так боялся вируса. Скандал усилился после чистки клетки, когда ее в том же виварии поставили в другое место, что – абсолютно безосновательно – было истолковано как попытка удалить, «спрятать вещественные доказательства». Для того чтобы реабилитироваться, позднее мне разрешили приготовить обратную транскриптазу, которую вместе с другими (рибосомными) белками, поставленными институтом, должны были доставить на околоземную орбиту, чтобы посмотреть, как происходит процесс кристаллизации в условиях пониженной гравитации. К сожалению, эксперимент закончился неудачей. Как выяснилось намного позже, кристаллизация происходит только в том случае, если фермент зафиксирован в определенной структуре специальным препаратом. А в моем случае он был слишком «гибким»! Кристаллы необходимы для разработки противовирусных препаратов.

Позднее в своей исследовательской деятельности мне приходилось сталкиваться с тем, что люди боятся нашей работы. Так было в случае с гриппом, ТОРС и вирусом рака, поскольку заражались не только коллеги, но и их сослуживцы, и часто мужья и жены. Подозрительность была вполне оправданна, поскольку действительно было несколько инцидентов – в Китае, например, из лаборатории с высокой степенью биозащиты пропадал вирус ТОРС (три раза!); кроме того, однажды исчезло несколько лабораторных лягушек (Xenopus laevis), и это стало огромной проблемой в Калифорнии.

ОТ – специфическая характеристика ретровирусов, что удивило ученых, поскольку никто не ожидал, что РНК может транскрибироваться в ДНК для репликации. Это привело к пересмотру «центральной догмы» молекулярной биологии, согласно которой биосинтез ДНК – РНК – белок происходит в ходе двух последовательных процессов, транскрипции и трансляции соответственно. Хоуард Темин и независимо от него Дэвид Балтимор показали, что возможен и обратный процесс: ДНК может биосинтезироваться из РНК. Такую реверсивную транскрипцию впоследствии назвали «обратной» транскрипцией, в силу чего фермент получил название «обратная транскриптаза». (Интересно отметить, что ОТ может осуществлять две реакции: «превращать» РНК в ДНК и ДНК в ДНК, а изначальная РНК должна быть удалена при помощи РНКазы Н между этими двумя реакциями. В итоге получается двуспиральная ДНК.)

Открытие реверсивного (обратного) потока информации стало большой неожиданностью для ученых. Следовательно, ДНК может интегрироваться в ДНК генома клетки-хозяина и передаваться на протяжении всего жизненного цикла клетки при делении как клеточный ген. Ретровирусы обычно не вызывают лизис своей клетки-хозяина и не уничтожают ее, они «отпочковываются» от клеточной мембраны. Если исходить из того, что в процессе эволюции сначала появилась РНК, а потом ДНК, то понятие «обратная транскриптаза» окажется некорректным. Шаг от РНК к ДНК носит не реверсивный, а прямой характер. Строго говоря, правильно было бы назвать это явление «реальная транскриптаза»! В этом случае даже не пришлось бы менять сокращенное название на английском языке (RT)[9], однако никто в таком изменении не заинтересован.

В настоящее время, когда, фигурально выражаясь, все возможные геномы секвенированы, самое большое удивление вызвало количество находящихся вокруг нас обратных транскриптаз. Они присутствуют во многих организмах, во всех эукариотах (животных и растениях), а также в археях, бактериях, ретротранспозонах, сплайсосомах и в странных химерных мультисателлитных ДНК (msDNA), а также в иммунной системе человека и бактерий. У одних только бактерий существует более 1000 различных видов обратных транскриптаз. Для чего они предназначены? В клетках млекопитающих нам известны ретротранспозоны, которые кодируют эти обратные транскипты, необходимые для действия механизма «копировать и вставить» клеточной ДНК, который будет описан ниже (ретротранспозоны напоминают упрощенный вариант ретровирусов). В 1978 г. один из ученых, открывших обратную транскриптазу, Дэвид Балтимор, организовал встречу, на которой кто-то из участников охарактеризовал существование обратной транскриптазы у мух: «Насколько мне известно, в организме мух нет ретровирусов». И лишь в настоящее время, много времени спустя, нам стало известно, что у мух тоже есть обратная транскриптаза, источником которой являются не ретровирусы, а их родственники, ретротранспозоны – предшественники или процессированные «деформированные» ретровирусы, которые широко распространены и существуют, в частности, у мух. Они чрезвычайно широко распространены. Так уж случилось, что ретровирусы как частный случай были открыты первыми!

Итак, мы выяснили, что обратные транскриптазы связаны не только с ретровирусами. Поскольку фаги, которые по большей части содержат ДНК, тоже относятся к вирусам, можно себе представить, что в процессе эволюции они в свое время имели РНК и только позднее ДНК-геномы, а в промежутке обладали ретровирусоподобными свойствами. То есть вполне можно ожидать открытия и «ретрофагов». Я сформулировала эту идею. Но, насколько мне известно, несмотря на интенсивные исследования, в которых я тоже участвовала, существует только один «ретрофаг», являющийся прибежищем одной из обратных транскриптаз (см. ниже).

Известно, что обратная транскриптаза – ключевой фермент в биологии. Вероятно, фермент ОТ даже в первую очередь «изобрел» ДНК и, безусловно, сыграл важную роль в формировании геномов, включая наш собственный, в процессе эволюции, которая насчитывает, как сейчас признано, более 100 млн лет. Возможно, изначально существовал более простой и примитивный предшественник ОТ. Я подчеркиваю значимость обратной транскриптазы не (только) потому, что я специалист именно по данному ферменту и сужу пристрастно, а еще и потому, что есть новые свидетельства очень важной роли этого фермента, который является одним из наиболее распространенных белков и даже ведущим ферментом в проекте по изучению образцов, забранных из океана, и составляет 13,5% всех содержащихся в планктоне белков, даже через 45 лет. А почему? Ретровирусы, ретротранспозоны, механизм «копировать и вставить» подходят друг к другу и формируют геномы, стимулируя эволюцию. ОТ – молекула номер один, равно как и РНКаза Н, о которой речь пойдет в следующей главе.

РНКаза Н – молекулярные «ножницы»

Чаще всего цитируется моя работа, опубликованная не в самом известном журнале. Но это – нетипичный случай. Частота цитируемости является важным критерием качества статьи, что, очевидно, может быть и не совсем так. Я открыла «ножницы», рибонуклеазу Н, или РНКазу Н в ретровирусах животных, а потом еще и в ВИЧ. (Она играет важную роль в процессе репликации ретровирусов от РНК до двуспиральной ДНК: РНК нужно удалить из гибрида РНК–ДНК, для чего используют рибонуклеазу Н (РНКазу Н), обладающую специфичностью к гибриду.) В 1990-х мне позвонили и спросили: «Вы доказали, что данный фермент действительно необходим для репликации вируса?» Звонили из компании, которая была заинтересована в разработке ингибитора РНКазы. Они только собирались разрабатывать препарат против важного вирусного компонента, поскольку разработка лекарства требует серьезной работы и затрат. «Да, конечно, – сразу же ответила я. – В противном случае образование двуспиральной ДНК было бы невозможно – РНК нужно удалить, как только она скопируется в односпиральную ДНК». Однако я поспешила с ответом. «Этому есть формальные подтверждения?» – «Нет!» Мне никогда не приходило в голову, что их нет. Для этого следовало бы осуществить мутацию РНКазы Н (это означало бы уничтожение ее активности) и показать, что вирус более не способен реплицироваться. Это была бы мутация, приводящая к «утрате функциональности». Я не могла провести такой эксперимент, поскольку для этого необходима инфицированная копия ДНК (клон) ВИЧ, направленный мутагенез и тестирование инфицированного вируса-мутанта, что можно сделать только в лаборатории с высоким уровнем защиты (самым высоким, четвертым, уровнем биозащиты). Такую работу могла выполнить только группа компаний Wellcome Co. в Лондоне. Я позвонила им, и мы договорились о сотрудничестве. Для мутагенеза мы искали последовательности генов, которые были описаны в бактерии E. coli и были известны. Следовательно, было просто найти важные сайты для мутации, поскольку они были «консервативны». Такой подход сработал. Как это ни странно, меня тогда нисколько не удивляло, что РНКаза Н хорошо работает и с бактериями. Какая может быть взаимосвязь между бактерией и одним из ретровирусов человека? В те годы, в отличие от настоящего времени, я не рассматривала эволюционный аспект! (Принято считать, что для всех систем репликации ДНК необходим «стартер» – часть ДНК, который какое-то время сохраняется, а потом удаляется при помощи РНКазы Н.)

Я прилетела в Лондон, мы написали статью и представили в журнал для публикации. Ее не приняли, мы попытались еще раз, и ее опять вернули. Статью неоднократно отвергали, поскольку все научные журналы были твердо уверены – и я поначалу тоже, – что «ножницы» РНКазы Н играли важную роль, поэтому никто не считал нужным искать дополнительные доказательства. Это принималось как факт! И наконец нашу статью опубликовали в Journal of General Virology, который в те годы был не самым престижным журналом. Сейчас, когда эта статья считается важной и относится к наиболее часто цитируемым моим работам, хотя опубликована и не в самом известном журнале, есть о чем задуматься!

РНКаза Н очень распространена, что и объясняет отсутствие ее ингибиторов: они могли бы повлиять на слишком большое количество ферментов и обусловить развитие побочных действий. К этому семейству принадлежат даже интегразы. Они не только оказывают расщепляющее действие, как ножницы, но и заживляют разрезы. «Ножницы» действительно «разрезают» молекулярные связи. Все они содержат три консервативные неперекрывающиеся аминокислоты DDE, удерживающие магний, из 100 аминокислот, которые не консервативны, то есть возможна замена некоторых из них. Однажды я пробовала найти родственные белки, сравнивая последовательности, но не учла DDE и потерпела неудачу, и только кристаллическая структура подтвердила родство. Таким образом, можно сделать очень обобщенное заключение: последовательность генов не имеет значения, а фолдинг («сворачивание» белка) и структура – имеют, так же как в дизайне и изобразительном искусстве «функция определяет форму».

В Японии, перед тем как я была вынуждена уйти из Цюрихского университета, мне сделали прощальный подарок – залитую эпоксидной смолой модель кристаллической структуры РНКазы Н, основанной на последовательности, опубликованной в Nature. Эту модель сделал для меня Роберт Краух из Национального института здравоохранения (Бетесда, США), и красота подарка тронула меня. Сегодня такие изделия в виде двух соединенных сердец можно купить на рынке для близкого друга – и на таких сувенирах даже нет координат, опубликованных в Nature.

РНКаза Н и эмбрионы

Недавно в организме человека были обнаружены РНКазы Н, не связанные с ретровирусами. Эндрю Джексон и его коллега из Эдинбурга (Шотландия) проанализировали генетические заболевания у человека, в частности синдром Айкарди–Гутьереса (AGS), связанный с умственной отсталостью. К их немалому удивлению, виновником этого заболевания оказалась РНКаза Н. Ранее этот фермент не обнаруживали в организме человека. Белок состоит из трех субъединиц – РНКазы Н2А, В и С, и лишь одна из них активна. Кроме того, в митохондриях находится РНКаза Н1. Возникло подозрение, что она имеет бактериальное происхождение, поскольку бактерии являются предшественниками наших митохондрий. Клеточная РНКаза Н удаляет отдельные нуклеотиды РНК в наших ДНК-геномах, если некоторые из них случайно туда включаются. Наш геном содержит сотни таких ошибок включения, что, похоже, случается достаточно часто. «Ножницы» РНКазы Н очищают наш геном от этих неподходящих нуклеотидов, предотвращая генетическую нестабильность. Неудачные попытки такого очищения приводят к развитию заболеваний, в частности AGS. В настоящее время специалисты по генетической нестабильности вносят некоторую новизну в несколько старомодные встречи ученых по проблемам РНКазы, которые проводятся раз в два года.

Почему же одного типа РНКазы Н достаточно для ВИЧ, когда организму человека необходимо три? Существует следующий принцип: чем более высокоорганизован организм, тем он сложнее. Клеточной РНКазе Н в организме млекопитающих приходится выполнять дополнительные функции, которые распределяются на несколько белков. И невыполнение одной функции имеет фатальный исход, «эмбриональную смерть».

Часто приходится наблюдать, что мультибелковые комплексы у млекопитающих играют определенную роль в эмбриогенезе. У ВИЧ нет эмбрионов, и поэтому достаточно простой РНКазы Н. Однако РНКаза Н, называемая PIWI, играет чрезвычайно важную роль в сайленсинге (особенно в стволовых клетках), направленном на предотвращение «перепрыгивания» генов (так называемые двигающиеся ретротранспозоны). Таким образом, PIWI (вместе с некоторыми РНК) защищают наш геном и необходимы для обеспечения фертильности семенной жидкости.

РНКаза Н диверсифицирует свои функции путем комбинирования различных строительных блоков в модулирующем режиме. Слияние РНКазы с большим количеством различных доменов обусловливает появление новых функций. Все ферменты сами по себе обладают способностью к расщеплению, но где, когда и как эта способность проявляется, зависит от партнера по слиянию. Известно примерно 10 таких партнеров. И обратная транскриптаза – лишь один из них. Она тянет за собой РНКазу Н (которая выполняет функцию нуклеазы, расщепляющего фермента) вдоль РНК, и, когда обратная транскриптаза останавливается или «спотыкается», РНКаза, используя возникшую паузу, делает разрез (ее каталитическая активность медленнее, чем у обратной транскриптазы). Вызывает удивление существование большого количества РНКаз Н, выполняющих неожиданные функции. Я изучала вирусную РНКазу Н несколько десятилетий и, возможно, отношусь к этому вопросу очень предвзято. Многие другие функции были выявлены позднее благодаря новым технологиям секвенирования. Меня весьма удивило, что РНКаза встречается чаще всего и является самой древней структурой в мире белков, а по распространенности превосходит даже ОТ. Об этом свидетельствуют результаты недавно проведенного филогенетического анализа, основанного на последовательностях генов, определенных Густаво Каэтано-Аноллесом из Иллинойского университета (Урбана). Везде, где есть нуклеиновые кислоты, нужны и «ножницы», чтобы вырезать или «выключить» нуклеиновые кислоты. РНКазы имеют целый ряд обозначений, в частности Drosha, Argonaut, Cas9 и PIWI. РНКаза Н и обратная транскриптаза – одни из наиболее важных компонентов для развития и формирования целостности геномов – это относится и к нашему геному, и к геномам других видов. Я говорю это не только потому, что РНКаза Н и обратная транскриптаза – основная тема моих исследований. Это действительно правда!

Теломераза и вечная жизнь

Можно ли жить вечно? Древнейшая мечта человечества – жить вечно. Возможно ли это? Да, возможно. Существуют клетки, способные жить вечно, этот факт меня очень удивил. К сожалению, это опухолевые клетки. Все клетки нашего организма живут недолго и даже меньше, чем организм в целом. В течение жизни все клетки постоянно восполняются стволовыми клетками. Но это не касается раковых клеток. Практически во всех лабораториях есть клеточная линия HeLa, которой уже более 60 лет. Клетки HeLa – рабочие лошадки для многих исследователей. Источник их происхождения – карцинома шейки матки женщины, которую мы обычно называем Хелен Ланге, хотя на самом деле ее звали Генриетта Лакс: афроамериканка, мать пятерых детей, умершая в возрасте 31 года от карциномы шейки матки. В 1951 г. эти клетки поместили в культуру и вырастили – до этого процедура не удавалась. Вероятно, эта опухоль была агрессивно растущей. В настоящее время наследники Генриетты предъявляют претензии и заявляют, что ничего не знали о ее клетках. Этой теме посвящаются телепередачи, а в 2010 г. появилась новая книга – «Бессмертная жизнь Генриетты Лакс»[10]. Геном клеток секвенировали, и родственников Генриетты беспокоит, что может появиться информация о генетических особенностях, может быть, даже дефектах, носителями которых они могут являться. С тех пор результаты, касающиеся данной клеточной линии, сообщаются финансирующим организациям. Однако мне представляется маловероятным, что клетки после примерно 6000 пассажей в нестандартизированных условиях остались прежними. Будет много хромосомных изменений. Мне кажется удивительным, что опухолевые клетки могут жить «вечно». Почему бы им не существовать чуть дольше, чем обычным клеткам пациентов, но почему вечно? (В лабораторных условиях, конечно, но все же!) Как опухолевые клетки могут жить вечно? Можно ли, основываясь на результатах исследования этих клеток, получить представление о долговечности без развития рака? В интервью меня часто спрашивают, какие еще клетки живут вечно. Наши зародышевые клетки переходят из одного поколения в следующее – значит ли это, что они бессмертны? А стволовые клетки – как долго они могут существовать? Им нужна соответствующая ниша, поэтому возраст и возможности долгожительства зависят еще и от внешних условий. Мелкие животные типа жуков жили «тихонечко» долго и сохраняли жизнеспособность в течение 40 лет в условиях глубокой заморозки при –20 °С.

Одним из отличительных свойств опухолевых клеток является наличие теломеразы, специализированной формы обратной транскриптазы. Она называется теломеразной обратной транскриптазой (TERT), локализуется на концах всех хромосом и проявляет активность в период эмбрионального развития, когда происходит элонгация концов хромосом, в результате чего образуется буферная зона. Элонгация представляет собой монотонный многократный повтор участков, состоящих из семи нуклеотидов. После рождения эти концы становятся короче с каждым делением клетки, так как для функционирования механизма репликации ДНК необходимо некоторое пространство, что-то вроде места для разворота. После этого участок потерян, то есть идет работа молекулярных часов, и при каждом раунде клеточного деления концы хромосом становятся все короче и короче, пока процесс не доходит до области с важной генетической информацией, и тогда это становится опасным! В этот момент концы смыкаются и как бы «склеиваются», после чего клетка погибает. Это явление было открыто Барбарой Макклинток, которую я еще раз упомяну ниже. Можно ли, основываясь на длине теломер, предсказать продолжительность жизни? Нет, это невозможно, поскольку у разных клеток разные молекулярные часы, которые идут с разной скоростью, таким образом у теломер длина разная. Тогда возможно ли хотя бы восстановить удаленные концы, чтобы предотвратить гибель клетки и, следовательно, продлить ее жизнь? Это может стать целью исследований, однако долгоживущие клетки могут оказаться опухолевыми. К таким клеткам относятся клетки HeLa. Одно из общих свойств опухолевых клеток – способность бесконечно делиться. В опухолевых клетках теломераза способна вновь активироваться, что вызывает элонгацию концов, как в эмбрионе. Архимед говорил о точке опоры, находящейся вне Земли. В нашем случае «точка опоры» находится не вне хромосомы, а на ее удлиняемых концах.

Можно ли утверждать обратное и задать следующий вопрос: «Существует ли определенный ингибитор, способный остановить рост опухолевых клеток путем инактивирования теломеразы, то есть действуя как противораковый препарат?» Да, есть: в 90% всех опухолей теломераза активна и является потенциальной мишенью терапии. Этот подход разрабатывается рядом институтов и компаний, в частности Институтом Пастера в Париже и компанией Geron Corporation в США.

Можно активировать теломеразу, чтобы продлить жизнь определенных клеток. Это и есть антивозрастная терапия, направленная на достижение вечной молодости, – может быть, даже удалось бы предотвратить появление морщин! Биотехнологические компании заинтересованы в разработке кремов, которые, если верить рекламе по телевидению, «активируют теломеразы». Много ли людей понимают, что это значит? Такие заявления звучат очень научно, особенно когда в рекламном ролике снимаются люди в белых халатах, что делается намеренно, чтобы мотивировать людей приобретать продукт как препарат, – но это обещание не имеет ничего общего с действительностью.

На протяжении многих лет у исследователей рака было некорректное представление о теломеразах, поскольку большинство исследований рака человека проводится на мышиных моделях, хотя у мышей рак развивается без участия теломераз. В связи с этим возникает вопрос, подходят ли мышиные модели для вышеуказанных исследований. Но их трудно заменить другими моделями.

Элизабет Блэкберн из Сан-Франциско и ее бывшая студентка Кэрол Грейдер совместно с Джеком Шостаком получили Нобелевскую премию за открытие теломеразы. В одном эксперименте Шостак показал, что защищенные концы теломераз – обычное явление (он показал это на примере одноклеточного организма тетрахимены, а позже на дрожжах, у мышей и лягушек). Недавно он разработал «интеллектуальную электростанцию» для исследователей, использующих эволюционные подходы и эволюционные технологии, «чтобы обогнать естественную эволюцию природы». Манфред Эйген первым разработал эволюционные биотехнологии для усовершенствования состава химических соединений. Шостак тоже пытается исследовать липидные капли, стремясь понять, что заставляет капли делиться, – речь идет о модели с применением волны колебания для деления клеток.

Нечасто Нобелевскую премию присуждают «дважды», за открытие двух столь родственных молекул, как ОТ и TERT. Возможно, сходство между ними заметили не сразу. В последнее время появляется все больше свидетельств, что теломеразы способны транскрибировать РНК в РНК и восстанавливать поврежденную ДНК – это совсем неочевидные функции для теломеразы.

В качестве противораковой терапии мы использовали теломерические структуры, так называемые псевдоузлы, чтобы получить более плотные «узлы» и блокировать активность теломеразы. При проведении исследования на мышиной модели мы с помощью Элизабет Блэкберн остановили рост опухоли (злокачественной меланомы). Том Чех тоже занимается изучением теломеразы. Однажды я задала ему довольно глупый вопрос: имеет ли теломераза РНКазу Н? Мне до сих пор неловко за свой вопрос, поскольку следовало бы знать, что ответ: нет, нет праймера РНК, который удаляется с использованием РНКазы Н. ДНК элонгируется, а РНК остается в зафиксированном состоянии и копируется дальше с целью наращивания цепочки ДНК. Семь нуклеотидов РНК (TTAAGGG) копируются несколько тысяч раз, и в результате происходит элонгирование теломеры. Кроме того, Том Чех сказал, что, по его мнению, ОТ древнее теломеразы, так как ОТ наблюдается повсеместно, тогда как теломеразы имеют более специализированные функции и в процессе эволюции появились позднее. А может быть, наоборот?

Интересно отметить, что у насекомых выработался другой механизм защиты концов хромосом – в качестве коротких мобильных фрагментов ДНК они используют транспозоны, которые мигрируют и связываются с концами хромосом. Это напоминает наращивание волос парикмахером и не предусматривает собственно роста волос. Однако даже транспозоны являются носителями фермента транспозазы, которая родственна теломеразе и обратна транскриптазе, первая фиксируется на теломере, а вторая подвижна. Являются ли теломеразы вырождающимися транспозонами? Для защиты концов хромосом выработались разные механизмы, и все они имеют отношение к ретровирусам и обратной транскриптазе. 

Вирусы как клеточные ядра?

Эукариоты содержат ядра, от которых и получили такое название. По аналогии бактерии, не имеющие ядра, называются прокариотами.

Бактерии и клетки могут существовать в симбиозе. Наиболее показательны в этом смысле митохондрии, которые представляют собой бактерии, подвергшиеся эндогенизации и дегенерации, и не могут покинуть клетку. Они отдали 90% своих генов ядру клетки-хозяина. Некоторые гены также утеряны. У митохондрий из существовавших когда-то 3000 генов осталось всего 300. Они приобрели очень выраженную специализацию, превратились в клеточные электростанции и обеспечивают клетки энергией. А все остальное необходимое им предоставляет клетка.

Мы отметили общий принцип: ради преимуществ специализации при симбиозе утрачиваются гены. Нечто подобное происходило с цианобактериями, которые взяли на вооружение растения, а в настоящее время в виде хлоропластов специализируются на фотосинтезе. Такое на нашей планете наблюдалось лишь дважды – на удивление редко, особенно если учесть, насколько серьезные преимущества в этом случае получает клетка.

Возможно, это все-таки произошло и в третий раз. Кто же стал поставщиком ядер для эукариотов? Известны вирусы-кандидаты, в частности поксвирусы. Даже в настоящее время ретровирус может встраиваться в качестве ДНК-провируса в ДНК поксвирусов. Интеграция происходит в ядре при каждом инфицировании ретровирусом. В ряде случаев в качестве возможных кандидатов источника ядер рассматриваются вирусы герпеса. Еще одним кандидатом мог бы стать псевдовирус, в частности вирус гепатита В. Его ДНК обычно не интегрируется в ДНК клетки-хозяина, но это могло бы способствовать интеграции ДНК ретровируса или иной ДНК. Произошедшая в прошлом интеграция ДНК-провирусов из ретровирусов в наш геном может быть обнаружена и сегодня. До 50% нашего генома связно с интегрированными ретровирусами. Сформировали ли они наш геном, а еще и ядро?

Мы до сих пор не обсудили вопрос, откуда появились первые клетки. Первичные клетки относят к древнейшим универсальным общим (или клеточным) предкам (LUCA[11]). Был ли вирус предшественником LUCA? В чем заключается роль вирусов? Только ли в поставке ядер или, возможно, в формировании клетки в целом?

Гигантские вирусы, на которых мы подробно остановимся далее, укрепляют подозрение, что вирусы могли быть предшественниками клеток. Если LUCA представлял собой вирус, его нужно было бы назвать LUCAV, где V обозначает вирус, как предложил Евгений Кунин из Национального института здравоохранения (Бетесда, США). Он имеет в виду не превирус, не отдельно взятую последовательность генов вируса, а смесь большого количества различных последовательностей генов вируса, напоминающую квазивиды Манфреда Эйгена. И все же Эйген не считает, что сначала появились вирусы, что они сыграли важную роль на начальном этапе эволюции. Были ли бактерии «раздувшимися» вирусами? Данные проведенных недавно анализов подтверждают такую точку зрения, поскольку имеется широкий спектр вирусов – от мелких до гигантских, и последние оказываются даже крупнее некоторых бактериальных клеток. Луис Вильярреаль (Калифорния), так же как Евгений Кунин из Бетесды, долгое время является противником концепции первичности вирусов – точки зрения, согласно которой эволюция шла от вирусов к клеткам. Самые первые клетки и вирусы были похожи. Они представляли собой маленькие мешочки, состоявшие из липидных мембран и заполненные все более увеличивающимся количеством биомолекул, первых молекул, на основе которых возникла жизнь на Земле. Этот переход от вирусов к клеткам был не резким, а развивался постепенно, поэтому не обязательно придерживаться догматичной позиции в вопросе о том, что было первой простой структурой: вирус или клетка.

Вирусы для выявления вирусов – ПЦР

Обратная транскриптаза имеет большое значение не только для репликации ретровирусов и функционирования механизма «копировать и вставить», который действует в наших ДНК-геномах, но еще и в повседневной работе исследовательских лабораторий. Обратная транскриптаза играет важную роль в осуществлении полимеразной цепной реакции, системы амплификации. Эта система напоминает упрощенную репликацию вируса в пробирке, где происходит экспоненциальная амплификация генов. Эта технология стала революционным событием в области диагностики, поскольку до сих пор остается наиболее чувствительным методом выявления нуклеиновых кислот в микроорганизмах, вирусах, бактериях, опухолевых клетках, образцах любых тканей, ископаемых останках, мумиях, шерсти вымерших бизонов и т.д. Можно выявить даже мутации – единичные генетические изменения. Часто во время обычных посещений врача ПЦР проводится в целях диагностики либо мониторинга статуса заболевания или же реакции организма на терапию, поскольку эта реакция чрезвычайно быстро дает результаты. Получить несколько миллиграммов образца вполне возможно, и этого объема достаточно для проведения окрашивания – метод, который позволяет «увидеть» амплифицированную ДНК. Затем амплифицированная ДНК подвергается дополнительному анализу (секвенирование). Возможны варианты: если исходный материал представляет собой РНК, тогда применяется обратная транскриптаза для получения ДНК – так же, как для репликации ретровируса. Количество РНК отражает активность гена, что является информативным показателем, используемым в исследовательских и медицинских целях. Не соответствующая норме экспрессия может служить признаком заболевания. Поэтому важно провести количественную ПЦР с детекцией в реальном времени, и этот аналитический метод используется очень часто. Такой анализ называется «профилирование экспрессии» и проводится для определения активности всех генов клетки. Он характеризуется чрезвычайно высокой чувствительностью: например, в контексте ВИЧ вирусная нагрузка может определяться на очень низком уровне – 20 вирусных копий на 1 мл. Именно это в газетах называется «излечение», однако на самом деле речь идет не о реальном излечении, а о снижении количества вирусов до неопределяемого уровня. За счет использования технологических приемов удается ускорить реакцию и сделать ее более специфической, а термостабильные ферменты, предназначенные для реакции копирования, позволяют осуществлять полностью автоматическую амплификацию. В Йеллоустонском национальном парке такие ферменты обнаружили в гейзере с температурой воды 60 °С, но потом их стали находить во многих других термальных источниках. Говорят, что один ученый, желая получить термостойкие бактерии из такого термального источника для выделения термостабильной ОТ, поскользнулся на краю кратера и в результате потерял ногу. Если это правда, это очень печально. Этот фермент называется Taq-полимеразой, где Taq означает термостойкую бактерию Thermus aquaticus (это не архея).

Этот метод настолько чувствительный, что позволяет амплифицировать нуклеиновые кислоты из столь малого количества, что они могут оказаться «ни при чем» или не связаны с заболеванием – тем не менее! Поэтому сверхчувствительность метода может быть контрпродуктивна, а слепая вера в него – неправомерна и даже опасна. На самом деле мы не знаем, может ли наша иммунная система удалить незначительное число патогенов или даже раковых клеток, чтобы мы никогда не заболели, но это можно выяснить с помощью ПЦР, и это нас беспокоит.

Однако этот метод действительно помог нам найти утечку опасных фрагментов ДНК ВИЧ в одном из ламинарных боксов, которые попали туда из пробирок. А поскольку мы разрабатывали вакцину от ВИЧ на основе ДНК, то оказались вакцинированными ДНК, находившимися в лабораторном воздухе. При помощи ПЦР удалось найти утечку. Есть еще один недавний, более известный пример: с помощью ПЦР удалось идентифицировать английского короля Ричарда III по останкам из могилы, находящейся под парковкой в Лестере, сравнив ДНК этих останков с ДНК ныне здравствующих членов королевской семьи. Для восстановления филогенетических деревьев мамонтов достаточно шерсти, а для реконструкции миграционных путей первых ископаемых гоминидов вполне достаточно небольших костных образцов. Можно даже реконструировать пищу через несколько тысяч лет. Так же как можно обнаружить микроорганизмы в смоге Нью-Дели или Пекина. ПЦР радикально изменила процесс поиска преступников и убийц, и в настоящее время для определения личности достаточно буквально капли биологической жидкости или волоса. Все это стало возможно благодаря ПЦР.

Этот метод вызвал споры, поскольку несколько ученых претендовали на его открытие. Потом о нем забыли, а позднее открыли снова и усовершенствовали. Это был последний прорыв. Патентообладателем на данный метод является компания Hoffman La Roche, которая и получает роялти, но в научных целях этим методом можно пользоваться бесплатно. Изобретатель этого метода – человек необычный. После того как он несколько лет разрабатывал данную технологию в Cetus Co., его уволили из компании. Как мне рассказывали, ему заплатили $10 000, а продали эту технологию Hoffman La Roche за $300 млн. И все же справедливость наконец восторжествовала и эксцентричный изобретатель Кэри Муллис в 1993 г. получил Нобелевскую премию за открытие в области химии. Выступая с речью на церемонии вручения премии, он с сожалением сказал, что Нобелевская премия разрушила его отношения с девушкой! The New York Times писала, что его метод разделил биологию и медицину на две эпохи – до и после изобретения ПЦР.

4. Вирусы и рак

Тасманийский дьявол

Начну с важного замечания: рак – неинфекционное заболевание. Это важно знать тем, кто контактирует с онкологическими пациентами, – не нужно беспокоиться.

Это правда? Всегда? Без каких-либо исключений? К сожалению, некоторые исключения встречаются: к этим немногим исключениям относится тасманийский дьявол. Ученые занимались изучением этих животных с целью понять, почему их опухоль заразна. Они кусают друг друга и выглядят устрашающе – как дьяволы! У укушенных особей в 90% случаев развивается лицевая опухоль. Эти животные находятся на грани вымирания. Как ни странно, контагиозный агент до сих пор не выявлен. Причина передачи рака заключается в том, что тасманийские дьяволы изначально больны. У этих животных наблюдается иммунодефицит, поэтому клетки, перенесенные от одного животному другому, не воспринимаются организмом как инородные и иммунная система укушенного животного толерантна к ним. Недавно проведенное секвенирование генома показало, что все тасманийские дьяволы являются очень близкими родственниками. Клетки других животных, как правило, воспринимаются иммунной системой как инородные и отвергаются. Но не в случае с тасманийскими дьяволами. Поэтому при передаче опухолевых клеток образуется новая опухоль. В результате сильных укусов образуются кровавые раны, и опухолевые клетки попадают непосредственно в кровоток и сразу же, подобно метастазам, проникают во все области организма. Такой результат позволил всем исследователям рака вздохнуть спокойно, поскольку это значит, что тасманийские дьяволы – совершенно особый случай. Итак, все снова сошлось: рак – непередающееся заболевание. Как правило.

Организм пациентов, которых готовят к трансплантации органов и для этого подавляют иммунитет, реагирует так же, как организм тасманийских дьяволов. У пациентов любой инородный орган, как правило, не является «своим» и отторгается несовместимым маркером клеточной поверхности, молекулами главного комплекса гистосовместимости (ГКГС). Чтобы организм «принял» трансплантат и не отторгал его, необходимо подавить иммунную систему пациента. В организме тасманийских дьяволов именно это и происходит.

В качестве модели для изучения раковых клеток исследователи используют мышей, лишенных иммунной системы. Эти мыши имеют генетический дефект, обусловленный потерей Т-клеток, компонентов иммунной системы, а также волосяного покрова, в силу чего они получили название «голых» мышей. В отличие от нормальных мышей, им путем инъекции можно ввести опухолевые клетки, которые не отторгаются организмом, а приводят к развитию опухоли, даже если эти опухолевые клетки неродственных им видов, в частности человека. Мы, как и любой исследователь рака, обычно использовали этих мышей. Есть еще один специальный вид лабораторных мышей – мыши с тяжелым комбинированным иммунодефицитом (ТКИД), на модели которых можно изучать инородные опухолевые клетки; ТКИД может развиваться и у людей (заболевание, напоминающее СПИД). Чтобы избежать риска инфицирования, таким пациентам приходится жить в стерильных условиях специальных «палаток». Кроме того, мышей с ТКИД сложно разводить. Я еще не рассматривала возможность использовать тасманийского дьявола в качестве животной модели для изучения раковых клеток человека – слишком уж они свирепы и есть в них что-то зловещее. Известно еще две трансмиссивные опухоли, которые развиваются у двух видов животных, – трансмиссивная венерическая саркома (ТВС), передающаяся половым путем и поражающая половые органы у собак, и другая опухоль – у хомяков. Обе опухоли напоминают генетическое заболевание тасманийского дьявола.

Ретровирусные онкогены

Изучение ретровирусов особенно помогло ученым понять, как вирус способствует развитию опухоли. Поэтому такие ретровирусы еще называют онкогенными (или опухолевыми) вирусами. Они являются носителями генов рака, или по-другому онкогенов, в связи с чем многие ретровирусологи считают себя исследователями рака – и я в их числе. Многие из этих вирусов являются лабораторными штаммами и редко встречаются у человека, а если и наблюдаются, то только в комбинации с прочими факторами, которые обусловливают их канцерогенность, – зачастую после нескольких десятилетий. Однако они способны вызвать рак у животных (мышей, кошек, коров) и даже у растений, а также у обезьян.

Известно около 100 вирусных онкогенов. Все они характеризуются главным образом способностью стимулировать рост клеток. Онкогены, не дающие клеткам преимуществ роста или даже подавляющие его, не проявляют себя, и их часто не замечают. Опухолеродные вирусы могут обусловить появление небольших скоплений клеток в чашке для культивирования, «мини-опухолей», называемых очагами. Они могут быть достаточно большими и различимы невооруженным глазом. Исследователи собрали самые крупные очаги и выделили вирусы, имеющие онкогены, наиболее активно стимулирующие рост опухоли. У животных «лучшие» онкогены индуцируют развитие самых больших опухолей. Эти вирусы помогли нам, исследователям, отобрать самые опасные онкогены. В настоящее время – и уже около 40 лет – их часто используют фармацевтические компании в качестве оптимальных мишеней для противораковой терапии, что привело к разработке современных наиболее эффективных лекарств. Подождите немного, и я объясню, какую роль исследуемые в пробирке онкогены играют в изучении рака у человека.

Нормальные клетки перестают расти, «столкнувшись» с соседними клетками. Это явление хорошо известно тем, кто работает на кухне, – заживление пореза на пальце происходит за счет роста клеток, и, как только они соприкасаются с соседними клетками, рост прекращается. Это явление называется контактным ингибированием роста. У опухолевых клеток нет такого стоп-сигнала, который не допускал бы роста клетки поверх другой клетки, что является важным аспектом роста опухолевых клеток.

Проводилось долгосрочное исследование, целью которого было понять, откуда берутся онкогенные вирусы: изнутри или извне клетки. Чтобы ответить на этот вопрос, ученым нужно было сначала понять, как осуществляется обмен генами между вирусами и клетками, то есть каков механизм горизонтального переноса генов (ГПГ). Этот процесс предусматривает перенос генов в обоих направлениях: гены, находящиеся внутри клетки, выводятся из нее вирусами, а вирусы в результате инфицирования способны переноситься в новые клетки. Может происходить накопление вновь приобретенных вирусных генов путем их интеграции в клеточный геном. Таким образом, осуществляется перенос генов в обоих направлениях. Гены, переносимые вирусами, выбираются случайным образом – по крайней мере первоначально. Когда экспериментаторы отобрали онкогены, индуцирующие быстрый рост клеток или опухоли, то в итоге получили вирусы, имеющие особые гены, которые обеспечивают клеткам самое большое преимущество, а именно возможность неконтролируемого деления, а это – признак рака. Имеет значение еще одно явление. Высокая частота мутаций вируса обусловливает существование канцерогенных генов, наиболее эффективно стимулирующих рост клеток. Мутации происходят в процессе репликации вируса, для чего задействуется обратная транскриптаза, работа которой не застрахована от ошибок и «нестабильна». Во время каждой репликации происходит 10 мутаций на каждые 10 000 нуклеотидов (размер ретровируса). Столь высокая частота ошибок делает ДНК-содержащие вирусы весьма «изобретательными». Мутагенез – часть стратегии выживания вирусов. Мутации повышают онкогенность онкогенов. Клетки с ДНК-геномами, в частности клетки человека, выработали корректирующие механизмы, которые в значительной степени предотвращают мутации. И это хорошо для нас, поскольку в противном случае вероятность заболеть раком была бы выше. Клеточные онкогены обозначаются как c-onc (или протоонкогены), а после мутирования их вирусами они называются вирусными онкогенами v-onc (или вирусными онк) – они «лучше», поскольку обладают более сильным онкогенным действием. Таким образом, онкогены имеют клеточное происхождение, но вирус модифицирует их.

В Центре секвенирования по Сэнгеру при Кембриджском университете (Великобритания) проводилось крупномасштабное исследование, в рамках которого осуществлялся скрининг раковых клеток в поиске канцерогенных генов. У человека 20 000 генов. Сколько из них канцерогенных? Исследователи выявили сотни таких генов; но интересно, что зачастую наиболее выраженная канцерогенность отмечалась у вирусных онкогенов, которые исследователи отобрали и изолировали. Таким образом, именно вирусы, а не механизм секвенирования помогли нам выявить онкогены. Более того, в лабораторных условиях именно их сначала выявили вместе с опухолевыми вирусами, а уже позднее, при раке у человека, – независимо от вирусов. Примерно 10 из них в настоящее время являются мишенями для довольно перспективных препаратов против рака у человека.

Вирусы показали нам, что вызывает рак. В настоящее время известно около 100 онкогенов ретровирусного происхождения. Как же они вызывают рак? Стоило бы вспомнить, как был открыт первый онкоген – «саркома», или ген Src, являющийся частью вируса саркомы Рауса (RSV или ВСР), вызывающего рак у цыплят. А теперь обратимся к истории открытия этого вируса.

Сага о саркоме

Пейтон Раус, ученый, открывший онкогенный вирус, сдался. Так же как Галилео Галилей, который лгал суду инквизиции и, чтобы спасти жизнь, отказался от своих исследований, Раус под давлением коллег прекратил исследования рака. Они не смогли воспроизвести полученные им результаты, и вместо того, чтобы как-то решить проблему, Раус просто не стал ничего предпринимать! Примерно 100 лет назад было установлено, что рак может передаваться, как и все инфекционные заболевания у цыплят. Однажды фермер принес ему в Рокфеллеровский университет (Нью-Йорк) цыпленка с большой опухолью. Фермер опасался, что заразятся остальные цыплята. Раус, будучи опытным патологом, диагностировал саркому. Он изолировал опухоль, гомогенизировал клетки, профильтровал их и ввел вирус здоровым цыплятам. Появились новые опухоли. Такой результат соответствовал первому постулату Роберта Коха, сформулированному примерно в 1880 г., согласно которому изолированный агент считается возбудителем заболевания, если он возбуждает такое же заболевание, из которого был впервые изолирован. Раус говорил о «фильтруемом агенте», а не о вирусе. Он опубликовал результаты в 1911 г. Аналогичные результаты по лейкемии были получены и опубликованы Вильгельмом Эллерманом и Олафом Бангом. Но проблема заключалась в том, что никому не удавалось воспроизвести результаты, полученные Раусом. В то время еще никто не знал о генетической резистентности к вирусам и раку. Его оппоненты использовали разных, устойчивых к опухолевому агенту цыплят. Сегодня это просто и понятно. Раусу не повезло, он упустил из виду главное.

Восемьдесят лет спустя то же самое произошло и со мной. Я не знала о проблеме, с которой столкнулся Раус. Какая досада! Я пыталась вырастить вирус лейкемии у цыплят, чтобы изолировать его в большом количестве для выделения и изучения обратной транскриптазы. На протяжении нескольких месяцев я успешно занималась этим проектом. Однако после того, как моя лаборатория переехала из Общества Макса Планка (Тюбинген) в Институт Роберта Коха (Берлин), у меня перестало что-либо получаться. Цыплята просто не заболевали, и вирус реплицировать не удавалось. Пребывая в отчаянии, я заказала цыплят у первоначального поставщика – птицефермы, находящейся недалеко от Тюбингена, хотя это было сопряжено со сложной транспортировкой нескольких тысяч однодневных цыплят в Берлин рейсом Pan Am, поскольку в то время Западный Берлин находился посреди бывшей Восточной Германии. В организме цыплят от прежнего поставщика вирус заработал. Цыплята заразились вирусом (он называется вирусом миелобластоза птиц, ВМП), и было получено огромное количество вируса. Через много лет началось исследование ВИЧ. И тогда мы впервые не без удивления поняли, что есть люди, устойчивые к этому вирусу: 15% европейцев не заражаются ВИЧ в силу генетической резистентности, поскольку у них есть дефектный рецептор для внедрения вируса в клетку (CCR5delta32).

Раус и его коллеги просто не догадались, что использовали «не тех» цыплят. Возможно, знание этого не помогло бы Раусу, поскольку, принимая во внимание подобные исключения, его концепция не была достоверной. Но он сдался! Он не понял значимости своего наблюдения для переноса опухоли у животных! Тем не менее позже его признали «отцом онкогенных вирусов», и первый открытый онкогенный вирус был назван в его честь вирусом саркомы Рауса (ВСР). В 1966 г., через 55 лет после своего открытия, Раус получил Нобелевскую премию. Ему исполнилось 87 лет. Его номинировали на Нобелевскую премию за 40 лет до этого, но в то время ему ее не присудили. Он разработал метод выращивания вируса в хорионаллантоисных мембранах куриных яиц (напоминает небольшой воздушный пузырь). В это трудно поверить, но данным старинным способом мы до сих пор пользуемся для получения миллионов доз вакцины от вируса гриппа. Этот же метод мы применили для проверки предполагаемого случая заражения оспой в 1970-х гг. Тогда в Институте Роберта Коха (Берлин) при помощи специального инструмента мы вскрывали скорлупу, помещали туда подозрительный образец, закрывали скорлупу и инкубировали яйца в целях выращивания вируса – в такой питательной среде он рос невероятно быстро!

Вирусный белок v-Src многофункционален. Одиночная многофункциональная молекула задействована на нескольких этапах образования опухоли. v-Src короче аналогичного клеточного белка с-Src на семь из 536 аминокислот. Такое изменение может показаться незначительным, но вирусы всегда ищут простые решения, и небольшое уменьшение числа аминокислот имеет колоссальные последствия – потерю связывания с внутренней стороной клеточной поверхности, что обусловливает неконтролируемый рост клеток и развитие рака. Потеря даже одной кислоты на конце имеет серьезные последствия – поведение клетки приобретает метастатический характер. Обнаружив это явление, мы были настолько удивлены – в это было очень трудно поверить, – что стали его анализировать. Мы объяснили это потерей способности белка связываться с супрессором опухоли, что имеет серьезные последствия, ведет к потере контроля над межклеточным взаимодействием, вследствие чего у клеток появляется возможность менять свою локацию, вызывая метастазы. Следующий сюрприз заключался в том, что столь крошечная потеря одной аминокислоты вызвала изменение почти сотни других клеточных функций. (Мы показали это, проведя анализ профиля экспрессии метастатических клеток. Более подробно эта процедура описана в главе, посвященной «-омикам».)

Вирусные промоторы (длинные концевые или LTR-последовательности) интенсифицируют синтез белка v-Src. Это обусловливает сверхэкспрессию онкогена, что является опасным дозозависимым эффектом. Вирусные промоторы обычно регулируют репликацию вируса внутри клетки, обходя изменение функции клеток, так называемое «эгоистическое поведение» вирусов. Такие вирусные промоторы обладают самыми мощными свойствами, известными в биологии, – усиливают экспрессию вирусных генов, что приводит к выраженной передозировке онкогена, «промоутируя» развитие рака. Это любимые инструменты для экспрессии генов во всех биомолекулярных лабораториях.

В Сан-Франциско в 1970-х гг. Джон Майк Бишоп и его ассистент-постдокторант Гарольд Вармус использовали белок Src в качестве модели для исследования рака. Они пытались выяснить происхождение этого вируса и обнаружили его везде – от мух до слонов, в нормальных клетках, совершенно свободных от рака. Это было загадочно и, казалось, предполагало системную ошибку. Они отозвали свою статью, которая была уже принята к публикации и материалы которой уже начали циркулировать в Институте вирусологии Общества Макса Планка (Тюбинген).

Проблема заключалась в том, что применявшиеся методы не позволяли отличать нормальные гены Src от онкогена: немного более короткая версия этого гена (онкоген) выглядела так же. Джон Майк Бишоп и Гарольд Вармус решили эту проблему и в 1989 г. получили Нобелевскую премию за свою работу. Я присутствовала на их чествовании в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор. Майкл был в смокинге и держал в руках рукопись – обычно для обсуждения она никогда не была ему нужна. Вармус (который, насколько я помню, приезжал на все мероприятия, проводившиеся в Европе, на велосипеде и был настолько мокрым, что хоть выжимай) выглядел энергичнее большинства присутствовавших! Они вдвоем пришли ко мне в лабораторию в Обществе Макса Планка (Берлин) и спрашивали о диких кабанах на территории охотничьего замка Грюневальд, упомянутого в путеводителе, – раньше мне никогда не задавали таких вопросов. Питер Фогт из Лос-Анджелеса, поставлявший вирус саркомы Рауса, тоже внес свой вклад в исследования. Кроме того, берлинец Питер Дюсберг вместе со Стивом Мартином (в настоящее время оба работают в Беркли), проведя важный эксперимент, показали, что генетически модифицированный инактивированный Src не вызывает развития опухоли. Это стало последним весомым доказательством того, что Питер Дюсберг – адвокат дьявола и всегда придерживался точки зрения, противоположной мнению научного сообщества (всегда напоминал Мефистофеля из «Фауста» Гёте). Он неоднократно оказывался прав, но жестоко ошибся, когда отверг идею о том, что ВИЧ является причиной СПИДа. Я помню, как он говорил это нескольким сотням слушателей во время подиумных обсуждений в Университете им. Гумбольдта в Берлине. Я считала эту точку зрения опасной и вводящей в заблуждение. Мы с ним не раз устраивали научные дискуссии, никогда не приходили к общему мнению, но всегда оставались друзьями.

Вирусные онкогены, не содержащие вирусов, – парадокс?

Ретровирус может вызвать развитие рака даже при отсутствии онкогена. Интеграция ДНК провируса в клеточный геном чрезвычайно опасна для клетки. Где бы такая интеграция ни происходила, она происходит случайным образом и может обусловить «генотоксический» эффект, повреждая гены, ДНК. К числу наиболее значимых факторов развития рака относятся, в частности, нездоровый образ жизни и факторы среды, в том числе курение, алкоголь, действие ядовитых веществ, выхлопные газы, заражение, радиоактивность (хотя в настоящее время этот фактор считается менее опасным, чем ранее), дым из труб. Многие трубочисты умерли от рака яичек – так впервые были выявлены «средовые» канцерогены. Относительно недавно было установлено, что некоторые бактерии, населяющие желудок, являются потенциальными канцерогенами. Мы до сих пор не знаем всех факторов. Кроме того, пока неизвестна роль следующих факторов: время воздействия, дозозависимость и комбинация факторов.

Благодаря онкогенным вирусам мы поняли, как под действием онкогенов развивается рак. Как это ни парадоксально, но лучше всего исследованными ДНК-онкогенными вирусами являются вирусы животных, которые обычно у человека не вызывают развитие заболевания, – Simian virus 40(SV40) и Polyoma virus (PY). Обычно эти вирусы не ассоциируются с раком у человека, и все же оба очень важны для понимания молекулярных механизмов злокачественных перерождений. Наш выбор объяснялся просто: у нас была качественная клеточная культура и животные системы. Кроме того, благодаря этим вирусам мы определили, что они вызывают развитие рака только в редких случаях в так называемых непермессивных клетках, где вирус не реплицируется, а скорее, интегрирует свои геномы в клетку-хозяина. В пермиссивных клетках вирусы реплицируются и оказывают лизирующее действие на клетки, высвобождая потомство – вирусные частицы, не индуцируя при этом развитие рака. Интеграция в непермессивные клетки опасна и может вызвать рак в клетках животных. Кроме того, интеграция является признаком онкогенности ретровирусов даже при отсутствии онкогена, и тогда медиаторами этого процесса являются «мощные» промоторы – LTR-последовательности, которые обычно обеспечивают экспрессию вируса, но могут добраться и до соседних генов и внести путаницу в их экспрессию. Сверхэкспрессия или дерегулирование генов может привести к некорректной дозировке или активации в несоответствующий момент времени. Это явление называется «вставочный мутагенез» или «даунстрим-стимулирование». Только недавно было установлено, что в нашем геноме находится большое количество вирусных промоторов – одиночных LTR-последовательностей, которые являются «остатками» после встраивания ретровирусов в наш геном, произошедшего примерно 100 млн лет назад! В нашем геноме содержится около 0,5 млн таких одиночных LTR-последовательностей – остальная часть вируса утеряна. Звучит немного угрожающе, и в настоящее время ученые задаются вопросом, сохранили ли эти последовательности способность вызывать рак. Наши клетки могут им противостоять и подавлять их активность, особенно на этапе эмбриогенеза, для защиты следующего поколения. Достаточно ли этого?

А сейчас подойдем к настоящему парадоксу: когда исследователи изучали раковые клетки человека, многие онкогены, известные ученым из исследований ретровирусных онкогенов (v-онк), были выявлены в раке человека, но без каких бы то ни было признаков онкогенных вирусов. Звучит странно, но этому есть простое объяснение: обычно опухолевые клетки растут быстрее нормальных независимо от стимула и от того, что инициирует такой рост, – химические канцерогены, сигаретный дым, генетические нарушения, нездоровый образ жизни, вирусные онкогены или вирусные промоторы. Таким образом, любой мутировавший клеточный ген может усилить клеточный рост, а это – признак рака. Но значение имеет результат, а не причина (не вирус!).

Вирусы и рак

Вирусы могут способствовать развитию рака, но они никогда не действуют в одиночку.

Выделяется шесть далеких друг от друга семейств вирусов, которые могут быть задействованы в развитии рака у человека. Примерно в 15–20% случаев рака у человека вирусы являются «кофакторами» – слово, которое нужно подчеркнуть.

Эти вирусы включают редкий ретровирус, Т-лимфотропный вирус человека типа 1 (HTLV-1, имеющий дальнее родство с ВИЧ), вирус гепатита В (HBV, параретровирус) и вирус гепатита С (HCV, РНК вирус) – оба вызывают рак печени; два вируса папилломы человека (ВПЧ), которые индуцируют рак шейки матки и другие виды рака половых органов; герпесвирусы, в частности вирус Эпштейна–Барр (ЭБВ), который участвует в развитии двух видов опухолей – лимфомы Беркитта (ЛБ) в Африке и назофаренгеальной саркомы носа в Китае (ЭБВ также является возбудителем мононуклеоза, который не является раком); а также вирус саркомы Капоши (он еще называется вирусом герпеса человека 8, HHV-8).

ВИЧ не относится к канцерогенным вирусам, но в сочетании с другими вирусами и факторами опосредованно повышает риск развития рака. HTLV-1 – единственный известный ретровирус человека, вызывающий рак. Этот эндемический вирус из Японии может индуцировать скоротечное заболевание – Т-клеточный лейкоз взрослых (ТКЛВ), а в Африке – тропический спастический парапарез (TSP). Японский вирус передается с молоком матери, и его распространения можно без труда избежать, если вести среди кормящих женщин просветительскую работу и постараться убедить их отказаться от грудного вскармливания. У этого вируса есть один особенный ген Taх, который не относится к клеточным генам, как другие онкогены, хотя и ведет себя так же: это транскрипционный активатор, который активирует клеточные гены, что приводит к образованию «химической петли», состоящей из какого-либо фактора роста и его рецептора. Такая комбинация стимулирует клеточный рост. Считается, что Тах играет определенную роль в развитии опухоли яичек – доброкачественной опухоли у молодых мужчин, которая часто выявляется у призывников во время медицинского осмотра. Прочие вирусы лейкемии встречаются у животных, например у овец, коров и мышей. Были проведены широкомасштабные исследования гормонзависимого вируса опухоли молочной железы мышей, но его не выявили в опухоли молочной железы у человека. Работа по поиску доказательств его существования зашла настолько далеко, что Сол Шпигельман из Нью-Йорка опубликовал шкалы с делением, равным 10 минутам (вместо стандартного деления, равного 1 минуте), чтобы результаты его поисков казались более впечатляющими. Возможно, он надеялся, что этого никто не заметит. Но все заметили! Насколько нам известно, онкогенного вируса, вызывающего рак молочной железы у человека, не существует.

Ретровирусы могут вызывать заболевания у коз, овец и лошадей (вирус артрита-энцефалита коз и овец и вирус инфекционной анемии лошадей), но они, как правило, не носят летального характера. Эквивалентов таких «животных» вирусов не выявлено, как это ни удивительно.

К важным онкогенным вирусам человека относятся вирусы гепатита: HBV и HCV; оба эти вируса способны индуцировать рак. Геном HBV состоит из двуспиральной ДНК с некоторым количеством односпиральных участков, которые выглядят незаконченными; он реплицируется так же, как и ретровирусы, с участием обратной транскриптазы, в силу чего относится к параретровирусам. Основное различие между этими вирусами заключается в содержании вирусных частиц; геном ретровирусов состоит из РНК, а параретровирусов – из ДНК. Последующие циклы репликации очень схожи. Обычно ВГВ не интегрируется в геном клетки-хозяина. Если же вопреки всем правилам это случается, он становится генотоксичным и очень онкогенным. HBV сопровождается хроническим воспалением печени, которое иногда усиливается вследствие нездорового образа жизни и алкоголизма. В этом случае фактором, индуцирующим развитие рака, становится один из видов онкогенов, многофункциональный белок Х. Рак, индуцируемый HBV, – это гепатоцеллюлярная карцинома (ГЦК), чаще всего наблюдающаяся в определенных регионах мира вследствие действия прочих факторов, в частности афлатоксинов в Китае, источником которых являются грибы Aspergillus flavus, загрязняющие пищу. После Второй мировой войны мы соскребали плесень с мармелада и обрезали пораженные ею края хлеба. Но этого мало. Мы делали это из-за нехватки продуктов, чего не нужно повторять, поскольку, действуя таким образом, невозможно полностью удалить мицелий, представляющий опасность для здоровья, и заплесневелый кусок хлеба нужно выбрасывать. Против этих двух проблем – рака и вируса – первым эффективным средством стала вакцина от HBV. Более того, она стала первой рекомбинантной вакциной, полученной с использованием технологии рекомбинантной ДНК в дрожжах (части ДНК скомбинированы), которая не представляет опасности для реципиента. Столь впечатляющий успех был достигнут легендарным Морисом Хиллеманом из Merck, который, помимо этого, разработал около 10 других противовирусных вакцин. Он спас миллионы жизней, создав вакцину от вируса гепатита В, но не получил Нобелевскую премию. Вакцина от вируса гепатита В послужила моделью для разработки вакцины от ВИЧ, которую до сих пор не удается получить. ВИЧ отличается высокой вариабельностью, а HBV – нет.

«Кто из вас сделал прививку от HBV?» – спросила я у студентов-медиков, когда преподавала в Цюрихском университете. Из нескольких сот слушателей вакцинированными оказались всего несколько человек. Когда моя племянница поехала работать в английскую больницу, я положила ей в чемодан шприц для необходимой третьей вакцинации от HBV. В то время об этом никто не думал. В настоящее время гепатит В более не является приемлемым профессиональным заболеванием для медиков. Сегодня вакцинирование от HBV обязательно для всех медицинских работников. Эту прививку нужно делать любому человеку, а потом еще проводить тест, чтобы проверить иммунный ответ или сделать повторную инъекцию, особенно перед тем как отправиться в дальнее путешествие.

Затем идет вирус гепатита С (HCV) – относительно новое заболевание. Оно вызывается РНК-вирусом и может перейти в хроническую форму, что приводит к развитию гепатоцеллюлярного рака. Это заболевание исследовали продолжительное время как вирус «гепатита не А и не В». И наконец его идентифицировали, проведя исследование за счет федерального бюджета, которое затем прекратили по инициативе американской компании – это ужасная история, в результате которой исследования были надолго приостановлены. Не вполне понятен способ передачи инфекции. Многие люди не представляют себе, как можно заразиться гепатитом С, – через кровь, из-за уже использованных игл или даже при клинических процедурах. Примерно 40 лет назад использование зараженных игл привело к непреднамеренному инфицированию миллионов египтян, которым делали по три инъекции препарата против шистосомоза (также называемого бильгарциозом). Это паразитическая инфекция, которой можно заразиться даже во время купания в естественных водоемах, в частности в Ниле. Заболеваемость паразитическим заболеванием существенно снизилась, но вместо этого вследствие использования нестерильных игл произошло инфицирование HCV. В то время об этом заболевании еще не знали, и инфицирование происходило вследствие повторного использования зараженных игл. Несмотря на то, что в настоящее время известно об опасности повторного использования игл, все равно это зачастую происходит из соображений экономии. В настоящее время, когда отмечается повышение заболеваемости раком печени, египетские медики считаются высококлассными специалистами по пересадке печени. Подобное инфицирование зараженными иглами также отмечалось на территории бывшей Восточной Германии, когда 3000 женщин делали прививку от фактора резус-несовместимости, белка, характерного для эритроцитов. При такой генетической манипуляции у пары нет шансов на рождение второго ребенка – так произошло у Гёте с его женой. Никому не хочется, чтобы им напоминали о «загадке бернской футбольной команды», о событиях, произошедших в 1954 г., когда несколько членов команды заболели гепатитом, – в то время еще неизвестным HCV. Разобраться в этом явлении ученые смогли только через несколько десятилетий, когда показатель распространенности некоторых видов опухолей повысился. Причиной заражения игроков бернской команды стало использование зараженных игл для инъекций витаминов.

Пионерами исследований HCV являются Чарльз Райс из Института Рокфеллера (Нью-Йорк) и Ральф Бартеншлягер из Гейдельбергского университета, разработавшие упрощенный репликационный цикл HCV в «пробирке» за счет использования «репликона», укороченного вируса, позволяющего осуществлять поиск лекарств без повышенных требований к безопасности. Недавно были разработаны новые препараты, убивающие HCV в течение трех месяцев; при этом наблюдается полное выведение вируса из организма пациента – мечта, остающаяся недостижимой в отношении ВИЧ. Это серьезная история успеха, несмотря на то что терапия стоит €54 000. Она должна быть доступна всем инфицированным пациентам, но существуют определенные ограничения, когда в соответствии с медицинской страховкой оплата таких расходов распространяется только на пациентов на поздних стадиях заболевания. Много лет интерферон был единственной, но гораздо менее эффективной терапией. К счастью, в Египте пациенты получают препарат стоимостью $900 за цикл лечения. Но непонятно, почему в Египте до сих пор распространяется HCV. Этим вирусом инфицировано 15% населения страны, что объясняется привычкой бриться в парикмахерских. Может быть, именно там люди заражаются? По данным врачей-ортопедов, специализирующихся на лечении заболеваний стоп, гигиена ног в Египте не слишком распространена (!), однако в западных странах тоже есть некоторые риски. Во всем мире HCV заражено 170 млн человек. В 2015 г. Райс и Бартеншлягер были удостоены медали Роберта Коха. Они заявили, что до сих пор сохраняется потребность в вакцине, которая позволила бы полностью уничтожить этот вирус. Возможно, его разработкой должны заниматься академические институты, поскольку фармкомпании в настоящее время вполне устраивают уже имеющиеся прибыльные препараты!

Вероятно, стоит упомянуть, что хроническое воспаление является одной из причин, вызывающих рак, даже при отсутствии других факторов. Мы установили, что у животных кусок металла, «установленный» под кожей, может привести к развитию рака. Аналогичным образом постоянное царапание десен зубными протезами может привести к развитию рака. Всем известно имя велосипедиста Лэнса Армстронга, заболевшего раком, – вполне возможно, причиной развития у него заболевания стало постоянное трение кожи о седло, поскольку он занимался велосипедным спортом много часов и много лет! Возникновение опухоли, вероятно, было вызвано постоянным трением.

Папилломавирусы принадлежат к группе, называемой «паповавирусы»: вирус папилломы, полиомы и вирус SV40. Они похожи на вирусы-прототипы, состоящие из структур в форме икосаэдра с двуспиральными ДНК. Папилломавирус человека (ПВЧ) привлек пристальное внимание ученых, когда в 2008 г. Харальд цур Хаузен из Гейдельберга получил Нобелевскую премию вместе с двумя исследователями ВИЧ – Франсуазой Барре-Синусси и Люком Монтанье. В настоящее время у матерей молодых девушек возникает вопрос: нужно ли делать их дочерям прививку от рак-специфических вирусов папилломы человека прежде, чем их дочери достигнут половой зрелости, поскольку вакцины против вирусов оказывают только профилактическое действие, несмотря даже на то, что вирус может вызвать рак шейки матки в течение жизни женщины спустя лишь несколько десятков лет; в ряде случаев он выявляется в виде генитальных папиллом, но рак развивается лишь в редких случаях. Прочие факторы, в частности соблюдение гигиенических требований, генитальные инфекции и даже курение, могут стать одной из причин развития рака. Только два из 178 известных вирусов папилломы человека вызывают рак, а именно ВПЧ-16 и ВПЧ-18. Кроме того, по мнению Харальда цур Хаузена, молодым мужчинам следует вакцинироваться. ВПЧ является одним из факторов развития рака полового члена, заднего прохода, рта и глотки. На долю этого вируса приходится 5% всех опухолей в мире. Мы сих пор не знаем, насколько эффективны эти вакцины, поскольку для развития опухоли требуется несколько десятилетий, и только тогда мы увидим их защитный эффект. В настоящее время молодым мужчинам рекомендуется делать прививку (онкогенные варианты ВПЧ, а именно ВПЧ-16 и ВПЧ-18 экспрессируют два онкопротеина – E6 и Е7, ранние транскрипционные факторы, которые блокируют действие супрессоров опухоли (p53 и Rb) и действуют в качестве стимуляторов роста).

Паповавирусы, как правило, не интегрируются, но, если это происходит, они становятся генотоксичными и опасными. Вирусы палиомы (Py) могут представлять угрозу для здоровья пациентов со сниженным после трансплантаций иммунитетом (в частности, так называемые вирусы BK или JС, получившие свое название по имени пациентов, могут привести к развитию опухолей, в то время как SV40 обычно проявляет активность только в организме животных). Обычно такие вирусы не вызывают развития заболеваний – инфицирование происходит у 75% людей, но только трансплантация печени и ассоциированная иммуносупрессия относятся к рискам активации этих вирусов. Интеграция вирусной ДНК в геном клеток наблюдается только в 1% клеток, но эта фактически случайность все равно является одним из факторов развития рака. Обезьяний вирус SV40 однажды «загрязнил» вакцину от полиовируса, которую разработали много лет назад, используя клетки почек африканских зеленых мартышек. Серьезное беспокойство вызвал вопрос, могла бы эта вакцина в долгосрочной перспективе вызвать развитие рака. Этой вакциной вакцинировали миллионы русских в бывшем Восточном лагере. На протяжении нескольких десятилетий осуществлялся мониторинг возможности развития опухоли. Но катастрофы не произошло.

Производство полиовируса для вакцинации также рассматривалось как возможный источник SIV, обезьяньего вируса, родственного ВИЧ, потенциальным последствием которого может стать распространение ВИЧ. Но, согласно заключению специального комитета, это маловероятно.

Ежегодно в мире от рака умирает около 10 млн человек, и этот показатель растет, особенно в экономически неразвитых странах. Примерно в 15–20% случаев его причиной становятся вирусы. Старомодная эпидемиология по-прежнему чрезвычайно информативна при выявлении новых вирусов как причины рака. Цур Хаузен занимается поиском новых вирусов-кандидатов (провоцирующих рак прямой кишки) в стейках, особенно в Аргентине, жители которой часто едят говядину. В этой стране стейки очень толстые и часто недостаточно прожарены, чтобы любые вирусы, находящиеся в мясе, оказались уничтожены. Другое эпидемиологическое исследование показало, что в Норвегии, где пьют мало молока в силу непереносимости норвежцами лактозы, показатель заболеваемости раком молочных желез низкий. Содержатся ли в молоке агенты, провоцирующие рак? Пока еще слишком рано об этом говорить. Обе эти возможности рассматриваются цур Хаузеном, который до этого не ошибся в отношении вируса папилломы человека (ВПЧ)!

С недавнего времени внимание исследователей привлекает рак, индуцированный микроорганизмами. Бактерия Helicobacter pylori может вызвать развитие рака желудка или расположенного выше участка ЖКТ – пищевода. Кроме того, бактерии Chlamydia trachomatis, передаваемые половым путем и реплицирующиеся внутри клетки, способствуют развитию рака, как следует из заключения Института инфекционной биологии Общества Макса Планка. Chlamydia trachomatis оказывает опасное генотоксическое действие, а также блокирует репарацию генов и предотвращает гибель клеток – все это свойства, стимулирующие развитие рака. Антибиотики тоже рассматриваются как опосредованные «промоутеры рака». Если пациенту, проходящему курс химиотерапии, показаны антибиотики, это может стать серьезным недостатком, ограничивающим эффективность химиотерапии, поскольку бактерии в ЖКТ необходимы для обеспечения эффективности противораковой терапии и не должны быть уничтожены антибиотиками. «Интересно, сколько пациентов я, возможно, погубил, не владея этой информацией?» – сказал недавно известный онколог.

Итак, один вирус вызывает один вид рака? Нет, это не так. Разные вирусы в сочетании с большим числом кофакторов могут вызвать много заболеваний – факт, который неоднократно вызывал недопонимание и замешательство. Герпесвирус Эпштейна–Барр (ЭБВ) характеризуется многочисленными проявлениями. Он вызывает лимфому Беркитта (ЛБ), сопровождающуюся воспалением лимфоузлов, часто наблюдаемую у африканских детей, и назофаренгеальный рак в Китае. Согласно описанию в учебниках, возбудителем рака является один какой-нибудь вирус и различные кофакторы. Безусловно, новые технологии секвенирования позволили определить генетические различия вируса в обоих случаях, а также при третьем заболевании – мононуклеозе (грандулярная лихорадка) или «болезни поцелуев», часто встречающейся у студентов американских колледжей. Заболевание не является раком, но его возбудитель – тот же вирус ЭБВ. В настоящее время путем секвенирования трех вирусных геномов были выявлены генетические варианты. Вирусы отличаются друг от друга. Различные кофакторы, равно как и белок Myc, обусловливают рост этих опухолевых клеток.

Еще один вирус герпеса человека – HHV-8, или вирус герпеса человека, ассоциированный с саркомой Капоши (KSHV). Когда ВИЧ только открыли, в Сан-Франциско KSHV считался одним из признаков ВИЧ, поскольку отмечалось инфицирование молодых мужчин, в то время как, по известным на тот момент данным, саркома Капоши развивалась чаще у пожилых мужчин. HHV-8 обусловливает развитие ангиогенеза (разрастание кровяных сосудов), поэтому были разработаны антиангиогенные препараты, в частности препараты для подавления активности васкулоэндотелиального фактора роста (VEGF). Эти препараты также могли бы способствовать лечению и других опухолей, поскольку новые кровеносные сосуды необходимы для обеспечения питательными веществами растущих опухолей. Существует препарат для лечения рака яичников, и он же показан при макулярной дегенерации сетчатки глаза, которая может привести к слепоте. Такая терапия стоимостью $100 000 весьма спорна и зачастую дает лишь временный эффект.

ВИЧ не вызывает рак, хотя рак у носителей ВИЧ часто оказывается следствием этого вируса на поздней стадии: ВИЧ проявляет свое канцерогенное действие в комбинации с другими вирусами: например, ВИЧ в сочетании с ЭБВ индуцирует развитие лимфомы, ВИЧ с KSHV – саркому Капоши, а ВИЧ с ВПЧ – рак шейки матки. На поздних стадиях ВИЧ-инфекции может наблюдаться комбинированное действие нескольких вирусов. В этом процессе важная роль отводится иммунной системе. Даже на фоне противоретровирусной терапии наблюдается ослабление иммунной системы, и такой терапии недостаточно для профилактики развития рака. Относится ли это и к иммунной системе у пожилых людей? Показатель заболеваемости раком с возрастом увеличивается. Какие способности с возрастом утрачиваются организмом? Почему показатель заболеваемости повышается с возрастом независимо от наличия или отсутствия ВИЧ-инфекции? Для того, чтобы получить больше информации по данному вопросу, был создан новый Институт исследования рака, которым руководит нобелевский лауреат Гарольд Вармус – один из ученых, открывших онкогенный белок Src.

Странные смерти

Много лет назад мама прислала мне письмо, которое я храню до сих пор. В него была вложена вырезка из газеты, речь в ней шла о неожиданных смертях среди довольно молодых ученых в Париже, которые работали с онкогенным вирусом. Я работала в Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин), где занималась изучением онкогенов вирусов (их было довольно много, в частности Myc, Myb, Mil/Raf, Src, Ets и еще Erb-B2). В одном парижском институте умерло несколько ученых. «С тобой может произойти подобное?» – спрашивала меня мама, и совершенно небезосновательно. Специальный парижский комитет пришел к выводу, что все опухоли были разного вида, поэтому вряд ли существовал общий фактор. Не было доказано наличие причинно-следственной связи этих смертей с исследованиями животного онкогенного вируса SV40, поскольку опухоли были разными. Раковый антиген (T-антиген SV40) не рассматривался в качестве причины развития рака. Может быть, напрасно? Это произошло 40 лет назад. Роль кофакторов многообразна. У одного это может быть курение, у другого – работа с радиоактивными или ядовитыми веществами, в частности с бромидом этидия, который обычно используется в лабораториях, у третьего – генетические мутации генома – в комбинации с Т-антигеном кофакторы могут обусловить развитие различных видов опухолей. Мне известно несколько случаев, когда, как я подозреваю, в развитии рака, приведшего к преждевременной смерти моих коллег, важную роль сыграл Т-антиген. Я всегда просила своих студентов, работая с SV40 и Т-антигеном, проявлять осторожность, даже если вирус редко вызывает рак у человека или такого вообще не происходило. Однако дозы, с которыми работают в лабораторных условиях, чрезвычайно высоки по сравнению с существующими в природе. Меня этот вопрос всегда волнует, и я считаю, что применяемые в лабораториях химические соединения являются потенциальными канцерогенами и могут провоцировать развитие рака. Возьмем, например, пипетирование ртом (что сегодня себе просто невозможно представить). У моего коллеги развилась опухоль ротовой полости. На протяжении ряда лет он работал с онкогенным вирусом SV40 и практиковал пипетирование ртом. Связано ли это с образованием у него опухоли? Есть записи в истории болезни, но нет убедительных доказательств такой взаимосвязи. Чтобы можно было отказаться от пипетирования ртом, разработали резиновую грушу, которая в силу ряда причин всегда красного цвета. В настоящее время выпускаются автоматические пипетки, поэтому пипетирование ртом запрещено.

Исследователь Ханс Аронсон, проводя исследования в берлинском исследовательском институте, использовал пипетирование ртом, в результате чего «пригубил» токсины дифтерии и умер. Жена Ханса Аронсона была совершенно потрясена его смертью и, убитая горем, учредила премию Фонда Аронсона. Мне рассказывали, что эта женщина носила обувь с бриллиантами, но оказалась не силах перенести смерть мужа, стала морить себя голодом и умерла. Ее племянница пережила еврейские погромы в Германии и в 1987 г. присутствовала на вручении мне премии Фонда Аронсона за исследование рака. На эти деньги я купила мини-орган с лабиальными трубами, двумя клавиатурами и полноценной педальной клавиатурой, поскольку эту премию я должна была потратить только на хобби, а не на исследования. Несколько десятков лет у меня совершенно не было времени музицировать – именно это мне предрек коллега, когда я только начинала работать в Цюрихском университете. Но сейчас, после ухода в отставку, можно попробовать еще раз!

История с Т-антигеном SV40 имела продолжение. Этот антиген вызывает развитие рака у животных, и поэтому он стал предметом исследований многих ученых, которые хотели получить более полное представление о раке. Речь шла об одном гене, но никто не ожидал, что выяснение его роли в развитии рака окажется очень сложным занятием. В 1971 г. президент США Никсон, воодушевленный успешной реализацией космической программы, «объявил войну раку» в рамках принятого Национального закона о раке. Просто он полагал, что благодаря техническому прогрессу удастся справиться с раком, так же как получилось полететь на Луну. Было положено начало исследованиям Т-антигена. Однако Никсон оказался неправ. Проводимые исследования до сих пор не позволяют понять, как один белок выполняет такое количество разнообразных функций – сотни функций. Он почти всемогущ. И что хуже всего – я полагаю, он опасен для работы в лаборатории.

Чему ретровирусы научили исследователей рака?

Ретровирусы показали исследователям направления, где искать онкогены. Благодаря этому примерно 50 лет назад начались молекулярные исследования рака. Моя группа тоже вела подобные исследования. Нам невероятно повезло, и мы одним махом «выудили» семь онкогенных белков – почти сказочная удача. А произошло это следующим образом: под эгидой Европейской организации по молекулярной биологии (ЕМБО) я организовала лабораторный учебно-практический курс по вирусам и онкогенам для 30 студентов практически со всей Европы и США. Наш американский гость Мэтте Стрэнд продемонстрировал новую для студентов и для нас технологию производства моноклональных антител. Мы осваивали эту технологию, одновременно познавая ее, – вот еще один интересный способ совершенствоваться.

Сейчас это уже стандартная технология. В университетских сервисных центрах даже бесплатно производят моноклональные антитела по спецификациям заказчиков. Принцип производства моноклональных антител заключается в слиянии двух клеток: одной из линии «бессмертных» раковых клеток, полученных из опухоли так называемой множественной миеломы или плазмацитомы, и клетки селезенки иммунизированных мышей, на базе которых получают антитела. Получившиеся в результате такого слияния клетки проходят селекцию, из них отбирают отдельные клетки, которые размножают. В результате получается единичный клон идентичных клеток, производящих очень специфичное антитело к специфическому антигену (эпитопу). Вот почему такие антитела называются моноклональными. Мышиные антитела можно «адаптировать» для человека и использовать в качестве основы для высокоспецифических противораковых терапий. Названия таких препаратов заканчиваются на «-мАб», что означает «моноклональное антитело», и это наиболее эффективные способы раковой терапии из имеющихся в настоящее время.

Мою коллегу так вдохновила эта новая технология, что она продолжила получение моноклональных антител (которые она практически раздаривала коллегам) к большинству необычных антигенов, в частности различных поверхностных белков трипаносомы, которая является причиной нарколепсии. Мы попробовали получить моноклональное антитело к одному онкопротеину – но у нас ничего не вышло. Полученное антитело распознавало «не ту часть» белка, не онкогенную (она оказалась слишком консервативной и не иммуногенной). И все же эта часть оказалась универсальной для десятка других онкогенов, и у нас оказалась «удочка» для их «ловли». Однажды жарким летом мы просидели весь день и всю ночь, описывая эти многочисленные онкогены, и не справились с объемом информации. В науке это редкий случай; ни с моими коллегами, ни со мной такого больше никогда не случалось.

Так мы «выловили» онкобелки Myc, Myb или Erb-B2, а также новую киназу Mil/Raf. Для этой цели мы нашли удачное контрольное антитело и включили фамилию его поставщика в список соавторов статьи, опубликованной в Nature в 1984 г. То, что он взял это антитело из морозильной камеры другого ученого, я узнала несколько лет спустя, когда мой коллега, изначально получивший это антитело, спросил меня, где я его взяла и почему не поблагодарила его. Разговор произошел в Колд-Спринг-Харбор, пока мы ждали лимузин, чтобы отправиться в аэропорт. Статья уже вышла, и мне не удалось внести фамилию этого человека в список соавторов и удалить фамилию другого. Новую открытую киназу признали не сразу: была ли она результатом контаминации клеточных культур? Нет, полученное нами моноклональное антитело позволило осуществить столь эффективную очистку, что мы оказались правы. (Позднее мы это доказали путем мутирования киназы, в результате чего она утратила свою функцию. А это всегда считается окончательным свидетельством.)

Обнаруженная киназа Raf работает по принципу каскада, в соответствии с которым одна киназа доставляет фосфатную группу другой и активирует ее. Это напоминает эстафетный бег, где в качестве бегунов выступают Ras, Raf, MEK, ERK. И наконец ERK, будучи заключительным спринтером, проходит через ядерную мембрану и доставляет фосфат к Myc (и т.д.), который затем, будучи транскрипционным фактором, включает и выключает гены клетки, а также соответствующие программы. Это универсальный путь, и он в зависимости от первого стимула может регулировать такие явления, как рост, старение, выработка гормонов, реакция на стресс и запах и даже смерть. Его можно сравнить с телевизионной антенной, которая транслирует ту или иную программу на телеприемник в гостиной, где мы выбираем канал с определенной «программой».

Четыре «бегуна», последовательно принимающих друг у друга «эстафетную палочку», обеспечивают более эффективную амплификацию, регуляцию, остановку и более надежную передачу сигнала, чем один «бегун». И, как это обычно бывает в биологии, результат зависит от входящей информации, контекста, дополнительных факторов или перекрестных помех. Тем не менее основным переключателем является киназа Raf, которая является мишенью для Ras. Она похожа на закрытую оболочку, способную активироваться и становиться более онкогенной с частично открытой оболочкой (сRaf превращается в B-Raf). Онкогенная версия белка активна при многих видах рака, при половине всех злокачественных меланом, при раке яичников, прямой кишки, пищевода и молочных желез. Только недавно было освоено промышленное производство ингибиторов Raf. В настоящее время их около пяти – и это через 30 лет после открытия рассматриваемой киназы. Ингибиторы Raf могли бы иметь практическое применение. Время выживания пациентов в среднем составляет несколько месяцев, что, конечно, неутешительно. Тройная терапия была бы более эффективной. На опыте ВИЧ мы поняли, как использовать несколько препаратов, и такую терапию также нужно применять при лечении рака. Недавно я встретила бывшего коллегу из своего института. Сейчас он профессор дерматологии и успешно лечит меланомы, используя ингибиторы Raf. «Я не знал, что вы ее открыли! Мы с ней работали, а вы мне ничего об этом не говорили!» Действительно, 30 лет – большой срок.

Еще один клинически важный онкогенный белок – это Ras (найден при саркоме у крыс), характеризующийся одноточечной мутацией в кодоне 12. До сих пор не существует ингибиторов Ras, несмотря на гигантские усилия ученых и его значительную роль в развитии 80% случаев рака у человека. Несмотря на то, что у Ras так много мишеней, что приводит к развитию побочных реакций, стартовала новая программа исследований с серьезной финансовой поддержкой.

Рак молочной железы также зависит от активированных онкогенов, являющихся мишенью для соответствующих препаратов. HER-2/neu или Erb-B2 – рецептор тирозинкиназы, которая в 25% случаев рака молочной железы вырабатывается в избыточном количестве и является онкогеном. Только в этих случаях назначается дорогой препарат герцептин. Врачи придерживаются индивидуализированного подхода и назначают этот препарат, только если его эффективность гарантирована, иначе его назначение нецелесообразно. Изначально этот онкоген был выявлен в вирусе эритробластоза у цыплят (AEV), который в настоящее время практически забыт. Вирус цыплят не имеет ничего общего с раком молочных желез – и это до сих пор для меня загадка.

Онкобелок Raf может индуцировать два прямо противоположных эффекта: активировать рост и блокировать его. Мы называем это «парадокс Raf». Мы объясняем столь неожиданный эффект «двуликого Януса» действием еще одной киназы (Akt) и других клеточных факторов. Журнал Science принял в печать нашу статью с полученными результатами. Но затем процесс затормозился – видимо, мой бывший коллега из Нью-Йорка представил в Science свою рукопись, что создало проблемы, и публикацию нашей работы отложили. До нас доходили слухи, что экс-коллега ведет переговоры с журналом, но у нас не было фактов. Я никогда не отваживалась на переговоры с журналами. Должно быть, информация о наших данных стала известна за океаном благодаря моему швейцарскому сотруднику. Он любил порассуждать о своих замечательных успехах задолго до того, как они воплотятся в жизнь, в том числе и в компании своего друга, с которым проживал в одном номере во время одного из мероприятий, проводившихся в США, а потом бесконечно долго разговаривал об этом же по телефону. У этой детективной истории оказался счастливый конец, поскольку в итоге обе статьи одна за другой были опубликованы в Science, причем во второй из них наши имена тоже были упомянуты. Я боролась за эту статью! И какой же урок из этого нужно извлечь? Необходимо рассказывать о своих результатах – и тогда у вас будет две статьи в Science… если повезет!

Еще один урок связан с пациентами: «парадокс Raf» имеет определенные последствия для терапии и предусматривает ингибирование роста. А как насчет ингибирования угнетения роста? Вопреки ожидаемому эффекту опухоль будет расти. Недавно ряд авторов описали опасное побочное действие новых препаратов у пациентов, как мы предрекали и показали это на клеточной культуре. Они не упоминали или не помнили ранее опубликованные статьи. В последнее время авторы статей стали практиковать такую хитрость: не цитировать источники в надежде, что рецензенты этого не заметят. Так повышается значимость и приоритет открытия. И действительно, рецензенты часто этого не замечают. Я, к своему удивлению, в пылу эмоций перед всей аудиторией стала рассказывать докладчику о «парадоксе Raf», ожидая, что это вызовет у него беспокойство. «Мы были друзьями», – начала я наступление на коллегу, которого знала 40 лет и которому сначала в личной беседе сказала, что он, кажется, «забыл» упомянуть две наши статьи в Science. «Чего же конкретно вы хотите?» – спросил меня председатель заседания. «Должных ссылок». Председатель заседания и докладчик расстроились, а другие участники заседания стали мне аплодировать и позже – уже на следующий день – поздравили меня и подарили шоколад за смелость. Да нет же, просто я была в ярости! И еще меня немного мучили угрызения совести. На следующий день несколько редакторов стали обсуждать этот хорошо известный случай «нарушения принятой в научном мире этики». Для корректной подготовки библиографии используют системы поиска литературных источников. Кажется, они применяются в фармацевтической отрасли, по крайней мере мне прислали всю информацию об используемых в исследовательских целях Raf-реагентах, которые мне после ухода в отставку более не нужны.

Белок Myc и аварии на реакторе

Еще один класс онкогенных белков относится к транскрипционным факторам, регулирующим клеточные программы на уровне ДНК транскрипции. Одним из самых примечательных из них является белок Myc – универсальный игрок на поле регуляции генов.

В каждой клетке человека присутствуют все гены, но активированным оказывается лишь их определенный набор. Именно так осуществляется специализация клеток, которых в нашем организме насчитывается 200 типов. Однако активация может принять нежелательный оборот: онкогенные транскрипционные факторы вирусов, вызывающих рак, могут запустить не те программы и индуцировать развитие рака. Рассмотрим показательный пример – белок Myc.

Для исследования этого белка нам нужно было вырастить вирус в перепелиных яйцах (мне так никто и не объяснил, почему нужны именно перепелиные, а не куриные яйца!). Перепелиные яйца постоянно исчезали из вивария – мне сказали, что они считаются еще более сильным афродизиаком, чем рог африканского носорога! Однажды мы поместили в инкубатор несколько сот перепелиных яиц, в результате вылупились птенцы перепелов, которых мы переправили в огромную вольеру на Павлиньем острове в Берлине, дабы привести в порядок территорию. Огромный ящик с птенцами мы перевезли на пароме на остров. После столь успешного эксперимента довольный фермер – единственный человек, имеющий право жить на острове, – дал нам несколько павлиньих яиц. Мы попытались вывести из них птенцов. Для этого потребовалось модернизировать инкубатор для крупных павлиньих яиц. Сотрудники мастерской при институте, разделив наш энтузиазм по поводу проведения «прикладного» эксперимента, сразу же это сделали, но, к сожалению, наши усилия не увенчались успехом. Возможно, яйца не были оплодотворены либо их содержимое высохло. В результате нам не удалось вывести птенцов павлинов, а жаль. Поэтому мы продолжили изучать Myc, используя перепелиные яйца.

Обычно белок Myc, клеточный c-Myc, регулирует примерно 15% всех генов человека путем связывания c белком-усилителем (энхансером). Во многих опухолевых клетках наблюдается сверхэкспрессия Myc. Дерегуляция и несвоевременная экспрессия белка Myc, а также его генов-таргетов могут провоцировать рак. Myс – одна из многих конечных мишеней сигнальных путей, в частности пути Ras–Raf–MEK–ERK, который регулирует клеточные функции. Существует два тканеспецифических варианта белка: L-Myc специфичен к легким, а N-Myc – к нейробластоме, опухоли головного мозга, при которой сверхэкспрессия (может быть 10 000-кратной) коррелирует с очень агрессивным ростом опухоли. Неправильная доза и время действия делают опухолевые белки опасными. Это часто происходит после аварий на атомных реакторах и приводит к повреждению хромосом, обусловливает развитие рака крови, лейкемии и лимфомы. Клетки крови чинят поврежденные хромосомы за счет своих рекомбиназ, а также разрывы, приводящие к развитию аневризмы. Незакономерная комбинация хромосом 8 и 14 приводит к перепроизводству белка Myc и лейкемии, что наблюдалось после чернобыльской аварии. В случае транслокации используется сокращение «t», t(8, 14). Еще одна хромосомная транслокация t(9, 22) приводит к развитию хронического миелоидного лейкоза (ХМЛ). В результате получается так называемая филадельфийская хромосома, в которой два белка – ингибитора роста становятся укороченными, а при их слиянии образуется онкогенный белок Bcr-Abl, потерявший обе ингибирующие функции, но с выраженной способностью стимулировать рост. Это также является следствием аварий на атомных электростанциях.

Для этого случая, к счастью, уже разработан ингибитор «Гливек» – орфанный препарат (назначаемый при заболеваниях, частота развития которых составляет менее 10 000 новых случаев в мире в год); этот препарат начала выпускать швейцарская компания, но потом прекратила. Однако один ее сотрудник, Ник Лайден, учредил в США новую компанию-преемника (Kinetix Pharmaceuticals), которая оказалась очень успешной, поскольку «Гливек», как это ни удивительно, продемонстрировал активность не только в отношении хронического миелоидного лейкоза, но и при раке желудка и прочих онкозаболеваниях. Затем материнская компания отказалась от выпуска данного препарата! В настоящее время, когда устойчивость к лекарственным препаратам повышается, нужно иметь больше препаратов!

Одно время предполагалось, что Myc – основной онкоген при лимфоме Беркита, но в данном случае он является лишь действующим кофактором. Около 30 лет назад я выступила на конгрессе по лимфоме, проходившем в Израиле и организованном Джорджем Кляйном из Каролинского института в Стокгольме. В своем докладе я рассказала о результатах наших исследований связывания ДНК и Myc, необходимого для генной регуляции. Для меня, немки, было большой честью получить приглашение на этот конгресс от человека, бежавшего из концентрационного лагеря. За исследования Myc меня удостоили награды, но эта история оказалась грустной, поскольку комитет по присуждению данной премии отказался включить в число награжденных моих коллег. Когда же я все равно разделила с ними полученные деньги, у них это не вызвало радости, поскольку деньги и признание коллег – разные вещи. Более того, директор одного исследовательского института в Сиэтле, с которым мы ехали на конгресс в одном такси, не скрывая досады, утверждал, что его коллеги первыми получили результат по Myc. Мы, не зная об их результатах, первыми опубликовали свои данные в Nature. Тем не менее этот расстроившийся коллега, будучи влиятельным человеком, на все оставшиеся годы отстранил меня от исследований Myc! Знаете, что мне сказал директор Общества Макса Планка в Берлине? «У вас всегда будут сложности со значимыми статьями – и никогда со скучными». Вся моя последующая исследовательская судьба подтвердила это. Между прочим, большинство статей скучны!

Даже при отсутствии гена Myc интегрированный в ДНК ретровирус может вызвать рак при помощи своего промотора через механизм «даунстрим-усиления», активации неизвестных клеточных генов. При этом рак у цыплят, который мы наблюдали, очень похож на Мyc-индуцированный рак, за исключением того, что в присутствии Мyc опухоль развивается очень быстро, при его отсутствии – гораздо медленнее. Однажды на фоне проведения генной терапии пациенту был введен данный промотор, что вместо излечения привело к развитию рака. Генная терапия оказалась эффективной у 10 детей, но у двоих наблюдалось развитие лейкемии, поскольку вирусный промотор «запустил» клеточный ген (транскрипционный фактор LMO2), индуцировав лейкемию, которую позднее удалось с успехом контролировать. Теоретически такая опасность всегда прогнозировалась, но шокирует тот факт, что это может происходить с такой частотой – два случая из десяти!

Для одного международного исследования лимфомы среди прочих веществ были использованы полученные нами моноклональные антитела (мАт) к белку Myc, чтобы протестировать их эффективность при диагностике лимфом в соответствии с «Кильской классификацией лимфом». В результате мне предложили должность профессора в Кильском университете. Однако министр (дама) по вопросам научных исследований, высказывавшаяся по поводу моей прелестной зелено-голубой сумочки (любимый цвет жителей побережья), никогда не находила средств на уничтожение инфекционных отходов, которые могли вызвать загрязнение Балтийского моря. Давайте внесем ясность в этот вопрос: я не стремилась попасть в Киль и оказаться в доме своего прадеда. Я хотела работать в Кильском институте. Улица Мёллинг не имеет ко мне никакого отношения, а названа в честь моего прадеда, который построил порт (Северо-Восточный канал – один из самых активно используемых судоходных путей) и пути для железнодорожного сообщения. Его именем можно было назвать улицу и получше.

Myc был опосредованно высоко оценен в 2012 г., когда Нобелевскую премию вручили за исследование стволовых клеток и регенерации тканей. Myc – один из четырех факторов, способствующих превращению взрослых клеток обратно в мультипотентные, активно делящиеся стволовые клетки. Однако именно в этом заключается их опасное сходство с опухолевыми клетками, которые характеризуются нерегулируемым ростом, на чем мы остановимся позднее. Myc может сделать клетки «жирными» – это новое свойство, которое корректирует рост клетки и увеличение ее объема. Приводит ли это к увеличению массы тела? Пока точно не известно.

Существуют ли препараты против Myc? Несколько десятилетий назад, будучи консультантом, я не поддерживала поиск препаратов против этого белка. Мой голландский коллега, помахивая билетами на самолет, пригласил меня в Филадельфию, чтобы встретиться с коллегами из компании Centocor (в настоящее время Johnson & Johnson). Это был Джо Хильгерс, имевший прозвище Летучий Голландец, которому он полностью соответствовал. Я должна была оценить целесообразность рассмотрения онкогенных белков в качестве мишени лекарственного препарата. Я посоветовала этого не делать, так как блокирование этих белков, играющих немало важных ролей в функционировании нормальных клеток, показалось мне слишком рискованным. Я оказалась права насчет Myc: он играет слишком важную роль в росте клеток, в том числе стволовых (как нам в настоящее время известно), чтобы стать мишенью для ингибиторов. Обсуждение этого вопроса началось недавно, при этом L-Myc считается «краткосрочной» мишенью для препаратов, показанных для лечения рака легких. Возможно проведение краткосрочной, временной терапии, небольшое терапевтическое окно, не сопровождающееся слишком большим количеством побочных явлений. Это новая концепция, и сейчас над ней работают многие. Однако мои рекомендации по киназе Raf оказались совершенно ошибочными. Я не могла себе представить, что одну из 1000 известных киназ можно ингибировать столь специфически, поэтому и не предлагала ее в качестве мишени при разработке лекарств. Никому в голову не пришла идея запатентовать Myc или киназу Raf в качестве раковых мишеней, и никто не стал искать ингибиторы к ним. Сегодня, более чем через 30 лет, есть потенциальные ингибиторы киназы Raf, особенно против онкогенной формы, преактивированной для развития рака (онкогенная B-Raf в комбинации с нормальной C-Raf имеет большое значение для развития рака, поскольку они осуществляют гетеродимеризацию и ингибиторы ведут себя непредсказуемо). Новые препараты считаются в настоящее время самыми эффективными противораковыми препаратами и уже применяются в клинических условиях. Некоторые другие ингибиторы киназы весьма эффективны при комбинированной терапии. Ингибиторов Myc пока еще не существует.

В любом случае срок действия патентов уже закончился бы, и чтобы внести ясность, добавлю: я нисколько не обогатилась, как полагают некоторые, да и не должна была, так как мои исследования финансировались государством. Мой вклад в изучение этого вопроса совершенно забыт или почти забыт, но я счастлива, что занималась исследованиями рака (практически) всю жизнь и внесла небольшой вклад в борьбу с онкологией.

Супрессоры опухоли и автомобильные аварии

Какие события вызывают рак? Давайте представим себе, что опухоль – это автомобильная авария. Она может быть вызвана двумя причинами: слишком высокой скоростью и отказом тормозов. В обоих случаях машина движется слишком быстро – это означает слишком быстрый рост клетки, аварию, рак. Выход из строя тормозной системы соответствует потере «супрессора опухоли». Нормальная клетка имеет два набора хромосом и, следовательно, два тормоза. Если они оба выходят из строя, рак развивается быстро. А что происходит, если из строя выходит один тормоз? Нет, не медленное развитие опухоли, а ее развитие в более отдаленной перспективе.

Ответ на этот вопрос дал Альфред Кнадсон из Онкологического центра Фокс Чейз, недалеко от Филадельфии, который изучал рак глаза, ретинобластому. Он выявлял эту опухоль либо у маленьких детей, либо у пожилых людей и задумался, почему наблюдаются такие крайности. Если ген, который он назвал геном ретинобластомы, Rb, дефектен вдвойне – в двух хромосомах, опухоль развивается у детей. У людей только с одним, а не двумя дефектными генами опухоль развивается гораздо позднее и приобретает дополнительные дефекты в течение жизни. Таким образом, развитие опухоли носит либо доминантный, либо рецессивный характер и может развиваться либо быстро, либо через много лет. За эту «теорию двух попаданий» он получил премию Ласкера, лауреатам которой полагается статуэтка в виде копии статуи греческой богини победы Ники с двумя крыльями, но без головы, которая экспонируется в Лувре на лестнице, поскольку из-за своих размеров не помещается в выставочном зале. Копия этой скульптуры занимает много места в основном здании Цюрихского университета. Имелось ли в виду, что статуя будет стимулировать студентов на получение одной из величайших научных премий? Что они в шаге от Нобелевской премии? Это могло быть серьезным стимулом… если бы студенты об этом знали, в чем я сомневаюсь. Возможно, им знакома яркая синяя Ника Самофракийская Ива Кляйна, а может быть, и о ней не знают.

Таким образом, наследуется только предрасположенность к раку, но наличие одной дефектной хромосомы не мешает существованию здорового фенотипа и может остаться незамеченным. Совершенно очевидно, что половины дозы белка Rb достаточно для супрессии опухоли на несколько десятилетий. И только дополнительные ошибки могут усилить прогрессирование рака. Отметим следующее: фактор двух (отличие в два раза), как показано в данном случае, в биологии может оказаться чрезвычайно важным, однако он зачастую игнорируется как слишком незначительный и не имеющий отношения к проблеме! Это совершенно неправильно – фактор двух действительно значим!

Существует еще один белок – супрессор рака – р53. Его структура напоминает руку с пальцами, которая дотрагивается до ДНК и нащупывает в ней дефекты, нарушения цепи или ошибочные мутации. Затем р53 активирует сигнальную программу и останавливает клеточный рост, чтобы выиграть время для репарации.

Возможен и вариант, когда р53 индуцирует гибель клетки, если ситуация безвыходная. Если обе меры оказываются неэффективными, клетка становится раковой.

Гены супрессора опухоли наиболее предпочтительны при проведении генной терапии раковым пациентам. Несмотря на мультифакторное развитие раковых клеток, фенотип может сохраняться на фоне монотерапии с использованием интактного р53, поставляемого искусственным вирусом. Это удивительно и должно означать, что р53 – ключевой игрок в развитии рака. Чтобы «нормализовать» клетку, этому белку необходимо скорректировать несколько десятков дефектов. Поэтому в генной терапии р53 предпочтительный ген, используемый для замены. Врач из Кантона (ныне Гуанчжоу) в Китае уже предлагает эту терапию в интернете. Но я бы посоветовала подождать, пока этот подход не предложат исследователи и врачи и его не одобрят регуляторные органы. Несколько групп ученых, включая одного из основных открывателей p53 сэра Дэвида Лейна из Великобритании, активно занимаются исследованиями в Сингапуре.

Следует отметить, что высокая онкогенность многих вирусных онкогенов обусловлена их способностью связывать и удалять белки, оказывающие супрессивный эффект на опухоль. Таким образом, они обладают двойной функцией – являются онкогенами, но при этом и противораковыми супрессорными генами. Это может быть истолковано как стратегия выживания вирусов, поскольку вирусный онкоген, удаляющий ингибитор роста, обеспечивает больше шансов на выживание клетки-хозяина и большого количества вирусного потомства через механизм мутуализма. Вирусы способны и на большее: ради своей выгоды они могут предотвратить апоптоз – запрограммированную гибель клеток. Для вируса живая клетка полезнее, чем мертвая. Поэтому ингибиторы апоптоза можно обнаружить во многих вирусах, аденовирусах, герпесвирусах, вирусе оспы и в довольно редком вирусе африканской чумы свиней, в котором был выявлен антиапоптозный эффект. Антиапоптозный эффект вируса может привести к раку, при котором клетки никогда не умирают.

Берт Фогельштейн из Балтимора проанализировал различные стадии формирования опухолей у человека. В качестве модели он использовал рак прямой кишки. Полученные результаты оказались устрашающими: рак развивается 30 лет! Разные стадии характеризуются различным количеством активированных онкогенов и потерей генов – супрессоров опухоли – примерно 54 и 71 соответственно. В качестве «драйверов» развития рака могут функционировать до восьми генов. При этом «драйверы» представляют собой мутированные одиночные клетки, пролиферирующие гораздо быстрее, чем соседние. Таким образом, клеточная популяция постоянно меняется, что осложняет проведение терапии. Кроме того, у каждого человека опухоль развивается по-своему, что требует индивидуально подобранной терапии и индивидуализированного подхода к оказанию медицинской помощи.

В первые семь лет развития опухоли сначала наступает характерная для ранней стадии развития заболевания гиперпролиферации клеток, которая проявляется в образовании доброкачественных полипов, так называемых аденом. Кроме того, происходит изменение межклеточных контактов за счет молекул адгезии, в частности катенинов. Затем маленькие полипы начинают расти, становятся крупнее, активируется киназа выживания Akt, а гены – супрессоры опухоли, такие как р53, и клеточный ген, «отсутствующий при раке ободочной кишки» (DCC), наоборот, теряются, и тогда онкогены, в частности мутированная Ras и Raf киназа, стимулируют прогрессирование рака. По оценкам Фогельштейна, на это уходит 17 лет. В следующие два года прогрессирование рака доходит до запущенной стадии, и на последней стадии активируется метастаз и гены Met и mn23, необходимые для метастаза, когда опухоль попадает в кровоток, и раковые клетки, утратившие межклеточные связи, разносятся кровью. Итак, этот процесс может занимать до 30 лет. Один дефект в функционировании клетки, стимулирующий клеточный рост, повышает шанс возникновения следующей ошибки. Когда же следует начинать терапию? Когда вы хотите, чтобы был поставлен диагноз?

Метастазы, или Как клетки учатся «перебегать» из одного места в другое?

Задолго до того, как гены – супрессоры опухоли вызвали всеобщий интерес, Элизабет Гатефф открыла супрессор опухоли. В 1988 г. в Гейдельберге ей вручили премию Мейенбурга за исследование рака, и если бы не это, о ее работе забыли бы. Она назвала ген discs-largе. Его отсутствие приводит к зарождающимся дефектам у мух и аномальному развитию крыльев, лапок и усиков. Случайно получилось, что мы в лаборатории проводили исследование с одним из таких белков – супрессоров опухоли и анализировали белок PDZ, который связывается с онкобелком Src. Сначала мы планировали ингибировать белок PDZ в целях предотвращения роста опухоли. Однако наличие буквы D в названии домена должно было бы стать для нас предостережением, поскольку она означает discs-large, указывая на то, что это – белок – супрессор опухоли (так же как и P и Z). А ингибитор супрессора опухоли активирует рак, а не ингибирует его. Между тем мы получили весьма значительный грант в рамках осуществляемой Федеральным министерством образования и научных исследований программы научно-технологических исследований, направленной на укрепление сотрудничества между академическими институтами и компаниями по разработке лекарств. В данном случае это была компания Evotec (Гамбург). Мы обсуждали, как не лишиться гранта, и перефразировали вопрос: «Как домены PDZ ингибируют рост опухоли?» – может быть, их можно стимулировать препаратами? Если у новорожденных отсутствует такой ген, у них может наблюдаться «синдром заячьей губы» или расщелина позвоночника (spina bifida), которые негативно влияют на межклеточные контакты. Существует еще одно название этого белка – «каноэ», что довольно точно характеризует его функции. Существует около 600 подобных белков, которые поддерживают контакт между клетками и предотвращают рост опухоли. Герпесвирусы используют этот контакт, чтобы перемещаться от клетки к клетке («герпес» означает «перемещение»). У многих людей на губах появляется лихорадка, обусловленная герпесвирусом, который мигрирует и перемещается при стресс-активации от дистальных ганглий к губам.

Я чуть было не лишилась немецкого гранта на сумму €1,8 млн, поскольку в то время работала профессором в швейцарском, а не в немецком институте. Мне неофициально посоветовали «поделиться». Я пришла на день открытых дверей в одну из крупнейших берлинских клиник, сразу же стала предлагать многим коллегам разделить со мной грант, чтобы проект стал хоть отчасти немецким. И наконец сам декан принял мое предложение и, проявив великодушие, не потребовал свою долю. Более того, он разрешил пользоваться для переписки его печатным бланком, то есть бланком берлинской клиники Charité («Я вам верю!»). Он хотел, чтобы научное сотрудничество развивалось, и оно действительно оказалось очень успешным.

В 1999 г. мы с бесчисленным числом соавторов опубликовали в Nature Biotechnology результаты наших исследований онкосупрессоров, которые организуют рецепторы мембраны. Один из них уехал из Цюриха домой в Австралию и добавил в список авторов еще несколько имен. Когда я выразила недовольство по этому поводу, руководитель института, в котором работал вышеупомянутый исследователь, заявил, что хотел бы пополнить этот список еще несколькими именами и счел бы это «честью» для своего университета. Мы включили в список всех этих людей, а потом еще пять человек. Я никого из них не знаю даже сейчас. До того, как этот вопрос разрешился, я получила письмо от одного адвоката, живущего на Гавайских островах. Его клиент – мой бывший студент, который в ожидании визы в США работал у меня в лаборатории, – тоже претендовал на соавторство. Он несколько лет не давал о себе знать. Как он мог узнать о том, что мы готовим статью? Это осталось для меня загадкой, и я предпочла не искать на нее ответ. Я просто включила его имя в список авторов.

Онкосупрессор PDZ связывается с канцерогенным белком Src. Если на его конце отсутствует одна аминокислота, супрессорный эффект PDZ прекращается, теряются межклеточные контакты и у клетки образуются похожие на ножки псевдоподии, с помощью которых она перемещается, становясь метастазом. Совместно со специалистами группы по секвенированию Института молекулярной генетики Общества Макса Планка мы попытались найти различия между метастатическими и неметастатическими клетками путем анализа профиля экспрессии генов, то есть анализа целого набора транскриптов или «транскриптом». Мы выявили 600 генов, характеризующихся различной экспрессией. В эту цифру трудно даже поверить. Далее я расскажу о том, как мы это сделали.

«-ом» и «-омик»

Студент факультета биоинформатики в Обществе Макса Планка сидит перед компьютером, не замечая входящих и выходящих из помещения; стол усеян полупустыми упаковками из-под печенья, а под столом – куча пластиковых бутылок. Он сравнивает транскриптомы нормальных и метастатических клеток. Все, что заканчивается на «-ом», содержит все компоненты определенного образца, все мРНК (транскриптомы), все белки (протеомы), все метаболиты (метаболомы), все киназы (киномы) и т.д. В данном случае действует принцип «Исследуем всё сразу». Особенно это относится к компонентам, которые сами по себе совершенно неизвестны и их изучают не отдельно каждый, а все вместе. (Одному моему другу – он не ученый – не нравится этот раздел, и он мне предложил убрать его. Вы можете это сделать сами. В любом случае принцип понятен, и все же, вероятно, стоит запомнить несколько технических выражений, если пожилому боссу хочется понимать, о чем говорят его молодые студенты.)

Итак, продолжим. Во-первых, есть компьютер с прекрасным названием Illumina, на котором выполняются все эти операции, секвенирование всех РНК после транскрипции в ДНК. Это высокоскоростной компьютер, с помощью которого осуществляется секвенирование и хранение последовательностей. Сегодня такие компьютеры есть в любом институте при каждом университете. Известные гены идентифицировать легко, а секвенирование неизвестных генов нужно проводить в полном объеме, что приводит к образованию миллиардов последовательностей, называемых «секвенирование нового поколения» (СНП), означающему новую версию предыдущих последовательностей. Повторные последовательности получают, чтобы снизить вероятность статистических ошибок; это называется «покрытие» (или охват), поэтому 10 повторений соответствуют 10-кратному покрытию. Для анализа всех генов образца применяется «геномика». Для фрагментации ДНК используется «метод дробовика», а отдельные части сшиваются обратно для последовательного удлинения. В данном случае нужно выучить новые понятия. Затем новые последовательности выстраивают в один ряд, и их сопоставляют с «референсными геномами» для идентификации. Это образец или модель генома, на которой сходятся ученые. Официальный референсный геном человека получают не от какого-то одного человека, это виртуальный геном. Его собрали из ДНК последовательностей более чем 20 доноров, и его состав постоянно обновляется.

Два «нормальных» генома отличаются друг от друга более чем 3 млн нуклеотидов – малыми нуклеотидными морфизмами (МНМ) (их английская аббревиатура SNP произносится как «снип»), точечными мутациями. Невероятное число различий – действительно ли существует так много «нормальных» различий? Различия касаются почти 0,1% каждого генома, но что это значит? Возможно, в этом нет ничего особенного, по крайней мере это сразу же не приводит к заболеванию. Чтобы выяснить, какие именно различия указывают на заболевания, необходимо выполнить большой объем работ. Однажды эти гены определят с помощью персонифицированной медицины – нетривиальная задача. Что это за гены? Мы задались вопросом о различиях между транскриптомами, уровнем экспрессии генов, которая отличается у нормальных и метастатических клеток, и в качестве примера взяли белок Src. Одно значимое различие видно под микроскопом. В то время как нормальные клетки выращивают в трехмерных культурах клеток, в частности ацинозных, шароподобных структурах, «метастатический» белок делает их «текучими» (в силу действия некоторых расщепляющих протеаз).

Анализ последовательности указывает, что 600 транскриптов экспрессируются по-разному: в метастатических клетках количество транскриптов в 10, 100 и даже 1 млн раз больше, а у некоторых лишь двукратное отличие от нормальных клеток. Двукратная разница зачастую не принимается в расчет и рассматривается как нерелевантная, но я полагаю, что это неправильно. У нас две хромосомы, и если одна отсутствует, клетка находится на полпути к опухоли. Существует компьютерная программа, позволяющая идентифицировать все эти 600 генов, для чего используется база данных генной онтологии (ГО) или аналогичные базы данных. После того как мы исключили из списка все гены, присутствующие и в нормальных контрольных клетках, у нас все еще оставалось 435 генов, которые могут быть типичными для метастазов. Ряд генов влияет на миграцию, адгезию или апоптоз, а 17 являются транскрипционными факторами, которые, в свою очередь, могут «включить» гораздо больше генов. Как же это сложно! Может, некоторые гены более подходящие, чем другие? Существуют ли «основные», управляющие гены? Многие ученые их ищут, и мы тоже.

Еще один «-ом» – метагеном, то есть сумма всех геномов организма. Очень «модный» метагеном – это микробиом – совокупность всех микроорганизмов, которые могут ассоциироваться с человеком и находиться в ЖКТ, на коже и в органах репродуктивной системы. Столь же интересны образцы, взятые из почвы, сточных вод, озер, океанов, экскрементов живых или ископаемых животных, образцов из легких пациентов с кистозным фиброзом. Секвенируют даже образцы пекинского смога (он содержит микроорганизмы), а из реки Ганг берут пробы воды, чтобы понять, является ли вода этой реки действительно священной (в ней содержатся некоторые фаги, уничтожающие бактерии)! Для этого требуются сотни специалистов по биоинформатике и более совершенные компьютеры. Следующим мог бы стать вопрос о «метаболоме» – всех компонентах метаболизма. А затем? Кином всех киназ? Их уже известно 1000 видов. Я изучала одну из них, в связи с чем возникает вопрос: что нам нужнее – совокупность всех киназ, анализ одной специфической киназы или какого-то частного случая? А ответ следующий: нам нужна и та и другая информация.

Фримен Дайсон – один из лучших из ныне живущих математиков и физиков, который не получил Нобелевскую премию, но помог другим ученым получить ее и с которым я познакомилась во время работы в принстонском Институте перспективных исследований, – написал статью «Птицы и лягушки»[12]. В ней он рассматривает разные взгляды на научные проекты и на науку в целом – с близкого расстояния, расстояния прыжка и отдаленной перспективы. Нужно и то и другое. Однако, как правило, исследователи предпочитают либо одно, либо другое. Сам Дайсон относит себя к «лягушкам» (типичная британская сдержанность?). Его самая известная книга называется «Источники жизни». Почему во множественном числе? Их несколько? Этот вопрос мы рассмотрим позднее.

А что насчет вирома – совокупности всех вирусов? Их особенно сложно обнаружить и охарактеризовать с эпигенетической точки зрения. В наших геномах полно вирусов, которые интегрируются в разных локациях, поэтому считается, что «интерес представляют» только те, что локализуются в консервативном районе генома. Сайты интеграции вируса, как правило, не консервативны. Поэтому многие вирусы не обнаружены. Тем не менее в наших геномах удалось выделить некоторые вирусы, и когда мы узнали, как их много – существуют миллионы «ископаемых» ретровирусов (о чем см. ниже), это было большим сюрпризом.

На сегодняшний день известно в общей сложности 3000 типов вирусов, из которых около 150 типов в ряде случаев являются болезнетворными. В сточных водах выявлено 50 000 фагов. Следует помнить, что в целом на нашей планете существует 1033 вирусов и фагов! Можно ли их все изучить? Их слишком много. Поэтому надо сосредоточиться на болезнетворных вирусах и вернуться к «перспективе лягушек», что явно противоречит идее данной книги, цель которой – обратить внимание читателей на то, что большое число вирусов не являются болезнетворными. И все же их может оказаться слишком много.

Обсуждение вопроса о том, как справиться со всеми этими последовательностями – даже при наличии «облачных» технологий, – привело меня в полное изумление: полученные последовательности не нужно сохранять, их можно выбрасывать! А если они вам понадобятся, просто снова проведите секвенирование. Повторное секвенирование занимает меньше времени, чем сохранение последовательностей и их поиск в базе данных, – вот это да!

Рак – это нечто совсем другое?

Наш геном на 98% состоит из «пустого пространства», и только 1,5–2% его содержимого кодирует белки. Под пустым пространством подразумеваются не кодирующие белок последовательности интронного происхождения, прочая информация и просто «мусор». Некоторая часть «пустого пространства» содержит дефектные эндогенные ретровирусы. Интроны – участки, повышающие генетическую сложность человека с помощью сплайсинга, который обеспечивает комбинирование экзонов, «вырезая» интроны (интронные последовательности удаляются путем сплайсинга на уровне РНК с помощью механизма «петли» или «лассо»). Это позволяет добиться невероятного увеличения числа новых комбинаций для новых белков. Кроме того, существует больше ДНК-последовательностей, экспрессирующих регуляторные короткие микроРНК (мкРНК), содержащие 20–30 нуклеотидов, и, наоборот, длинные не кодирующие белок РНК – lncРНК (по-английски lnc произносятся как «линк»), состоящие из нескольких сот нуклеотидов, которые связываются с соответствующими РНК и регулируют их. Они и играют определенную роль в развитии лейкемии и в настоящее время являются предметом интенсивных исследований. Карло Кроче, онколог из Огайо (США), изучал нарушения хромосом и роль раковых белков в развитии лейкемии, а вместо этого обнаружил miR-15 и miR-16. Карло Кроче часто присутствовал и выступал на симпозиумах онкологов, организованных Милдред Шеель Фаундейшн. Милдред Шеель, супруга бывшего федерального президента ФРГ Вальтера Шееля, доктор медицины, которая уделяла большое внимание финансированию исследований рака в Германии, сама умерла от рака толстой кишки. Основанный ею фонд существует до сих пор, и ему уже несколько десятилетий. Я имела честь получить грант лично от Милдред Шеель, и это была самая крупная сумма, когда-либо выделявшаяся этой организацией (€1,3 млн). Но самой Милдред Шеель никто помочь не смог (и я не смогла помочь своим партнерам в борьбе со смертельным раком).

Карло Кроче создал своего рода сеть исследователей рака и не афишировал, как он выявил рак-специфичные микроРНК (мкРНК), но сейчас, всего несколько лет спустя, они доступны всем. Начался бум в области поиска разного рода некодирующих, то есть не кодирующих белок РНК (нкРНК). Несколько тысяч таких РНК выявлено при раке. Компании предлагают чипы для их выявления в образцах раковых клеток. Различные комбинации таких РНК характеризуют опухоли. Что касается рака – то заменяют ли мкРНК онкогены? Может быть, все, о чем говорилось выше, неверно? В определенном смысле да, в диагностике, поскольку мкРНК проще определить, и в настоящее время существуют чипы для обнаружения рак-специфичных мкРНК. В наши дни мкРНК определяют в крови, кале и слюне, то есть для диагностики осуществляется неинвазивный забор образцов. Однако, как отмечалось выше, некоторые из мкРНК задействованы в онкоген-специфическом механизме. Белок Myc и супрессор опухоли р53 являются двумя яркими примерами. Белок Myc действует через miR-17-92 и активирует многие другие гены, включая онкогены, в том числе Raf, и, если удалить miR, опухоль не разовьется. Исходя из этого, можно предположить, что miR играет ключевую роль и, вероятно, может стать терапевтической мишенью. Супрессор опухоли р53 действует через miR-34 и т.д.!

miR определяются практически во всех биологических объектах, которые можно себе представить, – трипаносомах, бактериях, растениях, млекопитающих – везде. Существуют наборы для экспресс-тестирования яиц на всем пути вплоть до птицефабрик на предмет выявления патогенов, вызывающих заболевания у человека. В этих наборах miR является биомаркером, позволяющим в промышленных условиях определять, в каких условиях происходило откладывание яиц, и это очень полезно для тестирования инспекторами здоровья животных. Это то, что поставщики рекомендуют делать хорошо образованным фермерам.

Кроме того, в вирусах имеются мелкие регуляторные РНК, которые обнаружили в HVB, а также в ВИЧ, и это стало предметом жарких споров. Мелкие miR могут регулировать в вирусах переход от ранних генов к поздним (хотя то же самое может делать и антисмысловая РНК).

Кроме того, мелкие РНК порождают эпигенетический эффект и в отношении рака. Эпигенетические изменения не кодируются в ДНК, они возникают не вследствие мутаций, а в силу действия мелких РНК. Они приводят к химическим изменениям ДНК в ответ на факторы среды (путем присоединения метиловых групп к нуклеотидам или посредством модифицирования хроматина путем ацетилирования и упаковки ДНК).

Эпигенетические эффекты, как правило, носят лишь временный характер и не передаются следующему поколению. К факторам среды относятся образ жизни, характер питания, вредные привычки (курение и потребление алкоголя), стресс и заболевания. Они могут привести к эпигенетическим изменениям, к специфическим моделям метилирования. Такие изменения видны невооруженным глазом, и у мышей о них говорит цвет шерсти: у специальных мышей с окраской агути, инфицированных вирусом рака, цвет шерсти свидетельствует об эффекте карциногенов (см. ниже). У здоровых мышей шерсть черная, а рыжая шерсть указывает на то, что мыши получают канцерогенный корм!

Диагностика рака более не может быть основана на исследованиях мутации или сверхэкспрессии онкогенов, необходимо принимать во внимание эпигенетические изменения, для чего требуются новые методы диагностики моделей метилирования (путем бисульфитной конверсии) – эти методы быстро получают распространение среди исследователей.

Кроме того, существуют длинные некодирующие РНК, которые бывают очень длинными и которые регулируют экспрессию генов в нормальных и раковых клетках.

И наконец, последнее, хотя и не по значимости, соображение: нужно упомянуть Отто Варбурга. Он хотел победить рак, потому что ужасно боялся умереть от этой болезни. В 1970-х гг. в Берлине незадолго до смерти он был подвергнут жесткой критике. Он предполагал, что раковые клетки не «дышат», а ферментируют. И я хорошо помню, что даже немецкая популярная, но не слишком респектабельная газета Bild-Zeitung, недолго думая, опубликовала довольно едкую статью о нем, что довольно странно, поскольку он, безусловно, один из величайших биохимиков за всю историю Германии. По мнению Варбурга, опухолевые клетки производят энергию через анаэробный химический процесс за счет расщепления сахаров в бескислородной среде. Как известно, такой метаболизм возникает при мышечной боли из-за недостаточного снабжения кислородом во время занятий спортом или физическими упражнениями. Таким образом, у раковых клеток своего рода «мышечная боль». Им требуются ингибиторы гликолиза, которые разрабатываются в настоящее время. В 1931 г. Варбург стал лауреатом Нобелевской премии за решение проблемы ферментации. В 2011 г. в Принстонском институте перспективных исследований (IAS), где проходил симпозиум по концепции рака Варбурга, я стала свидетелем своего рода возрождения его идей. На трех последовавших друг за другом заседаниях, участники которых признали идеи Варбурга, были показаны полученные им снимки. Гипоксия, отмечаемая в опухолевых клетках, обусловлена рак-индуцирующими мутациями и метаболическими изменениями. Варбург настолько боялся умереть от рака, что сам занимался производством молока и выращивал пшеницу на полях, располагавшихся рядом с его институтом в Берлине-Далеме. В настоящее время это Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка. Только его лаборант имел право перерабатывать продукты питания. Он боялся, что его отравят? Ходит немало слухов о его серьезных разногласиях с членами семьи. Был случай, когда известная британская газета опубликовала сообщение о смерти Варбурга, но на самом деле он был жив и здоров. Варбург подал иск к газете, выиграл его и получил компенсацию, поскольку был публичным человеком и газете, прежде чем печатать информацию о его смерти, следовало получить подтверждение этого. В честь Варбурга названо объединение независимых ученых Otto Warburg Laboratories. Будучи руководителем одной из таких исследовательских групп и имея солидную поддержку, я опубликовала свои лучшие статьи по онкогенам, однако мне не удалось продвинуть идею, что опухолевые клетки не нуждаются в кислороде, и моим долгом перед своим научным учреждением было заняться исследованием этого вопроса. Мне очень неловко, но я об этом просто забыла.

23andМе – заболею ли я раком молочной железы?

Заболею ли я раком? Этот вопрос мучил не только Отто Варбурга, он беспокоит практически всех людей. Есть ли на него ответ? Давайте попробуем разобраться.

Мой коллега из принстонского Университета перспективных исследований рассказал мне о компании 23andМе и предложил сделать генетический анализ. 23 – это число хромосомных пар у человека. Однако потом он забеспокоился и сказал, что можно обратиться в другую компанию, если я получу неутешительные новости, и, может быть, там получатся более обнадеживающие результаты! С недавнего времени результаты анализов, получаемых компаниями, должны соответствовать стандартам контроля качества (КК), чтобы обеспечить их сопоставимость. Управление по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными средствами (FDA) (США) по результатам контроля качества их деятельности на некоторое время установило запрет на деятельность 23andМе, но это был лишь краткосрочный запрет. Две диагностические компании должны представить одинаковые заключения независимо друг от друга. В своем отделе диагностики мне нужно было вводить соответствующие процедуры контроля качества применительно к вирусам, а это означает невероятное количество бумаг, протоколов, инструкций, подписей и подготовку персонала. Метровые стопки документов – это достаточно серьезная проблема.

Какой урок я извлекла из такого опыта персонифицированной медицины и что бы я делала, если бы получила отрицательный результат? Именно это я и хотела выяснить. В 2011 г. генетический анализ обошелся мне в $200. Бесспорно, проанализирован был не весь геном, а только определенные релевантные участки, для скрининга которых имеются готовые чипы. Для 200 генетически обусловленных заболеваний тестируется 1 млн отобранных пар и рассматривается 100 предрасположенностей к определенным заболеваниям. Нужно собрать в пробирку 5 мл слюны. Для этого не требуется больших усилий, не разрешается только есть конфеты и пользоваться зубной пастой. После закрытия пробирки из крышки выделяется некоторое количество консерванта. Была предусмотрена даже отправка пробирки с образцом по почте. Оставалось только дать согласие. Однако при этом оговаривалось следующее условие: анонимное использование результатов генетического анализа в научных целях и проведение статистического анализа. Вот почему анализ такой дешевый. Сбор анамнеза не требуется, всю информацию получают из генов. Руководитель 23andМе – родственник основателя Google. Мой друг из Нью-Йорка не смог сделать такой анализ, так как он запрещен в определенных штатах США, в том числе в штате Нью-Йорк. Почему же? Может быть, этот анализ не одобрен FDA или имеется слишком много неопределенностей и есть риск суицида после получения плохих результатов? Я указала свой адрес в Принстоне. Через четыре недели я получила результат по электронной почте. Там было много вопросов (например, готова ли я прочесть о своих шансах заболеть болезнью Альцгеймера или раком молочной железы?), и мне советовали не паниковать, если я буду читать дальше. В письме содержалась информация о количестве генов, индуцирующих рак молочной железы, и какие из них тестируются, а также ссылки на источники научной литературы. Что касается моих шансов заболеть раком молочной железы, я не получила четкого ответа – только статистику. Между тем я узнала, что мой ген Erb-B2 не мутирован, а это признак, отмечающийся в 25% случаев рака молочной железы. Это хорошая новость.

Мне не сообщили, какие параметры мне нужно принимать во внимание, в частности «образ жизни». Если в результате более совершенного анализа в будущем появится больше информации, меня об этом уведомят. Я числюсь в их списке рассылки последние пять лет – мне постоянно присылали опросники и какую-то информацию. Я узнала, что я потомок Марии-Антуанетты, а также отважных и устрашающих викингов из Скандинавии. Мои предки действительно французские гугеноты, и родилась я в Северной Германии. Еврейские гены у меня не обнаружились. «Плохо», – сказал Эрик Кандель, обсуждая со мной результаты, после чего громко рассмеялся. Это напомнило мне последнюю сцену из фильма «В поисках памяти» – фильма о жизни Канделя и его научной деятельности. Он один из самых блистательных исследователей памяти и использует животную модель с очаровательным названием «аплизия» с особенно тонкими нервными нитями (брюхоногий моллюск, что-то вроде медузы).

У меня слишком высокое глазное давление, повышенный уровень холестерина и непереносимость некоторых препаратов. У меня не разовьется эмфизема (как у моего отца) и незначительный риск развития диабета. Представленная информация была неконкретной, а результаты выражались как риски различной степени вероятности. Поэтому я ничего не знаю точно. Между тем положительные последствия моего участия в этом проекте заключались в том, что теперь я стану чаще делать профилактические анализы. Фримен Дайсон заставил всю свою семью (примерно 60 человек) пройти тестирование. Возможно, кто-нибудь обнаружит ген его гениальности, и тогда можно выяснить, кто его унаследовал. В настоящее время тестирование прошли 750 000 клиентов из 50 стран – чем больше людей, тем лучше.

Когда я рассказывала своим друзьям, родственникам и даже врачам о своем геномном анализе, меня часто спрашивали: «А кому нужна эта информация?» Человек может испугаться, а компании, занимающиеся страхованием здоровья, могут использовать ее в неблаговидных целях – есть такие подозрения. Это действительно так? Было бы очень удобно узнать, какое лечение и какие препараты нам подходят, а что противопоказано и подходим ли мы для них, и все это на основании результатов генетического анализа! Такой подход уже практикуется компаниями, предоставляющими медицинскую страховку: пациентка с раком молочной железы получит очень дорогостоящий препарат герцептин только в случае выявления у нее мутации рецептора Erb-B2, что наблюдается всего у 25% пациенток с этим заболеванием (Erb-B2 – то же самое, что HER-2). Время персонифицированной медицины обязательно настанет. Аппарат для секвенирования, необходимый для диагностики, будет выпускаться в настольной версии, а его прототип MinION производства Oxford Nanopore Technologies толщиной не более двух пальцев я видела на столе одного своего коллеги из Швейцарской высшей технической школы Цюриха. (Секвенирование – совершенно новый принцип, основанный на пропускании нуклеиновой кислоты через проточную ячейку, что влияет на электропроводность каждого нуклеотида; этот метод достаточно чувствителен для спецификации и секвенирования нуклеиновых кислот, это чудо техники!). Такой прибор стоимостью всего несколько сотен долларов скоро будет на столе каждого врача.

Крейг Вентер секвенировал весь геном, применив очень эффективный экспресс-метод, и был одним из первых исследователей, проанализировавших весь собственный геном. В свете полученных результатов он попытался снизить уровень холестерина за счет изменения питания. Можно было бы найти более дешевый способ! Джеймса Уотсона, одного из первых ученых, секвенировавших собственный геном, в его 80 с лишним лет не беспокоил риск развития у него рака. Прочие гены, которые могли касаться членов его семьи, он не обсуждал. Когда я дала своему офтальмологу листок с данными, полученными от 23andМе, в котором приводятся некоторые мутированные гены-индикаторы, предполагающие наличие глаукомы, он засмеялся. Он не обратил на эту информацию никакого внимания, а просто спросил: «У вашей бабушки или у кого-нибудь в семье была глаукома?» И больше ему не нужно было никакой информации.

Вирусы и рак простаты

Действительно ли вирусы вызывают рак простаты? Если бы это было так, это стало бы сенсацией. На самом же деле ответ на этот вопрос вызывает реакцию, противоположную ожидаемой, – необоснованное чувство тревоги, поскольку рак простаты не имеет вирусного происхождения. Предполагаемые вирусы были результатом заражения в лабораторных условиях. Поиск вирусов как патогенов – постоянная борьба против «загрязняющих» агентов. Пространство лабораторий, где занимаются выявлением и исследованием вирусов, – сам воздух, а также холодильники, морозильные камеры и прочее – наполнено вирусами, находящимися в аэрозольном состоянии при проведении пипетирования или центрифугирования. Для того чтобы выяснить, вызывают ли ретровирусы рак простаты, потребовалось шесть лет. Почему при наличии большого количества современных методов на это понадобилось столько времени? Этот пример может стать поучительным.

Возникло подозрение, что возбудителем рака простаты является ксенотропный ретровирус мышиной лейкемии XMRV. Он может инфицировать не только мышей, но и другие виды живых существ, о чем свидетельствует определение «ксенотропный». Этот вирус был выявлен у некоторых пациентов с раком простаты. При помощи высокочувствительной полимеразной цепной реакции (метод описан выше) вирусные последовательности находили и у здоровых людей; они не выявлялись в образцах, забранных у мужчин-европейцев. Но вместо того, чтобы насторожиться, ученые просто констатировали, что распространение вируса носит эпидемический характер только в США. В США носителям этого вируса запретили быть донорами, поскольку ретровирусы, в частности ВИЧ, передаются через кровь. Некоторые люди даже стали принимать анти-ВИЧ-препараты, полагая, что XMRV – мнимый возбудитель рака простаты – можно ингибировать антиретровирусными препаратами, показанными при ВИЧ. При положительном результате это стало убедительным доказательством! Зачастую полученные от пациентов опухолевые клетки невозможно вырастить в лабораторных условиях, поэтому их часто трансплантируют и выращивают в мышах. После этого клетки выращивают и распространяют по лабораториям для дальнейших исследований. И все же они были заражены вирусом, полученным от мышей, – в скором времени это распространилось на весь мир. Десять лет – с 1996 по 2006 г. – не было известно о заражении мышиным вирусом. Была создана комиссия по изучению лабораторных протоколов, чтобы понять, что происходит. Какой кошмар – меня просто передергивает при мысли, что нужно просмотреть протоколы всех моих коллег за 10 лет! Шерлоком Холмсом, который в итоге решил эту задачу, оказался Джон Коффин, один из самых опытных ретровирусологов: «новым» вирусом оказался не вирус простаты, а старый животный вирус, распространяемый по миру посредством «контрольных» клеток, – открытия, достойного Нобелевской премии, не получилось. Такое недоразумение было вызвано двумя причинами: зараженные мышиные клетки или зараженные диагностические тесты, используемые при проведении полимеразной цепной реакции (ПЦР). Довольно странная история, которая вполне может повториться! Вирусы могут распространяться, и от них действительно трудно избавиться. Однажды в Институте Роберта Коха в Берлине произошло распространение вирусов по всему зданию через систему кондиционирования воздуха – хотя, должна признать, это было 30 лет назад. Кроме того, однажды Институт вирусологии Общества Макса Планка в Тюбингене на какое-то время закрыли и нам пришлось уйти в «отпуск», поскольку проводилась дезинфекция всего здания. В настоящее время наблюдается «загрязнение» больниц опасными вирусами, а недавно такие же случаи произошли на нескольких круизных лайнерах. Команды таких судов должны знать, что делать при распространении очень заразных норовирусов, когда наличия нескольких частиц в аэрозольном состоянии в туалете достаточно для распространения инфекции.

Мыши являются носителями особенно большого количества вирусов. Даже «инбридные» «здоровые» лабораторные мыши являются носителями 60 различных типов вирусов, а у диких мышей до 10 раз больше вирусов. ПЦР может также дать ложноположительные сигналы. Контаминация может происходить совершенно удивительным способом, который невозможно предусмотреть никакими инструкциями: мышь может сбежать, где-нибудь спрятаться и подхватить новые вирусы. Ночной сторож в Обществе Макса Планка в Берлине приручил серую лабораторную мышь во время своих тоскливых ночных дежурств, подкармливая ее сыром. А выяснилось это только тогда, когда у черной инбридной мыши появилось не черное, а серое потомство. Впечатляет то, что оплодотворение произошло через прутья клетки. В этом случае было довольно просто разобраться, что произошло, – по цвету шерсти, но множество других случаев заражения определить гораздо сложнее.

Расскажу об одном таком сложном случае, когда вся Германия участвовала в детективной истории «хайльброннского убийцы». Нужно было раскрыть убийство. Полицейские снимали отпечатки с автомобильных дверных ручек, ручек прикроватных тумбочек и т.д. Все образцы, протестированные при помощи высокочувствительной ПЦР-тест-системы, были положительными. Дело дошло до того, что появилась гипотеза о серийном убийце. А истинным виновником оказалось загрязнение ватных палочек, с помощью которых брали образцы для ПЦР-анализа. Они были заражены ДНК сотрудника компании-производителя. Нужно было провести контрольную реакцию – любой исследователь должен делать это автоматически. Как можно было забыть об этом?

Другой случай загрязнения, как выяснилось, вовсе не был связан с заражением. Речь идет об открытии ВИЧ. В 1983 г. на симпозиуме исследователей в Колд-Спринг-Харбор (США) Люк Монтанье представил данные о новом вирусе, полученном в Париже. Ретровирусологи, сидевшие на задних рядах аудитории, не поверили ни единому слову, сочли его выступление забавным, шутили и посмеивались над докладчиком. В конце концов, случаи ложной тревоги по поводу открытия новых вирусов человека слишком уж участились. Вспоминается случай с вирусом лейкоза гиббонов, который, как оказалось, является результатом контаминации в лабораторных условиях, а вовсе не вирусом человека. Однако на этот раз Люк Монтанье оказался прав!

5. Вирусы, которые не заставляют нас болеть

Мировой океан полон вирусов

Недавно я прочла несколько лекций – «Вирусы: скорее друзья, чем враги», «Если бы не вирусы, нас бы не существовало», «Вирусы на самом деле лучше, чем о них думают», «Вирусы как изобретатели», «Вирусы как двигатели эволюции» и т.д. Вирусы не только вызывают заболевания, но и помогают нам приспосабливаться к жизни! Я бы даже сказала больше: не будь вирусов, мы бы болели. Я вовсе не цинична – безусловно, я знаю о ВИЧ, вирусе гриппа и вирусе Эбола. Но важно посмотреть на этот вопрос с иной точки зрения, и я хочу, чтобы читатель знал об этом потому, что это новый подход, который до сих пор практически неизвестен, а еще потому, что он однажды повлияет на нашу повседневную жизнь. Новые технологии – это основа нашего нового представления о мире.

В 2013 г. я отправилась в «Геомар», что в Киле, бывший Институт биологии морской среды при Кильском университете. В фойе установлен макет исследовательского судна MS Meteor, на котором в 1960-х гг. проводились экскурсии для студентов, – на одной из них я была, но у меня, как обычно, началась морская болезнь, и я решила вместо этого заниматься физикой. И все же я до сих пор немного увлекаюсь океанографией; поэтому приехала в Ванкувер послушать выступление Кёртиса Саттла, профессора биологии морской среды и вирусологии. Микробиомный анализ – глобальное секвенирование всех микроорганизмов – со временем получил широкую известность. Как правило, секвенирование распространяется не только на бактерии, но и на все вирусы. Кёртис Саттл – один из ведущих вирусологов. Набился полный конференц-зал студентов. Я уже знала, как вдохновенно он может говорить, и в этот вечер он не обманул моих ожиданий. «Действительно ли вирусы правят миром?» – задал он вопрос. Саттл не имел в виду вирусные заболевания, описанные в учебниках, он подразумевал совсем другое. «На что был бы похож мир без вирусов?». Его ответ был (и есть): «Нас бы просто не существовало». Нам бы не хватало кислорода, поскольку кислород вырабатывается вирусами, когда осенью они очищают светящиеся водоросли в океане.

Казалось, что на слайде, показанном Саттлом на первой лекции, изображено звездное небо, но это было нечто иное: самые мелкие точки – это вирусы, точки крупнее – бактерии, и наконец, самые крупные точки – одноклеточные организмы (мелкие одноклеточные и многоклеточные эукариоты, в частности водоросли и некоторые грибы). До недавнего времени вирусы в океане оставались неопределяемыми. Поэтому Кёртис Саттл взял 200 л океанской воды, упарил ее и пропустил через фильтр, задерживающий крупные бактерии (и гигантские вирусы). Вирусы в проточной жидкости можно изучить при помощи «эпифлуоресцентной микроскопии» с использованием флуоресцентного красителя SYBR-Gold (крайне чувствительный циановый краситель). Полученные в результате этой процедуры снимки очень напоминали звездное небо. В океане 1030 вирусов – больше, чем звезд на небе, количество которых оценивается в 1025. Всего на нашей планете существует 1033 вирусов. Однако практически невозможно точно выяснить, сколько видов вирусов существует, поскольку их не так просто обнаружить. Впервые их проанализировали в 2007 г. в рамках проекта забора образцов из Мирового океана, когда Крейг Вентер с командой на своей парусной яхте Sorcerer II прошел из Северной Атлантики через Панамский канал в южную часть Тихого океана и собрал образцы воды, положив начало новой области исследований. Позже аналогичная океаническая экспедиция Tara Oceans была предпринята членами Европейской молекулярно-биологической лаборатории (EMBL) на шхуне Tara. Они в течение трех лет (2009–2012 гг.) забирали образцы морской воды из всех океанов на Земле, создавая коллекцию образцов, ставшую кладезем информации о микроорганизмах и мелких морских животных. Ученые все еще занимаются анализом этих данных.

Кёртис Саттл умеет подавать материал. Он рассказывает о вирусах, которые на самом деле называются «фаги». Но он этого не говорит. «Если я скажу, что моя лекция посвящена фагам, никто не придет, поскольку большинство людей никогда о них не слышали!» Поэтому нужно иметь в виду следующее: фаги – это вирусы, инфицирующие бактерии. Это настоящие вирусы, но они ограничиваются бактериями-хозяевами. Большинство вирусов в океане являются фагами. Тем не менее недавно в океанских водах обнаружили гигантские вирусы. Никто не имеет ни малейшего представления о том, сколько их вообще, так как они крупные и при фильтрации (в отличие от вирусов) ведут себя как бактерии. Понятия «фаг» и «бактериофаг» означают одно и то же – «пожиратели бактерий». На самом деле они их не пожирают (хотя выглядит очень похоже), а лизируют (растворяют). В глотке воды из Балтийского моря содержится 108–109 фагов, и, как правило, они для нас неболезнетворны. Это мелкие организмы, относящиеся к наночастицам. Какое получится расстояние, если выстроить их в ряд? Кёртис Саттл любит подобные вычисления: 1030 × 100 нм = 1023 м, или 1020 км, или 107 световых лет. Для сравнения: Крабовидная туманность находится на расстоянии 4000 световых лет от нас. (Темой моей магистерской диссертации было изучение космических лучей, исходящих от Крабовидной туманности. Я измеряла длину этих лучей, находясь в бункере, расположенном недалеко от Института океанических исследований, оставшемся после Второй мировой войны. В бункере был потолок толщиной 7 м, и он использовался для имитирования второй атмосферы.)

Вирусы обмениваются со своими хозяевами генетическим материалом. Такой генный обмен – «горизонтальный» или латеральный перенос генов (ГПГ или ЛПГ) – создает условия для эволюции вирусов и их хозяев. С появлением новых генов хозяева получают новую информацию. По оценкам Саттла, ежесекундно в океане происходит 1023 вирусных инфекций, в результате чего возникает астрономическое число ГПГ. Это основа для инноваций и изменений в клетке-хозяине. Ежедневно происходит фантастическое (1027) число лизисных реакций. Однако среди этого гигантского количества перенесенных генов сложно получить информацию о новых образовавшихся вирусах. Никто не представляет себе, как они выглядят. Общее число фагов в океане примерно в 100 раз превышает число бактерий; 80% бактерий в океане инфицированы фагами.

Слушатели лекции Кёртиса Саттла были удивлены. «Вирусы – это очень круто!» Бактерии и вирусы существуют как минимум 3,5 млрд лет. За это время их число многократно увеличилось. Микробы в океане формируют самую большую биомассу на Земле. Вирусы составляют 98% общего объема биомассы на Земле. Ежедневно около 20% общего объема биомассы лизируется фагами, что делает возможным повторное использование нутриентов и обеспечивает другие организмы питанием. Вирусы стимулируют рост других организмов в океане, например фитопланктона, состоящего из зеленых и синих морских водорослей, которых в океане насчитывается более 5000 видов. Общее число генов в бактериофагах превосходит суммарное число всех других, вместе взятых, видов, существующих на нашей планете. Вирусы даже не используют все свои генетические возможности.

Секвенирование вирусов после концентрирования и фильтрования морской воды проходит успешно, но только если секвенировать их все сразу, анализируя весь виром воды. Увы, отдельные фаги и более крупные вирусы идентифицировать невозможно. Следующий этап – дальнейший анализ информации. Однако даже при наличии самых мощных компьютеров это сложный и трудоемкий процесс. В этих последовательностях 90% генетической информации не известно, и эта информация не связана с известными последовательностями. Как много вирусов с неизвестной информацией! Это довольно странно. Откуда взялась эта информация? Появилась сама собой? Да, вероятно, вирусы прилагают максимум усилий, но клетки не могут предоставить всю генетическую информацию, поскольку просто не располагают ею в таком объеме. Большинство вирусов и бактерий невозможно вырастить в лабораторных условиях, и поэтому их довольно сложно протестировать. Число фагов и других вирусов в океане зависит от сезона. Осенью и зимой многие фаги находятся во внутриклеточном состоянии, которое также называется «лизогенным» состоянием, – они интегрируются в бактериальный геном ДНК и остаются там или располагаются рядом с геномом в качестве свободных «эписом» – зачастую они представляют собой замкнутые кольца – и либо выжидают, либо находятся в спокойном хроническом состоянии, никак себя не проявляя. Они разрастаются в крупные «лужайки», биофильмы. Это напоминает групповые образования, и врагам извне – в данном случае речь идет об инфекциях – не так-то просто атаковать членов группы. Но когда бактерии находятся в состоянии стресса вследствие недостатка нутриентов или необходимого пространства, вирусы активируются, демонстрируя литическое поведение, реплицируют и лизируют своих хозяев. Несмотря на наличие в воде большого количества вирусов/фагов, в морях и озерах можно плавать, такую воду можно даже пить, притом что в одном глотке может содержаться 108вирусов. Человек не заболевает, и все же из этого правила бывают исключения (но только время от времени – см. главу о EHEC).

Фаги – вирусы бактерий

Фаги – это вирусы бактерий. Фаги были обнаружены Феликсом д’Эреллем из парижского Института Пастера в 1917 г. Стоит вспомнить, как были открыты фаги. Феликс д’Эрелль, самоучка, бесплатно работавший в Институте Пастера (он никогда не был штатным сотрудником института), заметил, что в чашке для культивирования некоторое количество бактериальных колоний неожиданно образовали светящееся кольцо. Причина возникновения такого кольца – лизированные бактерии. Из этой области д’Эрелль изолировал путем фильтрации бактериофаги или фаги – так он их назвал, поскольку считал, что в фильтрате находятся организмы, которые «поедают» (греч. phagein) бактерии. Открытие пенициллина произошло примерно так же. В этом случае бактериальные колонии были еще окружены прозрачными ореолами, что свидетельствовало об их гибели. Любопытно отметить: фаги и антибиотики до сих пор конкурируют друг с другом в том, что касается уничтожения бактерий. Д’Эрелль успешно уничтожил бактерию, вызывающую эпидемию диареи в Тунисе и других странах. Он подтвердил, что фаги неопасны, – пил фаг-содержащие растворы и не заболел. Он оказался прав. Химик Макс фон Петтенкофер тоже выпил содержимое стакана, полного холерных бактерий, чтобы доказать, что они безвредны. И хотя он был неправ, ему повезло, поскольку в стакане находились мертвые неактивные бактерии. Однако фаги д’Эрелля действительно были неопасны.

«Враг моего врага – мой друг». Неизвестно, руководствовался ли этим принципом д’Эрелль, но эта фраза бы вполне подошла. Уже в 1917 г. он сообщил, что фаги уничтожают бактерии. Он заметил, что бактерии, выделенные из образцов, полученных от солдат, переболевших дизентерией, исчезли в чашке с культурой, потому что там были фаги. Однако его коллеги-ученые не признали это открытие, поскольку не смогли воспроизвести полученные результаты, так как фаги и бактерии должны соответствовать друг другу, поскольку и те и другие характеризуются высокой селективностью и специализацией. Но это не относится к антибиотикам, которые неселективно ингибируют репликацию бактерий. Как правило, предварительное тестирование их эффективности не требуется. Их можно применять сразу же и легко использовать – принять таблетку без биологического тестирования. Вот многообещающие антибиотики и обошли фаги, разрушив надежды и планы д’Эрелля. Лечение антибиотиками полностью вытеснило фаговую терапию. На протяжении десятилетий фаги были исключены из исследований. Могу предположить, что в скором времени ситуация опять изменится из-за формирующейся у бактерий устойчивости к лекарствам, в силу чего для подбора нужного антибиотика требуется предварительное тестирование бактерий. Фаги ждет великое возвращение!

Фаги бактерии E. coli – рабочая лошадка фундаментальных исследований, были пронумерованы от типа 1 до типа 7. Было показано, что фаги способны связываться с поверхностью бактерий и вводить избранным бактериям свою ДНК, находящуюся на головке фага, через контрактильный хвост. На электронных микрограммах показаны фаги с симметричными головками и петлеобразными антеннами. Их внешний вид стал символом вирусов, несмотря на то, что не все вирусы выглядят одинаково. Существуют фаги, не имеющие хвостов или антенн. Кроме того, при подготовке фагов для электронной микроскопии антенны легко теряются. Честно говоря, было довольно трудно найти хорошие фотографии для этой книги. После попадания в бактерию у ДНК фага есть два варианта. Она может существовать в качестве эписомы вне бактериальной ДНК, часто в круглой форме, и реплицироваться там, обусловливая появление нескольких сотен потомков фагов и лизис бактерий. Или же ДНК фага может интегрироваться в хромосому хозяина – это безопасное место для вирусной ДНК, и обычно это безопасно для бактерии-хозяина. Такая ДНК, называемая ДНК профага, передается следующим поколениям бактерий. Много позже понятие «профаговая ДНК» использовал Хоуард Темин, но изменил его на «провирусную ДНК» для ретровирусов, которые также могут интегрироваться в качестве провирусной ДНК в хромосомы клетки-хозяина и передаваться следующим поколениям. Ретровирусы должны (заблаговременно) перенести генетический материал из РНК в ДНК, что является еще одним дополнительным шагом. Но и в остальном у фагов и ретровирусов много общего. Насколько же высок уровень консервативности на всем пути от фагов до ретровирусов! Это должно означать, что они родственны и этот механизм имеет серьезные преимущества с точки зрения эволюции.

У бактерий стресс может активировать «застывший» фаг и прекратить этот процесс, так называемое «умеренное» или лизогенное состояние. Затем ДНК фага выделяется из генома бактерии и происходит лизис бактерий – литическое состояние – высвобождение сотни новых потомков фагов. У млекопитающих (включая людей) существуют литические вирусы, которые ведут себя так же, за исключением ретровирусов, которые обычно покидают своего хозяина путем «отпочкования», не лизируя его.

Что подразумевает понятие «стресс» применительно к бактериям? Практически то же самое, что и для нас: нехватка питательных веществ, недостаточность пространства, слишком быстрый рост, слишком низкая или высокая температура, общее изменение окружающей среды. Можно даже сравнить бактерии и другие организмы, включая человека, в части, касающейся активации стрессовых факторов путем сигнализации. Сигналы передаются извне клеток и приводят к регуляции генов на уровне ДНК и генной экспрессии. Удаление репрессоров или включение активаторов может активировать лизис клеток или оказать иное воздействие на бактерии и клетку-хозяина.

В океане может наблюдаться избыточный рост водорослей вследствие попадания в морскую воду излишков питательных веществ, которыми удобряют близлежащие поля. Удобрения вымываются дождями или переносятся реками в океаны, где могут накапливаться. Высокая температура воздуха также может стимулировать рост водорослей. Если осенью плотность бактерий слишком высока, активизируются фаги, их число многократно увеличивается, и они лизируют своих хозяев-бактерии. Итак, спектакль окончен. Питательные вещества оседают на дне, где служат пищей для других организмов и используются повторно. Таким образом, фаги являются регуляторами пищевой цепочки и поставщиками питательных веществ для животных, обитающих в океанах; они регулируют плотность популяций бактерий и других организмов-хозяев. Фаги – специалисты по регулированию динамики популяций.

Соотношение фагов и бактерий составляет примерно 100 : 1, а по мере увеличения глубины доходит до 225 : 1. Фаги действуют специфически: лизируют «победителей» среди бактерий, поскольку именно их оказывается больше всего. Их девиз: «Убей победителя». Так обеспечивается видовое многообразие, поскольку фаги не дают победителям остаться единственными выжившими бактериями и «убрать со своего пути» менее «успешных» собратьев. И что довольно интересно, фаги дают шанс оставшимся в меньшинстве бактериям. Это может натолкнуть читателя на мысль о других сообществах.

Лизис поддерживается ферментами, называемыми лизозимами, которые можно применять в терапевтических целях. Исследователи – не только из Швейцарской технической школы Цюриха (ETH), но также из всех других стран – уже мобилизовали усилия, направленные на получение и использование этого лизирующего фермента в качестве истребителя бактерий. Кроме того, совсем недавно провели исследование бактерий в кишечнике человека на предмет роли умеренных и литических фагов. Количество лизированных бактерий и свободных фагов увеличивается по мере увеличения количества пищи, поскольку обильная пища не только приводит к ожирению, но и имеет те же последствия, что и удобрения, попавшие в Балтийское море! Это был один из результатов, полученных экспедицией Tara Oceans в разных океанах. Этот удивительный результат относится к самой мелкой и самой крупной экосистемам, кишечнику и океану.

Свои первые лекции в Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка в Берлине я прочитала несколько десятилетий назад. В то время, в 1970-х гг., исследования фагов находились на пике. Один из директоров института, Хайнц Шустер, исследовал мир фагов, а я преподавала в области своей научной деятельности – читала курс по ретровирусам. Меня и по сей день удивляет степень сходства этих двух разных систем, двух, казалось бы, далеких друг от друга миров фагов и ретровирусов, что и является одним из доказательств эволюции их взаимоотношений. Есть ли у них общие предки? Состояли ли первоначально геномы фагов главным образом из РНК, как современные ретровирусы? Большинство фагов содержит более стабильные двуспиральные ДНК. Возможными причинами этого явления могут быть: скорость репликации, «прогресс» в эволюции от РНК к большему количеству ДНК (см. заключительную главу). Фаги не содержат обратных транскриптаз, и они их не используют, несмотря на то, что бактерии содержат невероятное количество обратных транскриптаз, которые легко могли бы транскрибировать потенциальные РНК фага в ДНК. Лишь недавно было установлено, что в бактериях присутствует огромное количество обратных транскриптаз, и никто не представляет себе, что они там делают. Для меня как специалиста по обратной транскриптазе это было особенно удивительно, но это совершенно новая информация. Действительно ли в процессе эволюции ретрофаги предшествовали ДНК-содержащим фагам? Я знаю только один одиночный «ретрофаг», содержащий ген обратной транскриптазы, – фаг бактерии Bordetella pertussis (он вызывает сильный кашель у детей, что пугает молодых матерей). У него даже нет названия. Обратная транскриптаза фага способна модифицировать рецептор на входе в клетку и обусловливает образование большого количества дополнительных типов бактерий-хозяев – это интересный инновационный этап «ненадежной» ОТ (что и обусловило развитие более широкого спектра организмов-хозяев).

Меня до сих пор удивляет то, что ни на одном симпозиуме по фагам не обсуждались ретровирусы. Но также верно и обратное: ретровирусологи «ничего не знают» о фагах. На конференциях по ретровирусам мне никогда не приходилось видеть тезисы докладов по фагам, инаоборот (за исключением моего доклада, к которому организаторы отнеслись сдержанно!). Сначала исследователи фагов опережали ретровирусологов, но сейчас ситуация изменилась. Ретровирус ВИЧ – самый широкоисследуемый вирус. А о фагах практически забыли. Но однажды – думаю, это произойдет в скором времени – интерес к фагам возобновится и, возможно, они нас спасут. Отчет об их применении в отдельном случае и некоторые рассуждения на эту тему приведены ниже.

Пальто для художника и журнал для ученого

Макс Дельбрюк был гуру, очень авторитетным исследователем фагов. Ежегодно он приезжал в Берлин из Лос-Анджелеса, где преподавал в Калифорнийском технологическом институте. Он родился в Берлине, и берлинская улица Дельбрюкштрассе названа в честь его отца, историка. Макс Дельбрюк ежегодно приезжал в берлинский Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка как внештатный сотрудник. Приезжал он не только из-за фагов, но и из-за своего нового исследовательского хобби. Он изучал фикомицеты – грибы, которые по мере роста «отворачиваются» от стенки. Вместе с Максом эти грибы исследовал неутомимый ученый Энцо Руссо. Механизм действия этих грибов до сих пор неизвестен, и за изучение этого вопроса Дельбрюк вряд ли получил бы Нобелевскую премию. Он получил ее гораздо раньше, в 1969 г., за исследование фагов. Макс открыл дверь для исследований фагов. У него было свое видение использования фагов и их хозяев, бактерий, в качестве модели для жизни, репликации, мутации и иммунитета. Время воспроизведения бактерий в зависимости от условий роста составляет примерно 20 минут. Затем происходит высвобождение нескольких сот фагов. У человека время воспроизведения составляет несколько десятков лет, гораздо дольше, чем нужно для получения быстрых результатов. И изначально было непонятно, способны ли вирусы и бактерии реплицироваться так же, как все прочие организмы, и можно ли их сравнивать с репликацией клеток человека. Мы ведь не похожи даже на близких родственников! Поэтому представление Дельбрюка об общем, универсальном механизме репликации было гениальной идеей. В рамках своих знаменитых экспериментов он проанализировал устойчивость бактерий к фагам и значение мутаций в них.

Еще одна причина, по которой Дельбрюк приезжал в Берлин, – это желание встретиться с Джин Маммен (1890–1976) – художницей-импрессионистом, которую он поддерживал. Она пережила Вторую мировую войну, обреталась в небольшой квартирке с выходом в садик за бульваром Курфюрстендамм. Единственная комната, через которую проходила толстая печная труба, служила ей и квартирой, и студией, а из окна было видно большое каштановое дерево. Сейчас в этом помещении находится музей художницы. На стенах висели ее картины, которые попали в крупные музеи лишь после ее смерти. Она попросила у Макса теплое зимнее пальто, и он отдал ей свое. Пальто оказалось ей очень велико, но она с благодарностью носила его во время бомбежек в Берлине. Маммен написала портрет Дельбрюка. Этот портрет получил известность как образец кубизма и был помещен на первую страницу программного буклета, выпущенного в 2006 г. лабораторией в Колд-Спринг-Харбор к 100-летию Макса Дельбрюка. В период существования Берлинской стены Максу Дельбрюку всегда удавалось приезжать в Восточный Берлин, в район Бух. Он ежемесячно пересылал туда своему коллеге Эрхарду Гайсслеру, исследователю фагов и вирусов, оказавшемуся за железным занавесом, очередной номер Proceedings of National Academy of Sciences(PNAS). На полях этих журналов есть карандашные пометки, сделанные Максом Дельбрюком. Сначала журналы перевозились мешками, вместе со старыми номерами, что очень раздражало восточногерманских таможенников, несколько контейнеров даже пропали. В те годы в Восточной Германии невозможно было достать научные журналы, и их появление стало мощным стимулом для исследования фагов и вирусов в Восточном Берлине. После того как Берлинскую стену снесли, этот восточногерманский институт стал называться Центром Макса Дельбрюка (ЦМД), а находящееся рядом кафе названо в честь его жены Мэнни. В начале 1990-х гг. она приехала на открытие ЦМД со своими сыновьями, но без Макса, который к тому времени уже умер. Несмотря на преклонный возраст, она пришла с рюкзаком, который по тем временам смотрелся довольно странно, и взяла на себя труд собрать все многочисленное семейство Дельбрюков, для чего ей потребовалось обзвонить всех родственников из длинного списка, чтобы встретиться в кафе и вместе поесть мороженое.

В лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, которой на протяжении многих лет руководил Джим Уотсон, ежегодно проводились знаменитые курсы лекций по фагам. Макс Дельбрюк и другие ученые, в частности Гюнтер Стент, который написал широко известную книгу о фагах, обычно читали здесь лекции. Они подготовили целое поколение специалистов по фагам. Таким образом, исследования фагов стали проводиться по всему миру. Затем Дельбрюк перенес исследования фагов в один из институтов Кёльна (Германия), который позже был назван его именем. Что касается дискуссий по научным вопросам, Дельбрюк был человеком довольно строгим и требовательным. И хотя его обвиняли в том, что применительно к исследованиям он предпочитает подход с позиции неточных наук, видимо, именно так он представлял себе путь к новым открытиям. Свидетельством тому служит обратная транскриптаза, которую нельзя рассматривать с точки зрения точных наук. Насколько я помню, создавалось впечатление, что Дельбрюк испытывает некоторую неловкость и немного испуган. Открытие двойной спирали вызвало у него чувство досады. Будучи физиком по образованию, человеком, который начал свою научную карьеру в Копенгагене и работал вместе с Нильсом Бором, изучая модель атома, Дельбрюк ожидал, что новая концепция жизни будет основываться не только на «физических» законах. Знаменитый вопрос «Что такое жизнь?», заданный физиком Эрвином Шрёдингером на одной из лекций в те годы, когда он, находясь в изгнании во время Второй мировой войны, преподавал в Ирландии, вдохновил целое поколение физиков. Его книга «Что такое жизнь?» стала классикой естественно-научной литературы прошлого столетия – краеугольным камнем молекулярной биологии и мотивом для многих физиков, включая Макса Дельбрюка. Фаг лямбда стал моделью для исследований. Марк Пташне из Гарвардского университета очень подробно его описал, а по его книге училось несколько поколений студентов; в ней освещается генная регуляция фага лямбда, в основе которой лежат принципы, применимые практически к любой биологической системе, а не только к фагам. После открытия двуспиральной ДНК фаги стали интересным объектом исследований с точки зрения репликации ДНК. Затем последовало изучение очень сложной проблемы регуляции генов с использованием промоторов и репрессоров – тема настолько сложна, что по ней можно написать толстую книгу. Примерно 30 лет назад в Институте Пташне при Гарвардском университете я делала доклад о белке Myc, регуляторе генной экспрессии в эукариотических клетках – аналогах белка фага. Во время моего выступления Марк Пташне встал и пошел выпить кофе – просто встал и вышел из зала, и это было так естественно, что у меня возникли серьезные сомнения в качестве своей презентации. Но прошло несколько лет, и, выступая с докладом в Принстоне, он узнал меня среди слушателей и спустился со сцены, чтобы поприветствовать, чем снова меня удивил. Я думала, что он меня с кем-то перепутал, но оказалось, что это не так!

Мы не сами по себе – мы суперорганизм

Мы представляем собой экосистему, и внутри и вне нашего организма находятся бактерии, вирусы, археи и грибы – все они формируют сообщество тесно связанных между собой компонентов. Их невозможно смыть водой с мылом – да и не следует это делать, поскольку мы с ними одно целое. Вредно слишком часто принимать душ! Это утверждение нужно пояснить.

Полная микробиота состоит из всех бактерий и других микроорганизмов, населяющих наш организм, которые находятся внутри него и вне его. Ежегодно журнал Science публикует список 10 ведущих научных прорывов, и в период 2011–2013 гг. там фигурировало открытие микробиома. Микробиом состоит из всех микроорганизмов, бактерий, вирусов, архей, грибов, независимо от того, известны они нам или нет, можем ли мы вырастить или описать их, – определяются только полные последовательности, и такой подход используется всеми учеными! Исследователи руководствуются принципом: «Нужно тестировать всё!» Технологии секвенирования усовершенствовались, настолько подешевели и получили такой импульс, что в настоящее время секвенируют всё, что только можно себе представить: микробиомы всех видов, находящиеся в ЖКТ, слюне, слизистой носа, легких и еще где бы то ни было. Теперь мы знаем, что организм человека – это целая экосистема. У каждого человека свой микробиом, как личный PIN-код. Результаты оказались настолько впечатляющими, что о них сообщили все газеты. В настоящее время появились новые данные о количестве микроорганизмов, населяющих наш организм, – их оказалось огромное число. Были получены соответствующие данные, в частности по итогам проекта «Микробиом человека» (ПМЧ), в рамках которого анализировался микробиом человека. В своем роде ПМЧ – преемник проекта «Геном человека», цель которого заключалась в том, чтобы секвенировать наши геномы, то есть все наши гены. Что касается ПМЧ, то изначально у 242 здоровых американцев многократно брали для секвенирования мазки – образцы (всего 5000) с различных частей организма. Было изучено 178 геномов из микробов, обитающих в организме человека и на поверхности тела. Было выявлено, что редкие микробы характеризуются относительно высокой вариабельностью, в то время как популяции распространенных микробов продемонстрировали меньшую сложность, приобрели преимущество роста и могут опередить другие виды, поэтому доминантными становится небольшое число видов. Все это чрезвычайно сложно. Самое большое число популяций бактерий присутствует в кишечнике, различных полостях организма, на коже, на локтях, за ушами и (менее всего) во влагалище. Микробиомы, находящиеся в районе подмышек, отличаются от микробиомов, локализующихся в районе предплечья. На руках определяется около 44 видов бактерий – это самое богатое сообщество, присутствующее вне организма человека. Микробиом влагалища отличается особенно выраженной стабильностью и незначительной сложностью. Микробиомы определенных частей тела имеют больше общего с микробиомами аналогичных частей тела другого человека, нежели с микробиомами других частей тела того же человека.

Таким образом, единственно возможным является метагеномный подход, и понятие «метагеномика» происходит от понятий «метаанализ» (процедура, используемая в статистике, чтобы сделать несхожие результаты сопоставимыми) и «геномика» (полная генетическая информация). Только представьте себе: нам не известны 99% всех существующих микроорганизмов, и никак иначе их исследовать невозможно.

Реализация проекта «Микробиом человека» дала немало удивительных результатов. Во-первых, большинство микробов не являются болезнетворными. Астрономическое количество бактерий, вирусов и грибов присутствует не только в кишечнике, но и на поверхности тела. Многие из них принципиально важны для человека с точки зрения его элементарных потребностей, в частности для получения витаминов или переваривания пищи, которую мы не можем переварить сами. Они синтезируют витамины, обеспечивают детоксикацию канцерогенов и метаболизируют лекарственные средства (желательно знать об этом больше!). Бактерии и вирусы влияют на нашу иммунную систему и защищают нас от инородных микробов, которые, вероятнее всего, для нас патогенны. Таким образом, полезные микробы могут контролировать болезнетворные, то есть известное защищает нас от неизвестного! Наш кишечник не является полем битвы микроорганизмов, это не война, а скорее гомеостаз, хорошо сбалансированное и стабильное сообщество. И это наша защита от внешних микроорганизмов!

Второй повод для удивления – количество таких микроорганизмов: в кале определяется 1000–2000 различных типов бактерий, а их стандартная общая масса составляет 1,5–2 кг. В нашем организме в общей сложности 1013 клеток и 1014 микробов. Только 10% клеток являются действительно нашими собственными. К этому нужно добавить неизвестное число архей. Можно только представить себе, сколько вирусов и фагов обитает в нашем кишечнике: на сегодняшний день распознано 500 вирусов и фагов, однако большинство из них до сих пор неизвестны. Сложнее всего анализировать виромы или «виросферы», состоящие из всех вирусных последовательностей образца, поскольку поиск неизвестных последовательностей – особая проблема. Просто определяются только известные последовательности. Многие вирусы нельзя вырастить в лабораторных условиях, поэтому их невозможно изучать. Возможно, их 1000, 5000 и даже больше. Для их выявления необходимо разработать поисковые системы. Недавно полученные результаты указывают на то, что большинство фагов остается внутри своих бактерий и высвобождается, только когда человек заболевает. Весьма вероятно, что в будущем это станет инструментом диагностики: для этого определяется соотношение находящихся в кале вирусов в свободном и внутриклеточном состояниях, и если этот показатель высок, значит, налицо заболевание. Это соотношение можно определить и по слюне, на другом конце ЖКТ!

Кроме того, не следует забывать о грибах, которые не исследовали столь тщательно. В медицине известно примерно 1000 видов грибов. И только около 100 из них удается диагностировать в лаборатории, занимающейся диагностикой грибов, которая находится рядом с моим офисом в Цюрихе. Всего существует, вероятно, 1–2 млн различных типов грибов.

Микробы предоставляют больше генов, отвечающих за выживание человека, чем собственно гены человека. По оценкам, бактериальных кодирующих белок генов в 360 раз больше, чем генов человека. В организме человека более 8 млн уникальных микробиальных генов ассоциируется с микробиомом. Они вносят свой вклад в наше состояние здоровья или нездоровья – настолько, насколько мы в состоянии это оценить в настоящее время. Если сравнивать это с общим количеством собственно генов человека (20 000), можно высказать предположение, что генетический вклад микробов, составляющий несколько миллионов генов, в несколько сот раз превышает генетический вклад генома человека. Микробиом – наш «второй геном». А вирусы и грибы могут быть нашими третьим и четвертым геномами! Вот почему человек представляет собой суперорганизм.

Исследование близнецов и сравнение их микробиомов показали, что сходство микробиомов наблюдается только у однояйцевых (монозиготных) близнецов. Сходство их микробиомов с микробиомами матерей или других родственников гораздо менее выражено. Микробиомы настолько разнообразны, что их можно использовать в криминалистике для идентификации человека по его индивидуальному микробиому. Однако, если в один прекрасный день окажется, что фотографии на удостоверении личности недостаточно, чтобы пройти таможню, процесс секвенирования микробиома пока еще остается несколько трудоемким. Возможно, юридических проблем с микробиомным анализом станет меньше, чем в настоящее время с геномным анализом, и возможно, в скором времени он станет вполне реальным – как знать?

Если слюна отражает индивидуальную генетическую сложность в достаточной мере, чтобы использовать этот метод в диагностике или в криминалистике, возникает вопрос: могут ли поцелуй или тесные контакты между членами семьи стать своего рода способом установления равновесия или адаптации микробиомов – как неромантично! Влияют ли микробы на то, что между людьми возникает чувство притяжения или отторжения? На любовь?

И наконец, если мы представляем собой экосистемы и если все инородные гены влияют на наши гены, можно ненадолго стать философом и задаться вопросами: «Что такое человек?», «Кто я есть?». Способен ли микробиом повлиять на «свободу» принятия нами решений? Что происходит с микробиомом в организме больного человека? Любая терапия антибиотиками существенно меняет микробиом и способствует развитию воспалительных заболеваний кишечника (ВЗК), в частности болезни Крона (см. ниже).

Если мы рассматриваем основные этапы формирования жизни на Земле, приходится признать, что мы совсем недавно появились в мире микроорганизмов, который существовал и до нас. Они появились более чем за 3 млрд лет до нас. Естественно, выжили только те наши предки, которые смогли с ними справиться. В итоге это автоматически привело к мирному сосуществованию. Специалист по виромам Форест Роуэр из Сан-Диего называл нас «живыми инкубаторами» для вирусов. Такое определение нам бы не очень подошло, если считать нас существами, созданными по образу и подобию Бога. Нам бы больше подошло определение «станции обслуживания» для микроорганизмов! В принципе, в нас нет необходимости. Мир микробов может прекрасно обходиться и без нас. Микробы все равно нас переживут, точно так же как они существовали до нас. Они обладают большей гибкостью и демонстрируют более выраженную адаптивность по сравнению с нами и поэтому переживут все катастрофы, так было и раньше. А вот обратное невозможно: мы не можем существовать без микроорганизмов. Нам нужны микроорганизмы для переваривания пищи и защиты от других патогенных микробов. Мы не главенствуем над микробами, а зависим от них.

Кесарево сечение, молоко и ген «суши»

Микробиомы идентичных близнецов, так же как и матери и ребенка, имеют гораздо больше сходства, нежели микробиомы других людей. И все же, несмотря на такое разнообразие, существует «общая» популяция микробиома кишечника, которая составляет около 50% от общего количества (3,3 млрд) бактериальных генов, населяющих наш организм. Флора пищеварительного тракта новорожденного передается ему от матери во время родов через матку и влагалище. Первоначальный микробиом сохраняется несколько лет и, хотя в детском, подростковом и более позднем возрасте он претерпевает изменения, в определенной степени может оказывать влияние всю жизнь. Первый микробиом называется «пионерский вид». В отличие от этого дети, появившиеся на свет в результате кесарева сечения, сначала контактируют с микробиомом на коже матери (или же няни, или врача), который отличается от микробиома родовых путей. Микробы из окружающей среды с предполагаемыми больничными микробами приобретают все большее значение. Недоношенные дети часто появляются на свет при помощи кесарева сечения и поэтому подвергаются особой опасности. Согласно недавно проведенным исследованиям, у детей, появившихся на свет в результате кесарева сечения, выше риск развития аллергии или астмы в более поздние годы. Флора здоровых матерей защищает новорожденных от рисков внешней среды. В некоторых больницах и некоторые матери предпочитают кесарево сечение, поскольку такие операции могут быть плановыми. Наиболее показательный пример – это практика, принятая в Юго-Восточной Азии, где в ряде стран в 90% родов применяется кесарево сечение. Таким образом, заболеваемость аллергией в таких странах, как Китай, может существенно вырасти. Целесообразность использования бактериальных суспензий во время родов в качестве профилактики больше не вызывает сомнения, и орошение вагинальными бактериями матери или стандартными бактериями при первой встречей с миром уже не теоретическое положение, а реальность!

Повторюсь: известный микробиом защищает нас от инородного микробиома. Нельзя сказать, что полезные микробы защищают нас от вредных микробов, поскольку микробы, вредные для одних, оказываются полезными для других. Давайте вспомним: если во время отпуска за рубежом пить воду, которую пьет местное население, можно заболеть.

Как долго организм приспосабливается к перевариванию непривычной для себя пищи? Природа проводит на нас эксперимент, который называется «непереносимость лактозы». Около 10 000 лет назад большая часть людей, населявших Европу и Африку, жили охотой и собирательством. Со временем их образ жизни изменился, они начали заниматься земледелием, приручили животных, и их пища стала более разнообразной: например, они начали пить молоко. Для переваривания коровьего молока потребовалась мутация. Даже в настоящее время у 15% европейцев нет такой мутации – например, у меня, – и они не могут переваривать молоко. Как это ни забавно, но я со своей непереносимостью молока представляю первоначальный «дикий тип», а люди с переносимостью молока – мутанты. У людей, живущих на севере Европы, такая мутация есть, и молоко у них переваривается, что способствует выработке витамина D при недостатке солнечного света (например, в Скандинавских странах). У 75% населения планеты отмечается неспособность переваривать молоко. Адаптация организма к перевариванию молока произошла путем мутации примерно 10 000 лет назад. А моих предков эта мутация не коснулась. Существуют таблетки от непереносимости лактозы – вытяжка из коровьих желудков, содержащая недостающий фермент – лактазу. Но мне они не очень помогают. Информация по непереносимости лактозы распространяется медленно. В течение непродолжительного времени голодающему африканскому населению поставлялось сухое молоко, но вреда от него оказалось больше, чем пользы, поскольку у населения Африки наблюдается непереносимость лактозы и нет недостатка в солнечном свете.

Есть сведения, что у китайцев непереносимость лактозы, тем не менее недавно этот продукт стал важным, широко используется и импортируется в Китай из других стран, и в самом Китае наращивается производство молока. Самый неожиданный поворот в этом сценарии – новая мода в питании, и люди покупают безлактозное молоко безо всякой необходимости, причем даже те, у кого нет непереносимости лактозы, – просто удивительно. Безусловно, такие продукты стоят дороже! То же самое происходит с глютеном – компонентом пшеницы. Непереносимость глютена, глютеновая болезнь развивается при определенных условиях, но и многие здоровые люди покупают хлеб без глютена. Это заставляет меня задуматься о влиянии хорошей рекламы.

Как долго организм приспосабливается к новым пищевым привычкам? Одна случайная мутация произошла 10 000 лет назад – явление довольно редкое. Можно ли ускорить этот процесс? Возможно, мутации не так уж необходимы. Японцы употребляют в пищу морские водоросли, которые европейцы не способны столь же успешно переваривать. Можем ли мы создать ген «суши»? На самом деле несколько таких генов уже обнаружено! Эти гены были получены из водорослей и абсорбируются бактериями кишечника, поэтому бактерии приспособились к перевариванию суши. Механизм горизонтального переноса генов – наиболее эффективный способ «научиться» чему-нибудь новому и сделать это быстро. Зачастую носителями являются фаги, поэтому они и выступают в роли посредников при горизонтальном переносе генов к новым хозяевам. Это показательный пример, демонстрирующий, что вирусы/фаги – наши «учителя» с точки зрения генетики и они же являются двигателями эволюции.

Еще более пугающим проявлением такого рода горизонтального переноса генов (ГПГ) является перенос генов устойчивости к антибиотикам. Гены токсинов также переносятся фагами, с чем связан самый крупный пищевой скандал в Германии, вызванный энтерогеморрагическим штаммом кишечной палочки (EHEC). Представляют ли они реальную угрозу? Нет, но только до тех пор, пока бактериями, находящимися в испражнениях животных, не украшают ваш салат. А как насчет гена шоколада, который, как представляется, есть у швейцарцев? Можно ли его приобрести? Выше уже говорилось о том, как произошла мутация, обусловившая устойчивость к лактозе.

Вирусы против глобального потепления и откладывания яиц

«Вирусы могут быть полезными» – это утверждение нужно пояснить. Вирусы могут кооперироваться или соперничать друг с другом, и они зачастую используют такие возможности в своих собственных интересах. Горизонтальный перенос генов может осуществляться в любом направлении, гены могут встраиваться в клетку, и они же могут транспортироваться из клетки. Происходит ли перенос в первом из вышеназванных направлений чаще? Кроме того, существуют «вирусы-помощники», и один вирус может помогать другому. Дефектные вирусы могут использовать белковую оболочку недефектного вируса, присутствующего в той же клетке; они делят одну оболочку. «Полезные» вирусы могут даже исправлять генетические дефекты клетки, однако следует отметить, что вирусы зачастую оказываются полезными не только для клетки-хозяина, но также и для самих себя – если вирус повышает шансы клетки на выживание, тогда и у вируса появляется больше потомства. Но если с помощью вирусов удалить супрессоры опухоли, клетки живут дольше, гарантируя вирусам многочисленное потомство. Самый целесообразный вариант, если выгоду получают и клетка, и вирус – правильнее было бы назвать это мутуализмом. К «полезным» вирусам относятся даже вирусы герпеса, аденовирусы, фаги и вирусы растений. Аденовирусные инфекции могут защитить от роста опухоли, а вирусы герпеса способны быть супрессорами ВИЧ или бактерий. Состояние больного лейкемией мальчика улучшилось после того, как он заразился ветряной оспой. Подобная так называемая «вирусотерапия» имеет практически столетнюю историю и основана на острых ярко выраженных иммунологических защитных реакциях организма, спровоцированных каким-либо агентом; вместе с тем они эффективны (и не проявляют специфичность) против других заболеваний. В результате неожиданно отмечались случаи излечения.

Кроме того, фаги могут выступать в роли «хелперов» (помощников). Клетка-хозяин с радиационным поражением ДНК может получить поддержку от фага для восстановления поврежденной ДНК. Фаги лямбда даже способствуют восстановлению погибающей бактерии-хозяина, обеспечивая условия для производства большего количества своих потомков. А здоровые микробы замещают патогенные в микробиоте кишечника.

Приведу впечатляющий пример из мира растений, так как в будущем это поможет решить проблему снабжения продовольствием и спасти человечество от голода, – вирусы могут помочь человечеству противостоять глобальному потеплению! В Йеллоустонском национальном парке растет трава Dichanthelium lanuginosum, которая может сохранять жизнеспособность при температуре выше 50 °С, но только при помощи гриба и вируса – такой вот тройственный симбиоз. Этому растению нужны грибы, а грибам – определенный вирус. У этого вируса очень броское название – Curvularia thermal tolerance virus (CThTV) (курвулярия-вирус, резистентный к тепловому воздействию). Этот вирус, действуя через гриб, придает растению теплоустойчивость. Правда, это происходит в несколько этапов. Вирус, помогая растению, «руководствуется эгоистическими соображениями», поскольку благополучие хозяина гарантирует ему большое потомство. Механизм мутуализма соответствует стратегии обоюдной выгоды, используемой в современном бизнесе. Даже встает вопрос, кто является реальным хозяином вируса – гриб или растение. Если удалить вирус, растение лишится резистентности к тепловому воздействию. Задача проводимого в настоящее время транскриптомного анализа – выявить механизм действия вируса, обеспечивающий его полезность, то есть профиль экспрессии транскриптов всех активированных им генов. Нет ничего удивительного в том, что гены осмоса, похоже, помогают растениям лучше обеспечивать себя водой в период засухи. Было установлено, что в десикации (усыхании) задействован сахар, но это свойство ослабевает за счет вируса. Кроме того, свою роль в формировании устойчивости грибов к стрессу играет пигмент (меланин). Нам надо лучше разобраться в этом, чтобы научиться противостоять последствиям влияния глобального потепления на развитие сельского хозяйства. Для того чтобы продолжать получать желаемые урожаи миндаля, калифорнийским фермерам, видимо, придется создать новые вирусы. Чтобы вырастить один миндальный орех, требуется 4 л воды. Зачастую это первичная вода, которой более 4 млрд лет и которую получают из скважин. В настоящее время в штате Калифорния из-за бурения скважин уровень подземных вод ежемесячно снижается на 5 см!

Самый удивительный результат действия полезных вирусов – образование плаценты у человека, и в этом процессе задействован ретровирус. Из-за этого вируса нам не нужно откладывать яйца, как многим другим животным, и эмбрион может развиваться внутри организма матери. Ретровирусы способны индуцировать иммунодефицит, свойство, приведшее к крупнейшей катастрофе в истории человечества – эпидемии СПИДа, вызванного ВИЧ. Способность вируса, близкого к ВИЧ, оказывать супрессивное действие на иммунную систему дала возможность эмбриону развиваться в утробе матери и не быть отторгнутым ее иммунной системой. Белок Env оболочки дефектного эндогенного ретровируса человека (HERV-W) стал частью плаценты матери, а конкретнее, он образовал синцитий, состоящий из многоядерных трофобластов, индуцирующих локальный иммунодефицит, обеспечивающий рост эмбриона. Млекопитающим не нужна яичная скорлупа, как птицам, или сумка, как кенгуру, чтобы эмбрион развивался в организме матери в отдельной полости. Просто удивительно, насколько похожи поверхности белка Env HERV-W и ВИЧ. И в том и в другом вирусах можно выявить ровно 20 аминокислот как соответствующие последовательности, и сегодня их выявляют в трансмембранном белке gp41. Самое удивительное, что в основе используемого в настоящее время простого теста на ВИЧ лежит синцитий: многие клетки сливаются друг с другом, образуя гигантские многоядерные клетки, но они легко выявляются при помощи оптического микроскопа. Таким образом, свойство, которое сегодня делает ВИЧ смертельным вирусом, ранее в процессе эволюции обусловило формирование одного из самых значимых преимуществ человека – развитие плаценты. Вероятно, есть больше свойств, за которые отвечают вирусы, но мы об этом ничего не знаем. Я не знаю, оказался и синцитий в матке преимуществом для этого вируса-предшественника, но вполне возможно, что это стратегия, повышающая шансы вируса на выживание. HERV-W относится к эндогенному вирусу овец Jaagseikte sheep retrovirus (ретровирус овец Jaagseikte) (enJSRV), который до сих пор проявляет себя и как эндогенный, и как экзогенный. Именно из-за него умерла первая клонированная овца Долли. Этот вирус все еще находится в промежуточном состоянии между эндогенным и экзогенным, что довольно странно, поскольку считается, что он существует 5–7 млн лет. Тьерри Хайдман, работающий в Париже, выделил вторую молекулу синцитина, и аналогичные последовательности синцитина можно выявить и у многих других видов животных. Эти последовательности включают в себя вышеупомянутый RELIK – древний вирус кроликов и других млекопитающих, таких как кошки и собаки. «Эндогенизация» синцитиальных вирусов произошла 25–40 млн лет назад. Недавно даже у свиней и лошадей были описаны синцитиальные вирусы, связанные с плацентой, – 18 различных вирусов и большое количество видов. Они неродственны между собой, поэтому синцитий, возможно, «изобретался» много раз. Совсем недавно HERV-W и его оболочечный белок Env были обнаружены при целом ряде заболеваний у человека, включая амиотрофический боковой склероз (АБС), рассеянный склероз (РС) и диабет 2-го типа. Разрабатывается вакцина против белка Env. Более того, вирус РС уже получил название «ретровирус, ассоциируемый с рассеянным склерозом» (MSRV). Могут ли быть такие случаи единичными? Время покажет.

Вирус, полный генов осы, – это точно вирус?

Мой любимый вирус – поли-ДНК-вирус (PDV), вирус насекомых, поскольку, похоже, в нем нет ничего «правильного». Он никак не вписывается в известные схемы классификации вирусов. Во-первых, у него нет генома. Он не пустой, но находящиеся в нем ДНК – ДНК хозяина, и таких ДНК много – 30 плазмидных кольцевых ДНК. Поэтому этот вирус становится исключением, вирусом с большим количеством инородных ДНК, что и дало ему название «поли-ДНК-вирус». Кроме того, за счет собственной репликации он не инфицирует клетки, а скорее помогает хозяину продуцировать потомство, но может действовать и без хозяина. Это напоминает совместную работу или субподряд, что хорошо для потомства хозяина и в конечном счете дает преимущество самому вирусу. Безусловно, у вируса есть своя генетическая информация, но она находится не в его частицах, а передается в геном хозяина, можно сказать, путем «аутсорсинга». Вирусная ДНК интегрируется в геном хозяина в осе-матке, обеспечивая производство новых вирусных частиц в ее яичниках. Оса-матка секретирует яйца, а вместе с ними и вирус, и вводит их в полость тела гусеницы. Затем вирусы высвобождают 30 плазмидных ДНК с генетической информацией, кодирующей токсины, которые они продуцируют, и уничтожают гусениц. В результате образуется заранее переваренная пища для молодых ос. Это идеальная смена ролей: вирусы теперь с генами хозяина, а хозяин – с вирусными генами.

Возникает вопрос: какое определение можно дать вирусу, который отдает все свои гены хозяину, а потом забирает их? Как таким вирусам вообще удалось получить потомство? Ответ прост: все рождающиеся осы имеют в геномах вирусные гены, унаследованные от осы-матки, и однажды этот цикл повторится. Таков механизм репликации PDV. Это «вертикальная» репродукция от поколения к поколению, аналогичная репродукции эндогенных вирусов. Однако это не настоящие эндогенные вирусы, потому что реальные экзогенные частицы покидают своего хозяина. Я хотела бы включить странные вирусы, в частности PDV, в общее определение вирусов как носителей генов для передачи генов. Такие вирусы, как PDV, совсем не редкость, их десятки тысяч. Похоже, это взаимовыгодно, чего не скажешь о гусеницах, которые ведут себя довольно странно. Вирусы и молодые осы смертельно опасны для них, но они защищают их коконы от внешних захватчиков. Таким образом, они помогают своим будущим убийцам. Иногда такое поведение называется материнским. Возможно, гусеница может отложить свою гибель. В 2015 г. было доказано, что захват гусеницами генов является защитой от других вирусов. Таким образом, принцип мутуализма и понятие «выгоды» в определенной степени применимы и к гусенице. Столь необычное взаимодействие хозяина и вируса, когда вирус наполовину эндогенный и наполовину экзогенный, может иметь очень древние эволюционные корни. Даже при более коротком жизненном цикле вирус никогда не смог бы покинуть клетку и стать полностью эндогенным, а может быть, все было наоборот – «запертые» вирусы стали мобильными?

Жизненные циклы, подобные тем, что наблюдаются при взаимодействии ос и вирусов, по-видимому, существуют и у гусениц, и у бабочек монархов, и у мотыльков.

Похоже, это пример очень эффективного природного механизма, которым следовало бы воспользоваться, и вирусы как переносчики генов, причем не своих, а чужих, – настоящий эксперимент в области генной терапии, проведенный природой. Вирус опустошается, а потом наполняется болезнетворными или «целительными» генами для проведения генной терапии. Ученые разрабатывают способы генной терапии точно так же. Генная терапия с использованием PDV – нечто особенное, поскольку она предназначена для местной терапии. Подход, аналогичный применяемому в генной терапии с использованием PDV, используется и в генной терапии ex vivo для местного применения у человека. Следовательно, такой подход появился задолго до того, как о нем задумались ученые, но пока наши достижения на этом поприще не столь впечатляющие, как у PDV.

Прионы могут обходиться и без генов

Вирусы, заимствующие гены у хозяина и не имеющие собственных, – это странно, но еще более удивительно, когда вирусы вовсе не имеют генов, никакой генетической информации. Их называют не вирусами, а прионами. Термин «прион» – слияние понятий «белок» (protein) и «инфекция» (infection) – придуман Стенли Прузинером. Возможно, эти исключительные по своим свойствам микроорганизмы еще один вариант вирусов, которые состоят исключительно из белков и не содержат нуклеиновых кислот. Большинство ученых исключают прионы из категории «вирусов», а я считаю, что они являются просто еще одним видом вирусов – странными вирусами!

Даже когда Стенли Прузинеру дали Нобелевскую премию за открытие прионов, полученные им результаты вызвали крайне неоднозначную реакцию. Инфекционные частицы, не имеющие нуклеиновых кислот? Это казалось совершенно невозможным. Прузинер рассказывал о полученных им результатах на конференции в Бетесде 11 сентября 2001 г., и, когда он сошел со сцены, первый самолет врезался в первую башню Всемирного торгового центра. Мы окаменели.

С помощью разработанных Прузинером и Детлевом Ризнером сверхчувствительных методов были получены свидетельства того, что прионы не содержат «инфицирующих» нуклеиновых кислот, – подтверждение, что они состоят «исключительно из белков». Тем не менее многие исследователи попытались опровергнуть эту гипотезу.

Одним из них был Чарльз Вайссман из Цюриха. Он испытал момент откровения и наконец поверил в прионы. В возрасте 80 лет он, будучи руководителем и учредителем нового Института Скрипса во Флориде, показал, что прионы способны мутировать и передавать мутации по наследству. Таким образом, появилась гипотеза о том, что прионы родственны вирусам. Но до этого Вайссман высказывался в этом отношении очень критично, и, вероятно, сам хотел себя в этом убедить. Уже очень давно он инактивировал прионы у мышей и показал, насколько здоровыми выглядят животные. Вайссман пришел к совершенно правильному заключению, что у них должно быть более одного прионного гена. Он также показал, что серебряные иглы, используемые в нейрохирургии, могут быть переносчиками прионных заболеваний, поскольку прионы крепко «прилипают» к ним и выдерживают все дезинфекционные процедуры. Прионы устойчивы к тепловому воздействию: они инактивируются только после обработки в паровом автоклаве при 120 °С в течение 2 ч. Болезнь Альцгеймера вполне может оказаться ятрогенной, неумышленно вызванной в процессе лечения – по крайней мере исходя из последних гипотез.

Все слышали о синдроме коровьего бешенства, губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота (ГЭКРС), в развитии которой, вероятнее всего, задействованы и прионы, и многие помнят кадры в теленовостях, на которых в Великобритании сжигали зараженный крупный рогатый скот. В распространении ГЭКРС среди крупного рогатого скота виноваты люди: все дело в том, что животных кормили неправильным кормом! Туши заболевших животных перемалывали и скармливали здоровым, распространяя ГЭКРС, поскольку поставщики, упростив производственный процесс, снизили температуру инактивации потенциальных контаминантов. Некоторые клиенты полагали, что заключили выгодную сделку, и импортировали дешевый корм для крупного рогатого скота, но вместе с ним они импортировали и заболевание. Это считается одним из источников ГЭКРС в Швейцарии.

Прионы и возбудители ГЭКРС могут привести к развитию болезни Крейцфельда–Якоба, «куру» (kuru) у человека и «скрепи» (scrapie) у овец. Генерическое название этих заболеваний – «трансмиссивная губчатая энцефалопатия» (ТГЭ). Заболевание куру было выявлено Карлтоном Гайдузеком в Папуа – Новой Гвинее. Он считал, что развитие этого заболевания обусловлено нездоровым питанием, и связывал его с каннибализмом. Местные жители поедали своих соплеменников, причем мозг оставляли мужчинам, но именно ткани головного мозга чаще всего заражены прионами. Это ведет к инвалидности, истощению, деменции и смерти, в основном среди мужчин. Гайдузек ездил в отдаленные районы Папуа – Новой Гвинеи, имея возможность продемонстрировать взаимосвязь между каннибализмом и смертностью от этого заболевания. И, как следствие, каннибализм был запрещен. Из своих путешествий он привез в США 60 мальчиков, дал им образование, спонсировал получение ими высшего образования и отправил их обратно на родину, где они заняли высокие государственные посты. Однажды на обложке американского журнала появилась фотография Гайдузека в наручниках. Один мальчик обвинил его в сексуальных домогательствах. Роберт Галло заплатил за Гайдузека довольно крупный залог, который, однако, лишь ненадолго спас Гайдузека от тюремного заключения.

Исландские овцы заразились скрепи от завезенных немецких овец, хотя это заболевание никогда не проявлялось в болотистой Северной Германии с ее зелеными ландшафтами и дамбами. Немецкие овцы прошли необходимый карантин. В Исландии перед стрижкой немецких овец смешали с другими овцами, что привело к распространению заболевания. Нужно иметь в виду следующее: при высокой концентрации животных повышается риск возникновения эпидемии.

Прионные белки присутствуют во всех организмах и отмечаются в высокой концентрации в головном мозге. Они играют роль в нормальном формировании тканей головного мозга в период нейрогенеза и, возможно, в процессе образования долговременной памяти. Прионы индуцируют заболевания только при неправильном свертывании (фолдинге) белков. Неправильное свертывание белков сохраняется: неверно «свернутые» белки служат моделью, а передача этой «неправильности» носит «контагиозный характер» и приводит к увеличению числа неправильно свернутых белков, а в итоге – к образованию нерастворимых агрегатов (амилоидных волокон). Такое явление иногда наблюдается в кристаллах, где продолжают развиваться неправильно сформированные структуры.

(Здоровые прионные белки PrP (или клеточные PrPc) имеют структуры, отличные от структур прионных белков, вызывающих развитие скрепи (PrPcs); они содержат больше бета-сшивок и меньше альфа-спиралей, в то время как в «здоровых» прионах обнаруживается обратное соотношение.) Это заболевание сначала выявили у овец, и название «скрепи»[13] описывает психическое заболевание, симптомом которого является постоянное почесывание.

За 30 лет ГЭКРС заразилось 180 000 голов крупного рогатого скота и 220 человек от него умерло. Эта цифра оказалась гораздо ниже, чем первоначально прогнозировалось. Поэтому Европейский союз решил отменить инспекции мяса крупного рогатого скота.

Прионы могут служить моделью для других нейрологических заболеваний, в частности болезни Хантингтона или болезни Альцгеймера (БА). В ее развитии задействованы гены, но, возможно, и инфекционные агенты прионы: в соответствии с недавно полученными данными, передача БА вызвана экстрактом гормона роста, полученного из тканей головного мозга, который вводился детям с нарушениями развития. Возможно, этот экстракт был заражен «белками БА», то есть все произошло почти так же, как при развитии куру! Данные белки еще называют бета-амилоидными прионами. Отныне процедуры стерилизации и даже переливание крови будут проверяться на предмет выявления таких контаминантов.

Таким образом, существует две крайности: белки без нуклеиновых кислот (прионы) и нуклеиновые кислоты без белков (вироиды) – и PDV, имеющий только чужие гены. Все это вариации одного и того же понятия «вирусы», и между этими двумя крайностями находятся различные комбинации – «только белки» или «только нуклеиновые кислоты», которые являются вирусами, описанными в учебниках.

6. Вирусы-гиганты размером с клетки

Гигантские вирусы морских водорослей и запрет на плавание в Балтийском море

Наконец-то Балтийское море прогрелось настолько, что можно было купаться, однако взору предстала шокирующая картина. Насколько хватало глаз, простиралась мутная вода, а плавающие вокруг лебеди были покрыты коричневой грязью. На палубе висело объявление о том, что цветущие водоросли убивают собак и представляют опасность для здоровья людей. А причиной всему была одноклеточная водоросль, небольшой эукариот, принадлежащий к растительному планктону (фитопланктон). Эти водоросли бывают зелеными, коричневыми и красными, а летом они мгновенно разрастаются из-за выбросов излишков удобрений с полей, расположенных на побережье. Водоросли образуют сплошной слой, уходящий за горизонт. Что касается красного прилива, упомянутого в Библии как признак Апокалипсиса, – может быть, это не кровь, а цветение водорослей? Не исключено!

Как очищается загрязненный океан? При помощи вирусов! Отсутствие питательных веществ и достаточного пространства активирует вирусы внутри микроорганизмов, и тогда они уничтожают цветущие водоросли, оставляя за собой в морской воде суспензию молочного цвета, которая видна даже с корабля. А их остатки повторно используются рыбами или креветками в качестве пищи.

В данной главе рассматриваются «настоящие» вирусы, а не фаги – вирусы бактерий, описанные выше. Это действительно крупные и даже гигантские вирусы. У морских водорослей и вирусов наблюдается коэволюция, насчитывающая 3 млрд лет, и считается, что с точки зрения эволюции это самые древние из известных нам организмов. Некоторые водоросли очень привлекательны, например «известковые» водоросли (гаптофитовые водоросли) с небольшими кольцеобразными пластинчатыми украшениями. Они широко распространены, обитают в Мировом океане на территории от Арктики до экватора и предпочитают свет на поверхности воды. Эти водоросли называются Emiliania huxleyi или сокращенно E.hux, а их вирусы соответственно Ehv или один специфический вирус EhV-86 – гигантский вирус с двуспиральной ДНК, содержащей 40 000 пар нуклеотидных оснований, что соответствует примерно 500 генам (для сравнения: у ретровируса 10 000 пар оснований и примерно 10 генов, а фаги, описанные в предыдущей главе, имеют 5000–15 000 пар оснований). Рассматриваемые водоросли названы в честь Чезаре Эмилиани и Томаса Хаксли, а вирус водорослей, имеющий ДНК-геном, еще называют Coccolithovirus (lithos по-гречески «камень»), имеются в виду кальциевые или «известковые» водоросли, которые и являются хозяином таких вирусов. В 2009 г. они стали «водорослями года», а получили такое название из-за своего влияния на климат и окружающую среду. Они представляют собой лишь один из 300 типов водорослей, а всего известно 40 000 различных видов водорослей. После уничтожения водорослей вирус EhV вырабатывает карбонат кальция, который аккумулируется на дне моря. Этот процесс продолжается миллионы лет, а уровень воды становится все ниже и ниже, поэтому мы видим ослепительно белые скалы на побережье Дувра и на острове Рюген в Балтийском море. Ни одному человеку при виде такого живописного берега не придет в голову, что все это результат деятельности вирусов. Точно так же не думал об этом и Каспар Давид Фридрих, когда писал на острове Рюген свою знаменитую картину.

Несколько лет назад мне пришлось рассматривать заявку на получение довольно большого гранта: задача состояла в том, чтобы «удобрить» океанскую воду железом с целью стимулировать рост водорослей, дабы последние удалили из атмосферы СО2 – газ, вызывающий парниковый эффект, и опустились вместе с ним на морское дно. Удобрить все моря и океаны? Мне такая идея показалась рискованной, поскольку я вспомнила, что происходило на Балтийском море, когда нарушение водного баланса было вызвано всего лишь жаркой летней погодой. Этот случай послужил предостережением. Мы пока плохо в этом разбираемся. Все рецензенты высказались скептически по поводу этого проекта, но такая идея время от времени возникает.

Лизирование водорослей вирусами приводит к появлению характерного запаха океанической воды. Причиной этого запаха является диметилсульфид, который опять-таки никто не связал с действием вируса, но этого не сделал бы и вирусолог. Запах обусловлен не только фагами, которые регулируют выброс СО2, но и вирусами, находящимися в водорослях, которые влияют на формирование облаков, дождя и известковых скал. Когда человек смотрит прогноз погоды, ему в голову не приходит связать это с вирусами, не говоря уже о гигантских вирусах.

Гигантские вирусы, в частности вирусы хлореллы, любят зеленые водоросли, а EhV отдает предпочтение «известковым» водорослям. Водоросль хлорелла получила свое название от хлорофилла. Эти водоросли помогли Мелвину Кэлвину, чьи лекции я слушала в Калифорнийском университете в Беркли, понять химический механизм фотосинтеза. К своему удивлению, первый вирус хлореллы мы обнаружили в кишечнике женщины, и спросили у нее, любит ли она суши. Ответ был отрицательным. (Более подробно этот вопрос рассматривается в главе 10, см. описание фекальной передачи.)

До недавнего времени не существовало такой научной дисциплины, как вирусология Мирового океана. Обнаружение в Мировом океане астрономического многообразия фагов удивило ученых, однако гигантские вирусы до сих пор широко не признаны. Объясняется это просто: их сложно выявить и они неболезнетворны. Фильтрация – стандартный способ выделения вирусов из клетки-хозяина. Но гигантские вирусы такого же размера, как бактерии, и их невозможно выделить фильтрованием, поэтому и по сей день никто не знает, сколько их. Некоторые исследователи полагают, что их много! Кроме того, одноклеточные организмы, в частности водоросли, даже не считались хозяином вирусов. Это представляется невероятным, если вспомнить, что число ежедневно возникающих новых вирусов водорослей достигает 109. Для сравнения: скорость репликации фагов составляет 1024 инфекций в секунду, а всего на планете 1030 фагов. По имеющимся оценкам, общее число вирусов 1031–1033, а число звезд на небе – 1025, число песчинок может составлять 1028 в зависимости от того, как считать!

Эти гигантские вирусы содержат двуспиральные ДНК, и у них примерно 500 000 пар оснований и, соответственно, около 500 генов, находящиеся в икосаэдрических белковых структурах. Они того же размера, что и паразитические бактерии, относящиеся к мелким бактериям. «Настоящие» бактерии, в частности хорошо известный лабораторный штамм E. coli, крупнее и состоят примерно из 5 млн пар оснований. Если сравнивать гигантские вирусы с мелкими бактериями, можно констатировать, что они одного размера. ДНК гигантских вирусов содержат даже редкие чувствительные одноцепочечные ДНК участки, а некоторые их фрагменты не кодируются, то есть в них нет генетической информации для белков, из-за чего они кажутся очень древними, и по оценкам некоторых ученых, этим вирусам 2,7 млрд лет.

Если сравнивать число генов гигантских вирусов с аналогичным показателем у ВИЧ или вируса гриппа, в каждом из которых примерно 10 генов, можно сказать, что они действительно гигантские. Но эти гигантские вирусы все же мельче самых новых гигантских вирусов. Самые крупные новые вирусы в пять раз крупнее и содержат до 2500 генов. Большинство генов гигантских вирусов невозможно найти в базе данных генов, и они практически никак не связаны друг с другом. У двух разных вирусов водорослей по 1000 генов, из которых только 14 являются родственными. И вдруг – целый новый мир генов, сигнальных путей и метаболизм – в общем, жизнь!

Амебные вирусы способны «раздражать»

Новые гигантские вирусы часто являются вирусами амебы – организма-хозяина, о котором многие вирусологи даже не думали. До недавнего времени эти вирусы были тоже совершенно неизвестны. Когда исследователи искали опасную бактерию Legionella (которая, как биопленка, покрывает изнутри водопроводные трубы; такие бактерии могут распространяться во время принятия душа и вызывать болезнь легионеров), они не заметили гигантские вирусы. В 2003 г. первые гигантские вирусы были описаны как амебные вирусы. В 2008 г. в Париже в воде из стояка водяного охлаждения были обнаружены новые гигантские вирусы. Их назвали «мимивирусы», потому что они подражают бактериям (мимикрируют) такого же размера! Не нужно их путать с «мини» – мелкими вирусами, поскольку все как раз наоборот. Из-за гигантских размеров их не принимали за вирусы. Гигантские вирусы – это «почти бактерии». Их можно увидеть в оптический микроскоп, что невозможно в отношении ранее обнаруженных вирусов. Вирусологи используют не оптические, а электронные микроскопы. Но гигантские вирусы не воспринимали как бактерии, поскольку они не выявлялись при стандартных для бактерий анализах – тестах на формирование «бляшек». Кроме того, они настолько тяжелые, что при работе с ними в лабораторных условиях уходили на дно чашки для культивирования и не были выявлены бактериологами.

Вскоре после открытия мимивирусов были обнаружены два других гигантских вируса: Megavirus chilensis около побережья Чили и Marseillevirus недалеко от Марселя. Все эти три гигантских вируса известны как амебные вирусы, состоящие из 1 млн пар оснований каждый, что соответствует примерно 1000 белкам. В настоящее время ученые постоянно выявляют новые гигантские вирусы. Генетический материал амебных вирусов отличается от всех известных геномов на Земле. Они очень крупные и с бóльшим количеством генов, чем представляется необходимым: гены самых мелких живых организмов, бактерий mycoplasm (Mycoplasma genitalium), состоят примерно из 500 000 пар оснований, что примерно соответствует 482 генам или белкам. В начале 2016 г. Крейг Вентер получил первую полностью синтетическую независимо растущую клетку с 473 генами, превзойдя предыдущую попытку по минимализации «почти живого» синтетического организма (состоявшего из 382 генов), чтобы поместить в пустую клетку, которая служила вспомогательным материалом. Многие бактерии, например Chlamydia и Rickettsia или любая из 150 других видов бактерий, по размерам меньше амебных вирусов. Особенно это относится к бактериям, которые превратились во внутриклеточных паразитов и получают поддержку от инфицированной клетки-хозяина. Самая мелкая бактерия – Hodgkinia cicadicola, имеющая 145 000 пар оснований и кодирующая 169 белков. Она прячется в насекомых и защищается там от внешнего воздействия. Это вырожденные и специфические паразиты, которые делегируют свои функции клетке-хозяину. Митохондрии являются бывшими бактериями, и с хлоропластами в растительных клетках такая же история. Оба эти симбиотических организма высокоспециализированы и зависят от клетки-хозяина. По размеру они совершенно не соизмеримы с гигантскими вирусами.

Амебные вирусы захватывают новые гены путем горизонтального переноса генов из внутренней части амебы, где есть и другие бактерии и вирусы, которые амеба обычно поглощает и переваривает в качестве пищи. Существует свободно плавающая ДНК, которую гигантские вирусы включают в свой состав путем горизонтального переноса генов. А ДНК амебы они пренебрегают, и происходит это, вероятно, потому, что ДНК амебы локализуется внутри ядра и ее трудно «достать» из цитоплазмы. В общем геноме вирусов амебы 56% генов получено от эукариотов, 29% – от бактерий, 1% – от архей, 5% – от других вирусов и еще 10% – от неизвестных микроорганизмов. Подобная генетическая сложность указывает на то, что гигантские вирусы взаимодействуют с окружающей средой и претерпевают серьезные генные изменения. Один из гигантских вирусов, Marseillevirus, содержит химерный РНК–ДНК-геном, который сам по себе очень необычен. Являются ли некоторые РНК остаточным продуктом эволюции к ДНК? Эти вирусы никак не вписываются в представление о вирусах.

Есть и еще один сюрприз. Гигантские вирусы содержат гены, необходимые для синтеза белков. Синтез белков считается самой важной привилегией живых клеток и совершенно недоступен для вирусов. Поэтому открытие гигантских вирусов, содержащих компоненты, необходимые для синтеза белка, полностью меняет наши сформировавшиеся ранее представления о мире вирусов. Эти вирусы не обладают всем комплектом компонентов для синтеза белков, и в этом смысле они дефектны, но даже если и так! Не остановились ли они на середине эволюционного пути превращения в живые микроорганизмы, например бактерии?

У некоторых мимивирусов есть странные «короны из волосков», с помощью которых они контактируют с клеткой-хозяином. Это настоящие волокна, состоящие из коллагена, в силу чего гигантские вирусы кажутся еще крупнее. Столь большие «удлинения» заставляют задуматься об их предназначении – для захвата или для защиты? Мимивирусы имеют икосаэдральную ядерную структуру, при этом длина ядра в поперечнике составляет 500 нм, а толщина волокна примерно 140 нм. Коллагеновые «волоски» напоминают нашу соединительную ткань (а не волосы). У вируса почти всегда есть молекулы поверхностного слоя, используемые для распознавания клетки-хозяина, связывания с ними и проникновения в такие специализированные клетки. Похоже, что при помощи этих «волосков» гигантские вирусы раздражают клетку-хозяина, чтобы проникнуть в нее. Видимо, на ранних этапах эволюции не существовало сложных рецепторов. Прикосновение к клетке-хозяину или ее раздражение – простой вариант по сравнению с высокоспециализированными стыковочными сайтами, с помощью которых ВИЧ обычно проникает в лимфоциты, имитируя лиганды рецепторов клетки-хозяина. Гигантские вирусы, похоже, ограничиваются лишь простым механическим раздражением клетки-хозяина.

В 2014 г. во влажных лесах Амазонки ученые открыли новый вирус (как будто это событие было специально приурочено к чемпионату мира по футболу). Он называется Samba и тоже имеет длинные, торчащие во все стороны «волоски». Похоже, что в скором времени все это множество новых вирусов перестанет вызывать удивление. Клетки-хозяева, а именно клетки амебы, видимо, древние. Они поглощают другие вирусы, в частности вирусы герпеса, «одним глотком» и переваривают их. Чтобы их не съели, гигантские вирусы обманывают амебы, поскольку их можно захватить без того, чтобы съесть. Внутри амеб они перемещаются в вакуолях и сливаются с вакуолями мембран – это безопасное место, где гигантские вирусы могут даже реплицироваться. Репликация осуществляется в отдельной полости, на отдельной фабрике, не зависящей от клеточного ядра и предназначенной быть «фабрикой по производству вируса». По мере увеличения числа произведенных вирусов размер такой «фабрики» растет. Затем вирусное потомство секретируется вне пространства «фабрики».

В лабораторных условиях был проведен эксперимент по переносу гигантских вирусов из одного поколения амеб в другое в общей сложности 150 раз. После всех переносов гигантские вирусы существенно изменились – они лишись части генов. Кроме того, они лишились своих «волосков», наличие которых в условиях редукционной эволюции, видимо, не имело принципиального значения. Потеря гигантскими вирусами генов в чашке для культивирования была явлением поразительным. Этот вопрос будет рассматриваться в заключительной главе, поскольку потеря генов может привести к тому, что в вирусе их вообще не останется, если за счет достаточно богатой среды удовлетворяются минимальные потребности вируса. Моделирование эволюции в реакционных сосудах стало одним из наиболее предпочтительных экспериментов, проводимых в лабораторных условиях, хотя для его проведения требуется много терпения.

Sputnik – вирусы вирусов

У гигантских вирусов есть еще одно удивительное свойство. Да, так и есть: это вирусы вирусов. Гигантские вирусы могут инфицироваться другими вирусами и обеспечивают такие же условия для их репликации, как реальный хозяин. Это исключительное свойство гигантских вирусов. Обычно вирусы инфицируют клетки, однако эти гигантские вирусы могут служить клетками для других вирусов, что, в свою очередь, делает гигантские вирусы более похожими на клетки. Гигантские вирусы – это «почти клетки». Вирусы вирусов называют «вирофаги» по аналогии с бактериофагами, вирусами бактерий. Их называют Sputnik («Спутник») или Ма-вирофагами. Последнее определение – это сокращение от вирусов Maverick, разрушительных компьютерных вирусов. Sputnik и Ма-вирофаги в плане своей репликации зависят от гигантских вирусов. У них примерно 20 генов и около 20 000 пар оснований и только три гена, полученных от гигантского вируса. Это достаточно мелкий, но мощный вирус, поскольку он уничтожает своего вирусного хозяина. Sputnik захватывает «фабрику по производству вирусов», где происходит размножение гигантских вирусов, реплицирует собственное потомство за счет гигантского вируса и даже забирает белки хозяина для собственного воспроизводства. В этом процессе погибают в 20 раз более крупные мимивирусы. Так вот, в данном случае один вирус является хозяином другого вируса, который становится не вирусом-хелпером (помощником), а, скорее, похож на губительный компьютерный вирус. Это довольно необычно.

Ма-вирофаги инфицируют еще один вид гигантских вирусов, который называется Cafeteria roenbergensis (CroV). Надо же, какое название! Вирус назван не в честь открывшего его ученого, а носит имя кафе в датском городе Ренбьерг. Информацию по этому вирусу получить было довольно сложно, пока я не позвонила специалисту по вирофагам Маттиасу Фишеру из Гейдельберга. Cro – одноклеточный жгутиковый организм (микрофлагеллат), эукариот, питающийся бактериями, но непохожий на амеб или водоросли. Он широко распространен в Мировом океане и может существовать на больших глубинах. Его гигантский вирус CroV, вызывает разрушение жгутиков, регулируя таким образом плотность их популяции. CroV – вирус, носящий название кафе, в настоящее время исследуется Матиасом Фишером, бывшим студентом Кёртиса Саттла. Этот вирус состоит из 730 000 пар оснований и 544 генов, полученных от бактерий, эукариотов и ДНК фагов. Крейг Вентер собрал образцы этого вируса, содержащие вирофаг Ма (и вовсе не рядом с кафе). Завершив секвенирование генома человека, Вентер совместил исследовательскую деятельность с увлечением мореплаванием. Когда его судно находилось в Саргассовом море[14] (Атлантический океан), Вентер собрал образцы воды и передал их другим исследователям для проведения секвенирования и анализа. Сейчас обработкой этих данных занимается несколько специалистов по биоинформатике. Нам открывается мир геномов, в котором большинство генов и путей метаболизма неизвестны. Жизнь на дне океана очень отличается от нашей жизни. И это удивительно.

Ма-вирофаг, так же другой вирофаг, Sputnik, реплицируется на «фабрике по производству вирусов» внутри амебы, при этом амеба его не пожирает. Только четыре гена Ма-вирофага из имеющихся у него 20 идентичны генам Sputnik. Ма-вирофаг является носителем даже ретровирусных генов, в частности интегразы вируса. (Ретровирусы влияют на все! Ма ведет себя и как ретровирус, поскольку внедряет свою ДНК в ДНК жгутика, гарантируя таким образом наследование этой генетической информации.) В то же время Ма использует вирус CroV, получивший имя по названию кафе, в качестве хозяина для репликации, а затем уничтожает его, как это делают фаги. Итак, Ма – это ретровирус для одного хозяина и фаг для другого, то есть пятьдесят на пятьдесят. Насколько мне известно, явление уникальное. Получается, что это – интересное промежуточное звено эволюции. Он эксплуатирует и помогает, демонстрирует и социальное, и эгоистичное поведение одновременно. Невозможно было бы представить себе столь сложные взаимоотношения – прямо-таки любовный треугольник!

Организация «Исследование Мирового океана» занимается поиском других вирофагов. Возможно, вирофаги – явление нередкое. Между тем в настоящее время выявлено шесть вирофагов. Один из них называется вирофагом Органического озера в Антарктике (Antarctic Organic Lake Virophage), а другой – Phaeocystic Globosa Virophage. Новый мимивирус Samba также является носителем вирофага. А теперь можно приступить к сравнению состава генов вирофагов, которые имеют несколько источников генов.

Дорогой читатель, не старайтесь все это запомнить. Вполне достаточно, если вы просто удивитесь!

Вирусы размера XXL – пандовирусы

До того, как закончить главу о «гигантских вирусах», ее нужно дополнить.

С настоящего времени следует добавлять даты открытия – настолько быстро выявляются новые вирусы. После 20 июля 2013 г. появились сообщения об открытии двух новых вирусов. До того самым крупным гигантским вирусом считался амебный вирус Megavirus chilensis с 1,25 млн пар оснований. Назовем его XL. Сейчас обнаружены два новых, еще более крупных вируса, которые почти в два раза больше XL-вируса – это супергигантские XXL-вирусы. Их ДНК состоит из 1,90–2,47 млн пар оснований, что соответствует 1900–2500 генов или генных продуктов. Жан-Мишель Клавери из Марселя выделил новые вирусы: первый – пандовирус P. salinus, самый большой из всех известных гигантских вирусов, обнаруженный в осадочных породах на побережье Чили, а второй – P. dulcis, обнаруженный в австралийском пруду. Клавери пригласили читать лекции в австралийский университет, и, проходя мимо пруда, находящегося на территории кампуса, он наполнил стеклянную бутылку водой и грязью из этого пруда. А придя домой, изолировал P. dulcis! Одновременное открытие двух гигантских вирусов в столь отдаленных друг от друга регионах не может быть счастливой случайностью. У этих вирусов должно быть нечто общее.

Недавно открытые вирусы внешне напоминают греческую амфору или – если использовать менее поэтичное сравнение – у них не икосаэдральная, а яйцевидная форма. И все же не форма определила их название, а, скорее, оптимизм ученого, который их обнаружил и который полагал, что будет открыто больше таких вирусов, согласно греческой легенде о ящике Пандоры – ящике, полном вирусов. Весьма оптимистичное предположение. Возможно, даже появятся огромные XXXL-вирусы. Как знать! Вероятно, их будет трудно отличить от бактерий, и все равно их могут не заметить!

Эти два вируса генетически совершенно не родственны ни между собой, ни другим гигантским вирусам. Они реплицируются в амебе, как и другие гигантские вирусы, однако у них нет признаков энергетически предпочтительной икосаэдральной формы, у них нет мембраны, нет «волосков»; скорее, это «голые» частицы. Из 2370 генов P. salinus только 101 ген напоминает гены эукариотов, 43 – гены бактерий и 42 – гены других вирусов. Это практически невероятно, но 93% их генов неизвестны. И все же формы этих двух вирусов связаны между собой, они схожи – от Чили до Австралии. Их яйцевидная форма состоит из нескольких слоев. Кроме того, у них необычная ДНК, состоящая из линейных двойных спиралей с повторяющимися концами. Так же, как и другие гигантские вирусы, они обладают квазиклеточными свойствами: генами, необходимыми для репликации ДНК и синтеза белков, которые обычно поставляются клеткой-хозяином и отсутствуют у вирусов. Исследователи Дидье Рауль и Жан-Мишель Клавери высказали предположение о существовании нового домена жизни, четвертого царства в дополнение к уже существующим трем – бактерии, археи (и те и другие относятся к прокариотам), эукариоты. К ним можно добавить новые гигавирусы (или, если коротко, «гирусы»). Это похоже на хороший маркетинговый ход, направленный на повышение значимости открытия. Исследователи пошли еще дальше и поместили гирусы ниже микроорганизмов, представляющих третье царство, а именно в основание древа жизни в качестве общего предка. По оценкам ученых, возраст таких вирусов составляет 2,7 млрд лет.

Вирусы расположены у истоков корней древа жизни? В настоящее время все больше людей так считает. Но я отдаю предпочтение вироидам, поскольку гигантские вирусы слишком велики, чтобы служить началом жизни! Гигантские вирусы могут быть не полностью сформированными бактериями, которые на пути превращения в настоящие бактерии остановились где-то на боковой ветви, и процесс их развития остался незавершенным; или, наоборот, они могут быть выродившимися бактериями, потерявшими часть своих генов и независимость. В любом случае гигантские вирусы – это переходная форма между вирусами и клетками. Граница между ними не слишком четкая, но неразрывная. Как происходила эволюция? Стали ли мелкие вирусы более крупными и прогрессируют ли они, чтобы стать гигантскими вирусами и двигаться вперед по пути превращения в клетку? Это вполне коррелируется с усложнением структуры и увеличением размера. Или, вероятнее всего, обратное – действительно ли потеря генов и регрессия приводят к образованию вирусов? Полагаю, первое более вероятно, но об этом мы поговорим позже. Я написала научную статью о вирусах как двигателях эволюции, так как они являются поставщиками генов, изобретателями, которые участвовали в образовании жизни на ее ранних этапах, содействуя формированию всех геномов и даже антивирусной защиты. Эту статью я попыталась опубликовать в рецензируемых международных журналах. В результате появилось необычно большое количество анонимных рецензентов. Один редактор отправил мою статью семи рецензентам. Ничего подобного в моей практике ранее не было. Их мнения варьировались от весьма оптимистичной оценки («это новый взгляд на проблему», «неожиданная концепция», «инновационный подход», «нестандартный подход») до высказываний, в которых ставится под сомнение моя компетентность и знание основ вирусологии. Можно прочесть статью «Что современные вирусы могут рассказать нам об эволюции?» и короткую версию «Являются ли вирусы нашими древнейшими предками?». До меня на эту тему писали другие исследователи, в частности Луис Вильярреаль (он посвятил этой тематике целую книгу), а совсем недавно Евгений Кунин, биоматематик из Национального института здравоохранения США (NIH), и Карл Циммер, журналист, написавший небольшую брошюру под названием «Млекопитающие, “сделанные” вирусами». Говоря о древнем мире вирусов, или виросфере, Кунин использовал сокращение LUCAV, подразумевающее понятие LUCA[15] – последний универсальный общий предок, – и добавил букву V, означающую «вирус». LUCA должен иметь очень сложную структуру, поскольку для обеспечения жизнедеятельности первой «самой мелкой» искусственной клетки, полученной Крейгом Вентером, требуется 473 гена. Однако жизнь должна была бы начаться с более простых микроорганизмов. Инновационные вирусы перепробовали много вариантов, начиная не с одного, а с комбинации вирусов или «квазивидов» – из вирусов в «облаке», популяции, состоящей из большого количества различных последовательностей. Они вполне могли бы послужить начальной формой жизни. Затем горизонтальный перенос генов способствовал формированию более сложных структур. Только вот у простого пре- или провируса, вируса Ur, никогда не могло быть такого шанса.

Моя страсть к гигантским вирусам, должно быть, оказалась заразной, поскольку меня пригласили на радио, чтобы я рассказала, чем обусловлен новый виток интереса к гигантским вирусам. Имелся в виду предсказанный XXXL-вирус, называемый питовирусом (Pithovirus), сообщение об открытии которого появилось 3 марта 2014 г. Этот вирус тоже был открыт Жан-Мишелем Клавери. Питос – греческое слово, и, как указали авторы открытия, в древности оно обозначало «сосуд». В отличие от пандовирусов, питовирусы не похожи на амфоры, но имеют, как и мимивирусы, икосаэдральную структуру, состоящую из кольцевых ДНК и оболочки с удивительными «волосами». (Питовирусы в три раза крупнее двух пандовирусов, тем не менее они содержат только пятую часть генов пандовирусов, «всего лишь» 596. Данный вирус является своего рода комбинацией мимивирусов и пандовирусов. Он также реплицируется в амебах, но в данном случае внутри ядер.) Это просто еще один вариант вируса. Питовирусы обладают свойствами живых бактериальных клеток, могут транскрибировать ДНК в РНК и содержат ряд генов для синтеза белка. Так вирусы они или бактерии? Ответ на этот вопрос хотели бы знать не только рецензенты, но и читатели. Это важный вопрос о грани между вирусами и бактериальными клетками. Только бактерии способны к делению и репликации (они сами себя дуплицируют), в то время как вирусы не способны делиться на две части и расти. Типичным свойством вируса является его жизненный цикл: вирусы реплицируются каждые 20 часов, после чего амеба разрывается, одномоментно высвобождая тысячи вирусов. Это соответствует устоявшемуся представлению о классической репликации вируса. (Лично я считаю, что в начале эволюции вирусы представляли собой вироиды и им не нужна была клетка, а был необходим источник энергии и, вполне возможно, что изначально это была тепловая или химическая энергия – и тогда они могли удваивать свою РНК, находясь вблизи «черных курильщиков» на дне океана, как уже неоднократно указывалось в этой книге!)

У питовирусов есть одно специфическое свойство. Эти гигантские вирусы были обнаружены в сибирской вечной мерзлоте и поэтому называются Pithovirus sibericum. Их обнаружили в полостях отобранных проб льда. При помощи радиоуглеродного анализа удалось приблизительно определить возраст вирусов – 30 000 лет. В то время уже существовали неандертальцы. Самое невероятное то, что после столь длительного хранения в замороженном состоянии эти вирусы все еще биологически активны, а это значит, что они могут инфицировать амебы в лабораторных условиях и способны к репликации. Все вирусологи хранят вирусы в морозильном аппарате для низкотемпературного замораживания до 30 лет. Это стандартный способ хранения вирусов, при котором они сохраняют инфицирующую способность, особенно это касается ДНК-вирусов. Однако трудно себе представить, что может произойти с вирусом за 30 000 лет пребывания в вечной мерзлоте. Возможно, у журнала Science также были некоторые сомнения и члены редколлегии не верили в сохранность вируса при столь длительном нахождении в вечной мерзлоте, так как они не приняли в печать статью о питовирусах. Клавери и его коллеги бурили лед по горизонтали, а не в глубину. Действительно ли полученный распил представляет собой 30 000-летнюю вечную мерзлоту? С этими вирусами ничего не должно было случиться в лаборатории – ни репараций, ни мутаций. То же самое было в случае, когда недавно изолировали и реактивировали вирус гриппа, обнаруженный в останках солдата, погибшего во время Первой мировой войны, в течение 100 лет находившихся в условиях вечной мерзлоты. Однако геном вируса гриппа состоит из РНК, которые более лабильны, чем ДНК.

Изоляция питовирусов вызвала ряд вопросов, один из которых: что еще может так долго находиться во льдах? Авторы высказываются достаточно осторожно и определяют свои вирусы как «индикаторы безопасности» для других, потенциально более опасных вирусов – это своего рода «индекс ископаемости». До сих пор не было никаких признаков, что какая-нибудь болезнь вызвана гигантскими вирусами и они считаются безопасными. Тем не менее, к большому удивлению читателей, авторы статьи отметили поксвирусы. Эти вирусы считались вымершими, но они имеют некоторое сходство с самыми новыми гигантскими вирусами. Поксвирусы ранее не включали в семейство гигантских вирусов, хотя, принимая во внимание крупные линейные ДНК-геномы, их икосаэдральную структуру и способ репликации внутри клеточных ядер, они вполне могут принадлежать к этой категории. Могли ли они находиться в состоянии спячки в сибирской мерзлоте 30 000 лет и можно ли их реактивировать? Существуют ли другие подобные вирусы? Возможно, есть вирусы, о которых мы либо уже не знаем, либо еще не знаем? Это было бы страшно. (Некоторые другие редкие вирусы, в частности Asco, Irido, Phycodna или Asfoviruse,не слишком далеки от поксвирусов или гигавирусов.)

Самый крупный поксвирус – canary poxvirus (вирус канарейки), он активно используется в генной терапии в качестве вакцинного штамма. Он содержит около 300 000 пар оснований и примерно 300 белков.

Открытие трех столь разных гигантских вирусов с интервалом в несколько месяцев в трех разных весьма удаленных друг от друга местах – в Австралии, Калифорнии и Сибири – не может быть чистой случайностью. Эти вирусы должны быть гораздо более широко распространены и вполне обычны. Итак, началась новая эра исследования вирусов.

Охота за вирусами в самом разгаре. Осенью 2015 г. вследствие глобального потепления был получен изолят еще одного нового 30 000-летнего вируса, Mollivirus sibericum, у которого примерно 500 генов, и эта история открытий продолжится.

Два рекорда, зарегистрированных в Книге рекордов Гиннесса, – крупнейшие вирусы в самых крупных клетках

Амебы неожиданно привлекли внимание в качестве хозяев гигантских вирусов. Многие из нас о них раньше не знали. Они представляют собой огромные одноклеточные эукариоты различных видов и обитают главным образом в пресной речной воде, влажной почве и мхе. Фактически не имея структуры, они перемещаются при помощи псевдоподий и размножаются путем деления клетки. У них гигантский геном, и один вид амеб, Amoeba dubai, содержит самый крупный из известных на планете геномов, состоящий из 700 млрд пар оснований. Нет, это не опечатка! Он в 200 раз больше нашего генома. Второй по размеру гигантский геном – геном растения вороний глаз японский (Paris japonica), имеющий 150 млрд пар оснований, тогда как в нашем геноме всего лишь 3,2 млрд пар оснований.

Прочие виды амеб состоят из 290 млрд пар оснований – это «всего лишь» в 100 раз больше, чем в геноме человека. Самые крупные клетки также являются хозяином для самых крупных, гигантских вирусов. Каким образом достигается это двойное превосходство? Ни один ген гигантских вирусов не происходит от генома амебы, их источником является находящийся внутри амеб насыщенный пул генов, образуемый путем горизонтального переноса генов от других микроорганизмов, переваренных амебой. Наличие достаточного объема «пищи» делает возможным превращение вирусов в гигантские вирусы. Геном амеб состоит из многочисленных дубликатов генов, псевдогенов, которые, похоже, не используются. В этом смысле амебы напоминают некоторые растения, в частности кукурузу, пшеницу, бананы или тюльпаны с гигантскими геномами, состоящими из большого количества дуплицирующихся генов, которые могут легко теряться без всяких последствий – до половины всех генов сразу! Этот парадокс наличия таких громадных геномов является предметом обсуждения, и считается, что это – следствие культивации, но в перечисленном списке примеров уже есть исключения.

Амебы обычно «поглощают» вирусы и переваривают их. Исключение составляют гигантские вирусы, которые прячутся в отдельной полости («фабрика» по производству вирусов или ядро). Амебы относятся к циркулирующим в человеке макрофагам, фагоцитам нашей иммунной системы – это подвижные клетки, мигрирующие по организму и выполняющие функции охранников, которые выискивают патогены и уничтожают их в специальных органеллах – лизосомах. Они наполнены ферментами для переваривания, собирают все шлаки в организме, например остатки клеток, бактерий и архей, и, кроме того, способны проглатывать частицы золота. Последняя способность полезна для выявления макрофагов при проведении электронной микроскопии. Разнообразие способов поглощения «пищи» делает их «сосудом» для смешивания всех видов генов. Возможно, это объясняет, почему крупнейшие клетки являются прибежищем для крупнейших вирусов. Амебы обитают только в проточной воде в стояках водяного охлаждения и кондиционерах, а также в воде из-под крана. Большинство из них безвредны, хотя и инфицированы такими бактериями, как Legionella. В этом случае они могут оказаться очень опасными, если распространяются с мелкими каплями при принятии душа, в освежителях помещений или джакузи! Вид амеб Entamoeba histolytica является возбудителем амебной диареи (или амебиаза), которая представляет опасность и даже может вызвать эпидемию, особенно если не обеспечивается надлежащее разделение питьевой и сточной воды, как это происходит в развивающихся африканских и азиатских странах. Однажды во время долгого путешествия мой отец заболел амебиазом. О случаях данного заболевания необходимо сообщать в соответствующие органы здравоохранения, и его медицинский пункт уже чуть было не закрыли. Но, несмотря на большое количество видов, амеба Acanthamoebae – хозяин гигантских вирусов, не является возбудителем каких бы то ни было известных заболеваний.

Видят ли вирусы?

Это глупый вопрос? Нормально ли вообще задавать такой вопрос применительно к водорослям и амебам? Разве у них есть глаза? Что им нужно для того, чтобы видеть? Никто не относится к этому вопросу серьезно! Однако вирусы действительно оснащены геном, который, как известно, необходим, чтобы видеть. Несмотря на отсутствие у вирусов линз и головного мозга, они должны уметь распознавать предметы, поскольку реагируют на свет и побуждают своего хозяина плыть к свету. Как вирусы управляют своей клеткой-хозяином, не известно. Гигантские вирусы – планктонные ДНК-содержащие вирусы (Phycodnaviruses) – активируют хозяина, одноклеточные эукариотические водоросли. Гигантские вирусы амеб могут побуждать своего хозяина двигаться. Гигантские вирусы несут в себе предшественника цветового рецептора – протеородопсин. Это так называемый рецептор-с-семью-трансмембранными-доменами (7ТМ-рецептор), широко распространенный сигнальный трансдуктор, который сворачивается в мембране семью спиралями. У человека этот рецептор используется для передачи световых сигналов. Однако у гигантских вирусов произошла точечная мутация в третьей спирали, которая позволяет принимать свет, но дальнейшей передачи сигнала не происходит. Ничего удивительного в этом нет, ведь сигналам как будто и идти некуда. Квант света активирует вирус, а вирус побуждает хозяина плыть на свет, на поверхность моря, где можно ожидать обилия пищи. Такой механизм называется фототаксисом. Он не только дает преимущества хозяину, но и вполне согласуется с принципом производства вируса, обеспечивая получение максимального потомства – чем более благополучен хозяин, тем лучше для вируса. Предпочтение отдается зеленому цвету – исследователи выяснили даже это. Объясняется ли это цветом планктона, обещающего обилие пищи? Этот ген представляет собой сочетание родственных между собой генов, и 30% данного гена аналогично хорошо известному родопсиновому гену белков, протистов, дрожжей и других эукариотов, включая человека. В природе у живых существ могут быть удивительные «глаза», например в виде черных маленьких точек у основания щупалец, которые являются предшественниками глаз. Пять видов вирусов имеют предшественников родопсина, поэтому такие вирусы вовсе не редкость. Откуда же появился ген протоглаза? Передался ли он от вируса к хозяину или наоборот? Имела ли место коэволюция с вирусами? Неизвестно.

По мнению известного специалиста по изучению глаз Уолтера Геринга из Базеля (Швейцария), который занимался исследованием эволюции глаз, все разнообразие типов глаз было изобретено природой всего за один раз. В 2012 г. он опубликовал в одном из журналов 50 красочных картинок глаз в рамках дебатов по вопросу возможности общего происхождения такого многообразия структур. Чтобы продемонстрировать автономность гена, он даже поместил глаз на лапку плодовой мушки Drosophila, используя некоторые молекулярные хитрости. Получившиеся гибридные мухи выглядели устрашающе и напугали людей – «ужасающие монстры, результаты генной инженерии»; возможно, это стоило ему Нобелевской премии. Геринг никогда не слышал о глазах у вируса. Когда он услышал мой доклад на эту тему на одном из семинаров в Клостерсе (Швейцария), то, по его словам, был удивлен и подумал, что это проблематика могла бы стать новой темой исследований. Я дала ему статью Евгения Кунина, и Геринг, забыв об ужине, стал ее читать.

Археи любят соленую и горячую среду

В некоторых регионах нашей планеты очень жарко, очень темно или очень холодно, есть места, где много соли, есть – с повышенной кислотностью или, наоборот, слишком щелочные. В таких экстремальных условиях живут «экстремофилы». Они выдерживают температуру воды до 150 °С на большой глубине под высоким давлением, переносят воздействие сильных кислот при pH =2 и могут пребывать в сильнощелочной среде при pH =12 или в условиях высокой концентрации соли в соляных озерах. Даже в условиях вечной мерзлоты и в образцах, полученных при бурении глубоких слоев почвы, – там, где никто не мог бы ожидать наличие живых организмов, – можно обнаружить живые экстремофилы. Естественно было бы предполагать, что в таких условиях жизнь невозможна. Вопрос о границе между жизнью и смертью к экстремофилам не относится, как это обсуждалось применительно к вирусам, поскольку эти микроорганизмы действительно живые, способны к метаболизму в совершенно непредсказуемых условиях и используют необычные источники энергии: например, они забирают свободные электроны из электродов и используют их для окислительно-восстановительных реакций, примерно как дети-сладкоежки лижут мороженое. А еще существуют соляные кристаллы, обладающие гигроскопичностью, которые забирают влагу из воздуха, из тумана в регионах планеты, где 200 млн лет не было дождей, например в пустыне Атакама в Южной Америке. И тем не менее клетки живут внутри соляных кристаллов в маленьких «жидких включениях», мелких капельках. Некоторые из этих архей, представленных в Американском музее естественной истории в Нью-Йорке, «оживили» после 34 000 лет. Это побудило мечтателей, кинопродюсеров и специалистов НАСА предложить – и даже надеяться, – что на Марсе и на других планетах может быть жизнь. И действительно, в породе марсианских гор обнаружили жидкие включения.

Археи больше не носят свое историческое название «архейная бактерия». Они называются просто археями, поскольку, как было показано, археи и бактерии сильно отличаются друг от друга. Тем не менее их определили как отдельно взятый домен живого, независимый от бактерий и эукариотов. Несмотря на это, они имеют некоторое сходство с бактериями – по размеру, способу репликации, способности становиться хозяином вирусов, используя механизмы противовирусной защиты, аналогичные применяемым бактериями, и содержанию обратных транскриптаз. Название «археи» предполагает, что это, возможно, самая древняя форма жизни, отправная точка развития живых клеток. В настоящее время на древе жизни они находятся где-то между бактериями и эукариотами и родственны и тем, и другим. Когда в 1977 г. Карл Везе открыл археи, различия между доменами жизни еще не были четко определены. Везе в качестве образца для сравнения выбрал РНК-рибосомы и открыл различия между последовательностями, что привело к разделению форм жизни на три царства. Последовательности специфичны для всех типов бактерий и в настоящее время используются для идентификации миллионов различных бактерий. Методика оказалась на удивление надежной. (Описанная РНК называется «рибосомная РНК 16/18S (или рРНК)» у про- и эукариотов. Для секвенирования и классификации типов бактерий используется соответствующая ДНК.) В начале 2015 г. группа датских исследователей использовала гораздо более совершенный способ анализа секвенирования архей и на древе жизни поместила археи ближе к эукариотам: не ниже, ближе к основанию, а выше, отнеся на большее расстояние от источника жизни. Они обнаружили целый ряд генов, похожих на гены эукариотов, – больше, чем ожидалось. Эти археи называются Loki achaea по названию глубоководного гидротермального источника Локи, получившего имя в честь скандинавского бога. Поэтому споры о том, что старше, продолжаются.

Археи отличаются высокой степенью выживаемости. Экстремофилы чрезвычайно хорошо приспособлены для существования в специфических условиях, но при этом они удивительно негибкие. Вероятно, им потребовалось много времени, чтобы медленно адаптироваться к новым условиям жизни, поскольку им зачастую приходится вырабатывать новые пути метаболизма, многие из которых высокоспециализированы и до сих пор неизвестны. Вследствие консервативного образа жизни археи довольно сложно транспортировать и выращивать в лабораторных условиях. Таким образом, как это ни парадоксально, теплолюбивые археи погибают во время транспортировки при высокой температуре, поскольку переносят лишь незначительные изменения температуры. Для хранения других отказавшихся от кислорода архей предпочтительным оказалось сочетание низкой температуры и наличия кислорода. В «холодном» (4 °С) помещении они сохраняются более 10 лет. В связи с этим возникает вопрос: не могут ли подобные ненормальные лабораторные условия привести к некорректным результатам, не отражающим реальную жизнь этих микроорганизмов? Может оказаться полезным анализ их микробиомов, для чего непосредственно в лаборатории – в этом случае нет необходимости в транспортировке или каких-либо манипуляциях в лаборатории – проводится секвенирование всех последовательностей всех популяций архей. Археи столь же распространены, как и бактерии, но в силу вышеупомянутых причин гораздо меньше известны и изучены.

Ушедший в мир иной немецкий исследователь Вольфрам Циллиг собирал археи в отдаленных уголках планеты – в Исландии, славящейся своими гейзерами, и Йеллоустонском национальном парке, который является практически «окном внутрь Земли». Он даже спускался в кратеры вулканов. Собранные им образцы используются до сих пор. Сейас их изучает Карл Штеттер, который специализируется на паразитах таких архей. Археи являются прибежищем круглообразных паразитов, которые прикрепляются к поверхности и помогают археям выжить. Архея-хозяин называется Igniccocus hospitalis, а мелкие паразиты, сопровождающие архей, – «карлики-наездники» или Nanoarchaeum equitans. Я бы назвала их жокеями.

Могут ли эти «жокеи-паразиты» быть вирусом или даже гигантским вирусом? На мой взгляд, это возможно, хотя вполне может оказаться и досужим домыслом. В этом случае Штеттер должен был бы открыть гигантские вирусы! Возможно, ему стоит об этом задуматься. У бактерий, похоже, нет таких «жокеев», но нужно упомянуть о гидре и червях. А что можно сказать о нас?

У архей есть специальные мембраны, содержащие молекулы эфира, что дает им преимущество, обеспечивающее выживание в экстремальных условиях. Как правило, археи не являются болезнетворными. Им незнаком метаболизм наших клеток, и, возможно, именно поэтому они не причиняют нам вреда. Но, может быть, они коэволюционируют с нами очень длительное время, ведь это весьма древние микроорганизмы.

Давид Прангишвили, бывший студент Циллига, в настоящее время работает в Институте Пастера в Париже. Он изучает термофильные археи и их вирусы, которые предпочитают температуры выше 80 °С. Некоторые из них даже выживают при проведении стандартной лабораторной стерилизации, при которой, как мы полагаем, погибают все микроорганизмы. Но нам не о чем беспокоиться, поскольку они не болезнетворны. В настоящее время он выявил 24 семейства вирусов, которые демонстрируют такое многообразие форм и свойств, что их сложно классифицировать. Они совершенно непохожи на вирусы: один вирус – Acidianus two-tailed virus (ATV), состоит из утолщенной середины и двух хвостов-отростков с крючками на концах. Другие же вирусы на электронных микроснимках похожи на лимоны, веточки, спирали или бутылки. И если эти странные вирусы обитают в одинаковых средовых условиях, то даже в самых отдаленных уголках планеты они имеют похожие структуры. Это означает, что к формированию подобных структур должны привести особые условия среды. Принцип «форма определяется функцией», очевидно, справедлив в отношении всего, что создано природой, а не только в искусстве, архитектуре и дизайне.

Все археи и большинство их вирусов содержат двуспиральную ДНК, которая стабильнее РНК. Возможно, экстремофилы не содержат РНК-вирусов, которые могут оказаться слишком лабильными при высоких температурах. В археях обнаруживают обратную транскриптазу, отвечающую за транскрипцию РНК в ДНК, но для чего она там? Я полагаю, она производится ретротранспозонами, или «прыгающими» генами, для изменения ДНК путем «копировать и вставить». Некоторые вирусные последовательности в вирусах архей имеют отдаленное родство с современными герпесвирусами независимо от того, что означает это родство. Недавно была выявлена неизвестная структура вируса, в которой белок спиралеобразно оборачивается вокруг ДНК, и ДНК оказывается менее плотно упакованной – вероятно, при высоких температурах это является преимуществом.

Кроме того, существуют вирусы архей, имеющие икосаэдральные головки и хвосты, которые напоминают фаги бактерий. Они встречаются в озерах с высокой концентрацией соли, но не в горячих источниках. Как и почему соль способствует образованию таких структур, на самом деле неизвестно. Таким образом, разные типы архей являются прибежищем для разных типов фагов.

Археи не всегда существуют в экстремальных условиях. Их находят и в кале человека, и жвачных животных, например коров.

У архей довольно сильная иммунная система – противовирусная защитная система, которая регулирует литический жизненный цикл вирусов. Кроме того, у них есть защитная система CRISPR/Cas9, направленная против микроорганизмов, поражающих ДНК, в частности фагов. Все это очень напоминает бактерии и их фаги.

Смогли бы археи и их вирусы столь же успешно приспособиться к новым экстремальным условиям, которые могут появиться в результате катастроф? Все живое может приспособиться к экстремальным условиям. Именно этому нас учат археи. Действительно ли они выживают лучше всех? Возможно, это зависит от того, насколько быстро происходят изменения. А может быть, и нет; возможно, они слишком медленно адаптируются! Для выживания в новых экстремальных условиях требуется формирование новых путей метаболизма, на что необходимо время. Может ли человек научиться у архей приспосабливаться к изменениям окружающей среды? На адаптацию потребовалось бы много времени. Выживание – процесс небыстрый, по крайней мере такого не было в прошлом, насколько мне известно. Таким образом, человек скорее вымер бы, чем стал экстремофилом!

Многие вирусы архей имеют неизвестные гены. Откуда они взялись? Вероятно, не из клеток, где их невозможно идентифицировать. Спектр генов вирусов гораздо шире, чем всех клеток, вместе взятых. Вирусы быстро производят новые гены, так же как и ДНК-вирусы, в силу их подверженной ошибкам репликации. Вирусы являются двигателями эволюции. Они изобретательны и пробуют разные возможности, предоставляя новую информацию клеткам, а не наоборот. Так как же, помогут ли нам вирусы приобрести термофильные свойства и обеспечить себе более продолжительное выживание? Возможно, в прошлом они уже это сделали.

7. Вирусы как ископаемые

Унаследованные вирусы

Хоуард Темин открыл не только фермент обратную транскриптазу, описанную в главе 3, но и эндогенные вирусы. Он был первооткрывателем в области исследований ретровирусов и обладал очень развитым воображением. Несмотря на ожесточенное сопротивление общественности и даже своих сотрудников, он утверждал, что должны существовать наследуемые формы РНК-содержащих ретровирусов, имеющих «промежуточную» ДНК-форму в ДНК-геномах хозяина. Для транскрипции вирусной РНК в ДНК эндогенным вирусам необходима обратная транскриптаза. Я была среди тех, кто не верил в это утверждение, и мне не удалось обнаружить обратную транскриптазу.

Обычно вирусы передаются «горизонтально», как экзогенные вирусы, которые могут распространяться внутри организма, а также от человека к человеку. Однако в ряде случаев такие вирусы могут инфицировать стволовые клетки, после чего они передаются «вертикально», от поколения к поколению. Как правило, это очень редкое явление, но такое может произойти, поскольку в организме вирусная инфекция распространяется триллионами вирусов. Обычно ретровирусы интегрируются в соматические клетки, но некоторые из них интегрируются и в стволовые клетки в качестве провирусной ДНК и передаются потомству. Можно ли унаследовать вирусы от родителей? Мы не должны этого делать – именно поэтому для целей генной терапии не разрешается использовать реплицирующие вирусы, которые могут интегрироваться в зародышевые клетки и передаваться будущим поколениям. В исследовательской деятельности это абсолютно запретная область.

Большинство унаследованных «эндогенных» вирусов происходят от ретровирусов. Но в нашем геноме могут оказаться и другие вирусы, даже РНК-содержащие вирусы, которые никогда не доходят до ДНК-стадии, используют одну из множества молекул обратной транскриптазы, плавающих в наших клетках, и производят копии ДНК, обеспечивая интеграцию. В настоящее время изучением этих вопросов занимается новая научная дисциплина – палеовирусология, которая появилась благодаря новым эффективным методам секвенирования. Исследователи всячески стремились найти вирусы в нашем геноме, и им это удалось.

Часто вирусы перестают продуцировать реальные вирусные частицы: они дефектны. Унаследованные последовательности эндогенных вирусов остаются в одних и тех же местах, и в силу этого их можно отличить от новых острых инфекций, которые встраиваются более или менее случайным образом. Это простой и легковыполнимый способ распознавания.

Мы рассмотрим механизм перехода от экзогенных к эндогенным вирусам на примере австралийских коал, так как в этом случае практически в реальном времени можно наблюдать процесс эндогенизации. Читатель может удивиться, узнав, что даже вирус Эбола способен проникать в линии зародышевых клеток. К сожалению, это не наблюдалось в организме человека, но имело место у летучих мышей, свиней и кенгуру. К сожалению? На этом вопросе нужно остановиться подробнее. Основная идея сводится к следующему: эндогенные вирусы защищают от экзогенных вирусов. Они их не пускают!

Экзогенные вирусы, главным образом ретровирусы, продолжают существовать в геноме (соматической) клетки на протяжении всей ее жизни. В случае ВИЧ жизненный цикл инфицированных лимфоцитов может составлять 60 дней. Затем клетки гибнут вместе с интегрированными в них ДНК провирусов. К этому времени продуцирующие вирус клетки распространяют 1010 вирионов в день. И все же такое выживание сохраняется практически навсегда, если ДНК провируса интегрируется в зародышевые клетки, поскольку эти клетки передаются из поколения в поколение. Таким образом, ретровирусы в организме отца или матери наследуются детьми как собственные гены, как «свой», а не инородный материал. Это продолжается 100 млн лет, а может быть, и дольше. В отличие от соматических клеток, зародышевые клетки, как правило, не продуцируют потомство, и потому новые вирусные частицы не появляются. 100 млн лет не является точно установленным временны́м рубежом, однако более продолжительные периоды интеграции трудно подтвердить, поскольку вирусные последовательности претерпевают мутации, изменения, делеции, которые в определенный момент аккумулируются настолько, что становится невозможно распознать вирусное происхождение ДНК.

Почему эндогенные вирусы накопились в наших геномах? Они должны происходить от реальных вирусных инфекций. Почему на протяжении миллионов лет они сохраняются в наших геномах как провирусная ДНК? По стечению обстоятельств? Случайно? Является ли интеграция надежным способом «укрывания» вирусов, которые прячутся под видом клеточных генов и так становятся недоступными для распознавания иммунной системой хозяина? Защищен ли эндогенный вирус от иммунной системы хозяина? Если это так, интеграция могла бы стать большим преимуществом не только для вируса, но также для клетки, в чем мы далее сможем убедиться. Все это действительно так.

У клетки практически нет шансов избавиться от эндогенной интегрированной ДНК провируса. В ней всегда есть некоторое количество остатков таких последовательностей. Есть концы провирусной ДНК, длинные концевые повторы (ДКП), которые являются промоторами для вирусных генов. Эти повторы идентичны на обоих концах провирусной ДНК в силу механизма репликации, задействованного в их образовании. Они могут рекомбинироваться после интеграции и тем самым устранять последовательности между ними, расщепляя «слоистые» структуры и оставляя за собой только один ДКП. Это приводит к формированию многочисленных одиночных ДКП и только нескольким полноразмерным ретровирусам. (В отличие от ДНК провирусов в клетках млекопитающих, ДНК профагов в бактериальных клетках может быть «выбита». Превосходят ли их фаги в этом отношении? Этот процесс индуцируется в бактериях под действием стресса, в силу чего бактерия-хозяин, как правило, лизируется, то есть погибает. У человека лизис клеток обычно не наблюдается.)

В случае гибели клетки гибнет и эндогенный вирус. Кроме того, если со временем эндогенные вирусы становятся бесполезными, клетки млекопитающих оказывают им противодействие и укорачивают их. Под понятием «бесполезные» подразумевается, что эти вирусы более не дают клетке никаких преимуществ и перестают защищать ее от внешних вирусов (см. далее). Как правило, оставшаяся часть вируса функциональна.

Именно так в наших геномах накапливается большое число поврежденных вирусов, и этот процесс идет миллионы лет. Зачастую первыми теряются гены, кодирующие белки оболочки Env. Эти белки необходимы для упаковки и высвобождения интактных вирусных частиц. Будучи лишенными Env-покрытия, вирусы становятся «голыми» и не могут ни покинуть клетку, ни проникнуть в новую. В этом случае существует две возможности: Env может быть утрачен, но также может быть приобретен во время эволюции или заимствован из вспомогательного вируса.

Кроме того, эндогенные вирусы можно инактивировать путем мутагенеза – этот механизм помогает избавиться от эндогенного вируса, по крайней мере функционально. «Стоп-кодоны» задействуются, когда вирусы перестают быть селективными, больше не способствуют защите клетки от других вирусов и начинают вырождаться. Эндогенные вирусы действительно дают клетке удивительные преимущества. Они способны защищать клетку-хозяина от суперинфекции, индуцируемой другими вирусами. Если клетка занята репликацией первого вируса, она блокирует проникновение в нее второго. Это явление называется «вирусная интерференция», что напоминает «интерферон», молекулу, обеспечивающую противовирусную защиту клеток млекопитающих, о чем мы поговорим в главе 9. Фаги тоже способны «занимать» клетки бактерии-хозяина, не допуская их инфицирования другими фагами. У бактерий это явление называется исключением гиперинфекции – предотвращением проникновения других фагов в клетки. Даже самые древние с точки зрения эволюции биоэлементы – вироиды, состоящие только из «голых» некодирующих нкРНК, уничтожают конкурентов, расщепляя (или разрезая) их. Этот механизм, называемый «сайленсинг», очень широко используется для иммунной защиты. Он основан на РНК, но вирусные белки тоже способны составить конкуренцию вирусам, захватывая рецепторы на поверхности клетки, которые зачастую являются якорями для внедрения вируса. Это один из многих, очень вариабельных, методов вирусной защиты. В общем, вирусы могут защищаться от других вирусов, обеспечивая клеткам противовирусную защиту, и обычно это называется иммунной системой клетки или организма. Все известные иммунные системы сформированы вирусами. И они созданы против вирусов! Вирусы похожи на противовирусную защиту!

Это сильное заявление, но его можно доказать. Существует взаимная выгода и для вируса, и для клетки. Таким образом, вирусы, даже поврежденные, могут оказаться полезными для своего хозяина. Поэтому, вероятно, они не исчезли, а остаются внутри наших геномов миллиарды лет.

Мировое научное сообщество испытало потрясение, когда выяснилось, что геном человека почти на 50% состоит из ретровирусов или вирусоподобных элементов. Зачастую они являются интактными вирусами и вырожденными ретровирусами. Это одни из самых впечатляющих результатов научных исследований XXI в., и они действительны для всех эукариотических организмов – млекопитающих, растений, насекомых, грибов и их спор и т.д. Другая неожиданность: даже интегрированные дефектные ретровирусные элементы способны «двигаться», но только внутри клетки, и у них нет шансов ее покинуть. И все же они передаются следующим поколениям в качестве клеточных генов и их трудно устранить.

Между тем при оплодотворении яйцеклетки действует весьма удивительная модель защиты. Новый эмбрион начинается «с нуля». Эмбрион наследует родительские гены со всеми эндогенными ретровирусами. Однако они, как правило, инактивируются путем сайленсинга, функциональной инактивации. Это фантастически эффективный механизм, изобретенный природой, который имеет целью инактивировать остатки вирусных последовательностей родительских генов и гарантировать новое начало жизни для нового поколения. Механизм сайленсинга был открыт лишь недавно. Сайленсинг вирусов основан на химических модификациях ДНК или хроматина, белок-содержащего упаковочного материала для ДНК. Дизайнерские гены, используемые в генной терапии, также подвергаются сайленсингу в поврежденных клетках как потенциально опасные – к большому разочарованию исследователей, врачей и пациентов.

Существуют ли эндогенные вирусы только в эукариотах? А в бактериях? Они присутствуют и в бактериях: до 20% генома бактерий состоит из ДНК профагов. И лишь недавно было установлено, что многие профаги фрагментированы и в них отмечаются вкрапления спейсерных последовательностей. Этот результат работы иммунной системы против фагов, обозначаемой CRISPR/Cas9, является самым впечатляющим прорывом в области молекулярно-биологических исследований. Таким образом, интегрированные ДНК профагов или ДНК провирусов защищают своих хозяев от фагов и вирусов соответственно. В одном случае хозяином являются бактерии/прокариоты, а в другом – эукариоты, включая нас.

Феникс из ДНК

Геном человека кодирует примерно 40 000 эндогенных ретровирусов человека (HERV), интегрированных в качестве провирусной ДНК. Некоторые из них достаточно интактны и могут быть искусственно активированы в культуре клеток под влиянием соответствующих параметров среды, например УФ-излучения, «голода» и клеточного стресса, или при помощи сигнальных молекул, в частности интерферона. Одна группа таких эндогенных ретровирусов человека, HERV-K, до сих пор активна и может вырабатывать белки, а в редких случаях – даже интактные вирусные частицы, которые можно разглядеть в электронный микроскоп. Однако обычно они не могут переходить в другие клетки. Некоторые из этих вирусов были обнаружены в плаценте человека, в мозге мышиных эмбрионов, и возможно, что некоторые из них играют роль в развитии рака, например злокачественной меланомы, или при таких заболеваниях, как артрит. Пока еще рано говорить, важны ли эти наблюдения.

Часто HERV не полностью интактны и не могут реплицироваться. Как узнать, что эти эндогенные вирусы произошли от настоящих вирусов и что наш геном действительно представляет собой кладбище ископаемых вирусов? Это было настолько важно, что две группы исследователей пытались это доказать и нашли подтверждение. Тьерри Хайдман, работающий в Париже, проанализировал вирусные последовательности генома человека и сравнил их с девятью последовательностями ископаемых эндогенных ретровирусов. Все они были заполнены стоп-кодонами, и ни одна из них не могла экспрессировать белки, полные вирусные частицы или реплицироваться. Но стоп-кодоны распределялись неравномерно, поэтому Хайдман смог найти области c «открытыми рамками считывания» и соединил их. Он реконструировал полную длину ретровирусного генома, синтезировал последовательность как ДНК и перенес ее в клетки. Получился способный к репликации ретровирус, который при помощи электронной микроскопии можно идентифицировать как типичный ретровирус и который вновь обрел способность инфицировать другие клетки, включая клетки человека. Это неопровержимое свидетельство того, что «мертвые» эндогенные ретровирусы, населяющие наш геном в большом количестве, действительно произошли от реальных интактных вирусов, большинство из которых уже не существуют. Неожиданное воскрешение древнего вируса пугало. В данном случае критические замечания и даже массовые выступления протеста были бы вполне уместны, так как вирус, существовавший 35 млн лет назад и бывший активным еще 1 млн лет назад, может в настоящее время быть опасным и, возможно, даже провоцировать неизвестные заболевания. К моему удивлению, ни со стороны прессы, ни со стороны общественности никаких протестов не последовало. Или они недооценили потенциальный риск, или никто не понял суть эксперимента? Безусловно, авторы статьи предприняли все меры предосторожности. Вирус назвали Phoenix(«Феникс»), так как, чтобы снова стать реальным вирусом, он возродился, хоть и не из пепла, как птица феникс из греческой мифологии, а из нашего генома.

Независимо от этого Арис Катзуракис из Англии сравнил последовательности различных эндогенных ретровирусов млекопитающих и собрал из них согласованную последовательность, позволившую ему получить репликационно-компетентный инфекционный вирус, который он назвал HERVcon (con означает «консенсус»). Арису Катзуракису удалось инфицировать этим вирусом клетки и животных. Катзуракис также интересовался реконструкцией других древних вирусов из существующих геномов. Одним из них был кроличий ретровирус из эндогенного кроличьего вируса. Он дал этому вирусу достаточно образное название RELIK[16], что означает «кроличий эндогенный ретровирус типа K». Вирус RELIK эндогенизировался около 12 млн лет назад в геноме кроликов и представляет собой сложный лентивирус по типу, аналогичному ВИЧ. Это более сложные вирусы, и у них больше дополнительных генов, чем у часто выявляемых ретровирусов. До открытия RELIK существовало общепринятое мнение, что столь сложные лентивирусы не могут стать эндогенными. Вообще-то могут. Это свидетельствует о том, что некий ВИЧ-подобный вирус существовал очень давно. Он может быть еще древнее, чем определено в результате эксперимента. Непонятно, почему он выбрал для анализа именно геном кролика. Неужели спонсорами этого эксперимента стали люди, занимающиеся разведением кроликов?

Можно ли искать другие вирусы в геноме? Есть ли шанс найти неизвестные вирусы? Для того чтобы найти новые вирусы, необходимо иметь алгоритм их поиска. Это непростая задача. Как определить возраст древних вирусов и какой временной отсчет использовать? Для определения возраста вирусов можно сравнивать «концы» вирусов, вирусные промоторы, вышеупомянутые длинные концевые повторы (ДКП), которые «фланкируют» ДНК HERV провирусов. В результате синтеза провирусной ДНК они получаются идентичными. Со временем они могут аккумулировать мутации, равно как и любые другие гены. Зная скорость мутаций, можно создать разные модели мутаций, на основании которых сделать заключение, как давно разошлись пути развития двух ДКП. Некоторым вирусам HERV 100 млн лет. Мы проанализировали один из таких вирусов – HERV-K, и установили, что его возраст 35 млн лет.

Как коалы пережили смертоносный вирус?

Коалы – одно из самых любимых животных в Австралии. Много коал гибнет под колесами автомобилей, поэтому для них созданы специальные лечебницы. Поскольку на коал охотятся, повышается риск их вымирания. Для того чтобы спасти этих животных, многих из них перевезли на соседние с Австралией острова, где они находятся под защитой. Но на этих островах коалы заразились вирусом лейкоза гиббонов, обезьяньим ретровирусом, в результате чего многие особи погибли, но некоторые выжили. Более детальные исследования показали, что неожиданная устойчивость к вирусу у выживших коал объяснялась тем, что последовательности вируса обезьян были интегрированы в геном коал. Вирусные последовательности присутствовали во всех клетках коал на одних и тех же сайтах интеграции, свидетельствуя, что они эндогенизировались в этой локализации и стабильно передавались по наследству. В отличие от этого новые инфицирующие вирусы в геномах не имеют одного предпочтительного сайта интеграции и интегрируются в случайном порядке на большом количестве сайтов. Это простой, но очень информативный тест.

Процесс эндогенизации должен был бы занять несколько сот лет с момента переселения коал на острова с материка, где у них такие последовательности не выявлялись. Очевидно, вирусу удалось не только реплицироваться в соматических клетках коал, но и проникнуть в их зародышевые клетки, что привело к интеграции вируса на фиксированных сайтах их потомков. Таким образом, последовательности ретровирусов были переданы по наследству как эндогенные вирусы за невероятно короткое время, всего за 100 лет. Это была эндогенизация в реальном времени, от экзогенного вируса к эндогенному, и произошла она на удивление быстро. Исследователи изучали этот процесс как «реалити-шоу» эндогенизации. Эндогенные вирусы стали для организма «собственными» генами и утратили болезнетворность. Важный результат заключается в том, что эндогенные вирусы защищают коал от экзогенных. Это явление наблюдается и в ряде других случаев: вирус обезьян SIV (который привел к развитию ВИЧ у человека) не является смертельным для обезьян и даже не вызывает у них заболевание. Кроме того, вирус Эбола, став эндогенным, более не является смертельным для летучих мышей. Используется точка «больше не является», поскольку сначала вирус, видимо, уничтожал своего хозяина, но по прошествии довольно продолжительного времени они научились сосуществовать, в силу чего у выживших коал выработалась резистентность к этим вирусам. Как вирусы попадают в зародышевые клетки? Что представляют собой рецепторы? Сколько времени требуется для эндогенизации? Возникает несколько важных вопросов.

Эндогенизация в течение 100 лет соответствует примерно 20 поколениям коал. Можно было бы ожидать, что для этого необходимо несколько тысяч лет. Можно ли ожидать, что в течение такого же времени произойдет эндогенизация ВИЧ у человека? Защитило ли бы это человечество от ВИЧ? Десять поколений коал соответствовали бы 300 годам или более у человека. Это ужасно долго. Тем не менее наш геном полон последовательностей ретровирусов, накопившихся в процессе эволюции. Они намного-намного старше. Вирус RELIK у кроликов эндогенизировался 12 млн лет назад. Это сложный вирус, подобный ВИЧ. Что касается ВИЧ, до сих пор непонятно, способен ли этот вирус инфицировать зародышевые клетки. На наших зародышевых клетках может не быть рецептора для попадания вируса в клетку, и, если его действительно нет, может оказаться, что ВИЧ не в состоянии инфицировать их. ВИЧ может наследоваться только путем инфицирования. Способен ли ВИЧ меняться, чтобы внедриться в зародышевые клетки? Можно подождать и посмотреть, что произойдет. И все же защита организма человека от ВИЧ даже при быстром процессе эндогенизации протекала бы слишком медленно, и за нее пришлось бы заплатить многими жизнями.

Что касается эндогенного ВИЧ, существует прецедент: очень показателен пример «пенистых» вирусов. Они напоминают ВИЧ в том смысле, что имеют много дополнительных генов и демонстрируют сложную регуляцию генной экспрессии. Однако эти вирусы не патогенны для человека. Название «пенистые» дано вирусам по внешнему виду легких инфицированных животных или клеточных культур. Они могут инфицировать обезьян и человека, но не являются болезнетворными. Вирусы реплицируются только в организме обезьян, поэтому организм человека – «тупиковая ветвь эволюции» для данного вируса. Он безвреден для человека. «Пенистые» вирусы – самые старые из всех известных сложных (ВИЧ-подобных) ретровирусов, которым 100 млн лет. Сколько времени требуется вирусу, чтобы стать безвредным? Мы не знаем, но это точно происходит. Безусловно. SIV не убивает обезьян – больше не убивает, – но когда он перестал это делать?

Вероятно, подобные вирусы есть еще. Их трудно выявить, поскольку их геном состоит из ДНК, и таким образом, на первый взгляд они не напоминают ретровирусы. Кроме того, вирус овец (Jaagsiekte Sheep Virus, эквивалентный вирусу HERV-W, формирующий плаценту человека) существует в форме как экзогенного, так и эндогенного вируса.

Вирусы рыб также способны играть двойную роль – как экзогенно реплицирующиеся ретровирусы и как интегрирующиеся эндогенизированные вирусы. О вирусах рыб известно очень мало, однако количество рыбоводческих хозяйств в настоящее время растет, чтобы справиться со спросом на продовольствие. Возможно, у какого-нибудь вирусолога может возникнуть желание исследовать эти вирусы и поехать к немке Кристиане Нюсляйн-Фольхард, лауреату Нобелевской премии, которая в своих аквариумах, расположенных под крышей Общества Макса Планка в Тюбингене, держит 20 000 данио (рыбок-зебр) и разводит их. Эти рыбки очень часто используются для исследований, поскольку они прозрачны и можно наблюдать эффекты их мутаций. В США за научные достижения Кристиану приветствовали стоя. Королева мух стала королевой рыб. У них, безусловно, есть вирусы, просто мы пока о них мало знаем.

Палеовирусология

Сколько различных типов эндогенных вирусов в настоящее время находится в нашем геноме? До сих пор речь шла о том, что ретровирусы могут интегрироваться двумя путями: горизонтальным и вертикальным переносом генов. Вирусные частицы распространяются от клетки к клетке или от одного животного к другому путем горизонтального переноса генов. Кроме того, существуют вертикально переносимые ретровирусы, которые инфицируют зародышевые клетки и интегрируются в зародышевые линии. Такие вирусы в этих клетках передаются следующему поколению. Когда был секвенирован геном человека, в нем выявили не только последовательности ретровирусов, но также (ДНК) последовательности ДНК-содержащих вирусов и ДНК из РНК-содержащих вирусов – вируса болезни Борна и вируса Эбола. Обычно эти два вируса никогда не адаптируют промежуточную ДНК. Она каким-то «секретным образом превращается» в ДНК-содержащие вирусы, используя необычный механизм. Возможно, обратная транскриптаза была позаимствована внутри клетки и способствовала обратной транскрипции РНК в ДНК, чтобы РНК-содержащие вирусы в качестве ДНК-копий могли интегрироваться в геном. Как мы недавно выяснили, наши клетки полны ОТ. Они могут происходить от других ретровирусов или ретротранспозонов и становятся «заимствованными». Так в геном животных интегрируются вирусы болезни Борна и вирус Эбола. Последовательность их геномов со временем не слишком изменилась, и можно предположить, что у них есть свое предназначение. Они действительно обеспечивают защиту от новых инфекций, провоцируемую тем же вирусом путем интерференции. Вирусы болезни Борна присутствуют в виде ДНК у многих видов животных – у человека, обезьян, мартышек, слонов, лемуров, мышей, крыс и птиц, но не у лошадей. Возможно, именно так у человека сформировалась невосприимчивость: последовательности эндогенных вирусов болезни Борна обеспечивают защиту от заражения экзогенным вирусом болезни Борна. У лошадей не обнаружены эндогенные вирусы болезни Борна, и их действительно поражают экзогенные вирусы болезни Борна и даже вызывают депрессию – да, у лошадей бывает депрессия. У человека эндогенные вирусы болезни Борна экспрессируют некоторые высококонсервативные ядерные белки вируса, защищающие нас от новых вирусных инфекций. У человека депрессия имеет иные причины.

Эболавирусы можно проследить в геноме животных примерно до 40 млн лет назад. Возраст некоторых вирусов может исчисляться даже 100 млн лет. Они на удивление интактны и даже в настоящее время экспрессируют некоторые вирусные белки, связанные с современным штаммом «Заир». Вирус Эбола и марбургский вирус относятся к филовирусам (такое название они получили потому, что на снимках, сделанных при помощи электронного микроскопа, похожи на тонкие нити) и попали в геном независимо друг от друга. Филовирусы присутствуют в геноме североамериканских летучих мышей, у азиатских приматов, у южноамериканских и австралийских грызунов, а кроме того, они найдены у свиней. В отличие от вирусов болезни Борна, вирус Эбола никогда не интегрировался в геном человека, поэтому у нас нет от него защиты. С чем это связано? Возможно, эта инфекция возникла совсем недавно, поскольку, как отмечалось выше, в примере с коалами, эндогенизация требует времени. Также вполне возможно, что зародышевые клетки человека не подвержены инфицированию вирусом Эбола. Это нужно еще проверить! Отличный исследовательский проект.

Существует еще около 10 вирусов, «незаконно» проникших в геномы млекопитающих. Среди них есть даже редкие вирусы, например цирковирусы, имеющие геномы с одноцепочечной ДНК. Они часто отмечаются у свиней, куриц и голубей. Исходя из этого, можно сделать вывод, что практически все типы вирусов, имеющие разные стратегии репликации, могут стать эндогенными вирусами в геноме млекопитающих. Интеграция – предпочтительный механизм для вирусов, реплицирующихся в ядре клетки. Таким образом, интеграция вирусов в геном человека идет постоянно, при этом процесс проходит в необычных условиях и направлен на защиту хозяина.

Кроме того, виды животных с эндогенными вирусами могут продуцировать вирусы, инфицирующие другие виды животных и, возможно, вызывающие заболевания. Пытался ли кто-нибудь выяснить, может ли свиной вирус Эбола инфицировать людей? Возможно, это следовало бы проверить.

Поврежденные вирусы

Около 50% нашего генетического материала состоит из эндогенных ретровирусов или генов, родственных ретровирусам. В процессе эволюции организм человека подвергался многочисленным ретровирусным инфекциям, и все они оставили след в нашем геноме, подтверждением чему служат вирус «Феникс» (Phoenix) у человека и RELIK в геноме кролика. Со временем интегрированные вирусы мутировали и в ряде случаев более не распознаются как вирусы. Такие вырожденные вирусы не могут перемещаться, мигрировать или проникать в другие организмы. Они находятся внутри клетки или – даже более ограниченно – в ядре клетки. Старые вирусы «одомашнены» и предпочитают оставаться «дома»! Ученые называют их «ископаемыми» вирусами, а наш геном – «кладбищем» ранее имевших место вирусных инфекций. Этим «могилам» по крайней мере 35 млн лет, а некоторым, вероятно, и 200 млн лет. Другие же вирусы «молоды», им 1 млн лет. Несмотря на это, вирусные реликты на многое способны. Они могут перемещаться от одного сайта ДНК к другому, в силу чего их назвали «прыгающими» генами. Они могут попадать в наш геном и выходить из него, но не могут покинуть клетку. Эти «прыгающие» гены являются транспозируемыми элементами (ТЭ) или транспозонами.

Еще более «спортивными» являются некоторые вырожденные вирусы, которые делают «сальто», и при этом ДНК транскрибируется в РНК, а затем обратно в ДНК при помощи обратной транскриптазы. Затем эта копия ДНК интегрируется в геном. Данные транспозируемые элементы устроены так же, как ретротранспозоны.

Чтобы было понятнее, представьте себе компьютерную редакторскую программу по правке текста: нужно «вырезать и вставить» для транспозонов и «копировать и вставить» для ретротранспозонов. В первом случае часть ДНК вырезается, вставляется в другое место в геноме и интегрируется, что приводит к двойному повреждению ДНК. Во втором случае происходит интеграция транскрибированной ДНК, что является одноразовым генотоксическим событием. Генетический текст становится длиннее. Он увеличивается точно на размер части транскрибируемой ДНК. Ген дуплицируется – это механизм, имеющий чрезвычайно большое значение для нашего генома с точки зрения приобретения новых функций, которое заключается в том, что мутирует одна копия, а другая остается интактной и служит дублером. Очень давно геном человека «забыл» простой механизм «вырезать и копировать», хотя растения активно его используют и их геном до сих пор может пополняться таким же образом. Растения в этом смысле старомодны – вероятно, потому, что у них метаболические процессы протекают настолько медленнее, а адаптивные способности выражены настолько слабее, что два генетических дефекта обусловливают больше инноваций, чем один. Наш геном отказался от механизма «вырезать и вставить» примерно 35 млн лет назад, когда переключился на механизм «копировать и вставить». Нужно точно представлять себе различия между ДНК-транспозонами и ретротранспозонами, которые часто относятся к подкатегории «транспозируемые элементы» (ТЭ). При интеграции ретротранспозоны вызывают только одно повреждение, и это менее серьезное изменение или вариации апробированных и эффективных свойств.

В целом принцип прост – транспозоны ведут себя как вирусы с одним лишь ограничением: они могут перемещаться внутри клетки, а не между клетками, то есть они эндогенные, а не экзогенные. Заточение «прыгающих» генов можно трактовать и иначе – вероятно, это произошло на самых ранних этапах эволюции, и в этом случае эндогенные вирусы могли предшествовать экзогенным. Вполне возможно, что первые вирусы могли перемещаться исключительно внутри геномов и лишь позднее научились мигрировать из клетки в клетку или из одного организма в другой. Аргументом в пользу этой гипотезы служит то, что «покрывающий» белок – оболочечный Env-белок ретровирусов, который необходим для упаковки вирусов и их перемещения на более длинные расстояния, – появился позже других вирусов. Вирус может покинуть одну клетку и проникнуть в другую только в том случае, если он защищен оболочкой. Однако оболочечный белок может быть тоже потерян. Вероятно, были задействованы оба механизма – приобретения и дегенерации – и находившиеся в заточении вирусы обрели способность мигрировать, а вирусы, обладавшие способностью к миграции, оказались в заточении. Здесь также нельзя исключить возможность существования общего предка.

В одном из самых примечательных научных трудов, которые я когда-либо читала, приводилось описание открытия всех этих «экс-вирусов». Эта работа была опубликована в начале третьего тысячелетия и послужила началом совершенно нового научного направления, в рамках которого было поставлено такое количество вопросов, что их хватит не на один десяток лет. Около ста лет назад, когда Макс Планк был еще студентом, ему не советовали заниматься физикой, так как считалось, что физика себя изжила и перестала существовать как наука. Именно в это время открытия квантовой механики положили начало новой физике, которая полвека оставалась на переднем крае научных исследований. Поиск ответа на вопрос, каково значение последовательностей в нашем геноме, может занять еще полвека. Если этого времени окажется достаточно!

Столь значимый научный труд, о котором я говорю, был опубликован в Nature в 2001 г. Публикация представляла собой обзорную статью о работе Международного консорциума по секвенированию генома человека, первым автором которой был Эрик Ландер, и в ней использовались материалы почти 20 лабораторий всего мира. Эта работа объемом 60 страниц более чем с 40 рисунками озаглавлена «Первоначальное секвенирование и анализ генома человека» и является самой большой публикацией, которую мне приходилось видеть в данном журнале. Невозможно было себе представить, что наш геном состоит из вирусов! Из более или менее сложных вирусов, экс-вирусов и вирусоподобных элементов! На 50% или больше? На 80%? На 100%? Именно это побудило меня написать эту книгу – я хотела поделиться с читателями информацией и попытаться пояснить ее.

Авторы научных работ делят прогресс в биологии в XX в. на четыре четверти по 25 лет каждая. В первой четверти были повторно открыты хромосомы и механизмы наследования в контексте законов Грегора Менделя. Во второй произошло открытие двухцепочечной ДНК как основы наследования и хранения информации. В третьей четверти появились рекомбинантные ДНК-технологии и клонирование генов, а в четвертой – расшифровка генов и генома. К 2001 г. секвенировали последовательности геномов 599 вирусов и вирусоидов, 205 существующих в природных условиях плазмид (двухцепочечные кольцевые «голые» ДНК), 185 органелл, 31 бактерии, семь архей, одного гриба, двух животных и одного растения, а также геномов двух людей – Дж. Уотсона и К. Вентера. Потом появилась вышеупомянутая работа, и начиная с 2001 г. события в этой научной сфере происходили с невероятной скоростью. Буквально за 15 месяцев было секвенировано около 95% генома человека, в котором последовательностей в 10 раз больше, чем всех предыдущих последовательностей, вместе взятых. Геном человека состоит из 3,2 млрд нуклеотидов. Какую информацию они в себе несут? Эта информация нам по большей части неизвестна, так как мы знаем четыре буквы (обозначения отдельных нуклеотидов), но не понимаем, что они означают, по крайней мере большинство из них. Первым шоком стала информация, что у нас лишь 20 000 кодирующих генов, то есть генов, кодирующих белок (по расчетам исследователей, их число составляло 30 000, но позже цифра была скорректирована в сторону уменьшения и сейчас составляет 22 000–20 000 генов). Если исходить из общего числа нуклеотидов, можно было ожидать в 10 раз больше. Бытовало мнение, что человек – существо особое – так думают люди! А сейчас выясняется, что у человека генов не больше, чем у многих других организмов. А что же делает человека человеком? Открою один секрет: наши гены длиннее (именно в этом кроется ошибка в расчетах) и они фрагментированы на участки, описанные нами выше как экзоны и интроны, где экзоны (их примерно семь на ген) могут рекомбинироваться за счет сплайсинга.

Способность комбинировать кусочки генома – вот что делает нас «великими» (и отличает от других). Комбинаторика. Следующий большой сюрприз заключался в том, что наши гены не уникальны, а представляют собой «винегрет» из генов, химер, сформированных из всех видов источников: бактерий, архей, грибов, растений и какого-то «бессмысленного мусора» – в последнее многим из нас не хотелось бы верить. Мы в самом деле не знаем, действительно ли в нашем геноме есть «мусор». Большая часть генетической информации в нашем геноме не является «человеческой» и появилась в результате горизонтального переноса генов (ГПГ) от многих других живых организмов, обитающих вокруг нас. Примерно 10–20% нашего генома идентично геному бактерий; почти на 50% наш геном схож с геномом ретровирусов или ретровирусоподобных элементов; 5% генов мы получили от грибов; пока невозможно определить вклад архей, растительных или иных вирусов. Другие гены не коррелируются с известными вирусами – они нам просто неизвестны, многие некодирующие гены в настоящее время являются предметом активных исследований. Мы все родственники – все живые существа являются «братьями и сестрами». Я всегда об этом вспоминаю, когда случается наступить на дождевого червя, после чего он погибает. Еще одним напоминанием об этом служит посвященный мне Томасом Лархером этюд «Не наступай на дождевого червя» из его цикла «Поэмы».

Столь впечатляющие результаты исследования состава генома человека и его взаимосвязи с геномами всех живых существ на планете даже подвигли тогдашнего папу римского Бенедикта XVI обратиться к ученым за разъяснениями. Еще некоторое время назад напечатанная в Nature статья попала бы в список запрещенных Ватиканом публикаций. Мы не настолько уникальны, как думали. И все же нельзя сказать, что человек свержен с пьедестала. В конце концов, мы самые сложноорганизованные живые существа.

Наш геном почти на 50% состоит из древних ископаемых вирусов. Чем старше вирус, тем более он вырожден и тем короче. Исходя из длины вирусов, можно разработать простую классификацию: от длинных к коротким, включая, например, HERV, длинный диспергированный повторяющийся элемент (LINE), ДНК-транспозоны, короткий диспергированный повторяющийся элемент (SINE) и короткие последовательности Alu. ДНК-транспозоны не вполне вписываются в данную классификацию, поскольку они необязательно бывают короче. Следует упомянуть еще одно правило: чем короче транспозируемые элементы, тем их больше – вероятно, потому, что для них не требуется много пространства.

Эти вирусные элементы входят не только в наш геном, но и в геномы всех видов животных и растений, всех без исключения – кур, мышей, утконосов, опоссумов, грибов, растений, мух – и далее по нисходящей вплоть до червей, обитающих у побережья острова Эльба (см. главу 10), и медуз. Однако есть определенные различия. В геноме человека больше LINE; в геноме кур нет SINE, в то время как у утконосов их больше; в геноме риса и грибов нет ретротранспозонов. Пока никто не выяснил, чем это объясняется. Я спросила об этом у Михаэля Кубе, одного из исследователей, проводивших анализ генома утконоса (в то время Кубе работал в Обществе Макса Планка в Берлине). Он не смог это объяснить, и пока никто не может. Как сформировался геном у нас и как – у остальных организмов? Мы получили такой геном в какой-то момент своей истории как результат переноса генов (ГПГ) и вследствие разнообразных вирусных и других микробных инфекций. Для нашего генома вирусные инфекции крайне полезны, так как дают толчок инновациям. Многие новые гены попадают с первой попытки. Это выгодно для генома. Вирусы – самые разносторонние «изобретатели». Они являются двигателями эволюции. Читателю нужно представлять себе, в каком направлении она развивалась: нас создали вирусы и микроорганизмы! Вот новый взгляд на наш мир.

Что нам дают вирусы: рак или гениальность?

Есть ряд деталей, которые читатель мог упустить из вида, поскольку сводное заключение было приведено чуть выше. Но, вероятно, последующие разделы также окажутся информативными.

Эндогенные ретровирусы человека (HERV) – самые крупные ретроэлементы в нашем геноме. Они составляют до 8% нашего генома, их 450 000. Из них полностью интактными являются лишь около 40 000. В качестве промоторов у них два ДКП, по одному с каждого конца, а для репликации используются гены gag и pol. Белки pol состоят из вирусной протеазы, обратной транскриптазы, РНКазы Н и интегразы, всех ферментов, необходимых для репликации полного ретровируса. Белок оболочки Env не всегда присутствует. Большинство эндогенных вирусов интактны и полны мутаций. Некоторые из них могут выходить из клетки как частицы, но не могут инфицировать другие клетки. Эндогенные вирусы, которые до сих пор выявляются, предпочитают интегрироваться между «реальными» генами в интроны, что менее вредно для нашего генома, нежели интеграция в одном из 20 000 реальных, кодирующих белок генов. Видимо, до сегодняшнего времени сохранились клетки только с такой безопасной интеграцией, других уже не существует. Согласно нашим расчетам, интеграция определенного HERV-K, который мы анализировали, произошла 35 млн лет назад. Может возникнуть вопрос, что происходило на планете в это время. Метеориты, солнечный ветер, образование сверхновых звезд, изменение положения оси вращения Земли – все что угодно, и никто ничего точно не знает.

Моему коллеге Феликсу Брекеру удалось показать, что интегрированный эндогенный ретровирус HERV-K способен вызывать рак. Интегрированные ретровирусы могут вставляться в «правильном» или «неправильном» направлении, что означает параллельную или непараллельную ориентацию генов. Продукты «считывания» вируса, попавшие в соседние гены, могут либо усилить, либо ослабить их экспрессию. Если соседний ген абсолютно необходим (например, ген – супрессор опухоли), а непараллельная экспрессия вируса инактивирует его, то клетка может стать раковой. Мы смогли продемонстрировать это явление в лабораторных условиях на культуре клеток. Является ли это одной из причин развития рака? Где, при каких опухолях и как часто это может происходить? Такого рода трудные вопросы мне задавали рецензенты нашей рукописи. А мы не знали ответов на них. Даже специалисты в области информатики из Принстонского института перспективных исследований не располагали базой данных, полученных при анализе опухолей пациентов, в которой было бы достаточно сведений для ответа на этот вопрос. Думаю, что на этот вопрос в принципе не удастся ответить. Даже ученые из одного крупного консорциума по изучению рака, основываясь на имеющейся у них базе данных, не смогли понять, постоянно или эпизодически HERV участвует в развитии рака. У некоторых пациентов HERV-K участвует в развитии амиотрофического бокового склероза (АБС), тем не менее до сих пор остается открытым вопрос, насколько повсеместный характер носит это явление.

Существует много вырожденных HERV, которые могут сократиться до одного-единственного промотора ДКП. Так бывает, если вирусы устраняются путем рекомбинации двух идентичных ДКП: все остальные образуют «лассо» или «петлю», которые затем разрезаются. Один ДКП – это самое мелкое, что остается от ретровируса, это его след. Тем не менее все эти остаточные промотор-подобные «соло-ДКП» все еще могут влиять на соседние гены, включая их или выключая, что очень много!

Следующие достаточно близкие родственники – это ретротранспозоны или ретроэлементы. Их основная характеристика заключается в транспозиции ДНК при содействии РНК через механизм обратной транскриптазы, для чего используется механизм «копировать и вставить». Ретроэлементы очень похожи на ретровирусы тем, что они кодируют обратную транскриптазу, молекулярные «ножницы» РНКазу Н, интегразу и РНК-связывающий белок для транспорта и защиты РНК. У них также имеются длинные концевые повторы (ДКП), которые являются вирусными промоторами, необходимыми для интеграции и регуляции генной экспрессии. При наличии белков Env они могут покинуть клетку, а без Env – нет. Их часто называют эндогенными ретротранспозонами.

У ретротранспозонов есть и вторая разновидность, еще короче и лишенная промоторов ДКП, которая называется длинными диспергированными повторяющимися элементами (LINE), у них только два набора белков – Orf1 и Orf2, которые используются для транспортировки, и обратная транскриптаза вместе с эндонуклеазой – для транспозиции. LINE-элементы, или сокращенно L1, являются транспозируемыми элементами (ТЭ) и могут «прыгать» с помощью механизма «копировать и вставить», в результате чего геном увеличивается путем дупликации генов. Они составляют 21% нашего генома, а длина каждого – 10 000 нуклеотидов. В геноме человека содержится примерно 850 000 копий этих LINE-элементов. LINE-элементы дуплицировались, «размножались» более 80 млн лет, влияя на геном человека. Некоторые из них до сих пор активны, и примерно 100 из них в мозге эмбрионов, или, в соответствии с другими оценками, по одному на 10 000 клеток. Было показано, что некоторые из них способны «прыгать» в тканях головного мозга эмбрионов мышей и вызывать серьезные изменения. Как показал Фред Гейдж, американский исследователь головного мозга, при одном из психоневрологических заболеваний, синдроме Ретта, «прыгающие» гены отмечаются в мозге здорового человека чаще. Было зарегистрировано около 60 случаев этого заболевания, что может быть связано с новыми вставками, способными индуцировать развитие таких заболеваний, как гемофилия, болезни мозга, аутизм и рак. Совсем недавно Фред Гейдж высказал гипотезу о том, что даже старческое заболевание – болезнь Альцгеймера – связано с действием транспозируемых элементов. За жизнь нейрона взрослого человека в среднем происходит примерно 14 таких «прыжков», и их последствия никому не известны.

Предполагается, что активация ретроэлементов происходит на фоне клеточного стресса. Такой стресс может быть индуцирован УФ-излучением, действием химических веществ, ядов или агентов, повреждающих ДНК. Существуют веские основания для активации ТЭ. Если клетка находится в состоянии стресса, возможно изменение ее свойств, способных помочь ей справиться со стрессом, а ретротранспозоны могут обусловить быстрое появление новых качеств и повышение выживаемости. Повторю свою «мантру»: вирусы являются двигателем эволюции и создателями новых свойств. Без них мы бы не выжили!

И в заключение отмечу следующее: если показатель заболеваемости LINE-заболеваниями не является верхушкой айсберга, значит, они крайне редко провоцируют болезни. У меня сложилось такое впечатление, но возможно, в будущем появится больше данных, опровергающих мое представление.

Механизм «копировать и вставить» приводит лишь к точечному повреждению генома. Чтобы этого не произошло, в соматических клетках процесс «прыжка» контролируется жестче, чем в эмбрионах. Там «прыжки» могут иметь серьезные последствия. Могут ли они, помимо заболеваний, обусловить рождение нового Моцарта, Ньютона или Эйнштейна – то есть рак или гениальность? В настоящее время рассматривается возможность развития аутизма и таких состояний, как синдром Аспергера («мудрецы» с исключительными качествами), в результате действия этого механизма и вопрос, могут ли «прыгающие» гены привести к рождению Ньютонов и Эйнштейнов.

Возможно, ретротранспозоны вносят свой вклад в способность человека разговаривать, формировать модель социального поведения, а также влияют на его сознание. Похоже, что даже растения научились таким образом привлекать насекомых для репликации и обмена генами. «Лотос» (Lotus) – таково привлекательное название ретротранспозона у цветущих растений. У культивируемых растений имеется огромное количество транспозируемых элементов (ТЭ). В геноме кукурузы на их долю приходится 90%, а в геноме пшеницы – более 80%. Для сравнения: доля ТЭ в геноме человека составляет примерно 42%, а по некоторым оценкам – 66%. Выявить ТЭ при проведении анализа генома не так-то просто, поскольку они не всегда находятся на одних и тех же местах, а их местонахождение не совпадает с местонахождением ТЭ в референсном геноме. Такие сравнения обычно основаны на сопоставлении «сохраняющихся» свойств, поэтому при проведении анализа секвенирования «прыгающие» гены и интегрированные вирусы легко не заметить и даже счесть чем-то незначащим. Их релевантность недооценивается, несмотря на их вклад в осуществление эффективных инноваций в геномах многих видов живых существ.

Ретротранспозоны обусловливают дуплицирование генов. Такое явление часто происходит в геноме человека и коррелируется со свойствами, которые делают нас особенными. Специалист по эволюции Сванте Пааб, работающий в Лейпциге, проанализировал дупликацию генов в геномах человека и обнаружил эндогенные ретровирусы, а также LINE-элементы в геноме неандертальца. Неандертальцы жили примерно 200 000–40 000 лет назад.

Дупликация генов характеризуется наличием «опорной ноги» и «свободной ноги» – как у греческих статуй, – таким образом, одна «нога» может без всякого риска пробовать внедрять инновации, поскольку вторая «нога» копирует информацию. Поэтому дупликация генов может оказаться особенно важной для расширения генома и новых адаптаций. Дуплицированные гены способны к вырождению и остаются в качестве псевдогенов, не выполняющих никаких действительных функций. Около 100 млн лет назад геном дрожжей удвоился. Рекорд принадлежит пшенице, геном которой увеличился в шесть раз, и сейчас он огромный, больше нашего. Геном тюльпана в 10 раз крупнее нашего генома, с тремя связанными между собой хромосомами, что, возможно, является следствием разведения этих растений.

В геномах человека самый высокий показатель амплификации генов отмечается в опухолевых клетках, где большое количество онкогенов увеличивается не менее чем в 20 раз. В частности, ген Myc амплифицируется в опухолевых тканях мозга в 10 000 раз, и, видимо, именно этим обусловлена высокая агрессивность именно этого вида опухоли.

Кто создал ДНК-вирусы?

Я бы хотела представить в лучшем свете присутствующие в нашем геноме мелкие вирусные остатки; впрочем, их очень много, и они могут кое-что делать. Относятся ли они к широко обсуждаемой «мусорной» ДНК – отбросам, забытым остаткам? На этот вопрос пока нет однозначного ответа. Возможно, у некоторых читателей возникнет желание перейти к следующей главе.

Следующая малочисленная группа транспозируемых элементов состоит из еще более коротких SINE, коротких диспергированных повторяющихся элементов, которые гораздо меньше и ни на что не способны. Они «бродят» по нашему геному, влияя на другие гены. Это их характерное поведение. Они захватывают обратную транскриптазу (ОТ) более крупных LINE, поскольку у них нет собственной. Таким образом, они существуют за счет чужих обратных транскриптаз. SINE образуются на основе РНКаз, которые подверглись обратному транскрибированию в ДНК и интегрировались как SINE-ДНК. У SINE также отсутствуют вирусные ДКП-промоторы, и, следовательно, они не оказывают пагубного долгосрочного воздействия. У них нет эндонуклеаз, но они используют простые ДНК-разрывы, чтобы проникнуть в ДНК геномов. В нашем геноме на долю SINE приходится примерно 13%, хотя каждый SINE имеет всего лишь 100–300 нуклеотидов. Их очень много, в общей сложности 1,5 млн копий. Исторически сложилось, что SINE стали считать «мусором», но они могут обусловить формирование новых функций.

Самыми мелкими ТЭ являются последовательности Alu, которые имеют 300 пар оснований с повторяющимися ДНК-последовательностями. Я бы предпочла не затрагивать в этой главе Alu-последовательности, поскольку это существенно осложнит для читателя понимание причинно-следственных связей. Alu отмечаются только в геномах приматов, в нашем геноме их примерно 1 млн, и эти 10% состава нашего генома нельзя не принимать в расчет. Они не кодируют белки и, скорее, содержат более короткий внутренний промотор, а не ДКП, который влияет на соседние гены. Alu получили такое название от фермента Alu, полученного из бактерии Arthrobacter luteus(аббревиатура не имеет никакого отношения к алюминию, хотя это действительно помогает запомнить название). Фрагменты ДНК являются носителями последовательности, распознаваемой ферментом Alu, который ее расщепляет, позволяя, таким образом, идентифицировать элементы. Элементы Alu могут «прыгать», только если они заимствуют обратную транскриптазу, как это делают SINE-элементы. РНКазы этих элементов стимулируют регуляторную функцию РНК в геноме человека. Регуляция в данном случае носит локальный, а не долгосрочный характер. В геноме человека самое большое количество SINE/Alu. Однако ни у одного из живущих на Земле животных нет такого количества Alu, как у австралийских утконосов, и никто не знает – почему!

Никто не понимает, почему около 50% нашего генома состоит из ретровирусоподобных элементов. Мог бы он на 100% состоять из таких элементов – или только на 50%? Возможно, мы замечаем лишь последовательности вирусоподобных элементов из этих 50%, а оставшаяся часть генома более не распознается как вирусы или пропала в генетическом шуме.

Кроме того, 50% – это не предельное, а среднестатистическое значение. Некоторые гены человека на 80–85% состоят из ретроэлементов, что доказал Феликс Брекер, проанализировав такой ген (бета-ингибитор протеинкиназы, который ингибирует киназу PKB/AKT). Ретроэлементы скомпонованы не линейно, а накладываются друг на друга и могут интегрироваться друг в друга. Шаг от 90 к 100% достаточно серьезный, но не является фундаментальным препятствием. И вот у меня возникает вопрос: состоял ли в свое время наш геном на 100% из вирусов? Существует ли верхняя граница количества «прыгающих» генов? Если исходить из того, что имеется 1,5 млн транспозируемых элементов и каждый состоит из 10 000 нуклеотидов – что соответствует современным представлениям о размере ретровирусов, – его общая длина должна превышать размер нашего генома в пять раз. Вероятно, не все «вирусы» существовали в одно и то же время и имели полную длину.

Состоял ли в свое время наш геном только из ретровирусных элементов? Подозреваю, что да, но не могу доказать и уверена, что некоторые коллеги поставят под сомнение это утверждение. И все же мой коллега, которому я изложила идею, не откладывая в долгий ящик, обратился к этому вопросу в своей следующей лекции: Луис Вильярреаль, первооткрыватель и один из первых исследователей, отметивший роль вирусов на первых этапах формирования жизни на Земле и в начале эволюции. Вирусы могут содержать достаточно информации для формирования наших геномов. В вирусных последовательностях больше информации, чем в последовательностях всех живых существ, вместе взятых. Я вполне могу себе представить, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов или укороченных ретровирусов и формируют наш геном. Мне сложно опровергнуть утверждения коллег, считающих, что вирусы являются спутниками, покинувшими клетки. А откуда взялись клетки? О том, что предшествовало ретровирусам, мы поговорим в разделе, посвященном РНК-вироидам, или рибосомам (см. главы 8 и 12).

Невозможно отследить историю существования вирусов больше, чем на 100 млн лет назад. Гоминиды жили примерно 200 000 лет назад. Люси гораздо старше. Вероятно, она самая древняя женщина-австралопитек, жившая в Эфиопии около 3 млн лет назад. Она была невелика ростом – 1 м 10 см, руки свисали ниже колен, но она ходила прямо на двух ногах. Это значит, что они наши родственники – и все же жизнь началась 3,9 млрд лет назад. А что произошло между этими двумя датами? Это огромный временной разрыв. Нет оснований полагать, что в это время ретровирусы или их родственники не могли заполнить геномы бактерий, архей, растений, животных и человека. И даже у гидры, утконоса, дрожжей и небольшого дикорастущего цветка резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) во всем обнаруживается схожий генетический состав. Словосочетание «во всем» означает – у всех эукариотов. При наличии слишком большого количества изменений поисковые компьютерные программы начинают давать сбой и становится невозможным внести исправления. «Феникс» – один из ретровирусов, реконструированных из нашего генома, ему 35 млн лет.

Я пыталась объяснить Фримену Дайсону, почему считаю, что нас создали вирусы, что вирусы не вызывают у нас заболевания, а помогают приспосабливаться, что, возможно, вирусы – наши древнейшие предки, а он слушал меня и посмеивался, сидя в своем заставленном от пола до потолка книгами офисе в Принстонском институте перспективных исследований. Мои слова его сразу же заинтересовали, и чем более неожиданными и противоречивыми оказывались аргументы, тем больше ему нравилось их обсуждать. «Непременно изложите это на бумаге», – сказал он по-немецки. Он хорошо говорит по-немецки, но скрывает это. Он умеет меня воодушевить, даже несмотря на то, что зачастую его мнение отличается от моего. В конце концов, он автор книги «Ученый-бунтарь».

Следующая группа транспозируемых элементов – ДНК-транспозоны. Считается, что они никак не связаны с ретровирусами, ну или по крайней мере так пишут в учебниках. Это действительно так? Возможно, все они связаны между собой! В качестве довода приводят отсутствие у них обратной транскриптазы (ОТ), но их ферменты, транспозазы, имеют тесное родство с ОТ. ДНК-транспозоны используют механизм «вырезать и вставить» и осуществляют расщепление и вставку с помощи нуклеазы и интегразы, родственных ретровирусной РНКазе Н и интегразе. Итак, налицо родственные узы.

ДНК-транспозоны «прыгают» в геномах растений и других организмов, но не в геноме человека, который эту способность утратил. ДНК-транспозоны – редкие «ископаемые» в геноме человека, на долю которых приходится лишь 3%, что соответствует 300 000 копий. Но они неактивны. ДНК-транспозоны часто отмечаются у многих растений и составляют до 50%, а в кукурузе 85% соответствующего генома. Соотношение ДНК и ретротранспозонов очень вариабельно; кроме того, у многих растений отмечается большое число ретротранспозонов. ДНК-транспозоны не размножаются, а лишь меняют сайт интеграции без дупликации, что приводит к увеличению числа копий. Вместе с тем некоторые транспозоны способны реплицироваться, что не очень хорошо известно, но важно, так как приводит к дупликации большого числа генов.

Старт и приземление транспозонов после «прыжка» вредят геному! Они могут вызвать повреждения и генетические дефекты генома. Но эти изменения могут оказаться и столь же полезными, как действие токсинов на клетки. Клетки могут лишиться некоторых свойств или приобрести новые. Таким образом, взаимодействие с клеткой следует оптимизировать, так как слишком много «прыжков» дестабилизируют геном, и клетка умрет. В то же время недостаточное количество «прыжков» не вполне информативно и инновационно для клетки, и она также может погибнуть. У эукариотов, в частности у дрожжей, исследователям удалось определить частоту «прыжков». Один из транспозонов дрожжей Ty-1 «прыгает» в одну из 20 000 клеток. «Прыжок» ДНК-транспозона с помощью механизма «вырезать и вставить» может обусловить инновации в силу инсерционного (вставочного) мутагенеза вышеупомянутых генотоксических событий, которые могут привести как к развитию рака, так и к рождению гения. Они обладают двойным действием и могут быть «полезными» и «опасными» одновременно, то есть они, как и ретротранспозоны, способны обусловить инновации. Таким образом, ДНК-транспозоны, видимо, являются самой важной силой, обеспечивающей адаптацию геномов к новым условиям, что может оказаться крайне важным для организмов, у которых при иных условиях вариабельность была бы незначительной, что особенно применимо к некоторым растениям и даже к деревьям. ДНК-транспозоны не могут перемещаться, покидать клетку и всю жизнь проводят на одном месте. Этот период может составлять до 9500 лет, что соответствует возрасту самого древнего известного нам дерева. Их «посещают» компоненты геномов насекомых, жуков, птиц, грибов и других организмов, которые могут нести новую информацию. Возможно, налицо недостаток новой информации, поскольку у растений самое большое число активных ДНК-транспозонов. Недавно было описано ядовитое растение вороний глаз японский (Paris japonica), у которого 150 млрд пар оснований, что в 50 раз превышает геном человека, а самый гигантский из всех известных геномов – геном тюльпана – готова поспорить, что у него самое большое число ДНК-транспозонов.

В отличие от них, у дрожжей (S.cerevisiae и S.pombe) совсем нет ДНК-транспозонов (но много ретротранспозонов). Мне непонятно, почему два вида амеб столь разительно отличаются друг от друга – у одного из этих видов (Entamoeba (E) hystolytica) есть практически только ретротранспозоны, а у другого – только ДНК-транспозоны (E.invadens). Таким образом, трудно вывести правила, определяющие соотношение различных транспозируемых элементов.

Транспозоны проявляют очень высокую активность не только в геноме растений, но также в геноме мух, где они специализируются на «прыжках» на концы хромосом, обеспечивая защиту от эрозии при делении клетки. Поэтому они являются родственниками или предшественниками теломераз (у них сходные структуры), что продлевает концы наших хромосом в период эмбриогенеза. При клеточном делении они защищают наши геномы от потери важнейшей информации.

А теперь удивлю. Транспозоны создали нашу иммунную систему. Каким образом? Транспозоны защищают клетку от родственных транспозонов. Это называется противовирусной защитой, и это – наша иммунная система, защищающая клетку. Механизм действия прост: любой вирус (включая транспозоны) препятствует проникновению в клетку аналогичного вируса. Это гарантирует вирусу успешную репликацию и получение большого количества потомков при ограниченных ресурсах клетки. Таким образом, защита клетки за счет монополии одного вируса благоприятно влияет на репликацию вируса. Вирусы создали противовирусную защитную систему, которая в итоге стала общей иммунной системой клетки-хозяина. Вирусы «научили» клетки не допускать внедрения вирусов. Иммунная система направлена против своих «создателей» или инициаторов, для чего используется простой механизм отрицательной обратной связи.

Не только эукариотические, но и бактериальные клетки защищаются от слишком большого числа транспозонов. Со временем транспозоны должны быть инактивированы, а клеткам нужно аккумулировать инактивирующие мутации для обеспечения эффективных генетических приобретений. Следует отметить, что у клеток существуют механизмы защиты от транспозируемых элементов, поскольку слишком большое количество «прыжков» клетке вредит. «Прыжкам» противодействует сайленсинг (см. главу 9).

Кукуруза «госпожи Мендель»

Генетик Барбара Макклинток изучала кукурузные зерна и была удивлена разнообразием цветов зерен. Когда она анализировала цвет зерен индийской кукурузы, стало понятно, что полученные результаты не коррелируются с открытыми Грегором Менделем законами наследования генов. Она не могла найти этому объяснение. В результате в 1940-х гг. Макклинток открыла «прыгающие» гены – транспозоны. Она перевернула общепринятую в то время концепцию о стабильности нашего генного материала даже до того, как в 1953 г. была открыта двухцепочечная ДНК. Она стала открывателем нестабильности ДНК кукурузы и объяснила это действием «прыгающих» генов, которые повлияли на цвет. Уже в 1944–1945 гг. Макклинток наблюдала явление перемещения генов в клеточных хромосомах, что вызывает мутации и изменение цвета зерен индийской кукурузы. Когда в 1951 г. она докладывала о полученных ею результатах научному сообществу, то столкнулась не только с полным непониманием, но даже с враждебностью и неприятием. Полученные ею результаты были восприняты как ересь. Она опередила время на 50 лет.

В следующие 20 лет «прыгающие» гены или ДНК-транспозоны наблюдали везде, где только возможно, – в дрожжах, бактериях, во всех живых организмах – включая человека, хотя для этого были использованы более сложные процедуры. В наших геномах доминируют ретротранспозоны, в то время как ДНК-транспозоны в геноме человека очень давно оказались инактивированы.

Как это ни странно, но можно даже «видеть» «прыгающие» гены, но только если они воздействуют на гены окраски.

ДНК-транспозоны могут «прыгать» в непосредственной близости от генов окраски и менять их регуляцию, что Макклинток назвала «контроль генов». Другие же исследователи полагали, что изменение цвета обусловлено патогенами. Это тоже верно, вирус действительно вызвал тюльпаноманию (см. главу 8). «Прыжок» может произойти где угодно, но визуально можно выявить лишь изменения в регуляции генов окраски. Редко удается наблюдать невооруженным глазом столь сложные механизмы. Нужно быть таким человеком, как Барбара Макклинток, чтобы понять этот механизм или хотя бы частично в нем разобраться, поскольку он до сих пор полностью не изучен. В 2015 г. на конференциях неоднократно показывали фотографию Макклинток.

Барбара Макклинток открыла эпигенетику – явление, выходящее за рамки генетики, поскольку генетические законы Менделя не объясняют цвет зерен кукурузы. За открытие «прыгающих» генов Макклинток можно было бы назвать «госпожа Мендель», настолько высоко мы должны оценить ее открытие. В настоящее время известно, что эпигенетика основана на химических модификациях ДНК и белков, упаковывающих ДНК, которые затем дерегулируют генную экспрессию. Этот эффект объясняется средовыми изменениями и, как правило, не наследуется. К настоящему времени известны два основных механизма, вызываемые химическими модификациями, такими как присоединение метильных групп к ДНК и изменения в белках гистонов (входящих в состав хроматина) путем ацетилирования. Метилирование промотора, провидчески названное Макклинток «контроль генов», выключает экспрессию гена.

Макклинток не поняли, но самое главное – ее не забыли. Она не получила первую Нобелевскую премию, но внесла весомый вклад в наше представление о контрольных участках в геноме не только кукурузы, но и бактерий. В 1965 г. двое коллег из Парижа – Франсуа Жакоб и Жак Моно были удостоены Нобелевской премии за открытие «модели оперона» в бактериях. Макклинток была по крайней мере их идейным вдохновителем.

Макклинток пришлось пережить горечь разочарования, когда ее научные работы были отвергнуты. Она перестала печататься. Обычно это означает конец карьеры – по крайней мере в науке. Но руководители лаборатории в Колд-Спринг-Харбор Фред Херши, а позднее Джим Уотсон заметили ее достижения и, возможно, предугадали значимость ее исследований. Макклинток получила постоянную лабораторию и работала в ней до конца жизни. Ее офис до самого потолка был завален бумагами. С посетителями лаборатории она была вполне дружелюбна, но не отличалась разговорчивостью. Посетителям приходилось постоянно задавать новые вопросы и поддерживать беседу, в противном случае разговор мог сойти на нет. Макклинток могла практически ничего не говорить, оставаясь при этом дружелюбной, но, когда посетители уходили, она вздыхала с облегчением. В 1983 г. Макклинток получила Нобелевскую премию за «открытие подвижных генетических элементов», открытие «прыгающих» генов. Исследователи начали осознавать значение полученных ею результатов применительно к вирусам и раковым клеткам. Она оказалась третьей женщиной, получившей Нобелевскую премию, и одним из немногих лауреатов, кому не пришлось ее ни с кем делить – она была удостоена этой премии единолично.

На тот момент ей был 81 год. В интервью Макклинток отметила, что никогда не сидела вместе с кем-нибудь в машине. Она была очень нелюдимым человеком. А может быть, страдала аутизмом? Вскоре после того, как ей исполнилось 90 лет, она умерла. Макклинток жила в небольшом деревянном домике, сохранившемся с тех пор, когда китобои приезжали в Колд-Спринг-Харбор за питьевой водой. Над ее квартирой в Хупер Хаус располагалось несколько гостевых комнат для участников конференций, со спартанской обстановкой, как в монашеских кельях. Я любила там останавливаться, когда приезжала на симпозиумы. В этих небольших комнатах время как будто остановилось, замок в туалетной комнате был сломан, и постояльцам приходилось придерживать дверь ногой изнутри – и так десятилетиями! Обстановка комнат была очень простой. Из некоторых комнат можно было увидеть канадских гусей и залив с чередующими приливами и отливами. По утрам Макклинток проходила в толстых носках через лужайку. Так можно представить себе восхождение гения на Олимп или достижение паломниками святых мест. Интересно отметить, что Макклинток не удалось бы обнаружить «прыгающие» гены в геноме человека – их больше нет, по крайней мере это происходит не так, как с ДНК-транспозонами, «прыгающими» в геноме кукурузы. У растений самые подвижные геномы, а геном кукурузы с цветными зернами – идеальный тому пример. Геном кукурузы по-прежнему таит в себе много неожиданного, поскольку он способен в один миг лишиться трети или половины своих генов. Геном кукурузы такой же крупный, как и геном человека, и на 85% состоит из ДНК-транспозонов, в то время как в геноме человека на долю транспозонов приходится лишь 3%, и все они неактивны. Макклинток проанализировала механизм «вырезать и вставить» транспозонов не только в кукурузе, но и в бактериях при помощи фагов, когда ген быстро «перепрыгивает» туда-сюда из генома фага в геном бактерии, как шарик при игре в пинг-понг. Эти небольшие подвижные фаги называются Mu (мю), поскольку они мю-тируют геном своего хозяина. Использование Mu как более оперативной модели для изучения и понимания подвижных элементов было еще одной гениальной идеей Макклинток.

Не только знаменитая кукуруза, но и неприметный и внешне ничем не примечательный полевой сорняк Arabidopsis thaliana (резуховидка Таля) был одним из первых выбран для секвенирования целого генома растения, поскольку этот геном состоит лишь из 130 млн пар оснований, что меньше по сравнению с геномом кукурузы или пшеницы. Число «прыгающих» генов и повторов относительно невелико, что упрощает процесс секвенирования. Возможно, небольшая частота «прыжков» объясняет небольшой размер генома, а может быть, это вызвано тем, что культивированием этого растения никто не занимался?

Инструменты, необходимые Mu для «прыжков», напоминают аналогичные инструменты, используемые ретровирусами, особенно интегразу. Фаги Mu всегда интегрируется так же, как ретровирусы, в отличие от других фагов, которые не интегрируются в литической фазе, но Mu это делает. Merck Co использовала интегразу фага Mu в высокоэффективном тесте, направленном на скрининг потенциальных ингибиторов интегразы ВИЧ. Mu является моделью для интеграции ретровирусной ДНК в геном бактерий, замещающей ВИЧ! Я не могла в это поверить! Скорость была одним из важных преимуществ, и это не соотносилось с требованиями техники безопасности, которые действуют в лабораториях. В результате был получен один из самых эффективных клинически значимых ингибиторов интегразы ВИЧ, препарат ралтегравир. В высшей степени удивительное сходство между «прыжками» фагов Mu в бактериях и «прыгающими» генами в кукурузе – и так на всем пути до ретровирусов, таких как ВИЧ, – показывает ошеломляющую степень эволюционного консерватизма: от фага в бактерии к геному кукурузы и к ВИЧ у человека! Для меня это тоже удивительно. Меня восхищают исследователи Merk Co, которым пришла в голову столь интересная идея, приведшая к разработке эффективного препарата. Нет более убедительного сходства между ретровирусом и фагом, ВИЧ и Му, чем это.

Еще одна неожиданность: оказалось, что Mu можно использовать в качестве модели для генной терапии, а именно механизма интеграции чужого гена в зародышевых клетках путем ступенчатого разрыва (шаг с динуклеотидными перекрывающимися концами), который заполняется чужеродным геном. Процессы интеграции фагов Mu и ретровирусов схожи до мельчайших деталей, и их изучали в менее опасных и более оперативных Mu системах.

Практически в то же время, когда Макклинток открыла эпигенетику, у кукурузы был выявлен еще один феномен. В 1956 г. канадский генетик Александр Бринк также отметил совершенно необъяснимое наследование – удивительные узоры окраски кукурузных зерен. Этот процесс, который он назвал «парамутация», занимает более одного поколения и не подчиняется правилам мутаций. Генетика без генов! Этот феномен до сих пор остается незамеченным. Он приводит к наследованию приобретенных качеств, включая способность к обучению, – вопрос, однажды вызвавший политические дискуссии. И опять этот феномен не предусматривает непосредственного генетического изменения генов – в отличие от эпигенетических изменений, они носят долговременный характер и сохраняются на протяжении многих поколений. Сейчас ученые стали вспоминать и анализировать удивительный механизм наследственных изменений, не сопровождающихся мутациями. Это явление получило название «трансгенерационое наследование». У ученых вызвало беспокойство то, что, судя по наблюдениям, у полных мужчин рождаются полные внуки, а у полных женщин – полные внучки. А вот почему – узнаете, если будете читать эту книгу дальше. Открою секрет: наследуемые свойства – специальные регуляторы, называемые пивиРНК, передаваемые через сперму! Это перспектива на будущее, и этот вопрос мы обсудим в следующей главе и в конце книги.

Перед лекционным залом в лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в память Макклинток установлена небольшая стеклянная витрина, которая отражает ее минималистичный образ жизни – почти нищета: пара пинцетов, посеревший початок кукурузы, художественная открытка, очки – почти ничего. Ее тетради хранятся в библиотеке. Ей бы, вероятно, понравилась такая скромная выставка. После нее остались ее идеи, а не эти вещицы. Просто удивительно, как много можно увидеть, рассматривая кукурузные зерна. Глядя на небольшую оловянную тарелку с разноцветными початками кукурузы, купленными мне в подарок одним моим другом на еженедельном фермерском рынке в Граце (Австрия), я вспоминаю о «прыгающих» генах, открытых Макклинток. Вот они: транспозоны, ретротранспозоны, ретровирусы, вплоть до противовирусной защиты и иммунной системы – все принадлежат друг другу. Всего несколько разноцветных кукурузных зерен поведали нам об истории, насчитывающей несколько миллиардов лет. Нужно сохранять некоторые подобные прекрасные свидетельства истории развития жизни на Земле – к ним, конечно же, относится и разноцветная кукуруза из Граца, а не выпускаемая в промышленных масштабах желтая масса в жестяных банках – в ней нет ничего особенного!

Любому читателю, прочитавшему мою книгу до этого предложения, следует написать мне и сообщить, не нашел ли он в ней ошибок и считает ли он, что в текст нужно внести поправки или корректировки. И тогда этот человек бесплатно получит экземпляр данной книги с моим посвящением.

Отравленные игрушки и эпигенетика мышей агути

Молодые мамы, будьте внимательны: цветные мыши могут помочь идентифицировать опасные для детей соски-пустышки. Это эквивалентно цветной кукурузе, только у мышей. Мыши не столь разноцветны, как кукуруза: в норме они черные и выглядят здоровыми, а вот больные мыши – рыжие и толстые. Организм черных мышей подавляет заболевания, ожирение, диабет и даже некоторые опухоли. Именно поэтому они используются в качестве животных моделей для исследования воздействия внешней среды. Такие мыши называются мышами агути, по названию гена цвета агути. Глядя на этих двух мышей, которые кажутся совершенно разными – одна рыжая и толстая, а другая черная и стройная, – невозможно себе представить, что они действительно совершенно одинаковы и имеют идентичные гены. Все дело в эпигенетике.

Эти мыши различаются эпигенетическими эффектами, которые обусловлены «транзиентными» (временными) модификациями их ДНК, а не мутацией ДНК. Эпигенетические изменения возникают вследствие факторов окружающей среды. В этом случае канцерогены способны обусловить химические модификации генов цвета путем метилирования ДНК-промотора и/или ацетилирования гистонов. Вследствие этого гены регулируются по-новому, что можно наблюдать в тех случаях, когда под действием гена цвета нормальные мыши становятся рыжими, а модификации гена цвета приводят к тому, что рыжая шерсть становится черной. В случае промежуточных изменений у мышей появляется коричневый окрас.

А теперь я хочу обратить внимание молодых мам: если кормить мышей агути кормом, содержащим канцерогены, в частности бисфенол А, входящий в состав материала, из которого делают многие детские игрушки, соски-пустышки и детские бутылочки в азиатских странах, следующее поколение мышей будет иметь рыжий окрас в силу активации гена цвета. Это сигнал «опасность»! Мыши агути – «тестовые» мыши или биосенсор изменений факторов окружающей среды, таких как канцерогены и токсины, а также мелкодисперсная пыль, химические вещества, психологические факторы или просто возраст – все эти факторы могут обусловить рыжий окрас мышей. Если в корм самке мыши добавить какое-нибудь второе соединение, например витамин В12или фолиевую кислоту, ее потомство снова станет «здоровым» и будет иметь черный окрас. Один фактор питания или внешней среды способен нейтрализовать другой. В данном случае важно понимать, когда именно это происходит и на каком этапе развития, но такой принцип сам по себе – удивительное явление. И все же я бы не рекомендовала давать детям витамины, чтобы компенсировать токсический эффект игрушек, лучше купить менее токсичные игрушки!

Каким образом ядовитые вещества вызывают изменение цвета? Ответ на этот вопрос дали исследования в новой области, которые представляют собой многоступенчатый процесс: токсины приводят к образованию малой регуляторной РНК, метилятора (РНК-зависимой ДНКметилтрансферазы), которая затем метилирует ДНК и регулирует гены цвета.

Макклинток показала, что «прыгающие» гены (или РНК) могут индуцировать эпигенетические изменения и обусловливать формирование разноцветных кукурузных зерен. Она не знала, что у мышей может меняться окрас. Ее бы, вероятно, удивило такое сходство между кукурузой и мышами. И все же существует общий принцип: эпигенетические изменения контроля генов регулируют появление нового цвета. Во время прогулки можно увидеть собак и кошек с белыми метками на кончиках ушей, с белым пятнышком на задней лапе или в белых «носочках». Белые участки кожи также наблюдаются у лошадей и карпов. Это довольно распространенное явление – в этой книге приведено немало таких примеров!

Вы будете удивлены, когда в конце книги узнаете, что некоторые такие явления являются результатом «парагенетики».

Интересно, что одна РНК-молекула может нейтрализовать эффект другой, поэтому два питательных вещества или даже два яда могут нейтрализовать друг друга. И какое отношение это имеет к вирусам? «Прыгающие» гены, транспозоны или ретротранспозоны родственны вирусам и влияют на контролирующие гены, промоторы и, таким образом, на цвет. Транспозоны напоминают «запертые» вирусы, которые не могут покинуть клетку, и оказываются в заточении внутри клетки, поскольку у них нет оболочки, в которой они могли бы перемещаться.

Вся прелесть заключается в том, что белые отметины на ушах или ногах животных указывают на сложные эпигенетические механизмы, средовые изменения генов. Мне не известно, будут ли такие же отметины на ушах у потомства вашей собаки или лошади – если да, то, возможно, транзиентные (временные) эпигенетические изменения превратились в постоянные мутации благодаря усилиям некоторых амбициозных заводчиков!

Спящая красавица, древняя рыба, утконос и карп кои

Ниже приведено несколько примеров того, как действуют транспозоны в организме различных видов животных. При этом был отмечен случай «воскрешения» одного транспозона из генома лосося с весьма подходящим названием «моряк», которого «оживили» из неактивного древнего транспозона, названного «Спящая красавица» (СК) по имени героини сказки братьев Гримм. Для его реактивации использовали метод, аналогичный описанному выше, когда речь шла о вирусе «Феникс» – реактивированном ретровирусе, который восстановил свою инфицирующую способность после 35 млн лет «спячки». А вирус «Спящая красавица» «дремал» более 10 млн лет. А потом исследователи его «разбудили». В этом случае в лабораторных условиях заменили стоп-кодоны и восстановили транспозон, который вновь приобрел способность к «прыжкам». В 2009 г. в США Международное общество молекулярной и клеточной биологии избрало лососевый СК-транспозон молекулой года, что сделало этот транспозон еще более известным. Сейчас все ждут, что этот транспозон окажется эффективным в генной терапии и будет лишен побочных явлений (или с меньшим количеством?), поскольку, в отличие от ретровирусов, он не интегрируется. И действительно, в 2016 г. был достигнут некоторый прогресс – транспозон использовали для создания зеленой коровы и, что более удивительно, зеленой коровы со светящимися красными глазами. Теперь люди должны получить трансгены или терапевтические гены (не гены цвета) для лечения глазных заболеваний. Поживем – увидим.

Есть такое экзотическое животное, просто набитое «прыгающими» генами, – рыба целакант (African coelacanth) размером примерно с обеденный стол. Ее довольно долго считали вымершей, пока однажды в Южной Африке директор некого музея не увидел ее в рыбацкой сети. С тех пор было замечено еще с десяток особей этого вида. В 2013 г. фотографию рыбы напечатали на обложке Nature. Целакантам около 40 млн лет, и они считаются самыми древними из ныне живущих рыб – живыми ископаемыми. Эта рыба растет очень медленно, почти незаметно около 20 лет, а живет более 100 лет. Возраст рыбы можно определить по органам, обеспечивающим равновесие, – практически так же, как и по годовым кольцам деревьев. Длина генома целаканта составляет 2,9 млрд пар оснований – неожиданно крупный геном, полный повторяющихся последовательностей, которые амплифицируются (до 60%) при отсутствии выраженной диверсификации. Аксель Майер из Констанца, специалист по рыбам cichlids, обитающим в восточноафриканском озере Виктория, является одним из соавторов геномного анализа целаканта. Но даже он не знает, почему геном данной рыбы отличается таким постоянством. У нее не было естественных врагов? Эта рыба особенно интересна тем, что может плавать и бегать, и эта способность должна прослеживаться в ее генах. Я бы пополнила ею свою коллекцию диковинных вещей, кунсткамеру странностей.

Еще одно экзотическое животное – утконос, необычно выглядящее вымирающее австралийское животное. Его геном полностью секвенировали мои коллеги из Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин) и установили, что геном утконоса на 50% состоит из транспозируемых элементов, и некоторые из них очень часто повторяются; кроме того, налицо чрезвычайно много SINE, количество которых, должно быть, многократно увеличилось. Ни у одного другого организма нет такого количества SINE. Причины этого неизвестны. Утконос – животное, находящееся в середине эволюционного пути от птиц к млекопитающим, с утиным клювом, густой шерстью и большим хвостом, в котором может скапливаться жир; он откладывает яйца и вырабатывает молоко. Самец может распылять «яд улитки». Утконосу примерно 100 млн лет. Звучит странно, как научная фантастика. Его геном представляет собой смесь генов различных видов животных.

Еще есть рыба – карп кои, которая внезапно может погибнуть в садке. Этих японских декоративных рыб из семейства карповых поставляют по всему миру для украшения открытых прудов, и они имеют символическое значение – своего рода японская версия священных коров в Индии. Разведение этих особенных ярких рыбок имеет долгую историю. Возможно, внимательный читатель уже готов спросить, не вызвана ли их красочность действием «прыгающих» генов, как в случае с окраской зерен кукурузы? Это именно то, что я предполагала, поскольку у заводчиков возникают проблемы из-за постоянного изменения цвета рыбок из поколения в поколение, который не наследуется должным образом. Обусловлен ли этот явный знак – подозрительная схожесть с эффектом, наблюдаемым у кукурузы и мышей агути, а также у полосатых тюльпанов (см. главу 8), – тоже эпигенетическими изменениями?

Почему же карпы кои неожиданно погибают? Они погибают из-за герпесвируса кои. Может быть, у них слишком высокая плотность популяции? Могла ли какая-нибудь новая рыба быть носителем вируса и заразить всех остальных? Нет, все дело в том, что человек изменил их среду обитания: выпрямил границы озера, убрал ступенчатые рыбоходы, чтобы рыба не могла плыть вверх по течению и откладывать икру. А это стресс для карпов кои! Он влияет на их иммунную систему и приводит к активации герпесвирусов. В Германии ступенчатые рыбоходы для лосося стали обязательными, чтобы рыба могла выпрыгивать из воды, поднимаясь вверх по течению. У наших карпов такие же привычки и такие же проблемы. Известно, что под действием стресса у нас на губах активизируется герпесвирус и появляется герпесная лихорадка – то же самое происходит и с рыбами. Стрессовый фактор внешней среды действует на реальные вирусы и эпигенетические свойства.

Забор со щелями

Просто удивительно: лишь 2% нашего генома кодирует белки. А что же остальные 98%? Эта часть генома обеспечивает нормальное функционирование 2% генов, кодирующих белок. Регуляторные, или некодирующие нкРНК происходят из этих 98% генов. Австралийский ученый Джон Маттик много лет подчеркивал значение данного рода нкРНК. На графике, приведенном в статье, опубликованной в Scientific American, он показал, как по мере повышения сложности организации живых организмов от бактерий, одноклеточных организмов, грибов, растений к позвоночным количество регуляторных РНК увеличивается от нуля до 98% суммарного количества РНК. Мы находимся на верхней планке этой шкалы. Почему у сложноорганизованных животных гораздо выше уровень нкРНК? Ответ на этот вопрос прост: это нужно для обеспечения более сложной организации живых существ.

Наша геномная ДНК кодирует в общей сложности 20 000 генов. И все же, как это ни странно, наш геном уступает геному бананов, в котором примерно 35 000 генов, а в геноме кукурузы 50 000 генов, равно как и в геноме пшеницы и тюльпанов. Что касается генома пшеницы, выделено три родственные хромосомы, как будто они являются результатом процедуры умножения. Хлеб, испеченный из муки, получаемой из пшеницы, у которой всего одна хромосома из трех, имеет горький привкус. Из такой муки сложнее выпекать хлебобулочные изделия. Возможно, гигантские геномы являются следствием длительной селекции и культивирования. Хотя из этого правила вполне могут быть исключения.

У полевого цветка резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) 28 000 генов – вероятно, никому не приходило в голову культивировать этот «бесполезный» сорняк. Поэтому его геном остался мелким. Затем следует червь C. elegans, имеющий 23 000 генов. С точки зрения числа генов человек находится не в верхней части диапазона. Таким образом, у нас с нашими 20 000 генов их меньше, чем у невзрачного цветка резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana) и у амебы.

У обезьян и мышей столько же генов, сколько у нас. Создается впечатление, что такое утверждение не имеет должных оснований. Число генов, безусловно, не коррелирует с уровнем интеллекта! Во время общественного обсуждения этой проблемы возник непростой вопрос: почему у человека так мало генов? У нас их не так уж и мало, просто они длиннее. У всех других видов живых существ гены короче. У человека самая длинная ДНК – в среднем 160 000 пар оснований из расчета на один ген. Таким образом, у тюльпанов, кукурузы и бананов генов больше, чем у нас, но эти гены короче и «менее информативны». У риса и кукурузы гены примерно на 1/10 и 1/5 короче по сравнению с нашим геном, состоящим из 10 000–50 000 пар оснований из расчета на один ген. Гены бактерий состоят примерно из 1400 пар оснований, а у многих вирусов самое маленькое число – около 1000 пар оснований из расчета на один ген. В контексте данной книги целесообразно помнить о небольшой численности вирусных геномов, поскольку существуют и исключения – гигантские вирусы (см. главу 6).

Есть странный факт: у скандинавской ели, самого древнего из известных на Земле деревьев, которому 9500 лет, геном в шесть раз больше нашего. Тем не менее у этого дерева число кодирующих генов столь же мало, как в геноме полевых цветов. Многие из его генов являются повторяющимися, но никаких инноваций не наблюдается. Неужели скучная жизнь длится дольше? Я пополню образцом этой ели свою коллекцию диковинных вещей.

У мух был описан довольно эффективный процесс очищения от ненужного генного материала, и ученые даже заговорили о механизме «наведения порядка» применительно к генам. Для очищения генов требуется энергия. Но что дешевле и экономичнее: хранить ненужную ДНК-информацию в геноме или удалить ее? Является ли хранящаяся информация равноценной тому, что часто называется «мусорной ДНК»? Это ДНК, полная неизвестных или потенциально бесполезных последовательностей? Удаление избыточной ДНК недостаточно изучено.

Если представить, что мне нужно срочно навести порядок в подвале дома, я все равно предпочту не выбрасывать все подряд, поскольку расходы на хранение этих вещей не слишком велики. Я знаю, что весь этот «хлам» может когда-нибудь понадобиться. Во время войны, когда ничего невозможно было достать, платья шили из занавесок. Вероятно, избыточные ДНК могут оказаться полезными в период дефицита и использоваться как резервные копии. Очистка была бы намного более трудоемкой.

Какую функцию в геноме человека призваны выполнять чрезвычайно крупные гены, если не хранение информации, кодирующей белок? А ответ такой: хранение регуляторной информации, управление, организация и комбинации генных участков для образования новых генов!

Большие гены полны интронов, чередующихся с экзонами, которые являются промежутками между экзонами. Выше мы использовали в качестве модели интронов и экзонов забор, состоящий из столбов и пустых промежутков между ними. Интроны экспрессируют регуляторную некодирующую, или нкРНК, которая предназначена не для кодирования белков, а для их регуляции. Гены человека состоят в среднем из семи экзонов/интронов, при этом интроны могут быть очень длинными, в сотни раз длиннее экзонов, что очень напоминает забор с большими пустыми промежутками между столбами (или открытые ворота).

А теперь мы подошли к важному моменту: экзоны могут комбинироваться путем сплайсинга, обусловливая сложную организацию, особенно из-за того, что наши гены самые крупные. Это делает человека более высокоорганизованным живым существом по сравнению со всеми другими.

Когда открыли ДНК, представлялось, что один ген кодирует один белок, и это воспринималось как само собой разумеющееся. Такое утверждение некорректно для нас, людей, чего нельзя сказать о вирусах, поскольку у вирусов нет интронов. Несмотря на это, они тоже способны к сплайсингу, но только за счет нового комбинирования участков экзонов – это опять-таки является одним из минималистичных и экономичных свойств вирусов. И все же вирусам тоже необходима регуляция генной экспрессии. С помощью электронной микроскопии был открыт сплайсинг в вирусах, при котором визуально определялось образование петлеобразных структур из участков вирусного генома. Благодаря сплайсингу становится возможным использование различных «рамок считывания» – принципа, действующего на всех уровнях от вирусов до нас.

У вирусов число некодирующих нкРНК минимально, почти равно нулю. У бактерий этот показатель составляет примерно 10% (в некоторых отчетах можно найти и 0%), у дрожжей – 30%, у C. elegans – 70%, у мух – 85%, а у мышей и человека – 98%. Можно выразить это иначе: у вирусов белок-кодирующая информация составляет практически 100%, а у человека – только 2%. Поэтому можно сказать, что наш геном регулируется другими 98%, соответствующими исполнительной и законодательной власти в политической системе. Совершенно верно, а определение «исполнительный» (executive) похоже на понятие «экзон» (exson). Означает ли это, что нами управляет очень рассудительная законодательная власть? Нет, все как в политике. В Швейцарии семь человек представляют исполнительную власть и 200 человек – законодательную власть / регуляторные органы. Похоже, наша генная регуляция осуществляется в пропорциях, сопоставимых с соотношением ветвей власти в самой демократичной стране мира, по крайней мере с точки зрения швейцарцев!

Законодательная власть – интроны, они определяют программы, осуществляют временну́ю и пространственную координацию, разработку, дифференциацию, специализацию, программы роста и гибели клеток (апоптоза), равно как и адаптацию, иммунный ответ, инновации и максимальную эффективность функционирования организма человека. И в заключение отмечу: комбинаторное соединение генетических участков, осуществляемое путем сплайсинга, обусловливает специфичность человека как вида. И в этом наша сила!

Проект ENCODE, направленный на формирование представления о «мусорной ДНК»

Что происходит с 98% генома человека? 2% генома кодируют белки, а что делает оставшаяся часть, мы не знаем. Поэтому в рамках проекта «Геном человека» был инициирован проект ENCODE («Энциклопедия элементов ДНК»). Целью ENCODE является выяснение, что происходит в «пустынных участках» – так авторы проекта назвали некодирующие (нк) «пустые» пространства, расположенные между кодирующими участками. Только 2% ДНК приписываются к белкам. Большая же часть ДНК, 98%, экспрессируются как некодирующие нкРНК, которые выполняют регуляторную функцию, направленную на организацию оставшейся части РНК, экспрессию белков. Пустынные участки содержат короткие и длинные регуляторные элементы, в частности энхансеры, репрессоры, сайленсеры, с активными и неактивными сайтами, инсуляторы, промоторы, находящиеся рядом с генами, «инструкции» по процессингу (тримминг, обрезка РНК), химическим модификациям, таким как метилирование ДНК и ацетилирование хроматина (возможно также, фосфорилирование и прочие модификации) и РНК-транскрипты генов. Одним из недавних открытий стало выяснение роли «инсуляторов» (insulators, «изолирователи»), название которых говорит само за себя и подразумевает блокировку участков, расположенных между промотором и энхансером. Как действует этот механизм, до сих пор неясно. Задача заключается в том, чтобы понять, каким образом и при каких обстоятельствах проявляется активность гена. Кроме того, будет проведен анализ интенсивности сигнала (насколько активен ген), насколько сильно он экспрессируется и сохраняется в процессе эволюции. Но это не относится к вирусам, поскольку они не консервативны, в связи с чем, вероятно, понадобятся дополнительные исследования.

В последнее время обработка огромного объема данных сопровождается астрономическими цифрами, которые упоминаются и в голландском геномном анализе. Представьте себе нагромождение бумаги высотой 15 м и длиной 35 км, исписанной только четырьмя буквами A, G, T и C в порядке, который пока никто не понимает: объем написанного – 15 Тбайт (или 15 000 Гбайт), и все это нужно понять как текст, разбить на предложения, главы, заголовки и параграфы. Общая длина генома человека 3,2×109 нуклеотидов.

Сейчас, спустя много лет после того, как в 2003 г. начался проект ENCODE, опубликовано более 2500 работ. Поразительно, но некоторые из них озадачивают. У нас всего 20 000 генов, однако в этих публикациях описываются 70 000 промоторов – исходные последовательности и регуляторные участки, расположенные перед генами. Почему же промоторов настолько больше, чем генов? Кроме того, было выявлено 40 000 энхансеров – более отдаленных от гена участков с трансграничными эффектами дальнего действия, не кодирующих белки. Похоже, на пустынных участках, где производится большое количество регуляторных нкРНК, наблюдаются мутации, приводящие к заболеваниям. Были выявлены дефектные регуляторные элементы, провоцирующие болезни. Дерегуляция (ослабление контроля) экспрессии генов часто означает рак. Действительно, как оказалось, болезни обосновываются в некодирующих областях.

В настоящее время ДНК проанализирована лишь на 10%. К концу 2014 г. 440 ученых из 32 групп, работающих со 147 типами клеток в соответствии со стандартными протоколами, провели 1648 экспериментов.

Итак, можно ли сейчас дать определенный ответ, какая доля ДНК приходится на «мусорную» часть? Нет. Как выяснилось, пустынные участки ДНК на 80% функционально активны, а 75% таких участков транскрибируется в РНК не для производства белков, а для регуляции.

Таким образом, бóльшая часть ДНК выполняет какие-нибудь функции. Многие вирусные последовательности оказываются поврежденными настолько, что похожи на «мусор», но часто они все равно выполняют какую-нибудь функцию и их ДКП ранее упоминались как остаточные последовательности, являясь промоторами для прочих генов. Другие же последовательности, возможно, находятся на пути к исчезновению и поэтому вполне могут представлять собой «мусор». Эволюция идет своим чередом и никогда не останавливается! При проведении генетической диагностики нужно иметь в виду, что геномы двух «нормальных» людей отличаются на 0,5%, что составляет 16 млн пар оснований (это число недавно увеличилось в пять раз) из общего числа генов 3,2 млрд. Исходя из этого, нужно определить последовательности, ассоциированные с заболеваниями. Какой из однонуклеотидных полиморфизмов (ОНП) указывает на заболевания, а какой ничего не значит? Этот вопрос требует решения. Чтобы преодолеть соотношение «сигнал–шум», нужно разработать новые технологии.

Вероятно, существуют рациональные способы найти ответы на все или на некоторые из этих вопросов. Крейг Вентер нашел более дешевый и быстрый способ проанализировать геном человека, сократил расходы на исследовательскую работу на несколько порядков и сэкономил человечеству лет 10 работы. Сможет ли он или кто-нибудь другой повторить его успех в рамках проекта ENCODE? Надеюсь. Все данные, получаемые в указанном проекте, становятся предметом гласности, и недавно были организованы курсы по обучению работе с этими данными. Все могут помочь – если смогут!

8. Вирусы – наши самые древние предки?

В начале была РНК

Я полагаю, жизнь началась не от Адама и Евы и зародилась она не в раю, а в океане, около вулканов, где очень высокая температура, и это скорее ад, чем рай. Рассматривается также другой источник жизни – лед! Жизнь могла зародиться в жидких канальцах внутри льда. Если хочется в данном контексте процитировать Библию, можно привести первое предложение Евангелия от Иоанна: «В начале было Слово». Кроме того, Иоганн Вольфганг Гёте в своем выдающемся произведении «Фауст» также сослался на эту фразу из Нового Завета: что было в начале – слово, чувство или сила? Это удивительным образом согласуется с нашим нынешним представлением о происхождении жизни: сначала были буквы и слова. Первые биомолекулы возрастом около 3,9 млрд лет состояли из коротких РНК, а РНК состоят из нуклеотидов, являющихся строительными блоками. Кратко их можно описать в виде четырех букв: A, U, G, C. Чтобы закодировать всю сложность жизни на Земли, достаточно всего четырех букв, что поразительно мало. Основания входят в состав нуклеотидов, а их названия стали сокращениями. Откуда появились эти четыре буквы в самом начале эволюции? Возможно, сначала их было всего две. Они появились в первичном бульоне под воздействием молний и гроз на дне Мирового океана вокруг подводных вулканов и гидротермальных источников, называемых «черные курильщики». В этой среде температура может варьироваться от 0 до 400°С (именно так, поскольку из-за высокого давления температура жидкой воды может превышать 100°С). В настоящее время ученые пытаются воспроизвести условия, которые могли привести к образованию первых РНК-молекул. Это оказалось настолько сложно, что некоторые исследователи использовали это обстоятельство как аргумент, опровергающий роль РНК в образовании жизни. Действительно ли РНК возникла в вечной мерзлоте? РНК при низких температурах и в самом деле демонстрируют стабильность. Исследователи Общества Макса Планка (Гёттинген) хранят ДНК в морозильных камерах, чтобы понять, способны ли они расти, реплицироваться и мутировать. Могла ли во льду зародиться жизнь? Высокая температура могла бы привести к разрушению РНК.

Если нужно найти объяснение чему-то неизвестному, мы склонны думать об источниках жизни внеземного происхождения или метеоритах. Ученый Калифорнийского технологического института Джозеф Киршвинк в день 90-летнего юбилея Фримена Дайсона высказал мнение, что метеориты принесли на Землю некоторые компоненты жизни. Серьезно ли он говорил об этом? Вероятно, да. Однако это зависит от размера и природы компонентов, если речь идет о железе, а не о РНК. Если вопрос о происхождении жизни на Земле вам неинтересен, можете сразу переходить к разделу о салате – не много потеряете. Данная информация предназначена для тех, кому данный вопрос все еще интересен. Результаты экспериментов весьма впечатляющие! В 2015 г. Джон Сазерленд и его коллеги из Великобритании опубликовали совершенно удивительные результаты экспериментов. В реакционном сосуде, содержащем только HCN, P, H2S и H2O (цианистый водород, фосфор, сульфид водорода и воду), под действием ультрафиолетового излучения в качестве источника энергии они получили все три основных строительных блока жизни на Земле: нуклеотиды для нуклеиновых кислот, аминокислоты для белков и липиды для образования капель – и все это в одной пробирке. Таким образом, РНК вполне могла образоваться на Земле – суждение, которое часто подвергалось сомнению со стороны биохимиков. Некоторые специалисты также считают, что аминокислоты, возможно, являются первичными строительными блоками, хотя и не реплицируются. Ультрафиолетовое излучение невозможно заменить другими источниками энергии. Свет необязательно является первым источником энергии, поскольку он не может проникать ниже уровня моря более чем на 200 м. Жизни нужна энергия. Не существует «вечного двигателя». И все же источником энергии необязательно должно быть солнце или клетка. Возможно, вполне достаточно химической энергии. Клетки появились намного позднее. В связи с этим возникает вопрос: что появилось сначала – вирус или клетка? Вообще принято считать, что вирус нуждается в клетках и поэтому сначала появились клетки. И все же вирусам нужна энергия, но она необязательно находится внутри клетки. В толщи океана существует химическая энергия, присутствующая в химических соединениях, и кроме того, есть термальная энергия. Некоторые химические реакции могли осуществляться ранними формами жизни, которые могут быть настолько специализированными, что «облизывают» электроды, забирая электроны для осуществления химических и окислительно-восстановительных реакций с CO2, как было показано в 2015 г. на выставке «Жизнь на пределе», проходившей в Американском музее естественной истории. Вода и вправду могла появиться во время Большого взрыва, то есть 14 млрд лет назад, и попала на Землю в виде прибывших из космического пространства «грязных снежков». Другие элементы тоже прилетели из открытого космоса, где под действием гравитации пыль уплотнялась и сплавлялась в более тяжелые элементы. Жизнь действительно состоит из «звездной пыли».

В настоящее время вирусы «минимизировали» образ жизни и зависят от клеток. Но в начале эволюции все могло быть иначе (как все могло происходить, рассматривается в главе 12). А начинаться все должно с простого – такого же мнения придерживался и Чарлз Дарвин, но не все мои коллеги готовы согласиться с таким утверждением.

Если исходить из того, что РНК появилась первой, что принимается многими, тогда первые РНК-молекулы должны были быть короткими. Чем длиннее молекула РНК, тем менее стабильной она становится. Манфред Эйген рассчитал, что частота ошибок при дублировании ДНК уравновешивается длиной РНК, и формула выглядит следующим образом: частота ошибки, умноженная на длину, равную примерно 1 (например, 100 нуклеотидов, а частота ошибок составляет 1%, тогда средний показатель частоты ошибки из расчета на одну РНК-молекулу равен 1; или при копировании 10 000 нуклеотидов ВИЧ могло бы быть примерно 100 ошибок). Слишком большое количество ошибок при копировании приводит к «катастрофе ошибок» и прекращению развития, тогда как слишком незначительное число ошибок не обеспечивает достаточный объем информации. Эйген попытался уничтожить ВИЧ, искусственно увеличивая число мутаций. Пространство последовательностей для РНК огромно. Если исходить из того, что длина равна 50 нуклеотидам, основанным на четырех нуклеотидах, то может получиться 450 или 1030 различных последовательностей. У полиовируса, имеющего 7500 нуклеотидов, число последовательностей теоретически может составить 47500. Это больше, чем атомов на планете или звезд на небе, которых «всего» 1025. Получается число последовательностей, превышающее число последовательностей, которые когда-либо существовали в природе.

У РНК есть еще одна особенность: она никогда не является одним определенным «видом», но всегда представляет собой смесь различных последовательностей, своего рода скопление. Для этого явления Эйген ввел термин «квазивид» – результат высокой частоты мутаций молекул РНК, подвергающихся репликации (у вирусов), что приводит к образованию не одного вида молекул, а целой популяции большого количества связанных между собой, но все же разных молекул. Квазивид весьма выраженно обусловливает инновационный потенциал РНК-вирусов, обеспечивая их преимущества по сравнению с другими видами. Эта смесь также делает вирусы РНК, такие как ВИЧ и грипп, настолько проблематичными, что если мы лечим один из вариантов, то тут же появляется другой. Репликация ДНК в меньшей степени подвержена ошибкам, поскольку вторая цепочка в двухцепочечной спирали ограничивает изменения в первой. Клетки же разработали механизм устранения ошибок, своего рода операцию «корректировать и вставить» – у одноцепочечных РНК ничего подобного нет. Какая субпопуляция более подходит для противовирусной терапии? К счастью, некоторые вирусы более приемлемы для этого, чем другие, и могут доминировать в популяции. На них в первую очередь и направлена терапия. Однако, как только они полностью подавлены, остальные виды, менее подходящие для терапевтического воздействия, наверстывают упущенное. Зачастую они растут медленнее, гораздо медленнее. Если и они подавляются лекарственными препаратами, бывшие «фавориты» вновь возвращаются. Это может произойти очень быстро – в случае ВИЧ в течение восьми недель, что стало большой неожиданностью для многих ученых. И тогда «победителя» можно вновь атаковать первым лекарством. Как клетки могут быть источником жизни, если для репликации им нужно минимум 473 гена, синтез белков, а также рост в пробирке, как показал Крейг Вентер? Такая искусственная мини-бактерия, которая растет довольно медленно и соответствует 531 560 нуклеотидам. Естественная живая клетка, например клетка бактерии E. coli, имеет 4300 генов, что соответствует 4,6 млн нуклеотидов. Это слишком много для начала жизни. Насколько мелкими должны быть организмы? Вирусы находятся на границе жизни, несмотря на то, что гигантские вирусы могут иметь до 2500 генов и быть до пяти раз крупнее некоторых бактериальных клеток. У поксвирусов, которые почти относятся к гигантским вирусам, 500 генов, у вирусов герпеса 100 генов, у ретровирусов, вируса гриппа и полиовирусов примерно 10 генов у каждого. Еще меньший размер имеют вирусы растений, в частности вирус табачной мозаики, у которого всего четыре гена. У многих из них одна молекула выполняет две функции, что является типичным минималистичным свойством вирусов, – одной молекулы с двумя короткими разными концами достаточно для приобретения одной молекулой нескольких свойств. Существуют ли организмы, вообще не имеющие генов? Да, есть и такие. Это мои перспективные кандидаты на роль источников жизни. Они небольшие и простые. Просто невероятно, на что они способны – практически на все! Пожалуйста, продолжайте читать эту книгу (см. раздел про вироиды)!

Что появилось сначала – курица или яйцо? Ни то ни другое!

Существует РНК-молекула с очень специфическими свойствами, каталитическая РНК, которая обозначается как «рибозим» – это понятие состоит из двух частей – «рибо» и «энзим» (фермент), поскольку РНК ведет себя как фермент, несмотря на то, что она не является белком (из которых обычно состоят ферменты). Этот рибозим может расщеплять другую РНК многократно, не «истощаясь», что типично для каталитической активности ферментов в целом.

В Калифорнии совсем недавно было показано, что если поместить такие РНК-молекулы в пробирку, то там будут происходить удивительные вещи. Они могут расщеплять, соединять, реплицироваться и даже мутировать, чтобы создать условия для эволюционирования, а также защищаться от родственных РНК. Репликацию РНК в пробирке продемонстрировал Джерри Джойс в Ла-Холье, который много лет подбирал подходящие условия для такого эксперимента. Для каждого следующего круга репликации он неоднократно выбирал из пула РНК более быстро реплицирующиеся РНК, что приводило к повышению скорости репликации. Это соответствует эволюции, происходящей в пробирке, где РНК может мультиплицировать и совершенствоваться, то есть эволюционировать. Возможно, это еще не реальная жизнь, но нечто близкое к ней. Действительно мертвая частица песка не способна на такое. Таким образом, рибозим по крайней мере гораздо живее песчинки.

Каталитическую РНК открыли Том Чех и Сидни Альтман. В то время каталитическая активность считалась привилегией белков и никому не приходило в голову, что РНК может быть катализатором. В настоящее время рибозимы могут рассматриваться как самые важные строительные блоки в начале формирования жизни и, возможно, остаются в этой роли и сейчас. Каталитическая РНК даже способна к саморасщеплению, а затем восстановлению на месте разреза, что напоминает сплайсинг, о котором шла речь выше. Рибозимы, мелкие РНК-молекулы, могут делать всё: расщеплять, соединять, реплицироваться, эволюционировать, – в то время как клеткам млекопитающих для одной из таких же процедур, сплайсинга, требуется больше ста белков. Безусловно, в реальности невозможно проводить такое сравнение, поскольку мы устроены гораздо сложнее, то же касается и сплайсинга. Однако рибозимы настолько просты и универсальны, что разве они не кажутся очень древними? Ниже приводятся доводы в пользу данного утверждения.

В настоящее время появился новый ответ на вопрос, что было первым – ДНК или белки. Это молекулярно-биологическая версия хорошо известного вопроса: курица или яйцо? А ответ прост: ни то ни другое. Это была РНК! В 1989 г. об этом даже упоминалось в пресс-релизе Комитета по присуждению Нобелевской премии, посвященном Чеху и Альтману, когда они были удостоены этой чести за впечатляющее открытие каталитических РНК, рибозимов. Белки-ферменты тем не менее не попали в немилость, поскольку большинство из них на несколько порядков эффективнее каталитических РНК. Белки-ферменты составляют основу нашего метаболизма в целом, в каждой клетке. Но они появились позднее. А для синтеза белка необходимы рибозимы! Поживем – увидим! Некоторые рибозимы в процессе эволюции превратились в белковые ферменты. Тенденция перехода от РНК к белкам является общим прогрессом в эволюции и часто наблюдается.

Вироиды – первые вирусы?

Профессор Хайнц Людвиг Зенгер работал в Институте вирусологии при Гиссенском университете. Зенгер заметил, что в теплице отца некоторые листья на деревьях выглядели сухими при отсутствии недостатка воды. Он тщательно изучил этот вопрос и обнаружил вироиды. Я бы хотела отнести вироиды к вирусам, что поясню далее. Зенгер стал заниматься растительными вирусами и фактически лишился работы, поскольку много лет ему не удавалось получить вироиды из пораженных заболеваниями растений. Это было в конце 1960-х гг. Немецкий научный фонд начал терять терпение и был близок к тому, чтобы больше не предоставлять ему гранты. Директору Института вирусологии нужно было вступиться за Зенгера и привести убедительные доводы в защиту его исследований, и, к счастью, он это сделал. Наконец Зенгер повысил температуру в теплице. Звучит тривиально и слишком просто, но это было абсолютно необходимо, что в итоге и позволило получить и изолировать вироиды. В его лаборатории ужасно пахло фенолом, который нужен для выделения вирусной РНК из листьев растений, как если бы исследования вироидов состояли исключительно из фенольных экстракций, которые он действительно проводил довольно долгое время. В конце концов было собрано достаточное количество вироидных РНК и Зенгеру с коллегами удалось определить последовательность РНК. Это произошло задолго до того, как стало возможным использовать высокопроизводительный процесс секвенирования РНК, и в техническом отчете содержалась информация о секвенировании всего 365 нуклеотидов. Зенгер сделал это незаметно и с таким расчетом, чтобы участливый, но все же достаточно властный директор института не сделал данные предметом гласности, что было преждевременно. РНК не только секвенировали, но и определили, что это кольцевые РНК. Такое заключение было сделано на основании необычных миграционных свойств РНК в гель-электрофорезе, который разделяет молекулы по размеру с помощью электрического тока. Кроме того, конкурент (или коллега) Зенгера Теодор Динер, работавший в США, отметил наличие кольцевых РНК на снимках, сделанных при помощи электронного микроскопа. Кольцевые РНК были настолько необычными, что саму идею отвергли, сочтя помехами изображения. Они даже вырезали информацию о кольцевых структурах и не опубликовали ее. Видимо, позднее они были раздосадованы из-за того, что упустили возможность первыми заявить об этом захватывающем открытии.

Но тогда все это было в новинку и открытие опережало время. Зенгер и Динер или же другие группы ученых могли бы получить Нобелевскую премию. Они обнаружили вироиды одновременно и независимо друг от друга. Зенгер стал директором Общества Макса Планка в Мюнхене, но позже ударился в мистику и отдалился от науки.

Детлев Ризнер, который впоследствии основал компанию Qiagen, продолжил анализ вироидов путем очистки, попытавшись выделить максимально малое число РНК. Позже Ризнер занимался поиском РНК в прионовых препаратах вместе со специалистом по прионам Стенли Прузинером, но РНК в прионах не обнаружена и по сию пору. Конечно, на доступном уровне чувствительности. Будучи экспертом по ядерным нуклеиновым кислотам, Ризнер стал инициатором создания самой успешной биотехнологической компании в Германии Qiagen. В какую лабораторию в любой стране мира ни войдешь – в Корее, Китае, Египте, более чем в 20 странах, нельзя не заметить оборудования Qiagen в коробках синего цвета. Кроме того, мои сотрудники хотели приобретать продукцию Qiagen для всего, иногда даже для бессмысленных экспериментов! В конце концов мое терпение лопнуло, и я отказалась подписывать бланки заказов. В этих коробках есть даже небольшие бутылочки с дистиллированной или стерильной водой – это как полуфабрикат бисквита – «просто добавь воды и размешай». Но одноразовые наборы обусловили невероятный успех компании, поскольку в этом случае невозможно заражение даже самым незначительным количеством нуклеиновых кислот, что случается довольно часто. Ризнер с большим энтузиазмом продолжает заниматься предпринимательской деятельностью, и ему очень далеко до пенсии. Сейчас он учреждает новую компанию. Планируется, что она будет заниматься разработкой препаратов на основе полученных из ДНК рибозимов для лечения нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера. При этом для компаний он эдакий золотой бизнес-ангел. Ризнер возглавляет советы директоров примерно в 15 биотехнологических компаниях и гораздо плотнее занимается биотехнологической отраслью, чем своим хобби – винтажными машинами. Я была в числе соучредителей одной из его компаний. Был ли у него шанс получить Нобелевскую премию? «И не однажды», – ответил он.

Вироиды – генетически неграмотные универсалы

Каданг-каданг – так филиппинцы называют заболевание, поражающее кокосовые пальмы. Оно вызывается вироидами. Что такое вироиды? Разве это не вирусы? Они ведут себя как вирусы, но выглядят иначе. Они «голые», и у них нет оболочки, поэтому им дали компромиссное название «вироиды». Я думаю, их следовало бы отнести к семейству вирусов, но не все вирусологи с этим согласны. Если перед вами человек в пальто, он человек, а если он раздет, то гоминоид или по-прежнему человек? Поэтому я бы хотела отнести вироиды к вирусам. Просто это – «голая» РНК. Этому посвящена моя опубликованная статья «Вирусы – наши самые древние предки»; правда, в конце стоял скромный знак вопроса. Если вироиды – самые древние биомолекулы, тогда вирусы действительно наши самые древние предки.

Мы сидели и завтракали в один из дней Всемирного саммита по вирусологии в Пусане (Южная Корея), в котором участвовало не более 50 человек. Безусловно, это не было саммитом, как было объявлено, и само мероприятие не вполне отвечало ожиданиям участников. Корейцы, вероятно, даже представить себе не могли, как мало ученых приедет на этот саммит. Тем не менее последствия оказались удивительными: несколько растерянных участников данного мероприятия рассказали друг другу больше, чем 25 000 ученых, присутствовавших на Всемирном саммите по ВИЧ, о чем стоило бы задуматься.

Итак, мы слушали восьмидесятилетнего Джона Рэндлза, которого 50 лет назад филиппинские политики попросили разобраться с заболеванием, поразившим пальмовые деревья. С борта самолета он увидел уничтоженные леса и нашел этому объяснение: местные жители забираются на верхушку пальмы, где срубают плоды всегда одним и тем же ножом, перенося возможного инфекционного агента с одного дерева на другое. В соке пальм действительно выявили вироиды, которые позднее были названы «вироиды каданг-каданга кокосовых пальм». Эти вироиды наносят существенный экономический ущерб, поскольку инфицируют пальмовые деревья, многолетние перцы чили и ананасы, а также картофель в Европе. Зараженные ножи – это то же самое, что зараженные шприцы и иглы, при использовании которых ВИЧ передается в среде наркоманов или в плохо оборудованных больницах, где не могут позволить себе одноразовые шприцы и иглы. Так ВИЧ-инфекции распространялись в больницах в начале вспышки заболевания в Киншасе (Африка). Аналогичным образом вирус гепатита С (HCV), к сожалению, распространился в Египте при проведении инъекций от шистосомоза зараженными иглами. Благодаря этим инъекциям удалось покончить с тропическим заболеванием, вызываемым паразитами, однако через зараженные иглы миллионы людей были инфицированы вирусом гепатита С, который приводит к гепатоцеллюлярной карциноме. Это нечто похожее на пальмовые вироиды каданг-каданга.

Вироиды – инфицирующие растения каталитически активные рибозимы, растительные патогены, способные к репликации, которые ведут себя как вирусы, но вирусами не называются. Никто не отважился назвать их вирусами, поскольку они не подчиняются правилам, распространяемым на вирусы: «голые», не имеющие оболочки РНК не подпадали под определение вируса, существовавшее в 1960-х гг., не подпадают и сегодня. Поэтому ученые попытались прийти к компромиссу и назвали их вироидами, вирусоподобными микроорганизмами. Вироиды имеют кольцевую структуру, и часто это каталитически активные РНК, состоящие исключительно из РНК. Поэтому даже в настоящее время их все еще не считают «настоящими вирусами». Вироиды не используют оболочку, и не только это: они не могут даже считывать генетический код, кодирующий аминокислоты, несмотря на наличие четырех нуклеотидов, хотя и не организованных как триплеты, что является одним из предварительных условий распознавания закодированных аминокислот. Поэтому вироиды, вероятно, существовали до появления кода. Они, так сказать, генетически «неграмотны». И что самое удивительное, остаются таковыми до сих пор. На планете их очень много. Вироиды присутствуют главным образом в растениях и, как мне кажется, являются свидетелями и индикаторами начала жизни. Они относятся к самым древним представителям и реликтам мира РНК ранних этапов его существования, несмотря на то, что сейчас их не слишком жалуют. Должно быть, они древнее, чем генетический код, поскольку их РНК некодирующие, и они предшествовали синтезу белков. Но тут возникает вот какой поворот: они создали условия для синтеза белков, поскольку не существует белков без рибозимов! У них самих нет генетической информации для аминокислот или белков. Могли ли их РНК-последовательности возникнуть случайно? Никогда! Определенно, РНК вироидов содержит информацию, если это некодирующие последовательности, но тогда она должна находиться в их структуре, что каким-то образом также зависит от последовательности. Информация о структуре или электрическом заряде приводит к формированию структуры шпилькообразной петли, необходимой для репликации, расщепления, соединения и взаимодействия с окружающей средой.

У некоторых вироидов самокомплементарность достигает 70%, и это означает, что они являются почти двухцепочечными структурами с одноцепочечной петлей посредине. Они создают условия для взаимодействия с другими молекулами в своем окружении. Такие структуры стабильнее одноцепочечных РНК, что хорошо известно всем биохимикам, работающим в лабораториях, где приходится проводить много бессонных ночей из-за высокой скорости распада РНК. Все инструменты и растворы (включая воду) нужно обрабатывать специальными реагентами (в частности, диэтилпирокарбонатом, DEPC), чтобы они не только были стерильными, но и не содержали нуклеаз. И все же было бы лучше, если бы лаборатория была полностью автономной, без системы воздухообмена. Чарлз Дарвин предостерегал от «нуклеаз» (хоть и не использовал этот термин), и по его прогнозам, в нынешних условиях возникновение жизни на Земле невозможно. Современные условия слишком враждебны. Нуклеазы «враждебны». Более того, мы никогда не узнаем, какие условия изначально существовали на Земле. Но Дарвин не исключал, что у всех живых существ на Земле есть общий предок. Может быть, это вироиды? У них достаточно простое строение. Это самореплицирующиеся биомолекулы, которые имеют крайне простое строение даже для современного мира. На начальных этапах формирования жизни защита от угроз внешней среды, безусловно, была необходима. Но как это можно было обеспечить – за счет шпилькообразных петлевых структур, ниш, полостей или за счет липидов? Мы не знаем.

Следует упомянуть, что вироиды – это рибозимы, разрушенные замкнутые кольцевые структуры, частично двухцепочечные и каталитически активные. Рибозимы могут содержать до 50 нуклеотидов, а существующие в настоящее время вироиды – примерно в семь раз больше. И те, и другие имеют замкнутое кольцевое строение. Позднее в ходе эволюции вироиды иногда теряли свою каталитическую активность. Хорошо исследованный вироид веретеновидности клубней картофеля (или PSTVd, где маленькая d означает «вироид») ферментатически неактивен. Но утеря функции означает, что такая активность более не нужна и вирус «обленился». Эту функцию частично взяли на себя клетки. Теперь для репликации им требуется помощь клеток растения-хозяина. В биологии известны две силы – одна повышает сложность структуры организма, а другая ее снижает. Упрощение строения часто возможно, если утраченную способность можно получить откуда-то еще. Поэтому утрата вироидной активности могла быть обусловлена изменением образа жизни, связанным с клеткой-хозяином.

У читателя может возникнуть вопрос: как картофель погибает от вироидов? Патогенность вироидов не вполне понятна. Задействуется ли для этого взаимодействие РНК–РНК или РНК–белок внутри клеток или все происходит за счет вироидной активности? Вироиды могут активировать механизм сайленсинга РНК (сиРНК, siRNA) и индуцировать сайленсинг генов, для чего задействуется РНК в сайленсерном комплексе (RISC). В вироидах существует одна постоянная последовательность – «основной РНК-участок», участок патогенности – что это такое? Безусловно, нуклеиновые кислоты взаимодействуют и с белками внутри клеток, и это может вызвать патогенность.

Между прочим, я отношу вироиды к вирусам. А если так, то должна сделать вывод: «Вирусы – наши самые древние предки», поскольку вироиды – самые древние вирусы. Я опубликовала статью с таким названием, хотя и со скромным вопросительным знаком в конце заголовка.

РНК – одна из макромолекул, из которых возникла жизнь, она знаменует переход от химических процессов к биологическим. РНК может выполнять функции, напоминающие те, что Фримен Дайсон вынес в название своей книги «Источники жизни» (Origins of Life). Из названия следует, что было как минимум два таких источника, раз уж автор использовал множественное число. Такие источники являются как «аппаратным», так и «программным» обеспечением. Дайсона вдохновил Джон фон Нойманн – один из основателей вычислительной техники, который был его коллегой в Принстонском институте перспективных исследований. РНК удовлетворяет оба предъявляемых к ней требования, поскольку это единственная молекула на Земле, которая, насколько мне известно, способна выполнять обе эти функции. РНК является носителем информации – «программным» обеспечением, равно как и машиной, ферментом, то есть «аппаратным» обеспечением, для собственной репликации. Какая же уникальная предпосылка для происхождения, начала жизни.

Когда в Принстоне я спросила Фримена Дайсона, верит ли он в существование двух источников жизни, он загадочно ответил: «Я не утверждал, что есть два источника происхождения жизни, но это возможно».

Изначально он полагал, что два источника происхождения жизни – это генетическая информация и метаболизм.

Кольца из РНК

Древняя РНК возвращается. Она очень напоминает недавно «открытую» кольцевую РНК (обозначается как circRNA). Родственники кольцевой РНК описаны выше как (эволюционно) очень древние вироиды и рибозимы. Неожиданно это семейство очень сильно разрослось.

Кольцевую РНК не замечали несколько десятилетий, поскольку исследователи искали молекулы РНК, пытаясь обнаружить их концы. Однако у кольцевых РНК нет концов. Кольцевая РНК некодирующая и играет регуляторную роль. Мы приблизились к десятку известных регуляторных нкРНК. Мир РНК оказался ближе к центру нашего мира, чем ожидалось. Для чего же предназначены кольцевые РНК? Это резервные копии других регуляторных РНК. Это «основной регулятор» других регуляторных РНК, то есть регулятор регуляторов. Для чего нужен такой «босс»? Считается, что подобное регулирование не может быть подвержено ошибкам и требуется двуступенчатый механизм защиты. Но кольцевые РНК совсем не редкость – их много в наших клетках. В организме человека около 25 000 кольцевых РНК на клетку. Они выявляются в археях, грибах и, что совсем неудивительно, у мышей. Больше всего кольцевых РНК в тканях головного мозга, в нейронных соединениях, в синапсах, где они могут влиять на развитие организма, как это происходит у мух, или когда они аккумулируются при старении. В связи с этим сразу же возникают вопросы, касающиеся болезни Альцгеймера, – может ли она быть следствием дисфункции основного регулятора?

Имея 1500 нуклеотидов, эти кольцевые РНК несколько крупнее, чем вироиды (у которых тоже замкнутая кольцевая структура), примерно в три раза. Наши современные клетки заполнены «родственниками вироидов». Какая неожиданность! Вироиды обнаруживаются во многих растениях, в то время как кольцевые РНК – во многих видах организмов. Есть ли они в растениях? Как образуются кольцевые структуры? «Циклазные рибозимы», состоящие из РНК, могут образовывать кольцевые структуры. До сих пор много вопросов остается без ответа.

У кольцевых структур есть серьезные преимущества – они стабильны, так как частично имеют двухцепочечное строение, шпилькообразные и петлеобразные участки, а еще потому, что подобные структуры не могут разрушаться с концов. Каждое кольцо может титровать несколько сот других регуляторных РНК, таких как сайленсинговая siRNA, которая напоминает мне липкие полоски бумаги для ловли мух, свисавшие с потолка у бабушки на кухне. Исследователи охарактеризовали кольцевую РНК не как липучие полоски, а как «губку», которая абсорбирует регуляторные микроРНК.

В мозге мыши микроРНК такого типа (miR-7) удалялась круговой кольцевой РНК с потенциальными последствиями для рака – в настоящее время этот вопрос исследуется. Новые кольцевые РНК являются совершенно некодирующими, «генетически неграмотными», как я их называю. Тем не менее они обладают прекрасной способностью выполнять свои функции, имея структуру, также основанную на последовательностях, а не на генетическом коде, поскольку мы не в состоянии его «считать». Кольцевые РНК получаются особым образом: не путем сплайсинга интронов, а с использованием экзонов. Такой механизм называется «обратный сплайсинг» или «реверсивный сплайсинг». В течение многих лет это трактовалось как ошибка при сплайсинге. Не странно ли, что самый древний тип РНК занимает столь доминирующее положение в клетках современного человека и настолько актуален? Нет, вероятно, нет, поскольку кольцевая РНК настолько хорошо структурирована и так идеальна, обладает столь выраженной устойчивостью и так технически совершенно встроена в клетку, что не исчезла. Кольцевая РНК пережила опасный период начального этапа в первичном бульоне, а после этого опасность разрушения стала гораздо менее явной! Клетки являются безопасным пристанищем.

Изучая современную кольцевую РНК, вероятно, можно понять, как вироиды функционируют, как взаимодействуют с другими РНК и факторами, или разобраться в их «губкообразном» поведении. Недавно рибозимы/вироиды или кольцевые РНК неожиданно обрели новых членов семьи, а именно пивиРНК – это поразительная некодирующая регуляторная РНК, участвующая в механизме трансгенерационного наследования (см. главу 12).

Какая жалость, что исследователь Хайнц Людвиг Зенгер из Гиссена не дожил до того времени, когда стали известны общие последствия действия вироидов, которые стали нормой в биологии через 50 лет после его впечатляющего открытия. Один современный исследователь кольцевых РНК из Берлина, похоже, не помнил о вироидных РНК или по крайней мере не упомянул об этом в своей публикации и в докладе на пленарном заседании. Когда я его спросила почему, он ответил: «Видишь ли, это было сли-и-и-шком давно». Весьма занимательно, и даже в публичном выступлении. На работы Зенгера и Динера никто не ссылался. Что это – дурная привычка, или забывчивость, или ненадлежащее выполнение своих обязанностей? Как это ни грустно, но историю совершения открытий помнят недолго. А некоторым людям она кажется скучной!

Рибосомы – это рибозимы. Вирусы делают белки!

Как образуются белки? Синтез белка является отличительной чертой эволюции и разделяет два мира – живой и мертвый. Но здесь нас ждет неожиданный поворот: вирусы, которые часто относят к «мертвому» миру, или, точнее, вироиды, являются наиболее и даже единственными реальными необходимыми для производства жизни элементами! Вироиды необходимы для жизни, так как являются ключом к синтезу белков.

Т. Чех и С. Альтман (лауреаты Нобелевской премии 1989 г.) поместили рибозимы в центр биологического мира. А потом еще один ученый получил Нобелевскую премию за изучение рибосом – Томас Стейц (2009 г.). Результаты его наблюдений свидетельствуют о том, что рибосомы, участвующие в синтезе белков, функционируют совсем не так, как принято считать. В берлинском Институте молекулярной генетики Общества Макса Планка предположили, что в синтезе белков главную роль играют сами белки. Рибосомы состоят примерно из ста белков, которые стали предметом интенсивных и широкомасштабных исследований. На каждого моего берлинского коллегу приходилось по одному белку, а для получения антител использовали несколько сот овец. Они щипали травку на поле аэропорта Берлин-Темпельхоф и подходили для получения антител. Я контрабандно привезла несколько овец, которых использовали для получения антител к онкогенам, и подкупила пастуха, чтобы он за ними приглядывал. Чтобы охарактеризовать сто рибосомальных белков и структуру рибосом, много внимания уделяли секвенированию белка. И это правильно, но основными участниками этого процесса являются не белки, а РНК, или, точнее, каталитические РНК, хорошо спрятанные внутри огромных мультипротеиновых комплексов в рибосомах. Том Чех ввел в употребление выражение «рибосомы – это рибозимы». РНК – это рабочая лошадка, а не множество белков, которые служат исключительно поддерживающими белками и обеспечивают надлежащую конформацию РНК. Все белки были кристаллизованы одним способом: их выделили из архей, о которых я впервые услышала 30 лет назад. Термоустойчивость архей повышает их стабильность и упрощает процесс кристаллизации для определения структуры. И это, наконец, привело к присуждению в 2009 г. Нобелевской премии Аде Йонат и другим ученым. Йонат, исследователь из Израиля, была частым гостем в Берлине. Она обнаружила «туннель», проходящий через центр рибосом, который может заполняться вновь образованными растущими аминокислотными цепочками, – изображение, которое когда-то украшало обложку журнала Nature. В детстве у нас была похожая на гриб красная деревянная катушка для вязания с четырьмя гвоздями, и мы при помощи вязального крючка вывязывали цепочку петель, которая затем появлялась из нижней части катушки – так рибосома высвобождает увеличивающуюся полипептидную цепочку. В данном случае рука вяжущего человека соответствует рибозиму, а все остальное относится к рибосоме. Ада Йонат в своей стокгольмской нобелевской лекции указала, что отверстие было сделано из РНК, а не из белков. Оно образовалось вследствие развития более примитивных проторибосом в процессе эволюции – своего рода священный Грааль, лежащий в основе механизма синтеза белка. РНК каталитически активна и напоминает вироиды. Вирусоподобный элемент, вироид, составляет основу рибосом – довольно неожиданно, но, похоже, никто на это не обратил внимание. Несколько сот рибосомальных белков являются лишь «строительными лесами» и «слугами», помогающими рибозиму правильно выполнить работу. Рибосомы различны у каждого бактериального типа, и один из их РНК-компонентов (они называются 16S рРНК или эквивалентами рДНК) служит основой для их идентификации и классификации. Рибосомы являются мишенями для создания жизненно важных антибиотиков, некоторые из которых занимают отверстие и тем самым блокируют синтез белка. Поэтому бактерии затем погибают, а мы выживаем. Устойчивость к антибиотикам – одна из важных проблем современности, а мутации, направленные на то, чтобы с помощью антибиотиков заблокировать это отверстие, – один из подходов к решению этой проблемы. Если он сработает – прекрасно! В настоящее время Ада Йонат изучает этот подход, но она и раньше была в авангарде подобных исследований.

Лидером таких исследований в Берлине был ныне покойный Хайнц-Гюнтер Виттманн. Достижения всей его научной деятельности заложили основу для этого успеха. Он привез все белки в Гамбург, где Ада Йонат в DESY (Немецком электронном синхротроне), а также в Израиле провела кристаллографический анализ, чтобы определить структуру рибосом. Я помню, как для этих целей в Обществе Макса Планка в Берлине привезли археи, которые могли расти при 100 °С. Была надежда на то, что их рибосомные белки окажутся более стабильными и будут лучше кристаллизоваться, что и произошло. Для того чтобы протестировать способность рибосом кристаллизоваться в условиях низкой гравитации, рибосомы даже побывали на околоземной орбите. Но эксперимент оказался неудачным. В этом полете «пассажиром» был и мой образец обратной транскриптазы (ОТ), но он тоже не кристаллизовался (ОТ кристаллизовали позднее, используя термофильные археи Pyrococcus furiosus). Мне следовало бы додуматься и самой выделить фермент обратную транскриптазу из архей для кристаллизации, но я не дошла до этого. Я просто это упустила из вида! Кристаллические структуры являются основой создания лекарств, поэтому они так важны.

Как ни странно, но взаимосвязь между рибозимами и белками можно проследить и сегодня на примере некоторых белков с небольшим РНК-хвостом, как будто его там забыли! Может быть, это рудимент длительной эволюции? Первый синтез белка начался по-другому, с участием РНК и некоторых аминокислот, присоединяемых к нему (я так полагаю). Последнее событие привело к образованию «только» белков. И, возможно, где-то на этом пути появился данный странный белок с присоединенным к нему небольшим РНК-фрагментом. Одной из таких химерных конструкций РНК-содержащих белков является витамин В12, а другой – ацетил-CoA. Эти две молекулы очень важны для клеточного метаболизма, и теперь они, возможно, поведают нам, как образовались. Белки с сохранившимися хвостами РНК – это чем-то напоминает наш аппендикс. Такие переходные состояния довольно интересны и информативны, поскольку они могут рассказать нам о нашем прошлом и об эволюции от РНК к белкам. Я бы хотела поместить и этих двух химер в свою коллекцию диковинных вещей и хранить их в своей кунсткамере.

Как началась ДНК? Для синтеза белка ДНК необязательна, для этого требуется РНК. Синтез белков – поворотный пункт в эволюции жизни, но на первых этапах развития жизни ДНК не требовалась. В нашем мире ДНК не является предшественницей РНК или белков. Как можно удалить кислородный элемент из РНК для получения ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты)? Никто не знает! Сегодня это может сделать фермент рибонуклеотид-редуктаза. Неизвестно, когда возник такой ферментатический белок. При наличии надлежащих строительных блоков, моей любимой молекулы обратной транскриптазы, можно было получить ДНК из РНК, но когда это произошло? (Сегодня ОТ потребуется кодирующая ДНК для синтеза мРНК и белка.)

Существуют дезоксирибозимы, небольшие каталитические ДНК, которые могут расщеплять и присоединять так же, как рибозимы, без белков, но сегодня они не встречаются в природе. Их поиском занимается Джек Шостак, на которого часто ссылаются. Он показывает, что РНК может расти и без белков, в частности полимераз. А как на первых этапах формирования жизни могла появиться ДНК при отсутствии белков РНК? Может быть, ему это удастся выяснить. Исследователь из Парижа Патрик Фортер считается первым ученым, заявившим о существовании трех РНК-содержащих клеток у бактерий, архей и эукариотов, которые он назвал «рибовироклетки», поскольку все они являются вирус-производящими клетками. Так откуда же взялась ДНК? Таким образом, вопрос о происхождении ДНК остается открытым, что довольно странно, учитывая важность этой молекулы. Одно можно сказать без сомнения: обратная транскриптаза была главной движущей силой при переходе от мира РНК к миру ДНК. В 2015 г. обратную транскриптазу обнаружили как наиболее распространенный белок в геномах, клетках, различных организмах, включая образцы из океана. Обратная транскриптаза столь часто встречающийся фермент, так как она является частью повсеместно встречающихся ретротранспозонов, «прыгающих» генов. Должно быть, «прыжки» продолжаются в большом количестве. По мнению некоторых исследователей, это был самый главный, ключевой фермент для развития жизни в процессе эволюции. В настоящее время это подтверждено данными! Примечание: другие исследователи так думают, и, конечно же, я тоже, однако я могу быть необъективной, поскольку занимаюсь изучением обратной транскриптазы последние 45 лет. Какой удивительный путь от первого открытия этого фермента до понимания, что он самый распространенный белок в мире!

«Листья клевера»

Один из показательных примеров молекулярной структуры РНК является тип, по форме напоминающий лист клевера, то есть три петли вокруг стебля. Такую модель любой человек может нарисовать на листе бумаги, а не то что выявить в результате кристаллографического анализа структуры. Эта РНК очень стабильна. Может быть, поэтому мы обнаруживаем эту структуру везде – от молекулярного до макроскопического мира и листа клевера на зеленых лугах? Вопрос серьезный. Еще более удивительно то, что РНК типа «лист клевера» широко используется вирусами растений. Структуры типа «лист клевера» располагаются на концах их РНК-геномов, которые часто бывают одноцепочечными, и предназначены для их защиты от разрушения. У теломераз на конце хромосом есть выполняющие такие же защитные функции псевдоузлы, которые имеют некоторое сходство с РНК на концах геномов вирусов. Кроме того, у фагов, как и у РНК-содержащих вирусов, например у вируса гепатита C и полиовирусов, есть такого же рода концевые петлеобразные структуры. Это распространенный механизм защиты вирусами своих концов. Существуют даже вирусы, которые состоят из единственной РНК типа «лист клевера» и единственной аминокислоты – вот и весь вирус! Меньше структуру невозможно себе представить. Еще один вирус, нарнавирус (narnavirus) (в его названии имеется обозначение РНК), содержащийся в пекарских дрожжах, вирус Saccharomyces cerevisiae, состоит лишь из половины РНК типа «лист клевера», и больше ничего. Это крайне минималистичная структура, и ее вряд ли можно еще уменьшить. Вероятно, РНК-содержащие вирусы сформировали подобные структуры типа «лист клевера» из трех шпилек. Эти РНК содержат 75–90 пар оснований и не отличаются гибкостью, вероятно, в силу наличия двухцепочечных участков. А теперь мне нужно наконец-то назвать ее настоящее имя – «тРНК», то есть «транспортная РНК», поскольку она осуществляет перенос отдельных аминокислот в рибосомы для вхождения в растущую полипептидную цепочку. Именно благодаря этому ее открыли и описали. Одна тРНК и одна аминокислота в итоге эволюционировали в 60 видов тРНК и 20 аминокислот в наших клетках. Сегодня они являются важными компонентами синтеза белков рибосомами. Возможно, они произошли от вирусов, так как использовали тРНК-структуры в своих РНК-геномах до появления синтеза белков. тРНК – это некодирующие нкРНК, что и подчеркивает их древнее происхождение. Вирусы S. cerevisiae, находящиеся в дрожжах, похоже, возникли на ранних этапах синтеза белков. Репликация ретровируса также напоминает ранние этапы синтеза белка. Поэтому можно предположить, что вирусы являются создателями или предшественниками механизма синтеза белка.

Могут найтись люди, готовые опровергнуть это и предположить, что вирусы «украли» тРНК и аминокислоты из клеток. Именно так действует обратная транскриптаза, чтобы инициировать репликацию ретровируса. Она забирает тРНК из клеточного пула. Каждый тип вируса имеет разные предпочтения по тРНК. Обратной транскриптазе для обратной инициации требуется определенное содействие, и для этих целей она использует тРНК. Во всех учебниках вирусологии отмечено, что вирусы «крадут» клеточные компоненты. А я думаю, что все как раз наоборот! С моей точки зрения, вирусы были «изобретателями» клеточных строительных блоков, своего рода «бодибилдерами» клеток, а сейчас, похоже, получают выгоду от своих прошлых достижений. Может быть, вам будет любопытно узнать, что способность к синтезу белков многие считают критерием, отделяющим живой мир от мертвого. Если синтез белков невозможен, система неживая, что применимо к большинству современных вирусов. Но не нужно забывать о гигантских вирусах, которые содержат тРНК и рибосомы – отличительные черты синтеза белка; правда, это касается только неполных комплектов, а не всех их. Может быть, они чего-то лишились или остались незавершенными?

И все же это побудило ученых, открывших гигантские вирусы, заявить о них как об источниках происхождения жизни. А теперь предоставим читателю возможность сделать собственные заключения или подождать, пока не появятся результаты новых экспериментов.

РНК стали важным биотехнологическим инструментом. РНК могут исключительно за счет фолдинга проявлять свойства, аналогичные свойствам гораздо более сложных белков, состоящих из 20 аминокислот, в отличие от нуклеотидов, необходимых для синтеза РНК. Поэтому синтетическая РНК гораздо дешевле, чем белки, и ее синтез протекает быстрее. Она может принимать сложные структуры и «вписываться» в рецепторы, заменяя белки, даже имитируя специфические белковые лиганды. Эти РНК называются аптамерами. Их можно синтезировать в лабораторных условиях всего лишь из четырех нуклеотидов (белкам требуется 20 аминокислот), и в пробирке они даже могут пройти некоторую эволюцию и селекцию для совершенствования структуры и состава. Этот метод называется SELEX – акроним, обозначающий процедуру выбора и селекции. Он был разработан Томасом Чехом. Манфред Эйген, лауреат Нобелевской премии в области химии и сотрудник Общества Макса Планка в Гёттингене, основал две компании: Evotec и Direvo. Названия компаний сами по себе свидетельствуют о том, что их цели заключаются в осуществлении эволюционных химических процессов, «регулируемой эволюции». Он разработал искусственную эволюцию применительно к химическим соединениям в качестве новой процедуры оптимизации в пробирке. Это привело к появлению белков-ферментов с гораздо более высокой каталитической активностью, никогда не встречавшихся в природе, более эффективных процессов, лучшему использованию биомассы и новым биологически активным соединениям. Специфический характер работы Эйгена заключался в том, что он применял эволюционный принцип также к небиологическому миру молекул для улучшения химических продуктов, неживых соединений. Эйген, который по первому образованию физик, намного опередил своих коллег-современников, создав одно из новых направлений в химии.

Белок как шаперон

Дарвин уже отмечал, как трудно повторить в современных условиях реакции, наблюдавшиеся при образовании жизни. Сегодня вирусы разработали способы защиты своих драгоценных генов от разрушения. Один из таких способов описан ниже.

Мой коллега захотел проанализировать белок, выделенный из ВИЧ, который закрывает вирусную РНК и защищает ее от нуклеазы, характерной для всех РНК-вирусов. (В ВИЧ она называется нуклеокапсидным белком NCp7, а у вируса гриппа – нуклеопротеином (НП). Такие РНК-связывающие белки положительно заряжены и могут нейтрализовывать отрицательно заряженные РНК; они выстраиваются в одну линию, пристраиваясь друг к другу.) Такие белки предназначены для движения нуклеиновых кислот, и их находят даже в ретротранспозонах.

Их назвали «шапероны» или «наставники» («наставницы»). У наших бабушек были наставницы – более старшие по возрасту дамы, которых нанимали обеспокоенные матери для сопровождения своих незамужних дочерей. Все РНК-содержащие вирусы используют шапероны для защиты своих РНК. Эти белки выполняют много задач. Одно из их свойств заключается в удержании РНК на расстоянии. Это ведь полезно для молодых девушек? Тогда шапероны могут «расплавлять» РНК-складки, усиливать РНК–РНК взаимодействие (о котором наши бабушки, возможно, не знали) и разглаживать морщинки, вторичные структуры в РНК. Они могут раскрутить структуру типа «лист клевера» тРНК, чтобы сделать «мишенью» одну из петель в качестве праймера для репликации РНК. Кроме того, в присутствии шаперонов вирусная репликация гораздо более эффективна. Обратная транскриптаза скользит вдоль РНК более эффективно, если она «распутана» шаперонами. Можно интуитивно предположить, что РНК-связывающие белки препятствуют продвижению ферментов вдоль РНК, тем не менее истинно обратное утверждение: они повышают скорость транскрипции. Эти белки очень «липкие» в силу своего положительного заряда, и в лаборатории порой «отказываются» покидать пробирку, навсегда оставаясь на внутренней стороне стеклянной стенки. Мне не хотелось в это верить, когда один мой работник рассказал мне об этой проблеме, с которой столкнулся, осуществляя проект. Но он оказался прав. Однажды в пробирку к рибозимам и РНК он добавил шапероны, и реакция расщепления ускорилась невероятно, в несколько тысяч раз. Затем этот аспирант отправился в мировое путешествие, и проект «застрял». Когда он вернулся, я была в ярости, поскольку «его» результаты к этому времени были опубликованы Питером Дерваном в журнале Science. Он наблюдал такое же явление, но опубликовал свои результаты быстрее. Время имеет значение! Мы предприняли срочные меры и тоже опубликовали результаты в одном из респектабельных журналов. Я упоминаю об этом, поскольку, когда мы проводили эти эксперименты, я никогда не задумывалась об эволюции, то есть совсем. И все же, чтобы стать источником жизни, рибозимы, возможно, получили именно такую поддержку от положительно заряженных аминокислот, необязательно от целых белков, а реакция ускорилась – катализировалась – в 1000 раз! Это могло ускорить процесс эволюции! Предполагается, что аминокислоты легко синтезируются в пребиотическом мире и, возможно, были ранними структурами. Или же они могли быть занесены на Землю метеоритами – это не моя идея, но некоторые так считают. На нашей планете эти белки принадлежат к самым древним и консервативным; они часто содержат ионы цинка, которые связываются со специальными структурами, называемыми «цинковые пальцы», для связывания нуклеиновых кислот и транспозируемых элементов. Шапероны, должно быть, содействовали началу синтеза белков и репликации ретровирусов. Кто у кого научился? Вирусы у клеток или наоборот? Я думаю, вирусы изобрели синтез белков, который потом у них переняли клетки. Мне так кажется, но у меня мало доказательств.

От картофеля к печени

После столь углубленного экскурса в историю, может быть, стоило бы немного расслабиться и поговорить о еде. Как упоминалось ранее, во многих растениях есть вироиды, способные вызывать болезни. Они присутствуют в продуктах питания и вредят здоровью человека. Но они не встречаются в организме человека – так думали люди. Однако один вироид все же остался. Никто не понял, откуда он появился. Существует вироид веретеновидности клубней картофеля (PSTVd). Возможно, он присутствовал в каком-нибудь блюде из картофеля или это были вироиды, содержащиеся в огурцах или помидорах.

В итоге он оказался в печени вместо того, чтобы продвигаться по желудочно-кишечному тракту и выйти из организма с калом. Считается, что вироиды для человека совершенно безвредны – за исключением этого. РНК вироида, должно быть, удивительным образом получила доступ к печени вместо того, чтобы попасть в кишечник. Она стала вирусом гепатита дельта (HDV). Джон Тейлор из Онкологического центра Фокс Чейз (Филадельфия, США) исследовал происхождение этого вируса и предположил указанный способ его попадания в организм. Когда это произошло? Несколько сот лет назад? Ответ на этот вопрос не вполне ясен. HDV – каталитически активный «молотоголовый» (hummer-head) рибозим, у которого РНК может присоединиться – по крайней мере теоретически – в виде «головки молота». РНК находится в белковой упаковке. Эта оболочка принадлежит другому печеночному вирусу, а именно вирусу гепатита В (HBV). Таким образом, оболочка позаимствована, а не самозакодирована, как и у всех других вироидов, которые являются некодируемыми нкРНК. После того как эти вирусы встречаются, они вместе реплицируются в печени. Тогда HBV отдает HDV часть своих молекул белковой оболочки, как святой Мартин из известной христианской легенды, который разорвал пополам свой плащ, чтобы поделиться им с нищим, – сюжет, присутствующий в росписях многих готических храмов, например Базельского кафедрального собора. Это имеет важные последствия: оболочечный вирус может образовывать частицы и покидать клетки печени, инфицируя другие клетки и даже других людей, а не просто ограничиваться перемещением внутри растений! Если человек заражен этими двумя печеночными вирусами – HDV и HBV одновременно, последствием может стать серьезное печеночное заболевание и рак с показателем смертности 20%. Такая комбинация часто ассоциируется с ВИЧ, и в этом случае риск для пациента повышается. В Германии ежегодно отмечается 18 таких случаев. К счастью, это низкий показатель, что, возможно, является результатом широкого распространения вакцинации от вируса гепатита В среди населения. Исследования рибозимов, похожих на гепатит D, свидетельствуют о наличии родственных связей с бактериями, вирусами насекомых и дрожжей, помимо растений. Однако второй HDV-подобный рибозим в организме человека так и не был обнаружен. Какова функция этих рибозимов? По крайней мере это единственный подобный вироид у человека, и это хорошая новость, поскольку нам не придется отказываться от «полезных» овощей.

Вокруг существует очень мало других редких типов вироидов, например один ретровироид, обнаруженный не в печени, а в цветах гвоздики. Он называется малым вироидом гвоздики (Carnation Small Viroid, CarSV). Источником обратной транскриптазы является параретровирус гвоздики – вирус растений, который копирует рибозим в ДНК. Он патогенен для цветов – следует помнить, что вирусы обнаруживают именно при проявлении болезней. Возможно, здесь присутствовал коммерческий интерес лиц, занимающихся промышленным выращиванием гвоздики, которые хотели избавиться от болезненных гвоздик и обнаружили этот странный вирус. Цветочный вироид лишился своей каталитической активности и более был не способен расщеплять РНК. Это вовсе не редкое явление для вироидов. В зависимости от условий среды они становятся «ленивыми» (теряют каталитическую активность), но нуждаются в помощи. В цветах так же, как и в печени, происходит своего рода синергия между двумя вирусами, например вироидом и ретровирусом (в одном случае они делят одну оболочку и обратную транскриптазу – в другом). Почему? В мире вирусов, как и в биологии в целом, все развивается методом проб и ошибок. Синергизм, или мутуализм, или социальное поведение, или симбиоз – очень успешные стратегии для всех живых организмов, включая вирусы.

На конгрессах я спрашивала у своих коллег, знают ли они что-нибудь о ретрофагах. Я думаю, они должны были существовать и даже в большом количестве до того, как в процессе эволюции развились все ДНК-содержащие фаги, видимо, из РНК и ретровирусных посредников. Если существуют ретровироиды, почему бы не существовать ретрофагам? Мне удалось найти один (!) такой ретрофаг, известный молодым мамам и сопровождающий бактерии, вызывающие коклюш, – Bordetella pertussis. Этот микроб инфицирует маленьких детей, вызывая страх у их матерей. У ретрофага даже нет названия! Обратная транскриптаза, работа которой, как известно, подвержена ошибкам, позволяет фагам найти нового хозяина (она оказывает мутирующий эффект на ген, ответственный за выбор бактерии-хозяина; это явление называется тропизмом или диапазоном хозяев; MDT – ген основного детерминанта тропизма).

Этот пример заслуживает упоминания, потому что показывает, как вирусы находят нового хозяина: это происходит из-за ошибок, «неверности» и «разгильдяйства» обратной транскриптазы. Это хорошо известный факт в отношении ВИЧ – он «убегает» из одного типа клетки, где обосновался на начальном этапе инфицирования, в другую клетку на поздних этапах (клетки с рецепторами CCR5 и CXCR4) и мутирует быстрее, чем на это может отреагировать иммунная система.

Вирусы являются двигателями эволюции, так же как и фаги бактерий. Вирусы и фаги – родственники. Рискованно ли предположить, что ДНК-фаги когда-то «начинались» как РНК-фаги? В главе 12 этот вопрос рассматривается, исходя из скорости репликации. А потом – и случилось это очень давно – РНК-содержащие фаги или ретрофаги устарели! Но матерям кашляющих детей все эти «сказки» о ретрофагах, к сожалению, мало полезны.

Вирус табачной мозаики

Когда более 30 лет назад возникло Общество вирусологии, в Германии не было ни одного специалиста по вирусам растений, который мог бы стать членом этого общества. Вироиды не считались вирусами! Поэтому исследователи вироидов в члены общества не допускались. Это еще более удивительно потому, что первым открытым вирусом растений был вирус табачной мозаики (ВТМ). В 1898 г. Мартин Бейеринк показал, что фильтрат из листьев табака, зараженных этим вирусом, содержит агент, который инфицирует здоровые листья. Он ввел понятие «вирус», чтобы отличить его от более крупных бактерий. Он всегда ссылался на своего учителя русского ученого Дмитрия Ивановского, который начал это исследование на несколько лет раньше, но всегда считал, что имеет дело с бактериями, а не с новым агентом. ВТМ внутри клеток похож на штабель бревен, уложенных параллельно друг другу. Вирусы образуют паракристаллические агрегаты и немного похожи на кристаллы. В 1930 г. Хельмут Руска при помощи электронного микроскопа впервые наблюдал длинные «кристаллиновые» структуры. Но не он, а его брат Эрнст много лет спустя получил Нобелевскую премию за усовершенствование конструкции электронного микроскопа за счет использования магнитных линз вместо стеклянных. Здание его института в Берлине-Далеме построено на толстых фундаментных плитах для нейтрализации вибрации от проходящих поездов подземки. Вирус табачной мозаики кристаллизуется почти самостоятельно и является примером эффективной самоорганизации вирусов. В 1946 г. Уэнделл Стэнли из Нью-Йорка получил Нобелевскую премию за структурный анализ.

Он также показал, что кристаллы вируса сохраняют инфицирующую способность даже после 40 лет пребывания в высушенном кристаллообразном состоянии на поверхности – это интересный пример «почти мертвого» кристаллического вещества, обладающего биологической активностью. Инфицирующая РНК находится внутри жесткой белковой структуры, где она хорошо защищена. Одной из студенток Стэнли была Розалинд Франклин. Она предположила, что РНК должна находиться внутри вируса, в канале внутри спирального стержня белка, и оказалась права: одноцепочечная РНК в спиралях окружена белком. Позднее Франклин получила «фотографию 51», рентгеновский снимок спирали ДНК, не подозревая, что он ляжет в основу двуспиральной модели ДНК.

Исследования Стэнли побудили Адольфа Бутенандта, бывшего в то время президентом Общества Макса Планка, начать исследования в новой для Германии области – вирусологии. В Общество Макса Планка входили институты, занимавшиеся проблемами, которые, казалось, не имели никакого шанса на продолжение после Второй мировой войны. Одним из них был Институт антропологии, человеческой генетики и евгеники им. кайзера Вильгельма в Берлине. У меня до сих пор есть микроскоп с выгравированным на нем названием института. Преемником этого института стал Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка. Затем у этого института появилось новое научное направление – молекулярная генетика. Хайнц Шустер, вернувшийся в Германию из Пасадены, и Хайнц-Гюнтер Виттманн из Тюбингена были назначены директорами. Они оба исследовали вирус табачной мозаики и способствовали идентификации генетического материала – не белков, как тогда полагали, а нуклеиновых кислот, РНК, наличие которых они доказали в ходе исследований мутагенеза, используя нитрозамины. Не привели ли эти эксперименты к мутации генетического материала самих исследователей? Весьма возможно, они не пользовались одноразовыми перчатками, а может быть, у них их даже не было? Оба исследователя умерли от рака в довольно молодом возрасте. У Шустера диагностировали рак, связанный с профессиональной деятельностью.

Вирус табачной мозаики был первым открытым вирусом, так как он очень широко распространен и чрезвычайно стабилен. Он может существовать 50 лет в сухом состоянии, а затем снова активироваться и обладать инфицирующими свойствами. В Беркли Хайнц Френкель-Конрат мог «разоружить» вирус и восстановить его инфицирующую способность – невероятный эксперимент! Все настолько оптимизировано, что он может автоматически реорганизовать свои фрагменты путем самоорганизации! Это важная черта мира вирусов. ВТМ выявили в табаке (отсюда такое название), но он может инфицировать около 35 видов растений, и эти вирусы имеют обобщенное название «тобамовирусы». Эти вирусы воздействуют главным образом на культивированные растения, которым могут причинить серьезный вред. Какое-то время считали, что эти вирусы поражают только культивированные растения, но не дикорастущие. До чего же абсурдная мысль. Вирусы находятся везде.

Вирусы растений «продвинулись» чуть дальше по пути эволюции, чем вироиды. Они более не являются некодирующими и безоболочечными, а продуцируют собственную оболочку на основе собственных генов. Вот что я называю прогрессом! Мы не представляем себе происхождение генетического кода. Может быть, его создали вирусы, перепробовав все что можно, и вот однажды «это просто случилось». Оболочка защищает вирус и повышает его подвижность. В то время как некодирующие нкРНК генетически «неграмотны», тобамовирус использует триплетный код для белков. Исследования растительных ВТМ-вирусов помогли ученым разобраться в триплетах, генетическом коде и соответствующих аминокислотах. ВТМ кодирует четыре архетипических белка, минимальный набор вирусов: один – для репликации, это РНК-зависимая РНК-полимераза – «матерь» всех репликационных ферментов. Еще один белок представляет собой оболочку, третий способствует перемещению вируса из одной клетки в другую, то есть является белком движения. Четвертый белок небольшой и «поддерживает» полимеразу. Следует помнить, что все это невероятно мощные вироиды могут выполнить без информации для белков – все функции спрятаны в некодирующих нкРНК.

Концы тРНК образуют структуры типа «лист клевера» для защиты одноцепочечной РНК вируса табака ВТМ от нуклеаз. Для получения дополнительной информации вирус табачной мозаики использует трюк, известный многим вирусам. Их девиз: за счет ошибки из одного белка делаем два! Полимераза осуществляет «незаконное» удлинение небольшого белка, содержащего 136 аминокислот, до белка, содержащего 186 аминокислот. Трюк заключается в том, что вирусы «не обращают внимания» на стоп-сигнал. Игнорируется один нуклеотид, что приводит к смещению кода триплета, к так называемому сдвигу рамки считывания генетической информации. В этом случае возникает два белка с одинаковым началом, но с разными концами. Вирусы являются чемпионами мира по поиску таких минималистичных решений, а конкретно это еще и чрезвычайно полезно, и ВИЧ использует такой же принцип для удлинения структуры белка Gag, а сдвиг рамки считывания ведет к образованию белка Gag-Pol с «прочитанным» терминатором. Игнорирование стоп-кодона происходит в 1% случаев и приводит не только к изменению длины белка, но и к автоматическому сокращению количества более крупных белков в сто раз. Как элегантно!

Еще одним специфическим свойством тобамовирусов является их генетическая стабильность. Эти вирусы содержат одноцепочечные РНК и должны быть чрезвычайно вариабельными. Но это не так, и их низкая вариабельность резко контрастирует с высокой вариабельностью РНК-содержащих вирусов, в частности вирусов гриппа и ВИЧ. Возможно, это объясняется тем, что вирусы растений не являются автономными и в большей степени зависят от растения как своего хозяина. Они адаптируются к клетке вместо того, чтобы модифицировать и покинуть ее, как это делает ВИЧ. Вирусы растений относятся к персистирующим вирусам, которые сохраняются в растениях, не образуя и не высвобождая вирусные частицы. Они очень резистентны и выдерживают температуры выше 90 °С, выживают в соке растений или на сухих поверхностях, например на земле, в воде и даже в облаках! Они также переносят ультрафиолетовое излучение, которое обычно инактивирует нуклеиновые кислоты, – но все это не относится к вирусу табачной мозаики.

Даже если растение-хозяин погибает, ВТМ может существовать в долгоживущей форме много лет или десятилетий. Тобамовирусы «живут» на неживом! Затем на фоне улучшения условий они реактивируются и вновь обретают инфицирующие свойства. Высокая стабильность тобамовирусов является одним из признаков устойчивости очень старых с точки зрения эволюции вирусов во враждебном мире. Вероятно, они вместе с вироидами представляют самые древние вирусы. Продолжительная коэволюция вирусов и цветов сильно развела их с людьми, поскольку эти вирусы не могут функционировать в клетках млекопитающих и поэтому не являются возбудителями заболеваний у людей. Вирус табачной мозаики можно получать в граммовых количествах, он стал почти химическим соединением, в связи с чем подходит для исследований. Палочки ВТМ в настоящее время тестируются на предмет использования в качестве кабелей в наноэлектронике или контактов в батареях.

Тобамовирусы в сельском хозяйстве считаются патогенами, и именно в таком качестве их изучают – пока в слишком ограниченных масштабах, принимая во внимание их вклад в формирование здоровых экосистем. Насекомые, в частности кузнечики, и люди-курильщики распространяют этот вирус. Люди непреднамеренно способствуют распространению вируса, перенося его на руках и инструментах при посадке и выращивании растений. Тобамовирусы являются возбудителями мозаичной болезни листьев. Вирусы растений медлительны, и у них длинный период репликации. Вирусолог Экард Уиммер из университета в Стоуни-Брук (США) во время награждения его медалью Роберта Коха в Берлине отметил, что предпочитал изучать полиовирусы, поскольку вирусы растений для него слишком медлительны. Мой восьмидесятилетний швейцарский друг помнит, как вручную изготавливали сигары Baeumli-Stumpen (это толстые короткие сигары). Не допускалось наличие на них каких бы то ни было цветных пятен, свидетельствующих об инфицировании вирусом табачной мозаики. Поверхность сигар даже присыпали соответствующим порошком. Он ничего не знал о том, что ВТМ, вирус табачной мозаики, вызывает мозаичную болезнь – просто крапинки не очень хорошо смотрелись на сигарах!

Вирусы в соусе чили и моя яблоня

Вирусы растений проходят через желудок и кишечник, после того как мы съедаем салат, и выводятся из организма с калом. Вирусы растений, в частности ВТМ, не являются настолько безоболочечными, как вироиды, но защищают свои РНК в сильных белковых палочках. Эти вирусы называются «настоящими» вирусами даже в самых консервативных учебниках по вирусологии. Мы съедаем с салатом примерно 109 вирусов на грамм – это огромное количество! Мы потребляем их, и с калом выводится такое же количество. И вот что самое удивительное: пройдя через кишечник и после экскреции они сохраняют свою инфицирующую способность. Они снова могут инфицировать другие растения. Означает ли это, что мы можем инфицировать растения? В принципе, да, не считая того, что растения разработали некоторые защитные меры: например, у деревьев есть толстая кора. Вирусам нужны насекомые, нематоды (черви), грибы или бактерии в качестве переносчиков (носителей), которые способны проникать в раны и изъязвления и даже попадать в растение через корни. В Калифорнии, так же как и на Филиппинах, вирусы растений выявлены в стуле человека, и это главным образом вирус, поражающий перец, а именно вирус слабой крапчатости перца (PMMV). Этот персистентный вирус остается в растениях и никогда не покидает их. Все ли люди так уж любят перец? Нет! Вполне достаточно использовать соус чили, поскольку даже в нем присутствует вирус PMMV в его инфицирующей форме. Вирусы с Филиппин присутствуют в заправке для салата, которую готовят в Калифорнии! Никто этого не ожидал. Вирусы безвредны независимо от того, где готовят этот соус, даже если в него добавлен перец чили, выращенный на Филиппинах. В любом случае вирус спокойно проходит через ЖКТ и при этом сохраняет способность инфицировать растения перца. Этот вирус специализируется на перцах и с трудом адаптируется. Для человека это хорошо!

Геминивирусы – исключительные вирусы. Их название напоминает космические шаттлы «Джемини» – два соединенных друг с другом одинаковых космических корабля. Эти вирусы – своего рода сиамские близнецы, соединение двух икосаэдров, имеющих одну общую сторону. Каждый икосаэдр содержит молекулу одноцепочечной кольцевой ДНК. Цепочки не идентичны, но они дополняют друг друга. Если сложить две цепочки вместе, можно получить двойную цепочку. Цепочки, похоже, располагаются отдельно друг от друга, и у каждой из них есть свой «дом». Похоже, что когда-то процесс упаковки не увенчался успехом или же такое разделение вызвало проблемы. В результате возник геминивирус. Безусловно, он входит в мою коллекцию диковинных вирусов!

Семейство бегомовирусов, вирусов золотистой мозаики фасоли (ВЗМФ), насчитывает примерно 200 видов. Они вовсе не редки, а наоборот, встречаются очень часто! Известны они потому, что вызывают проблемы. Эти вирусы поражают овощи – баклажаны, фасоль, хлопок и маниок съедобный. Филиппинский вирусолог выявил проблемы, которые этот вирус создает для фермеров. В Южной Африке геминивирусы представляют главный интерес для исследователей, поскольку поражают кукурузу. Геминивирусы уникальны. Во-первых, вирусы, содержащие одноцепочечные ДНК, редко встречаются в растениях. А потом, довольно любопытно, что они занимают промежуточное положение между вирусами с одноцепочечной ДНК и вирусами с двухцепочечной ДНК. Вирусы с двухцепочечной ДНК гораздо надежнее и стабильнее, но, как ни странно, практически никогда не встречаются в растениях. Поэтому превалируют РНК-содержащие вирусы!

Геминивирусы – пример переходного или промежуточного вируса, находящегося между «раздетыми» двухцепочечными ДНК и одноцепочечными ДНК, как промежуточные микроорганизмы в соединенных оболочках, что делает их более интересными и информативными для исследований.

Это первый вирус, чье действие на растение было отмечено человеком. Японская императрица Кокэн в своем стихотворении, созданном в 752 г., написала, что в середине лета растение выглядит высохшим, как в начале осени, несмотря на достаточное количество воды, – это результат действия геминивирусов!

Следует упомянуть об одном странном вирусе, о котором до недавнего времени я даже не подозревала. Речь идет о «раздетой» кольцевой двухцепочечной ДНК (плазмиде), которая способна инфицировать растения. Кольца ДНК – инфекционные агенты, являющиеся фитоплазмами(плазмами растений). Плазмиды ДНК известны нам по миру фагов из бактерий, хотя применительно к растениям об этом ничего не известно. Однако все знают последствия их действия: они приводят к пожелтению листьев и способны инфицировать фруктовые деревья, виноградники, рис и пальмовые деревья. Почему у моей яблони пожелтели листья? Когда я ее сажала, я думала о Мартине Лютере Кинге, который советовал всем следовать его примеру и даже в последний день существования мира посадить яблоню. А сейчас моя яблоня болеет. Следует ли мне заказывать какой-нибудь высокочувствительный диагностический тест, полимеразную цепную реакцию, ПЦР-анализ ДНК? Ну, хорошо, я это сделаю, и что потом? Независимо от того, известен вам инфицирующий агент или нет, в таких случаях есть только два варианта действий: опрыскать дерево составом для борьбы с насекомыми или срубить ствол, чтобы оно начало заново расти. Мне не нужен ПЦР-тест: с фитоплазмой бороться невозможно. Как это ни странно, но вирусоподобные «раздетые» фитоплазмы ДНК мне, вирусологу, были совершенно неизвестны. Но это – вирусы! Я узнала о них от специалиста по биоинформатике растений Михаэля Кубе, который работал в Обществе Макса Планка в Берлине, и очень ими заинтересовалась. Мы стали вместе заниматься геномным анализом и даже опубликовали результаты наших исследований. Если формулировать коротко, мы выяснили, что фитоплазмы и геминивирусы являются родственниками, своего рода вариант «бездомных», некогда живших в «сблокированном двухквартирном доме». Вероятно, в этой связи стоит упомянуть, что границы между бактериями, паразитами, генетическими элементами, плазмидами и вирусами более не существует – и все это происходит внутри моей яблони.

Тюльпаномания: первый финансовый кризис был вызван вирусом

Полосатые тюльпаны, растущие в моем саду, тоже подходят для главы о вирусах растений. Они похожи на старый сорт Rembrandt и называются «тюльпаны, подобные тюльпанам сорта Rembrandt, поскольку настоящие тюльпаны этого сорта уже вымерли. Новый сорт получили в результате прямых мутаций в промоторе генов цвета, которые привели к образованию генетически стабильных полос. Но это не то, что происходило в прошлом.

А происходило вот что. Мой коллега из бывшей Восточной Германии рассказал мне о полосатых тюльпанах: его мать, увлекавшаяся этими растениями, купила луковицы тюльпанов на рынке незадолго до разрушения Берлинской стены. Через один-два года из этих луковиц выросли тюльпаны без полос. Она почувствовала себя обманутой и обвинила в этом непорядочном поступке коммунистическое правительство, однако в данном случае она была неправа. Точно такое же разочарование испытали люди из-за полосатых тюльпанов в XVII в.

Изначально полосатые тюльпаны появились в результате действия вируса пестролепестности (TBV), который приводит к нарушению цвета. Каким образом? Даже в современных учебниках по вирусологии этому явлению нет объяснения. В отсутствии полос винили садовников, теплицы, температуру воздуха, садовые инструменты, почву и даже коммунистическое правительство – в каждом из обвинений была доля правды, однако ответ оказался простым: причиной появления полос стали средовые факторы, и, следовательно, речь идет об эпигенетическом эффекте. В 1576 г. ботаник Карл Клузиус рекомендовал сохранять стабильные средовые факторы для сохранения полосок на лепестках тюльпанов новых поколений.

Тюльпаны завезли в Европу из Персии, через Турцию. Эти цветы назвали в честь тюрбана Сулеймана I Великолепного. Сначала тюльпаны завезли в Вену, а оттуда – в Голландию. Их разведением стал заниматься Карл Клузиус, основатель ботанического сада в Лейдене. В настоящее время секвенируется геном тюльпана Clusius – названного так в его честь. Проводя секвенирование, мы хотим понять, как вирус пестролепестности (TBV) разрушает цвет.

Тюльпаны стали олицетворением страсти к богатству. Они несли в себе новизну, уникальность, были символом как тщеславия, так и силы, мужественности и, будучи королевским цветком, свидетельствовали о соответствующем социальном статусе. Дело зашло настолько далеко, что анатом, человек в шляпе, изображенный на знаменитом полотне Рембрандта «Урок анатомии доктора Тульпа» (1632 г.), взял себе фамилию Тульп, чтобы отличаться от других людей и слыть знатоком тюльпанов. Тюльпаны вызвали беспрецедентную волну истерии и «тюльпаномании». Это был первый из зафиксированных кризисов. Спрос на луковицы превышал предложение. Благодаря Ост-Индской компании голландцы разбогатели. Луковицы тюльпанов имели столь большую ценность, что их приходилось защищать от воров, и в садах обеспеченных людей эти цветы охраняли. Их хотели иметь не только аристократы. Находились смельчаки, которые, увлекшись идеей, осенью покупали луковицы, не зная, какие весной из них вырастут тюльпаны, в надежде на большую прибыль. Те же, кто не мог позволить себе иметь настоящие тюльпаны, довольствовались нарисованными, которыми теперь можем любоваться и мы на полотнах голландских живописцев. Цены на цветочных аукционах в результате спекуляции вырастали до небес и повышались в несколько тысяч раз. Непредсказуемый характер форм и расцветок тюльпанов мог привести к невероятной прибыли или стать причиной несчастья, если из луковиц вырастали однотонные цветы. А всему виной был вирус, поскольку именно он обусловливал такое непредсказуемое разнообразие расцветок. Но об этом, безусловно, никто не знал.

Самый красивый сорт тюльпанов – Semper Augustus, белые цветы с огненно-красными всполохами и полосками на внешней стороне цветка и с голубым отливом внутри, – утрачен. Если тюльпаны этого сорта выращивать из луковиц (которые теперь не заражены вирусом) цветы получаются одноцветные – вирусные инфекции больше никогда не приводили к появлению желаемых полос. За всю историю существовало всего несколько десятков этих столь вожделенных тюльпанов. Вирусная инфекция, индуцированная TBV, как правило, не приводила к гибели цветов, а дала более 1500 различных видов тюльпанов – неслыханное разнообразие для любого другого цветка. От двойной инфекции вторым вирусом – вирусом мелкой крапчатости – цветы гибнут. Всем известная практика скрещивания растений оказалась в данном случае бесполезной, а результат – непредсказуемым. На пике тюльпаномании цена на эти цветы доходила до стоимости дома. Цветы сорта Semper Augustus стоили 10 000 голландских гульденов; для сравнения: Рембрандт за свои самые известные полотна получал всего 1600 гульденов.

9 февраля 1637 г. на аукционе не продали ни одного тюльпана, что стало началом финансового кризиса. Целый дом за одну луковицу – это вполне можно было бы назвать первым финансовым пузырем, а затем финансовый рынок обрушился. Цены резко снизились, и многие инвесторы остались без гроша и с огромными долгами. Правительство призвало пострадавшие стороны достичь компромисса, не обращаясь в суд. Оно рекомендовало участникам рынка в будущем делать частичные предоплаты, не оплачивать все сразу, чтобы снизить риск и предотвратить случаи банкротства. Причина обвала рынка точно не известна. Возможно, на это как-то повлияла вспышка бубонной чумы, поскольку люди стремились избежать эпидемии. В то время в Европе на фоне Тридцатилетней войны буйствовала чума, и в итоге погибло несколько миллионов человек. Вполне вероятно, что свою роль сыграла начавшаяся шведско-прусская война, положившая конец надеждам на экспорт тюльпанов в эти страны.

Фотографии полосатых тюльпанов обычно помещают на обложку книг по вирусологии, чтобы привлечь к ним внимание. Вирус, обусловливающий образование полос, относится к вирусу табачной мозаики, о котором шла речь выше. Однако непредсказуемый внешний вид лепестков, не поддающийся никаким известным законам генетики или селекции, напоминает результаты действий «прыгающих» генов, которые были обнаружены в геноме кукурузы, что является свидетельством эпигенетики. Связь этого явления с полосами на лепестках тюльпанов пока еще не доказана. Но уже в 1576 г. Карл Клузиус описал воздействие средовых факторов на изменение фенотипа. И вот сейчас, почти 400 лет спустя, мы изучаем эпигенетику, обусловленную средовыми факторами. Если рассматривать вещи в этом контексте, можно сказать, что эпигенетика была открыта не Макклинток около 1950 г., а Клузиусом – около 1576 г.! Я пришла к такому выводу, но, чтобы получить ответ на интересующие меня вопросы, начала исследовательский проект по изучению эпигенетики в геноме тюльпанов.

Процедура секвенирования генома тюльпанов довольно сложная, поскольку у них фактически самый крупный геном из известных, в 10 раз превышающий наш: в нем 30 млрд базовых пар (а у нас всего 3,2 млрд). Тем не менее у тюльпанов суммарная генетическая информация меньше, чем в наших геномах (поэтому тюльпаны не умнее нас), и полна повторов. У тюльпанов нечто вроде трех хромосом – три одинаковых генома. В рамках своего исследовательского проекта я намерена изучить гомологию последовательностей, существующую между вирусом, поражающим тюльпаны, и генами цвета у тюльпанов – по крайней мере 12 генов, участвующих в синтезе антоцианина цвета. Гомологические последовательности могут привести к сайленсингу генов цвета на определенных этапах развития тюльпанов, а эффект дозы может влиять на интенсивность цвета. Эпигенетические исследования полосатых тюльпанов напоминают эпигенетические исследования, проведенные Барбарой Макклинток на цветных зернах кукурузы. Это будет непростое исследование, учитывая все генетические повторы. Тюльпаны вполне могут лишиться половины своих геномов без каких-либо проблем для данного вида растений! Многие культивированные растения имеют огромные геномы с повторами – речь идет о кукурузе, пшенице и картофеле, – вероятно, в ряде случаев это является следствием селекции.

Начиная с XVII в. на большинстве самых великолепных работ голландских живописцев, писавших только цветы, изображены тюльпаны. Во время экскурсии по Музею изобразительных искусств Цюриха хранитель отметил, что по числу тюльпанов в букетах можно датировать картины, исходя из дат тюльпанового экономического кризиса: после кризиса на картинах стало появляться гораздо больше полосатых тюльпанов.

Знаменитый британский математик Алан Тьюринг, взломавший шифровальную машину «Энигма», которую использовали на немецких подводных лодках во время Второй мировой войны, описал алгоритм, лежащий в основе образования полосок на лепестках тюльпанов. Только через много лет после смерти Тьюринга разрешили опубликовать алгоритм, известный как «механизм Тьюринга». Он применим к полоскам у зебр, рыб, жирафов и тигров и, безусловно, к тюльпанам. Два «морфогена» или химических соединения – активатор и долгосрочный ингибитор – взаимодействуют, но я не знаю, какое из них является вирусом!

Банкнота номиналом 500 немецких марок с гравюрой Марии Сибиллы Мериан

Одной из первых художников, нарисовавших полосатые тюльпаны, была Мария Сибилла Мериан (1647–1717), вызывающая у меня величайшее восхищение и уважение. Из-за тюльпанов она чуть было не попала в тюрьму, так как украла несколько цветов у Дюка Рутмера, который жил рядом с мастерской ее старших братьев и ее домом во Франкфурте. Ее родственники были известными граверами и сделали тысячи гравюр европейских городов, создав Topographia Germanie (1642) – очень важные документы по структуре средневековых городов. Ее настолько интересовал цвет тюльпанов, что она украла цветы и втайне пыталась их нарисовать. На Дюка Рутмера и эта четырнадцатилетняя девочка (которая чувствовала себя очень виноватой), и ее потрясающие картины произвели столь сильное впечатление, что он ее простил. В противном случае она попала бы в тюрьму. Попасть в тюрьму из-за цветка, красота которого обусловлена действием вируса!

Более того, он оплатил ей расходы на получение художественного образования (в то время это было привилегией мужчин), что ее братьями было встречено без энтузиазма. Страсть Мериан к гусеницам и бабочкам вызывала подозрение у окружающих, и ее чуть было не сожгли как ведьму. Однако братья дали взятку и не допустили этого, тем не менее Мериан была вынуждена покинуть город.

На одной стороне старой банкноты номиналом 500 немецких марок – одна такая у меня есть – портрет кудрявой Мериан, а на другой – одуванчик лекарственный, гусеница и бабочка. Комбинирование этих трех элементов, которые объединяют метаморфоза и пища, стало ее научным достижением. Современники Мериан верили в газы и миазмы. Мать Мериан беспокоилась, выйдет ли ее дочь когда-нибудь замуж, учитывая склонность Марии Сибиллы Мериан держать у себя на кухне червей. Кроме того, Мериан была гравером. Она научилась этому ремеслу у своих знаменитых старших братьев. Женщинам не разрешалось писать на холсте маслом. Если внимательно присмотреться к банкноте номиналом 500 немецких марок, можно заметить сморщенные листья – возможно, они поражены вирусами! Насколько же она наблюдательна! Мне непонятно, что означают икосаэдроподобные структуры в верхнем правом углу купюры. Может быть, это срез вируса икосаэдрального типа! А может быть, это водяной знак для защиты купюр от подделки? Нарисованные Мериан гусеница и бабочка полны вирусов, в частности поли-ДНК-вирусов (как показано в примере 5 в главе 5). С характерной для ученых тщательностью и точностью она изобразила полосатые тюльпаны, пораженные заболеванием. Мериан отправилась в южноамериканскую голландскую колонию – Суринам, где с большим риском для жизни ловила экзотических бабочек и заболела малярией. Она платила местным жителям, чтобы те приносили ей редких бабочек и жуков, но не заметила, что ее обманули, прикрепив к туловищу одного насекомого голову другого. Мериан нарисовала это насекомое, и рисунок был опубликован, что привело художницу в ужас, поскольку она не успела исправить ошибку. Своими рисунками и гравюрами Мериан знакомила европейцев с южноамериканским растительным и животным миром. Российский император Петр I купил несколько оригиналов работ Мериан и оплатил их в день ее смерти. В настоящее время ее именем названо немецкое исследовательское судно. О ней надолго забыли, но она была замечательным ученым, исключительно талантливым художником, и я не знаю, какая из этих ипостасей вызывает у меня большее восхищение.

Если хотите узнать что-нибудь занимательное о полосках, прочтите «Откуда у леопарда пятна» (How the leopard gets its spots). Нет, автор не Эзоп, а Джон Мюррей.

9. Вирусы и противовирусная защита

Быстрая и медленная защита

Практически каждую субботу мой предшественник Жан Линденманн приходил в Институт медицинской вирусологии в Цюрихе на завтрак. Ему было больше 80 лет, и обычно он встречался за завтраком со своими бывшими коллегами и лаборанткой, которой было за 90, но она приносила домашнее печенье и рассказывала о недавних поездках в Норвегию, где каталась на лыжах! Продолжительность жизни швейцарских женщин одна из самых высоких в мире. Линденманн никогда не говорил о прошлом, его очень интересовали текущие исследования и новые результаты. Он был одаренным писателем, часто публиковал статьи в Neue Zürcher Zeitung. Кроме того, когда Общество вирусологии удостоило Линденманна награды за научные достижения, он предложил для осмысления аудитории, состоящей в основном из молодых студентов и постдокторантов, нерешенные вопросы и темы для исследований. Многие вопросы по интерферону до сих пор не прояснены – а интерферон открыл именно Линденманн. Его взгляд был устремлен только в будущее и никак не в прошлое. Этого ученого от многих его современных коллег отличала скромность.

Жан Линденманн в 1957 г. открыл интерферон вместе со своим тогдашним руководителем Аликом Исааксом в Англии, проведя один простой эксперимент: клетки, инфицированные вирусом гриппа, секретировали «нечто» в супернатант (межклеточное пространство), защищающий здоровые клетки от вирусной инфекции. В среде присутствовал один фактор, а именно трансмиттер (передатчик) или цитокин, который препятствовал (интерферировал) вирусной инфекции наивных клеток, в силу чего его назвали «интерферон». Интерферон продуцируется лишь в очень незначительных количествах, поэтому его трудно было выделить из питательной среды для клеток и охарактеризовать. Спустя много десятилетий на основании предложения Линденманна интерферон секвенировал Чарльз Вайссман в биотехнологической компании Biogen (Женева), первой компании такого рода, учрежденной при его участии. Началась конкуренция с другими группами за первенство определения последовательности. Вайссман со своими коллегами выиграл эту гонку в канун Рождества 1980 г.

Полученная последовательность легла в основу производства рекомбинантного интерферона, рИФН (rIFN), который можно было получать в больших количествах в бактериях или эукариотических клетках. Это был новый терапевтический метод, но никто не знал, для лечения какого заболевания он предназначен. Помню, в одной газете была опубликована статья «В поисках заболевания». Только против вирусов гриппа? В настоящее время этот препарат применяется для лечения вирусных инфекций, хронического гепатита В и С, рака печени, рассеянного склероза, лимфомы, лейкемии, злокачественной меланомы и хронического артрита – стандартная терапия, применяемая в любой больнице. Как это ни странно, интерферон эффективен не только против вирусов, но и против рака. Линденманн мог бы составить компанию своему швейцарскому коллеге Рольфу Цинкернагелю и австралийскому иммунологу Питеру Дохерти, которые в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии, и стать третьим лауреатом. В 2015 г. Цинкернагель прочитал цикл лекций «Как получить Нобелевскую премию» – ждать, когда позвонят! Я уверена, что это было не в стиле Линденманна. Мне не приходилось встречать более застенчивого и скромного человека, чем он. Скромность не является критерием выживания самых приспособленных к публичности, не говоря уже о научных исследованиях.

Интерфероны – существует несколько их видов – защищают клетки от вирусных, а также бактериальных инфекций и, кроме того, оказывают противопролиферативное действие, за счет чего удается ингибировать деление опухолевых клеток. Противовирусный эффект не ограничивается только одним вирусом. Его действие оказывается более общим. В процессе размножения РНК-содержащий вирус должен пройти временны́е изменения, а именно формирование промежуточной двухцепочечной РНК. Это индуцирует систему интерферонов. Инфицированные клетки включают систему сигнализации, выделяют интерферон, который является сигнальной молекулой и предупреждает соседние клетки. (Сигнальный каскад, именуемый сигнальным путем JAK-STAT, активирует интерферон-стимулированные гены. Пара молекулярных «ножниц» – характерная особенность иммунных систем – РНКаза L уничтожает РНК вируса и останавливает его репликацию.) Это спасает клеточную популяцию, теряется только первая клетка, а другие уже готовы защищаться – и как быстро! Такая защита относится к врожденной иммунной системе организма. Однако противовирусная защита не поможет в борьбе с раком «невирусной» природы. В этом случае система интерферонов руководствуется иным принципом – активирует «естественные клетки-киллеры» (НК-клетки), которые распознают специфические поверхностные структуры на опухолевых клетках и сразу же готовы их уничтожать. Наличие одного соединения, способного воздействовать на различные вирусы, а также на различные виды рака, – уникальное явление в медицине. (Вакцина против вируса гепатита В, разработанная Морисом Хиллеманом из компании Merck & Co, защищает от вирусов и рака печени, но вместе с тем она в обоих случаях является специфической в отношении того же вируса.)

Помимо врожденной иммунной системы у нас есть еще одна – адаптивный, или приобретенный, иммунитет, который обусловливает производство специфических антител, иммуноглобулинов. Антитела обладают высокой специфичностью и распознают белки (антигены) на поверхности антиген-презентирующих клеток, независимо от их происхождения: из проникающих в организм вирусов или из собственных «изменившихся» клеток. Связывание между антигеном и антителом – самое сильное известное в биологии взаимодействие.

Для производства антител существует примерно 1000 генов. Однако за счет комбинаторных эффектов может получиться до 2,6 млн различных антител, а в результате последующих мутаций их становится несколько миллиардов. Невероятно эффективная система амплификации! Такое разнообразие сегментов ДНК основано на системе «вырезать и вставить» транспозонов и разноцветных кукурузных зерен Макклинток, о чем шла речь выше (см. главу 7). В действительности разнообразие антител связано с эволюцией «прыгающих» генов и является следствием действия транспозируемых элементов. Транспозоны – дальние родственники вирусов, которые являются поставщиками ферментов, необходимых для функционирования механизма «вырезать и вставить» – молекулярных «ножниц», ферментов для расщепления и транспозазы. Это должно служить звоночком для внимательного читателя: наша иммунная система создана вирусами!

В самом деле, и в иммунной системе, и в вирусах присутствуют одни и те же ферменты; просто они называются по-разному, поскольку изначально никто не определял взаимоотношения между транспозонами, ретровирусами и иммунной системой.

Иммунная система действует не только против вирусов, но и против любых других «инородных» антигенов. Чтобы достичь этого, понадобилось несколько миллионов лет. Наша уникально сложная иммунная система в итоге получилась из вирусных элементов. В принципе, очень легко понять, что вирусы сами способствовали противовирусной защите. В конце концов, все они проникают в клетку со своим набором генов, поставляют их в клетку и, как правило, одновременно с этим предотвращают попадание в клетку других вирусов, пока не завершат собственную репликацию. Клетка не располагает достаточными ресурсами для производства большого потомства более чем одного входящего вируса. Кроме того, ретровирусные элементы уже интегрированы в геном хозяина; они очень универсальны и способны быстро меняться. Они присутствуют как дополнительные гены. После проникновения вируса в клетку инфицирующий вирус сразу же начинает осуществлять иммунную защиту. В случае с ретровирусами шаг от инфекции к противовирусной защите минимален, поскольку вирусы интегрируются и становятся частью клетки. Это простой пример отрицательной обратной связи. Мы должны быть признательны вирусам за нашу противовирусную защиту. Это довольно впечатляющий пример. Когда все это началось? 800 млн лет назад? (Антитела являются следствием V(D)J-рекомбинации генов иммуноглобулина, где V – переменная величина, D – диверсифицирующая составляющая, а J – присоединение. Молекулярные «ножницы», необходимые для рекомбинаций, это молекулы (RAG-1 и 2, гены, активирующие рекомбинацию), эволюционировавшие из транспозонов и связанные с неоднократно ранее упоминавшимися «ножницами», типичная триада трех аминокислот (DDE) в их активном центре, как в ретровирусных молекулярных «ножницах» РНКазе Н.)

В лучшем случае антитела связываются с поверхностью вируса и нейтрализуют вирус, в силу чего он более не способен инфицировать хозяина. Существуют вакцины, нейтрализующие вирусы-возбудители натуральной оспы, полиомиелита, кори, бешенства и свинки, а также в определенной степени вирусы гриппа. По-видимому, вакцина против одного из четырех штаммов вируса Эбола недавно оказалась эффективной. Создатели большинства вакцин не имели представления о молекулярной биологии вирусов. Людям делали инъекции убитыми вирусами с целью активировать иммунный ответ. Часто вакцины оказываются эффективными, но только не в случае ВИЧ. Он слишком изменчив. В настоящее время полным ходом идут экспертные молекулярно-биологические исследования, и по прошествии нескольких десятилетий, возможно, появится надежда на успех. Нам бы хотелось получить вакцину от ВИЧ, ведь, как свидетельствует история, вакцина – лучший способ борьбы с вирусной инфекцией.

Иммунный ответ может сохраняться всю жизнь, если формируются клетки памяти. В этом случае нет необходимости в трудоемкой перестройке гена (механизм «вырезать и вставить»), так как они уже запрограммированы и могут сразу же размножаться. Поэтому при появлении известного антигена клетки начинают быстро реагировать. Наша иммунная система может давать не только быстрый врожденный неспецифический ответ, но и второй – медленный высокоспецифический адаптивный иммунологический ответ. Вероятно, более старой является быстрая и неточная реакция. Пока человек здоров, он ни на что не обращает внимания. Однако людям с поврежденной иммунной системой, как, например, при иммунодефиците у детей, приходится жить в стерильных «палатках», чтобы не заразиться микробами или вирусами. Кроме того, трансплантация органов оказывается неэффективной из-за отторжения иммунной системой инородных тканей и клеток, поэтому, чтобы трансплантируемый орган прижился, нужно подавлять иммунитет реципиента. При ВИЧ вирус инфицирует иммунные клетки, необходимые для нашей иммунной защиты. Т-лимфоциты имеют существенное значение в функционировании адаптивной иммунной защиты, и именно эти клетки уничтожаются ВИЧ, что приводит к подавлению иммунитета и развитию СПИДа.

В данном случае возможно следующее пояснение: полагаю, что функционирование нашей иммунной системы сходно с процессом принятия решений. Инстинкт нам нужен для так называемого внутреннего чутья: быстрые, практически неосознанные решения исходно защищают человека от смертельной опасности, а затем побуждают его убежать, в отличие от осознанных решений, которые принимаются после взвешивания всех за и против – такие решения носят более конкретный характер и требуют больше времени. Кроме того, у нас есть память, как у иммунной системы. Подобные аналогии поразительны. Взять, например, книгу «Думай медленно… Решай быстро»[17] – безусловно, это совсем не об иммунном ответе. Но я и никогда не слышала об участии транспозонов в принятии нами решений. Известно о «прыжках» LINE в клетках головного мозга во время эмбриогенеза и о том, что это может привести к генетическому разнообразию. Влияют ли «прыгающие» гены на наши решения?

Отсутствие цвета из-за молчащих генов

Цвет позволяет «увидеть» генетические эффекты. Начало этому положил Грегор Мендель, который открыл принципы генетики и, наблюдая за окраской душистого горошка, вывел законы. Барбара Макклинток, изучив цвет кукурузных зерен, выявила принципы эпигенетики. Полоски на лепестках тюльпанов указывают на наличие вирусов и эпигенетических эффектов. Цвет – это прекрасно, ибо он позволяет невооруженным глазом «увидеть» очень сложные генетические эффекты. Существует определенная информация: вирус изменяет цвет своего хозяина, а его противовирусная защита тоже приводит к изменению цвета. Показательным примером такой защиты являются фиолетовые петуньи, которыми украшают балконы в летнее время и на которых часто бывают симметричные мозаичные узоры. Если лепестки белые, значит, цвет исчез. Симметричные мозаичные узоры свидетельствуют о том, что потеря цвета произошла на начальном этапе формирования соцветий. Мозаичные узоры – результат действия противовирусной системы. Отсутствие цвета означает «отсутствие экспрессии генов цвета», что свидетельствует о выключении гена цвета, что ученые называют «сайленсинг». Данный термин не вполне подходит, поскольку речь идет о выключении не звука, а цвета. (Сайленсинг осуществляется за счет двух механизмов: транскрипционного сайленсинга гена (ТСГ) и посттранскрипционного сайленсинга гена (ПТСГ) – это два пути осуществления сайленсинга, но результат одинаков – отсутствие цвета. Транскрипция РНК заблокирована или РНК расщеплена.) Сайленсер – это сайленсерные РНК, или «малые интерферирующие» РНК (миРНК или siRNA). Это похоже на название вышеупомянутого интерферона, что правильно, поскольку данные механизмы взаимосвязаны. Если миРНК поражает ген цвета или промотор гена цвета, можно наблюдать эффект сайленсинга, а именно потерю цвета. Результат довольно прост, несмотря на довольно сложный молекулярный механизм, стоящий за ним. Сайленсинг способен поразить любой ген, причем ген цвета лишь один из множества генов, которые могут быть поражены. Проникающие в клетку вирусы могут также подвергаться сайленсингу. Англичанин Дэвид Болкомб описал сайленсинг генов в растениях, но генетика растений – очень сложная дисциплина, которая многим оказалась не под силу. Макклинток также столкнулась с этим в ходе исследования кукурузных зерен, ценность которого никто не понял. Сайленсинг генов как способ иммунной защиты был тщательно изучен у червей C. elegans, и в результате Эндрю Файер и Крейг Мелло, но без Болкомба, в 2006 г. стали лауреатами Нобелевской премии. С тех пор сайленсинг генов стал одним из предпочтительных и наиболее информативных лабораторных экспериментов. Когда человеку хочется подтвердить функции генов, нет ничего лучше, чем выключить их, то есть осуществить сайленсинг и посмотреть, что произойдет при отсутствии гена. «Потеря функции» – технический термин. Сейчас это стало стандартной лабораторной процедурой. Многие университеты даже предлагают услуги по выключению генов на контрактной основе. И не нужно думать об иммунных системах и противовирусной защите – просто закажите в какой-нибудь компании ретровирус с заданной последовательностью, чтобы получить желаемую сайленсерную миРНК. Затем можно использовать вирусный вектор, чтобы инактивировать заданный ген и посмотреть, что произойдет. Лучше сразу оговорить с компанией выключение гена, поскольку не все гены можно полностью выключить. Иногда в результате «нецелевого» эффекта инактивируется не тот ген – еще один недостаток такого метода. Однажды две группы ученых одновременно проводили эксперименты по выключению генов, используя ВИЧ-инфицированные клетки, и получили очень сильно отличающиеся результаты. В связи с этим отметим, что метод нуждается в стандартизации и совершенствовании.

В Цюрихе после рождественской вечеринки в доме Тоби Дельбрюка (сына Макса) мы проводили эксперимент со сайленсингом. Мои коллеги хотели выяснить, почему поют птицы, и в своей лаборатории с соответствующим уровнем безопасности мы помогали подготовить вирус для малых интерферирующих РНК различных генов. Мы проверили, какие именно гены привели к сайленсингу у птиц. Среди них был и FoxP2-подобный транскрипционный фактор, влияющий на способность говорить. Мы выясним, какой ген позволяет птицам петь и лишает этой способности.

Сайленсинг генов у червей C. elegans осуществляется путем их соответствующего кормления. Черви могут питаться малыми интерферирующими РНК, обусловливающими сайленсинг. Мы использовали малые синтетические интерферирующие РНК и поместили их в чашку для культивирования. В природе черви секретируют миРНК в качестве защитных противовирусных сигналов, чтобы предупредить других червей в популяции. Многие черви живут в земле и ведут себя практически как единый организм, поэтому диффузии миРНК вполне достаточно. Этот секретируемый сигнал напоминает интерферон, который покидает клетку, подвергшуюся опасности, предупреждая соседние клетки о вторжении. Система интерферонов и система сайленсинга siRNA имеют некоторое сходство, это похожие механизмы, действующие в мире РНК и белка!

Секретированные малые интерферирующие РНК есть у филярий (черви), грибов, растений и даже у млекопитающих, где мы их и выявили (к нашему удивлению, но сайленсинг довольно слаб и над ним доминируют другие иммунные системы). Черви – удивительные организмы. У них обнаружили противовирусные миРНК, но не обнаружили вирусов. Неужели вирусы червей «заглушены» навсегда? В этом случае черви могли бы стать единственной биологической системой на планете, которая совершенно свободна от вирусов. Недавно во Франции в питомниках, расположенных под Парижем, у червей C. elegans был обнаружен вирус Orsay. Но выяснилось, что это был лабораторный вид с дефектной иммунной системой, поэтому у них не наблюдалось миРНК-защитной системы. Только так вирус мог проникнуть в организм червей и реплицироваться. Сегодня все вирусы, как правило, выводятся из клетки. Однако в стволовых клетках этих червей примерно 12% транспозируемых вирусоподобных элементов, в основном транспозоны. Предполагается, что их источником являются ранее имевшие место инфекции – должно быть, ранее черви столкнулись с ними и произошла интеграция. Я не верю в то, что это «единичные исключения»: разве могут быть черви единственным видом живых существ на Земле, у которых нет вирусов? Возможно, их уже нет, или нам такие вирусы пока неизвестны. В этой области необходимо проводить дополнительные исследования. Показательный пример обитания C. elegans – парижские фруктовые сады, где эти нематоды приобрели алкогольную зависимость, питаясь гниющими яблоками. Это стоит запомнить, потому что в заключительной главе упомянутый факт приведет к еще большему сюрпризу.

Мой коллега из Москвы Алексей Мацкевич обнаружил, что у людей в клетках все еще сохраняется слабая система сайленсинга на основе малых интерферирующих РНК. Это довольно неожиданно, поскольку у нас, как уже отмечалось, «более совершенные» и хорошо развитые иммунные системы: интерфероны и иммуноглобулины. Малые «интерферирующие» РНК называются почти так же, как интерфероны, и это верно. Система сайленсинга существует, но она слабая и перекрывается другими, более сильными (чтобы продемонстрировать систему сайленсинга, малые «интерферирующие» РНК, Алексу пришлось сначала осуществить сайленсинг системы интерферонов; после этого вирусы гриппа реплицировались в четыре раза лучше).

Мы опубликовали эти удивительные результаты. Через восемь лет наш коллега опубликовал такие же данные, но «по рассеянности» не обратил внимания на наши, понадеявшись, что рецензенты этого не заметят. И они действительно не заметили. Время покажет, как долго такое будет оставаться безнаказанным (у этого исследователя в настоящее время есть некоторые проблемы из-за других «забытых» фактов).

Однажды я обратила внимание, что у вирусов и системы сайленсинга для противовирусной защиты схожи не только «ножницы», но и весь набор инструментов, состоящий из 12 компонентов. В 2007 г. на симпозиуме в Колд-Спринг-Харбор я рассказала об этом Дж. Уотсону. Незадолго до этого на обложке Nature был опубликован снимок структуры защитных «ножниц», которая свидетельствует о сходстве между вирусными и противовирусными «ножницами» (РНКаза и PIWI). Уотсона сразу же убедили мои наблюдения относительно сходства между системами защиты у вирусов и противовирусной защитой. Он уловил смысл моей идеи и тут же сказал: «Представьте рукопись, я поговорю с Брюсом». Он имел в виду Брюса Стилманна, который сменил его на посту руководителя лаборатории. И действительно, Уотсон поговорил с ним в тот же день, и рано утром на следующий день Брюс взял мою рукопись, чтобы включить ее в авторитетный сборник материалов симпозиума. Как здорово! Никогда ранее мою рукопись не брали в печать так быстро – как правило, личное приглашение направляется задолго до публикации. И что лучше всего, я не провела ни одного эксперимента, а лишь сравнительный анализ. И до сих пор не написала полную статью.

Как хорошо для читателя, все просто – вирусная и противовирусная защита тесно взаимосвязаны. Кто у кого научился? (Полагаю, что изобретателями являются вирусы.) Интересно отметить, что трудно проследить взаимоотношения двух пар «ножниц» из их генетических последовательностей, скорее это можно сделать на основе их структур. Это не вполне верно, поскольку существует очень небольшое число структурообразующих связей, сформированных тремя типичными консервативными аминокислотами (D, D, E), которые, однако, трудно найти среди других 120 аминокислот. По крайней мере мы не смогли их обнаружить, хотя и искали. Таким образом, структура гораздо важнее последовательности, и об этом стоит помнить! Подобные функции называются «ортологические». В настоящее время «ножницы» РНКазы считаются самой часто встречающейся укладкой белка и доменами в биологии вообще, о чем свидетельствует открытие, сделанное специалистом по эволюционному развитию и биоинформатике Густаво Каэтано-Аноллесом из Иллинойса, которое удивило меня. РНКаза Н – самые древние «ножницы» в мире! При анализе данных по многочисленным образцам, собранным в 2015 г. во время экспедиции Tara Oceans, было изучено несколько миллионов последовательностей организмов планктона, и оказалось, что РНКаза и обратная транскриптаза – самые распространенные белки. Предположительно это объясняется тем, что ретровирусы, ретротранспозоны и противовирусная защита настолько распространены, что наблюдаются даже в океаническом планктоне. Все были удивлены. (Как осуществляется сайленсинг? Для тех, кому интересно: РНК, попадающая в клетку, встретившись с аналогичной РНК от предыдущих инфекций, распознается и расщепляется молекулярными «ножницами». Набор инструментов применительно к инфекциям и системе защиты одинаков. Структуры «ножниц» идентичны, но у них разные названия: ОТ-РНКаза у вирусов и Argonaute (PAZ и PIWI) у защитной системы. «Ножницы» присутствуют во многих биологических системах, не только в вирусах, но и в бактериях и митохондриях и задействованы в процессе эмбрионального развития и генетических заболеваниях у человека (об AGS речь шла выше). Совсем недавно была открыта система противовирусной защиты бактерий CRISPR/Cas9, где Cas9 – «ножницы», защищающие бактерии от новых фагов. Недавно открыта PIWI-взаимодействующая РНК, или сокращенно piРНК, влияющая на трансгенерационное наследование. Об этом ниже.)

Таким образом, для «ножниц» существует много названий. Как они появились? Обычно разрезание носит не специфический характер, а РНКазы Н надо направить на специфические участки, где с высокой точностью происходит расщепление. Они почти похожи на настоящие ножницы, поскольку расщепляют реально существующие химические связи. Первоначально РНКаза Н распознавала и расщепляла только родственные (знакомые) возбудители, но со временем приобрела универсальный характер. «Ножницы» проявляют активность внутри клетки, и в свое время они попали в клетку вместе с первым вирусом-возбудителем. Возможно, белковые «ножницы» стали результатом расщепления РНК, и в эволюции известны следующие тенденции: РНК – белок, рибозимы – РНКаза Н, РНК-«ножницы» – белковые «ножницы». Для того чтобы заниматься анализом такого сценария, мне пришлось уйти в отставку. Существует около 10 типов молекулярных «ножниц», РНКаз Н, и в силу ряда исторических причин у них разные названия. Я открыла ретровирусную РНКазу Н и изучала ее несколько десятилетий. Эта тема занимала мои мысли много лет, но я упустила из вида все остальное.

Довольно удручающий, хотя и занимательный результат. А все из-за специализации и повседневных забот, обусловленных работой в штате, – это я говорю в свое оправдание, – которые для меня внове и забирают много времени. И тем не менее… Как я могла всего этого не заметить? Ведь эти открытия могла бы сделать я, но не сделала!

Наследуемая иммунная система у бактерий – а как у нас?

Нужна ли бактериям иммунная система? Могут ли они заболеть? Как распознать больные бактерии? Нужна ли им противовирусная защита? Могут ли они защититься? На самом деле бактерии не болеют. Но они являются прибежищем для вирусов, имеющих специальное название – фаги. Индуцируют ли фаги заболевания? Я не знаю, но фаги способны на гораздо большее. Они могут лизировать бактерии и полностью их уничтожать. Это происходит при следующих обстоятельствах: стресс под влиянием условий среды, высокая температура, отсутствие пищи и недостаточность пространства. Нужна ли бактериям иммунная система от их вирусов, фагов? Да, нужна: бактериям необходима противофаговая система защиты, но не для защиты от болезней, а чтобы не умереть! Поскольку большинство фагов содержит ДНК, бактериям требуется антивирусная ДНК-защита, так же как РНК-содержащим вирусам нужна противовирусная РНК-защита.

ДНК-содержащие фаги удаляются ДНК-механизмами, в результате чего защита одного фага оказывается направленной против второго аналогичного фага. Не клетка, а вирус противостоит другим конкурирующим вирусам, и клетка от этого выигрывает. Каждый фаг внутри клетки защищает клетку от проникающих в нее ДНК. Вероятно, причина этого довольно проста: ресурсы клетки ограниченны. Ресурсы клетки рассчитаны на производство нескольких сот потомков только одного вируса. Такой же механизм применим ко всем вирусным системам. Это относится и к механизму РНК-защиты, сайленсингу или siRNA, направленным против других РНК-содержащих вирусов. Это всегда регулируют вирусы, клетки же предоставляют только «окружение» и получают от этого выгоду. Это основной универсальный организм для всех вирусов и всех иммунных систем. В основе всего многообразия клеточных иммунных систем лежит вирусная инвазия в клетку и отторжение других вирусов. Это очень важно, потому что такое постоянно случается и у нас!

Иммунная система бактерий, основанная на ДНК, которая уничтожает новые инфицирующие ДНК-содержащие фаги, называется CRISP/Cas9, где CRISP – акроним от «короткие палиндромные кластерные повторы», а Cas9 – это CRISP-ассоциированный фермент номер 9, а их существует много! Просто запомните Crisp (слово, обозначающее «новый», «свежий» или «хрустящий»). А поскольку даже лауреат Нобелевской премии Кристиана Нюсляйн-Фольхард на своих слайдах пишет CRISPER, это уже не считается орфографической ошибкой и это слово используется на законном основании!

Система CRISPR напоминает адаптивную иммунную систему человека – специфическую, распознающую вторжение. Но она наследуется и поэтому может называться врожденной иммунной системой! И то и другое! ДНК проникшего в бактерию фага скремблируется (расшифровывается), добавляются спейсоры, и фрагменты интегрируются в геном бактерии. Если в нее попадает второй фаг, он сталкивается с РНК-транскриптом предыдущего интегрированного фага. Если он идентичен, то разрезается на части молекулярными «ножницами» Cas. (Cas – несколько модифицированная РНКаза Н с такой же структурой, но специализируется она на удалении ДНК из гибрида, именно ДНК, а не РНК; поэтому это функция, аналогичная функции гибрид-специфической ДНКазы Н! H означает гибрид РНК–ДНК. В конце концов, вторгшийся вирус имеет геном, представленный ДНК, который необходимо уничтожить, тогда как применительно к ретровирусам из гибрида удаляется РНК, для чего используется РНКаза Н.)

Выровненные фрагменты ДНК-фага вставляются в бактериальный геном, ожидая активации противовирусной защиты. В этом случае также один вирус изгоняет другой. Таким образом, вирус и противовирусная защита очень похожи, о чем говорилось выше при рассмотрении ретровирусов. Защита бактерий от фагов называется «исключение суперинфекции», что-то вроде «отсутствия проникновения».

Удивительная иммунная система бактерий имеет еще одно неожиданное свойство: она передается из поколения в поколение и защищает всех потомков бактерий. Это обусловлено интеграцией фрагмента ДНК первого фага. Даже через много поколений транскрипт мРНК способствует элиминации (устранению) новых инфицирующих родственных ДНК-содержащих фагов.

А что же можно сказать об организме человека? Ученые, выступавшие в 2013 г. с пленарными докладами на Международном конгрессе по РНК в Давосе, высоко оценивали роль системы CIRSPR/Cas9 как единственной наследуемой иммунной системы. Что касается людей, мать передает новорожденному часть своих антител, которые в течение ограниченного времени защищают его от инфекционных агентов, – своего рода стартовая помощь, но краткосрочная. Мы начинаем формировать свои иммунные системы и иммунологическую память позднее, и продолжается это всю жизнь. Клетки, защищающие наш организм от вторжения инфицирующих агентов, могут оставаться клетками памяти гораздо дольше и очень быстро мобилизуются и распространяются в случае повторной инфекции – это иммунитет, сохраняющийся всю жизнь. Да, это действительно так, но все это относится только к конкретному индивидууму и не передается следующему поколению.

Почему же бактерии оснащены гораздо лучше людей и имеют «наследуемую» иммунную систему? Это совершенно удивительно. Возможно, это совсем не так! Такая мысль пришла мне в голову только после написания этой главы. У нас тоже есть наследуемая иммунная система: эндогенные ретровирусы в нашем геноме, которые выполняют функции противовирусной защиты, поскольку в процессе эволюции они научились изгонять другие ретровирусы. Мы более не замечаем, как это происходит. На ум приходит вирус «Феникс» – ретровирус, реконструированный из десятка поврежденных «Феникс»-подобных структур. Инфицирующий вирус был восстановлен из ископаемых предшественников. Насколько же это выгодно как для вирусов, так и для клетки! Вирус не может проникнуть в инфицированную клетку, уже занятую вирусом, не претерпев изменений, он вынужден быть изобретательным и придумывать нечто новое, чтобы избежать взаимодействия с вирусом, уже находящимся в клетке, например путем мутации поверхностных рецепторов, призванных обеспечить взаимодействие с «новым вирусом-хозяином». Это явление называется изменением тропизма. Необходимо нечто новое, и вирусы – самые изобретательные существа, подходящие для этих целей!

Вероятно, именно поэтому такое количество остаточных вирусов аккумулировалось более нескольких сот миллионов лет, и в настоящее время наш геном на 50% состоит из них. Они сформировали наш геном и защищали наши клетки от других вирусов. Вирусы обеспечили клеткам противовирусную защиту, и это один из главных моих месседжей – ceterum censeo. У нас есть наследуемая иммунная система, столь же эффективная, как и у бактерий.

Должно быть, ретровирусы оказались очень полезными для нас и таковыми остаются. И если вдруг они перестают надлежащим образом выполнять свои функции, то вырождаются. И в заключение отмечу: в нашем геноме все очень напоминает геномы бактерий, а ДНК-провирусы фагов в бактериях напоминают ДНК-провирусы ретровирусов у эукариотов, а следовательно, и у нас. И те и другие интегрируются и наследуются. Они даже называются одинаково: ДНК-провирусы. И тогда все становится на свои места. У человека тоже есть наследуемая иммунная система, это не является привилегией бактерий.

Есть случаи, когда это можно со всей очевидностью продемонстрировать и доказать: эндогенный вирус у мышей ограждает их клетки от других вирусов, что называется «рестрикция», а не «интерференция» (дружественный вирус -1- рестрикция, аббревиатура FV-1). Ген защиты происходит от эндогенного ретровируса ERV, его структурного белка Gag. Информация об этих открытиях была опубликована около 40 лет назад, а потом о них практически забыли. Вирусный белок (вместо РНК) препятствует проникновению в клетку аналогичного вируса. Ранее мы уже упоминали об австралийских коалах: они также эндогенизировали опасный вирус обезьян, который инфицировал их зародышевые клетки и таким образом защитили следующие поколения от этой вирусной инфекции. Таким образом, иммунитет коал оказался унаследован путем эндогенизации ретровирусов. Это одно доказательство. Есть еще примеры: обезьяний вирус – вирус иммунодефицита обезьян (ВИО), защищает обезьян от обезьяньей версии СПИДа. Вышеупомянутые палеовирусологи также выявили в нашем геноме последовательности борнавируса, которому 50 млн лет. Экспрессия эндогенного борнавируса защищает нас от инфекций, вызванных борнавирусом. Лошади, в геноме которых нет эндогенных борнавирусов, соответственно, заболевают этим вирусом, в результате чего у лошадей развивается депрессия. Летучие мыши также являются носителями эндогенных вирусов и не болеют, но передают многие из этих вирусов человеку, а мы заболеваем, поскольку у нас нет эндогенных вирусов, и умираем от вируса Эбола или ВИЧ.

Таким образом, у нас тоже есть наследуемая иммунная система: наши эндогенные вирусы, называемые HERV, LINE или SINE. Наша наследуемая иммунная система построена по такому же принципу, что и иммунная система бактерий. Система CRISPR ДНК-провируса фага аккумулируется в геномах бактерий и архей. Число этих защитных последовательностей вариабельно и зависит от потребности в защите от фагов, но опять же, их число может сокращаться. Для сравнения: наш геном на 50% состоит из ретровирусных последовательностей. Вероятно, в обоих случаях мы через некоторое время перестали распознавать более старые последовательности. Экзогенные вирусы, возможно, исчезли и перестали существовать как экзогенные. Восстановленный вирус «Феникс», полученный в лабораторных условиях, в природе более не существует. Поэтому с точки зрения защиты последовательности генома вируса оказались поврежденными и бесполезными. А теперь мы понимаем, почему в наших геномах так много эндогенных вирусов – когда-то они нас защищали. Они представляли собой нашу противовирусную систему и не допускали проникновения в наш организм родственных вирусов. До чего же прост ответ на эту загадку! Возможно, в будущем мы их растеряем, но произойдет это не скоро.

Доказывает ли это, что вирусы «изобрели» клеточную иммунную систему, поставляя свои гены в клетку? А могло ли быть наоборот: вирусы «украли» свои компоненты у клеток? Во многих учебниках по вирусологии в качестве гипотезы приводится именно последняя, но я в нее не верю, хотя, возможно, некоторые мои коллеги ее разделяют.

Просто удивительно, насколько схожи все иммунные системы, хотя на первый взгляд они кажутся очень разными. Во всех случаях работает один и тот же принцип: вирусы обусловливают противовирусную защиту, используя соответствующие молекулярные «ножницы». Данное наблюдение – квинтэссенция одного из самых значимых принципов, важных для понимания выдающейся роли вирусов как двигателей эволюции. Нужно запомнить только это предложение, и забудьте все детали! Подробности в большей степени предназначены для специалистов, чтобы убедить их в правоте моих аргументов и представить соответствующие факты. С этим материалом можно ознакомиться в научной статье, опубликованной в 2015 г. в экспертном журнале.

Терапии, имитирующие противовирусную защиту, – CRISPR/Cas9

Как найти новые лекарства для лечения заболевания? Можно попробовать имитировать природу и противостоять нуклеиновым кислотам, используя другие нуклеиновые кислоты и молекулярные «ножницы». Природа использует такие возможности. Существует три возможных механизма действия терапевтических нуклеиновых кислот: «антисмысловая» (antisense) ДНК, рибозимы и сайленсерная РНК (миРНК или siRNA). Во всех трех случаях терапевтические нуклеиновые кислоты имитируют противовирусные механизмы естественного происхождения. Сначала специалисты по разработке лекарственных препаратов были, похоже, полны энтузиазма: «Мы можем скопировать и апробировать механизмы, используемые природой. Если мы хотим летать, нужно имитировать движения птиц», – рассуждали они. Всякий раз, когда появлялась информация о новой терапии, это событие отмечалось как революция и сопровождалось публикацией пресс-релизов, созданием новых компаний и мобилизацией бизнес-ангелов.

Для разработки препаратов на основе терапевтических нуклеиновых кислот не требуются кристаллические структуры или высокопроизводительный скрининг препаратов, все это можно сделать на бумаге путем сравнения последовательностей. Нужно лишь помнить правила формирования парных комплексов двойных цепочек: А–Т и G–C, а в случае с РНК – A–U и G–C. Что касается «антисмысловой» терапии, она предусматривает разработку участка одноцепочечной ДНК или РНК против опасного гена, подлежащего инактивации. мРНК этого гена образует локальный гибрид с искусственной ДНК, которая активирует «ножницы» РНКазу Н, после чего РНК расщепляется. Таким образом, прекращается производство соответствующего белка. И наоборот, синтез белка прекращается за счет блокады мРНК, и рибосома перестает функционировать, что также приводит к ингибированию производства белков, включая вирусы.

Помимо «антисмысловой» терапии существует еще один подход к активации гена, основанный на действии рибозимов против мРНК. В этом случае сама РНК является ферментом, осуществляющим расщепление, и в «ножницах» РНКазе Н нет необходимости. Рибозимы избирательно связываются с соответствующими последовательностями и расщепляют их, используя свои эндогенные «ножницы». Но они могут быть и искусственными и направленными против РНК, которую надо уничтожить. С каждой стороны в качестве небольших ножек прибавляют до семи нуклеотидов, которые образуют боковые стороны участков расщепления с выразительным названием GUN («ружье»), состоящим из названий нуклеотидов G, U и N (где N означает любой из четырех нуклеотидов), представляющих собой триплет для расщепления. Такой подход использовался против РНК онкогена Bcr-Abl, который, как правило, отмечается у пациентов с хронической миелоидной лейкемией. Рибозим такого свойства против ВИЧ в комбинации с другими факторами также является предметом проводимых в настоящее время клинических исследований в Сити-Хоуп[18] (Калифорния) – название клиники говорит само за себя.

Третий общий подход к сайленсингу генов заключается в использовании siРНК. Она состоит из коротких двухцепочечных РНК (длиной примерно 20 аминокислот), разделенных на отдельные цепочки. Одна из них связывается с выбранной РНК-мишенью, а затем активирует «ножницы» (Argonaute с его PIWI-РНКазой Н) для вырезания нежелательной РНК.

Все три подхода с самого начала дали повод для больших надежд в части, касающейся разработки соответствующих терапий. А что же сейчас? Имеется большой объем данных относительно механизма «антисмысловой» терапии, рибозимов и siРНК, но нет ни одного разработанного препарата и, конечно же, лекарственных препаратов – лидеров продаж. У всех у них одна и та же проблема: как направить терапевтические нуклеиновые кислоты на специфический сайт-мишень для расщепления в опухолевых клетках, тканях головного мозга, органах. Природой разработана замечательная процедура для достижения этой цели – вирусы! Правы был исследователи, пришедшие к заключению, что нужно попытаться использовать синтезированные или модифицированные вирусы, липосомы, наночастицы или «выпотрошенные» вирусы. На копировании природы основана целая область исследований – бионика. Можно использовать модульный характер вирусов и собрать наиболее ценные вирусные компоненты, «лучшее из мира вирусов», как это назвали авторы, комбинируя гены десятка различных вирусов. Это отличное развлечение в лабораторных условиях, но имеет очень незначительный терапевтический эффект. Мне известен только один такой «антисмысловой» препарат для лечения герпесвируса, а конкретно цитомегаловирусной инфекции глаза. Пациент использует только глазные капли – и никаких вирусов и наночастиц! Первым «антисмысловую» ДНК описал Пол Замечник – «отец “антисмысловой” ДНК». Лишь позднее было признано, что вирусы и бактерии также используют ее в качестве принципа регуляции. Это сделало данный подход еще более привлекательным для биотехнологов – природа создала, а мы можем разработать нечто подобное. Герпесвирусы используют «антисмысловые» нуклеиновые кислоты, чтобы удерживать вирус в латентном состоянии. Кроме того, на этом принципе основано поддержание иммунитета фага Р1 против суперинфекций. Первопроходцами этих исследований были ученые лаборатории Хайнца Шустера Общества Макса Планка в Берлине. Хорошо помню, как в 1994 г. искали белок-репрессор в иммунитете фага Р1, а вместо этого открыли нуклеиновую кислоту. Результаты этой работы опубликованы в журнале Cell.

Неожиданно появились новые возможности в плане использования таких технологий для выключения генов. Полная инактивация гена, «потеря функции» позволяет нам выяснить задачи гена. Нет лаборатории в мире, где бы не использовали такую «антисмысловую» технологию, чтобы понять метаболические пути, развитие заболеваний и рака. Такая технология может использоваться для клеточных культур, в исследованиях на животных, но не в исследованиях с участием людей в качестве добровольцев. И что же в результате? Хорошие исследования, идентификация и «валидация» (подтверждение важной роли) целевых генов.

Кроме того, мы использовали часть ДНК для инактивации ВИЧ, «сайленсер ДНК» вместо сайленсера РНК. ДНК в виде U-образной петли направлена против консервативного участка вирусной РНК в частице и активирует молекулярные «ножницы», вирусную РНКазу Н, что приводит к «суициду» ВИЧ. В 2006 г. в материалах симпозиума в Колд-Спринг-Харбор мы обозначили его как сайленсер ДНК «siДНК». Возможно, это станет защитным средством для женщин как вагинальный микробицид против ВИЧ-инфекций; правда, это долгий и затратный путь.

В настоящее время есть новая технология – четвертая терапевтическая нуклеиновая кислота, выделенная из иммунных систем бактерий. Весь мир увлечен ею!

Бактерии спасают гены от инфицирующего фага путем интеграции его ДНК в их геном. Если схожий фаг проникает в бактерию, его распознает РНК, транскрибированная из первого фага, и механизм разрезания уничтожает новый фаг. Система называется CRISPR/Cas9, где Cas9 – молекулярные «ножницы», нуклеаза, осуществляющая вырезание. Исследователи имитируют такой иммунный ответ путем комбинирования нуклеазы с РНК. РНК называется «направляющая РНК» и имеет две функции: нахождение сайта расщепления с использованием гомологических последовательностей и внесение информации, необходимой для генетических изменений. Кроме того, у РНК есть крючок, на котором держится нуклеаза. Генетические изменения описываются как «правка» («редактирование»). В The New York Times была опубликована новость дня – «Правка ДНК». Следует помнить, что компьютерная команда «Правка» означает «изменение». Целевая ДНК вместе с «направляющей РНК» формируют гибрид ДНК–РНК, и при этом ДНК из него вырезается молекулярными «ножницами» Cas9. Они могут вырезать участки ДНК, а концы соединяются клеткой. Или клетка копирует «направляющую РНК» для редактирования. В отличие от других ДНК-модифицирующих технологий, CRISPR может использоваться для изменения специфических генов без «рекомбинации». И это большое преимущество. К тому же до сих пор не существует соответствующих правил или ограничений. В конце 2013 г. Science и Nature признали это одним из величайших 10 прорывов в науке. У журналистов сразу же сложилось свое ви́дение: можно удалять гены, редактировать (изменять) вирусы, бактерии, растения, генетические дефекты, лечить заболевания – модифицировать все мыслимые системы на планете, включая человека. Возможны любые желаемые модификации ДНК в живой клетке и вообще в организме животного, а фактически единовременно можно осуществлять большое число изменений – просто скомбинировать желаемые изменения последовательности на длинной «направляющей РНК». Клетка будет их копировать. Практически ежедневно появляются новые выпускаемые в промышленных масштабах наборы для максимального упрощения этой процедуры. Компании предлагают вирусы для транспортировки комплексов в клетки. Мне на электронную почту приходит ежедневно по три таких предложения. Я видела, как в геном свиньи вносилось сразу 62 правки с целью ее «очеловечивания», чтобы можно было без иммунного отторжения трансплантировать сердце и другие органы этого животного пациентам. Любой студент может использовать этот метод и изменять геномы клеток или эмбрионов для получения трансгенных животных – это почти не занимает времени, хотя раньше докторантам требовалось до трех лет напряженной работы, которая не всегда увенчивалась успехом. А сейчас процесс занимает три недели.

Редактирование – обычное явление в биологии, а не «изобретение» Google. Такой же механизм присутствует и в археях. У африканских трипаносом также широко распространены редактирование и генетическая вариабельность. В тканях головного мозга эмбриона человека редактирование происходит в 35 раз чаще, чем у обезьян. Так что это естественный механизм. Можно ли бактерии со множественной устойчивостью к лекарственным средствам снова сделать чувствительными к антибиотикам? В настоящее время это одна из самых насущных задач в мире. Специалист по синтетической биологии Тимоти Лу из Техасского технологического института пытается это сделать, инфицируя бактерии фагами для редактирования, чтобы вернуть бактериям чувствительность к антибиотикам. В частности, мишенями являются биопленки, содержащие несколько слоев не очень активно метаболизирующихся бактерий, для чего осуществляется редактирование фагов. Редактирование с использованием CRISPR/Cas9 – самое новое, широко разрекламированное направление в исследованиях. Меня это тоже захватило. Новшество данного подхода – быстрота и простота. Существует 20 типов Cas-подобных «ножниц», имеющих различные специфические свойства, и некоторые из них даже вырезают одноцепочечную РНК. Как они будут использоваться?

Некоторых ученых беспокоит вопрос о возможном злоупотреблении данным методом. В СМИ уже появились сообщения о появлении «искусственных детей». В начале 2015 г. китайские исследователи модифицировали гены эмбриона человека, но эти эмбрионы не выжили. Тем не менее можно представить себе эксперименты с реальными эмбрионами человека. «Инжиниринг идеального ребенка» – так была озаглавлена статья, опубликованная издательством Массачусетского технологического института. Годовалому ребенку провели соответствующее лечение, чтобы у него мог прижиться трансплантат, который в противном случае отторгся бы. Этот метод не характеризуется 100%-ной точностью. Существуют так называемые «нецелевые» (off-target, или побочные) эффекты, которые могут обусловить развитие побочных явлений и редактирование «не тех» генов. Эта проблема типична для нуклеиновых кислот, ее нужно преодолеть, но задача отнюдь не тривиальная. В начале 2016 г. власти Великобритании одобрили использование в лабораториях человеческого эмбриона примерно недельного возраста (пока число клеток увеличится с четырех до 256) для применения CRISPR-технологии и тестирования роли определенных генов на раннем этапе эмбрионального развития. Затем эти клетки подлежат уничтожению. У мышей мышечную дистрофию Дюшенна (генетическое мышечное заболевание у мальчиков) излечили путем вырезания участка генома с генетическим дефектом. Этические комитеты готовятся оценить эту технологию. Самоограничения исследователей – практика, уже используемая в связи с технологиями рекомбинантных ДНК. Впервые эту тему затронули в 1975 г. на Асиломарской конференции из-за страха перед биоопасностью. В конце 2015 г. комитет Международного саммита по редактированию гена человека выступил с заявлением, в соответствии с которым новая технология редактирования генов не может использоваться для модификации эмбрионов человека в период беременности. Дэвид Балтимор из Калтеха, председательствовавший на саммите, сказал: «Ученые должны проявлять осторожность, так как, если в геном внести изменение, это будет необратимо». По мнению некоторых, заявление слишком мягкое. Ежегодно в мире 8 млн детей рождается с генетическими дефектами. Нуждаются ли они в редактировании, в каких бы то ни было изменениях? Где и когда?

Меня крайне удивило, что в обоих случаях, когда ученые заявили о самоограничениях, используемые методы были основаны на бактериальных иммунных системах: сначала это была бактериальная система защиты, использование «рестрикционных эндонуклеаз», открытых швейцарским ученым Вернером Арбером, что явилось основой рекомбинантной ДНК. В настоящее время это иммунная система CRISPR/Cas9. Бактерии против фагов в равных пропорциях используют обе эти системы защиты. У нас это вызывает трепет и беспокойство. В 1978 г. Арбер получил Нобелевскую премию. Кто станет следующим?

Две молодые дамы очень активно занимаются данной технологией, и обе вошли в шорт-лист кандидатов на получение следующей Нобелевской премии. Одна из них – Эммануэль Шарпантье, назначенная новым директором Общества Макса Планка в Берлине. Джиму Уотсону хотелось узнать о ней больше, и казалось, им движет заинтересованность и немного любопытства! Вторая дама-исследователь – Дженнифер Дудна из Калифорнийского университета в Беркли. Третий – молодой ученый Мартин Йинек из Цюриха – исследовал кристаллическую структуру Cas9. Этот фермент – вариант РНКазы Н – отличается тем, что режет ДНК в гибриде, поэтому его следует назвать ДНКазой Н. Разработкой применения и упрощением данной технологии занимается Фэн Чжан из Массачусетского технологического института. Между Калифорнийским университетом в Беркли, который представил заявки на патент раньше, и Массачусетским технологическим институтом, который представил их позже, но на большее количество применений, развернулась закулисная патентная война. К сожалению, здесь участвуют большие деньги. Компания Bayer инвестировала €300 млн в разработку данной технологии для лечения трех заболеваний – заболевания крови, слепоты и врожденного порока сердца. К этому направлению присоединилось еще три крупные компании, и объем инвестиций намного увеличится. В настоящее время в этом направлении работают десятки тысяч исследователей, и все используют данную технологию. Важно отметить, что метод можно применять для мутирования (редактирования) или инактивации специфических генов без введения ДНК чужеродного организма. На такие «отредактированные» организмы в настоящее время не распространяется ограничительное законодательство, регулирующее ГМО. Копированные, но нерекомбинированные гены были бы менее опасными. Соответствующее обсуждение данного вопроса регуляторными органами уже началось. У этой истории будет продолжение!

От мечехвоста до червей для укрепления иммунитета

В дельте Миссисипи и на Лонг-Айленде обитают сотни животных, похожих на древнее существо. Это время спаривания мечехвостов, или крабов-подков. У них на подковообразном панцире (отсюда и их название – краб-подкова) расположено три глаза. Еще у них есть длинный тонкий хвост, напоминающий стрелу, отсюда другое название – мечехвост. У них нет иммунной системы. Как же они выживают так долго? У этих животных кровь не красная, а голубая. У них вместо гемоглобина гемоцианин и в крови содержится не железо, а медь. Медь для микроорганизмов токсична. Именно поэтому инкубаторы для выращивания клеточных культур еще со времени Роберта Коха изготавливали из меди, оказывающей противомикробное действие. Помнится, мне приходилось с ними работать. У людей с иммунодефицитом, например у детей с аденозиндезаминазной недостаточностью (ADA), повышается риск развития заболеваний, представляющих угрозу для жизни, и им приходится жить в стерильных «палатках». Беспозвоночным и насекомым вполне удается выживать с голубой кровью. Однажды я принесла домой панцирь краба, высушила его и хранила как ископаемый экспонат до тех пор, пока он не начал разлагаться и мне не пришлось его выбросить. Действительно ли у них нет обратной транскриптазы, siRNA, CRISPR, ERVs, IgGs? Может ли медь в крови заменить все эти иммунные системы? И все это происходило последние 500 млн лет? Удивительно!

Как люди могут повысить эффективность функционирования своих иммунных систем? Есть червей! Звучит не очень привлекательно. Можно сформулировать эту рекомендацию научно: червей назовем гельминтами, а процесс поедания червей – гельминтотерапией. В настоящее время наблюдается повышение заболеваемости аллергией, поскольку наши иммунные системы недостаточно заняты отражением угроз со стороны чужеродных микроорганизмов. Нашим иммунным системам «скучно», поэтому они ищут альтернативные угрозы, включая, к сожалению, наши собственные антигены. Это приводит к развитию аллергии и аутоиммунных заболеваний. Они часто наблюдаются у жителей современных промышленных городов, где люди достаточно редко вступают в контакт с паразитами или другими инфекционными микроорганизмами, поэтому их иммунные системы недостаточно стимулированы. Дети фермеров стали городскими жителями и теперь имеют дело не с навозом, а пылесосом. При аутоиммунных заболеваниях иммунный ответ направлен против «себя», а не против «чужеродных» микроорганизмов, против частей своего же организма, а не чужеродных оккупантов. Швейцарские дети живут в самой чистой среде, согласно некоторым оценкам, возможно, в самых чистых в мире условиях. Поэтому швейцарский иммунолог Рольф Цинкернагель в статье, опубликованной в газете Blick, отметил, что гельминтотерапия является одной из терапий аутоиммунных заболеваний. Он был не первым человеком, предложившим этот метод. За несколько лет до этого американец – «сторонник» гельминтотерапии продавал яйца червей через интернет, но Управление по контролю над пищевыми продуктами и лекарственными средствами США положило конец этой практике. Однако этот человек переехал в Великобританию и продолжил предлагать свою терапию. Даже Nature посвятил этому вопросу одну из статей: пациентам с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК) предлагается напиток, содержащий тысячи яиц червей. Яйца попадают в кишечник, где из них вылупляются личинки, из которых потом вырастают настоящие черви. К счастью, они настолько малы, что их невозможно различить. Никому не хочется вспоминать о мелких белых червячках в детском кале. Терапевтических червей получают из червей свиней, поэтому в ЖКТ человека они погибают в течение восьми недель. Врач Джоэл Вайнсток из медицинской школы Университета Тафтса (США) охарактеризовал нашу иммунную систему как «безработную» систему, которой нечем заняться. И если сейчас она начнет действовать против червей, она отвлечется от аутоиммунных реакций. Вайнсток использует червей для лечения пациентов с хроническими заболеваниями, в частности болезнью Крона, неспецифическим язвенным колитом, диабетом 1-го типа, псориазом, рассеянным склерозом и пищевой аллергией. Во Фрайбурге (Германия) проводится исследование гельминтотерапии с участием 330 пациентов. Интерес к этому методу огромный. Никого не нужно уговаривать присоединиться к этому проекту.

Этот червь называется Trichiris suis. Возможно, для подавления аутоиммунитета на более продолжительный срок потребуется несколько раз глотать яйца червей. Подобные исследования начались в медицинской школе Маунт-Синай (Нью-Йорк). Согласно «гигиенической гипотезе», у пациентов с рассеянным склерозом, которые получали паразитов в качестве терапии, отмечалось более медленное прогрессирование заболевания по сравнению с контрольной группой. В настоящее время используются пластыри с личинками нематод (червей), которые наклеиваются на кожу. Личинки проделывают отверстия в коже и в итоге оказываются в кишечнике. Это дешевая и простая терапия. Однако опыт ее использования пока невелик, и невозможно оценить эффективность данной терапии применительно к другим инфекциям. Что же будет с крупномасштабной антигельминтной кампанией, осуществляемой в Африке? Там школьники получают соответствующее лечение, чтобы избавиться от глистов, что существенно повысило качество их жизни и способности к обучению. У африканских детей, вероятно, нет аутоиммунных заболеваний даже при отсутствии глистов, поскольку они в достаточной степени подвергаются воздействию паразитов или «грязи», которые все время обеспечивают занятость их иммунной системы. Еще один аспект использования червей – для лечения плохо заживающих глубоких ран, в частности трофических язв, которые возникают на большеберцовой кости вследствие снижения тонуса кровеносных сосудов. Или же лечение пролежневой болезни, развивающейся у лежачих пациентов, как в стационаре, так и дома (пролежни, или decubitus) и вызванной неподвижностью пациентов и давлением на кожу. Черви питаются инфицирующими микробами и «очищают» раны. Эта процедура практикуется в клиниках при университетах, где пациентам проводят лечение в стационаре. Совсем недавно стал обсуждаться вопрос о возможности применения фагов для лечения именно таких ран путем уничтожения бактериальных инфекций.

Даже такой ученый, как Фримен Дайсон, однажды сказал мне, что раньше страдал хроническим артритом. Затем в Варшаве его укусила собака, и артрит прошел. «Настанет день, когда мы поймем механизм этого чудесного выздоровления», – пророчески поведал мне он. Вероятно, укус собаки активировал его иммунную систему и отвлек ее от артрита. Некоторые люди выступают за то, чтобы дети росли рядом с собаками или проводили каникулы на ферме для тренировки иммунной системы.

Дайсон также упомянул о своем семейном враче в Ла-Холье (Калифорния), которому он в случае необходимости привозил своих шестерых детей. Этот врач заметил, что у детей с мексиканской стороны границы есть нематоды, но нет аллергии, в отличие от детей с калифорнийской стороны границы, у которых нематоды отсутствуют, но они страдают аллергией. Мелкие червячки полезны!

Даже вирусы на протяжении многих лет применяются в качестве «вирусотерапии». Было показано, что вакцинация инактивированными вирусами оказывает неспецифический иммуностимулирующий эффект. У одного пациента после прививки от бешенства исчезла опухоль. У другого клиника лейкемии стала носить менее выраженный характер после вакцинации от оспы. Я привела вам информацию из нескольких историй болезней, но за этими пациентами не велось систематического наблюдения. Время покажет, есть ли перспективы у гельминтотерапии и окажется ли интерес к ней долгим. Со временем появятся более эффективные способы терапии.

Можно ли заболеть от излишней гигиены? Однажды в поезде я встретила профессора из Бангладеш с семьей. Это было весной 2013 г., когда уровень воды в Эльбе был необычайно высок и все низменности затопило. Этот человек сказал, что в Бангладеш дети плавают в реках, глотают грязную воду и при этом не заболевают. Заболеть можно от чистой воды, пояснил он, а это совершенно противоречит нашим привычным представлениям. Такое же явление может наблюдаться и у взрослых, которые заболевают, поскольку, отказавшись от грязной воды, перестают тренировать иммунную систему. В сточных водах около 50 000 типов вирусов (это главным образом фаги) и 250 других типов, 17 из которых, как установлено, являются возбудителями различных заболеваний, в частности полиомиелита. В священном индийском городе Бенарес (или Варанаси) я однажды наблюдала, как паломники наполняли специальные ритуальные медные чаши водой из Ганга и полоскали рот. Мне это показалось ужасающим, поскольку вода казалась очень грязной. Но мне не следовало беспокоиться, ибо эти люди так вырабатывали иммунитет! Некоторые фаги, существующие в воде Ганга, несколько десятилетий назад были охарактеризованы как фаги, оказывающие антибактериальное действие. Было высказано предположение, что «священные» воды Ганга помогают от холеры и проказы. Возможно, паломники использовали медные чаши для достижения дополнительного антимикробного эффекта. Я привезла такую чашу в качестве сувенира. Признается ли сегодня, что излишняя гигиена может обусловить развитие аллергии и хронических кишечных заболеваний, а еще астмы и аутизма? Пусть эти люди попробуют яйца червей. Однако дети в Бангладеш до сих пор болеют полиовирусными инфекциями. Следовательно, для защиты людей от болезней одной только воды недостаточно.

С недавнего времени взаимодействие патогенов и защитной системы «хозяев» рассматривается совсем с другой точки зрения: если мышь свободна от микробов, включая кишечные микробы, у нее развивается слабая иммунная система. Наличие кишечных микробов – одно из необходимых условий для формирования сильной иммунной системы. Таков один из результатов проекта «Микробиом человека». «Хороший» микробиом и крепкая иммунная система формируются при рождении. В начале 2016 г. было установлено, что роды с применением кесарева сечения – около 90% родов в Китае – позднее могут у таких детей (примерно в возрасте 40 лет) привести к развитию аллергии и артрита. Новорожденные, проходя по родовым путям матери, в качестве защитной меры орошаются обычными кишечными микробами; это своего рода душ из микробов для новорожденного! В начале 2016 г. сообщалось о первых четырех детях, обработанных таким образом. Недоношенные новорожденные подвергаются самому большому риску развития внутрибольничных инфекций. Мы обследовали некоторых новорожденных, заразившихся бактериями со множественной лекарственной устойчивостью (MRSA). В скором будущем они получат лечение с помощью микробиома своих матерей.

Новейшие противораковые методы все чаще основываются на способах иммунной терапии, при которых опухолевые клетки сначала становятся иммуногенными, чтобы иммунная система могла их распознать и уничтожать. Сигнал, который клетки используют, чтобы избежать воздействия иммунной системы, называется «не трогай меня», или, выражаясь научным языком, осуществляется с помощью PD-1 (белок программируемой смерти клеток – 1), который был открыт Ирвингом Вайссманом из Стэнфордского университета несколько десятилетий назад. И только недавно ему была присуждена премия щедрого швейцарского фонда – Фонда Брупбахера. PD-1 нужно заблокировать при помощи антитела, и тогда иммунная система может уничтожить опухолевую клетку. Давайте надеяться, что это сработает!

Вирусы и душа

Применительно к бактериям и фагам я неоднократно употребляла понятие «стресс». Для этих микроорганизмов стресс обусловлен отсутствием свободного пространства, пищи или очень высокой температурой. У лабораторных мышей стресс возникает из-за смены клеток несколько раз в день и из-за того, что к ним подсаживают новых партнеров. Это практически то же самое, что человеку лишиться дома, работы или партнера – три самых серьезных источника стресса у человека. У бактерий стресс активирует факторы, репрессоры смещаются с мест нахождения на ДНК, а ДНК фага высвобождается из генома бактерии-хозяина, и бактерии входят в литическую фазу. У человека стресс активирует киназный каскадный сигнал по типу, упомянутому в связи с раковыми клетками. Они активируют стресс-ответ генов или прекращение деления клеток. Вообще-то механизм действия стресса у человека аналогичен стрессу у бактерий и активирует герпесвирусы. Это фантастические «пси-сенсоры», которые замечают проблему, прежде чем мы ее осознаем. Вирусы активируются, если человек переживает горе, если у него слишком много профессиональных обязанностей и ему приходится много работать, если он волнуется перед экзаменами и на приеме у стоматолога, если не высыпается, в ряде случаев это вызвано гормонами, а иногда и слишком сильным солнечным светом. Затем герпес «выползает» из своих ниш, оправдывая название. Герпесвирус длительное время сохраняется в спинном мозге и ганглиях и всегда там присутствует, даже если мы его не замечаем. Этот вирус может десятилетиями оставаться незамеченным. Во время крестин дядюшки и тетушки, сами того не осознавая, «одаривают» младенцев герпесвирусом, целуя их. У 90% людей в организме присутствует герпесвирус. В условиях стресса вирусы покидают свои укрытия в недрах спинного мозга, по нервам мигрируют на периферию, в частности на губы, и вызывают поражение, характеризующееся наличием огромного количества вирусов и высокой инфекционностью. Такое поражение также называются герпесной лихорадкой, поскольку простуда (или лихорадка, сопровождающая «простуду») – своего рода стресс для иммунной системы. Герпесная «атака» имеет повторяющийся характер, неоднократно возвращается, а вирус никогда не покидает организм. Герпес всегда остается герпесом. Другие заболевания, такие как опоясывающий лишай, индуцируются вирусом ветряной оспы, который является одним из вирусов герпеса. Это может быть важным предупреждающим сигналом, указывающим на другие серьезные заболевания, в частности на рак. Если вирусы достигают головного мозга, это может привести к развитию энцефалита и представлять угрозу для жизни. Результаты исследований свидетельствуют, что у женщин, больных раком молочной железы, больше шансов прожить дольше, если их поддерживают члены семьи и друзья и если они находятся в положительной обстановке. Психологический эффект может действительно оказать сильное воздействие. Иммунная система – самый невероятный «орган чувств». Даже если мы сталкиваемся с чем-то сильно нас раздражающим, возможна активация герпесвируса. Для меня это самое удивительное. Герпесвирусы – наиболее чувствительные детекторы наших потаенных психологических проблем. Возможно, это также относится и к другим вирусам и заболеваниям, но мы пока этого не выяснили.

10. Вирусы и фаги нужны для выживания?

Забытые фаги

В 1916 г. Феликс д’Эрелль для уничтожения бактерий вместо антибиотиков предложил использовать фаги – это было более 100 лет назад! Однако ему не повезло, потому что через десять лет (в 1928 г.) Александр Флеминг открыл антибиотик пенициллин, что положило конец планам и надеждам д’Эрелля. С антибиотиками гораздо проще работать, так как они оказывают неспецифическое действие на целый спектр бактерий и демонстрируют более высокую эффективность. В качестве терапии они абсолютно превосходят фаги. Поэтому о фаготерапии для уничтожения бактерий забыли еще до того, как она получила развитие. Это стало огромным разочарованием для д’Эрелля, который с самого начала знал, как можно использовать открытые им фаги, и продемонстрировал их эффективность. Находясь в весьма удрученном состоянии, он путешествовал по разным странам, где ему удавалось успешно лечить эпидемии различных заболеваний, в частности холеру в Индии. Вместе с Георгием Элиава в Грузии он основал Институт бактериофага в Тифлисе (сейчас Тбилиси), который работает и в наши дни.

В силу этой традиции Восточная Европа и Россия находятся в авангарде использования фаготерапии. В России можно зайти в любую аптеку и купить без рецепта продукты, содержащие фаги. Честно говоря, мне не удалось это сделать, но это исключительно потому, что я не говорю по-русски и у меня не было переводчика. В настоящее время несколько миллионов людей получают фаготерапию. Фаготерапия безвредна, но вот может ли она излечить? В литературе часто печатаются данные по пациентам, получающим эту терапию, но не приводятся данные по контрольным группам. Поэтому американские органы здравоохранения (FDA) не одобрили применение данной терапии в силу того, что не были выполнены требования контроля качества. Разрешенный к применению препарат должен быть исследован на предмет наличия побочных явлений, токсичности на животных моделях, а точно определенный исходный материал должен быть сохранен для повторного тестирования. Бактерии быстро меняются; кроме того, они образуют квазивиды, большие популяции. Таким образом, вопрос о фаготерапии отнюдь не тривиальный.

В 2010 г. на международной конференции, посвященной фагам, в Институте Пастера встал бывший пациент и рассказал участникам конференции, как благодаря трем поставкам фагов из Грузии он избавился от кожного заболевания, в то время как врачи были бессильны. На следующем заседании официальные представители соответствующих органов здравоохранения США однозначно высказывались против такой терапии, но они по крайней мере присутствовали на мероприятии, что само по себе что-нибудь да значит. Информацию по индивидуальным историям болезней воспринимать не так-то просто, и звучит она ненаучно. Однако на нее нужно обратить внимание. Во время советско-финской войны 1939 г. в полевых госпиталях раненых солдат успешно лечили смесью фагов от сибирской язвы – инфекционного заболевания, которое при отсутствии лечения приводит к смерти. Коктейль из фагов закапывали прямо в раны – местное лечение до сих пор остается самой простой и многообещающей терапией. Такой успех укрепил репутацию подобного рода лечения. Какие фаги следует использовать, как и когда – вот в чем вопрос. Д’Эрелль знал об этой проблеме. Оппоненты д’Эрелля не могли воспроизвести его эксперименты, поскольку использовали другие или неподходящие фаги. Д’Эрелль с самого начала предлагал использовать смесь, коктейль из фагов, дабы увеличить шансы того, что найдется соответствующий фаг для уничтожения бактерий.

В Польше для лечения инфекционных заболеваний простаты применяются фаги. Результаты этой практики не ошеломляющие, а информация о них не очень полно изложена. В 2012 г. было установлено, что примерно 40% из 157 пациентов продемонстрировали положительный отклик на лечение. Швейцарская компания Nestlé также начала исследования фагов. Но почему Nestlé? Вероятно, можно использовать фаги для уничтожения бактерий и производства чистой воды? Или для лечения диареи? В Бангладеш Nestlé начала с хорошо известного лабораторного фага штамма Т4 и использовала его для лечения диареи у детей. Контрольная группа, состоявшая из швейцарских детей, показала гораздо более значимые результаты – возможно, потому, что у бангладешских детей было гораздо больше различных штаммов, чем у пациентов швейцарской контрольной группы. Поэтому для терапевтических целей одного фага недостаточно. Было удивительно узнать, что в Бангладеш диарея не была вызвана типичным штаммом T4 E. coli, который, как считается, является возбудителем диареи в этой стране. Поэтому сначала необходимо ответить на базовые вопросы о природе возбудителя.

Летом 2014 г. внимание читателей привлек заголовок статьи в Nature – «Фаготерапия возрождается». А была еще одна статья с совершенно провокационным названием «Век фагов: настало время снова использовать вирусы для уничтожения бактерий». Снова! Мы наверстываем упущенное. Замечательно! Где лучше всего использовать фаготерапию? Наиболее целесообразно использовать ее местно (на поверхности). Ожоги – одно из основных показаний для применения фаготерапии. Недавно был основан Международный консорциум по лечению ожогов фагами под названием Phagoburn, спонсируемый в рамках Седьмой рамочной европейской программы, где предлагалось лечение фаговыми суспензиями ожоговых поражений, инфицированных бактериями E. coli и Pseudomonas aeruginosa.

Кроме того, опубликованы сообщения о довольно впечатляющей эффективности фаготерапии при лечении диабетической стопы, являющейся следствием ожирения и диабета. Это состояние или предрасположенность к нему наблюдается примерно у 6 млн американцев и 600 млн людей во всем мире. В 2015 г. на научной конференции в Цюрихе описывалось состояние пациентов с диабетической стопой до и после применения коктейля из фагов – заживление происходило в течение нескольких недель, и благодаря фаготерапии отпадала необходимость в ампутации. Участникам конференции продемонстрировали впечатляющие снимки. Ни одна другая терапия не может заменить фаготерапию, поскольку в зависимости от глубины раны (она может доходить до кости) активность проявляют разные штаммы бактерий, в силу чего в этом коктейле должны присутствовать разные фаги. Очень впечатляющая история успеха! Кроме того, коктейль широкого спектра фагов продемонстрировал эффективность при лечении язв нижних конечностей, трофических язв, которые часто не заживают. Столь успешное применение фаготерапии является основанием для более активного продвижения в этом направлении. Помимо этого, фаготерапия могла бы быть показана лежачим пожилым людям в домах престарелых, у которых наблюдается предрасположенность к развитию плохо поддающейся лечению пролежневой болезни (пролежней). Кроме того, важными мишенями для фаготерапии являются хроническое заболевание среднего уха, фиброзно-кистозные изменения в легких на фоне заболеваний, вызванных бактериальными инфекциями. Некоторые хирурги перед тем, как зашивать раны, обрабатывают их и хирургические нити фагами, чтобы в раны не попали бактерии, а также для профилактики развития внутрибольничных инфекций. Крайне необходимы фаги против метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA, МРЗС). В Германии им инфицировано 600 000 человек, из которых 15 000 погибли. Вероятно, показатель смертности от этой инфекции занижен, а число смертельных случаев может превышать 40 000, и вполне возможно, что речь идет о 60 000 смертельных случаев. Существуют и другие резистентные микробы, в частности бета-лактамаза расширенного спектра (ESBL, БЛРС) и ванкомицин-резистентные энтерококки (ВРЭ). Даже туристы, приезжающие Индию, в течение двух недель заражаются ESBL более чем в 50% случаев, но бактерии, похоже, быстро исчезают дома, по крайней мере у здоровых людей. Миллионы людей в мире будут погибать от бактерий, устойчивых к антибиотикам. На проходившем в Германии в 2015 г. саммите «Большой семерки» МРЗС был включен в топ-лист приоритетов предстоящих действий, которые, в частности, предусматривают ограничение применения антибиотиков для людей и животных. Даже у короля Испании при эндопротезировании тазобедренного сустава наблюдалось осложнение, вызванное МРЗС. Ему пришлось делать повторную операцию – и в итоге он отрекся от престола (в силу ряда причин, в том числе и других!). Таким образом, дело не только в том, чтобы найти лучших врачей, которых король, вероятно, нашел в любом случае.

В некоторых странах, таких как Нидерланды или Норвегия, пациенты, медики, сотрудники клиник и студенты перед госпитализацией и работой в клиниках должны представить справку об отсутствии у них МРЗС. Если такой справки нет, их отправляют домой и инструктируют относительно того, как избавиться от МРЗС. В Скандинавии пациентов в неотложных случаях размещают отдельно до проведения соответствующего скрининга и получения отрицательных результатов на наличие МРЗС. В Германии подобные меры не практикуются.

Мой сосед в моем родном городе на побережье Балтийского моря страдал от разрывов аневризмы брюшной аорты, осложненных плохо поддающейся контролю и излечению бактериальной инфекцией. Кроме того, немец Феодор Линен, лауреат Нобелевской премии за достижения в области медицины, умер от осложнения аневризмы брюшной аорты на фоне бактериальной инфекции. Показана ли в этом случае фаготерапия? Если у человека нет возможности поехать в Институт им. Элиава в Тбилиси, тем не менее можно, как следует из информации на сайте института, направить туда мазок и заказать коктейль из фагов – я проверила эту информацию по телефону. Однако, как мне сообщили, для этого требуется некоторое время, потому что нужно вырастить бактерии и провести несколько серий тестов, выявляющих их чувствительность в отношении ряда фагов, чтобы подобрать подходящие. А вот вышеупомянутый пациент не мог так долго ждать. Фаги способны проникать в ниши, находить даже латентные бактерии и уничтожать их. Чем больше вокруг бактерий, тем лучше растут фаги. В настоящее время Институт медицинской микробиологии при Цюрихском университете также проводит ряд исследований фаготерапии и начал сотрудничать с Институтом им. Элиава. Недавно ЕС профинансировал создание в Тбилиси лаборатории с надлежащим уровнем безопасности, чтобы гарантировать более высокий уровень контроля качества при производстве фагов. И события начали развиваться. Это персонализированная медицина, которая «самоограничивается», когда не остается бактерий. Некоторые люди не принимают ее всерьез, считая «альтернативной», но поживем – увидим.

Мне представляется, что использование в больницах фагов для борьбы с заражениями, индуцированными резистентными бактериями, может оказаться чрезвычайно эффективным. Мне кажется целесообразным обрабатывать стены хирургических операционных фаговым спреем. Однако врачи и мои коллеги настроены пессимистично и задаются вопросом: какие именно фаги следует использовать и по каким признакам определять подходящий фаг? Нужно иметь смесь из большого количества фагов в надежде, что какие-нибудь подойдут, о чем д’Эрелль знал сто лет назад. Есть и еще один аргумент экономического характера – фаги невозможно использовать в коммерческих целях, поскольку они хорошо известны и их невозможно запатентовать. Тем не менее определенную смесь фагов запатентовать можно – а почему бы и нет? Существует ряд компаний, в частности Intralytix в США, которые разрабатывают фаги против бактерий, например Listeria (опасна для любителей деликатесов, например для швейцарского сыра вашрена, и других продуктов питания), а также против сальмонеллы и опасного штамма E. coli (E. coli 0157). Индийская компания GangaGen пытается бороться с опасной бактерией, золотистым стафилококком, уничтожающим микрофлору в носовой полости, создав препарат StaphTame. В 2012 г. одно из мероприятий, организованных под эгидой Европейской организации по молекулярной биологии (ЕМБО) и Министерства обороны Бельгии, проводилось в армейских казармах бельгийских вооруженных сил. Никогда до этого не было такого сочетания организаторов и подобного места проведения. Но и то и другое было оправданно: военные – первые потребители таких препаратов и до сих пор самые важные. Организаторы зарезервировали целый день для проведения пяти презентаций фаготерапии. Должно быть, кто-то вспомнил о солдатах, излеченных в 1939 г. Один стоматолог рассказал, что пытается использовать фаги для профилактики инфицирования имплантатов бактериями, что может привести к опасным осложнениям, в частности к инфицированию Clostridium difficile, – это побочный эффект стоматологического лечения, который может привести к летальному исходу. Настало время фагов. (Ниже приводится подробная информация из одной истории болезни.)

Много факторов говорят в пользу использования фагов: для них характерно самодозирование (чем больше бактерий, тем больше появляется фагов, которые их уничтожают) и самоограничение (когда бактерий не остается, они погибают). Уникальная способность! И последний, но не менее значимый фактор: фаготерапия дешева – и это большое преимущество для развивающихся стран. В большинстве случаев мишенями такой терапии являются мокнущие открытые раны и изъязвления, которые можно обрабатывать наружно, и фаги могут размножаться. Когда фаги вводятся перорально, они погибают, проходя через желудок, поэтому при лечении кишечных инфекций их нужно помещать в капсулы.

Каковы же ограничения и опасности фаготерапии? Фаги переносят гены путем горизонтального переноса генов. Не допускается передача генов, обуславливающих устойчивость к антибиотикам. Более того, фаги, используемые в лечении человека, не должны интегрироваться в геном бактерий. Они должны быть литическими, то есть они размножаются, затем происходит лизис и уничтожение бактерий. Это напоминает новую противораковую терапию с использованием «онколитических» вирусов, которые также реплицируются, подвергаются лизису и уничтожают опухолевые клетки, – точно такой же принцип.

И все же есть ряд значимых побочных явлений, которые необходимо исключить. Влияют ли фаги на геном бактерий? Может быть, они индуцируют образование новых фаг-резистентных штаммов? Резистентные бактерии (бактерии, которые невозможно уничтожить при помощи фагов) – одна из важных проблем, поскольку бактерии способны изменять свои поверхностные рецепторы и предотвращать проникновение фагов. Необходима комбинированная терапия. Нам известно, по крайней мере со времени начала использования эффективной анти-ВИЧ-терапии, что комбинированные подходы эффективнее монотерапий. Д’Эрелль знал это еще сто лет назад. Поэтому нужно провести много контрольных экспериментов, чего требуют медицинские регуляторные органы. Правил, регулирующих использование лекарств у людей, огромное число.

Мы хорошо представляем, как ведут себя фаги в лабораторных условиях, поскольку уже 50 лет фаги являются одной из важных областей исследования в молекулярной биологии. Нужно отдать должное хорошо известному специалисту по фагам Максу Дельбрюку за открытие такой научной сферы, как исследование фагов. Он представил фаги как модель жизни (показал, как они ведут себя при репликации и мутагенезе). Поэтому мы много знаем о молекулярных механизмах фагов, но только в лабораторных условиях, и совсем не так много о том, как они себя ведут в реальной жизни или в естественной среде, например в кишечнике. И, похоже, фаги ведут себя очень по-разному. В лабораторных условиях фаги Т4 (тип 4) растут медленно, а фаги Т7 (тип 7) – быстро, хотя в кишечнике они растут с одинаковой скоростью. Вероятно, это зависит еще и от индивидуальных особенностей организма. До того, как фаги окажутся в состоянии спасать человеческие жизни, нам нужно многое узнать о механизме действия фагов в организме пациентов. Нам нужно разобраться в специфическом действии фагов на соответствующие бактерии. В этом смысле антибиотики намного превосходят фаги: они эффективны, даже если их бактерии-мишени неизвестны. Но ситуация может меняться, по крайней мере из-за того, что бактерии приобретают устойчивость к антибиотикам, в силу чего необходимо предварительное тестирование антибиотиков с целью определения их эффективности в определенной ситуации. Весной 2012 г. ВОЗ провозгласила завершение эры антибиотиков. Кроме того, лаборатория в Колд-Спринг-Харбор посвятила этой теме конференцию в Банбери – своего рода «мозговой центр» по вопросам будущего.

Ростки фасоли, отравленные фагами

Я должна предупредить читателя, поскольку моя высокая оценка фагов может ввести в заблуждение. Как и все вирусы, фаги могут быть вредоносными. Но если это и происходит, то мы сами в этом виноваты, поскольку мы отвечаем за их патогенность и болезнетворность. Вот еще один пример: в 2011 г. в Гамбурге (Германия) началась продовольственная паника, вызванная бактериологическими вирусами, то есть фагами, несущими ген (токсин) против EHEC-бактерии, энтерогеморрагического штамма кишечной палочки, родственной неболезнетворным бактериям кишечника. Эти фаги использовались в качестве удобрения для проростков и так попадали в салат людям. Болезнь появлялась, так как фаги перенесли с собой и гены токсина шига (shiga). Появляется кровавая диарея и иные осложнения, причем некоторые из них смертельны. Было инфицировано 3900 человек, более 1000 серьезно заболели, и 35 умерли. Такие бактерии не должны появляться в оформлении салатов. Они находятся в фекалиях животных и не должны попадать в пищевую цепочку человека.

Однажды в Принстонском институте перспективных исследований я наблюдала за ланчем, как мои коллеги посмеивались над немецкими учреждениями, пытавшимися выяснить причину эпидемии, вызванной EHEC. Всему виной помидоры и огурцы? «Да нет же, – говорили они. – Всему виной ростки фасоли!» Такой была их первая реакция. В США неоднократно отмечались вспышки этой инфекции. Об этом знали все – все, кроме меня, которая об этом ничего не слышала. Ростки фасоли выращивают в теплых влажных камерах, где созданы оптимальные условия для роста не только фасоли, но и бактерий, особенно если бактерии находятся в фекалиях животных, используемых в качестве удобрения. Бактерии были инфицированы токсичными токсин-экспрессирующими фагами. Удобрения животного происхождения вполне могли быть поставлены из Египта. Это была самая серьезная продовольственная паника в Германии за последние несколько десятилетий. «Позвоните в Институт Роберта Коха в Берлине и расскажите об этом», – настоятельно посоветовал мне коллега из Принстонского института. В Берлине на протяжении нескольких недель разбирались с документами на доставку и счетами поставщиков продуктов питания, пытаясь определить возможные причины паники, поскольку никто из пациентов не мог вспомнить, что несколько недель назад ел салат. Опрос пациентов не помог выявить причину заболевания.

Ростки фасоли часто кладут в салат. Трудно найти ресторан, где в салаты не добавляют ростки фасоли. Я стараюсь больше не есть ростки фасоли.

Что грязнее: холодильник или туалет?

При встрече никогда не следует обмениваться рукопожатиями. Обмен рукопожатиями между пациентами и врачами или медперсоналом должен быть запрещен, по крайней мере в лечебных учреждениях. «Но когда мы пожимаем руки пациентам, те чувствуют себя психологически комфортно. Поэтому мы не можем отказаться от практики рукопожатий», – ответили мне сотрудники медицинского факультета Цюрихского университета, когда я привела им свои доводы. Почему бы тогда не позаимствовать у японцев традицию кланяться и не начать раскланиваться с друзьями при встрече? Тереться носами в знак приветствия, как это делают эскимосы, пожалуй, еще хуже! Практически во всех клиниках есть гигиенисты, которые обучают работающих в здравоохранении способам дезинфекции разного рода поверхностей, особенно рук. Они используют искусственно выведенные зеленые светящиеся бактерии и освещают их ультрафиолетовой лампой, чтобы продемонстрировать степень зараженности различных предметов: стетоскопов, дверных ручек, клавиатур банкоматов, компьютеров, телефонов, кнопок лифтов, телевизионных пультов. Тем не менее чаще всего мы НЕ заболеваем. Обычно иммунная система контролирует такие микроорганизмы и даже нуждается в них для постоянной тренировки. В доме самым зараженным микроорганизмами местом является не туалет, а холодильник. Нужно ли некоторое количество зеленых светящихся бактерий, чтобы определить, где именно нужно убирать? Как следует из одного телерепортажа, в ресторанах быстрого питания McDonald’s туалеты чище подносов. Самое большое число микроорганизмов обнаружено на сиденьях нью-йоркского метро, где они сохраняются в течение недели. А что тода насчет сидений в самолете? Мне трудно поверить в это, и мне кажется, что в репортаже могла быть ошибка.

В повседневной жизни нам нечего опасаться. Нужно положить за правило по возвращении домой мыть руки, перед тем как начать готовить, а в больницах существуют особые правила: нужно использовать мыло и мыть разные участки рук (главным образом кончики пальцев и большие пальцы) в общей сложности в течение 30 секунд. 15 октября – Международный день вымытых рук, цель учреждения которого – повышение информированности населения всех стран мира о важности гигиены. Бактерии могут быть инфицированы фагами, несущими ген зеленого флуоресцентного белка (GFP, ЗФБ), которые выявляют при помощи ультрафиолетовой лампы. Этот тест по своей эффективности превосходит ПЦР, поскольку в отличие от ПЦР позволяет дифференцировать живые и неживые бактерии. ЗФБ синтезируется только живыми бактериями и выявляется при помощи флуоресценции. Фаг, содержащий флуоресцентный белок, можно использовать для контроля качества продуктов питания, в частности швейцарского сыра вашрена, для проверки на заражение микробами. В Швейцарском федеральном технологическом институте (Цюрих) даже открыт факультет, специализирующийся на этой технологии. С помощью данной технологии проверяют рыбу, креветки, куриное мясо, гамбургеры и сосиски и при необходимости запрещают их к реализации на рынке Швейцарии, что происходило неоднократно.

Фаги могут использоваться для уничтожения бактерий. Ими опрыскивают яйца, используемые для получения вакцины против вируса гриппа. Фаги применяют при работе с картофелем – картофельные клубни перед посадкой дезинфицируют, что, согласно данным датских ученых, обеспечивает повышение урожайности в пять раз. Душ из фагов применяется для опрыскивания винограда в целях повышения урожая. В Южной Корее фаги используют даже для стерилизации молока – в этом случае применение фагов заменяет процедуру пастеризации (которая предусматривает термическую обработку). Я не могу прочитать состав продукта на корейской упаковке молока, поэтому не знаю, информируют ли об этом покупателей. Вероятно, многие потребители отказались бы покупать молоко, если бы знали, что его обработали вирусами! Полезна или вредна такая обработка? Показано использование фагов в животноводстве с целью замены антибиотиков, применение которых приводит к появлению слишком большого количества мультирезистентных бактерий.

Швейцарский федеральный технологический институт (Цюрих) предлагает программу для стартап-компаний, которая называется «Создайте собственную компанию», и мне бы хотелось это сделать. Я обсуждала с несколькими коллегами вопрос о создании компании, специализирующейся на фагах. Однако все они высказались против, так как с фагами очень трудно работать и, кроме того, нет гарантий, что удастся получить патент, поскольку фаги уже хорошо известны – это «известный уровень техники». Тем не менее мне кажется, что можно зарабатывать даже на мыле! Возможно, найдется читатель, который сможет воспользоваться этой бизнес-идеей. Мне представляется, что фаги можно использовать для уничтожения бактерий в палатах интенсивной терапии в клиниках. Для борьбы с бактериями нам нужно вступить в союз с фагами. Кроме того, есть серьезные перспективы их использования в пищевой промышленности. На фаги не распространяется законодательство, регулирующее ГМО (генно-модифицированные организмы), которое ограничивает использование других генно-модифицированных продуктов. Фаги находятся на поверхности продуктов. И если их съедают, обычно ничего страшного не происходит. А если все же вам не хочется этого делать – просто смойте их!

«Цюрихский случай» фекальной передачи

Однажды коллега из Цюрихского университета вошла в мой офис и попросила узнать на международных конференциях, какая терапия может проводиться для пациентов, инфицированных Clostridium difficile (C. diff). Она лечилась от C. diff и проходила третий курс антибиотика (ванкомицина) в высокой дозировке. Но как только курс заканчивался, у нее снова начиналась сильная диарея. За два года до этого она лечилась у стоматолога, и ей в челюстную кость занесли бактериальную инфекцию. Антибиотики плохо проникают в костную ткань, и метаболизм в ней протекает довольно медленно. Поэтому для лечения использовали активную терапию. Потребовалось провести несколько курсов антибиотиков в высокой дозе, а продолжительность лечения составила несколько месяцев. Это привело к гибели микрофлоры кишечника, выжила и продолжала развиваться только одна бактерия – C. diff. И хотя это звучит иронично, единственный способ избавиться от этой устойчивой к антибиотикам бактерии заключался в том, чтобы вновь использовать какой-нибудь специфический антибиотик. Оставался только один эффективный антибиотик – ванкомицин.

Памятуя об этом случае, в 2008 г. я приехала в Париж в Институт Пастера, где за сто лет до этого были открыты фаги, на Международный конгресс по вирусам микроорганизмов. На этом мероприятии не было ничего нового, и ни в докладах, ни в стендовых (постерных) докладах ничего не было сказано о C. diff – просто никаких надежд получить интересующую меня информацию. Позже меня пригласили на Всемирный саммит по вирусологии в Пусане (Корея), где присутствовало рекордно низкое число участников, что вызывало чувство досады. Тем не менее немногочисленные участники оказались как никогда сплоченными и углубленно обсуждали интересующие их вопросы. Во время завтрака я затронула постоянно волновавший меня вопрос о терапии против C. diff. Мой коллега тут же упомянул статью из The New York Times и пообещал прислать информацию. А ответ на мой вопрос был следующим: фекальная передача (ФП), то есть перенос кала.

Вернувшись в Цюрих, я сделала подборку сообщений из базы PubMed – самого значимого в мире архива научной литературы по биологии, медицине и т.д. К ФП прибегают с 1950 г., а в научной литературе опубликованы результаты более чем 200 соответствующих исследований, проведенных примерно в 10 странах. К настоящему времени несколько сот пациентов прошли ФП. Даже больным коровам проводили ФП еще 300 лет назад, для чего использовали кал здоровых коров. Это называлось «трансфаунация». Коровы были первыми, на ком опробовали ФТ, – ужасающая картина. В Китае в свое время в терапевтических целях использовали «желтый суп», в состав которого входили ферментированные фекалии человека, и происходило это 3000 лет назад. Бедуины в лечебных целях ели фекалии своих верблюдов.

Для проведения ФП используют клизму – своего рода шприц – и вводят фекалии через задний проход или в кишечник через назальную трубку. Донорами кала обычно бывают родственники пациентов, которые предоставляют чайную ложку фекалий, – этого вполне достаточно. Их разводят, фильтруют и вливают в организм пациента. Чтобы избежать трансмиссии вирусов, в частности вируса гепатита или ВИЧ, нужно предварительно провести несколько диагностических тестов кала донора. Токсины, присутствующие в кале реципиента, подтверждают наличие инфекции, индуцированной C. diff. Некоторые группы исследователей разработали опросник для пациентов, который можно скачать в интернете. Вышеупомянутая пациентка из Цюриха сразу же выразила желание и готовность пройти такую терапию. Она осознавала, что в результате замены ее уничтоженных микроорганизмов новыми, полученными из кала здорового человека, в ее кишечнике появится несколько тысяч различных типов бактерий – фагов, вирусов и архей, чего невозможно было бы добиться, начиная все с нуля. Только в 2010 г. стали известны результаты проекта «Микробиом человека», свидетельствующие о том, что в кишечнике человека примерно 1,5 кг бактерий, а их общее число равно 1014, при этом существует более 1000 видов бактерий. Нам они нужны для переваривания некоторых продуктов питания. Нарушение функций этого сообщества бактерий провоцирует развитие целого ряда заболеваний. Микробы, бактерии, археи, грибы и вирусы мирно сосуществуют, а не находятся в состоянии постоянной «войны». Откуда же должны появиться такие бактерии после угнетающего действия антибиотической терапии? В пробиотических препаратах или йогуртах содержится 5–10 видов бактерий, чего совершенно недостаточно. Мои коллеги с медицинского факультета Цюрихского университета отказались проводить такую терапию. Они не восприняли мои слова всерьез и даже посоветовали помалкивать, поскольку я не врач, хотя и работала на этом факультете. Но пациентка настаивала. Она заявила, что в противном случае сделает это в домашних условиях! Она это где-то вычитала. К счастью, в Швейцарии и других странах, скажем в Австралии, США или Скандинавии, достаточно докторов. Итак, мы наконец-то убедили своих швейцарских коллег. Всего через неделю после начала лечения эта пациентка позвонила мне и сказала, что хорошо себя чувствует – и это после многих лет мучений.

Мы собрали образцы кала у разных доноров и реципиентов на начальном этапе терапии, на более поздних временны́х точках – от нескольких месяцев до пяти лет, чтобы зафиксировать изменения в составе микроорганизмов, для чего используется современная методика – секвенирование микробиома. Данный подход позволяет получать информацию одновременно обо всех бактериях и всех прочих микроорганизмах, не делая между ними различий. В образце кала нужно выявить общее количество аминокислот, что оказалось гораздо труднее, чем ожидалось, так как это не совсем стандартная процедура для биохимической лаборатории! Последовательности, полученные из образцов, можно сравнивать с известными последовательностями микроорганизмов, хранящимися в обширных базах данных. Кроме того, мы изучали виром – все вирусы одновременно. Объем полученных данных оказался действительно гигантским. Я сама перевозила жесткий диск с несколькими сотнями мегабайт информации между Цюрихом и Берлином. Я везла его в дамской сумочке и очень следила за его сохранностью. Самые большие компьютеры Швейцарского федерального технологического института и Общества Макса Планка много дней обрабатывали эти данные. Состав флоры кишечника представлял собой смесь микрофлоры пациента и донора, а С. diffисчезла. Здоровые кишечные бактерии донора разрастаются, замещая опасные. Это нормальное защитное поведение бактерий – здоровые бактерии вытесняют опасные. При этом под «здоровыми» подразумеваются «наши» бактерии, то есть бактерии, являющиеся частью сформировавшейся экосистемы, хотя для этого явления нет универсального определения. Здоровые бактерии поддерживают наше здоровье!

В каждом образце кала мы обнаружили около 100 типов бактерий, то есть лишь десятую часть от ожидавшегося мною числа. Затем мы выявили некоторое число архей. Функции архей в нашем кишечнике не вполне понятны, но они могут играть важную роль в пищеварении. Их и ранее находили в фекалиях, что свидетельствует о том, что не все археи являются экстремофилами. Более того, мы дополнительно идентифицировали 22 вируса: 21 фаг и один – нечто вроде вируса хлореллы, гигантского вируса морских водорослей. Мы не ожидали обнаружить такой вирус, так же как и Джеймс ван Иттен, занимающийся изучением данного типа вируса, был очень удивлен, когда мы рассказали ему об этом по телефону. Это был первый случай обнаружения гигантского вируса в образце кала человека. Это заставило пациентку нервничать, хотя для этого не было никаких оснований, поскольку нет данных, что гигантские вирусы являются болезнетворными. Мы спросили ее, есть ли у нее какие-нибудь пищевые предпочтения, например суши. Она дала отрицательный ответ, но и в обычной питьевой воде из-под крана можно обнаружить этот гигантский вирус. Мы ожидали выявить в 100 раз больше фагов, а не так, как оказалось, – совсем мало. Объяснялось ли это тем, что мы подготовили образцы не в оптимальных условиях, – мы использовали методы, предназначенные для более крупных бактериальных геномов, а не для небольших геномов фага? Позднее другие исследователи показали, что в микробиоме здорового человека содержатся фаги, интегрированные в геном бактерий, и что они не ведут себя как свободные фаги, за исключением случаев, когда имеют место заболевания. Таким образом, это, возможно, еще одно свидетельство нормализованного бактериального содержимого кишечника пациента. Мы наблюдали за пациенткой в течение пяти лет, и у нее больше не возникало никаких проблем. А два курса приема антибиотиков по другим показаниям не причинили ее здоровью никакого вреда. Было проведено системное исследование с наличием контрольных групп, результаты которого в 2013 г. опубликованы голландскими исследователями. Было показано, что фекальная передача оказалась более эффективной по сравнению с терапией, упомянутой в предыдущих историях болезни, что является легитимным обоснованием для использования этого терапевтического подхода.

Чтобы сделать заключение обо всех других микроорганизмах, содержащихся в фекалиях, нужно изучить летучих мышей. Известно, что они являются носителями большого количества вирусов – возможно, вследствие их образа жизни. Большие скопления летучих мышей свисают с потолка пещер головой вниз, а на полу пещер лежит метровый слой фекалий. Возможно, многие заразившиеся летучие мыши погибают, выжившие особи более не заболевают, но они могут быть переносчиками вируса (некоторые ученые подозревают, что у летучих мышей другая иммунная система, но это еще не подтверждено). Некоторые вирусы, переносимые летучими мышами, патогенны для человека, например коронарный вирус, связанный с атипичной пневмонией, вирус Эбола, хантавирус и 66 различных парамиксовирусов, в частности вирус кори и многие другие вирусы.

В настоящее время мои цюрихские коллеги наблюдают за пациентами, приехавшими издалека. Они получили исследовательский грант на сумму около 2,3 млн швейцарских франков для проведения исследований с участием в том числе пациентов с другими гастроэнтерологическими заболеваниями, в частности с болезнью Крона и воспалительными заболеваниями кишечника. Фекальную передачу можно проводить и в домашних условиях, как, к всеобщему удивлению, рассказала наша пациентка в телевизионном шоу. По ее словам, процедура проводится в ванной и для нее нужен кухонный блендер и пеленки в качестве фильтра – эти вещи есть в каждом доме. Тем не менее всем заинтересовавшимся я бы настоятельно рекомендовала обратиться к врачу. С недавнего времени можно даже заказать через интернет предварительно протестированные образцы фекалий. Этот метод станет более простым в применении, если удастся найти универсального донора и если в данном случае работает принцип «приемлем универсальный размер», – нам больше не понадобятся индивидуальные доноры. Также появились стартап-компании, продающие образцы фекалий с контролируемым качеством. Мне пока не приходилось видеть информацию об их эффективном использовании. В настоящее время разрабатывается фекалиесодержащий препарат в желатиновых капсулах, при этом нет необходимости в инфузии, такие капсулы можно проглотить. Тревор Лоули из Института Занглера (Хинкстон, Великобритания) в настоящее время занимается разработкой оптимальных комбинаций из 18 бактерий в группах по шесть бактерий в качестве лекарственного препарата. Первые результаты его исследования на мышиной модели стали многообещающими. Остается вопрос о стабильности и перспективности этой терапии и возможных побочных явлениях. Опубликована информация о случае, когда по завершении терапии пациент прибавил в весе. Было ли это следствием проведения ФП или все дело в пищевых привычках, которые после такого лечения, конечно же, должны измениться? Один пациент получил ФП, но у него наблюдались изъязвления в кишечнике, а потом у него развился сепсис, но эту проблему удалось решить. Однако пациентам с язвой такая терапия противопоказана. Кроме того, появилось сообщение о фаготерапии: использовании только фагов из стула доноров, а не бактерий. Производители йогуртов, вероятно, тоже уже обзавелись более сложными продуктами.

Первоначально не существовало правовых норм, регулирующих ФП. Однако в 2014 г. Национальные институты здравоохранения США (NIH) запретили ФП. Затем одна американская организация пациентов подала петицию о дальнейшем использовании данной практики, поскольку не существует другого способа лечения инфекции, индуцированной C. diff, которая представляет угрозу для жизни пациентов. С учетом вышесказанного данную терапию разрешили, но только пациентам, у которых другое лечение оказалось неудачным. До сих пор для получения этой терапии нужно подать заявку как на новый исследуемый препарат. Швейцарские власти приняли такое же решение. Тем не менее разрешение на применение ФП при ожирении не было получено, она была сочтена необоснованной терапией, поскольку дает лишь временный эффект. В настоящее время исследуется эффективность ФП для лечения заболеваний кишечника. Эта процедура невероятно проста, и ее можно повторить, если попытка окажется неудачной, хотя такое случается редко, а эффективность препарата превышает 90%. Кроме того, она дешевая и безвредная, ее можно повторять и осуществлять в любой стране мира.

А между тем у меня тоже была серьезная инфекция, полученная во время стоматологического лечения. Перед тем как приступить к приему антибиотика, я дома собрала полную ложку фекалий, положила их в закрытую пробирку и поместила в морозильную камеру. Наверное, следовало бы добавить немного глицерина, чтобы лучше защитить образец от повреждения при замораживании, но у меня дома его не было. Мой стоматолог не хотел верить в то, что я это сделала, но я уверена, что когда-нибудь это станет стандартной практикой. В конце концов, некоторые люди даже хранят пуповинную кровь новорожденных как «страхование жизни» от заболеваний, которые могут развиться у человека по мере взросления. Часто такой подарок ребенку делают дальновидные бабушки и дедушки. Однако микробиом стула с возрастом претерпевает определенные изменения, о чем нужно помнить.

Заболеваемость инфекциями, вызванными C. diff, растет с пугающей быстротой. В Германии ежегодно в клиниках отмечается 150 000 таких случаев, причем около 15 000 пациентов умирает, в то время как в США 500 000 таких случаев и для 15% заболевших (75 000 человек) инфекция оказывается фатальной. Какие меры предпринимаются в повседневной клинической практике? В случае, о котором мне известно, ничего не предпринималось. Однажды поздним вечером в больнице я случайно подслушала срочный звонок из диагностического отделения: у пациента в ходе тестирования была выявлена C. diff. Этим пациентом оказался мой друг, которого я навещала. На следующий день я пришла должным образом экипированной: халат, перчатки и специальное мыло (поскольку в подобных случаях спиртосодержащий препарат «Стериллиум» неэффективен). Мне не разрешили пользоваться ни одним из вышеупомянутых предметов, и никто – ни врачи, ни медперсонал – не принял никаких защитных мер. Никто вообще не должен был знать об этом случае. «Не устраивайте, пожалуйста, панику! Между прочим, как вы об этом узнали?» – и это все, что их волновало! Хотела бы я знать, а не принес ли пациент инфекцию в больницу? В больницах чаще всего встречаются инфекции, вызванные C. diff. У меня до сих пор нехорошо на душе от сознания, что через некоторое время этот мой близкий друг умер. Нужно лучше готовить врачей и медперсонал.

Что в таких случаях нужно делать? Мыть руки. Конечно, это не все. Но хорошо бы начать с этого. Что касается мытья рук, то действует «правило пяти»: намыльте ладонь, ребра ладони, тыльную сторону руки, пальцы, большой палец по 10 секунд из расчета на каждую из этих частей, а затем высушите их чистым полотенцем. В 2013 г. в Германии была учреждена специальная медаль Роберта Коха за госпитальную гигиену. Тем не менее медицинские сестры не могут мыть руки 100 раз в день…

Как бороться с ожирением

На конференции, посвященной 200-летию Чарлза Дарвина, я встретила свою давнюю знакомую, с которой несколько десятилетий назад училась на факультете молекулярной биологии Калифорнийского университета в Беркли. Она была председателем важного заседания – это большая честь, а еще написала несколько учебников. Сорок лет назад ее избрали на должность профессора факультета биохимии Калифорнийского университета в Беркли. Уже тогда в США действовал принцип «гендерной квоты», согласно которому при формировании преподавательского состава назначали на соответствующую должность сначала женщину, а потом уже мужчину. В Европе в то время об этом даже не слышали. Коллеги к ней относились плохо, и она сильно поправилась. Сейчас ей трудно выходить из квартиры с захватывающим видом на Центральный парк Нью-Йорка. У нее дома все книжные полки заставлены коробками быстрорастворимых продуктов для похудения. Врачи от нее отказываются. Ей рекомендуют только «физические упражнения». По Нью-Йорку она ездит на велосипеде. Даже она, профессор факультета биохимии, не очень-то преуспела в снижении веса. Но когда я пригласила ее на обед, она ела гораздо больше, чем я ожидала. Она сказала, что в противном случае начинает мерзнуть. Совершенно очевидно, что у нее нарушен метаболизм.

Приведу еще один пример. Мой бывший коллега – сотрудник по уходу за животными в берлинском институте. По причине своего чрезвычайно выраженного избыточного веса он уже не помещался в самолетные кресла, не мог носить ботинки, потому что они не застегивались, по ночам у него случались приступы апноэ, были сердечные приступы, из-за веса артрит поразил колени, был диагностирован диабет 2-го типа. Несколько лет назад он услышал по телевидению о гастрошунтировании. Его тщательно обследовали, и врачи поинтересовались, осознает ли он последствия операции, так как пути назад нет и он не сможет есть как обычно, а лишь небольшими порциями. Он согласился на операцию и вот уже несколько лет хорошо себя чувствует – и совершенно не пожалел о принятом решении. Он похудел на 60 кг и почувствовал себя совершенно другим человеком, большинство самых серьезных проблем со здоровьем, включая диабет, ушли в прошлое в течение менее чем двух лет. У него изменилась микробиота, и не только кишечная, но и желудочная, и даже микробиота пищевода. «Ты испытываешь чувство голода?» – спросила я его. «Нет», – ответил он. Тем не менее многие опасаются делать столь серьезную и инвалидизирующую хирургическую операцию. Зачастую требуется проведение нескольких операций, поскольку возникает необходимость в удалении избыточной кожи. По словам моей сестры, которая работает анестезиологом, для пациентов с избыточным весом требуются специальные операционные столы и лифты.

Наверное, нужно рассказать еще об одном человеке – это Липин Чжао из Шанхайского университета, который несколько лет учился в Корнеллском университете (США). В Америке он питался как все американцы и поправился на 30 кг. Затем он вернулся домой в Китай и опять стал есть китайскую пищу. Липин постоянно тестировал состав микробиома своего пищеварительного тракта. Для того чтобы снова адаптироваться к китайской пище, его микробиому потребовалось два года. За два года он потерял 20 кг, и его микробиом изменился; 80 видов микробов из 1500 претерпели изменения. Самым удивительным было увеличение числа бактерий Faecalibacterium prausnitzii, численность которых в его общем микробиоме увеличилась с 0 до 14%, что свидетельствует о здоровой микрофлоре. Если этих бактерий менее 5% от общего числа бактерий в кишечнике, налицо ожирение и заболевание. У этого человека, возможно, остались какие-то бактерии с того времени, когда он ел китайскую пищу, и они снова разрослись. В других случаях, я полагаю, на это ушло бы больше времени. Мы пока не располагаем полными данными. Как долго ранее существовавшие популяции бактерий могут выживать, а затем снова восстанавливаться?

Изменение микробиома у людей с избыточным весом происходит не быстро. Люди прилагают много усилий, чтобы изменить пищевые привычки, но вопреки всему они не могут вернуться к нормальному весу или, если даже им это удается, эффект носит временный характер. А потом часто наблюдается «отскок», который приводит к увеличению массы тела. Колебание веса в сторону повышения и понижения иногда называется «эффект йо-йо».

Поэтому в настоящее время обсуждается вопрос о возможности замены кишечных микроорганизмов у людей, страдающих ожирением, микрофлорой людей с нормальным весом путем фекальной передачи. Однако оказывалось, что любой подобный эффект до сих пор носит лишь временный характер. На конференциях обычно сообщается, что через восемь недель исходный микробиом возвращается. Особенно если микробиота кишечника не уничтожена антибиотиками перед процедурой фекальной передачи, она в итоге берет верх. Тем не менее никому не хочется полностью удалять микробиом перед замещением стула. Это целесообразно делать только в ситуациях, угрожающих жизни пациента, но не для обычного похудения. Поэтому в настоящее время процедура ФП не одобрена в качестве терапии для лечения ожирения.

Результаты недавно проведенных исследований оказались пугающими. Существует точка невозврата: если микробиом человека, страдающего ожирением, претерпевает «слишком серьезные» изменения, они становятся необратимыми. Если изменения выходят за этот предел, пищевые ограничения могут не дать лечебного эффекта и возвращение к нормальному микробиому кишечника становится невозможным. Как упоминалось выше, человек имеет не только собственный геном, то есть геном человека, но и дополнительный «второй геном», состоящий из бактерий, которые населяют наш организм, добавляя миллионы генов к нашим собственным. Какую роль играют дополнительные гены? Многообразие генов в микробиоме здоровых людей в 4–5 раз больше, чем у людей, страдающих ожирением. Это явление может иметь цифровое выражение и называется «число генов». Число генов у худых людей и у людей, страдающих ожирением, существенно различается. У худых людей бактерий не только больше, но для них характерна гораздо более высокая сложность или вариабельность бактерий в кишечнике; при этом число генов составляло примерно 800 000. У пациентов с большой массой тела количество генов может снижаться приблизительно до 200 000. Низкое число генов в микробиоме означает сокращение числа различных микроорганизмов, то есть снижение многообразия бактерий. Изобилие генов стало критерием хорошего здоровья.

Возвращение к нормальному микробиому, очевидно, очень сложная задача, и ее нельзя решить только за счет ограничения потребления пищи. У людей, страдающих ожирением, микроорганизмы становятся менее сложными и «ленивыми», существуя в «роскошных» условиях в кишечнике. На фоне потребления большого объема пищи снижается скорость метаболизма микробов и уменьшается их многообразие. Это означает стресс для фагов и бактерий, лизируемых фагами. Число фагов соответственно увеличивается, что свидетельствует о нездоровом состоянии микробиома, равно как и об уменьшении многообразия бактерий.

В организме людей, страдающих ожирением, часто находятся микроорганизмы, которые очень эффективно извлекают из пищи калории – что приводит к увеличению веса. Таким образом, люди с ожирением оказываются в очень сложной ситуации, и повернуть ее вспять оказывается очень непросто. Похоже, это точка невозврата! Баланс между эубиотиками и дисбиотиками, полезной и болезнетворной микрофлорой, необратимо нарушается и приводит к устойчивым изменениям микрофлоры кишечника. Новые результаты не оставляют иллюзий у тех, кто прилагает немало усилий, чтобы похудеть, и позволяют понять, почему людям с ожирением не удается добиться своих целей. Эти результаты являются стимулом для разработки новых способов терапии, мишенью которых является микробиом и которые показаны для лечения ожирения. По крайней мере это цель многих исследователей, в частности Джоэла Доре, одного из ведущих французских специалистов по продуктам питания и микробиологии кишечника Французского национального института сельскохозяйственных исследований (INRA).

Исследования микробиома принесли еще одну неожиданность – вопрос, кто и что диктует. Каков механизм контроля регуляторной цепи? Навязывает ли микробиом человеку потребность в пище или, наоборот, человек самостоятельно решает, что и сколько есть? Вероятнее всего, человек и микробиом оказывают взаимное влияние друг на друга. Это объясняется действием «оси мозг–кишечник», коммуникативного пути между этими двумя органами. В кишечнике 500 млн нейронов, в то время как в головном мозге 85 млрд. Таким образом, между ними существует определенная взаимосвязь и коммуникация. Сигналы, посылаемые стимулирующими факторами, в частности мозговым нейротрофическим фактором (МНТФ), допамином, иммунными стимуляторами, цитокинами и метаболитами, секретируемыми кишечными бактериями, такими как масляная кислота, передаются в системе кишечник – головной мозг. В кишечнике вырабатываются 50% гормона удовольствия допамина и 95% серотонина, которые влияют на сон, память, состояние депрессии и социальное поведение человека. Известно, что морфин, который назначается как болеутоляющее средство, влияет как на кишечник, так и на головной мозг. Ось «мозг–кишечник» даже находит отражение в языке: мы принимаем решения, руководствуясь «ощущениями в кишечнике» («чутье нутром»), а когда влюбляемся, у нас «бабочки в животе»!

Микроорганизмы становятся специализированными под действием пищевых привычек хозяина и определяют, чтó человек ест и как много пищи он потребляет. Действительно ли изначально кишечник диктует свои правила и потом даже берет верх над головным мозгом? Что же является основным регулятором? Многообразие генов микробиома стало поддающимся тестированию показателем реакции на ограничение объема пищи. Образцы для подсчета микроорганизмов и фагов можно взять даже из слюны, поскольку рот и кишечник взаимосвязаны. Это будет влиять на развитие превентивной медицины. Бактерии, названные в честь немецкого бактериолога Отто Праузница, вышеупомянутые Faecalibacterium prausnitzii, являются показателем здоровья человека независимо от многообразия генов и дисбиоза (плохой микрофлоры). Это один из основных компонентов. Слишком маленькое количество этих бактерий в микробиоме кишечника на фоне недостаточного разнообразия видов бактерий является показателем неэффективности хирургического вмешательства у пациента с болезнью Крона. Таким образом, определенные штаммы бактерий очень важны для здоровья человека, как ранее упоминалось в случае с Липин Чжао.

Самый сложный микробиом был выявлен у человека из африканского племени, живущего достаточно изолированно и питающегося растительными продуктами и мясом, получаемыми из естественной среды. Сложность микробиома как стратегия выживания – об этом стоит подумать! Затем в игру вступают и вирусы: ограниченная сложность микробиома у людей с ожирением сопровождается достоверным повышением числа свободных фагов. Бактерии, находящиеся в «стрессовых» условиях, из лизогенной фазы (хроническое или устойчивое состояние), типичной для интегрированных ДНК-фагов, переходят в литическую фазу, лизируются и уничтожаются путем репликации фагов. На самом деле у людей с ожирением и менее разнообразным составом бактерий в кишечнике наблюдается повышенное количество свободных фагов. Лизис индуцируется стрессом, какой бы его вид ни наблюдался у людей с ожирением, и наряду с прочими факторами ожирение приводит к развитию хронического воспаления кишечника. Затем взаимодействие бактерий и фагов приводит к лизису бактерий, высвобождению большого количества потомков фагов и уменьшению разнообразия бактерий. Низкое число фагов коррелируется со здоровым микробиомом. В настоящее время можно подсчитать число фагов в образцах слюны в качестве диагностического экспресс-теста. И мы пришли к заключению, что низкое число вирусов, которое мы отметили у «цюрихской пациентки» после проведения ФП, является хорошим признаком – у нее произошла нормализация микробиома.

Курение, даже пассивное, уменьшает разнообразие генов кишечного микробиома. Цирроз печени, независимо от того, вызван ли он вирусом, алкоголем или иными факторами, влияет на сложность микробиома. Это можно использовать в диагностических целях и определять разнообразие генов в стуле пациента – процедура неинвазивная. В настоящее время по состоянию микробиома можно даже ранжировать больных на пациентов с умеренной и тяжелой формой заболеваний. Сейчас, исходя из состояния микробиоты ротовой полости, можно диагностировать, например, сердечно-сосудистые заболевания.

Меня интересует, чем люди обмениваются при поцелуе или – что менее существенно – при рукопожатии? Хорошо известно, что рукопожатие является путем передачи инфекции, но что можно сказать о поцелуях? Поцелуи демонстрируют дружеские отношения. Помните дружеские поцелуи немецкого лидера Эриха Хонеккера и советского лидера Леонида Брежнева? Это были настоящие, не символические поцелуи! Я полагаю, поцелуй – это почти уравновешивание микробиомов, характеризующих родство людей! Не очень романтическая интерпретация! А вот насколько долговременно такое состояние – это уже другой вопрос.

Существуют еще и генетические факторы ожирения – вопрос, изучением которого мы как раз и занимаемся. Есть гены, способствующие ожирению, гены, кодирующие чувство насыщения. Такой фактор сигнализирует мозгу, что потребленного объема пищи достаточно, и это обусловливает чувство насыщения и прекращение приема пищи. На это уходит несколько минут, но некоторые люди недостаточно терпеливы, чтобы дождаться этого сигнала, и продолжают есть. Имеются лептины, ген FTO (по-английски звучит как «толстый», поэтому название легко запомнить), мозговой нейротрофический фактор (МНТФ) или транскрипционные факторы, в частности IRX3 (его нарушение у мышей приводит к снижению веса на 30%). Сейчас в этом списке уже порядка 20 генов, однако некоторые из них довольно спорные. Они скорее указывают на предрасположенность к ожирению. Поэтому применительно к ожирению нужно учитывать, что генетические факторы наряду с другими играют определенную роль в развитии данной патологии. Эта область исследований находится лишь в начале своего развития. Принято считать, что людям с ожирением нужно менять пищевые привычки, что это лишь вопрос самоконтроля и дисциплины. Безусловно, это так, но это слишком упрощенный подход. Следовательно, не вполне корректно утверждать, что люди с ожирением во всем виноваты сами. Был проведен удивительный эксперимент с «гнотобиотическими» мышами, так называемыми «стерильными» лабораторными мышами, свободными от микробов. Этим мышам переносили фекалии людей с нормальным весом и людей, страдающих ожирением. В результате получили худых и толстых мышей, в соответствии с донором: передача фекалий людей с избыточным весом приводит к развитию толстых мышей, а перенос фекалий худых людей – к худым мышам. Передаваемые фекалии определяли вес мышей-реципиентов, которые в противном случае ничем не отличались бы друг от друга. Однако, когда худых и толстых мышей-реципиентов помещали в одну клетку, худые мыши «инфицировали» мышей с ожирением. «Стройность заразна!» Толстые мыши становились худыми, а не наоборот. Вероятно, причина заключается в том, что мыши, находясь в одной клетке, поедают фекалии друг друга. Микробиом худых мышей «побеждает» и доминирует над микробиомом мышей с ожирением. Микробиомы мышей с ожирением более однообразны, менее сложные, более «ленивые» и характеризуются медленной репликацией. В отличие от них микробиота худых мышей более вирулентна, более гетерогенна, более разнообразна и доминирует над вырождающейся микробиотой. Неужели этот механизм работает только у мышей?

Существуют названия для «хороших» и «плохих» бактерий – Bacteroides внутри кишечника и Firmicutes, и мы узнали это в рамках нашего исследования микробиома цюрихской пациентки. Bacteroides (B) менее эффективно используют продукты питания и чаще наблюдаются у здоровых людей – примерно в два раза. В отличие от них Firmicutes чаще наблюдаются у толстых людей (запомните – F), более эффективно используют калории, содержащиеся в продуктах питания. Читателю следует помнить соотношение между F и B: предпочтительно, чтобы F было меньше, чем В (оптимально, когда F < B). Это как «хороший» и «плохой» холестерин, соотношение которых люди пытаются запомнить как «свое» соотношение в надежде, что это станет профилактикой инфаркта миокарда. Вполне возможно, что скоро в «умные» часы будут встроены мониторы или предусмотрены соответствующие приложения для отслеживания состава нашего микробиома! Возможно, в будущем вместо того, чтобы спрашивать «Как дела?», мы будем говорить «Как поживают ваши Bacteroides?». И все же каким должно быть «правильное» соотношение F и B? Не при всех обстоятельствах «хорошие» бактерии являются хорошими. Все намного сложнее.

Когда-нибудь непременно будут выпускать экстракты или таблетки из «хороших» бактерий. И не важно, из чего их получат – из фекалий или из лабораторных культур. Было бы хорошо, если бы удалось поддерживать наличие «хороших» бактерий путем приема одной таблетки в день, правда?

Недавно провели исследование с целью выяснить, действительно ли состав микроорганизмов, населяющих кишечник, может вносить вклад в развитие психических заболеваний. Полученные результаты показали, что через кал может передаваться не только фенотип, в частности масса тела, но и психические характеристики, такие как смелость, исследовательское поведение и даже чувство тревоги. Мыши одной линии (NIH-Swiss) смелые, а мыши другой линии (BALB/c) более робкие. Возможно, это определяется их микробиомом и биохимическими процессами, происходящими в головном мозге в качестве двух путей коммуникации с использованием оси кишечник – головной мозг. Исследователи поменяли местами трансплантируемый кал, и ментальные характеристики мышей изменились. Смелые мыши стали испытывать чувство тревоги, и наоборот: мыши, для которых была характерна тревожность, стали более выраженно демонстрировать исследовательское поведение. Тест проводится на горизонтальном бруске, установленном на балке, – что-то вроде средневековой виселицы. Только смелые мыши отваживались подниматься на горизонтальную поверхность, а потом повернуться, чтобы спуститься вниз. Другие же мыши оставались у основания этой конструкции. Одновременно анализировалось несколько нейротрансмиттеров. Исследовательское поведение коррелировалось с более высокой экспрессией мозгового нейротрофического фактора (МНТФ). Таким образом, дисбиоз кишечника (наличие в нем «не тех», «плохих» микроорганизмов) и кишечные заболевания могут индуцировать у пациента развитие психических заболеваний. Авторы опубликованного материала исключили воспаление в качестве причины развития заболевания. Они предположили, что пациентам с воспалительными заболеваниями кишечника (ВЗК), нестабильным составом бактерий и психическими заболеваниями может быть показан пробиотик – бифидобактерии, способные нормализовать как микробиом, так и поведение. Таким образом, «шестое чувство» («чую нутром») действительно возникает в кишечнике, а не в головном мозге. Трудно себе представить, что состав микробиоты может оказывать столь сильное влияние на ментальные характеристики. У меня была норовирусная инфекция, сопровождавшаяся сильной диареей, рвотой и потерей жидкости. Я подумала, что у меня что-то не в порядке с электролитами и минералами, равно как и с микробиомом, но вот что случилось с моим мозгом? Да, у меня полностью пропал исследовательский интерес! Для его восстановления мне потребовалось некоторое время. Поэтому я пошла в аптеку Института Пастера в Париже и попросила у них бифидобактерии, они не помогли, совершенно не помогли, но я полагаю, скоро ситуация изменится (в Цюрихе биофлорин назначают пациентам для нормализации кишечной экосистемы). Еще один новый результат проведенных исследований заключается в корреляции аутизма с микробиотой, но это не подтверждено соответствующим образом.

Чтобы быть стройным, здоровым и смелым, не страдать психическими заболеваниями, нужно правильно питаться. Но что такое правильное питание? Похоже, это зависит от пищевых привычек, сформировавшихся в местности или в семье, что определяется факторами внешней среды и метаболизмом отдельно взятого человека, а также возрастом. Поэтому невозможно заранее сказать, какая пища окажется «правильной» и какая микробиота наиболее эффективной – просто мы совсем ничего об этом не знаем. Что такое «здоровая пища»? Является ли японская «здоровая» пища здоровой для японцев, но не для европейцев? Понятие «здоровая пища», похоже, часто подразумевает пищу, знакомую нам с детства, что свидетельствует о коэволюции микробиома и пищи. На конференции «Питание», проходившей в рамках серии встреч под девизом «Будущее науки», которая проходила в одном из красивейших мест на планете – палаццо Чини на венецианском острове Сан-Джорджо, мы узнали, что итальянская или средиземноморская кухня – одна из самых здоровых. Об этом говорят результаты исследования питания Athena, о которых сообщила Катя Петрони из Милана. Несколько лет назад итальянскую кухню уже охарактеризовали как кухню, сопряженную с минимальным риском развития рака, – паста, помидоры, виноград, сыр, оливки и красное вино, но сейчас молодые итальянцы предпочитают фастфуд и набирают вес. Нуждаемся ли мы в персонифицированной системе питания уже сейчас или она нам понадобится в будущем? В Мюнхене проводился эксперимент, получивший широкую огласку: люди могли зарегистрироваться и получить анализ состава используемых ими продуктов питания. Тысячи добровольцев тут же зарегистрировались. Люди хотят знать, какие продукты питания им подходят! Но это пока никому не известно.

Является ли стройность гарантией долгой жизни? Это представляется внушающей доверие установкой, но, как это ни удивительно, похоже, верно и обратное. Исследование червей C. elegans,которые часто используются в качестве модели организмов для изучения процессов старения, показало, что у червей, которых перекармливали, продолжительность жизни оказалась выше, исходя из чего можно было бы сделать вывод, что «жиры продлевают жизнь». Мой друг сформулировал следующий постулат: «Выживают самые толстые». Это слишком категоричное заявление! Эксперимент по изучению продолжительности жизни червей показал, что особи с более выраженной массой тела жили дольше! А все думали, что это не так. Возможно, это объясняется тем, что полезны не любые, не животные жиры, а только жиры, получаемые из кукурузы, растений, оливок (ненасыщенные жирные кислоты), даже если их потребление приводит к увеличению массы тела. Мы давно уже знаем, что нельзя есть бекон на завтрак; и о пользе салатов, заправленных оливковым маслом, тоже известно, поэтому полученная информация не стала для нас совсем уж неожиданной. И тем не менее стоит помнить, что есть нужно не только овощи с антиоксидантами, но и «жиры против старения».

Привычки и идеалы могут меняться. Существуют устоявшиеся традиционные пищевые привычки и представления о красоте. «Полнота – это прекрасно», – сказал мне один коллега о сенегальских женщинах. В этой стране масса тела, особенно у женщин, свидетельствует о более высоком социальном статусе. Сто лет назад в Германии эталоном красоты был бледный цвет кожи как показатель зажиточности и социального статуса, в отличие от загара, характерного для представителей рабочего класса. На конференциях по африканским заболеваниям жен вождей местных африканских племен можно вычислить по массе тела. Я это заметила на одном таком мероприятий по проблемам ВИЧ/СПИДа. А на конференции в Дубае, посвященной вирусу гепатита С и раку, мы пришли к заключению, что «нужно что-то делать для борьбы с диабетом». В силу сложившейся традиции женщинам не разрешается работать, и я заметила в одном из крупнейших в мире торговых центров в мире, что они страстно ели шоколад. Поэтому политические изменения, приводящие к освобождению женщин, вполне могли бы способствовать снижению заболеваемости диабетом. После того как женщины начинают профессиональную жизнь, их индекс массы тела снижается.

Неожиданный аспект ожирения связан с применением антибиотиков. Их использовали для увеличения массы тела у солдат (!), а также животных, свиней и кур. В настоящее время эта практика в ЕС запрещена, так как она может привести к развитию бактерий, устойчивых к антибиотикам, которые могут передаваться людям и животным; кроме того, потребление такого мяса может влиять на массу тела людей. Однако коров разрешается лечить антибиотиками. Возможно, они не попадают в молоко? На птицефабриках с 40 000 цыплят заболевших птиц не удаляют и не отбирают для лечения, а всему поголовью в корм добавляют антибиотики. Так антибиотики появляются у нас на столе. Еще более серьезные последствия имеет применение антибиотиков у людей, особенно это касается молодых людей. Подросткам часто приходится принимать несколько десятков курсов антибиотиков против инфекций, и в настоящее время это считается одним из важных факторов, обусловливающих повышение показателя ожирения у молодых людей.

В свое время антибиотики назначались пациентам для набора веса и укрепления мышц – в 1950-х гг. такая терапия сначала приветствовалась! С того времени, по прошествии более 60 лет, рост среднестатистического американца увеличился на дюйм (2,5 см), а вес – на 9 кг (20 фунтов). Сегодня треть американцев страдает ожирением – в определенной степени это зависит от точности определения этого понятия, поскольку с недавнего времени некоторые выражают недовольство по поводу использования индекса массы (ИМТ) для определения «худой» или «страдает ожирением». Несмотря на то, что передача содержащихся в мясе животных антибиотиков человеку маловероятна и что в 1990-х гг. в ЕС использование антибиотиков в животноводстве было запрещено, до сих пор их добавляют в пищу десятков тысяч кур на птицефермах, если заболевает всего несколько особей. В настоящее время в Европе обсуждается вопрос об импорте кур, «дезинфицированных хлорином» (соглашение между ЕС и США о создании Трансатлантического торгового и инвестиционного партнерства, ТТИП). Антибиотики воздействуют на наш организм скорее при приеме таблеток, нежели через продукты питания! Американским детям ежегодно назначают в среднем один курс антибиотиков каждый год. Мартин Блейзер, автор книги «Недостающие микробы» (Missing Microbes), рассказывает, что одной высококалорийной диеты недостаточно для объяснения наблюдающейся в настоящее время «эпидемии» ожирения и что антибиотики могут этому способствовать. Ожирение – это эпидемия, в которой задействовано большое число микроорганизмов, включая вирусы. В последнее время использование антибиотиков было резко ограничено не только в целях снижения массы тела, но и для преодоления множественной лекарственной резистентности. Мой швейцарский коллега пришел к заключению, что люди, главным образом новобранцы в армии, в отличие от предыдущих нескольких десятилетий, не стали выше, но у них чаще наблюдается избыточный вес.

Исследование «голландского голода»

Кто бы мог представить, что ученым удастся прийти к совершенно новым выводам, изучив генетику еврейских беженцев, приехавших в Голландию и переживших «голодную зиму» (ноябрь 1944 г. – апрель 1945 г.) в конце Второй мировой войны? Особенно от голода пострадали беременные женщины. В течение шести месяцев они получали лишь 400–800 калорий в день – два куска хлеба и немного картофеля. Беременные женщины испытывали голод в критический период формирования плода, на ранних сроках беременности. Через 60 лет после вышеупомянутых событий ученые изучали потомков этих людей. У них наблюдается удивительное увеличение показателя заболеваемости сердечно-сосудистыми заболеваниями (в два раза по сравнению со средним показателем), болезнями метаболизма, диабетом, артритом, обструктивными заболеваниями дыхательных путей и раком (в пять раз больше обычного показателя заболеваемости).

Отсутствие пищи не повлияло на генетику эмбрионов, однако оказало воздействие на их эпигенетические характеристики. Факторы среды влияют на регуляцию генов путем химических модификаций (в частности, метилирования), но не на сами гены. Эти модификации не должны были коснуться следующего поколения. У природы есть некая встроенная система контроля, и все эпигенетические изменения устраняются из генов в самом начале новой жизни при слиянии яйцеклетки и сперматозоида. Затем все врéменные программы обнуляются, как это происходит с компьютерными программами при перезагрузке. Оплодотворение яйцеклеток спермой обычно приводит к перепрограммированию и устранению эпигенетических изменений, после чего происходит превращение клеток в омнипотентные (универсальные) стволовые клетки. Это необходимо потому, что после оплодотворения у омнипотентной клетки должны быть шансы развиться в одну из 200 специализированных видов клеток организма человека. Поэтому эпигенетические изменения, как правило, ограничиваются одним поколением и не передаются следующему. Это фантастическое изобретение природы.

Было совершенно удивительно выяснить, что такой механизм предосторожности, придуманный природой, может давать сбой. Исследование людей, родившихся после «голодной голландской зимы», показывает некоторую возможность трансмиссии эпигенетических эффектов от матери к следующему поколению не во время оплодотворения, а позднее, во время беременности. Это повлияло на всю будущую жизнь потомков этих женщин. Эти изменения затронули не одно поколение, а три: мать, плод (ребенок) и зародышевые клетки плода (внуки). Все они одновременно подвергаются воздействию факторов среды, в частности недоедания у беременных женщин. Это подтверждено исследованиями «голодной голландской зимы».

В пользу этих результатов свидетельствует еще одно событие. Стресс, пережитый беременными женщинами во время снежного бурана в Квебеке (Канада) в 1998 г., имел такие же последствия для здоровья их детей, как и последствия «голодной голландской зимы». Из-за погодных условий около 3 млн жителей Квебека 45 дней жили без света, что и вызвало у них стресс. Детей, зачатых в это время, по достижении ими подросткового возраста обследовали и установили, что у них более высокий риск развития астмы, ожирения и диабета.

В настоящее время внимание привлекают заголовки: не только питание «толстых мамочек» во время беременности оказывает влияние на жизнь их дочерей и внучек в зависимости от того, что они едят во время беременности, но также «питание отца формирует хроматин ребенка», и последствия этого оказывают влияние на его потомков всю жизнь. Отцы могут отличаться от матери по молекулярному механизму: крайности в питании изменяют упаковку генов в сперматозоидах, формирующих хроматин плода и ребенка, влияя на метаболизм будущего потомства на протяжении всей жизни. В настоящее время в качестве животной модели используют мух, чтобы проанализировать, что происходит со спермой, если самец испытывает крайности в питании, то есть переедает или недоедает, и чтобы проверить, как высококалорийная диета может повлиять на массу тела будущих поколений. Исследования на мухах поддерживают исследования отцовства у человека.

Один из генов, влияющих на развитие ожирения у человека, – инсулиноподобный фактор роста (ИФР-2), который играет роль в росте и развитии. Показано, что, если ген этого белка недостаточно метилирован, это приводит к избыточной экспрессии ИФР-2. Избыточная экспрессия вызывает развитие позднего ожирения. Ученые обсуждают возможность максимально эффективного сохранения организмом калорий при голодании. Однако при наличии достаточного объема пищи этот механизм сохранения калорий сохраняется, и в результате развиваются такие нарушения метаболизма, как избыточный вес. Такое явление уже рассматривалось в связи с неандертальцами, нашими предками, которые жили примерно 100 000 лет назад и которым приходилось подолгу голодать, а гены ожирения у них выполняли защитную функцию.

У млекопитающих примерно 1% генов удается избежать эпигенетического перепрограммирования (метиловые группы сохраняются, используя процесс, называемый «импринтинг»). Эти эпигенетические изменения могут передаваться следующему поколению. Женщины с избыточным весом могут передавать предрасположенность своим внучкам, а дедушки – внукам, то есть двум новым поколениям. Мы не знаем, как часто это случается. Британский ученый Маркус Пембри выяснил, что факт голодания дедушками, когда они находились в подростковом возрасте, повлиял на показатель смертности у внуков, а голод, пережитый бабушками в подростковом возрасте, отражается на том же показателе у внучек. Эпигенетические изменения, даже если они происходят до беременности или времени зачатия, могут привести к наследуемой эпигенетике. Если отец курит, это может повлиять на следующее поколение. Действие алкоголя на эмбрион – о чем сегодня предупреждают всех беременных женщин – может вызвать эпигенетические изменения.

Голландские исследователи продолжают анализ микробиомов и питания. Они начали новое крупномасштабное исследование, предусматривающее мониторинг 140 испытуемых в течение 10 лет с итогом 40 млн наблюдений, протоколов приема пищи, показателей состояния здоровья, описаний стула и т.д. Объем полученных данных превысил возможности наших компьютеров, поэтому мы обратились за помощью к астрофизикам. На основе результатов наблюдения за добровольцами, которые ежедневно пили пахту (напиток наподобие кефира), была установлена корреляция со специфическим микробиомом – и в этом нет ничего удивительного, за исключением того, что только голландцы и пьют эту пахту и даже знают, что это такое!

С недавнего времени пища и ее влияние на эпигенетические модификации наших генов привлекают серьезное внимание ученых и являются предметом исследований. Один из полученных результатов показался мне очень важным: влияние питания на эпигенетические изменения и способность к перемещению транспозируемых элементов. Эпигенетические изменения в ДНК нацелены на транспозируемые элементы и регулируют частоту их «прыжков». Таким образом, существует прямая связь между обеденным столом и стабильностью нашего генома, вплоть до «прыгающих» генов. Эти изменения могут в дальнейшем привести к генетическим изменениям, которые останутся стабильными несколько поколений. Нам предстоит еще многое узнать из того, что нужно делать, можем ли мы влиять на наши гены и, может быть, даже приручить их. Как это работает? Мы изучаем только негативные или болезнетворные эффекты. На другие же, менее заметные мы не обращаем внимания, но они существуют.

Вероятно, существуют даже более долгосрочные эпигенетические эффекты, которые передаются по наследству более чем три поколениям. Это другой принцип действия, который уже имеет название – трансгенерационная наследственность, которая распространяется на много поколений. Существует и другое определение данного явления – парамутация. Еще 65 лет назад канадец Алекс Бринк открыл это явление, исследуя кукурузу, и примерно тогда же, в 1950 г., Макклинток открыла эпигенетику (см. главу 7).

Это явление было продемонстрировано на примере С. elegans, которые собирались на участке с высокой концентрацией полового гормона. Такое поведение наследовалось в течение 50 поколений. Совершенно неожиданно, что даже при отсутствии сигнала в форме полового гормона, когда запах испарился, они все равно продолжали собираться на одном и том же месте в течение многих поколений. Для этого не требовался дополнительный экзогенный стимул. Такой же эксперимент был проведен на модели алкогольной зависимости с использованием этанола в качестве сигнала – черви помнили сигнал 20 поколений. Как же черви его запомнили и связано ли это со спариванием? Все это очень удивительно. Попала ли информация в гены червей? Насколько нам известно, нет. Этот механизм предусматривает короткую часть РНК, наследуемую через сперму (эта РНК называется PIWI-взаимодействующей РНК, или сокращенно piРНК, где PIWI – молекулярные «ножницы», участвующие в сайленсинге генов). Стабилизация в течение многих поколений объясняется рядом долгосрочных изменений хроматина.

Путь от ожирения до долгосрочного наследования, от регуляторных РНК до piРНК в половых клетках в качестве трансмиссивного фактора – вот новая область исследований. Какие же новые перспективы при этом открываются? Действительно ли дедушки влияют на своих внуков и внучек? Возможно, но только лишь в отношении массы тела и брачного поведения (см. главу 12).

Мой прапрадед Готтфрид Земпер стал довольно известным архитектором, но полагаю, что он, к сожалению, не передал мне хоть немного своего эпигенетического или парагенетического опыта или своей гениальности! Возможно, это касается только потомков мужского пола? Боюсь, что так. Если бы я унаследовала от него эпигенетический или парагенетический опыт, это избавило бы меня от многих проблем, возникающих при общении с некоторыми швейцарским коллегами, так как он тоже сталкивался с подобными проблемами во время строительства здания Швейцарской технической школы Цюриха. Это могло бы изменить мою жизнь!

Аутсорсинговое пищеварение у червей с острова Эльба

Никогда не предполагала, что придется встретиться с чем-то столь странным, как червь, обитающий у острова Эльба. Его кишечник вывернут наружу. Дайверы выловили этого червя, Olavius algarvensis или O. algarvenis, на мелководье у острова. Он белого цвета, что, как правило, характерно для глубоководных обитателей. Тем не менее этот червь живет близко к поверхности воды. У него нет рта или других отверстий, нет пищеварительного тракта, нет органов секреции, вообще никаких органов. Неужели это правда червь или он похож на червя? Его гениталии окружены редкой упругой «щетиной», и он может размножаться. Червь существует в тесном симбиозе с бактериями. Его кишечноподобные структуры находятся снаружи и населены микроорганизмами, способствующими пищеварению. Там сосредоточено по крайней мере пять типов различных бактерий, своего рода команда помощников, которые гарантируют обеспеченность едой, переработку мусора и удаление отходов. Самое удивительное, что симбиоз червя и бактерий способствует метаболизации угарного газа и бисульфита (оба эти соединения являются токсичными). Весь этот комплекс перемещается вверх и вниз, активируя бактерии, метаболизирующие кислород, на мелководье и бактерии, метаболизирующие серу, на глубине. Одни вырабатывают сахар, а другие – преобразуют его обратно. Сам червь – транспортное средство, приводимое в движение бактериями-пассажирами. Он просто плавает вверх и вниз. Наш организм тоже колонизирован бактериями, но только наоборот – большинство из них находятся в кишечнике и помогают переваривать пищу, например витамины, что обеспечивает нас питанием и выполняет важные функции, в частности защищает нас от инородных микроорганизмов. Наша кожа тоже заселена бактериями, но они нас не кормят. Симбиоз червя с острова Эльба и бактерий настолько тесен, что их физически невозможно разделить. Поэтому секвенировали всю систему. Было выявлено на удивление много «прыгающих» генов, транспозонов, а также транспозаза с механизмом «вырезать и вставить». Возможно, такой множественный симбиоз сформировался не так давно, и этот процесс до сих пор идет методом проб и ошибок. Геном адаптируется к новым условиям существования. «Прыгающие» гены могут представлять опасность, если возникает слишком много мутаций, но это полезно для адаптации. Согласно гипотезе Николь Дубилье из Института морской микробиологии (Бремен), такая адаптация осуществляется в режиме реального времени. Может ли это содружество служить моделью для других содружеств и даже, например, человеческого общества? Этот вопрос поднимается авторами ряда статей. Каковы его характеристики или аналогии? Возможно, имеет место разделение функций, ситуации обоюдного выигрыша, мутуализм, симбиоз, сотрудничество, взаимодействие, зависимость, субконтрактные отношения, аутсорсинг, взаимообусловленность, отсутствие враждебности, отсутствие стресса и неприязни? Все это происходит как снаружи – червь с острова Эльба, так и внутри, как в нашем кишечнике. Является ли это моделью взаимодействия между людьми?

Медузы используют аналогичное взаимодействие: речь идет о симбиозе, в котором медузы выступают в качестве транспортного средства, но только для водорослей, а не бактерий. На Филиппинах есть озеро Палау, населенное медузами, – 5 млн золотистых медуз в симбиозе с водорослями, вес которых составляет до 10% веса медуз. Водоросли и солнечный свет приводят к образованию кислорода и сахара, то есть пищи для медуз. Медуза транспортирует водоросли для получения пищи. Медузы роем совершают круговые движения, побуждая ученых изучать эту уникальную биологическую систему как пример ранней стадии развития жизни в условиях небольшого объема кислорода. Мы уже упоминали, что не только медузы, но также вирусы и губки обладают светочувствительностью и перемещают своего хозяина поближе к солнечному свету. Насколько часто встречаются подобные симбиотические системы? Черви с острова Эльба, медузы, губки – это экосистемы, подобные нам?

«Экосфера» в стеклянном шаре

У меня есть соседи по квартире – четыре подвижных мелких краба, которые живут в стеклянном шаре (они напоминают мне о детстве и щипцах ERNA для разделки крабов, которые у меня были, когда я росла в Бюзуме на побережье Северного моря, где часто едят крабов). Шар помещается у меня в руке – это целый мир, самодостаточный и полностью герметичный, в нем нет отверстий для добавления чистой воды, или пищи, или воздуха. Внутри шара – вода, несколько мелких белых камешков, образующих грунт. Несколько черных пластмассовых веточек имитируют растения на морском дне. Это герметичный стеклянный шар, внутри которого находится жизнь. На самом деле это аквариум, но только автономный, который не нужно регулярно чистить или добавлять туда корм. Но ему нужен солнечный свет. Однако нужно точно знать, сколько именно солнца – не слишком много, но и не слишком мало. При избытке солнечного света стенки аквариума изнутри покрывают зеленые водоросли. Для решения этой проблемы прилагается небольшой магнит, а другой магнит находится внутри аквариума и используется для удаления цветущих водорослей. Этот стеклянный шар создает эффект линзы, визуально увеличивая размер крабов. Когда я возвращаюсь домой, первое, что я делаю, – иду поздороваться со своими симпатичными маленькими домашними питомцами, и так продолжается уже несколько лет.

Шар – «экосфера», разработанная НАСА 20 лет назад. Предполагалось, что такой стеклянный шар возьмут на орбиту. Вполне возможно, что так и произошло, просто я этого не знаю. В интернете идею таких аквариумов осудили, назвав проявлением жестокости. Однако, если крабы плавают кругами, возможно, они не осознают, что находятся в герметично закрытом пространстве. В этом загадочном шаре, кроме крабов и водорослей, должно быть и нечто другое – невидимые бактерии и, конечно же, вирусы, увидеть которые шансов почти нет.

Солнечный свет стимулирует метаболизм водорослей, крабики питаются водорослями и бактериями, а бактерии переваривают продукты жизнедеятельности крабов, производя питательные вещества. Крабы и бактерии вырабатывают углекислый газ, который необходим водорослям для получения кислорода. Все понятно? До чего же сбалансированное равновесие! Если водорослей будет слишком много, крабики не смогут их переработать; если водорослей будет слишком мало, крабики умрут от голода. Однажды один краб исчез. Отчего он погиб? От голода или отсутствия солнечного света? Каковы бы ни были причины, он, безусловно, распался на молекулы, которые попали в метаболический цикл. Это – и гибель организма, и часть пищевой цепочки.

Везде на планете важно поддержание такого хорошо сбалансированного круговорота между ресурсами и отходами. Плохо одетый мальчик, на горе мусора в одной из развивающихся стран, размахивает видеокамерой и пластиковой картой Visa на имя г-жи Мюллер из города Ванне-Айккель, который находится за несколько тысяч километров от этого места! Что же это за система утилизации отходов? Или вот еще один пример: когда в 2010 г. вдали от побережья Флориды произошла утечка нефти после взрыва полупогружной нефтяной платформы Deepwater Horizon, ученые были удивлены тем, как быстро бактерии лизировали вытекшую нефть. Опять-таки бактерии растут до тех пор, пока у них есть пища, и погибают по окончании очистки – это эффект самоограничения. Однако сгустки нефти утонули – как они себя поведут? Природа на удивление быстро восстановилась – по крайней мере на поверхности океана. То же самое произошло после аварии на Чернобыльской АЭС и извержения вулкана Сент-Хеленс в США. Здоровая экосистема, очевидно, может пережить такие катастрофы и начать развиваться снова.

Нужно ответить на вопрос, касающийся вирусов в экосистеме стеклянного шара. Безусловно, в этой экосистеме есть вирусы. НАСА о них не сообщило, поскольку о них никто не знал. Они находятся внутри бактерий, метаболизирующих нефть, в виде фагов, а также внутри моих крабов: в кишечниках и на панцирях. Это известный факт. Тем не менее до тех пор, пока система хорошо сбалансирована, вирусы не являются болезнетворными. Именно поэтому мы о них не знаем. Между прочим, «экосферу» можно заказать через интернет.

НАСА собирается отправить на Марс тихоходок (Acutuncus antarcticus), микроскопических медленно передвигающихся животных, похожих на жучков, с морщинистой мордочкой. Многие люди о них даже не слышали, равно как и я, до тех пор, пока не посетила Институт внеземной физики (бывший Институт академической и прикладной ядерной физики), где 50 лет назад писала дипломную работу по космическим лучам. Там после Второй мировой войны ученые изучали атмосферный ливень из элементарных частиц после их прохождения через семиметровое цементное покрытие бункера, соответствующее толщине вторичной атмосферы, чтобы проанализировать, как они замедляются и захватывают элементарные частицы высокой энергии. В настоящее время тихоходок готовят к отправке в космос и полету на околоземную орбиту. Тихоходка продемонстрировала довольно впечатляющую способность к возрождению. В 1983 г. японцы заморозили при –20 °С образцы нескольких видов арктических мхов. Недавно их разморозили для проведения исследований, и изо мха вылезли две тихоходки, одна из которых выжила и отложила яйца. Эти крошечные существа выживают при заморозке, оттаивании, воздействии высоких температур и радиации, и они могут жить очень долго. У них есть ген Methuselah (от библейского долгожителя Мафусаила). Они используются как модель для выживания на орбите. Может ли случиться так, что тихоходки ползают в любом уголке планеты, в Чернобыле или на вулкане Сент-Хеленс? Безусловно, эта модель выживания очень отличается от модели выживания, действующей в стеклянном шаре с крабами. Есть ли в их в геноме LINE и SINE или настоящие вирусы? Конечно.

Некоторые эксперименты даже не планировали, они произошли случайно: споры, случайно оказавшиеся в коробке из пенополистирола, слетали на Луну и обратно и вернулись невредимыми. Я бы отправила на орбиту семена гингко билоба, поскольку эти деревья пережили атомную бомбардировку в Японии, находясь всего в нескольких километрах от эпицентра взрыва. А что насчет вироидов в пробирке, частей РНК? Может быть, это первые биомолекулы? Они стали бы моими излюбленными зайцами (безбилетными пассажирами), и вполне возможно, что они возвращались бы интактными и где-нибудь могли бы начать жизнь сначала.

11. Использование вирусов в генной терапии

Вирусы против вирусов

Принцип генной терапии очень прост: природа предоставляет нам вирусы, способные быть носителями онкогенов, а вирусологи заменяют онкогены терапевтическими генами. Таким образом, онкогенные вирусы являются болезнетворными, а терапевтические оказывают лечебное действие. Генная терапия использует принцип, которого придерживаются все вирусы, – перенос генов. В этом заключается основная роль вирусов в процессе эволюции.

Вирусы столь успешны в индуцировании болезней, потому что они размножаются в организме до астрономических чисел, – и вот тут-то возникает проблема, поскольку размножение терапевтических вирусов недопустимо. В этом смысле терапевтические вирусы преуспели гораздо меньше. Такое ограничение задается самим человеком, поскольку реплицирующиеся вирусы могут оказаться опасными. Они могут проникнуть в половые клетки и передаться будущим поколениям. Мы не берем на себя смелость манипулировать генами наших потомков, никому не хочется, чтобы это произошло. Довольно сложно разработать вирусы, которые не реплицировались бы при любых условиях, поскольку вирусы «учатся» очень быстро и часть их может «сбежать». Производимые вирусы должны быть безопасными. В большинстве случаев для целей генной терапии применяют ретровирусы. Однако можно модифицировать и большое количество других вирусов и синтетических вирусов. Вирусы, используемые для генной терапии, являются сложными «дизайнерскими вирусами».

При инфицировании нормальной клетки опухолевый вирус превращает такую клетку в опухолевую, но возможен и обратный процесс – опухолевую клетку можно обработать вирусом – носителем терапевтических генов с целью «излечения» такой клетки, в результате чего она становится нормальной. Терапевтический ген должен быть способен компенсировать мутации, обусловившие злокачественный фенотип опухолевой клетки. Генная терапия может быть показана и для лечения других генетических или метаболических заболеваний. Сложно найти правильный ген и наиболее подходящий вирус. Что касается применения любого вируса, всегда есть определенные за и против. Ретровирусы до сих пор являются наиболее тщательно изученными из всех вирусов, которые можно использовать в качестве терапевтических. Они незаменимы для переноса генов в клетки, особенно в лабораторных условиях. В мире не существует ни одной биомолекулярной лаборатории, где ретровирусные векторы не использовались бы в качестве повседневного инструмента для переноса генов. На самом же деле это не совсем так, поскольку для этого нужна лаборатория второго уровня биобезопасности. Мы располагали помещением, отвечающим таким требованиям, поэтому могли синтезировать широкий спектр различных вирусов для своих коллег. Ретровирусы интегрируются в геном хозяина, что рассматривалось как одно из важных преимуществ, поскольку от вирусов ожидали долговременной эффективности. И все же их эффективность не всегда является долгосрочной, и такие вирусы могут представлять опасность, поскольку интеграция в геном часто представляет собой генотоксическое явление, вызывая локальное повреждение ДНК, которое может индуцировать развитие рака как отдаленное последствие терапии. Поэтому лечение рака может вызвать развитие других видов рака. Но даже при этом подобная терапия позволяет пациенту выиграть время и улучшить состояние здоровья.

Совершенно неожиданно результаты доклинических исследований ретровирусов показали, что экспрессия терапевтических генов не всегда носит долгосрочный характер и со временем угасает, несмотря на интеграцию. Это вызвано реакцией организма на инородный ген и ведет к его отключению. Явление, при котором «инородные» гены инактивируются противовирусной защитой, называется сайленсингом. Защита обусловливает эпигенетические изменения, направленные на инактивацию генов, что было описано при исследовании генов цвета у кукурузы и мышей (этот процесс предусматривает метилирование ДНК-последовательностей и другие процессы, направленные на инактивацию генов). Данный механизм сайленсинга, очевидно, носит более выраженный характер у взрослых, поскольку применение генной терапии с использованием ретровируса для лечения детей с гранулематозом (заболевание кровеносных сосудов) привело к их исцелению, в то время как один взрослый пациент через два года умер. В такие исследования включается очень незначительное число пациентов, и объем статистических данных не удовлетворяет соответствующим требованиям. Однако вполне возможно, что терапевтический эффект у детей более долгосрочный, чем у взрослых.

Существуют альтернативные варианты: вместо того чтобы замещать гены, пораженные заболеванием, генную терапию можно проводить путем стимуляции иммунной системы пациента, чтобы помочь ему бороться с опухолью, то есть «помочь людям помочь себе». Иммунная терапия может предусматривать использование генов, кодирующих цитокины, что приводит не к местному, а к системному эффекту. Мы использовали такой фактор, интерлейкин 12 (еще его называют фактором, стимулирующим Т-клетки), который активирует клетки-киллеры, повышая уровень некоторых типов интерферона, – это целая комбинация компонентов, направленных на борьбу с раком.

Самое важное ограничение в плане использования вирусов заключается в том, что они не должны реплицироваться. Вирус не должен переходить из одной клетки в другую.

Каждая клетка – тупик для терапевтического вируса, он может в нее войти, но не может выйти. Вирусы следует вводить в соматические клетки – особенно раковые и в клетки, пораженные заболеванием, – чтобы уничтожить или излечить их, но нельзя допустить, чтобы эти вирусы оказались в кровотоке, откуда они случайно могут попасть в половые клетки и передаться следующим поколениям. Шанс попадания вируса в половые клетки повышается, если вирус активно реплицируется. Такое развитие событий строго запрещено, и изначально это пошло от ученых-исследователей, придерживающихся принципа самоограничения. В настоящее время соответствующими регуляторными органами введены строгие правила . При отсутствии репликации для каждой опухолевой клетки требуется по одному терапевтическому вирусу. Это сложно. Размер опухоли определяется в кубических сантиметрах (это 1 мл или примерно 1 г), в каждом содержится около 109 клеток. Следовательно, если каждый вирус обнаруживает одну клетку, для лечения такой опухоли потребовалось бы как минимум 109 вирусов. Однако возможна выработка не более чем 1/100 или 1/1000 от этого числа (20 млн вирусов в 1 мл). Поэтому потребуется слишком большой объем введения, и, кроме того, вирусы достигают не всех опухолевых клеток. Это объясняет ограничения генной терапии с использованием вирусных векторов, так как для обеспечения эффективности необходима репликация вирусов. Именно для этого их и создала природа. Более того, невозможно добраться до каждой из клеток, поэтому всегда имеет место «минимальное остаточное заболевание». Если сохраняется даже немного раковых клеток, этого зачастую бывает достаточно для увеличения их числа и возвращения опухоли.

Чтобы не допустить производства способных к репликации вирусов, их часто разрезают на части, их гены фрагментируют на 3–4 субвирусные генетические части вместо одной, а затем «упаковывают» в вирусную частицу. Эти части состоят из плазмидной ДНК, и каждая из них может кодировать ограниченный комплект генов. Лентивирусы были созданы для замены более простых ретровирусов. Они являются родственниками ВИЧ. На первый взгляд это кажется устрашающим, но только для читателя и для регуляторных органов. У лентивирусов есть определенные преимущества, поскольку они проявляют активность в неделящихся клетках (в частности, в нейронных клетках). Их можно сделать безопасными. Существуют способы обеспечить такую безопасность путем удаления некоторых генов вирусов или фрагментации и поиска разумных способов предотвратить их превращение в полноценный инфицирующий вирус. На какое-то время эти фрагменты можно соединять и использовать для инфицирования опухолей, и при этом каждая частица поражает одну клетку. Эту систему разработал лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор из Калифорнийского технологического института (Пасадена).

Студент из Берлина, проходивший летнюю практику в Цюрихе, очень удивил меня вирусом Балтимора. Он просто написал Дэвиду в США и попросил у него терапевтический вирус, а затем без каких-либо проблем привез его в рюкзаке. Я была потрясена! Мы, как полагается, поместили вирус в помещение с надлежащей системой безопасности. Вероятнее всего, наличие на коробке печатного фирменного бланка с моим именем и послужило бесплатным билетом!

Еще одна сложность генной терапии заключается в способе обнаружения вирусом опухолевой клетки в организме. Можно попытаться использовать гиподермическую иглу и ввести суспензию прямо в опухоль или в пространство вокруг нее. Такой способ оказывается эффективным лишь в отношении некоторых опухолей. Мы вводили терапевтические плазмидные ДНК в злокачественные меланомы, которые формируют локальные кожные опухоли. Побочные действия такой терапии для пациентов оказываются менее выраженными, а локальная доза выше системной дозы, которая, попав в кровь, перемещалась бы по всему организму. Однако данная терапия бесполезна против генерализированных метастазов, которые мигрируют в удаленное местоположение. Можно попытаться направить вирус на какую-нибудь дистантную опухоль или метастатическую клетку, используя поверхностные маркеры, своего рода молекулярный адрес. Это принцип идентичен принципу, созданному природой для направления вируса на соответствующую клетку-мишень. ВИЧ распознает свою клетку-мишень по рецептору, находящемуся на поверхности лимфоцитов, для чего задействуется поверхностный гликопротеин вируса gp120, лиганд рецептора – очень ограниченный входной билет для вируса.

Разрабатываются альтернативные подходы. Один из них заключается в изоляции опухолевых клеток, лечении их вне организма, получении в лабораторных условиях большего количества излеченных и подвергнутых соответствующей обработке клеток и последующем их возвращении в организм пациента. Такой метод ex vivo является более безопасным и эффективным, чем терапия invivo.

Интеграция любого ретровируса всегда опасна, поскольку сайты интеграции возникают произвольно, а их модификация может нанести ущерб или повредить клеточные гены. Это явление называется «инсерционный мутагенез» или «инсерция промотора» (имеется в виду сильный вирусный промотор), что может привести к развитию рака. Таким образом, лекарственные препараты могут вызвать рак. Именно это наблюдалось у некоторых детей с иммунодефицитом. Алан Фишер из Парижа лечил 18 детей, используя ретровирусный вектор, который экспрессировал фактор роста для терапии наследуемого иммунодефицита, «аденозиндезаминазной недостаточности». Из-за этого дефицита пациенты становятся настолько восприимчивыми к инфекции, что вынуждены жить в стерильных условиях. Применение генной терапии привело к излечению 16 пациентов, но вместе с тем и к развитию опасного инсерционного (вставочного) мутагенеза у оставшихся двух пациентов, причем вирусный промотор индуцировал у детей лейкемию (к счастью, это состояние можно контролировать). Таким образом, генная терапия ex vivoсопряжена с определенным риском.

Еще одним шагом вперед является разработка индуцируемых ретровирусных векторов. Их по желанию можно включать и выключать путем добавления или удаления регуляторных соединений (например, антибиотика тетрациклина). Таким образом можно повлиять на активность вируса или даже контролировать дозу продуктов, содержащих терапевтические гены. Это может снизить токсичность и прочие побочные эффекты. Некоторые рекомбинантные вирусы после выполнения своих функций самоуничтожаются за счет так называемого процесса «самоинактивации» (SIN).

Существуют индуцированные интерфероном гены, которые мой коллега Йован Павлович (студент Джина Линденманна, ученого, открывшего интерферон) разработал в Институте медицинской вирусологии (Цюрих). Это стало предметом интенсивных исследований Фонда Volkswagen, проводимых на модели выводимых трансгенных мышей. У этих мышей с помощью интерферона можно включать и выключать гены. Для разведения таких мышей требуется около трех лет, и для моих коллег это было не очень привлекательно. Между тем разработан новый и высокоэффективный способ – CRISP/Cas9. В настоящее время выращивание таких мышей – дело нескольких недель.

Понимание механизма формирования опухоли до сих пор остается исследовательским проектом, особенно что касается модели трансгенных мышей. Остается открытым вопрос, как онкогенные белки Ras и Myc комбинаторно индуцируют развитие опухоли? В 2015 г. этот вопрос все еще оставался без ответа, несмотря на то, что уже более 30 лет известно, что тандем этих двух онкогенов является выраженным «возбудителем» рака. Это крайне удивительно. У мышей два этих сильных онкогена не обязательно вызывают развитие рака, и никто не знает, почему так происходит. Каких факторов не хватает? Это ставит под сомнение использование мышей в качестве животной модели для изучения опухолей.

Для использования в целях генной терапии помимо ретровирусов разрабатываются аденовирусы. Их преимущество заключается в способности инфицировать большое число разных типов клеток-хозяев и не интегрироваться, что обусловливает отсутствие генотоксического побочного эффекта. Их можно выращивать до высоких концентраций – 1011 вирусов на 1 мл, для достижения более выраженного терапевтического эффекта. В 1999 г. в Филадельфии, в начале эры использования генной терапии молодому пациенту с нетерминальной стадией заболевания проводили генную терапию с использованием аденовирусов. Врачи назначили ему до 1015 вирусных частиц в надежде, что чем выше доза, тем лучше окажется результат. Но произошло обратное: мальчик Джесс Гельсингер умер от избыточной реакции иммунной системы, так называемого «цитокинового шторма», поскольку у него уже выработались собственные антитела против терапевтического вируса. Вся область генной терапии испытала потрясение, а ведущий исследователь был отстранен от обязанностей. Исследователи извлекли из этого случая следующий урок: лечение терапевтическими вирусами следует назначать пациентам, ранее не получавшим соответствующие препараты, то есть не имеющим антител к таким вирусам.

Большинство людей всю жизнь сталкиваются с аденовирусными инфекциями без вреда для здоровья и являются носителями антител, в частности антител, которые вступают в противоречие с этой терапией. Поэтому в настоящее время врачи назначают аденовирусы не человека, а скорее приматов, поскольку большинство людей с ними не сталкивается. До недавнего времени использовали адено-ассоциированный вирус (ААВ). Выбор пал именно на этот вирус по причине его способности специфически интегрироваться на одном сайте хромосомы 19, то есть была исключена неспецифическая интеграция и все сопряженные с ней риски. К сожалению, вектор ААВ часто теряет именно это преимущество, но тем не менее его продолжают разрабатывать как многообещающий вектор.

В исследовании рака в последнее время лидерами являются онколитические вирусы, которые инфицируют, реплицируются и лизируют только опухолевые клетки (о чем свидетельствует их название). В нормальных клетках репликации не происходит, и они остаются здоровыми. Кроме того, убитые опухолевые клетки высвобождают большое количество вирусов. Поэтому такой подход позволяет решить вышеупомянутую проблему – репликацию дефектных вирусов. Возможна инъекция онколитических вирусов, после чего они находят опухоль или метастатические клетки в организме. К тому же сам по себе вирус является стимулом для иммунной системы в качестве дополнительной иммунной терапии. Уже продолжительное время появляются сообщения о единичных случаях излечения в результате применения «виротерапии», при которой на фоне неспецифических вирусных инфекций или применения вакцин отмечалось улучшение симптоматики не связанных между собой заболеваний. Данную терапию не понимали и в один прекрасный момент забросили, но сейчас она возвращается как один из компонентов терапии с использованием онколитических вирусов.

Использование онколитических вирусов против раковых клеток – оригинальный подход, который изучается во многих лабораториях. Фрэнк Маккормик разработал его примерно 20 лет назад в своей компании Onyx, используя генетически модифицированные аденовирусы, которые реплицируются и лизируют только опухолевые клетки, несмотря на то, что инфицируют и нормальные клетки, в которых не могут реплицироваться как обычно. Фокус заключается в том, что терапевтический вирус становится чувствительным к супрессорам опухоли в нормальных клетках, чего в любом случае не происходит в самих раковых клетках.

А между тем в настоящее время проводится примерно 20 клинических исследований, даже в относительно безнадежных случаях, в частности при опухоли головного мозга и поджелудочной железы. Несколько лет назад в Китае разрешили к применению препарат для лечения рака головы и шеи. 2016 г. – ориентировочный срок выдачи регистрационных удостоверений на препараты для терапии злокачественной меланомы. В Немецком центре исследований рака в Гейдельберге разрабатывается метод с использованием вирусов кори. Возможно использование и других вирусов, в частности парвовирусов, полиовирусов или модифицированных герпесвирусов, которые являются онколитическими. Давайте надеяться и верить, и посмотрим, что произойдет.

Биофармацевтическая компания Amgen обогатилась в результате продажи эритропоэтина, который индуцирует репликацию предшественников эритроцитов. Наряду с узаконенным применением эритроциты зачастую используются в спорте в качестве допинга. Amgen приобрела Onyx за несколько миллиардов долларов и является первой компаний, получившей разрешение на работу с онколитическими вирусами.

Onyx занимается разработкой ингибиторов киназы Raf для лечения рака прямой кишки. Недавно она получила внушительный грант на разработку онкогена Ras – направление, где еще никому не удалось добиться успеха, несмотря на огромные расходы и десятки лет, потраченные многими фармацевтическими компаниями. Мутированный Ras – один из наиболее часто встречающихся онкогенов при раке, но у него так много нисходящих мишеней, что любое лечение, предусматривающее использование этого онкогена, до сих пор было сопряжено с побочными явлениями. Потребуются комбинации различных лекарств – двойная или тройная терапия.

«Крупные фармацевтические компании поглощают мелкие биотехнологические фирмы» – это стало новой стратегией. Она приемлема для мелких фирм, которые не могут разработать препараты для клинического применения и выполнить все нормативные требования, притом что затраты составляют миллиарды долларов. Поэтому мелкие биотехнологические компании предпочитают, чтобы их поглотили крупные фармацевтические фирмы, и рассматривают это как рентабельную стратегию, дающую быстрый результат. Мелкие компании отличает более выраженная инновационность, способность проводить более гибкую политику, бóльшая готовность и способность рисковать, выигрывать и проигрывать, в то время как крупные компании претерпевают «мутации», превращаясь в инвестиционные институты, которые ограничивают объем научных исследований, – вероятно, сейчас достаточно просто отслеживать новые разработки на рынке, чтобы принимать обоснованные решения по вопросу поглощения соответствующих компаний!

Начинания Фрэнка Маккормика неоднократно приводили к успеху. Он был основным докладчиком на первой конференции по биотехнологиям, которую я организовала в Цюрихском университете. Я знаю его с тех пор, как стала исследователем в Обществе Макса Планка в Берлине, а он работал по совместительству в американской биотехнологической компании. Мои цюрихские коллеги сетовали на то, что не были первыми! Когда я организовала это мероприятие, все очень боялись биотехнологий, опасались влияния коммерции на науку, что предусматривает вовлечение в этот процесс денег и пациентов. Наука привыкла быть открытой для огласки, свободной, не связанной никакими ограничениями, а неразглашение результатов исследований считалось неприемлемым. Помню, как в новой форме заявки на грант Швейцарского национального научного фонда появился последний пункт: «Как вы планируете использовать результаты своих исследований на практике?» Мои коллеги не понимали сути вопроса, так как совершенно не думали о применении результатов своей работы в разработке препаратов! В то время об этом ничего не знали в области биомедицины, но в инженерии и химии это уже стало нормой. В настоящее время любой человек практически в любом университете может ежегодно участвовать в конкурсах для отделившихся компаний на получение поддержки. Учрежденная Маккормиком биотехнологическая компания была одной из наиболее успешных. Мы учились у него, но, вероятно, не настолько усердно, чтобы стать такими же успешными.

Дверь с нарушенной герметичностью, липицианские лошади и шейхи, а также «опубликовать или сгинуть»

В Филадельфии (США), будучи директором по науке в биотехнологической компании Apollon, я руководила разработкой вакцины против ВИЧ. Она была основана на новом принципе – использовании «голых» плазмидных ДНК («голая» – это ДНК без белковой оболочки или упаковки в частицы). В 1990-х гг. эту вакцину испытывали на ВИЧ-инфицированных добровольцах из Цюриха (Швейцария) и Филадельфии (США). Вакцина представляет собой ДНК-плазмиду, кольцевую двухцепочечную ДНК, осуществляющую перенос генов в мышцы. Она имитирует вирусную инфекцию у пациента и приводит к образованию антигенов ВИЧ, после чего, как мы надеялись, начнется формирование защитных антител. Это была первая вакцина подобного рода в Европе. Три года она не давала никаких побочных действий. Безопасность чрезвычайно важна для вакцины, поскольку она, как правило, вводится здоровым и молодым людям. Мы ввели одному пациенту «не ту» вакцину от ВИЧ, которая не соответствовала штамму его инфекции. Сначала мы были в шоке. Однако фаза I клинического исследования предусматривает тестирование лишь безопасности, а не эффективности вакцины, поэтому это было не столь важно, но мы все равно оказались в несколько затруднительном положении. В настоящее время данная вакцина в комбинации с другой вакциной против ВИЧ исследуется в вооруженных силах США, поскольку ДНК-вакцина сама по себе не очень эффективна.

Кроме того, мы применили этот подход к раковым пациентам, страдающим злокачественной меланомой, и вводили ДНК (кодирующую интерлейкин-12) в место нахождения опухоли, что обусловливало экспрессию иммунного стимулятора в качестве поддержки иммунной системы пациента для борьбы с меланомой. Мы отметили существенное уменьшение размера опухоли у мышей и даже у белых лошадей. Регуляторные органы требуют использования двух животных моделей. Мы выбрали белых лошадей, поскольку они заболевают злокачественной меланомой, но не погибают от нее. В результате нашего лечения отмечалось сокращение опухоли, и животным удавалось избежать бойни. После этого нас пригласили на конезавод в Пибере (Австрия), где разводят липицианских лошадей, выступающих в венском дворце Хофбург. Однако мы можем лишь уменьшить отдельные опухоли, но не в состоянии предложить системное лечение, что, как ни грустно признавать, не вполне хороший результат.

Препараты, применяемые для лечения пациентов, должны соответствовать требованиям надлежащей медицинской практики (GMP), в силу чего производство становится очень дорогостоящим (примерно $1 млн). Это всегда проблема при разработке новых терапий. Компания Berna (Берн, Швейцария) любезно предоставила препарат, но производила она его дважды – поскольку в первый раз сотрудники не закрыли дверь как следует. Потеря времени и денег, но правила нужно выполнять. У некоторых пациентов размер опухоли уменьшился, а одному даже удалось спасти ногу от ампутации. Испытывая определенную гордость за полученные результаты, мы пришли в Hoffmann-La Roche, которая утверждала, что имела патентные права. К нашему разочарованию, Hoffmann-La Roche не была заинтересована в последующем наблюдении за пациентами. Она и ранее использовала это соединение в концентрации, в 1000 раз превышающей исследуемую нами дозировку, и выяснила, что она смертельна для пациентов. Мы знали о высокой концентрации и не использовали ее. Но даже при этом никому больше не хотелось связываться с данным препаратом.

Позднее, как это ни странно, возникли новые проблемы: клинический исследователь пренебрег установленными возрастными рамками при отборе одного из 12 пациентов – всего-то на несколько лет, но этого было достаточно, чтобы возникли проблемы со швейцарскими регуляторными органами. Исследователь сделал это в интересах пациента, но при этом нарушил протокол исследования и получил строгий выговор. Не сдавайте на анализ каплю слезы, слюны, семенной жидкости или мочи пациента без разрешения этического комитета! В этой области действуют строгие правила. (Недавно мы использовали семенную жидкость, полученную анонимно от коллег-ученых для тестирования эффекта бактерицидного средства, которое пытаемся разрабатывать, – нам потребовалось несколько месяцев, чтобы уладить этот вопрос с регуляторными органами и представить полученные результаты для последующей публикации.)

Затем одному коллеге понравились результаты наших клинических исследований рака кожи, и он предложил соответствующую терапию шейхам из Арабских Эмиратов, не поставив нас об этом в известность, как будто мы не числились изобретателями. Этот факт стал предметом гласности, и наши контакты с этим коллегой прекратились – очень печально, поскольку мы могли бы лечить людей. Вместо этого началась борьба за авторские права. Для урегулирования этого вопроса университет назначил «посредника» (я до этого даже не знала о существовании таких специалистов!). Я потратила чудесный летний вечер, разбирая стопку протоколов ведения пациентов и полученные данные, чтобы самой скомпоновать их для публикации. И это сработало, но не привело к продолжению исследований, поскольку за это время требования, разработанные Европейским агентством по оценке лекарственных препаратов (EMEA), слишком ужесточились и проведение таких клинических исследований с участием ученых, как наше, стало слишком дорогостоящим. В будущем все анализы пациентов должны оплачиваться отдельно, так же как и работа клинических исследователей и медсестер, примерно $100 000 на каждый случай. Безнадежное дело. Кроме того, в берлинской клинике «Шарите» нам не удалось договориться о более низкой цене. Мы потратили четыре года впустую. С тех пор «драгоценное» соединение, разработанное в соответствии с положениями GMP, которые обусловливают серьезные финансовые затраты, хранится в холодильнике, отвечающем требованиям безопасности, поскольку я не решаюсь выбросить его.

Вероятно, стоит упомянуть, что новые вакцины против вируса Эбола и Зика, которые разрабатываются в наше время, основаны на этом типе ДНК-вакцин, поскольку все, что нужно, – это знание последовательности вируса, возможность синтезировать ДНК пациента и некоторый опыт в области биотехнологии. Кроме того, вакцины часто обладают довольно слабовыраженными иммуногенными свойствами, и может возникнуть необходимость в дополнительных иммуностимулирующих компонентах. Однако они безопасны, стабильны, удобны в транспортировке и их можно хранить в отдаленных местах.

А что касается публикаций, некоторые читатели могут задаться вопросом: «Действительно ли они так важны?» По публикациям судят об успешности ученого, и при рассмотрении заявок на выделение фондов этот фактор принимается во внимание. Оценка качества статей зачастую основана на крайне спорных критериях. Качество статьи во многих случаях гарантируется престижностью журнала, который принимает ее в печать после критического анализа анонимными рецензентами, чьи имена никогда не раскрываются (есть очень незначительное число журналов, которые пытаются изменить эту политику, внедрив вместо нее «практику открытого рецензирования»). Часто на рецензирование уходит год, и вполне возможно, что за это время ваши коллеги уже уволятся, а предмет исследования группы изменится, что также может привести к возникновению проблем. Существует рейтинг журналов, основанный на так называемом рейтинге цитируемости со шкалой от 1 до 60, который отражает среднее число ссылок за год в других статьях на опубликованный материал. В этом рейтинге самые высокие позиции занимают Nature, Cell, Science и еще несколько медицинских журналов. О качестве статьи свидетельствует «указатель ссылок в научной литературе». Журналы обнародуют эти цифры, чтобы побудить ученых публиковать статьи именно у них («h» – показатель или индекс Хирша, означающий число ссылок на автора, который используется реже). Эта информация указывается в заявке на замещение вакантных должностей от постдокторанта до профессора и является в том числе основанием для выделения средств на проведение исследований. Нет большего счастья, чем получить из рук доктора Милдред Шеель очень внушительный «основной грант» на исследование рака. Эта дама была супругой бывшего федерального президента ФРГ и основателем Немецкого фонда помощи больным раком и, как это ни печально, сама умерла от рака. Мне повезло получить чек на проведение исследования ВИЧ из рук швейцарского банкира после телеинтервью – со мной это однажды произошло. При этом я не заполнила ни одной заявки на получение гранта.

Приведу несколько цифр: много лет я заполняла до восьми заявок в год, исходя из того, что каждое из исследований будет профинансировано на 50%, то есть примерно $200 000 или $300 000. Любая статья в моей области исследований стоит более $600 000 и в среднем требует двух лет интенсивных исследований. Налогоплательщики финансируют существенную часть расходов на наши исследования – мое хобби! И я им за это очень благодарна.

Чтобы получить должность профессора, нужно иметь 50–100 публикаций, в том числе в нескольких очень престижных журналах, а также вести исследования в перспективных областях. Для хабилитации (так в немецкоговорящих странах называется квалификация для преподавания в университете) требуется, чтобы претендент на должность имел 15 публикаций, в списке авторов которых он указан либо первым, либо последним. Ранее женщинам для назначения на должности профессорско-преподавательского состава требовалось больше публикаций, чем мужчинам, но в настоящее время для получения профессорской должности им нужно представить меньше публикаций! Список авторов статей редко составляется в алфавитном порядке, что часто наблюдается в физике. Первой указывается фамилия ученого, внесшего наиболее существенный вклад в исследование, а фамилия руководителя группы ученых – последней. Финансирование исследований более не рассматривается как соавторство. Руководитель больше автоматически не считается наиболее значимым автором, его фамилия стоит последней. Все указанные авторы должны разбираться во всех приведенных в статье данных и отвечать за их точность, а не только в той части материала, которую они подготовили для статьи, – это недавно введенное требование, призванное сократить случаи мошенничества среди ученых! С некоторых пор стало принято указывать вклад каждого автора в работу, а в конце материала помещать информацию о том, какой интерес изложенная информация может представлять с коммерческой точки зрения. Советую делать еще одно заявление: авторы должны подтвердить, что работали с литературой должным образом. Это крайне «полезно» (при недобросовестном поведении ученых), чтобы авторы не забывали упомянуть о вкладе в исследование проблемы какого-либо ученого-конкурента в надежде на то, что рецензенты это не обнаружат, – и все для того, чтобы обеспечить публикации незаслуженно высокий рейтинг как материалу, содержащему новые результаты. Я уже упоминала несколько таких случаев, с которыми мне приходилось сталкиваться. Для сотрудников университетов вопрос, касающийся получения грантов, очень важен. Им приходится задействовать все источники для финансирования исследований, и нередко в этом участвуют некоторые университетские структуры. Финансовая поддержка со стороны коммерческих компаний всегда вызывает некоторое беспокойство. Кроме того, оценивается качество преподавания, и часто это определяется путем проведения голосования среди студентов, а затем в игру вступает счастливый случай. После того как удачный выбор сделан – и сделан в вашу пользу, я никому не пожелаю испытать на себе месть тех, кого вы обошли: эти люди зачастую лучше разбираются в университетской инфраструктуре, в том, как функционирует локальная компьютерная сеть, и у них больше времени на «боевые действия». По крайней мере так было в моей жизни: дискриминация, анонимки с ложной бездоказательной информацией и прямые угрозы даже от высокопоставленных «коллег», удостоенных самых высоких премий и наград. Я знаю, о чем говорю, и желаю, чтобы вам повезло больше, чем мне.

«Вакцинация комаров» для борьбы с вирусами

Недавно мишенью генной терапии стали комары. Я имею в виду вовсе не тех комаров, которые досаждают нам теплыми летними вечерами, когда мы собираемся на барбекю на берегу какого-нибудь озера или водоема со стоячей водой. Они, как правило, не опасны. А вот другие опасны! Один из таких видов – «комар желтой лихорадки» (Aedes aegypti), который является переносчиком вируса лихорадки денге (DFV) и других вирусов – возбудителей лихорадки Западного Нила (WNL), желтой лихорадки и вируса Чикунгунья. Недавно был открыт еще один флавивирус – тот самый вирус Зика. Вышеупомянутые виды комаров живут в жарком и влажном климате, поэтому нам, жителям Северной Европы, нечего опасаться. Однако родственника вышеупомянутых комаров, полосатого тигрового комара (Aedes albopictus), выявили во Франкфурте как переносчика инфекции.

Случайно было установлено, что комары, инфицированные бактериями, могут вырабатывать противовирусные субстанции, способные уничтожать вирусы (бактерии, вероятно, являются носителями фагов, необходимых для продуцирования токсина). Такую комбинацию нужно вводить комарам. Но как это сделать? Путем микроинъекций – звучит совершенно нереалистично. Действительно нетривиально при работе с комарами, но это уже сделали. Есть надежда, что количества насекомых, которым провели такие манипуляции, окажется достаточно и их численность превысит численность других комаров. Однако такие «дизайнерские насекомые», как правило, растут медленнее. Тем не менее проект «Вольбахия», предусматривающий использование «дизайнерских комаров» и направленный на борьбу с вирусом лихорадки денге, получил поддержку Фонда Билла и Мелинды Гейтс. Кроме того, заинтересованность в нем выразил ряд других стран – Вьетнам, Таиланд, Индонезия и Бразилия, а также армия США для защиты военнослужащих, пострадавших во время Вьетнамской войны. Ежегодно вирусом заражается 50 млн человек, из них 600 – в Германии. Появилась новая тенденция: тигровые комары попадают в Германию из Южной Европы через Швейцарию, а далее на север, чего не случалось ранее и что обусловлено глобальным потеплением. Известно четыре вида вирусов лихорадки денге, при этом вторичная инфекция повышает риск развития тяжелой формы вторичной реакции, в частности геморрагической лихорадки, которая может привести к летальному исходу. Используется термин «вакцинация комаров», но это определение не вполне верно. Речь идет не о вакцинации, а об инфицировании комаров бактериями, содержащими токсин-продуцирующие фаги (запомните – энтерогеморрагический штамм кишечной палочки EHEC!). Это простой и дешевый способ, не нужно никаких пестицидов, к которым у вирусов может вырабатываться резистентность. Результаты проведенных в Австралии экспериментов представляются весьма многообещающими.

В настоящее время используются генные манипуляции для получения стерильных самцов, которые спариваются с самками, не давая при этом потомства. В этом случае популяция должна вымереть. Это называется методом стерилизации насекомых. К сожалению, стерилизованные самцы ленивее самцов в дикой природе! Или же они могут использоваться для переноса яда и называются «ген комара». Гены самцов влияют на самок таким образом, что они производят только самцов, что также обусловливает прекращение производства потомства. В настоящее время исследуется грибок, используемый для уничтожения личинок комаров. Интересно, какая из этих фантастических разработок, помимо распыления пестицидов, поможет нам в борьбе с вирусом Зика?

Важно отметить, что пестициды используются часто, но в долгосрочной перспективе от этой практики откажутся. Бактерия Bacillus thuringiensis (Bt), являющаяся носителем ДНК плазмиды токсина, в настоящее время разрешена в ЕС для использования в качестве пестицида, поскольку яд полностью биоразлагаемый, но вместе с тем к ней развивается резистентность.

Комары обитают в емкостях с дождевой водой, бочках с водой, вазах для цветов на кладбищах. В настоящее время тестируется новый подход к проведению полевых исследований в Европе, своего рода проект гражданской науки, в рамках которого добровольцев просят собирать комаров и присылать их для исследования. Такой проект позволит нам получить ответы на важные эпидемиологические вопросы, касающиеся миграции комаров, в частности, мигрируют ли они севернее Франкфурта?

Для борьбы с комарами Anopheles – переносчиками малярии, используется такой же подход, что и против тигровых комаров.

С недавнего времени вакцинация одним из белков вируса лихорадки денге (DFV) тестируется на мышиной модели. В состав этой вакцины входит рекомбинантный неструктурный белок (NS1) вируса лихорадки денге, и вакцина защищает мышей от вируса. Было установлено, что этот белок вызывает «протечку» кровеносных сосудов. Вполне возможно, что это обстоятельство долго оставалось незамеченным.

Весьма вероятно, что после вспышки вируса Эбола в 2015 г. и решений, принятых на саммите «Большой семерки» в Эльмау (Германия), разработка вакцин от тропических заболеваний и, возможно, от вируса Зика ускорится. Синтез и производство ДНК-вакцин не требует много времени, но эти вакцины нуждаются в дополнениях.

Вирусы для лечения растений

Как прокормить население Земли в будущем? Сто лет назад Фриц Габер из Берлина разработал метод фиксации азота и производства удобрений, незаменимых сегодня при производстве продуктов питания. Для выживания человечества нужно еще одно такое изобретение. Являются ли генетически модифицированные организмы этим будущим? У нас есть генетически модифицированные помидоры и кукуруза, которые европейские потребители в теории отказываются приобретать, но на практике покупают их, поскольку эти продукты дешевле. Как долго мы можем себе позволить от них отказываться? ЕС разрешил использовать кукурузу, обработанную Bacillus thuringiensis (Bt), носителем гена-токсина против насекомых, и опубликовал это решение. Кроме того, существует гербицид-резистентная кукуруза, которая не поражается при использовании гербицидов. Есть также сорта картофеля с высоким содержанием крахмала, предназначенные для промышленных целей, а не для пищи. Такой картофель даже разрешен для использования в качестве генетически модифицированных организмов или рекомбинантных продуктов. С недавнего времени ЕС более не занимается этим вопросом, теперь каждая страна сама решает, как ей поступать с ГМО. Следует помнить, что орошение клубней картофеля фагами повышает его урожайность в пять раз. Является ли это вариантом производства продуктов питания без ГМО? Я бы предпочла такой вариант.

Для генной терапии растений используют специальные бактерии, вызывающие развитие опухоли у растений. Как это ни странно, но у растений могут возникать опухоли. На самом деле это результат действия бактерий Agrobacterium tumefaciens[19] (очень говорящее название), которые индуцируют развитие «корневого рака» у растений. Инфицирование бактериями осуществляется за счет фагоподобной ДНК, опухоль-индуцирующим Тi-плазмидами. Эти кольцевые ДНК-плазмиды не интегрируются в геном и индуцируют развитие опухолей. Известно, что специалисты по генной терапии совершают обратный процесс, замещая опухолевые гены терапевтическими. Так ретровирусы с онкогенами становятся вирусами с терапевтическими генами. Аналогичным образом опухоль-индуцирующие гены замещаются терапевтическими генами, в частности токсин-продуцирующими генами в Ti-плазмидах, направленными против паразитов, живущих в растениях. Такие генетически модифицированные организмы вызывают опасения у многих фермеров и потребителей, а регуляторные органы заняты разработкой соответствующих норм и правил. В США около 80% всего объема выращиваемых сои, хлопка и кукурузы – генетически модифицированные растения, характеризующиеся повышенной урожайностью. Новый проект Трансатлантического торгового и инвестиционного партнерства мог бы существенно повлиять на практическое применение таких продуктов.

А теперь я приведу шокирующую информацию: ГМО-кукурузой кормили крыс, и в течение двух лет это привело к развитию у них опухоли. Мы совершенно этого не ожидали, несмотря на то, что Тi-плазмиды оправдали свое название и обусловили возникновение опухоли у крыс. В силу этого в зоне риска оказалась не только ГМО-кукуруза, но и вся система, используемая для целей генной терапии, то есть Ti-плазмиды в качестве носителей терапевтических генов. Вместе с тем невозможно сразу понять, возникнет ли у человека проблема, аналогичная той, что наблюдалась на модели крыс. Возможно, крыс перекармливали, давая им слишком много корма одного вида. Такое вполне может быть, но это стандартное исследование, проводимое при разработке препаратов, когда определяется «максимально переносимая доза». Столько есть никто не будет. В таком случае опасно ли потребление небольшого количества ГМО-кукурузы? Исследование максимально переносимой дозы включает в себя анализ риска для детей, пожилых людей и людей с ослабленным здоровьем. Можно ли в качестве альтернативы сократить дозировку терапевтических генов в кукурузе? Это хороший вопрос. Возможно, селекционеры переборщили с токсинами.

Публикация материала о крысах, у которых кукуруза вызвала развитие опухоли, породила скандал. Люди, не согласные с приведенными в статье выводами, отмечали, что статистические данные неубедительны, что для исследования было использовано слишком мало животных, что имеющихся данных недостаточно для опубликованных заключений. Авторов статьи попросили ее отозвать. Но они отказались и аргументировали это тем, что рукопись прошла научную оценку, с ней работали рецензенты и ее приняли в печать. Зачем же им задним числом от нее отказываться? А между тем дискуссия продолжалась и высказывались замечания относительно того, что были не замечены очевидные ошибки, и наконец издательство заявило об отзыве уже опубликованной статьи. В чем же там было дело? В данных? В статистике? Были ли рецензенты недостаточно компетентны? Какой-то этап подготовки материала к печати оказался без должного контроля! Это был уникальный случай. Что же осталось за кадром? Имело ли место давление с чьей-то стороны? Что это: наука или коммерция? Потребители были настроены весьма скептически.

Самый новый по времени подход, предусматривающий модификацию генов и реверсирование болезней, основан на методе CRISP/Cas9, существующем у бактерий с противовирусной системой защиты от фагов. Гены можно модифицировать только на очень короткий период времени, пусть – и это интересно – не путем вставки или рекомбинирования части ДНК, а задавая «направляющую» последовательность, но у клетки появляется возможность осуществить соответствующую корректировку путем считывания «направляющей» последовательности, что называется «редактирование». В соответствии с законодательством, регулирующим ГМО, использование технологии рекомбинации не допускается. Необходимо ли новое законодательство для этой новой технологии? До тех пор, пока оно не появится, может быть разработано большое количество модифицированных организмов! Я полагаю, что соответствующие органы пока еще не заметили этот недостаток!

Способны ли вирусы спасти каштановые деревья и бананы?

Каштановые деревья погибают от грибка. Можно ли их спасти? Могут ли вирусы помочь в предотвращении их гибели? В Нойштадте-ин-Хольштайн (Северная Германия), городе моего детства, вырубили все столетние вязы, и сразу стала видна огромная рыночная площадь, «обнажился» готический собор из красного кирпича, реальные размеры которого ранее никто особенно не замечал. Кроме того, опустели аллеи вдоль балтийского побережья, потеряв весь свой шарм. На площади Вогезов, Пале-Рояль, авеню Паризине – все парки вырублены. В 1977 г. спилили погибший «вяз Наполеона» (посаженный в год рождения Наполеона), хотя срез его ствола хранится в одном из боннских музеев. Все дубы исчезли. Теперь очередь буков? Что вызвало гибель вязов? Переносчиками этого грибка являются жуки, расщепляющие кору. Они выламывают кусочки древесины и пробуравливают путь внутрь ствола, занося туда споры грибов. Личинки жуков роют ходы и каналы внутри ствола, где токсины грибов начинают «работать». Они закупоривают каналы, по которым циркулирует сок дерева, из-за чего вода и питательные вещества не могут по ним подниматься, и деревья начинают «задыхаться». Этот грибок появился в начале XX в., был завезен из Азии сначала в США, а потом в Европу, и причинил большой ущерб. Может быть, грибы прятались в скоплениях воды в старых автомобильных шинах во время их транспортировки в Европу? Есть несколько историй в пользу этого предположения. Что можно сделать, кроме как вырубить деревья? Та же история с погибающими каштановыми деревьями. Эта болезнь называется «каштановая гниль» (или, более научно, эндотиевый рак коры каштана съедобного). В США она появилась 100 лет назад и уничтожила 4 млрд деревьев – целые леса. Каштановые деревья – символ восточного побережья США. Фан-клубы и защитники деревьев начали предпринимать определенные действия и попытались спасти каштановые деревья. Грибок Cryphonetria parasitica,или сокращенно C. parasitica, завезли из Китая в 1904 г. Независимо от того, дело в жуках или не в них, прогрызают они ходы или нет, этому грибку удается уничтожать деревья метровой толщины. Птицы, насекомые, капли дождя или ветер способны переносить споры на следующее поколение деревьев-жертв. Чтобы остановить это бедствие, испробовали все средства – фунгициды, сернистый газ, облучение, даже проводили какие-то ритуалы. Возможно, майя точно знали об этой сельскохозяйственной проблеме и приносили человеческие жертвоприношения, чтобы задобрить своих богов.

В Австралии неожиданно появился новый вид «супербактерий», а переносчиками их являются китайские клещи, для предотвращения распространения которых были приняты все меры предосторожности: в пределах досягаемости вырубили все клены. Я была свидетелем этого бедствия в 2015 г. Клещей завезли в палетах. Упаковочный материал должны были предварительно продезинфицировать, но не сделали этого. В настоящее время собак натаскивают на распознавание запаха этих жуков.

В Китае каштановые деревья обладают устойчивостью к этому грибку, поэтому их геном секвенировали и выделили ген, отвечающий за эту резистентность. В настоящее время данный ген передается бактериям A. tumefaciens при помощи Ti-плазмиды. Кроме того, в плазмиде клонировали яд жабы, и ожидается, что он уничтожит грибок. В список генов, предназначенных для горизонтального переноса генов Ti-плазмидами, включены гены горького шпината.

Швейцарские ученые разработали генную терапию для каштановых деревьев, для чего использовали вирус hypovirus, парализующий грибок, обитающий в дереве. Этот странный вирус относительно неизвестен (он состоит из «голой» двухцепочечной РНК, у которой нет оболочки, а только один или два кодирующих гена, и он специфичен против грибка). К сожалению, вирус развивается только внутри грибка и перемещается из грибка в грибок. Поэтому для лечения деревьев используется грибок, инфицированный вирусом. Хочется надеяться, что вирус попадает в интактные грибки и уничтожает, и хорошо бы все сразу! К каждому дереву нужен индивидуальный подход, то есть персонифицированная медицина для деревьев. Это слишком сложно и громоздко даже для швейцарских защитников природы. Китайские исследователи пытаются аналогичным образом защитить кукурузу и виноградные косточки от грибковой инфекции путем распространения грибка, инфицированного вирусом. Кроме того, обрабатывают и корни.

Тем не менее самый надежный подход – использование традиционных методов селекции, скрещивание китайских каштанов, резистентных к грибку, с американским видом этих деревьев, находящихся в опасности. Для формирования устойчивости у американских деревьев достаточно 6% китайских генов. Но даже в этом случае они не слишком похожи на китайские каштаны – у них нет ворсистых листьев, которые не любят американцы. Но на это требуется время. У нас в Германии кора каштановых деревьев приобретает коричневый цвет, и нас это беспокоит. Однако, что касается этих деревьев, грибок сделал не слишком глубокие и опасные «ходы», поскольку он поражает только листья. Поэтому опадают только листья, а в целом дерево не погибает. Каштаны, растущие на площади Брайтенбах в Берлине, которые всегда расцветают в мае, подвергаются меньшей опасности. Берлину повезло: не нужно ждать генную терапию Ti-плазмидами с ядом или генами шпината. Есть старое доброе средство защиты от грибка – собрать осенью листья и сжечь их.

Бананы – очень важный продукт питания. Для них угрозу представляет грибок Sigatoka. Секвенированный геном банана оказался невероятно большим – 32 000 генов, больше нашего (около 20 000 генов), поскольку многие гены дуплицированы. Было выявлено всего несколько генов, отвечающих за резистентность к грибку. В Африке эти растения обрабатывают инсектицидами 50 раз в год, но это не помогает при данном заболевании (Fusarium oxysporum). Селекция и скрещивание невозможны, поскольку у этих растений бесполое размножение. Поэтому бактерия A. tumefaciens с Ti-плазмидами – единственная надежда, и в Африке эта методика уже тестируется. Тем не менее в глобальном масштабе присутствие бактерий в продуктах питания не очень хорошо воспринимается. Есть новый способ – использовать «пистолет» для введения Ti-плазмид непосредственно в растения, в этом случае не нужно применять бактерии для переноса генов. Есть вариант воспользоваться «генной пушкой», и однажды мы ее применяли при лечении рака, чтобы ввести ДНК-плазмиды пациентам непосредственно в мышцы. Терапия продемонстрировала некоторую эффективность. Шприцы с иглами оказались в наших руках более эффективными, и крайне дорогостоящая «пушка» вновь очутилась в своей дорого выглядящей коробке, выстланной красным бархатом, как ее поставил нам производитель.

К генетически модифицированным продуктам питания относится и рыба. Инсулиноподобный фактор роста 1 (ИФР-1) «вставили» в геном рыбы, и сейчас такие рыбы растут гораздо быстрее при меньшем объеме потребляемой пищи. Но никто не хотел есть такую гигантскую рыбу, так как она представляла собой практически одну сплошную большую опухоль, по размеру в 10 раз превышающую нормальную рыбу. В настоящее время фармацевтическая промышленность использует ее для тестирования новых терапий – если такие гигантские рыбы могут считаться релевантной животной моделью. «Генетически модифицированная пища» – предмет оживленной дискуссии. Лауреат Нобелевской премии немка Кристиана Нюсляйн-Фольхард провела публичное обсуждение вопроса о генетически модифицированных продуктах питания с профессиональным шеф-поваром. В 2016 г. она привела доводы в пользу генетически модифицированных продуктов питания как единственного способа обеспечить в будущем человечество едой. Недавно более ста лауреатов Нобелевской премии подписали петицию в пользу ГМО-продуктов, хотя необходимо провести дополнительные исследования и еще обеспечить прозрачность. И Кристиана Нюсляйн-Фольхард, и этот шеф-повар выпустили очень хорошие поваренные книги. Генетически модифицированные помидоры кладут в дешевый кетчуп, а научные противоречия потребителей не волнуют, просто такие продукты дешевле.

Нужно помнить о фагах.

Грибки: секс против вирусов

А у грибков есть вирусы? Безусловно, есть! На планете нет форм жизни, не имеющих вирусов. В Цюрихе мой небольшой офис находится дверь в дверь с «лабораторией выращивания дрожжей» для стационарной диагностики. Они могут диагностировать «всего» около 1000 типов дрожжей, хотя на самом деле их миллионы. Один дерматолог отметил: «Большинство из них не делают нас больными». Опять одна и та же история: грибки, вирусы, археи и бактерии по большей части неболезнетворны. Безусловно, существуют некоторые патогенные грибковые инфекции. Временами это неприятно, и человеку хочется избавиться от грибка, если он проявляется во влагалище или под ногтевой пластиной. Они могут вызвать тяжелую форму легочной инфекции, которая ежегодно уносит 1,5 млн жизней в мире. Грибок вызывает развитие болезнетворной плесени в ванных комнатах, на потолке и в холодильниках, а также в охотничьих домиках в национальном парке Йосемити в США. Для борьбы с грибком нужен сквозняк или поток свежего воздуха и, естественно, ежедневная уборка квартиры. Разве не погибали археологи после того, как открывали вход в египетские пирамиды по прошествии нескольких тысяч лет со времени их строительства, вдыхая при этом споры грибков? В гробницах никогда не существовало вентиляции. Споры, используемые грибами для распространения, способны заразить зерновые культуры, и в средневековье это приводило к развитию «Антониева огня». На некоторых средневековых фресках Изенгеймского алтаря (Кольмар) изображены страдающие этим заболеванием люди, которые молят Бога о помощи. Грибковое заражение было обнаружено в орехах, арахисе, сухофруктах и специях. Комбинация вирусов и грибков, особенно это касается ядовитых афлатоксинов Aspergillus fumigatus, может представлять серьезную угрозу и вызывать развитие рака у человека.

Грибки также повлияли на политику, когда в Ирландии начался картофельный фитофтороз, что привело к Великому голоду в Ирландии в 1845 г. Тогда 2 млн ирландцев иммигрировали в США, а многие из оставшихся умерли от голода.

В странах Дальнего Востока герпесвирус, вирус Эпштейна–Барр (ВЭБ) в комбинации с грибком вызывает рак носоглотки, а в сочетании с вирусом гепатита В ведет к гепатоцеллюлярной карциноме – одной из форм рака печени. Афлатоксины, находящиеся на поверхности джемов или в хлебе, опасны для здоровья. Если этими токсинами поражены продукты питания, их нужно выбрасывать. Тем не менее мы нуждаемся в определенной подгруппе грибков – в одноклеточных пекарских дрожжах Saccharomces (S) cerevisiae – для выпечки хлеба, пивоварения и виноделия. И не стоит забывать, что грибки – источник антибиотика пенициллина.

Грибки довольно сложно классифицировать. Они относятся к эукариотам (организмам, содержащим оформленное ядро) и находятся ближе к более высокоорганизованным организмам, к животным, чем к растениям. Великий Карл Линней, создавший классификацию животных и растений, не знал, куда отнести грибки в своей системе. Они стоят особняком от других царств – растений, животных, простейших (протистов) и бактерий.

Грибки могут быть мелкими и одноклеточными, как, например, дрожжи. Вместе с тем они могут достигать самых крупных размеров, которые только наблюдаются у живых существ. Корневая система грибков бывает размером с футбольное поле и весит несколько тонн. Грибки отличает очень высокая кооперативность, и они формируют симбиоз практически со всеми растениями, помогая последним получать питательные вещества из почвы. Вместе с вирусами грибки обеспечивают устойчивость растений к высокой температуре, поэтому растения могут дольше выживать в условиях засухи. Вирус Curvolaria thermal tolerance virus (вирус термальной толерантности) существует в тройном симбиозе с грибком и растением, что позволяет растению выживать при 65 °С. Идея использования вирусов против глобального потепления должна привлечь внимание! Но об этом нужно говорить; возможно, они помогут сохранить ископаемые воды. Калифорнийские фермеры бурят скважины глубиной несколько тысяч метров и используют эту драгоценную воду для полива миндальных деревьев, несмотря на то, что запасы этой воды невосполнимы. В скором времени 4 млрд человек будут испытывать недостаток воды. Я больше не покупаю миндаль, поскольку для выращивания одного миндального ореха требуется 4 л воды.

Грибки могут существовать очень долго – до 2400 лет (возможно, внутри египетских пирамид?). Они образуют споры, что делает их самыми долгоживущими видами организмов на планете и, вероятно, вообще везде. У них наблюдается устойчивость к радиации, высокому давлению, невесомости, высоким и низким температурам. Возможно, они существуют на планете последние 1,5 млрд лет. Споры были «запаяны» в янтаре 30 млн лет, и недавно некоторые из них оживили, если это утверждение соответствует правде. Некоторые скептики этому просто не верят и подозревают, что это могло быть результатом контаминации в лаборатории. На борт космического корабля «Аполлон-12», отправленного на Луну, случайно попали споры, оказавшиеся в коробке из пенополистирола. Они вернулись в целости и сохранности, несмотря на воздействие на них невесомости и космических лучей, которые, как известно, оказывают мутагенное действие на генетический материал.

Еще в 1966 г. для секвенирования выбрали пекарские дрожжи, поскольку в их небольшом геноме содержится всего 13 млн нуклеотидов. Публикация об этом называлась «Жизнь с 6000 генов» (у нас 20 000 генов). Эти 6000 генов распределены по 16 хромосомам. Пекарские дрожжи и человек имели общего предка, но разошлись в развитии примерно 1 млрд лет назад, однако и сейчас у нас несколько тысяч схожих генов. Около 25% генов пекарских дрожжей родственны генам человека. Поэтому дрожжи использовали в качестве модели эукариотов. Онкоген Ras, известный по ретровирусам, имеет родственника в геноме дрожжей; его охарактеризовали и выявили некоторые различия. В настоящее время гены дрожжей один за другим заменили почти на 500 генов человека в новой области исследований, называемой синтетической биологией. Несмотря на существенное различие последовательностей, было установлено, что они выполняют аналогичные (ортологические) функции в цепочках метаболических путей. Это удивительно. Дрожжи будут использоваться в качестве «микролаборатории» для производства продуктов питания, препаратов (в частности, таксола, показанного для лечения рака молочной железы, или артемизина от малярии) или ароматических веществ, таких как ванилин. В будущем можно будет «гуманизировать» дрожжи путем замены всех метаболических путей для получения соединений, анализа и скрининга потенциальных лекарств и использовать их, а не на мышей или людей! Это было бы просто и быстро. У дрожжей есть ряд преимуществ по сравнению с бактериями; кроме того, это более безопасно, их компоненты легче выделить, и возможен выход на промышленные масштабы.

Вирусы грибков Mycoviruses довольно неактивны и никогда не покидают хозяина, у них нет белковой оболочки, и они с трудом реплицируются, полагаясь скорее на деление клетки-хозяина. Свободные вирусные частицы вне клеток встречаются редко или не существуют вообще. Внеклеточное существование для них нехарактерно, и они постоянно находятся внутри клеток. Грибки могут переносить вирусы без репликации. Одноклеточные пекарские дрожжи инфицируются Narnaviruses, содержащими, как следует из их названия, РНК. Это небольшие вирусы, по размеру в два раза меньше полиовирусов и пикорнавирусов, которые содержат 2900 нуклеотидов (нарнавирус состоит из одноцепочечной РНК со стабилизирующей шпилькообразной петлевой структурой, защищенной на каждом конце структурой типа «лист клевера»; у него нет оболочки, он кодирует только мультифункциональный белок, который отвечает за репликацию, упаковку и защиту РНК; это на удивление минималистичный мультифункциональный вариант вируса. Грибки производят несколько сот тысяч копий вирусной РНК, которые остаются внутри клетки).

У клеток грибков все это есть: последовательности генов от предыдущих инфекций, индуцированных ретровирусами, транспозонами, Ty-элементами (в аббревиатуре «y» обозначает грибок – yeast). Элементы Ty1–Ty5 – ретротранспозоны, при этом Ty3 очень похожи на ретровирусы (у них есть LTR-последовательности, gag, обратная транскриптаза, нуклеаза и интеграза, но нет оболочки), аналогично транспозонам у насекомых, в частности gypsy у мух и растений. Возможно, элемент Ty3, содержащийся в дрожжах, попал в клетки предшественников их нынешних хозяев, насекомых и растений, путем горизонтального переноса генов. Ту5 – модель для исследования архитектуры теломер, при этом у них на концах хромосом есть структуры, родственные обратной транскриптазе, и соответствующий механизм интеграции (см. главу 3). В соответствии с одной из трактовок транспозируемые элементы в дрожжах являются предшественниками ретровирусов – такое предположение было выдвинуто в 1980-х гг. одним из открывателей обратной транскриптазы Хоуардом Темином. А может быть, наоборот, дегенеративными ретровирусами?

Недавно «мобильные элементы» пекарских дрожжей, размножающихся почкованием, использовали для разработки лекарств от ВИЧ. Как сообщила Сюзанна Сэндмайерс из Ирвайна (Калифорния), было получено 60 новых соединений для препаратов. Взаимодействующие белки, 120 из них, влияют на мобильные элементы и, возможно, на ВИЧ. Это – факторы, находящиеся в клетках-хозяевах человека, которые взаимодействуют с ВИЧ как потенциальные мишени лекарственных препаратов. До чего же близкое родство между пекарскими дрожжами и клетками человека – достаточно близкое для скрининга препаратов против ВИЧ. Когда мы едим выпечку или пьем пиво, об этом, безусловно, нужно помнить!

Специалист по дрожжам Джоан Курчио (Элмхерст, Нью-Йорк) объяснила мне, почему вирусы так редко встречаются в дрожжевых клетках. Дрожжевые клетки (они бывают мужскими и женскими) чрезвычайно часто спариваются, что приводит к появлению нового потомства и формированию нового генетического материала. У многих других организмов задачу обновления генетического пула часто выполняют вирусы. Они являются двигателями эволюции. Но это не относится к дрожжам. Применительно к дрожжам можно сделать следующий вывод: у клеток дрожжей «секс» происходит чаще, и поэтому у них гораздо меньше вирусов. (Или, может быть, все наоборот: меньшее число вирусов создает условия для более активного секса?) У дрожжей нет известных заболеваний, передаваемых половым путем. Еще одна причина наслаждаться пивом.

Практически во всех лабораториях проводится «двугибридный анализ дрожжей» – интересный способ исследовать неизвестные белки в качестве партнеров по взаимодействию с белками-мишенями. Суть метода заключается в том, чтобы взять белок в качестве «приманки» (bait) и выбрать неизвестные связывающие белки в качестве «добычи» (prey). Если связывание достаточно сильное, активируется цветная реакция. Это надежный способ выявить новых партнеров по взаимодействию, если у исследователя не хватает воображения, чтобы найти новые темы исследования. Но как только исследователю удается «выловить» какой-нибудь новый белок, тут-то и начинается тяжелая работа – его нужно охарактеризовать. И вот тогда редакторы и рецензенты статей начинают задавать всевозможные вопросы и хотят получить ответы на все вопросы сразу. Объем данных увеличивается, и параллельно с этим растет число участвующих в исследовании ученых. В итоге у всех пропадает желание работать над проектом, после того как представившие результаты коллеги выстраиваются в очередь, чтобы их включили в список авторов публикации. И тогда возникает необходимость в руководителе, обладающем дипломатическими способностями.

Стволовые клетки – почти опухолевые?

Человечество мечтает о вечной молодости или о возможности ее вернуть, чтобы получить еще один шанс начать все с начала, попробовать прожить жизнь еще раз. На одном средневековом полотне изображено, как очень пожилые люди омолаживаются после омовения в волшебном котле. А в греческом мифе даже описана регенерация органов: Прометей был наказан Зевсом, который хотел вылепить людей из глины. В наказание за гордыню Прометея приковали к скале. Каждый день орел клевал его печень, которая за ночь восстанавливалась. Откуда древние греки несколько тысяч лет назад могли знать, что печень человека обладает способностью к регенерации? Посетителям экспозиции стволовых клеток в цюрихском музее задали вопрос: «Задумывались ли вы когда-нибудь, сколько вам лет?» Единственные клетки, которым столько же лет, сколько следует из вашего свидетельства о рождении, – это клетки хрусталика глаза и клетки некоторых сухожилий – они не снабжаются кровью. Все остальные клетки в организме моложе и постоянно обновляются; клетки кожи обновляются каждые несколько дней (отмершие клетки отшелушиваются за счет действия грамположительных и грамотрицательных бактерий); волосы растут со скоростью 1 см в неделю, а ногти – 4 см в год; лейкоциты живут один день, а эритроциты – 100 дней. Клетки других органов и даже головного мозга тоже обновляются. В связи с этим возникает вопрос: «Действительно ли я постоянно меняюсь? Кто я?» Применительно к загадке Дельфийского оракула, известной как «парадокс Тесея» или «корабль Тесея», возникает точно такой же вопрос: если все части корабля заменены новыми, остался ли корабль прежним? И сколько ему лет? Аналогичным образом деревянные японские храмы по своей структуре очень древние, но на протяжении веков дерево, из которого их строили, неоднократно обновлялось.

Рост волос и ногтей – разве это не пример самообновления? Для этого нужно задействовать стволовые клетки. Выдерните волос, и в его нижней части окажется скопление клеток. Часть из них – стволовые клетки, которые могут развиться во взрослые клетки. Стволовые клетки прячутся в луковице фолликула. В процессе миграции на поверхность кожи под воздействием факторов, вырабатываемых их окружением, происходит дифференциация этих клеток. И наоборот, человеческие эмбрионы являются источником эмбриональных стволовых клеток (ЭС) человека. У них сильно выраженная изменчивость, они являются тотипотентными и в зависимости от стимула способны развиться во взрослую клетку любого типа, что может привести к формированию новой личности! Однако их нужно выделить из эмбриона перед имплантацией – то, что остается послеоплодотворения in vitro. Выделение стволовых клеток вызывает неоднозначную реакцию, и в ряде стран эти процедуры либо запрещены, либо носят ограниченный характер. Ученым, которые хотят работать с такими клетками, приходится переезжать в страны, где такие эксперименты разрешены. В Германии ЭС-клетки, видимо, были выделены до 2007 г. Плюрипотентные стволовые клетки развиваются в несколько различных органов или типов клеток, например в печень. Затем существуют мультипотентные стволовые взрослые клетки, которые заменяют клетки в органах для их регенерации и могут вырасти только в определенные клетки. Стволовые клетки локализуются в эпителиальных тканях, как указывалось выше, костном мозге или пуповинной крови. Сердце и головной мозг не слишком активно регенерируются, в тканях этих органов практически нет стволовых клеток. Гемопоэтические стволовые клетки (ГСК), выделяемые из костного мозга или крови, можно трансплантировать пациентам; они весьма эффективны при лечении определенных видов лейкемии. Стволовые клетки также обсуждаются в связи с развитием рака, но до сих пор остается открытым вопрос, задействованы ли они в этом процессе и какая роль им отводится в терапии рака. Их предпочтительнее называть не «опухолевые стволовые клетки», а «инициаторы опухоли» или «клетки-предшественники». Это удивительно, но некоторые родители десятки лет хранят клетки пуповинной крови новорожденных в качестве возможной «медицинской страховки» для лечения заболеваний, которые могут развиться у ребенка в течение жизни.

Прорыв в исследованиях стволовых клеток у людей произошел в связи с появлением «коктейля». Его ингредиенты дают возможность перепрограммировать дифференцированные зрелые клетки, чтобы они стали стволовыми. Мечта человечества осуществилась, поскольку этот коктейль способен превратить клетки взрослых мышей в эмбриональные. Этот коктейль может «перепрограммировать» клетки взрослого организма, чтобы можно было «все начать сначала». Все, что нужно для этого коктейля, – набор из четырех белков, которые называются с-Myc, Oct4, Sox2 и Kif4. Все они относятся к транскрипционным факторам, и каждый из них может регулировать большое количество генов – несколько сотен. Факт превращения зрелых клеток в эмбриональные подтверждается результатами имплантации в организм мыши-самки клеток, обработанных коктейлем, – развивается новая мышиная особь. Это действительно фантастический эксперимент: полностью специализированная (дифференцированная) клетка превращается обратно в эмбриональную, универсальную плюрипотентную клетку. Это вполне возможно, поскольку в каждой клетке, в том числе и в зрелой, присутствуют все гены, но лишь немногие из них активно экспрессируются в силу имеющихся у них клеточных программ. Существует 200 различных программ для 200 различных типов зрелых клеток. Программы омоложения должны быть в состоянии подавить все эти программы и реактивировать все гены, сделать все клетки плюрипотентными. Поскольку четыре фактора «индуцируют» это состояние, такие клетки называются «индуцированными плюрипотентным стволовыми клетками», или сокращенно iPS-клетками. Такие клетки могут запускать процесс заново и превратиться в одну из 200 различных типов клеток организма вследствии действия специфических факторов дифференциации. Простой способ – это поместить iPS-клетки рядом с тканью, которую нужно получить. Например, существующие клетки мышечных тканей способствуют формированию клеток мышечной ткани из iPS-клеток путем секреции факторов, стимулирующих специфические клетки мышечной ткани. Это основа регенеративной медицины.

iPS-система была разработана лауреатом Нобелевской премии японским ученым Синъей Яманакой из Киотского университета. Он систематически проводил исследования с целью выявления факторов, обеспечивающих это изменение, и протестировал 24 фактора в разных комбинациях. В результате было выделено четыре транскрипционных фактора. Ретровирусные векторы переносят гены для факторов в фибробласты кожи человека и активируют несколько сот генов. Транскрипционный фактор c-Myc стимулирует рост клеток, во время которого клетка проходит клеточный цикл и деление. Однако c-Myc также наблюдается во многих опухолевых клетках, при раке головного мозга или раке легких. Изначально его выявили как онкоген ретровирусов, о чем речь шла выше. Таким образом, при дерегуляции данного фактора или его чрезмерной продуктивности клетки могут превратиться в опухолевые. В этом заключается проблема со стволовыми клетками. Они находятся в опасной близости от раковых клеток. Рост опухолевых клеток остановить невозможно. А как остановить рост стволовых клеток? Сначала человек хочет, чтобы клетки росли, а потом стремится прекратить их рост. В настоящее время разрабатываются специальные методы, позволяющие при необходимости определенным образом включать или выключать эти четыре фактора. Кроме того, их необходимо контролировать и следить за тем, чтобы они экспрессировались в правильной дозе. Это снизит риск развития рака.

В 2012 г. Яманака получил Нобелевскую премию за «открытие зрелых клеток, которые можно перепрограммировать и получить плюрипотентные клетки», что означает получение iPS-клеток из дифференцированных клеток взрослого организма. Он разделил эту премию с Джоном Гёрдоном, ученым, представляющим старшее поколение. В 1962 г. Гёрдон трансплантировал клеточные ядра из кишечника лягушки в ее яйцеклетку и в результате получил настоящую лягушку. Как мне хорошо запомнилось, этот эксперимент вызвал скептицизм и даже некоторое неприятие. Позднее он лег в основу клонирования овец, кошек и собак. Все знают о клонированной овечке Долли, самой известной в мире овце, у которой не было отца. В 1996 г. в Шотландии ее клонировал Иэн Уилмут, выделив клетку из вымени шестилетней овцы. Он выделил клеточное ядро и имплантировал его в яйцеклетку без ядра. Так получилась овечка Долли. Однако ее генетическому материалу было уже шесть лет, поэтому теломеры на концах ее хромосом были укороченными, как у старых овец, и процесс омоложения был неполным. В скором времени у Долли развились возрастные заболевания, в частности артрит, и в 2003 г. она умерла. Смерть наступила в результате заражения вирусом овец – ретровирусом, состоящим в близком родстве с вирусом Jaagsiekte Sheep Retrovirus (JSRV), который около 40 млн лет назад способствовал образованию плаценты в организме человека. (Удивительно, что этот ретровирус до сих пор существует!) В конце концов, у Долли было потомство. Легко представить себе Иэна Уилмута в Стокгольме вместе с Яманакой и Джоном Гёрдоном. Рудольф Йениш из Института Уайтхед (Бостон), мой гамбургский друг, с которым я познакомилась много лет назад, помог нам разобраться в механизме перепрограммирования эмбриональных стволовых клеток; за эту работу он был удостоен многих наград.

Наличие iPS-клеток делает выделение ЭС-клеток неактуальным. Сегодня зрелые соматические клетки можно перепрограммировать, чтобы они превратились в iPS-клетки. Изучаются способы совершенствования этих методик.

Деление стволовых клеток происходит за счет специального механизма, то есть путем асимметричного деления, при котором одна часть клетки остается «прикрепленной к нише», а другая часть достаточно открыта, и на нее воздействуют факторы роста и дифференциации, в результате чего возникают новые клетки. Можно представить себе, что от арктического айсберга откалывается часть. Оставшиеся же клетки характеризуются способностью к саморегенерации и могут пройти неограниченное число делений. Получаемые стволовые клетки могут развиться в один из 200 видов специализированных клеток организма.

Лишь недавно стал известно, что зародышевые клетки переносятся навсегда, и, похоже, они вечны. В настоящее время это явление исследуется на модели червей С. elegans. У зародышевых клеток, должно быть, существует механизм омоложения, но они превращаются в смертные, если животные в силу мутаций становятся бесплодными. В настоящее время стоит задача выяснить, какие химические пути обусловливают омоложение и бессмертие.

Мечты о практическом применении результатов таких исследований стимулируют исследователей. Есть надежда, что можно «производить запасные части»: новые сердечные клапаны, новые диски для лечения заболеваний позвоночника, более здоровые тазобедренные суставы, более молодой мозг и новую кожу при ожогах – и все это можно получить из iPS-клеток. Сейчас уже разрабатывается методика получения искусственной кожи с помощью пигментов, но пострадавшим до сих пор приходится слишком долго ждать, пока у них вырастет новая кожа. Иммунная система не ополчится против «собственных» клеток, и отторжение не состоится, поскольку пациент и есть донор. Кроме того, донорские клетки волос или кожи ни у кого не вызывают опасения, и не нужно ждать, когда в результате аварии или естественной смерти доноров появится возможность трансплантировать нужные органы.

Однако до тех пор, пока эти методики не станут настолько совершенными, что будут применяться для лечения людей, можно представить более простые способы их использования. В лабораторных условиях из iPS-клеток пациента можно выращивать специализированные клетки, например клетки головного мозга, печени, сердечной мышцы или опухолевые клетки, с целью проверять их реакцию на лекарства. Можно определять эффективность препарата и его переносимость определенным пациентом. Для проведения лабораторных экспериментов понадобится несколько дней, зато это поможет снизить потенциальные риски и сократить расходы, так как стоимость разработки некоторых противоопухолевых препаратов составляет сотни тысяч долларов. Это один из аспектов персонифицированной медицины будущего. В США от последствий неправильного лечения ежегодно умирает около 50 000 человек. В Англии компании, занимающиеся страхованием здоровья, уже сейчас требуют проведения предварительного тестирования при страховании людей, которым назначается очень дорогое лечение.

Это стало бы еще одним шагом на пути к введению iPS-клеток непосредственно в сердечную мышцу пациента, где они могли бы трансформироваться в клетки сердечной мышцы под воздействием факторов дифференциации, поставщиками которых могут стать соседние клетки. На мышиной модели инъекция клеток непосредственно в сердечную мышцу, при которой им не нужно долго проходить через тканевые культуры, уже показала свою эффективность. Предметом процедур по омоложению являются рубцовые ткани. Возможно, со временем будет достаточно шприца с транскрипционными факторами, в частности c-Myc, которые вводятся непосредственно в рубцовую ткань при наличии локальных факторов дифференциации. Это было бы замечательно. Регенерационная медицина весьма многообещающа. Приоритетом внедрения этой терапии является кардиология, так как сердечно-сосудистые заболевания – одна из основных причин смертности в западных странах. Но на это потребуется время.

Совместно с американской компанией Neuronics мы проанализировали плюрипотентные стволовые клетки в чашке Петри и изучили роль факторов дифференциации в активации программ формирования специфических клеток. Мы распознали нейроны и увидели, как клетки бьются, словно сердце! Но вылечить опухоль не удалось. У основателя этой компании была опухоль мозга, и он всячески поддерживал разработку новой терапии данного заболевания. Он считал причиной возникновения своей опухоли чрезмерное использование первых мобильных телефонов, после того как они появились на рынке. Я всегда помню о том, что во время разговора аппарат нагревается, что стимулирует рост клеток и может способствовать развитию рака.

Помню первые флайеры, появившиеся в немецких поездах в 1960-х гг., рекламирующие «терапию клеточного омоложения». Ходили слухи, что наш канцлер Конрад Аденауэр, который тогда уже был довольно пожилым человеком, и папа римский лечились омолаживающим экстрактом из клеток, полученных из эмбрионов овец. Это соответствует скорее гормонозамещению, а не замене с помощью стволовых клеток. Если гормоны, например, быка и человека достаточно близкородственны, то, возможно, к некоторым из них это утверждение применимо. Данная терапия в настоящее время запрещена, поскольку может быть сопряжена с переносом заболеваний.

Согласно опубликованному в газетах сообщению, в Сан-Франциско отмечен случай эффективного лечения с использованием стволовых клеток человека. Однако, как потом выяснилось, это был обман! Такой же непорядочный поступок был совершен и в Японии. Почему же имели место сразу два подряд случая предоставления ложной информации о применении на практике стволовых клеток и соответствующих исследованиях, ведь совершенно очевидно, что обман сразу же раскроется, потому что все постараются воспроизвести эти результаты? Может быть, фальсификаторы научных данных – фанатики или нездоровые люди? Такие случаи были и раньше. Однажды в целях фальсификации мышь покрасили черными чернилами, а в другом случае на авторадиограмме фломастером нарисовали точки. Так можно бесславно закончить карьеру, и таким исследователям остается только работать на бензоколонке. Мне известен один такой случай. Однажды на научной конференции в США рядом со мной обедал молодой постдокторант. Он был героем этого симпозиума, а полученные им результаты украшали обложку сборника рефератов данного мероприятия. Мне он показался не вполне нормальным, скорее больным, чем гением. И действительно, он создал своему руководителю, известному биохимику, много проблем и ушел из науки. Однажды я провела почти все рождественские каникулы в лаборатории, где без посторонних глаз просматривала тетради и протоколы своей коллеги и анализировала данные, чтобы выяснить, не подтасованы ли они. К счастью, все было в порядке. Однако, как это ни странно, такое довольно часто случается даже в таких элитных научных учреждениях, как Швейцарская техническая школа Цюриха. Особенно сложно выявить подтасовку данных, осуществленную при помощи компьютера. Я бы не смогла обнаружить подлог за время рождественских каникул, поскольку не разбираюсь в современных программах, установленных на своем компьютере! Я решила, что мне не стоит больше оставаться ведущим автором статей в тех случаях, когда я не могу самостоятельно оценить биостатистические данные и не в состоянии гарантировать точность всех деталей. У меня возникает вопрос: единственный ли я исследователь, столкнувшийся с этой новой проблемой?

Новая голова гидры

Что же такого интересного в гидре? Гидра упоминается в одном из древнегреческих мифов, согласно которому Геракл должен был убить Лернейскую гидру – один из десяти подвигов Геракла, – но как только он отрубал ей голову, на ее месте вырастали две.

Этот древнегреческий миф не безоснователен. Можно разрезать животное гидру – небольшой пресноводный полип – пополам, и вторая половина снова вырастает, заменяя потерянную. Даже если гидру пропустить через сито, из каждого из получившихся кусочков вырастет целое животное. Живая гидра – это самоорганизующаяся система. Кроме того, у гидры регенерируются некоторые нервные клетки, хотя они примитивнее наших. Как могут отрастать чувствительные волоски у гидры и как вырастают новая голова или нога? В настоящее время мы очень заинтересованы в замене или регенерации частей тела человека. В этом заключается суть вопроса, касающегося регенерации с помощью iPS-клеток тканей или органов. Нам нужны новые запасные части. Похоже, только печень преуспела в регенерации и хоуминге клеток. Хоуминг – явление, при котором клетка печени, введенная в вену руки, возвращается в печень.

В Обществе Макса Планка в Тюбинге Альфред Гирер отмечал свое восьмидесятилетие. Его любимый объект исследования – гидра, животное длиной всего несколько миллиметров, которое часто прикрепляется к стенкам аквариумов. Этому виду животных 500 млн лет. Появилось сообщение о том, что найден «активатор головы гидры», который, возможно, играет определенную роль в отрастании новой головы. В Тюбингене есть своя история изучения активаторов – здесь был открыт активатор Шпемана–Мангольд у лягушек. Гирер спрогнозировал градиенты фактора роста и, возможно, вдохновил Кристиану Нюсляйн-Фольхард, которая соседствовала с его офисом в Тюбинге, а позднее стала лауреатом Нобелевской премии, на исследование процесса формирования головы и хвоста у личинок мух. Ключевую роль в этом процессе играют градиенты факторов, морфогены. Положительные и отрицательные сигналы регулируют дифференциацию. Возможно, то же самое происходит у гидры, но разве этого достаточно? Вероятно, гидра никогда не «становится взрослой», находясь в эмбрионоподобном состоянии, и поэтому всегда может регенерировать недостающие запасные части (это мое предположение!). Поэтому взрослым людям, видимо, просто не повезло, и у них нет никаких шансов на регенерацию частей организма, которых они лишились.

Я могла бы стать аспиранткой, работая под началом Альфреда Гирера, но мне не хватило смелости и дальновидности, и в результате я стала работать на кафедре вирусологии, в соседнем с ним помещении. Позднее Гирер рецензировал мою диссертацию по ретровирусам. Ретровирусоподобные элементы играют определенную роль и у гидры тоже. В 2010 г. геном гидры в полном объеме секвенировали Джаррод Чепмен и его коллеги совместно с учеными из Института Крейга Вентера (Калифорния) – в работе участвовали 70 соавторов и 20 групп ученых. Полученные результаты стали основанием для включения информации о гидре в эту книгу. Но сначала следует сказать о назывании этой статьи – «Динамичный геном гидры». Геном гидры постоянно меняется, и налицо интенсивные «прыжки» генов. Геном гидры примерно на 57% состоит из ретроэлементов, действующих по принципу «копировать и вставить», необходимых для обратной транскриптазы, что способствует увеличению генома за счет дупликации. Ретроэлементы гидры не только проявляли активность много миллионов лет назад, но и сохраняют ее до сих пор. Кроме того, существуют более простые ДНК-транспозоны, которые функционируют в соответствии с принципом «копировать и вставить», они составляют примерно 20% генома гидры и активны до сих пор. Сейчас читатель все это знает! Новым для меня стало то, что можно определить три периода, когда у гидры чаще всего отмечаются «прыгающие» гены. Это вполне могло бы соответствовать определенным периодам в истории Земли. И что же тогда происходило – извержение вулканов, периоды обледенения и падение метеоритов? Тогда популяция гидры развивалась крайне медленно, многие особи погибли, а немногие оставшиеся передали потомству особенные свойства. «Прыгающие» гены восполнили геном. Их размер увеличился в три раза и в настоящее время составляет около 1 млрд пар оснований (это треть размера генома человека). Кроме того, было установлено, что гидра близко контактирует с ранее неизвестной бактерией. Исследователи не могут избавиться от нее в целях секвенирования. Это устойчивые симбиотические отношения, и в этом смысле они напоминают о ранее упомянутом черве с острова Эльба. Симбиотические бактерии помогают хозяину переваривать пищу. Можно ли узнать, как у гидры отрастала новая голова? У гидры нет четырех транскрипционных факторов, которые необходимы iPS-клеткам для роста, у них – только один такой фактор, а именно Myc (а точнее, c-Myc). Тем не менее существует четыре разных Myc-белка на радость специалистам по Myc. Способны ли несколько белков Myc способствовать отрастанию новых голов у гидры, не в этом ли кроется секрет? В то же время Myc является индикатором опухоли головного мозга у человека и обусловливает избыточное производство нейро-, или N-Myc до 10 000 раз. Myc стимулирует рост самых агрессивных опухолей головного мозга у человека. Таким образом, отрастание новой головы и ее смертельное заболевание разделяет очень тонкая грань, и оба эти процессы регулируются Myc. У гидры существуют и другие активированные сигнальные пути, известные по исследованиям рака, например путь Wnt, который играет роль в развитии рака молочной железы у мышей, что достаточно странно! Эти гены присутствуют везде – в геноме мышей, гидры и человека, то есть все мы родственники! (Wnt также является онкогеном, проявляющим активность как протоонкоген в стволовых клетках человека, а название Wnt – аббревиатура, образовавшаяся в результате слияния понятий «бескрылый» – wingless и «интегрированный» – integrated.)

Мы до сих пор не можем считать в ДНК информацию о том, как у гидры отрастает новая голова, но, возможно, транскриптомы, транскрипты всех активных генов, скоро поведают нам об этом. У гидры есть одно уникальное свойство: у нее нет возраста, она живет вечно. Большая ли часть клеток гидры стволовые или все? «Ген Мафусаила» – ген вечной жизни – недавно был обнаружен у гидры исследователями из Киля. Это вариант транскрипционного фактора Foxo3, который существует и у червей C. elegans, и, что гораздо важнее, у долгожителей. По имеющимся данным, на нашей планете есть одно животное, которому 10 000 лет. Таким образом, оно живет в 10 раз дольше, чем черепахи, которых многие люди считают самыми долгоживущими живыми существами на Земле – черепаха Дарвина умерла совсем недавно! Между тем на больших глубинах обитает один из видов губок; метаболизм у него носит не очень выраженный характер, существование очень ограниченно и монотонно, а состоят эти губки примерно из трех видов клеток. Эти клетки должны иметь нечто общее со стволовыми. Подобный ограниченный и ничем не примечательный образ жизни, похоже, является побочным эффектом долголетия. Насколько обобщенный характер носит такое утверждение и ждет ли человечество такое же будущее?

Так же, как и гидры, внимание исследователей привлекли планарии, поскольку они тоже способны восстанавливаться из отдельных кусочков. В этом смысле лучше известны ящерицы, у которых может отрастать хвост. До сих пор неизвестно, какие именно гены задействованы в этом процессе, и может ли этому способствовать Myc. Готова поспорить, что да! А зубы, восстанавливающиеся у крокодилов и акул, тоже могли бы стать предметом интересного исследования. Иногда у человека случайно происходит «третья смена зубов». Такие зубы вырастают из стволовых клеток на кончике корня зуба. Значит ли это, что стволовые клетки были на полпути к превращению в опухолевые, но их развитие очень вовремя приняло другой оборот и вместо опухоли образовался зуб?

Как-то по телевидению показали маленького ребенка, который лишился кончика пальца. Пострадавший палец обработали порошком, полученным из экстракта внеклеточного матрикса – вещества, создающего межклеточные контакты. Врачи были очень удивлены, когда кончик пальца снова отрос и даже ноготь регенерировался. Вероятно, это произошло так же, как при первоначальном росте за счет градиентов факторов роста или факторов дифференциации. Критически настроенный журналист задал вопрос: сыграл ли порошок важную роль в процессе регенерации кончика пальца? Но он не получил ответа. Однако регенерация пальца, возможно, объяснялась тем, что ребенок еще достаточно мал и у него оставались эмбриональные стволовые клетки. Возможно, коктейль из четырех транскрипционных факторов оказался бы более эффективным, чем порошок. А может быть, в порошке присутствовал только один фактор? В ходе исследований генной терапии дети также продемонстрировали более впечатляющие результаты, нежели взрослые, у которых терапевтические гены были отключены. Нам нужно определить программы дифференциации и реактивировать их как возможное начало регенерации отрезанных пальцев у взрослых. И нам для этого нужно больше, чем запасные пальцы. Вполне возможно, что мы узнаем еще что-то о долголетии.

12. Вирусы и будущее

Синтетическая биология – кошки или собаки из пробирки?

В 2002 г. имя Экарда Уиммера из Стоуни-Брук, Лонг-Айленд, к большому удивлению ученого, попало на первые полосы газет. Он успешно провел полный синтез генома полиовируса в лабораторных условиях и опубликовал свою работу. Синтетический вирус обладал инфицирующими свойствами и был способен реплицироваться. Тем не менее общественность не рассматривала это как проявление научного прогресса, однако неспециалисты и ученые сошлись во мнении и стали во весь голос протестовать против статьи: «Подобные статьи ни за что нельзя публиковать!», «Это же руководство для биотеррористов!». Все реагенты выпускаются в промышленных масштабах без лицензии или каких-либо ограничений. Даже последовательность полиовируса можно свободно приобрести через интернет. Любой человек может воспроизвести такой синтетический вирус и распространить его как биооружие, поэтому открытие и вызвало столько сильное беспокойство у общественности. Нет, безусловно, синтез вируса – задача нетривиальная. Но иногда даже ученые способны превратиться в биотеррористов, если их что-то не устраивает или они не могут получить грант на исследования, если они на что-то сердятся или сходят с ума. Однажды такое случилось, когда биотеррорист отправил по почте письмо со спорами сибирской язвы. Он был специалистом по сибирской язве, и его что-то сильно разозлило.

Полиовирус – вирус небольшой, его длина всего 7500 нуклеотидов. В целях упрощения процесса Уиммер синтезировал вирусный геном как ДНК, поскольку ДНК более стабильна, а желаемая РНК потом автоматически копируется внутри клетки. Между тем был полностью синтезирован даже чрезвычайно опасный коронавирус SARS (выделенный у летучих мышей и состоящий из 29 700 нуклеотидов). Впоследствии его «гуманизировали» путем мутаций. Теперь такой изолят может передаваться от человека к человеку, что всегда опасно. Полиовирус сравнительно безвреден. А как быть с реконструированным синтетическим ретровирусом Phoenix, которому 35 млн лет? Вирусы гриппа тоже можно получать синтетическим способом, и процесс этот протекает даже быстрее, чем в культуре клеток или при выращивании вируса внутри яиц, однако, несмотря на то, что ставится цель в будущем использовать синтетический вирус гриппа в качестве вакцины, вирусы могут мутировать в более опасные изоляты. В целях получения вакцины предпринимаются попытки «деоптимизировать кодоны» вирусных последовательностей и вставить мутации (27 мутаций), чтобы замедлить репликацию вируса и снизить риски. Наиболее эффективные вакцины от полиомиелита, спасающие жизни пациентов, являются носителями только одной мутации. Возможна обратная мутация, в результате которой полиовирус вновь становится опасным диким вирусом. И хотя человечество практически избавилось от полиовирусной инфекции, в соответствии с современными стандартами эта вакцина считается слишком опасной. Сейчас надлежащие регуляторные органы ни за что не одобрили бы ее использование, и до сих пор предпочтение отдается менее эффективным, но более безопасным инактивированным вакцинам. Билл и Мелинда Гейтс поддерживают новую программу искоренения полиовируса. Вакцины на основе синтетических вирусов, подвергшихся искусственной мутации, применяют не только против полиовируса, но и против вируса гриппа и других вирусов. Этот метод называется инжинирингом с использованием синтетических аттенуированных (ослабленных) вирусов (SAVE).

Синтетическая биология – еще очень молодая отрасль науки. Синтез настоящей живой клетки, самой мелкой мини-клетки – важнейший приоритет для ученого-провидца Крейга Вентера, который всегда немного опережает современников. Он начал с мельчайшей бактерии Mycoplasma(M) genitalium и шаг за шагом сокращал общее число генов, чтобы определить минимально необходимый набор незаменимых генов. Из 482 генов он смог избавиться от сотни, и осталось всего 382 гена. Функции трети генов редуцированного генома неизвестны, примерно 206 генов родственны разным видам. Они регулируют репликацию и выживание. Вентер и его коллеги синтезировали ДНК in vitro, однако, к всеобщему удивлению, живая бактерия из нее не выросла. Синтетическую ДНК пришлось вставить в «выпотрошенную» (опустошенную) бактерию-хозяина. Это же обман! А что плавало внутри бактерии? Журналисты дошли до того, что заявили о создании искусственной или синтетической жизни и даже назвали это «игрой в Бога». На самом деле все это неправда. Сам же Вентер более реалистично оценивал свою работу и описал свои усилия как «трансформацию», то есть попытку сделать из собаки кошку. Это явление получило название «трансплантация генома». Просто он вернул к жизни опустошенную бактерию, только и всего. Однако ни у кого не было сомнений в том, что это возможно. И все же ДНК бактерий примерно в сто раз крупнее ДНК полиовируса, в связи с чем это была не просто техническая задача. Вентеру пришлось изыскать способы инактивации защитных механизмов клеток-реципиентов, рестрикционных эндонуклеаз, которые разрушают инородную ДНК. Вентер назвал полученные им существа «первыми существами, чьим родителем является компьютер». И вот в 2016 г., появился первый действительно живой синтезированный организм. Вентеру удалось получить первую минимальную бактериальную клетку из синтетического генома, состоящего из 531 000 базовых пар и 473 генов (438 белок-кодирующих и 35 РНК-генов), которая выращивается в лабораторных условиях. Эта клетка выглядит ужасно – она представляет собой лишенное симметрии и самоорганизации скопление шаров разного размера. Авторы назвали ее «полиморфичной». Однако функции 149 генов непонятны. Эта клетка реплицируется три часа, немного медленнее, чем исходный организм, то есть упущено что-то важное. Команда исследователей использовала новое понятие «транспозонный мутагенез», что в будущем приведет к получению новых результатов. Авторы подчеркивают, что в реальности не существует «минимальной клетки», поскольку это зависит от окружения. Чем богаче питательная среда, тем проще клетка!

Как только функциональная синтетическая клетка получена, можно проводить исследование и изучать пути производства полезных продуктов, в частности лекарств или промышленных химических соединений, которые могут иметь различные сферы применения. Что такое жизнь? Химический аспект жизни в скором времени станет понятен, но много вопросов до сих пор остается без ответа.

Между прочим, первому автору этой новой эпохальной статьи Крейга Вентера Клайду Хатчисону 77 лет, в связи с чем у меня возникает вопрос: обязательно ли нужно было отправлять меня в отставку в 65 лет?

В 2014 г. группа из 60 студентов программы бакалавриата была включена в работу по проекту «Создание генома» под руководством Джефа Боке из Нью-Йоркского университета. В ходе семилетнего исследования они соединяли небольшие ДНК-фрагменты синтетической ДНК до 1000 пар оснований, пока не получится. Вместо бактериальной клетки с синтетической ДНК они использовали дрожжевую клетку и вставляли новые синтетические гены. Дрожжи – это эукариоты, и по существующей классификации они ближе к клеткам человека и гораздо сложнее, чем бактерии; они содержат ядро с 16 хромосомами, лишь одна из которых получена искусственным путем для замены хромосомы естественного происхождения. Клетка обладает способностью к росту; это свидетельствует о том, что пока ученые не ошибаются. Только 3% ДНК дрожжей имели синтетическую природу. Кроме того, было включено около 500 мутаций, и 50 000 нуклеотидов из 317 000 были удалены в качестве меры безопасности на случай, если некоторые клетки дрожжей непреднамеренно высвободятся в окружение. Во-первых, сначала эта модель была разработана на компьютере, а затем проведен синтез – это 10 лет тяжелой работы. Дрожжи «гуманизировали», так как гены человека не идентичны генам дрожжей, но у них достаточно много общего, чтобы встраиваться в метаболические и сигнальные пути. Мне это кажется удивительным. Это прорыв для будущих исследований, касающихся замены клеток человека. В будущем это окажется полезным при скрининге препаратов, предназначенных для лечения заболеваний человека. На этот счет есть много точек зрений.

Кроме того, Вентер намеревается использовать бактерии, разработанные по спецзаказу для метаболических исследований, скрининга лекарств и производства биогаза. Это краеугольный камень технологии производства электроэнергии из бактерий. Помимо этого, Вентер предполагает использовать их для получения вакцин и лекарственных средств и разложения мусора. А еще для производства продуктов питания.

Некоторые футуристические представления предусматривают использование искусственных клеток не только для выявления, но и для производства новых соединений, в частности артемизина против малярии. Новая вселяющая надежды область применения – «редактирование» генетических модификаций и лечение дефектных генов путем использования системы фагового происхождения CRISPR/Cas9. Это могло бы способствовать борьбе с мультирезистентными бактериями, но может привести к началу разработки методики получения «искусственных детей». Генетические изменения эмбриональных клеток человека уже начались. Вместе с тем до сих пор действуют очень строгие ограничения, в соответствии с которыми запрещены манипуляции с зародышевыми клетками и механизмами наследственности.

Уже существуют довольно причудливые биологические переключатели, способные включать и выключать реакции в зависимости от раздражителей, например света, и этот вопрос не так уж футуристичен. В будущем мы сможем глотать не таблетки в готовом виде, а сенсоры, которые будут определять потребность, равно как и «продуцировать» лекарства, то есть осуществлять терапию по запросу в зависимости от потребности пациента. В случае необходимости пациент может автоматически получать инсулин в нужном объеме. Инженерам, врачам и исследователям эволюции нужно объединить усилия, поскольку новая концепция носит мультидисциплинарный характер. И самое главное заключается в том, что результаты их усилий должны быть сопоставимы с тем, что реально создает природа. За несколько миллиардов лет она разработала механизм равновесия и будет противодействовать неизвестным или непонятным факторам влияния. В настоящее время разрабатывается новое патентное законодательство, предусматривающее «патентную чистоту» биологических строительных блоков, но не методов их построения. Суть этого законодательства заключается в том, что гены естественного происхождения не подлежат патентованию, а искусственные могут быть запатентованы. Тимоти Лу из Массачусетского технологического института (MIT) создает вирусы или фаги с генами, своего рода биологические машины, предназначенные для разрушения бактериальных слоев, биопленок, которые демонстрируют в 500 раз более высокую устойчивость к терапии, чем свободно перемещающиеся микроорганизмы. Они обитают на больничном оборудовании – от катетеров до водопроводных труб. Он также намерен переносить фаги в бактерии или клетки для получения соответствующих веществ. Возможно, однажды отпадет необходимость в гиподермических иглах для инъекций инсулина и препарат будет подаваться автоматически. Кроме того, Тим Лу начал модулировать в кишечнике бактериоды, чтобы они могли чувствовать стимулы и реагировать на них. Он использует бактерии в качестве «жестких дисков» (так их назвали журналисты) – носителей информации. Стимулы обусловливают мутации, которые сохраняются до 12 дней, затем считываются и определяются количественно. Настанет ли день, когда будет разработан сигнал «прекратить есть»? Возможно, это окажется довольно простой задачей! Тим Лу разрабатывает «самовоспроизводящийся живой материал» – практически биологический 3D-принтер! Он нацелен на бактерии, обладающие множественной лекарственной резистентностью, что является насущной необходимостью.

Мы будем глотать сенсоры, наноинструменты, роботов, микроманипуляторы в надежде, что они все сделают, – вот в чем заключается концепция! Нужно помнить, что вирусы очень чувствительны к стрессовым условиям, в частности герпесвирусы, которые «переползают» по нервным волокнам, активируя химические реакции, в том числе появление герпесных бляшек на губах. Таким образом, уже сейчас вирусы в особых случаях выполняют большинство этих функций. Они хорошие изобретатели и учат нас подражать им.

Более 50 лет назад Ричард Фейнман, лауреат Нобелевской премии и человек, отличавшийся весьма оригинальным мышлением, все это предвидел. Он говорил: «Я не понимаю того, что не в состоянии создать!» Это утверждение Фейнмана заставит Крейга Вентера работать еще в течение некоторого времени. Знаменательным предвидением Фейнмана стала его фраза «Проглотите врача»! Неужели мы этого почти добились?

Что появилось сначала – вирус или клетка?

Этот вопрос я подняла в 2013 г. в Давосе (Швейцария) во время ежегодной встречи по РНК. Я разговаривала со своими коллегами, многими вирусологами и учеными, которые первыми стали заниматься РНК, вопросами химической эволюции и т.д. Они отвечали одно и то же, то, что написано в большинстве учебников, что говорили рецензенты всех моих статей в международных журналах и, возможно, читатели. Все они сразу же отвечали: сначала появилась клетка, поскольку вирус в ней нуждается. Я была разочарована тем, что даже ведущие исследователи РНК и рибозимов приводили эти же доводы, несмотря на то, что рибозимы являются первым активными биомолекулами, которые могут реплицироваться, эволюционировать, расщеплять и присоединять. Рибозимы – основа рибосом, и поэтому они являются ключевыми молекулами при синтезе белка, а cirРНК и с недавнего времени piРНК – основные регуляторы генов.

Рибозимы – это вироиды, а вироиды относятся к вирусам. Тогда сначала появились вирусы, или, если несколько смягчить, они существуют практически с момента зарождения жизни на Земле и по сей день. Нас окружали другие ученые и молодые студенты, которые с любопытством слушали и были весьма удивлены. Я говорила очень увлеченно, подчеркивала значение гигантских вирусов, многие из которых по размеру больше бактерий, так как они могут выполнять почти те же функции, что и живые клетки, – не так много, но близко к тому! Они могут быть носителями других вирусов. Они даже почти «видят»! Вирусы крупнее многих бактерий и вирусы в качестве хозяев вирусов, до недавнего времени об этом никто не слышал. Не существует четкого разделения между вирусами и клетками. Так что же мы обсуждаем: вирусы или клетки? Студенты были удивлены, они никогда ранее об этом не слышали. На нашей планете существует 1033 вирусов, это самый успешный биологический вид на Земле и самая крупная биологическая популяция на планете. Нет ни одного живого существа без вирусов. Действительно ли все организмы содержат вирусы? Есть ли они даже в нашем геноме? Готова поспорить, что да! Поэтому вирусы, должно быть, существуют с момента возникновения жизни на Земле, и ни один другой возбудитель инфекционных заболеваний не смог этого добиться. Убедили ли слушателей или Тома Чеха мои «возбужденные рассуждения»? Первыми были вирусы? Не знаю, согласились ли они со мной в итоге.

Есть и дополнительные доводы в пользу того, что «первыми появились вирусы». Проведенный анализ последовательности свидетельствует о следующем: несмотря на сходство некоторых вирусных генов с клеточными, вирусных генов больше, чем клеточных. Одним из ведущих исследователей роли вирусов в эволюции жизни на Земле был Луис Вильярреаль из Центра по изучению вирусов в Ирвайне (Калифорния). Он называет такое доминирование вирусов на нашей планете «виросферой» и использует понятие «репликатор» применительно к прото-РНК, первой реплицирующейся РНК-содержащей биомолекуле. Последующее сопоставление последовательностей, которое провел специалист по биоинформатике Евгений Кунин, подтвердило эту концепцию. Сначала возник мир вирусов, точнее – РНК-содержащих вирусов, после чего появились ретроэлементы, а потом ДНК-содержащие вирусы. Ученые, открывшие гигантские вирусы, поместили их у основания древа жизни, но эти вирусы слишком велики для первых форм жизни на Земле, и не все допускают рассмотрение этого вопроса! И даже Феликс д’Эррель, ученый, открывший фаги, интуитивно отвел им место у корней «древа жизни». Такую эволюцию можно охарактеризовать как «восходящее развитие» – от простого к сложному, от мелких к крупным или как «гипотезу о том, что сначала появились вирусы», согласно которой вирусы первыми заселили царство пребиотиков. Трудность заключается в том, чтобы признать, что первые вирусы могли обходиться без клеток, живя в нишах, «маленьком теплом пруду», по определению Дарвина, или в каких-то полостях с неорганическими компонентами, а возможно, и глиной в качестве катализатора. Им нужна была энергия, но тогда еще не было синтеза белка и клеток, поскольку для их образования требуется химическая энергия!

Новые методы химического анализа свидетельствуют о том, что три основных строительных блока жизни – аминокислоты, нуклеотиды и липиды – можно синтезировать в первичном бульоне Дарвина при поступлении энергии из окружающей среды. Британский химик Джон Сазерленд может осуществлять однореакторный синтез всех трех строительных блоков жизни в одной пробирке, и при этом стартовым условием является наличие простых предшественников, в частности синильной кислоты, фосфора, сероводорода и воды, а также ультрафиолетового излучения. Вот так и могла начаться жизнь. Только после появления типичных клеток вирусы смогли изменить образ существования и превратиться во внутриклеточных паразитов – это хорошо известная тенденция в эволюционном развитии, определяемая средовыми условиями. Борясь за клеточные ресурсы, они сталкивались с конкурентами и создали ранние примитивные механизмы противовирусной защиты, клеточного иммунитета. Возможно даже, что вирусы принесли ядро в первые эукариотические клетки.

Я внесла изменения в определение вируса, расширив его по сравнению с определением из классических учебников по вирусологии, в соответствии с которым вирусы относятся к паразитам и нуждаются в клетках. Вместо этого я отнесла к «вирусам», или хотя бы к вирусоподобным организмам, вироиды, поли-ДНК-вирусы, плазмидные ДНК и даже прионы как «вирусы» или по крайней мере вирусоподобные структуры. Предположу, что в этом случае получается, что вирусы охватывают все, начиная с только РНК-содержащих и через РНК к ДНК до ДНК-содержащих при наличии или отсутствии белков, или только белка. Так что же такое вирус? Это объект, способный к репликации, развитию и взаимодействию. Его информация чаще всего «генетическая», но значение имеет даже структурная информация, поэтому я не включаю в определение понятие «генетический». В настоящее время вирусы чаще всего являются паразитами, но изначально они таковыми не были. Мне это представляется логичным и простым, но не все с этим согласны, а мне не хотелось бы быть категоричной. Такой сценарий отражает последовательность событий, имевших место в процессе эволюции. В итоге вирусы, бактерии, археи и симбиотические комбинации привели к образованию сложных клеток млекопитающих, и, как это ни удивительно, оказалось, что все множество наших геномов произошло из древнего мира вирусов.

В другой концепции излагается иное развития событий: сначала появились клетки, а потом вирусы. Вирусы возникли из клеток, крупные структуры стали мелкими, развиваясь «по нисходящей». Эту концепцию ученые принимают чаще всего, и согласно ей вирусы являются «сателлитами», возникающими вследствие «разрушения клетки», и называется она «теорией побега». Являясь частью клеток, вирусы расщепляют и «крадут» клеточные гены. Часть ДНК с несколькими генами оказалась «завернутой» в белок или клеточные мембраны в качестве защиты и превратилась в вирус. Некоторые современные вирусы, особенно крупные ДНК-содержащие вирусы млекопитающих, например герпесвирусы, похоже, подтверждают эту теорию. Опухолевые вирусы также «вербуют» свои онкогены из клетки (кроме того, они возвращают их, поэтому генетическая информация перемещается туда-обратно). В «гипотезе сокращения» описано это явление, вследствие которого вирусы возникают из свободных живых клеток.

Одна из проблем заключается в том, что генов недостаточно: пространство последовательности клеток невелико, а пространство вирусов огромно. Объем информации, которой «владеют» вирусы, больше объема информации, получаемой ими от клеток. Слишком много вирусных генов не имеют клеточных аналогов. Вирусы вариабельны и могут увеличивать сложность своих последовательностей при подверженной погрешностям репликации. И все же это не объясняет астрономическое число генов. Природа хранит гораздо больше информации, чем в состоянии нести все существующие вирусы и тем более клетки.

Возникает важный вопрос: откуда взялась первая клетка? Первая и простейшая «мини-клетка», полученная Крейгом Вентером, чрезвычайно сложна, в ней содержится несколько сот генов и более 200 000 нуклеотидов. Какая огромная! Откуда появилась вся эта информация? Защитники гипотезы «сначала появилась клетка» не смогли это объяснить. А вирусы могут.

Фримен Дайсон в своей книге «Источники жизни» высказал гипотезу о двух источниках жизни на Земле, скомбинировав метаболизм и генетическую информацию, механизмы и программы, а также программное обеспечение, что ближе ко второму сценарию. Увеличение объема информации, закодированной в генах, он объясняет дополнительной «беспорядочностью», что обозначается немецким словом Schlamperei. Он говорит по-немецки, предпочитая слова из детской лексики, поскольку его жена из Берлина, у него пять дочерей и сын и ему пришлось научиться жить в состоянии беспорядка. Он имеет в виду вот что: в природе нет точности. То, что «почти хорошо», может становиться все лучше и лучше. Природа пробует разные способы. Это расширяет генетическое разнообразие.

Макс Дельбрюк также использовал понятие «небрежность»: основой для инновации являются ошибки, неточности, метод проб и ошибок. Время от времени мы называем свою небрежность «креативным хаосом». Манфред Эйген называл это «квазивидами», в которых представлены многие виды одновременно – и те, что подходят, и те, что не подходят. Возможно, приемлемым оказалось бы понятие «облако». Прогресс является следствием ошибок. Даже Чарлз Дарвин отмечал важность ошибок.

А теперь я сформулирую свое кредо: подверженная ошибкам обратная транскриптаза – один из наиболее эффективных «изобретательских» методов. Это проявление «небрежности»! Данный механизм работает «с ошибками». Показатель мутаций составляет 10 на 10 000 нуклеотидов из расчета на один цикл репликации, поскольку при недостаточной точности обратной транскриптазы это приводит к появлению новой информации извне – как из газет. Это огромный объем информации, который отмечается практически во всех биологических системах, включая бактерии, археи и дрожжи (нет – или уже нет (?) – в некоторых ДНК-содержащих вирусах или фагах). И все это происходит в планктоне. Результаты экспериментов с образцами, собранными Tara Oceans, свидетельствуют о следующем: 13,5% белков планктона представлено ОТ по сравнению с 5% в геномах человека, но и в них ОТ является самым распространенным белком. Почему же этого специфического фермента так много в одноклеточных эукариотах, обитающих в океане? Обилие обратной транскриптазы объясняется большим количеством ретротранспозонов. Неужели для появления инноваций и выживания необходимо наличие в океане такого большого количества ретротранспозонов? Действительно ли критерием выбора являются столь существенные изменения окружающей среды?

В соответствии с третьим сценарием вирусы отвечают за горизонтальный перенос генов (ГПГ). Затем гены и вирусы перемещаются горизонтально и используются для переноса генов. Нам известно о существовании горизонтального переноса генов в обоих направлениях – от вирусов к клеткам и от клеток к вирусам. Это вполне соответствовало бы большому количеству параллельных линий. Такого не могло быть на первых этапах существования жизни на Земле, но могло появиться позже.

Строго говоря, теоретически возможен еще один вариант развития событий: вирусы и клетки формируются по большому количеству вертикальных линий, которые развиваются параллельно. В этом случае могло быть много источников. Патрик Фортер из Парижа предположил наличие трех источников; рибосомы-содержащие клетки он назвал рибовироклетками, которые продуцируют белки и вирусы. Вирусы стали «изобретателями» ДНК в трех доменах жизни независимо друг от друга. А как возникли РНК-содержащие клетки?

Существовал ли «первичный», «примордиальный» или «протовирус» – единственный вирус-предок, от которого произошли все остальные вирусы, нечто похожее на «первичное растение» Иоганна Вольфганга Гёте? Такой вопрос поднимался часто. Это могла быть самая примитивная РНК в форме вироида, но у вироидов нет специфической последовательности, а РНК, состоящая из 50 нуклеотидов, обеспечивает 450 (или 1030) возможностей, то есть сумму всех возможных последовательностей как квазивидов. Это не был настоящий первичный вирус. Пространство последовательностей, сумма всех возможных последовательностей, названное «генным пулом», до сих пор не используется всеми биологическими системами на нашей планете. Мы только недавно узнали, что РНК можно без труда получить в пробирке, о чем свидетельствует опыт, проведенный Сазерлендом. Но это не РНК-содержащий пре-протовирус, имеющий всего одну последовательность.

В 2009 г. в статье «Десять доводов в пользу исключения вирусов из древа жизни», опубликованной в Nature Reviews Microbiology, была сформулирована крайняя точка зрения. Эта статья с вызывающим названием спровоцировала выход десяти статей в ответ. И никто из десяти ученых не согласился с точкой зрения автора оригинальной статьи.

И тут вступаю я со своим личным заключительным апофеозом вирусов. Все органисты знают, что у Иоганна Себастьяна Баха после прелюдии следует фуга, которая заканчивается слиянием всех голосов и полным звучанием максимального числа труб – tutti. И вот я со своим tutti – резюме – применительно к вирусам.

Вирусы с самого начала существовали повсюду как первые способные к репликации биомолекулы, такие как вироиды. Они перепробовали все, что можно, и эволюционировали по линии комбинаторной репликации и «взаимодействия компонентов», создав многообразие в форме квазивидов. Мы можем выстроить в одну линию все имеющиеся в настоящее время вирусы и определить большинство этапов их развития. Это удивляет больше всего, поскольку практически все промежуточные виды и формы жизни вымерли. Геномы вирусов содержат в себе больше информации, чем все клетки, вместе взятые; кроме того, структура геномов вирусов более сложная, чем у всех других видов организмов, и может содержать все – РНК и/или ДНК, одноцепочечные, двухцепочечные или и те и другие, линейные, кольцевые, сегментированные, структурированные, кодирующие и некодирующие. По сравнению с таким разнообразием геномных структур наша двухцепочечная ДНК имеет на удивление простую конфигурацию. ДНК обеспечивает стабильную консервацию наиболее эффективных продуктов, увековеченных вирусами, которые являются самыми изобретательными экспериментаторами. ДНК не является стабильным «конечным продуктом», поскольку наличие транспозируемых вирусоподобных элементов гарантирует бесконечную эволюцию. Кроме того, существует многочисленные модели репликации и регуляции вирусов. Сначала в вирусах, а позднее в клетках было обнаружено большое число механизмов – сплайсинг, обратная транскриптаза, «ножницы», сдвиг рамки считывания и т.д. Вироиды выполняют в клетках человека такое число функций, как сотни белков, например осуществляют репликацию, расщепление, присоединение, эволюционное развитие, защиту. Размер вирусных геномов варьируется в пределах пяти порядков (примерно от 10 до 2,5 млн нуклеотидов), и при этом размер частиц колеблется в следующих пределах: от частиц размером с молекулу, если речь идет о безоболочечных частях РНК, до гигантских вирусов размером с бактерию, а число генов колеблется от нуля до 2500. Ноль генов у вироидов, которые «еще» не способны кодировать белки и могут осуществлять большое количество функций без генетического кода, на основании чего можно предположить, что они существовали до появления генетического кода. Они были необходимы для образования белков и кода. Другая крайность – Pandovirus dulcis, у которого генов в пять раз больше, чем у многих бактерий. Упоминалось о нескольких странных химерных вирусах: некоторые из них имеют форму странных реликтов или переходных форм и являются свидетельством промежуточных стадий или стадий развития. К ним относятся очень редкие ретрофаги или ретровироиды, а также странные белки с «забытыми» РНК-хвостами. Вирусы являются двигателем эволюции, дизайнером нашего генома и формируют наш организм.

Вирусы и клетки учатся друг у друга, обмениваются генами, рекомбинируют их в обоих направлениях, то есть мы имеем дело с коэволюцией. В последние годы у нас неоднократно вызывали удивление результаты наблюдений, согласно которым различные экосистемы – от тех, что обитают в кишечнике человека, до состава микробиома океана – мирно сосуществуют. Я слушала доклад Эрика Карсенти об океанической экспедиции. Его удивило мирное сосуществование компонентов, составляющих микробиом Мирового океана. Меня же удивило, что 73% микробиома Мирового океана и кишечника человека, состоящего из вирусов и фагов, родственны с функциональной точки зрения и что самый распространенный белок – обратная транскриптаза.

Подверженная ошибкам обратная транскриптаза ретровирусов или ретроэлементов является самым щедрым поставщиком новой информации. Полученные свидетельства подтверждают, что ретроэлементы являются предшественниками ретровирусов. Ретроэлементы могут заполнять 75% генома кукурузы и 50% генома риса. Приобретя оболочку, они становятся подвижными и могут покинуть клетку. Обратная транскриптаза и РНКаза Н – самые распространенные белки в мире, и их структуры в ретровирусах, дрожжах, бактериях, планктоне, растениях или организме млекопитающих и человека практически ничем не отличаются.

Лично для меня удивительно, что я стала свидетелем открытия обратной транскриптазы и что до сих пор, по прошествии более 45 лет, это открытие сохраняет свою важность, что мои исследования расщепляющего фермента РНКазы привели меня к ретровирусам и позволили проследить весь эволюционный путь, а также иммунологические защитные системы. Вирусы создали противовирусную защиту. Интегрированные ретровирусы, ДНК-содержащие провирусы как клеточные гены легкодоступны для противовирусной защиты.

И те и другие используют один и тот же инструментарий. Вирусные компоненты создают противовирусные эффекты, такие как РНК-интерференция, сайленсинг, интерферон и иммуноглобулины, у которых очень схожие механизмы расщепления по принципу действия РНКазы. Ретроэлементы являются двигателем эволюции. Вероятно, даже ядра эукариотов произошли от вирусов. Возможно, они сформировали эукариоты. И наконец, скорость репликации вируса в миллионы раз быстрее, чем при прочих способах. Вирусов огромное количество, и они очень успешны.

Итак, относятся ли вирусы к живым организмам? Почти. Скорее да, чем нет. Не существует четкой границы между живыми и неживыми микроорганизмами. И на этом моя сольная партия на оргáне заканчивается.

«Скороходы» и «тихоходы»

Распределение вирусов различных видов носит довольно странный характер: РНК- и ДНК-содержащие вирусы распределяются неравномерно. У растений преобладают РНК-содержащие вирусы (главным образом одноцепочечные РНК), а почти все обитатели бактериального мира фагов имеют двухцепочечную ДНК, аналогичную ДНК гигантских вирусов у водорослей или ДНК-содержащим вирусам архей. Но нужно признать наличие некоторых исключений из этих «правил».

В организме человека обитает много разных видов вирусов. Почему у растений РНК-содержащие вирусы, а у фагов ДНК-содержащие вирусы? Как возникают предпочтения у хозяина и у вируса? Мне никто не может этого объяснить, а в учебниках по вирусологии данный вопрос даже не рассматривается. Есть красочный постер, подготовленный Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), показывающий таксономию вирусов. На нем изображен эллипс с сегментами для хозяев и их вирусов. Такие постеры висят на дверях почти во всех вирусологических институтах всего мира и служат хорошим украшением. Я позвонила производителю, чтобы узнать, чем они руководствовались, разрабатывая этот постер. «Вкус и пространство», – был ответ; вкус художника, чувство красоты, эстетические соображения и никакого научного обоснования.

Возможно, вот оно, объяснение: если сначала на нашей планете появилась РНК, а потом ДНК, то ДНК-содержащих вирусов должно быть больше, чем РНК-содержащих. Возможно, ДНК-содержащие вирусы изначально были РНК-содержащими, а затем стали ДНК-содержащими, покинув мир РНК-содержащих микроорганизмов. РНК-содержащие вирусы – «тихоходы», а ДНК-содержащие – «скороходы». Подтверждается ли это? Возможно, да: об этом говорит скорость репликации, время удвоения у ДНК-содержащих вирусов и их хозяев. У бактерий и их ДНК-содержащих фагов время репликации составляет от 20 минут до нескольких часов в зависимости от нутриентов и условий роста. У растений же, наоборот, время удвоения может составлять до 3500 лет (как у секвойи, растущей на территории США) или еще дольше (например, у гинкго билоба и норвежской ели, возраст которой достигает 9500 лет). Вирусы растений представлены главным образом РНК-содержащими вирусами. Они сохраняются в деревьях, медленно реплицируются, не покидая хозяина. Время удвоения у хозяина, число поколений бактерий по сравнению с растениями может быть в несколько миллионов раз выше. Рост бактерий и их вирусов имеет цифровое выражение: на нашей планете 1030 бактерий и 1033 фагов, и у большинства из них ДНК-геномы. В биологическом мире нет более успешных организмов, чем ДНК-содержащие вирусы и их бактерии, которые обитают в почве, океане, нашем кишечнике, экосистемах организма человека и всех экосистемах в принципе. Они есть даже в наших генах! Гигантские вирусы, инфицирующие морские водоросли, также подходят для этой модели, основанной на циклах репликации. Водоросли относятся к растениям, поэтому следовало бы, чтобы они были представлены главным образом РНК-вирусами, но многие водоросли представляют собой одноклеточные быстрорастущие организмы, достигающие большой численности. Поэтому ожидается, что победителями в конце концов окажутся все ДНК-содержащие вирусы в силу скорости их размножения. Одноклеточный планктон (нанопланктон) способен к быстрому делению и, соответственно, является пристанищем для вирусов, содержащих двухцепочечную ДНК. Таким образом, общей чертой, объясняющей доминирование РНК- и ДНК-содержащих вирусов в различных видах живых организмов, похоже, является скорость репликации и число делений. РНК была первой, и чем больше поколений проходит, тем выше ее шанс стать ДНК – прогресс в эволюции!

Мы, млекопитающие, находимся где-то между этими двумя крайними позициями. У нас есть как РНК-, так и ДНК-содержащие вирусы. Это моя гипотеза.

Есть еще одно предположение, объясняющее, почему в растениях развивались не ДНК-содержащие, а главным образом РНК-содержащие вирусы. Они не могут легко перемещаться из клетки в клетку, поскольку ДНК слишком велика и имеет жесткую структуру. Имеющаяся у растений система доставки не позволила бы осуществить такой перенос (через небольшие соединения, плазмодесмы). Такую гипотезу сформулировал Евгений Кунин – я не проверяла. Однако, может быть, имела место некоторая адаптация и вирусы стали мельче или сосуды расширились? Тогда эта адаптация сработала.

Можно найти дополнительные свидетельства в пользу того, что не только вирусы растений, но и сами растения, похоже, развиваются медленно. У них до сих пор активны ДНК-транспозоны, перемещающиеся по способу «вырезать и вставить», которые существуют главным образом в растениях и уже не отмечаются в более высокоорганизованных организмах. У растений, в частности у кукурузы и риса, 85–90% генов представлено активными «прыгающими» генами. Это также применимо к тюльпанам. Однако они составляют некоторое исключение в силу активной селекции, в результате чего сформировались их чрезвычайно крупные геномы, которые в 10 раз больше генома человека. Как это ни странно, размер генома не коррелируется с его сложностью. Тем не менее растения не отличаются особенно эффективной или быстрой адаптацией к новым условиям окружающей среды, помогающей соответствовать образу существования. Растениям для получения новой информации не нужно перемещаться, и, кроме того, их вирусы не очень активны. В большинстве случаев они не могут образовывать частицы и не отличаются высокой мобильностью. Чаще всего это постоянные устойчивые вирусы, не отличающиеся активной репликацией. Активировать «спрятавшиеся» вирусы способен не только стресс. Поэтому ДНК-транспозоны, формирующие два разрыва ДНК, могут оказаться предпочтительными для формирования новой информации. Ретротранспозоны приводят только к одному разрыву ДНК и преобладают в нашем геноме, но и в растениях присутствуют в большом количестве. Однако такое количество ретро- и ДНК-транспозонов не вполне понятно и всегда характеризуется широким спектром значений и вариабельностью.

Когда ДНК-транспозоны или ретротранспозоны приобрели способность к «прыжкам»?

У человека «прыжки» ДНК-транспозонов прекратились около 35 млн лет назад. Наш геном только на 3% произошел от ДНК-транспозонов, и было это давно. У нас есть активные ретротранспозоны, и некоторые из них до сих пор сохраняют активность, что наблюдается преимущественно на этапе эмбриогенеза человека и может привести к развитию рака или рождению гения. У 20 из 200 человек в течение жизни в зародышевых или эмбриональных клетках наблюдается одна ретротранспозиция. Чаще это происходит при раке или в клетках головного мозга.

В соответствии с представленной концепцией ДНК-содержащие вирусы, находящиеся в бактериях или водорослях, в ходе эволюции проявили себя как «скороходы», а РНК-содержащие вирусы – как «тихоходы». Вирусы человека находятся где-то между ними. При этом среднее время удвоения у человека составляет примерно 30 лет, что является средним показателем между двумя крайностями – бактериальными и вирусами растений. С начала летоисчисления от Рождества Христова сменилось приблизительно 60 поколений людей. Один цикл размножения у человека соответствует примерно 1 млн дупликаций бактерий. По сравнению со «средним» вирусом человека, находящимся в диапазоне от РНК-содержащего вироидоподобного вируса гепатита дельта до крупных двухцепочечных ДНК-содержащих вирусов, таких как вирус оспы, фаги прогрессировали, попали в мир ДНК и, вероятно, покинули его. Принимая во внимание, что большое число молекул РНК играет важную роль в метаболизме и репликации в организме человека, мы находимся где-то между РНК- и ДНК-мирами. Просто удивительно, насколько важную роль РНК до сих пор играет в элементарных процессах, происходящих в ДНК-мире, выступая, в частности, в качестве стартеров ДНК-репликации, в качестве сайта для синтеза белка или для безопасного резервного копирования применительно к генной регуляции. И все же по мере увеличения числа ДНК и белков скорость развития человека увеличилась. Сплайсинг РНК может осуществляться автономно – исключительно за счет нкРНК, но у человека для этого требуется 100 белков. Однако сплайсосомы человека быстрее и могут выполнять большое количество более разнообразных функций специальных функций, например в период эмбрионального развития или в процессе генной регуляции.

Регуляторные РНК состоят из рибозимов/вироидов/ кольцевой РНК /piwiРНК, которые родственны с функциональной и структурной точки зрения, и их свойства в наших клетках остались неизменными с начала существования мира РНК и по сегодняшний день, что действительно удивляет. Они обладают очень устойчивой структурой. Возможно, первичный бульон на первых этапах формирования жизни на Земле был самой опасной средой, и поэтому появился такой тип молекул – это всегда самый подходящий вариант!

Лауреат Нобелевской премии Сидни Альтман, который совместно с Томом Чехом открыл каталитическую РНК (рибозим), опровергает гипотезу о доминировании белков в современном мире и подчеркивает важность РНК. Он характеризует наш мир как мир «РНК и белка», который определяется с помощью ДНК в меньшей степени, чем с помощью РНК и белка. ДНК является носителем наследственной информации и ее хранилищем, но не следует забывать о способности ДНК «прыгать», что обусловливает развитие инноваций, и это обстоятельство стоит иметь в виду.

Монстры в пробирке

Вызывает удивление два диаметрально противоположных процесса развития: у бактерий и фагов жизненное кредо сводится к следующему: «быть мелкими, многочисленными, быстрыми и простыми», а у млекопитающих и человека – «быть крупными, немногочисленными, медленными и сложными». Почему возникли такие различия – некоторые организмы остаются маленькими, а другие становятся крупными? Достигли ли микроорганизмы, фаги, вирусы и бактерии оптимального уровня развития и оказались ли настолько успешными, что усложнения их структуры не произошло? Как и почему появились мы, люди, столь сложноорганизованные существа? Почему мы не остались такими же мелкими, как бактерии и фаги? По этому поводу могу высказать одну гипотезу. В процессе эволюции действует две силы: с одной стороны, налицо тенденция к усложнению, а с другой – к упрощению. Какие факторы определяют превалирование той или иной тенденции? Я занималась изучением этого вопроса и пришла к заключению, что определяющим фактором является окружающая среда.

В поддержку этого утверждения даже проводились эксперименты: если дать возможность РНК и реплицирующимся ферментам фага Qbeta размножаться в пробирке, то последующие события зависят от условий роста. При самых благоприятных условиях фаги станут меньше, избавятся от некоторого числа генов и будут все быстрее и быстрее реплицироваться. Каким образом? Они бессистемно объединяют неправильные нуклеотиды, извлекая их из довольно большого пула, и аккумулируют ошибки. Некоторые гены погибают из-за частоты и количества ошибок. Манфред Эйген назвал это «катастрофа ошибок». Qbeta «минимизируется». Число генов, безусловно, не редуцируется до нуля, но сводится к минимуму, самому незначительному необходимому для репликации числу. То, что растет все быстрее и быстрее, становясь при этом все меньше и меньше, – так называемый «монстр Шпигельмана». Через несколько сот циклов репликации размер генома «монстра» сократился приблизительно с 4500 нуклеотидов приблизительно до 200. «Монстр» превратился в карлика! Самое же невероятное заключается в том, что в ходе этого процесса РНК превратилась в некодирующую РНК. У нее нет рибосом для считывания кода, в силу чего триплеты утратили способность к кодированию. Буквально через несколько дней процесс приобрел обратную направленность – к началу. При наличии некодирующей РНК процесс начался сначала. Это удивительно. Репликацию и эволюцию фага Qbeta впервые осуществил 50 лет назад Сол Шпигельман в Нью-Йорке. Манфред Эйген из Гёттингена продолжил этот эксперимент и упростил его, убрав РНК и репликазу – фермент, вызывающий репликацию, и добавив в пробирку лишь нуклеотиды. Спустя некоторое время РНК, сформировавшиеся сами собой, реплицировались и эволюционировали, а нуклеотиды оказались сгруппированными и сформировали цепочку РНК. Из хаоса возникла первая РНК-молекула. «Монстр Шпигельмана» возник сам собой. Это два оригинальных и показательных эксперимента. Увеличение и уменьшение сложности.

В этих экспериментах условия среды играют решающую роль. Уменьшение числа генов возможно только при наличии райских условий для роста. По мере усиления роста число «выброшенных» генов увеличивается. «Маленький и быстрый». Если экстраполировать эту концепцию на другую крайность – «сложный и медленный», то можно прийти к заключению, что самая сложноорганизованная система – это человек, который и представляет другую крайность. Согласно Библии, «человек был изгнан из рая». Реакцией организма человека на сложные условия развития и среду обитания стало его усложнение. «Большой и медленный». Голод вынуждает отдельно взятую особь проявлять изобретательность, приобретать новые гены, специализироваться и обеспечивать выживание: «Необходимость – мать изобретательности». Известно, что археи характеризуются высокой выживаемостью и изобретательностью и хорошо приспосабливаются к новым условиям окружающей среды. И все же им приходится разрабатывать новые пути, на что нужно время. Поэтому они маленькие и медленные!

А сейчас я возьму на себя смелость и расскажу забавную историю. Более 40 лет назад на конференции в Колд-Спринг-Харбор Шпигельман, который, к сожалению, умер довольно рано, проводил эффектные презентации. Шпигельмана представил его цюрихский друг и председатель заседания Чарльз Вайссман. Шпигельман и Вайссман – оба являлись специалистами по фагу Qbeta. Вайссман начал представление с одной из своих знаменитых шуток: один варшавский раввин, представляя своего коллегу – раввина из города Лодзь, восхвалял его мудрость, образованность, щедрость, а гость, взяв его за рукав, прошептал на ухо: «Не забудьте сказать о скромности». Так Вайссман намекнул своему другу Шпигельману, что неплохо бы быть скромнее, а Шпигельман, будучи человеком находчивым, сразу же ответил: «И вы тоже». Целыми вечерами они соревновались в остроумии, а я наблюдала это, будучи молодой студенткой, и меня удивляло, что эти ученые соперничали друг с другом даже на встречах! Вайссман был уверен, что выиграет – так оно и вышло. Он не забыл этот случай, и по прошествии 50 лет вспомнил шутку с раввином в одном из своих электронных писем мне!

«Скромность» Шпигельмана проявилась в статье, опубликованной им в журнале PNAS, где он попытался доказать, что ретровирусы способны быть переносчиками рака при грудном вскармливании; но он немного «схитрил», приведя графики с делениями «10 импульсов в минуту» вместо общепринятого обозначения «имп/мин» (один импульс в минуту) в надежде, что никто этого не заметит. Таким образом, результаты оказались в 10 раз больше, чем на самом деле. Так или иначе, полученные им результаты были недостоверными. И на этом я закончу рассказ об этих двух выдающихся и креативных ученых.

Сейчас, когда я пишу о снижении сложности систем в условиях изобилия, мне на ум приходят последние по времени данные о нашем кишечном микробиоме со схожими наблюдениями, полученными по ожирению. Богатый рацион приводит к развитию точно такого же явления – снижению сложности микроорганизмов и числа генов. И наоборот, недостаток пищи, ограничивающая диета обусловливает сложность микроорганизмов. В настоящее время такая сложность, а именно число генов, считается практически показателем здоровья микробиомов. У жителей изолированного африканского племени было отмечено неожиданно выраженное разнообразие микроорганизмов, и у них же наблюдалась нехватка пищи и необходимость в очень разнообразном питании. Каким образом? Потеря сложности регулируется вирусами! Это является следствием интеграции на фоне ожирения, когда происходит потеря репрессоров и лизис клеток. И что же, в океане корреляция плотности локальной популяции вирома с выраженным разнообразием, возможно, является следствием недостатка пищи?

Давайте вернемся к вопросу о скорости репликации: человеческая популяция, похоже, довольно успешно реплицируется, и по состоянию на 2016 г. нас уже было примерно 7,4 млрд. Однако это очень незначительная цифра по сравнению с астрономическим числом вирусов и бактерий. Микроорганизмы одержат победу в гонке за выживание, и, когда человечество исчезнет, они по-прежнему будут существовать. В биологическом мире нет организмов более эффективных, чем вирусы и бактерии, – это история успеха вирусов.

Снижение или увеличение числа генов часто достигается за счет симбиоза. Гигантские вирусы, выращиваемые в реакционных сосудах, демонстрируют удивительно быстрое снижение численности генов, и возможно, это интересная системная модель снижения количества генов в насыщенной питательной среде. Упрощение часто приводит к специализации и достижению максимальной эффективности. Понятный и показательный пример этого – наши митохондрии, которые специализируются на производстве энергии для клеток, являясь своего рода электростанцией, после того как делегируют 90% своих генов клеточным ядрам. Или стоит упомянуть гениальных людей, которые чрезвычайно ярко заявляют о себе в той или иной сфере деятельности, но при этом совершенно не приспособлены к обычной жизни.

До какого размера мы можем дорасти? Что является противоположной крайностью для самой мелкой живой клетки? Самая крупная клетка или организм? Что касается факторов, ограничивающих размер организмов, на этот счет высказываются только предположения. Амебы являются одними из крупнейших клеток. Выделяются следующие ограничивающие факторы: расстояние, которое необходимо преодолеть сигнал-трансдуцирующим молекулам, стабильность костей и их поддерживающие свойства, строение, геометрия, форма против функции и естественные враги. Галилео Галилей в своей знаменитой книге «Диалоги», написанной в 1638 г. под домашним арестом, размышляет о том, что ограничивает форму и размер организмов, и приходит к выводу – «сила тяжести». Более крупным животным нужно иметь сравнительно более толстые кости. Если бы сила тяжести была меньше, деревья были бы гораздо выше. Были бы на Марсе, где сила тяжести в три раза меньше, чем на Земле, деревья выше, а животные крупнее? Увеличение массы регулируется законом куба, а высота – законом квадрата. Поэтому под действием силы тяжести у более крупных животных неизбежно подломились бы ноги, и они не смогли бы передвигаться. Делались ли такие расчеты для массы тела человека? Почему в процессе эволюции не сформировались более прочные кости? Были ли кости динозавров более прочными? Это серьезный вопрос, но лишь один из немногих.

Формирование полостей и отделов организма – важный элемент роста, который может помочь преодолеть некоторые из вышеупомянутых ограничений. В процессе эволюции на смену размеру пришло многоклеточное строение. В моем новом большом чемодане много разных отделов и кармашков; кроме того, я использую сумки для организованного хранения вещей. Являются ли амебы самыми крупными сформированными клетками? Похоже, да, но в то же время, насколько нам известно, они – носители самых больших вирусов. Очевидно ли это? И эти гигантские вирусы в свою очередь являются хозяевами для более мелких вирусов. Что собой представляют самые мелкие и самые крупные живые существа – бактерии, нанопланктон и динозавры? Когда на Сицилии вследствие повышения уровня Средиземного моря сократились пищевые ресурсы, слоны стали мельче. Возможен ли обратный процесс? Если пищи больше, животные становятся крупнее, о чем свидетельствуют останки самого крупного из когда-либо обнаруженных динозавров. Он выставлен в Берлине и по размеру равен 14 крупным слонам! Теоретически динозавры могли стать столь крупными по причине потребления большого объема пищи. Кроме того, возможно, их размер определялся генетическими факторами. У них была не очень тяжелая голова, что позволяло им достигать большого роста. Это не только мое предположение, это подтверждается серьезной теорией. Разве это так? Жирафы ведь тоже высокие!

Могут ли размеры оказаться неограниченными при наличии достаточного количества пищи? За последние несколько десятилетий рост человека увеличился на 10 см. Что определяет размеры человека? Полученные в Цюрихском университете данные позволяют предположить, что наш рост в высоту замедлился и началось формирование избыточного веса – именно об этом свидетельствуют результаты исследований с участием добровольцев. Согласно одной из теорий, отсутствие «прыгающих» генов ограничивает рост. А это означает отсутствие инноваций и медленную адаптацию к условиям окружающей среды. В целях оптимизации происходит противодействие двух сил: слишком большая точность не создает условия для инноваций, вместе с тем «небрежность» или слишком много ошибок приводят к нарушению функций. Существует две крайности, а между ними «золотая середина»: слишком много ошибок делают репродукцию очень неточной и имеют фатальные последствия, а избыточная точность приводит к слишком выраженному отсутствию гибкости, что не создает условий для инноваций и приводит к гибели организма в силу его неспособности к адаптации. Активность транспозонов с «прыгающими» генами определяется эпигенетическими и средовыми факторами и даже питанием. В таких ограничивающих условиях мы можем активировать транспозоны и разработать стратегию выживания. Это благоприятный и многообещающий прогноз, который должен избавить людей от опасений за будущее. Другие факторы, ограничивающие рост популяции, гораздо более предсказуемы: максимально возможный возраст человека – 120 лет, а максимальная численность человечества – 12 млрд человек. Откуда это известно?

Эра динозавров закончилась после падения Юкатанского метеорита, это еще один тип катастрофы. Выжили только мелкие животные. Ага, значит, быть крупным рискованно. А мы крупные живые существа!

Пока нам везет – но что можно сказать о конце света?

Кто занимается прогнозированием будущего? Церковь? Может быть, политики? Безусловно, этим занимается НАСА – Национальное управление США по аэронавтике и исследованию космического пространства. Еще в 1982 г. НАСА выступило в качестве инициатора и организатора конгресса, посвященного проблемам, связанным с опасностями для Земли, которые исходят от других планет и астероидов, а также способам защиты от этих угроз. Практически никто не обратил внимания на этот конгресс и не воспринял его всерьез. Согласно имеющимся расчетам, вокруг Земли есть 0,5 млн астероидов, 8000 из которых находятся в опасной близости от Земли, а 70 метеоритов угрожают нам ежемесячно – это околоземные объекты (NEOs). Диаметр большинства астероидов составляет всего 10–100 м. В 1908 г. в Сибири метеорит диаметром 40 м взорвался прямо над землей, и под действием взрывной волны возникли разрушения на площади диаметром 40 км, в том числе повалено 80 млн деревьев. В 1913 г. в результате падения метеорита в Тимбукту пострадало около 120 человек. 15 февраля 2013 г. на территории России упал астероид. Его диаметр составил 18 м. Он взорвался на высоте 20 км над поверхностью Земли и летел со скоростью 70 000 км/ч. В результате взрыва было выбито всего несколько окон. Недавно астронавты обнаружили в Южной Африке кратер диаметром 30 км, который до этого никто не замечал. У НАСА вызывает беспокойство предполагаемая планета, приближающаяся к Земле, поскольку мы узнаем о ее приближении незадолго до этого события – всего за десять лет до столкновения. И нам придется спешно решать, как спасти нашу планету.

Что касается будущего, существует несколько сценариев. Мы могли бы попробовать «отбуксировать» Землю в другое место, чтобы устранить угрозы со стороны других планет. Имея 1015 тонн взрывчатых веществ, Земля могла бы перемещаться как космический корабль; можно было бы сдвинуть орбиту Земли на 500 000 км, и тогда метеорит «промахнется». Возможно, у нас для этого уже достаточно атомных бомб. Швейцарский астрофизик Фриц Цвикки более 50 лет назад высказал идею о смещении всей нашей Солнечной системы при помощи бомб. Фримен Дайсон разработал план создания космического корабля Orion, огромного, как океанический лайнер, на борту которого могут находиться несколько сот человек. Насколько серьезно можно относиться к заявлениям таких гениальных людей? В конце концов, Дайсон делал расчеты по квантовой электродинамике (КЭД), что помогло другим ученым получить Нобелевскую премию. В свое время президент Обама хотел построить Orion, хотя Дайсон утверждает, что проектировал другой корабль. А Цвикки открыл сотни неизвестных суперновых звезд, и, согласно его расчетам, наблюдался дефицит материи, и этой материи, темной материи, до сих пор не хватает. Астрофизик из Цюриха Бен Мур заявляет, что человечеству нужно переселиться на другую планету. Я не верю ни одному его слову, но, возможно, он уже готовится к такому «переселению», организуя Парад любви в Цюрихе.

Бывший астронавт Эд Лу создал фонд под названием «В16» (отсылка к «Маленькому принцу» Антуана де Сент-Экзюпери) как систему раннего обнаружения астероидов. Астероид Astrophys, имеющий в диаметре 270 м, столкнется с Землей в 2020 г. Недавно метеорит диаметром 15 км едва не задел Землю – последствия его падения могли бы быть гораздо более серьезными, чем последствия падения 10-километрового юкатанского метеорита 65 млн лет назад, когда погибло не менее 75% всех живых существ. Вымерли не все, поскольку мелкие животные выжили, и в конечном итоге от них-то мы и произошли. Известно пять массовых вымираний, так называемая «Большая пятерка». Процесс вымирания начался примерно 540 млн лет назад и был обусловлен суперизвержением вулканов. Самое недавнее из них произошло 71 000 лет назад – извержение супервулкана Тоба в Индонезии. Согласно некоторым теориям, численность населения сократилась до минимума, а несколько тысяч выживших создали основу для формирования довольно однородной популяции индийцев. Люди не раз едва выживали.

В настоящее время осуществляется исследовательский проект, цель которого – выяснить, как жизнь на Земле могла исчезнуть. Одна из исследуемых моделей – озеро Грин-Лейк[20] (совершенно саркастическое название) недалеко от Нью-Йорка. В этом озере не осталось никаких проявлений жизни, в нем нет кислорода, вода в нем представляет собой токсичный зловонный бульон, и подходить к нему можно только в защитных костюмах. В силу отсутствия кислорода в озерах бывшей Восточной Германии погибла рыба и с устрашающим видом плавала в воде кверху белым брюхом. Однако, как это ни странно, на возрождение этих озер потребовалось всего пять лет. Оказалось, что для возрождения озер достаточно использовать крайне медленные аэраторы для смешения и аэрации воды. Аналогичным образом возродили цюрихское озеро. А океанические течения изучали с помощью одного из самых необычных экспериментов: в 1992 г. в Индийском океане взорвался контейнеровоз, в результате чего в воду высыпалось 26 000 желтых игрушечных пластиковых уточек китайского производства. Через семь месяцев они оказались на Гавайских островах в 3500 км от места крушения судна, в Арктике на дрейфующем льду и недалеко от Восточной Европы. Такой удивительный эксперимент невозможно было себе представить. Он оказался не только очень информативным, но и дешевым. Океанические течения имеют большое значение. Они являются предметом интенсивных исследований, результаты которых документируются и используются для прогнозирования изменения климата – что произойдет с климатом в Европе, если не будет Гольфстрима? Может быть, игрушки помогут проследить изменения, вызванные течением Эль-Ниньо или течением Гумбольдта? Подобный эксперимент недавно начался: 1500 черных шаров, обозначенных как «дрейфующие предметы» и снабженных многочисленными датчиками, в рамках «Глобальной программы дрейфующих буев» распределили по всем океанам.

Можно ли экстраполировать информацию из нашего прошлого и причины, приведшие к закату предшествующих цивилизаций, на современность, чтобы делать прогнозы на будущее? В истории планеты было примерно 20, а по оценкам некоторых специалистов, даже 50 ледниковых периодов, обусловленных физическими явлениями, прецессией перигелия или катастрофами, в частности падением метеоритов, происходящими в космосе процессами и извержением вулканов. У человечества мало шансов на выживание, поскольку человек не может быстро адаптироваться к изменяющимся средовым условиям. У архей, к сожалению, тоже медленно формируются новые способы выживания. Но некоторые формы жизни могут найти защиту в нишах, как это и случилось 65 млн лет назад, – и все началось с начала. Возможно ли повторное развитие форм жизни с самых ее первых этапов, как это произошло 3,9 млрд лет назад, или даже еще один Большой взрыв, вроде того, что имел место 14 млрд лет назад? Все сначала!

«Социальные» вирусы

Нижеприведенные высказывания могут сбить с толку: вирусы демонстрируют социальное поведение. Я не хочу использовать военную лексику. «Очеловечивание» поведения вирусов тоже представляется неправомерным. Природа не бывает ни хорошей, ни плохой. Просто она использует для обеспечения выживания и репликации механизмы приспособления, которые сопровождаются адаптацией или мутацией и эволюцией. Вирусы в этом смысле эксперты, реагируют быстро и непосредственно, поэтому понять их поведение не составляет никакого труда. Тем не менее у вирусов есть особые характеристики – их называют оппортунистами, экстремистами, минималистами и, что, с моей точки зрения, самое главное, они, судя по знаменитой книге Ричарда Докинза «Эгоистичный ген»[21], еще корыстны и эгоистичны. Вирусы мутуалистичны, при этом выгоду получают обе стороны и другие организмы. Мутуализм часто основывается на вкладе вируса в выживание организма-хозяина, что приводит к увеличению численности потомков вирусов. Чаще всего в исследованиях я использую тип вирусов-хелперов. Все вызывающие рак вирусы дефектны, и им нужны хелперы, чтобы получить оболочку и возможность перемещаться из клетки в клетку или от одного хозяина к другому. Как отмечалось выше, вирусы способны «выкармливать» потомство насекомых, способствовать выживанию своего хозяина путем устранения генетических дефектов, защищать некоторые виды растений от высыхания, то есть они действуют на пользу как другим, так и себе. Зачастую это является проявлением мутуализма или симбиоза. Вирусы даже способны восстанавливать дефектные гены погибшего организма-хозяина. Помимо этого, действуя в собственных интересах, они могут адаптироваться к условиям окружающей среды и имеют собственное потомство, как это обычно происходит в жизни. Типичное поведение вирусов можно описать, используя такие характеристики молекул, как комплементация, взаимодействие, интерференция, трансдоминирование и кооперативность наряду со способностью стать частью организма-хозяина. У вирусов есть два способа взаимодействия с хозяином – интеграция и лизис. Оба этих диаметрально противоположных способа связаны со «стрессом» – отсутствием пищи или недостаточностью пространства, что может индуцировать лизис хронически или устойчиво инфицированных клеток и положить конец интеграции вируса.

Они кооперируются и конкурируют – это базовые механизмы жизни. Два вируса лучше одного – например, вирус гепатита дельта и вирус гепатита В или вирус пестролепестности тюльпанов и вирус крапчатости лилий. «Лучше» значит, что они обусловливают смерть своего хозяина. Возможно, это случайность. В жизни все бывает. И все же до того, как вирусы уничтожат всех своих хозяев, они находят новых, при этом руководствуются соображениями статистического характера и никогда не уничтожают всех хозяев, поскольку они просто не смогут найти последнего хозяина, если таковых останется слишком мало. Они могут восстанавливаться. И что самое главное, ранее упоминалось несколько животных моделей, в которых вирусы становятся безвредными. Помните вирус иммунодефицита у обезьян, который больше не является смертельным для этих животных? Можно ли экстраполировать это на другие популяции или сообщества?

Возможно, следовало бы рассмотреть вопрос о взаимодействии между вирусом и организмом-хозяином. У фагов со своими бактериями или у вирусов с морскими водорослями, которые выступают в качестве хозяина, родственные жизненные циклы. У интервентов, вторгающихся в некоторые популяции, есть два возможных выхода: происходит либо интеграция, означающая устойчивое или хроническое сосуществование, либо лизис – разрушение клетки-хозяина и высвобождение потомства. Оба механизма, возможно, зависят от того, позволяет ли хозяин инфицирование, репликацию, интеграцию и лизис. Это также зависит от средовых факторов, а наличие хронической инфекции может обусловить литическую реакцию, индуцированную стрессом, в частности отсутствием пищи или недостаточным пространством. Можно ли это применить к человеческому сообществу?

«Социальное поведение» наблюдается у неживых существ, вплоть до молекул, которые могут связываться, отторгаться, стабилизировать или взаимодействовать. Если жизнь началась с РНК, тогда РНК должна обладать способностью передавать некоторую полезную информацию. Действительно, РНК при борьбе за одни и те же ресурсы может уничтожить другую РНК, распознав ее по парам оснований (пример действия рибозимов). Как известно, притяжение и отторжение объясняются взаимодействием между атомами и молекулами. Микробиомы индивидуумов, вероятно, являются фактором, способствующим социальному взаимодействию. Видимо, во время поцелуя происходит уравновешивание микробиомов двух партнеров – какое разочарование! От передачи информации до социального поведения большой скачок, но, возможно, и логическое следствие. Ранее уже говорилось о сходстве микро- и макромиров. Такие структуры, как «лист клевера», напоминают передачу тРНК или супрессор опухоли р53, у которого есть «руки» или «пальцы», что свидетельствует о мутации и дает клетке время на восстановление!

А что касается эффекта «камуфляжа» – экипировки, сливающейся с ландшафтом, то это обычный прием, использующийся военными, чтобы обмануть противника. Однажды меня спросили: «Демонстрируют ли вирусы такой тип поведения?» Да, скорее всего, демонстрируют. Это практически характерный признак вирусов – выдавать себя за то, чем они не являются. Это можно назвать жульничеством. Для проникновения в клетку вирус часто «маскируется» под обычный клеточный «доступ для входа» или компонент. ВИЧ связывается с рецептором CCR5, как будто вирус является его обычным лигандом. Для взаимодействия с клеткой-хозяином вирусы используют обычные клеточные механизмы и имитируют клеточные генные продукты. В основе практически всего взаимодействия вируса и клетки-хозяина лежит принцип камуфляжа.

РНК по гомологии последовательностей может распознавать родственные и чужеродные РНК. «Оккупированные» РНК клетки не допускают проникновения в них другой родственной РНК, о чем уже упоминалось, когда речь шла о рибозимах, вироидах и вирусах как противовирусной защите. Когда мы говорим о структурном сходстве макро- и микромиров или об эффекте камуфляжа, означает ли это наше желание понять, как устроен наномир? Видимо, они в принципе схожи и мы – родственники.

Фантастическая новая «генетика», обеспечиваемая половыми гормонами

Приближаясь к концу книги, я хотела бы дать читателю надежду и рассказать о некоторых удивительных, новых фантастических концепциях, отражающих состояние современных представлений и отсутствие знаний.

У полных женщин – полные внучки, а дедушки-курильщики неблагоприятно влияют на здоровье своих внуков по мужской линии.

Мы имеем представление об эпигенетике, которая обусловлена не генетическими изменениями, не мутациями, а факторами среды, влияющими на активность или экспрессию наших генов. Токсины, высокие температуры или пища способны привести к формированию РНК, которая активирует химические модификации (метилирование или ацетилирование ДНК или гистонов) и модифицирует генную экспрессию. Эти явления не относятся к генетике и поэтому называются эпигенетическими. Обычно они «подчищаются» в процессе спаривания. У следующего поколения все начинается сначала. Поэтом эти явления в лучшем случае сохраняются на протяжении жизни одного поколения и не передаются новому поколению.

Тем не менее кое-что все же происходит: неожиданно выяснилось, что какая-то информация передается от бабушек к внучкам и от дедушек к внукам. Питание дедушек и бабушек влияет на гены их внуков и внучек. Перенос этой информации, вероятнее всего, носит ограниченный характер и происходит в определенные периоды беременности. На протяжении трех поколений эпигенетические изменения генов передаются от беременных матерей эмбриону и эмбриональным зародышевым клеткам, о чем свидетельствуют результаты исследования людей, родившихся после голландской «голодной зимы».

В настоящее время известен двухгенерационный эффект (эффект двух поколений), наследование без мутированных генов, более устойчивая эпигенетика. Барбара Макклинток охарактеризовала окраску кукурузных зерен как эпигенетические изменения. И уже тогда, когда она описывала этот эпигенетический эффект, кукурузные зерна продемонстрировали еще одно явление, которое проявляется не только в течение жизни, но и может передаваться нескольким поколениям. Это явление наблюдал канадский специалист по генетике растений Ройял Александр Бринк уже в 1956 г. и назвал его «парамутация». Это не было ни настоящей мутацией, ни эпигенетическими изменениями, сохраняющимися на протяжении жизни одного поколения. В настоящее время мы называем это явление трансгенерационным эффектом, поскольку оно влияет на несколько поколений.

Приведу пример: у мутировавших мышей на хвосте есть белые полоски. При спаривании таких мышей у потомства тоже появляются полоски, что противоречит законам наследования. Можно не скрещивать мышей, а пойти еще дальше: взять РНК у мышей с белыми хвостами и внутривенно ввести ее мышам с черными хвостами. Их потомство может иметь белые хвосты – это совершенно неожиданный результат. И все это достигается лишь при помощи кусочка РНК! Такая РНК называется piРНК, а ген – kit-геном. Этот ген известен исследователям онкогенов, его протоонкоген является рецептором тирозинкиназы стволовой клетки, сигнальной молекулы. Было показано, что сигнальная молекула, проходя через сперму, передается новому поколению. Кроме того, ее можно выделить из спермы. В 2006 г. это продемонстрировала Мину Рассулзадеган из Ниццы, мой друг и коллега, которая пыталась и до сих пор пытается убедить скептиков в том, что полученные ею удивительные результаты корректны. По ее оценкам, примерно 200 из 10 000 мышиных генов могли бы вести себя подобным образом. Влияет ли это главным образом на репродуктивную функцию? Мне интересно!

Белые полосы – характерная черта зебр, а также рыбок-зебр (данио). Их исследованием занималась лауреат Нобелевской премии Кристиана Нюсляйн-Фольхард с целью изучить особенности развития. Эти полосы обусловлены не вирусом или средовыми факторами, а в основном двумя-тремя видами клеток, а в основе этого явления лежат генетические факторы. Мутантную рыбку данио можно использовать для демонстрации вертикальных полос, повернутых на 90°! Даже крапчатость может быть результатом мутаций.

Дарвин предположил, что окрас влияет на сексуальную привлекательность и репродуктивность. Кроме того, цвет выполняет важную социальную функцию: например, жители африканских племен раскрашивают кожу, чтобы показать свою принадлежность к определенному сообществу. Нам, людям, приходится краситься, носить унифицированную одежду, соблюдать дресс-код и делать тому подобные вещи, поскольку у нас нет паттернов (структур), за исключением разве что меланоцитов, отвечающих за темную или светлую кожу, и, вероятно, еще одного типа клеток, определяющих рыжий цвет волос. Все полоски, обусловленные как генетическими, так и эпигенетическими факторами, предусматривают периодическое образование паттернов, имеющих активатор и ингибитор. Знаменитый английский математик Алан Тьюринг, известный своим вкладом во взлом кода Enigma, который во время Второй мировой войны использовали на немецких подводных лодках, а также Джон Мюррей из Принстонского университета в своей статье «Откуда у леопарда пятна» рассматривают вопрос о том, как образуются паттерны. Это меня очень заинтересовало, поскольку существует вирус пестролепестности тюльпанов, вирус кольцевой пятнистости дынного дерева и вирус кольцевой пятнистости картофеля, которые отвечают за полоски, точки, кольцевую пятнистость и крапчатость, при этом в формировании паттернов участвуют даже мелкие вироиды, такие как вироид веретеновидности клубней картофеля. Возможно, мутации, парамутации и вирусные инфекции имеют нечто общее. Мы до сих пор недостаточно хорошо представляем себе молекулярные механизмы, включая сайленсинг.

Трансгенерационный эффект проявляется и у растений. Если при выращивании помидоров и картофеля на их листья положить гусениц, то растения начинают бороться с ними, вырабатывая токсины, и в следующем поколении оба этих растения продолжают вырабатывать токсины в отсутствие опасных гусениц. Даже арабидорсис – растение, имеющее очень небольшой геном, в течение многих поколений помнит, как справляться с избыточным количеством соли в почве или жарой. Это пример быстрой реакции и памяти, сохраняющейся несколько поколений. Может ли быстрая переходная коррекция предшествовать долговременной памяти? Можно ли говорить о памяти, сохраняющейся более трех поколений?

И в конце я хотела бы поговорить о «чудесах», о том, что мы до сих пор не понимаем, но чем все равно интересуемся. Червей C. elegans привлекает капля феромона, которая служит сигналом к спариванию; происходит это в лабораторных условиях в чашке для культивирования. А вот теперь начинается «чудо»: через несколько поколений потомство червей собирается на том же месте, даже когда запах феромона уже исчез. Им не нужны никакие сигналы. Установлено, что такая память сохраняется у червей в течение 50 поколений. Это кажется невероятным. Второй эксперимент подтвердил этот результат. Черви C. elegans любят жить во фруктовых садах, например, в таких как в Орсе под Парижем, где их и изучали. Обычно в садах черви с удовольствием питаются упавшими на землю гнилыми яблоками, в которых содержится некоторое количество алкоголя. «Алкозависимые» черви запоминают места в чашке Петри, куда был налит спирт, и следующие 30 поколений этих животных приползают в эти места, когда алкоголя там уже не осталось.

В данном случае «подозреваемым» является небольшая РНК, которая, вероятно, вызывает изменения хроматина и хранит эту информацию. В связи с таким поведением возникает вопрос: найдут ли внуки бордели, которые за много лет до этого часто посещали их деды? Нет. Человек – очень сложноорганизованное существо. Могут ли черви быть совершенным исключением или их можно использовать как модель для других организмов, для изучения алкогольной зависимости?

Хорошо известно, что у пчел существует четко отлаженная социальная структура, и в настоящее время ее изучают на предмет передаваемой РНК. Только пчеломатка получает маточное молочко. Имеются данные, что маточное молочко содержит ингредиент, определяющий социальное поведение следующих поколений. В настоящее время составляющие маточного молочка препарируются и анализируются в поиске piРНК. В немецких супермаркетах маточное молочко можно купить за €5. Это что, для совершенствования нашего социального поведения? Было бы слишком просто. Но на примере червей и растений достоверно доказано, что существует пища, приводящая к трансгенерационному эффекту или парамутации, но у человека такие изменения носят не столь долгосрочный характер.

Содержащаяся в сперме РНК уже получила название – PIWI-взаимодействующая РНК, или piРНК. Это означает, что РНК может взаимодействовать с белком PIWI, «ножницами», РНКаза Н-подобной молекулой. Что разрезают эти «ножницы»? Транспозоны, «прыгающие» гены, и РНК транспозонов подвергается сайленсингу, разрезается. piРНК немного длиннее siРНК, характерна для зародышевых клеток, отвечает за «приручение» «прыгающих» генов и является «охранником» наших геномов в зародышевых клетках. Это необходимо для обеспечения фертильности. Возможно, это служит профилактикой «катастрофы ошибок», слишком большого количества ошибок. Влияет ли это на обучаемость и память (на клетки головного мозга, нейроны), а также на наследование способности к обучению, соответствующего социального поведения и долголетия? И наконец, связано ли это с сексуальной активностью, спариванием и производством потомства? Полагаю, что да. Возможно, в подобном исследовании захотят поучаствовать молодые ученые. Если да, то нужно обращаться в Кембриджский университет (Великобритания) к Эрику Миска.

piРНК могут находиться где угодно. Возможно, специализация piРНК – спаривание и выживание разных видов организмов.

Это нам звоночек, напоминание о наследовании приобретенных свойств – такую гипотезу выдвинул французский ботаник и зоолог Жан Батист Ламарк (1744–1829). Он опубликовал книгу «Философия зоологии» (1809), в которой высказывает точку зрения, противоречащую позиции Дарвина и тому, что тот пишет в книге «Происхождение видов» (1859), основываясь на адаптации путем селекции. Эти вопросы в настоящее время активно обсуждаются. Возможно, разногласия между этими двумя учеными не столь серьезны, как кажется. Может ли быть так, что приобретенные свойства, то есть парамутации, через несколько поколений генетически фиксируются, становясь настоящей мутацией? РНК может превратиться в ДНК, и с некоторых пор мы это знаем. Этому может способствовать чудесная и вездесущая обратная транскриптаза.

Вероятно, то же самое происходит с piРНК, но возможно, это лишь мой досужий вымысел. Таким образом, круг замыкается, связывая первичные пре- и про-РНК, РНК вироидного типа, рибозимы и кольцевую РНК, а теперь еще и piРНК, находящуюся в сперме, все шпилько-петлеобразные структуры настолько прочно, что, как оказалось, они были способны противодействовать всем опасностям в течение примерно 3,8 млрд лет – с самого начала появления жизни на Земле и по настоящее время. Так мы закольцевали вопросы, рассматриваемые в этой книге.

Тем не менее остается немало открытых вопросов. А как работает система глобального позиционирования (GPS) в части, касающейся хранения информации у различных животных? Черепахи 20 лет подряд в одиночку переплывают океан, преодолевая 12 000 км, чтобы отложить яйца на определенном пляже. Последует ли их потомство тем же маршрутом, чтобы в том же месте отложить яйца, если их этому не научили матери, погибшие до того, как маленькие черепашки вылупились? В Берлинском зоопарке смотрителям за животными пришлось на собственном опыте понять, что в вольере для черепах нельзя перемещать ни одного камня, в противном случае черепахи перестают размножаться. Каждую весну аисты находят свои гнезда в небольшой деревушке Линум недалеко от Берлина. Прилетают они туда из Африки – сначала самцы, чуть позже самки, и находят друг друга. Бабочки-монархи погибли, когда деревья, на которых они обычно спаривались, вырубили. Хорошо известно, что форель или лосось помнят место откладывания икры и оплодотворения ее семенной жидкостью. С начала возникновения жизни на Земле 3,8 млрд лет назад на все это – и главным образом на процесс репродукции и формирования потомства – могли влиять следующие факторы: состояние магнитного поля, запахи, свет и поляризация света, цвет, пища, хемотаксис, враги, равно как и все средовые факторы. Способна ли piРНК содействовать формированию первого этапа – оплодотворению икры семенной жидкостью в дополнение к генам в форме ДНК? РНК существует с самого начала жизни на Земле, а piРНК – ее вариант, и в РНК-мире информация наследуется как РНК, а затем как ДНК, но РНК все равно сохраняется.

Вирусы для предсказания будущего?

Можем ли мы узнать что-либо от вирусов, фагов и их хозяина о продолжении жизни, будущем и конце существования человечества? Инфекционные заболевания являются основной причиной смерти на нашей планете. Во время Первой мировой войны было уничтожено и погибло от гриппа около 100 млн человек. От ВИЧ/СПИДа, главным образом в развивающихся странах, умерло около 37 млн человек. От инфекционных заболеваний в мире ежегодно умирает 15 млн человек, от рака – около 10 млн, из которых 1,5 млн случаев связаны с вирусами. Новая «эпидемия» ожирения охватила примерно 300 млн человек, и, по оценкам некоторых ученых, в скором времени ожирением будет страдать треть населения планеты – при этом «инфицирующий агент» неизвестен. Нет вируса, известного как причина, – а что насчет бактерий? В конце концов, животным дают антибиотики для увеличения массы тела. По имеющимся данным, дети к подростковому возрасту получают десять курсов антибиотиков, что приводит к изменению их кишечного микробиома. Является ли это объяснением совершенно необъяснимо быстрого увеличения числа людей с ожирением, которое, похоже, носит характер эпидемии? Такая возможность серьезно обсуждается. Было показано, что у лиц с ожирением повышается вероятность развития рака и изменения дифференциации стволовых клеток в кишечнике. Какие последствия это может иметь для состава бактерий в экосистеме человека в долгосрочной перспективе? Если на бактерии оказывается негативное воздействие, такому же неблагоприятному воздействию подвергаются вирусы и фаги, поскольку все они при стрессовых условиях лизируют бактерии. К стрессовым условиям относят и ожирение, и микробиом кишечника. А что насчет архей и дрожжей? Ответа на этот вопрос не знает никто.

Я уже отмечала, что микроорганизмы не становятся возбудителями заболеваний, если наш организм представляет собой хорошо сбалансированную экосистему. Однако подобные стабильные системы не могут существовать постоянно, в противном случае мы бы никогда не заболевали. Нам даже нужно время от времени болеть для тренировки иммунной системы, если мы не хотим, чтобы этим занимались гельминты.

Происходит нарушение баланса. Возможно, бывает трудно избежать недостатка пространства, кислорода, питательных веществ из-за близкого соседства людей и животных, и все это вызывает стресс. При стрессе вирусы могут активироваться. В развивающихся странах инфекционные заболевания являются одной из основных причин смертности. И все же микроорганизмы и инфекционные заболевания не приведут к исчезновению человечества. В рамках исследования, проводившегося НАСА, их даже не рассматривали как одну из угроз для человечества. Хотя они могут регулировать плотность популяции.

Безусловно, микроорганизмы и вирусы переживут нас – млекопитающих и эукариотов. Они существуют уже примерно 3,8 млрд лет и появились задолго до нас. Мы появились гораздо позже, например австралопитек Люси жила в Африке 3,2 млн лет назад. Выжили только те особи, которые оказались способны справляться с микроорганизмами, находящимися в окружающей среде. Мы даже нуждаемся в микроорганизмах и от них зависим. Это мы вторглись в мир бактерий и фагов, а не наоборот. Они помогают нам переваривать пищу, населяют наш организм и защищают от незнакомых микробов. Если мы перестанем существовать, жизнь на Земле сохранится в виде микроорганизмов. Бактерии и фаги существуют автономно, мы микробам не нужны, но сами нуждаемся в них. Наиболее изменчивыми являются вирусы, бактерии и, возможно, археи; последние по крайней мере дают возможность понять, в каких экстремальных условиях может сохраняться жизнь. Все они могут начать жить снова после опасной для жизни катастрофы. Однако человеку как виду потребовалось бы слишком долго ждать, чтобы стать экстремофилом, как, например, археи, и выжить при высоких температурах, повышенном уровне соли, в ядовитой атмосфере и прочих экстремальных условиях. Мы очень сложно организованы, слишком большие, слишком медленно эволюционируем и не можем быстро адаптироваться.

Люди могут оказаться достаточно умными и изобретательными, чтобы защититься от причин, вызывающих их гибель. Нам вполне хватит интеллекта, но мы слишком эгоистичны и не проявляем мутуализм в должной мере. Результаты поведенческих исследований свидетельствуют о том, что люди не демонстрируют мутуализм в группах, превышающих 150 человек, что соответствует числу родственников, друзей и соседей. Согласно прогнозам, большую часть населения Земли ожидает жизнь в мегаполисах, и встает вопрос: истребят ли в этом случае человечество микроорганизмы и вирусы? В качестве ответа на этот вопрос приведу пример: когда в Нью-Мексико вследствие изменений окружающей среды хантавирусы более не могли полагаться на мышей как на организм-хозяин, они быстро переключились на человека. И так может продолжаться до тех пор, пока они не найдут другого хозяина. Повышенная мобильность вирусов ускоряет процесс поиска нового хозяина, как это наблюдалось в случае с короновирусом атипичной пневмонии (SARS), когда он распространился от Гонконга до Ванкувера буквально за несколько часов. А что бы произошло, если бы не нашлось другого хозяина? Куда бы отправились эти микроорганизмы? Они бы изменили стратегию: если бы не оказалось нового хозяина, они перестали бы использовать и уничтожать своего хозяина и вместо этого нашли способ адаптироваться к нему и сосуществовать с ним. Так обычно и происходит. В качестве примера можно привести обезьян, устойчивых к вирусу иммунодефицита обезьян, и коал, резистентных к вирусу лейкоза гиббонов (GALV), которые эндогенизировали инфицирующие вирусы в свои гены, где они не только хорошо переносились, но и защищали организм хозяина от посторонних микроорганизмов. В качестве защиты от внешних вирусов вирусоподобные последовательности вводили в геномы эукариотов. Как показано на примере реконструированного вируса Phoenix, который эндогенизировался и снова защищает нас от экзогенных вирусов, все они были экзогенными вирусами. После этого микроорганизмы уже не представляли бы смертельной опасности для человечества, они защищают нас с самого рождения. Можно ли экстраполировать на человека ситуацию, когда враги становятся друзьями? Может быть, это оптимальный и единственный способ выживания? Это хорошая новость, если мы боимся пандемий. Показатель смертности будет высоким, но он всегда имеет какие-то ограничения.

В анализе наших шансов на будущее прогнозируется, что современная цивилизация не сможет выжить. Одно из таких исследований, начавшееся в 2014 г., называется HANDY («Динамика развития человека и природы»). В нем предусматривается изучение вопросов, касающихся самых неблагоприятных вариантов развития событий, например повышение плотности населения, дефицит ресурсов (воды, пищи, энергии), природные катастрофы, в том числе изменение климата, и, наконец, политическая нестабильность, сопровождаемая экономическим неравенством, разрывом между богатыми и бедными. Считается, что эти факторы были основной причиной падения Римской империи, цивилизации майя и режима Пол Пота в Камбодже. Гибель человечества неизбежна – таков прогноз. Для целей исследования использовали дифференциальные уравнения для прогнозирования сценариев будущего. Прогноз оказался слишком пессимистичным даже для НАСА, и агентство от него отмежевалось.

Интересно отметить, что при проведении данного исследования микроорганизмы в расчет не принимались. Их не включили в перечень угроз для жизни на Земле. Заболевания, микроорганизмы и инфекционные агенты были исключены из вышеупомянутого перечня. Первый фактор в этом списке – плотность населения – будет серьезно влиять на инфекционные заболевания, но, возможно, это будет более выраженно проявляться в локальном, а не в глобальном масштабе.

А что насчет еды? Здесь тоже задействованы вирусы. За последние 100 лет технический прогресс помог вдвое увеличить производство продуктов питания. В первую очередь и главным образом это произошло благодаря Фрицу Габеру, который в 1915 г. разработал метод фиксации азота в качестве удобрения, что до сих пор позволяет человечеству обеспечивать себя продуктами питания. Нам нужны новые технологии, и, к счастью, мы вполне преуспели в разработке важных инноваций: генно-модифицированные продукты, безусловно, это один из основных способов, с помощью которых можно прокормить человечество. Нам повезло, что у нас есть такая возможность. Но нужно научиться надлежащим образом ее использовать. Вероятно, нам не придется переходить на подножный корм, о чем мы говорили с Дайсоном, снова отращивать шерсть и ограничить потребление тепла. А употреблять в пищу насекомых и водоросли не так уж плохо. Согласно некоторым прогнозам, максимальная численность населения Земли может составлять 12 млрд человек. Подобные прогнозы составляются без учета инноваций и поэтому ненадежны. Давайте вспомним: сто лет назад говорили, что из-за навоза лошадей будет невозможно перемещаться по берлинским улицам. Но потом появились автомобили, и никакой катастрофы с конским навозом не произошло! Автомобили, в свою очередь, дали повод для новых пугающих экстраполяций.

В космическом масштабе конец всему живому придет из-за Солнца. Оно станет слишком горячим сначала для нас, а потом и для микроорганизмов. Я, будучи физиком-ядерщиком, полагаю, что в конечном итоге Солнце взорвется в соответствии со стадией существования звезд (диаграмма Герцшпрунга–Рассела), но сначала оно превратится в «красного гиганта», а потом в «белого карлика». «Красный гигант» взорвет нашу планету. Половина срока жизни Солнца уже прошла, поэтому осталась еще половина, то есть вторые 4 млрд лет, и то при условии, что до этого Земля не погибнет вследствие иных космических явлений.

И все же что на это можно возразить? Мир микроорганизмов тоже может вселить в нас некоторые надежды, если заняться решением этого вопроса. Каждую осень «лужайки бактерий» и цветущие водоросли в океане уничтожаются вирусами, которые вносят свой вклад в развитие популяции и переработку питательных веществ. Часть бактерий и вирусов всегда выживает, и все начинается сначала, с небольшого количества в начале, а далее возрастает экспоненциально. На следующее лето при наличии достаточного объема питательных веществ водоросли снова зацветут. Можно ли это рассматривать как некоторую надежду? Даже в случае гибели большого числа особей субпопуляция с характерным для нее разнообразием видов избежит нижнего порога плотности популяции, так как возможна активизация транспозонов, что будет способствовать формированию новых свойств. Возможно, подобные явления уже пять раз происходили в истории нашей планеты. А в недавние время такие феномены зачастую носили локальный характер. Самый масштабный разлив нефти вследствие взрыва на нефтяной платформе Deepwater Horizon, к удивлению ученых, продемонстрировал рост бактерий, поглощение ими нефти, а после полного уничтожения нефти, когда пищи не осталось, их исчезновение. Аналогичным образом после аварии на Чернобыльской АЭС некоторые растения стали лучше расти на зараженной радиацией почве. Вполне возможно, впереди нас ждет много поводов удивиться. Мутации происходят постоянно. Мы научились пить молоко, мы едим разнообразную пищу, нижние конечности могут стать короче, а длина пальцев увеличивается в связи с работой на компьютере. Мы уже потеряли 6000 рецепторов, отвечавших за обоняние и вкусовые ощущения, их осталось 60, поскольку нам достаточно этого небольшого числа рецепторов, а без остальных мы вполне можем обойтись.

Мир характеризуется очень выраженной гетерогенностью, и в нем часто можно обнаружить ниши, где могут спрятаться и сохраниться разные формы жизни. Именно это произошло в мире водорослей, а явление, подобное «красному приливу», может наблюдаться и в социуме. Избыточный рост сопровождается вирус-индуцированным разрушением, а в новом сезоне все начинается сначала. На первом этапе формирования жизни всегда находится какая-нибудь ниша, «маленький теплый пруд», по определению Дарвина. Нечто подобное произошло на полуострове Юкатан. Полностью уничтожить жизнь не так-то просто.

Вирусы помогают нам выжить, обеспечивая нас новыми генами. Вирусы, включая мобильные элементы, отличаются инновативностью. Они и в будущем будут вносить вклад во все проявления жизни, обеспечивая адаптацию, выживание и биологическое разнообразие. Нам следует помнить, что мы можем влиять на вирусы, «прыжки» транспозируемых элементов с помощью факторов среды, которые усиливают или ослабляют эти «прыжки». Но мы несем за это ответственность. «Прыжки» ретротранспозонов отличаются большой вариабельностью.

Только в океане вирусы и их хозяева обмениваются 1027 генов. Существует много новых для нас генов, а высокая скорость мутации вирусов и обмена генами помогает нам выживать. Вирусы, главным образом ретровирусы, а также родственные им ретроэлементы внесли свой вклад в эволюцию жизни и выживание всех видов на планете. Без вирусов мы не смогли бы добиться такого прогресса и видового разнообразия, и, по сути, нас бы не было. Тем не менее благодаря вирусам мы существуем.

А где же тогда Бог? Такой вопрос мне задали в конце одного интервью, посвященного вирусам, во время утреннего эфира на швейцарском телевидении. Этот вопрос вызвал у меня удивление. Мой спонтанный ответ был следующим (таким и остался): когда мы сталкиваемся с чем-то незнакомым, появляется желание поверить в Бога. Но чудеса можно объяснить и с помощью науки. При этом каждый ответ влечет за собой новые вопросы и новые чудеса. Чудеса будут возникать всегда, независимо от того, какой объем знаний мы накопили. При желании непонятное явление всегда можно объяснить действием высших сил или Бога. Я не могу в это поверить, тем же, кто верит, приходится легче, чем мне.

Глоссарий

ADA – аденозиндезаминазная недостаточность, метаболическое заболевание, вызывающее иммунный дефицит. Дети, страдающие таким заболеванием, не в состоянии противостоять патогенам, в силу чего вынуждены находиться в стерильных «палатках». ADA используется как модель в генной терапии.

ALU – повторяющийся короткий регуляторный элемент ДНК, не содержащий генетическую информацию и оказывающий регуляторный эффект на соседние гены; принадлежит к семейству ретроэлементов SINE. В геноме человека содержится 1,1 млн копий ALU (10,7% от всей последовательности); представлен главным образом в геномах приматов.

Argonaute – фермент, предназначенный для сайленсинга генной экспрессии и состоящий из доменов PAZ и PIWI (так же как обратная транскриптаза и РНКаза Н ретровирусов) в РНК-индуцированном комплексе сайлесинга (RISC). Белки семейства Argonaute связывают небольшую некодирующую РНК, которая затем направляет этот комплекс к РНК-мишени для ее расщепления.

Cas9 – CRISPR-ассоциированный белок 9, молекулярные «ножницы», разрезающие фрагмент ДНК в гибридах ДНК–РНК; обеспечивает защиту от ДНК-содержащих фагов в бактериях и археях, содержит РНКаза Н-подобные DDE (ДДЭ) аминокислоты в активном центре (ДНКаза Н, разрезающая ДНК в РНК–ДНК-гибридах).

CCR5 – рецептор для сигнальных молекул (хемокинов) на поверхности клеток человека, корецептор CD4-рецептора для ВИЧ, необходимый для внедрения в клетку-хозяина; лимфоцит с рецептором CD4 или макрофаг с CCR5 – первая мишень ВИЧ; позднее происходит инфицирование клеток, имеющих еще один рецептор СXCR4.

CONRAD и MTN-030/IPM 041 – акроним («Исследование и разработка контрацептивных средств»), содержит результаты, подтверждающие данные клинических исследований, препаратов для лечения ВИЧ-инфекции, в частности MTN-030/IPM 041 – исследование микробицидов во влагалище.

CpG – сокращение, обозначающее два нуклеотида, C (цитозин) и G (гуанин), связанные между собой при помощи фосфоэфирных мостиков в ДНК-молекулах; это важный мотив для эпигенетической регуляции в качестве мишеней метилирования.

CRISPR/Cas9 – короткие палиндромные кластерные повторы с регулярными промежуточными пространствами / CRISPR-ассоциированный белок 9; это противовирусная система защиты от внедрения ДНК-содержащих фагов в бактерии и археи. Данная технология используется для удаления и модификации генов, называется «редактирование» и является новым методом, предусматривающим очень серьезные потенциальные изменения генов во всех видах. Метод прост в использовании и отличается быстродействием и низкой ценой, не предполагает применения рекомбинантных механизмов, поскольку «направляющая» РНК «предназначает» новую последовательность, которая затем копируется (редактируется). Метод не предусматривает генетическую модификацию ДНК, не подпадает под законодательство, регулирующее ГМО; по этому поводу возникают этические споры.

CXCR4 или CCR5 – рецепторы, локализующиеся на лимфоцитах, которые позволяют поверхностным гликопротеинам ВИЧ (gp120) связываться и проникать в клетку на ранней и поздней стадиях заболеваний.

EHEC (энтерогеморрагический штамм кишечной палочки) – бактерия Escherichia coli, вызывающая энтерогеморрагические заболевания; является следствием фаг-опосредованного приобретения токсина (токсин Шига), который находится в фекалиях животных и удобрениях. Бактерия опасна для здоровья человека – ростки, зараженные EHEC, вызвали в Германии самый крупный скандал[22], связанный с пищевыми продуктами.

EMBO – Европейская организация по молекулярной биологии, находится в Гейдельберге (Германия), занимается проведением научных мероприятий на высоком уровне, семинаров, учреждает стипендии, осуществляет подготовку специалистов как из Европы, так и из других стран мира.

EMEA – Европейское агентство по оценке лекарственных средств, занимающееся оценкой медицинских продуктов, защитой здоровья животных и человека, дает разрешение на проведение клинических исследований. До недавнего времени называлось EMA (Европейское агентство лекарственных средств).

Emiliania huxleyi – морские водоросли, содержащие углерод (кокколитофы), сокращенно называются EH, в зависимости от климата могут образовывать огромные светящиеся «поляны», являются носителями вирусов морских водорослей EhV или EHV, в результате лизирующего действия которых водоросли перестают светиться, что является стрессовой реакцией на снижение температуры и приводит к повторному использованию питательных веществ.

Erb-B2 или HER2/neu – онкоген (рак-промотирующий ген) вируса эритробластоза у цыплят, рецептор эпидермального фактора роста, который стимулирует пролиферацию клеток за счет задействования сигнального каскада Ras-MAP-киназы, характеризуется сверхэкспрессией, является индикатором рака молочной железы у человека. У 25% пациенток с раком молочной железы отмечаются мутации Erb-B2.

ERV – эндогенный ретровирус, ДНК которого интегрирована в геном эукариотов; наследуется как ДНК провируса через зародышевые клетки. Этот ретровирус более не является инфекционным и часто бывает дефектным. Возникает при заражении зародышевых клеток ранее не инфекционными вирусами, которые часто относятся к вымершим; обеспечивает противовирусную защиту от аналогичных вирусов. В настоящее время в реальном времени происходит эндогенизация данного вируса в организме коал, которые отождествляются с законсервированными (устойчивыми) сайтами интеграции, в то время как новые инфицирующие вирусы интегрируются на случайных сайтах (см. Phoenix).

ETH (Eidgenössische Technische Hochschule) – Швейцарский федеральный технологический институт (Цюрих), также называемый политехническим, является одним из ведущих европейских университетов.

FTO – белок, ассоциированный с жировой массой тела и ожирением, один из нескольких генов, ассоциированных с ожирением; ген имеет 47 000 нуклеотидов; это не один белок, а много вариантов из-за различного сплайсинга; действует совместно с транскрипционным фактором IXR3, ассоциированным с ожирением.

gag – один из ретровирусных генов, групп-специфический антиген; название основано на иммунологии вирусов.

GALV – вирус лейкоза гиббона, обезьяний вирус, убивший большое количество коал, прежде чем их организм выработал резистентность к данному вирусу путем эндогенизации.

Gypsy – название ретротранспозона, который очень напоминает ретровирус и присутствует у дрозофил, эквивалентен Ty3 в дрожжах, содержит длинные концевые повторы (LTR-последовательности), gag, pol, нуклеазу, интегразу, но не содержит ген env; может осуществлять перенос генов.

HBV – вирус гепатита В, параретровирус, который реплицируется при помощи обратной транскриптазы, но в вирусных частицах упакована ДНК, а не РНК, что в ряде случаев приводит к развитию гепатоцеллюлярной карциномы. Существует соответствующая вакцина.

HCV – вирус гепатита С. На поздней стадии заболевания может вызвать гепатоцеллюлярную карциному. Существует новая терапия (дорогостоящая – $50 000), которая весьма эффективно уничтожает вирус.

HDV – редкий вирус гепатита дельта, инфицирующий печень человека, рибозим, возможно, растительного происхождения. Вместе с HBV вызывает тяжелое заболевание.

HERV – эндогенные ретровирусы человека. В геноме человека содержится примерно 450 000 копий. Редко формируют инфекционные частицы и напрямую не коррелируются с развитием заболеваний, однако благодаря своим промоторам LTR-последовательностям могут влиять на соседние гены. Известно, что они играют роль в развитии рака и генетических заболеваний с неизвестной частотой. Представляют собой остаток бывших ретровирусных инфекций зародышевых клеток.

INRA – Французский национальный институт сельскохозяйственных исследований, расположенный в окрестностях Парижа, относится к числу передовых институтов в сфере анализа микробиома.

iPS-клетки – индуцированные плюрипотентные стволовые клетки; обновленный фибробласт взрослого человека или другие дифференцированные клетки путем применения набора из четырех транскрипционных факторов (Oct3/4, Sox2, Kif4 и c-Myc), индуцирующих пролиферацию и де-дифференциацию, один из четырех протоонкогенов – вирусный «онкоген» Myc; iPS похожи на эмбриональные стволовые (ЭС) клетки, которые не имеют специализации и сохраняют плюрипотентность; для целей исследования iPS-клетки заменяют ЭС-клетки, получение которых запрещено. iPS-клетки способны развиться в одну из 200 специализированных клеток человека, в частности в клетки головного мозга, нервные клетки, клетки мышечной ткани; есть надежда на то, что можно регенерировать мертвые или больные ткани для их замены.

IRX3 – транскрипционный фактор, который наряду с FTO связан с ожирением.

Kit – рецептор тирозинкиназы в стволовых клетках, а также онкоген в одном из кошачьих вирусов. Kit играет роль в появлении белых хвостов у мышей (это свойство наследуется путем парамутации) и в образовании полосок у рыбок-зебр (данио).

LFI – Институт Леффлера–Фроша, самый крупный институт по изучению ветеринарных вирусных заболеваний, находится к северу от Грайфсвальда в Северной Германии. Институт назван в честь двух немецких вирусологов. Учреждена медаль Леффлера–Фроша.

LINE или LINE/L1 – длинный диспергированный повторяющийся элемент, участок ДНК в геномe, транспозируемый элемент или «прыгающий» ген, кодирующий две «открытые рамки считывания» (ORF1 и ORF2), соответствующий двум белкам – РНК-связывающему белку и обратной транскриптазе/эндонуклеазе (подобной РНКазе Н); ретротранспозон, действующий по принципу «копировать и вставить», включая промежуточную РНК; происходит копирование обратной транскриптазы и нуклеазы и их повторное внедрение в ДНК хозяина, что приводит к дупликации гена, не имеет LTR-последовательностей, представлен 850 000 копий в геноме человека (21%); помогает SINE-элементам в пролиферации. В организме человека всего 100 L1-элементов, которые мобильны и могут обусловить мутагенез и развитие заболеваний (неврологических); малые интерферирующие РНК (siРНК) контролируют и экспрессируют ретротранспозицию. LINE – двигатель эволюции, поддерживает инновации и проявляет активность в зародышевых клетках, где контролируется piРНК. При наличии большого количества ретротранспозонов обратная транскриптаза становится одним из наиболее распространенных белков.

LTR-последовательность – длинный концевой повтор у ретровирусов и некоторых ретроэлементов, один из самых сильных из известных промоторов, который связывает транскрипционные факторы, регулирует клеточные механизмы, приводящие к репликации вируса. В процессе репликации ретровирусной ДНК, при которой происходит дупликация на концах ДНК-провируса, образуются две LTR-последовательности, что важно для репликации. LTR-последовательность может также промотировать соседние гены и вызывать развитие рака (с помощью механизма инсерции, или встраивания промотора), может остаться в качестве «единичных LTR-последовательностей» в геноме как «отпечаток» удаленных ретровирусов.

LUCA – последний универсальный общий предок или предок клеток; первая клетка, возникшая в процессе эволюции.

MetaHit – консорциум по изучению метагеномики пищеварительного тракта человека; в него входило 13 исследовательских центров из восьми стран; работал в период 2008–2012 гг. в рамках Седьмой рамочной программы Европейской комиссии, предусматривающей секвенирование штаммов бактерий пищеварительного тракта человека.

Mu – транспозируемый фаг, модель ДНК-транспозона и механизма ретровирусной интеграции; характеризуется очень выраженной мутагенностью (поэтому называется Mu); относится к ретровирусам; использовался для идентификации ингибитора интегразы ВИЧ, в частности ралтегравира.

Myc – онкоген вируса миелоцитоматоза у кур, протоонкоген, выступающий в качестве транскрипционного фактора в нормальных клетках, который характеризуется избыточной экспрессией в раковых клетках (нейробластома легких), что приводит к ускорению жизненного цикла клеток; является нисходящим эффектором киназного каскада; ДНК-связывающий белок; локализуется в ядре, играет роль в регулировании клеточного цикла, образует гетеродимер с более коротким Myc-родственным белком Max, модулируя его функции.

Mycoplasma genitalium и Mycoplasma mycoides. Бактерия M. genitalium имеет один из самых мелких геномов в природе, состоящий из 580 000 пар оснований и 482 генов, который является первым бактериальным геном, синтезированным in vitro с использованием только химических соединений. Установлено, что синтетический геном не выполняет функций в живой бактерии. Инактивируя гены естественного генома один за другим и проверяя, продолжает ли расти M. genitalium, методом проб и ошибок, так же, как это происходит в природе, было выявлено 382 эссенциальных (незаменимых) гена, а 100 генов оказались несущественными. M. mycoides – вторая бактерия, чей геном был синтезирован. Путем трансплантации ее естественного генома в соответствующую опустошенную бактериальную клетку получили бактерию, которая вела себя как M. mycoides и была способна к размножению. Новостью 2016 г. стало то, что Крейг Вентер получил полностью реплицируемую жизнеспособную синтетическую клетку, которая, правда, медленно растет; она состоит из 473 генов (функции 149 из которых неизвестны) и имеет 531 000 пар оснований.

NIH – Национальный институт здравоохранения США (Бетесда, штат Мэриленд).

PAZ – домен белка (длина примерно 110 аминокислот), имеет родство с обратной транскриптазой ретровирусов, является компонентом РНК-индуцированного комплекса сайленсинга (RISC); аббревиатура основана на названии трех белков, входящих в этот домен (PIWI, Argonaute и Zwille).

Phagoburn – программа ЕС, осуществляемая в соответствии с Седьмой рамочной программой. Основная цель этого исследования – оценить безопасность и эффективность, равно как и фармакодинамику двух «коктейлей» терапевтических фагов для лечения раневых ожоговых инфекций, вызванных Escherichia coli или Pseudomonas aeruginosa. Исследование проводилось с 2013 по 2016 г.

PIWI – «пустой семенник, индуцированный р-элементом», изначально выявленный у дрозофил. Является РНКаза Н-подобным ферментом, связывающим двухцепочечные нуклеиновые кислоты или РНК–ДНК-гибриды, расщепляет РНК-соединения в гибридах, осуществляет сайленсинг одноцепочечной или двухцепочечной РНК; РНК может быть получена из инфекционных агентов (вирусов) или регионов эндогенных некодирующих РНК, таких как регуляторная РНК; РНКаза Н – белок Argonaute в комплексе RISC (РНК-индуцированном комплексе сайленсинга); экспрессируется при сперматогенезе в яичках млекопитающих, а также в клетках яичников, что, возможно, является следствием действия ретротранспозонов, другое название – ассоциированные с повторами малые интерферирующие РНК (rasiРНК); считается, что PIWI-взаимодействующая РНК, или piРНК, осуществляет сайленсинг ретротранспозонов, ингибирует «прыжки», чтобы предотвратить интерференцию ретротранспозонов с образованием зародышевых клеток; является кандидатом на трансгенерационные или парамутационные изменения, обусловленные изменениями хроматина и присутствием в зародышевых клетках и сперме; таким образом, ассоциируется с одной из наследуемых форм РНК, а именно piwiРНК или piРНК, вследствие чего называется «охранник генома».

piРНК – PIWI-взаимодействующая РНК; PIWI – фермент, подобный «ножницам» РНКазы Н, который разрезает ретротранспозоны в зародышевых клетках, предотвращая активность («прыжки») транспозонов, образует комплекс «РНК-белок»; у piРНК 26–31 нуклеотида, она крупнее типичной siРНК или микроРНК (21 нуклеотид), переносится семенной жидкостью, присутствует в зародышевых клетках, где piРНК противодействует образованию ретротранспозонов, в силу чего ее называют «защитница генома». При отсутствии piРНК сперма становится нефертильной, что приводит к парамутации или трансгенерационному наследованию, не подчиняющемуся законам Менделя.

PrEP – доконтактная профилактика; обеспечивает защиту здоровых индивидуумов путем использования антиретровирусной терапии для профилактики инфицирования человека ВИЧ-положительными партнерами.

Raf – онкоген вируса фибросаркомы у крыс, получен из клеточного гомолога c-Raf, серин/треониновая киназа; на момент открытия (Карин Мёллинг) это был новый тип онкогена; c-Raf активируется «восходящими» (выше располагающейся в каскаде) киназами и компонентом довольно универсального сигнального каскада киназ Ras–Raf–MEK–ERK. При разных видах рака у человека частично активированной формой является B-Raf. В настоящее время является мишенью нескольких новых лекарств; часто наблюдается у пациентов со злокачественной меланомой и другими видами рака, гетеродимезируется с c-Raf. Активированный c-Raf может привести к развитию рака, но также и к дифференциации и прекращению роста опухоли. Такое поведение по типу двуликого Януса также характерно и для других онкогенов, что осложняет лечение этого заболевания в силу того, что вместо ингибирования может наблюдаться активация роста опухоли.

RAG 1 и 2 – ген активации рекомбинации, который обусловливает разнообразие иммуноглобулинов V(D)J путем рекомбинации; относится к транспозонам и ферментам расщепления РНКазе Н и содержит три характерные аминокислоты в активном центре (мотив DDE), отвечающих за расщепление.

Ras – онкоген ретровируса саркомы крыс, получен из клеточного гомолога c-Ras; его размер 20 kD, изоляты H-Ras (Harvey) и Ki-Ras (Kirsten) названы по имени ученых; обычно относится к ГТФазе, которая путем гидролиза ГТФ заменяется на ГДФ; в случае мутации (G12V, замена глицина на валин в кодоне 12) дерегулируется и постоянно находится в активном состоянии, «включая» нисходящие сигнальные каскады киназы (Ras–Raf–MEK–ERK) и клеточную пролиферацию; чаще всего этот онкоген отмечается в опухолях человека. В более чем 30% случаев рака возбудителем является онкоген Ras. Плохо поддается «лечению», поскольку воздействует на слишком большое число нижележащих эффекторов. Проводимые 30 лет исследования не привели к разработке соответствующих ингибиторов; в 2014 г. Национальный институт рака (США) приступил к новой исследовательской программе – -initiatives/ras/the-problem.

Ras–Raf–MEK–ERK – один из основных сигнальных каскадов, состоящий из протеин-киназ и MAP-киназного каскада (MAP – митоген-активированный белок; в сочетании с K, означающей киназу, называется Ras–MAPKKK–MAPKK–MAPK), который переносит фосфаты от одной киназы к другой при нисходящей активации в ответ на внеклеточные стимулы (передающиеся через рецептор тирозинкиназы), такие как митогены, стресс, высокие температуры, противовоспалительные цитокины, что обусловливает плейотропные эффекты – пролиферацию, экспрессию генов, дифференциацию, митоз, выживание клеток и апоптоз – в зависимости от клеточных и средовых стимулов и факторов. Каскады обеспечивают функционирование положительных и отрицательных механизмов обратной связи и сигнальных комплексов. Ras имеет целый ряд даунстрим-мишеней, а Raf по большей части лишь одну, поэтому является полезной мишенью для интервенции, передавая сигнал извне клетки в ядро с целью повлиять на генную экспрессию. MEK – митоген-активированная внешняя киназа. ERK – внеклеточная сигнальная регулируемая киназа, обусловливающая фосфорилирование транскрипционных факторов, в частности c-Myc, что приводит к генной регуляции и запуску клеточных программ.

RELIK – кроличий эндогенный лентивирус типа K, сложный ретровирус (наподобие ВИЧ), прочно интегрированный (эндогенизированный) в геном кролика-хозяина; описан Арисом Катзуракисом; минимальный эволюционный возраст 12 млн лет.

RISC – РНК-индуцированный комплекс сайленсинга, молекулярные «ножницы» в белковом комплексе, предназначенные для расщепления РНК, что приводит к образованию малых интерферирующих РНК (siRNA или РНКi). RISC состоит из белка Argonaute, включающего домены PAZ и PIWI (структурно и функционально относятся к обратной транскриптазе и РНКазе Н ретровирусов).

SCID-мыши – мыши с генетическими дефектами и тяжелым иммунодефицитом; животная модель, используемая для анализа опухолевых клеток у человека, которые могут расти у этих мышей без отторжения; данная линия мышей может использоваться в качестве животной модели для изучения иммунной системы человека или эмбриональных клеток печени человека, которая может быть инфицирована ВИЧ.

SCID-NOD-мыши – диабетические мыши, не страдающие ожирением, с тяжелым иммунодефицитом. Лабораторная мышиная модель, используемая для изучения инородных неотторгаемых тканей.

SINE – короткий диспергированный повторяющийся элемент, транспозируемый элемент (ТЭ); ДНК-элемент в геноме человека, не имеет ОТ- и LTR-последовательностей; SINE мельче LINE; часто SINE использует обратную транскриптазу из LINE для увеличения числа SINE в геноме; состоит из Alu-элементов; в геноме человека 1,5 млн копий (13%) данных элементов.

Sleeping beauty («Спящая красавица») – название транспозона, реконструированного в результате генетических изменений у рыб; разработан для генной терапии.

Src – первый описанный онкоген, выделен у кур при RSV (вирус саркомы Рауса); используется как модель; найден при саркоме, у человека при раке не распространен.

Ti-плазмида – опухоль-индуцированная кольцевая двухцепочечная ДНК-плазмида, полученная из Agrobacterium tumefaciens, используется для генной терапии растений; способна переносить терапевтические гены.

AК/аминокислота – компонент белков, представляющий собой полимеры из AК, вырабатываемых рибосомами, которые считывают информационную РНК (mRNA, или мРНК, или иРНК) в клетке и синтезируют полимер AК, белок; каждый триплет (кодон) последовательности иРНК соответствует одной AК; осуществляется перенос или транспорт с помощью тРНК отдельных AК на рибосому для сборки белка; существует 20 классических AК, только около 2% генома человека кодируют белки.

Aт – антитело, также известно как иммуноглобулин, секретируемый специализированными B-клетками, который имеет гипервариабельный участок для связывания с антигеном. На формирование Ат требуется время; диверсификация возникает путем перегруппировки с участием РНКаза-подобных нуклеаз, ферментов RAG, ферментов 1 и 2, активированных рекомбинацией. Механизм действия вакцины заключается в выработке антител, особенно нейтрализующих антител, которые предотвращают развитие инфекции путем нейтрализации поверхностных белков вирусов; антитела входят в состав вакцин, используемых для пассивной иммунизации (в отличие от активной иммунизации, при которой организм должен сам выработать антитела после иммунизации антигеном). Это наиболее эффективный способ борьбы с вирусными инфекционными заболеваниями.

Антитело – см. Ат.

Апоптоз – запрограммированная гибель клеток, в отличие от некроза. Это регулируемая программа, которая активируется, когда в клетках более нет необходимости или они становятся опасными, как, например, в случае с раковыми клетками.

Археи – одна из трех основ жизни на Земле, помимо бактерий и эукариотов. Ранее они назывались архебактериями, но в настоящее это определение не используется. Археи (мн. ч.), возможно, самые древние клетки, находящиеся в основании древа жизни.

Бактериофаг – то же самое, что фаг, вирус бактерии.

БАС – боковой амиотрофический склероз – наследственное заболевание, вызывающее прогрессирующий паралич.

Белок – основной компонент живых существ, состоящий из аминокислот. Белки формируют мышцы, кожу, органы организма и т.д. – например, стейк или яйца на сковороде состоят в основном из аминокислот, коротких белков, называемых пептидами; белки с каталитической активностью являются ферментами; лишь 2% генома человека кодируют белки.

Бисульфитная конверсия – метод детекции метилированных нуклеотидов в ДНК, что является важным маркером эпигенетической регуляции, служит для различения метил-модифицированных и немодифицированных цитозинов (С); при использовании в терапевтических целях превращает С в тимин (Т), в то время как на метил-модифированные С обработка бисульфитом не оказывает действия.

Вироид – малый рибозим, РНК со стабильной замкнутой шпилько-петлеобразной структурой; в настоящее время имеет 350 оснований; часто проявляет каталитическую активность; является первой биомолекулой на нашей планете; образовался 3,9 млрд лет назад; в настоящее время наблюдается в основном в растениях, что неблагоприятно сказывается на урожайности; вирус гепатита дельта – единственный рибозим в организме человека. «Голый» вирусоподобный элемент; не кодирует белок, но взаимодействует с другими нуклеиновыми кислотами; относится к регуляторным недавно открытым circРНК, которые присутствуют во всех клетках человека, выполняя функции основного регулятора, осуществляющего титрование siРНК-молекул. В данной книге вироиды характеризуются как самые ранние биомолекулы, имеющие свойства вирусов, в силу чего возникло предположение, что вирусы – наши самые древние предки, у которых не было белковой оболочки.

Виром – все вирусы, присутствующие в образце или экосистеме, когда не выделяются отдельные вирусы.

Виросфера – мир вирусов, изображенный на постере и классифицированный Международным комитетом по таксономии вирусов.

Вирофаг – вирус, инфицирующий другой вирус, по аналогии с бактериофагом (вирусом бактерий); присутствует в гигантских вирусах, доставляет вирусы к хозяину; похож на клеточные организмы; вирофаги носят следующие названия – Sputnik или вирус Ma у гигантских вирусов; это мелкие частицы, их геномы с двухцепочечной ДНК содержат около 20 000 пар оснований; вирофаг способен уничтожить своего хозяина – гигантский вирус.

Вирус – подвижный элемент; часто состоит из генов, может содержать или не содержать белок; «вирусы, состоящие только из белка» называются прионами (как правило, их не относят к вирусам, хотя это можно было бы сделать); вирусы осуществляют перенос генетической или структурной информации; участвуют в горизонтальном и вертикальном переносе, для чего задействуют соматические и/или зародышевые клетки; используют большое количество не связанных между собой механизмов репликации; характеризуются самым большим генетическим разнообразием на планете; часто выраженное видовое разнообразие вирусов обусловлено тем, что механизмы репликации подвержены ошибкам, что приводит к образованию квазивидов, когда одновременно сосуществует большое число мутантов. ДНК-содержащие вирусы генетически более стабильны по сравнению с РНК-содержащими вирусами; у вирусов нет рибосом, исключение составляют некоторые гигантские вирусы; вирусы зависят от снабжения энергией клетками. Возможно, такой паразитический образ существования – более позднее эволюционное событие. Молекулы РНК-содержащих вирусов, в частности рибозимы, вироиды – самые древние биомолекулы, не кодирующие белок (до сих пор); вирусы способны реплицироваться без помощи клеток, но для этого им необходима энергия. В настоящее время вирусам нужны клетки для синтеза белка. Вирусы являются двигателем эволюции; они создали наш геном, в частности сформировали нашу противовирусную защиту (иммунную систему). Геном человека примерно на 50% (а ранее в эволюции, возможно, и гораздо больше) состоит из структур, относящихся к ретровирусным элементам. Возможно, они появились в самом начале формирования жизни на Земле и эволюции. Кроме того, прионы, состоящие только из белков, и рибозимы/вироиды, которые состоят только из РНК, имеют такие же свойства, как вирусы; они способны реплицироваться, мутировать, эволюционировать, защищаться, вызывать заболевания (!), поэтому их тоже можно отнести к вирусам.

Вирус «Феникс» (Phoenix) – ретровирус, полученный из клеточных эндогенных ретровирусных последовательностей, что свидетельствует о том, что эндогенные последовательности действительно произошли от вымерших ретровирусов. Эндогенные вирусы могут обеспечить защиту от экзогенных вирусов. Эндогенный ретровирус человека HERV-K(HML-2), родственный ретровирусам мышей, способен образовывать частицы, инфицировать животных и реплицироваться. Вирус «Феникс» был получен из HER-K (HML-2) последовательностей Тьерри Хайдманом. Вирусу 3 млн лет, 8% генома человека представляет собой то, что осталось от HERV, инактивация которого произошла давно вследствие мутаций.

ВОЗ – Всемирная организация здравоохранения со штаб-квартирой в Женеве (Швейцария), которая объявляет о мерах борьбы с пандемиями и программах чрезвычайных мер.

ВПЧ (HPV) – вирус папилломы человека. Рак шейки матки вызывают главным образом два из многих типов вирусов в совокупности с другими факторами. Недавно появилась вакцина, которую вводят молодым девушкам, а скоро ею будут вакцинировать и мальчиков.

Ген – единица генома, кодирующая белки, из которой состоит организм человека и которая участвуют в метаболизме; у эукариотов один ген может кодировать более одного белка; гены состоят из экзонов и интронов; экзоны – это кодирующие белок участки; интроны удаляются путем «сплайсинга», расщепление и присоединение РНК-транскриптов обеспечивает наличие большого количества комбинаций и определяет сложность организма человека.

Геном – полная генетическая информация о любом виде, которая, как правило, представляет двухцепочечную ДНК, наследуется и присутствует во всех клетках, состоит из генов, а также из некодирующей генетической информации, что означает не кодирование генных продуктов, например, выполняющих регуляторные функции.

Герцептин – препарат для лечения рака легких, применяется только в отношении 25% пациентов с дефектом гормональной сигнализации (включающей рецептор эпидермического фактора роста (EGF).

Гигантские вирусы, или гигавирусы – необычайно большие вирусы, к хозяевам которых относятся амебы и морские водоросли; рассматриваются как «почти бактерии», отмечают, в частности, мимивирус (мими означает мимикрирующие (подражающие) бактериям в силу их необычно больших размеров). Имеют следующие названия: mama-, marseille-, pandora-, pitho-, samba-, molliviruses. Гигантские вирусы имеют крупные геномы, имеющие до 2,5 млн пар оснований; к гигантским вирусам морских водорослей, в частности, относится EhV-86, инфицирующие Emiliania huxleyi, а также вирусы Chlorella. Гигантские вирусы являются хозяином для более мелких вирусов (вирофаги) и содержат компоненты, необходимые для синтеза белков. Можно предположить, что гигантские вирусы являются либо вырожденными бактериями, либо неполными предшественниками бактериальных клеток с незаконченным эволюционным развитием.

Гистон – белок, который упаковывает ДНК в эукариотических клетках; основные белки хроматина, осуществляющие конденсацию ДНК; формируют хроматин; их ацетилирование играет роль в эпигенетической регуляции генов.

ГМО – генетически модифицированный организм, на который распространяется законодательство, регулирующее технологии рекомбинантных ДНК. Сельхозкультуры, используемые в производстве пищевых продуктов должны соответствовать жестким регуляторным нормам.

Гнотобиотические мыши – мыши с неестественной микробиотой кишечника, которых используются как модель в исследованиях и выращиваются в стерильных условиях. Этим лабораторным мышам прививают инородную фекальную микробиоту или определенные виды бактерий и используют в исследованиях функций микробиома.

Горизонтальный перенос генов (ГПГ или HGT) или латеральный перенос генов (ЛПГ или LGT). Важная роль вирусов или фагов в переносе генов из одной клетки или организма в другую/другой. Любой геном состоит из генов других видов организмов, которые приобретаются за счет ГПГ.

Дисбиос – дисбаланс микроорганизмов в кишечнике вследствие заболевания.

ДНК – первичный генетический материал в большинстве организмов, состоящий из дезоксирибонуклеотидов, в большинстве случаев, двухцепочечные, известные как двойная цепочка, характеризуются стабильностью; некоторые вирусы содержат одноцепочечные ДНК или РНК в качестве первичного генетического материала.

Домен PDZ – белковый модуль, выявленный в некоторых опухолевых супрессорах, который связывается с гидрофобным концом аминокислотных фрагментов; такой PDZ-связывающий фрагмент есть у Src, и, если он мутирует, Src теряет контакты с белками, имеющими домен PDZ, и клетка становится метастатической. Аббревиатура PDZ: P для PSD95 (постсинаптическая плотность), D – для крупных дисков у дрозофил и Z для замыкающих контактов – все эти три белка являются супрессорами опухоли.

ЕС – Европейский союз, рамочные программы которого направлены на поддержку мультицентровых научно-исследовательских программ.

Зооноз, зоонозы – вирусы, передаваемые от животных человеку; это наиболее частый источник вирусов, негативно влияющих на человека; зачастую вирусы являются возбудителями заболеваний у человека, но не у животного-«хозяина»; в процессе коэволюции вирус может утрачивать свою болезнетворность. Так, зоонозно передались человеку от животных ВИЧ, вирус гриппа, Эболы, коронавирус атипичной пневмонии (SARS) и т.д. Некоторые из этих вирусов могут передаваться от человека человеку, что повышает риск инфицирования.

Иммунная система – защита клеток и организма от внедрения патогенов; в мире РНК она включает сайленсерные или siРНК; в мире ДНК включает рестрикционные эндонуклеазы CRISPR/Cas9; в мире белков – интерферон и IgG (иммуноглобулины); все иммунные системы используют РНКаза-подобные молекулярные «ножницы», подвижные (транспозируемые) элементы с их ферментами играют важную роль в создании и диверсификации иммуноглобулинов (антител).

Институт бактериофага им. Элиава[23] – институт микробиологии и вирусологии (Тбилиси), основанный в 1930 г. Феликсом Д’Эрелем и Георгием Элиава, деятельность которого была направлена на фаготерапию. Институт функционирует и в настоящее время, повышая значение фаготерапии, особенно в лечении диабетической стопы.

Интрон – слово, образованное из словосочетания «интрагенные участки», которое обозначает промежуточные участки между экзонами; гены состоят из экзонов и интронов; интроны являются не белок-кодирующими, отсутствуют в вирусах; только экзоны обусловливают образование белков; РНК-транскрипты генов процессируются путем сплайсинга, который приводит к удалению интронов, в силу чего появляется большое количество комбинаций экзонов, которые очень распространены в организме человека, обеспечивая в высшей степени выраженную комбинаторную сложность. Специальные группы – это самосплайсирующиеся интроны, удаляемые самокатализирующимися рибозимами; имеют большое число шпилько-петлеобразных структур у грибов, растений, простейших и бактерий; возможно, эволюционно они родственны сплайсосомам.

Интроны группы II – крупные каталитические самосплайсирующиеся РНК и мобильные ретроэлементы, которые кодируют обратную транскриптазу, интрон-кодируемый белок, колонизируют геномы бактерий и органелл (митохондрии и хлоропласты), являются предшественниками обратной транскриптазы.

Каталитическая активность. Белки с каталитической активностью относятся к ферментам; РНК с каталитической активностью – к рибозимам и часто к вироидам; и те, и другие ускоряют химические реакции, могут быть использованы повторно.

«Катастрофа ошибок» – слишком высокая частота ошибок в популяции реплицирующихся молекул (например, частота мутаций РНК молекул), которая имеет пагубные последствия. Кроме того, это явление может рассматриваться как предложенная Манфредом Эйгеном терапия, предусматривающая создание условий, при которых число ошибок при репликации вирусов оказывается слишком большим и приводит к их гибели.

Клеточный цикл – время существования клетки, включающее в себя дупликацию генома или синтез ДНК (S-фазу), рост и деление (митоз или M-фазу).

Кодон – триплет, состоящий из трех нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту; триплетов больше, чем аминокислот («принцип избыточности»); «кодирующая ДНК или РНК» означает, что с них может осуществляться трансляция в белок, а с некодирующих ДНК/РНК – не может.

Колд-Спринг-Харбор (Cold Spring Harbor) – лаборатория, издательство и место проведения конференций; находится недалеко от Нью-Йорка; на базе данной лаборатории проводятся симпозиумы по количественной биологии.

Ламарктизм – наследование приобретенных качеств, заявленное ботаником и философом Жаном Батистом Ламарком.

ЛБ – лимфома Буркитта. Также см. ВЭБ (EBV)

Литическая фаза – разрушение бактерии-хозяина фагом, который лизирует бактерию-хозяина в силу стресса и других факторов среды, вызывает дерепрессию и продуцирует большое количество потомков – вирусных частиц. Противоположностью разрушению является «лизогенная фаза», при которой фаговая ДНК интегрируется, становясь постоянной или устойчивой.

Метагеном – сумма всех геномов организма, любого образца, экосистемы, канализационных стоков, фекалий, легких и т.д.

Метастаз – опухолевая клетка, выходящая за пределы клеточной массы опухоли и размещающаяся на других участках организма; рост переместившихся клеток приводит к развитию опухоли в других локациях; поздняя стадия рака.

Механизм сайленсинга siРНК. Малая регуляторная или сайленсорная РНК возникает из информационной мРНК или вирусных двухцепочечных РНК-интермедиатов путем процессинга и расщепления при помощи фермента Drosha (молекулярных «ножниц»); она экспортируются из ядер, далее подвергается обработке при помощи RISC, и получается двухспиральная цепочка примерно из 22 нуклеотидов, затем происходит удаление одной цепочки РНК, а другая связывается в РНК-мишени с соответствующей последовательностью, расщепляет ее и таким образом прекращает трансляцию и экспрессию белка, обуславливая сайленсинг или полное выключение какого-либо гена. Известны два эффекта сайленсинга – во-первых, транскрипционный сайленсинг гена (ТСГ), действующий на промотор путем РНК-индуцированного метилирования, а во-вторых, посттранскрипционный сайленсинг гена (ПТСГ), при котором происходит связывание siРНК с транскрибированной мРНК гена и ее расщепление, что приводит к сайленсингу генной экспрессии и прекращению трансляции.

Микробиом – описание коллективного генома всех микроорганизмов в образце; у человека бактериальных клеток в 10 раз больше, чем клеток организма, в том числе около 5 млн бактериальных генов в дополнение к 20 000 оригинальных генов человека; это наш второй геном.

Микробиота – сообщество микроорганизмов, ранее называвшееся микрофлорой; микробиота населяет определенные места обитания в организме, в частности, кишечник, влагалище, кожу; чаще всего гомологична микробиому.

Митохондрия, митохондрии – «электростанция» эукариотических клеток; является поставщиком клеточной химической энергии; появилась из бактерии, «захваченной» при симбиозе; при этом потеря генов составляет до 90% и наблюдается высокая степень специализации.

мкРНК (miR). Микро-РНК получается из предшественника двухцепочечной РНК, процессированного белковым комплексом RISC при помощи молекулярных «ножниц» (вышеупомянутый Argonaute содержит домены Paz и PIWI), которые разделяют цепочки; одна цепочка уничтожается, а другая специфически связывает последовательность с целевой (таргетной) РНК, подлежащей уничтожению. RISC – это РНК-индуцированный комплекс сайленсинга.

МНТФ (BDNF) – мозговой нейротрофический фактор, сигнальная молекула, играющая роль в коммуникации между кишечником и клетками головного мозга.

Монофилетическая ветвь (clade) – группы ВИЧ, в которых поверхностные белки обладают определенными характеристиками; M (основная группа) – пандемическая, C – преобладает в Южной Африке.

МРЗС – метициллин резистентный золотистый стафилококк; характеризуется множественной резистентностью и является госпитальным контаминантом, что повышает угрозу для пациентов и показатель смертности.

Мутант – генетически измененный ген; изменения могут быть спонтанными или приобретенными, а также возникшими в результате экспериментов, проводимых в пробирке, что может сформировать резистентность к противовирусной и противораковой терапии.

Мыши агути (трансгенные) – мыши, окрас которых указывает на средовые эффекты, включая канцерогены; шерсть желтого цвета и ожирение свидетельствуют о том, что мыши едят корм, содержащий канцерогены, что вызывает эпигенетические изменения; генетически они идентичны здоровым худым мышам темного окраса.

НАСА – Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

нАт (bnAB) – нейтрализующие антитела широкого спектра к различным штаммам ВИЧ, которые нейтрализуют вирус, блокируют захват клеткой вируса и инфицирование.

Некодирующие – некодирующие ДНК или РНК, не содержащие триплеты, поэтому в них нет информации для белков; не кодируют аминокислоты; зачастую выполняют регуляторные функции, регулируют структурную информацию и осуществляют взаимодействие последовательностей.

Нуклеиновая кислота – полимер, состоящий из нуклеотидов, деоксирибонуклеотидов или рибонуклеотидов, формирующих ДНК или РНК соответственно, а также, возможно, из химерных ДНК и РНК, одно и двухцепочечных, линейных, кольцевых и сегментированных геномов.

Нуклеотид – строительный блок нуклеиновых кислот, рибонуклеотиды применительно к РНК или дезоксирибонуклеотиды в случае ДНК; состоит из сахарида (рибозы или дезоксирибозы) и одного из четырех оснований – аденина (A), тимина (T), гуанина (G), цитозина (C) для ДНК и A, урацил (U вместо T), G, C для РНК. Также называется основанием или парой оснований (в случае двухцепочечной конструкции).

Обратная транскриптаза или ОТ – РНК-зависимая ДНК-полимераза, открытая как фермент для репликации, но имеющая практически универсальное значение для транскрипции РНК в двухцепочечную ДНК, которая интегрируется в геномы «хозяев»; зачастую объединяется с нуклеазой, рибонуклеазой Н или РНКазой Н, которая по завершении обратной транскрипции удаляет вирусную РНК из гибридов РНК–ДНК, в силу чего образуется сначала одноцепочечная, а потом двухцепочечная ДНК; этот механизм также используется параретровирусами, в частности вирусом гепатита В у человека или вирусами растений, например вирусом мозаики цветной капусты, «пенистыми» вирусами обезьян. Это в высшей степени универсальный фермент, присутствующий в бактериях, планктоне и дрожжах; вполне возможно, что он сыграл очень важную роль в эволюции как генератор или «изобретателя» ДНК. ОТ используется ретротранспозонами, присутствует в бактериях, реплицируясь в тысячах копий для неизвестных функций; кроме того, она отмечается в некоторых фагах; подверженный ошибкам фермент вызывает ярко выраженный эффект мутирования (образование квазивидов), что приводит к инновациям и формирует резистентность к препаратам и вакцинам, делая их неэффективными; является мишенью нескольких противовирусных терапий. Это самый распространенный в биосфере фермент благодаря большому числу транспозируемых элементов, которые кодируют обратную транскриптазу; на долю ОТ приходится 13,5% коллективного генома в образцах, собранных в океане, и 5% генома человека.

Общество научных исследований им. Макса Планка – сеть научно-исследовательских организаций, включает около 100 различных институтов, находящихся главным образом в Германии.

Одиночные LTR – гомологическая рекомбинация приводит к уничтожению участков, находящихся между двумя LTR, и остается один; способны активировать соседние гены. В геноме человека примерно 400 000 таких последовательностей.

Онкоген – раковый или опухолевый ген ретровирусов, в частности src, raf, ras, myc, около 100 известных модифицированных клеточных протоонкогенов, которые часто являются стимулирующими рост генами или регуляторами генов (транскрипционные факторы); РНК-онкогены – микроРНК (miR), а также T-антиген SV40, ДНК-содержащий вирус.

Опухолевый или T-антиген – онкоген в малых ДНК-содержащих вирусах, в частности вирусе обезьян 40 (SV40) или полиомавирусе (Py); обычно не связан с раком у человека, но используется в качестве модели рака в лабораторных условиях, где вызывает рак при интеграции вируса.

Основание или пара оснований (сокращенно bp или по) – термин обозначает двухцепочечные нуклеотидные кислоты или только одно основание, состоящее из собственно основания и сахара, которые являются строительными блоками одноцепочечной ДНК или РНК. Пара оснований наблюдается в двухцепочечных ДНК и РНК, которые обозначаются А–Т и G–C для ДНК или A–U и G–C для РНК.

ОТ – обратная транскриптаза.

Парамутация – наследование генетической информации без мутаций, не подчиняющееся законам Менделя, в силу чего называется «парамутация», впервые описана Ройялом Александром Бринком, является предметом новых исследований. Трансгенерационные или парагенетические эффекты отличаются от эпигенетических в силу того, что эти мутации дольше сохраняются, наследуются и обусловлены изменениями в упаковке хроматина. Сформировавшиеся у C. elegansособенности сохранялись в течение 30 поколений. Парамутации существуют у растений, отмечаются у мышей; не известно, есть ли они у человека; соответствуют теории Ламарка (теории наследования приобретенных признаков).

Параретровирус – ДНК-содержащий вирус, использующий для репликации обратную транскриптазу, например вирус гепатита В (HBV), растительный вирус мозаики цветной капусты или «пенистые» вирусы, образует крупную прегеномную РНК внутри клеток.

«Пенистые» вирусы – параретровирусы, у которых жизненный цикл несколько отличается от жизненного цикла ретровирусов. Осуществляют обратную транскрипцию от вирусной РНК к провирусной ДНК перед тем, как вирус покинет клетку, а не перед внедрением в нее. Таким образом, сгруппированный вирусный геном представляет собой ДНК, а не РНК, как у ретровирусов. Другими параретровирусами являются вирус гепатита B (HBV) или вирусы растений, например вирус мозаики цветной капусты. Они упаковывают ДНК в вирусные частицы и поэтому на первый взгляд не похожи на ретровирусы.

Пептид – короткий белок.

Первичный бульон – термин, введенный Чарлзом Дарвином для описания условий внешней среды[24], существовавших на первых этапах формирования жизни на Земле, в которых возникли первые биомолекулы и жизнь. По определению Джона Сазерленда, в его состав могут входить цианид водорода, сульфид водорода, фосфат и вода – все они под воздействием источника энергии, в частности ультрафиолета, могут обусловить формирование строительных блоков жизни, таких как аминокислоты, нуклеиновые кислоты и липиды.

ПКП (PEP) – постконтактная профилактика, которая предусматривает проведение антиретровирусной терапии в течение от четырех до 24 или 72 часов в зависимости от препарата для предотвращения ВИЧ-инфекции, несмотря на наличие половых контактов («утро после таблетки»).

Плазмиды – «голые» (неассоциированные белки, см. хроматин) кольцевые двухцепочечные ДНК внутри клеток (главным образом бактерий), могут переносить гены из одной клетки в другую; одним из таких примеров является Ti-плазмида Agrobacterium tumefaciens, которая индуцирует развитие опухоли у растений и лежит в основе генной терапии растений; вакцины на основе ДНК плазмиды кодируют белки/антитела, продуцируемые реципиентом после инъекции.

Плацента – слой клеток, отделяющий иммунную систему матери от эмбриона; см. синцитин.

Поли-ДНК-вирус – вирус насекомых, несущий 30 ДНК-плазмид из ДНК хозяина, кодирующий токсины и другие белки; имеет симбиотические отношения с осами; вирусные частицы не содержат вирусный геном, который вместо этого интегрируется в геномы ос; вирус передается вместе с яйцами насекомых, которые откладываются в живых гусеницах, что помогает прокормить личинок ос, уничтожая гусениц и используя их в качестве пищи, для чего задействуются транспортируемые гены токсинов, что напоминает механизм вирусных векторов при генной терапии.

Полимераза – фермент, необходимый для синтеза (полимеризации) биополимеров, в частности, нуклеиновых кислот, которые нужны для репликации ДНК или РНК в клетках и вирусах; обратная транскриптаза определяется как РНК-зависимая ДНК-полимераза.

Полимеразная цепная реакция – см. ПЦР.

Пребиотик – см. пробиотик.

Прион – понятие, состоящее из двух слов, а именно «белок» (protein) и «инфекция» (infection), обозначающее белковый инфекционный агент, состоящий «только из белка» и не имеющий нуклеиновых кислот. Прионовые белки, которые естественным образом присутствуют в тканях головного мозга, под действием средовых или генетических факторов или инфекции могут стать «неправильно свернутыми» наряду с другими неправильно свернутыми прионами; неправильное сворачивание (misfolding) приводит к агрегации прионов и развитию нейродегенеративных заболеваний. Здоровые прионные белки, называемые PrP, имеют структуры, отличные от тех, у которых сворачивание вызывает развитие заболеваний (PrPSc возникает из-за болезни скепи у овец, вызываемой неправильно свернутыми прионами); у них больше складчатых бета-слоев и меньше альфа-изгибов. В 1997 г. первооткрыватель прионов Стенли Прузинер стал лауреатом Нобелевской премии. Инфицирование человека прионами может происходить при потреблении мяса. Прион является возбудителем губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота (ГЭКРС) (коровье бешенство), или куру (заболевание, ранее наблюдавшееся в племенах каннибалов в Папуа – Новой Гвинее), или скепи у овец; обобщенное название этих инфекционных заболеваний – ТГЭ (трансмиссивная губчатая энцефалопатия).

Пробиотик – часто живые бактерии, содержащиеся в йогуртах или молочных продуктах, которые попадают в кишечник. В отличие от них, пребиотики – специализированные неперевариваемые растительные волокна, которые действуют как удобрение для «хороших бактерий», которые там уже имеются.

Провирус (ДНК-содержащий) – промежуточная ДНК ретровирусов как важный этап репликации; интегрируется в ДНК клетки-хозяина на случайно выбираемых участках, наследуется в процессе деления клеток; название относится к ДНК-профагу.

Прокариоты – клетки, не имеющие ядра, бактерии или археи, в отличие от эукариотических клеток, у которых есть ядро.

Простейшие (протисты) – одноклеточные микроскопические эукариотические организмы, в том числе водоросли, слизистая плесень, в ряде случаев к их числу относят некоторых многоклеточных и микробиомных эукариотов; неформальное классифицирование разнообразных эукариотических организмов, за исключением животных, грибов и растений.

Профаг (ДНК-) – промежуточная ДНК в жизненном цикле ДНК-фагов, которые интегрируются в ДНК бактерии-хозяина.

«Прыгающий» ген, или транспозируемый элемент (ТЭ) – транспозон (подчиняется механизму «вырезать и вставить») или ретротранспозон (подчиняется механизму «копировать и вставить»), которые двигаются внутри клеточного ядра, влияя на геном; являются дефектными вирусными элементами, не имеют оболочки и «заперты» внутри клеток, составляют 45% генома человека. «Прыжки» генов вызывают изменение генетического материала. Способность к «прыжкам» регулируется эпигенетическими эффектами, может носить инновационный характер и оказаться опасной для генома и организма; контролируется механизмом сайленсинга (siРНК), который ограничивает двигательную подвижность этих элементов.

ПЦР – полимеразная цепная реакция, высокочувствительный метод амплификации молекул ДНК, который может использоваться в диагностике для выявления нуклеиновых кислот, включая мутации. Метод позволяет выполнять количественную оценку ДНК; процедура осуществляется в термоциклере, то есть в аппарате, где ДНК-содержащий образец сначала «расплавляется» и становится одноцепочечным, а затем копируется при помощи фермента ДНК-полимеразы, чтобы из каждой цепочки получить две (для этого используется стартер/праймер). Расплавление и копирование повторяются 20–60 раз, и число копий увеличивается в геометрической прогрессии (1, 2, 4, 8, 16 и т.д.). Количественная реакция, включающая предварительную обратную транскрипцию РНК в ДНК, например для выявления РНК ВИЧ, называется количественной ПЦР в реальном времени. Этот метод анализа используется очень часто. Резистентная к теплу ДНК-полимераза – это Taq-полимераза, при этом Taq в названии означает бактерию Thermus aquaticus, и ее использование повысило эффективность ПЦР.

Размеры генома. Амеба (Amoeba dubia) – 700 млрд пар оснований (bp или по); вороний глаз японский (Paris japonica) – 150 млрд bp; тюльпан и кукуруза – 30 млрд bp; человек – 3,2 млрд bp; грибы, морские водоросли, черви – 50 млн bp; простейшие – 10–100 млн bp; бактерии – 1–10 млн bp; археи – около 6 млн bp; гигантские бактерии – 0,5–2,5 млн bp; Mycoplasma mycoides – 1 млн bp; Nanoarchaeum equitans – 0,5 млн bp; Mycoplasma genitalium – одна из самых мелких живых клеток с 580 000 bp; вирус оспы – 350 000 bp; вирус герпеса – 100 000 bp; вирус гриппа и ретровирус – 10 000 bp; полиовирус – 7500 bp; вироиды – 300 bp.

Рак – клетки с неконтролируемым и неограниченным во времени ростом, что обусловлено генотоксическими явлениями, вызванными комбинацией большого числа факторов среды, к которым относятся радиоактивность, действие токсинов, онкогенов и некоторых вирусов, наследуемые генетические дефекты, мультифазовые или мультифакторные эффекты, активация генов рака или потеря генов – супрессоров опухолей. Раковые клетки могут иметь 18 интронов (в норме средний показатель составляет 5–7 интронов), что обусловливает высокую сложность процесса, и способны развиваться в течение более 30 лет.

Регуляторные РНК – часто малые некодирующие нкРНК, регулирующие гены путем активации метилтрансфераз, которые присоединяют метиловые группы к ДНК или ацетилируют хромосомы, изменяют генную экспрессию, что часто обусловлено факторами среды, приводящими к эпигенетическим эффектам, имеющим временный эффект и сохраняющимся в течение жизни только одного поколения организма; следующим поколением обычно не наследуются; впервые явление было описано Барбарой Макклинток на примере разноцветных кукурузных зерен.

Рекомбинантный белок – белок одного вида, продуцируемый с использованием генной технологии в другом организме, обозначается r (р); этот метод применяется для получения новых препаратов, используется для разработки новых культур растений, регулируемых законодательством по генетически модифицированным организмам (ГМО).

Рекомбинация – природный механизм, предусматривающий формирование новых комбинаций ДНК (также и в лабораторных условиях); комбинация ДНК-фрагментов путем этого процесса называется клонированием.

Ретровирус – РНК-содержащий вирус с двумя идентичными вирусными «плюс»-цепями РНК; реплицируется при помощи обязательной промежуточной ДНК; ДНК-провирус, который обычно интегрируется в геномную ДНК хозяина, кодирует примерно 10 генов, gag (для структуры), pol (для репликации с использованием ОТ, РНКазы Н, интегразы и протеазы) и env (для оболочечных белков) и несколько вспомогательных генов для регуляции репликации, главным образом у ВИЧ; он может захватывать клеточные гены, которые трансдуцируются вирусом, выступающим в роли онкогена, в другие клетки, что составляет основу исследований рака; им можно манипулировать путем захвата терапевтических генов как основы генной терапии; вирус имеет сильные промоторы, длинные концевые повторы (LTR-последовательности) для активации вирусных, а также соседних клеточных генов.

Ретротранспозоны – подвижные генетические элементы, или «прыгающие» гены, которые действуют по принципу «копировать и вставить», предусматривающему цикл обратной транскрипции; родственны безоболочечным ретровирусам, которые не покидают клетку, что приводит к дупликации генов; важный этап эволюции клеточных геномов; кодируют ОТ, РНКазу Н, интегразу, протеазы, ограничиваются LTR-последовательностями; составляют 8% генома человека, соответствующие 450 000 копий, представлены эндогенным ретровирусом человека (HERV) и ретротранспозонами; ретротранспозоны без env редко отмечаются в геноме человека, но их очень много в геномах растений и насекомых; зачастую у них креативные названия: в частности, ретротраспозоны мухи дрозофилы называются Gypsy («Цыган») или Copia («Облик»), а дрожжей Ty3 (или Ty1–Ty5) – Sleeping Beauty («Спящая красавица») или Mariner («Моряк») у рыб, Lotus(«Лотос») у растений, Tn у бактерий; ДНК-транспозоны и ретротранспозоны являются так называемыми «эгоистичными генетическими элементами», или «прыгающими» генами, которые нужно «приручать» или контролировать путем сайленсинга, для чего задействуется механизм siРНК, который предусматривает использование молекулярных «ножниц» для их расщепления; специальный контроль ТЭ в зародышевых клетках осуществляется за счет использования piРНК (PIWI-взаимодействующей РНК). Число ретротранспозонов может быть высоким, например 150 000–250 000 в геноме кукурузы.

Рибозим – малая ферментативно активная кольцевая РНК, имеющая шпилько-петлеобразную структуру; в ряде случаев бывает неактивной; в растениях представлена в виде вироидов; присутствует в печени человека в форме одного-единственного вида – вируса гепатита дельта (HDV); также относится к кольцевой РНК или circRNA.

Рибонуклеаза H – фермент, специфически разрушающий РНК-цепочку РНК–ДНК-гибрида в процессе репликации ретровируса или ретротранспозиции; существует много родственных форм PIWI и Cas9. См. также РНКаза Н.

Рибосомная РНК – компонент рибосом; эта последовательность является основой при классификации различных типов бактерий; она также называется 16S/18S rРНК или rДНК на уровне ДНК; имеет размер 16S у бактерий, 18S в эукариотических клетках.

Рибосомы – это рибозимы. Синтез белка в рибосомах зависит от рибозимов, имеющих очень древнее происхождение, их девиз «Рибосомы – это рибозимы!»; каталитическая РНК – активный компонент, соединяющий аминокислоты.

РНК выполняет функции мессенджера (mРНК, или информационная иРНК, или матричная мРНК), переноса (транспортная тРНК), некодирующей РНК (нкRNA), малой интерферирующей РНК или сайленсера (siРНК), интерферирующей РНК (РНКi), длинной некодирующей РНК (lncРНК), длинной межгенной некодирующей РНК (lincРНК) из участков между генами, PIWI-взаимодействующей РНК (piRNA) или PIWI-РНК в зародышевых клетках, семенной жидкости и эмбрионе; также представлена в виде кольцевой РНК (circРНК), онкогенной микроРНК (miR), ассоциированной с повторами siРНК (rasiРНК); контролирует ретротранспозоны в зародышевых клетках (piРНК), рибосомной РНК (rРНК), 16S rРНК у прокариотов,18S rРНК у эукариотов.

РНКаза Н – рибонуклеаза Н, фермент, расщепляющий и удаляющий РНК из гибрида РНК–ДНК в процессе репликации ретровируса, молекулярные «ножницы»; кроме того, РНКаза Н удаляет праймеры после инициации синтеза ДНК в эукариотических клетках; вирусная РНКаза Н удаляет ретровирусную РНК по завершении ее транскрипции в ДНК; РНКаза H1 и 2A,B,C наблюдаются в клетках человека, РНКаза HI и HII – в бактериях; кроме того, существует большое семейство, представленное интегразой, дайсером, доменом PIWI из белка Argonaute в комплексе RISC с siРНК, RAG1/2 (генов активации рекомбинации 1/2), необходимых для V(D)J-рекомбинации для производства антител, эндонуклеазы RuvС, Cas9 для расщепления ДНК в РНК–ДНК-гибридах (как ДНКаза Н) или siДНКаза или в Prp8 для сплайсинга; это самая распространенная укладка белка (см. Moelling and Broecker, NYAS 2015); у РНКазы Н пять альфа-спиралей, пять складчатых бета-слоев и три аминокислоты, связывающие с ионом магния для поддержания структуры; имеет триаду незаменяемых аминокислот DDE примерно из 100 Ак, которая является характерной чертой молекулярных «ножниц», если речь идет о поиске родственных членов семейства, но «расстояние» между этими родственниками варьирует.

Сайленсинг РНК (с помощью siРНК) – выключение (сайленсинг) генной экспрессии в РНК-индуцированном комплексе сайленсинга (RISC), который отвечает за расщепление РНК-мишени, этот процесс также известен под названием РНК-интерференции или РНКi. Комплекс для расщепления RISC состоит из белка Argonaute и различных классов малых некодирующих РНК. Малая РНК, также называемая siРНК или сайленсерной РНК, направляет фермент к комплементарным мРНК и индуцирует расщепление, что ингибирует генную экспрессию (при ингибировании трансляции производство белка не происходит); Argonaute содержит PIWI-домен, РНКазу Н-сложенные молекулярные «ножницы»; siРНК регулируют клеточную или вирусную РНК; противовирусная защита является частью иммунной системы у растений; существует у C. elegans, а также является слабой противовирусной защитной системой у человека.

Симбиоз – сосуществование двух или более видов, характеризующееся долгосрочной взаимозависимостью; в этом смысле показательны митохондрии, бывшие бактерии в клетках млекопитающих; взаимовыгодное сосуществование (мутуализм); часто наблюдается уменьшение числа генов в пользу специализации. Некоторые модели симбиоза предполагают, что археи могли «слиться» с бактериями путем эндосимбиоза, что в конечном итоге привело к образованию эукариотических клеток.

Синцитин – захваченный белок оболочки ретровируса, ассоциированный с уникальной по своей структуре плацентой у человека и других млекопитающих и жвачных; это слой клеток, состоящий из синцитиотрофобластов, который у человека отделяет мать от плода, что более 30 млн лет назад сделало откладывание яиц бессмысленным; фузогенные (приводящие к слипанию) свойства оболочки белка аналогичны белкам ВИЧ, когда формирование синцития приводит к образованию гигантских клеток путем слияния; это тест-индикатор на предмет выявления ВИЧ; все 18 известных в животном мире представителей семейства синцитина были получены из разных ретровирусов; синцитин защищает организм от иммунного отторжения плода организмом матери.

Состав генома. У человека – 3% транспозонов ДНК, 45% общего числа – транспозируемые элементы, у дрожжей – по большей части ретротранспозоны, очень незначительное число ДНК-транспозонов, у C. elegans – главным образом ДНК-транспозоны, незначительное количество ретротранспозонов, у растений – разное количество ДНК транспозонов и ретротранспозонов.

Сплайсинг – комбинирование различных участков мРНК у эукариотов, а именно экзонов, путем удаления промежуточных последовательностей, которыми зачастую являются не кодирующие белок интроны, путем исключения «лассо»-подобных РНК; требуется комбинация структуры РНК без узлов, чтобы рибосомы могли транслировать новые РНК-последовательности в белки, что важно для повышения сложности генома и его вариабельности; самый важный фактор, определяющий сложность генома человека.

Стволовые клетки тотипотентные – самые изменчивые клетки, которые in vitro получают из оплодотворенных яиц; через четыре дня они могут развиться в любую клетку человека; развиваются в плюрипотентные стволовые клетки, которые могут развиться во все типы клеток, но при этом целый организм не формируется; мультипотентные стволовые клетки отличаются менее выраженной изменчивостью, приводя к формированию ограниченного числа видов клеток; взрослые стволовые клетки мультипотентны, заменяют погибшие взрослые клетки или клетки, переставшие функционировать; недифференцированные клетки в той или иной дифференцированной ткани (в частности, в тканях головного мозга, крови, мышечной ткани и т.д.).

«Суицид» – доведение ВИЧ до «самоубийства» при помощи синтетического участка ДНК с целью формирования гибрида, который активирует вирусную РНКазу Н и уничтожает инфицирующие свойства вируса; такие части ДНК называются также siДНК (малые интерферирующие ДНК, К. Мёллинг). Это обычный шаг в процессе репликации, но его можно предварительно активировать и в вирусных частицах. Термин «суицид» ввела редколлегия Nature Biotechnology. Речь идет о разработке микробицида для профилактики передачи ВИЧ при половом контакте. Малые ДНК действуют против полипуринового тракта (ППТ) и образуют G-тетраду, позволяющую осуществлять захват вируса. До сих пор не существует препаратов, ингибирующих вирусную РНКазу Н. «Суицид» же, наоборот, «активирует» подход терапии против ВИЧ.

Супрессор опухоли – гены и белки, выполняющие антипролиферативную функцию; их потеря способствует развитию рака; ингибируют рост клетки; противодействуют онкогенам, часто удаляются онкогенными белками, повышая онкогенность; потеря супрессора опухоли часто является одним из ключевых явлений при формировании опухоли, и его замена с помощью генной терапии может иметь некоторую эффективность в лечении рака. Вирусы способны титровать белки супрессора опухоли для более продолжительной жизни клетки и получения большего числа потомков.

Теломераза – теломерная обратная транскриптаза (ТОТ или TERT), которая использует свои короткие РНК как эндогенный шаблон и копирует их в количестве нескольких тысяч копий, пролонгируя таким образом концы ДНК или хромосом (теломер); активна в период эмбриогенеза и в опухолях; в нормальной клетке теломеразная активность отключена и хромосомы укорачиваются на концах при каждом этапе клеточного деления; своего рода молекулярные часы; этот фермент – мишень противораковой терапии и терапии, направленной против старения; старение клеток происходит несинхронно, поэтому длина теломер не является предсказуемым маркером для прогнозирования продолжительности жизни организма.

Трансгенерационная генетика – унаследованные эпигенетические химические изменения генов и хроматина без мутаций, индуцированные факторами среды; носят более долгосрочный характер, чем эпигенетические изменения, сохраняются в течение нескольких и даже многих поколений; память у C. elegans индуцируется с помощью piРНК и сохраняется в течение 30 поколений: черви запоминают запах этилового спирта и половых гормонов; трансгенерационная генетика встречается у растений и мышей; что касается человека, ситуация неясна и данная тема является предметом исследований – как от страдающих ожирением дедушек ожирение передается внукам. См. также парамутация.

Транспозон, или транспозируемый элемент – «прыгающий» ген, который состоит из всех видов элементов, таких как ретроэлементы или ДНК-ретротранспозоны, и действует по принципу «вырезать и вставить», что приводит к двум генотоксическим явлениям, и по принципу «копировать и вставить» для ретротранспозонов, это одно генотоксическое явление, сопровождающееся дупликацией гена. Геном человека примерно на 50% состоит из ТЭ, в геноме кукурузы этот показатель составляет 49–78%, в геноме пшеницы – 90%, в геноме C. elegans – 12%.

Триплет – кодон, образованный тремя нуклеотидами мРНК; каждый кодон специфичен для одной Aк; они собираются на рибосоме с мРНК как матрице для синтеза белка; кодирование белка приводит к образованию белков; некодирующая РНК (нкРНК) выполняет регуляторные функции.

ТЭ – все виды транспозируемых элементов, также «прыгающие» гены.

Умеренный фаг – нелитический, или умеренный фаг, интегрирует свою ДНК в ДНК бактерии-хозяина в качестве ДНК-профага; может индуцироваться стрессом и становиться литическим в силу потери супрессора, что обеспечивает репликацию потомства и разрушение (лизис) клетки.

Утконос – млекопитающее, которое откладывает яйца и не является живородящим. Нос у этого животного похож на утиный клюв, а хвост – на хвост бобра. Эндемичный вид для восточного побережья Австралии, находится на грани вымирания.

Фаги или бактериофаги – чаще всего это вирусы бактерий, имеющих двухцепочечную ДНК; могут иметь шипы; способны интегрироваться, подобно ДНК-профагу, в геном хозяина (ограниченный или лизогенный цикл) или приобрести эписомальный характер, покинув ДНК хозяина и осуществив лизис бактерий (литический цикл) в целях репликации вируса/фага, разновидности вируса; очень широко распространенный вид вируса в океанах, почве, воздухе и т.д.

Фермент Drosha – фермент, содержащий структуру РНКазы Н, разрезает двухцепочечную РНК для процессинга сайленсерной РНК (малая интерферирующая РНК).

Фико-ДНК-вирус – гигантский вирус, крупный икосаэдрический вирус морских водорослей (фико), имеющий двухцепочечную ДНК. Характеризуется выраженным генетическим разнообразием, может быть литическим и лизогенным. Вирус Chlorella может уничтожать цветущие водоросли, как в библейской притче о «красном приливе», влияя на геохимические циклические процессы и погодные паттерны. Патогенность для человека не установлена.

ФП – фекальная передача, трансплантация фекалий от одного человека другому в качестве терапии инфекции, индуцированной С. difficile.

Хроматин – комплекс клеточной ДНК с белками, в частности гистонами, вокруг которых происходит закручивание ДНК; могут изменяться под действием эпигенетических модификаций (в частности, метилирования ДНК и ацетилирования гистона).

Хромосома – генетический материал (геном) эукариотов, который распределяется на линейных ДНК-молекулах с ассоциированными белками, и все вместе это называется хромосомами. У человека 22 общие хромосомы, каждая из которых представлена в двух копиях, и еще две специфические хромосомы, определяемые полом (женские – XX, мужские – XY), – в общей сложности 46 хромосом.

Хронологические этапы развития Земли. 14 млрд лет назад – Большой взрыв; 4,5–4,0 млрд лет назад – формирование Земли, массивные метеоритные бомбардировки Земли космическими объектами и столкновение с гигантским объектом, что привело к образованию Луны; 4 млрд лет назад – формирование первых биомолекул; 580 млн лет назад – образование многоклеточных организмов; 540 млн лет назад – Кембрийский взрыв, характеризовавшийся появлением огромного разнообразия форм жизни; 380 млн лет назад – появление первых позвоночных; 230–65 млн лет назад – динозавры; 65 млн лет назад – падение астероида на территории Юкатанского полуострова (современная Мексика), после чего произошло массовое вымирание динозавров; 3,2 млн лет назад – появление австралопитека (Люси) в Африке; 200 000 лет назад – появление Homo sapiens; 200 000–40 000 лет назад – неандертальцы.

Цвет – помогает «увидеть» эффекты мутации, эпи- и парамутации у кукурузы, мышей агути и мышей с белыми хвостами, полоски на тюльпанах, растения в крапинку, полоску и с кольцевой пятнистостью, в веретеновидности клубней картофеля, а также окраске зебр, леопардов и, я полагаю, также декоративных карпов кои. Характер распределения окраски обусловлен взаимовлиянием главным образом двух основных типов клеток, химических соединений, или «морфогенов», активатора и ингибитора; при этом имеют значение такие факторы, как геометрия и частота. В 1952 г. знаменитый английский математик Алан Тьюринг описал это явление при помощи двух дифференциальных уравнений. «Механизм Тьюринга» относится к системе активации–диффузии или к системе «активатор–ингибитор». Вероятно, в ряде случаев в роли активатора выступает вирус, а ингибитора – сайленсерная siРНК, обусловливающая появление белых пятен на петуниях.

Центральная догма – поток информации внутри клетки, по определению Ф. Крика, «от ДНК к РНК и к белкам»; передача информации от ДНК к РНК называется транскрипцией. Важная роль, которую РНК играет в качестве биомолекулы, дает основание предположить, что в процессе эволюции сначала сформировался механизм движения информации в обратном направлении: от РНК к белкам и от РНК к ДНК, тогда так называемая «обратная» транскрипция действительно является реальной (оригинальной).

ЭБВ (вирус Эпштейна–Барр) – вирус герпеса, вызывающий три заболевания: мононуклеоз – доброкачественную ангину («болезнь поцелуев») в странах Запада, лимфому Буркитта (ЛБ) в Африке и назофарингеальную саркому в Китае в зависимости от последовательности вируса и кофакторов.

ЭК – элитный контроллер; люди, обладающие естественной резистентностью к ВИЧ-нагрузке или способностью ее контролировать.

Экзон – в эукариотических генах экзоны составляют белок-кодирующую последовательность, прерываемую интронами, которые не кодируют белки. Вирусные и большинство прокариотических генов состоят только из экзонов.

Экспедиция Tara Oceans – морская экспедиция, проводившаяся Европейской организацией по молекулярной биологии (EMBO) с 2009 по 2013 г. во всех океанах, во время которой было собрано 35 000 образцов планктона с 200 станций; описано 40 млн генов, по большей части неизвестных; в верхних слоях океана обнаружено 5000 популяций вируса, см. Science, май 2015 г.

Эндогенный (ретро)вирус – (ретро)вирус в геноме, происходящий из вирусных инфекций зародышевых клеток. Такие вирусы, как правило, не формируют частицы и «вертикально» передаются следующим поколениям. Процесс эндогенизации может наблюдаться в реальном времени в популяции австралийских коал.

Эпигенетика – временные изменения ДНК/хроматина, не сопровождающиеся мутацией; генетическая информация, не подчиняющаяся законам Менделя, химическая модификация, являющаяся результатом присоединения метиловых групп к ДНК (в основном на CpG-сайтах) или ацетилирования белков-гистонов, вызванного активностью регуляторной ДНК и активацией РНК-зависимых ДНК-метилтрансфераз, метиляторов, что часто обусловливает инактивацию промоторов. Такая информация, как правило, не передается по наследству; цвет как видимый индикатор эпигенетических изменений был впервые выявлен у кукурузы. Эпигенетические изменения могут привести к развитию рака, поэтому требуются новые диагностические методы, в частности бисульфитная конверсия, которая предусматривает превращение неметилированных С в геноме в Т, что выявляется при секвенировании.

Эпигенетические изменения – негенетическая модификация ДНК/хроматина, которая возникает в результате мутации, не подчиняющейся законам Менделя, и обусловлена факторами среды (речь идет о присоединении метиловых групп к нуклеотидам ДНК или модификациях ДНК-ассоциированных белков путем ацетилирования), равно как и прочими факторами; а также упаковка ДНК, нормальная для одного поколения, обусловленная средовыми факторами; эти изменения исчезают при оплодотворении, но в ряде случаев также могут передаваться двум последующим поколениям через зародышевые клетки, главным образом в силу стресса, возникающего во время беременности, в частности голода.

ЭС-клетки (ES) – эмбриональные стволовые клетки, которые под действием биомолекулярных стимуляторов могут развиться в одну из 200 специфических (дифференцированных) клеток организма человека. Во многих случаях их запрещено использовать в исследовательских целях. При комбинаторном использовании четырех факторов транскрипции можно вернуть дифференцированные взрослые клетки в эмбриональное состояние (см. iPS-клетки).

Эубиоз – здоровое состояние микробиома кишечника.

Эукариоты – все организмы, чьи клетки содержат ядра, – растения, водоросли, грибы/дрожжи, животные и млекопитающие, включая человека, в отличие от прокариотов, которые не имеют ядер, в частности бактерий.

Список использованной литературы

Общий

Brockman, J., The Edge, Annual Question 2005: What do you believe is true even though you cannot prove it?

Blaser, M.J., Missing Microbes (Oneworld Publications, 2014).

Chin, J. (Ed.), Control of Communicable Diseases Manual, American Public Health Association, 2000.

Crawford, D.H., Deadly Companions: How Microbes Shaped Our History (Oxford University Press, New York, 2007).

Domingo, E., Parish, C., and Holland J. (Eds.), Origin and Evolution of Viruses (Academic Press, London, 2008), p. 477.

Dyson, F.J., The Sun, the Genome and the Internet (Oxford University Press, New York, 1999).

Dyson, F.J., The Scientist as Rebel, The New York Review of Books, 2006.

Dyson, F.J., Origins of Life (Cambridge University Press, 1986).

Eigen, M., From Strange Simplicity to Complex Familiarity, A Treatise on Matter, Information, Life andThought (Oxford University Press, 2013).

Frebel, A., Auf der Suche nach den дltesten Sternen (S. Fischer Press, 2007).

Fischer, E.P., Das Genom (S. Fischer Press, 2004).

Flint, J. et al., Principles of Virology (ASM Press, 2000).

Mahy, B.W.J., The Dictionary of Virology (Academic Press, 2009).

Moelling, K., Are viruses our oldest ancestors? EMBO Reports, 2012; 13:1033.

Moelling, K., What contemporary viruses tell us about evolution – a personal view, Archives Virol. 2013; 158:1833.

Napier, J., Evolution (McGraw-Hill, 2007).

Ryan, F., Virolution (Spektrum Akademic Press, 2010).

Science special issue: HIV and TB in South Africa, Science 2013; 339:873.

Schrödinger, E., What Is Life? (Cambridge University Press, 1967).

van Regenmortel, M. and Mahy, B., Desk Encyclopedia of General Virology (Academic Press, 2009).

Villarreal, L.P., Viruses and the Evolution of Life (American Society of Microbiology Press, 2005).

Watson, J.D., The Double Helix (Norton Critical Edition, 1980; Atheneum, 1980).

Wagener, Ch., Molekulare Onkologie (G. Thieme Verlag, 1999).

Witzany, G., A perspective on natural genetic engineering and natural genome editing. Introduction, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2009; 1178: 1–5.

Witzany, G. (Ed.), Viruses: Essential Agents of Life (Springer, 2012).

Zimmer, C., Parasite Rex: Inside the Bizarre World of Nature’s Most Dangerous Creatures (Free Press, 2000). (Циммер К. Паразит – царь природы. – М.: АНФ, 2017)

Zimmer, C., A Planet of Viruses, 2nd ed. (University of Chicago Press, 2015).

Глава 1

Katzourakis, A., Gifford, R.J. et al., Macroevolution of complex retroviruses, Science 2009; 325:1512.

Ziegler, Anna, Photograph 51, theatre play.

Maddox, B., Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA (HarperCollins, 2002).

Watson, J.D., and Crick, F., Molecular structure of nucleic acids: A structure for DNA. Nature, 1974; 248:765.

Crick, F., Central dogma of molecular biology, Nature 1970; 227:561.

Eigen, M., Error catastrophe and antiviral strategy, PNAS2002; 99:13374.

Patel, B.H. et al., Common origins of RNA, protein and lipid precursors in a protometabolism, Nat. Chem. 2015; 4:301.

Sweetlove, L., Number of species on Earth at 8.7 million, Nature 2011, doi:10.1038/news.2011498.

Splicing: Sharp, P.A., The discovery of split genes and RNA splicing, Trends in Biochemical Sciences 2005; 30:279.

Глава 2

Influenza: Taubenberger, J.K., Influenza viruses: Breaking all the rules, MBio. 2013; 4: p.ii: e00365–13.

Fouchier, R.A.M., Garcнa-Sastre, A., and Kawaoka, Y., H5N1 virus: Transmission studies resume for avian flu, Nature 2013; 493:609.

Vaccination: Don’t blame the CIA, Nature 2011; 265:475.

Bioterrorism: Lane, H.C., La Montagne, H.L., and Fauci, A.S., Bioterrorism: A clear and present danger, Nature Med. 2001; 7:1271.

HIV: Cohen, J., AIDS research. More woes for struggling HIV vaccine field, Science 2013; 340:667.

Naked DNA: Weber, R., Bossart, W. et al., Moelling, K., Phase I clinical trial with HIV-1 gp160 plasmid vaccine in HIV-1-infected asymptomatic subjects, Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2001; 11:800.

Lowrie, D.B. et al., Moelling, K., Silva, C.L., Therapy of tuberculosis in mice by DNA vaccination, Nature 1999; 400:269.

Schlitz, J.G., Salzer, U., Mohajeri, M.H. et al., Moelling, K., Antibodies from a DNA peptide vaccination decrease the brain amyloid burden in a mouse model of Alzheimer`s disease, J. Mol. Med. 2004; 82:706.

Microbicide: Haase, A.T., Early events in sexual transmission of HIV for interventions, Annu. Rev. Med. 2011; 62:127.

Matzen, K. et al., Moelling, K., RNase H-mediated retrovirus destruction in vivo triggered by oligodeoxynucleotides, Nat. Biotechnol. 2007; 25:669; Commentary: Johnson, W.E., Assisted suicide for retroviruses, Nat. Biotech. 2007; 25:643.

Wittmer-Elzaouk, L. et al., Moelling, K., Retroviral self-inactivation in the mouse vagina, Antiviral Res. 2009; 82:22.

HIV Future: Hütter, G., Transplantation of blood stem cells for HIV/AIDS?, J. Int. AIDS Soc. 2009; 12:10.

Faria, N.R. et al., HIV eipdemiology. The early spread and ignition of HIV-1 in human, Science 2014; 346:56.

Глава 3

Reverse transcriptase: Baltimore, D., RNA-dependent DNA polymerase in virions of RNA tumour viruses, Nature 1970; 226:1209.

Temin, H.M. and Mizutani, S., RNA-dependent DNA polymerase in virions of Rous sarcoma virus, Nature 1970; 226:1211.

Mölling, K. et al., Association of viral RT with an enzyme degrading the RNA of RNA-DNA hybrids, Nat. New. Biol. 1971; 234:240.

Moelling, K., RT and RNase H: In a murine virus and in both subunits of an avian virus, CSH SyQB1975; 39:269.

Moelling, K., Targeting the RNase H by rational drug design, AIDS2012;26:1983.

Moelling, K. et al., Relationship retroviral replication and RNA interference, CSH SyQB2006; 71:365.

Simon, D.M. and Zimmerly, S., A diversity of uncharacterized RTs in bacteria, NAR2008; 36:7219.

Lampson, B.C., Inouye, M., and Inouye, S., Retrons, msDNA, bacterial genome, Cytogenet. Genome Res. 2005; 110:491.

Moelling, K. and Broecker F., The RT-RNase H: From viruses to antiviral defense, Ann. N. Y. Acad.Sci. 2015; 1341:126.

RNase H: Tisdale, M. et al., Moelling, K., Mutations in the RNase H of HIV-1 infectivity, J. Gen. Virol. 1991; 72:59.

Broecker, F., Andrae, K., and Moelling, K., Activation of HIV RNase H, suicide a novel microbicide?, ARHR2012; 28:1397.

Song, J.J. et al., Structure of Argonaute and implications for RISC slicer, Science 2004; 305:1434.

Malik, H.S. and Eickbush, T.H., RNase H suggests a late origin of LTR from TE, Genome Res. 2001; 11:1187.

Crow, Y.J. et al., Jackson, A.P., Mutations in genes encoding ribonuclease H2 subunits cause Aicardi-Goutiѐre syndrome and mimic congenital viral brain infection. Nat. Genet. 2006; 38:910.

Cerritelli, S.M. and Crouch, R.J., Ribonuclease H: The enzymes in eukaryotes, FEBS J. 2009; 276:1494.

Nowotny, M., Retroviral integrase superfamily: The structural perspective, EMBO Rep. 2009; 10:144.

Arshan Nasir, A., Sun, F.-J., Kim, K.M., and Caetano-Anolles, G., Untangling the origin of viruses and their impact on cellular evolution, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2014; 1341:61.

Telomerase: Greider, C.W. and Blackburn, E.H., A specific telomere terminal transferase, Cell 1985; 43:405.

Skloot, R., The Immortal Life of Henrietta Lacks (Crown Publishing Group, 2010).

Nandakumar, J. and Cech, T.R., Finding the end: Recruitment of telomerase, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2013; 14:69.

Budin, I. and Szostak, J.W., Transition from primitive to modern cell membranes, PNAS2011; 108:5249.

Глава 4

Sarcoma saga: Martin, G. S., The hunting of the Src, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2001; 2:467.

Yeatman, T.J. and Roskoski, R. Jr., A renaissance for SRC, Nat. Rev. Cancer 2004; 4: 470.

Oncoproteins: Donner, P., Greiser-Wilke, I. and Moelling, K., Nuclear localization and DNA binding of Myc, Nature 1982; 296:262 and Moelling, K. et al., Nature 1984, 312:551, Myb, Cell 1985; 40:983.

Axel, R., Schlom, J., and Spiegelman, S., Presence in human breast cancer of RNA homologous to MMTV, Nature 1972; 235:32.

Raf-kinase: Moelling, K. et al., Serine–threonine PK activities of Mil/Raf, Nature 1984; 312:558.

Zimmermann, S. and Moelling, K., Phosphorylation and regulation of Raf by Akt, Science 1999; 286:1741.

Rommel, C. et al., Differentiation specific inhibition of Raf-MEK-ERK by Akt, Science 1999; 286:1738.

Zimmermann, S., Moelling K., and Radziwil, G., MEK1 mediates positive feedback on Raf, Oncogene 1997; 15:1503.

Dummer, R. and Flaherty, K.T., Resistance with tyrosine kinase inhibitors in melanoma, Curr. Opin. Oncol. 2012; 24:150.

Das Thakur, M., et al., Modelling Vemurafenib resistance in melanoma, Nature 2013; 494:251.

Holderfield, M. et al., Targeting RAF kinases for cancer therapy: BRAF-mutated melanoma and beyond, Nature Rev. Cancer 2014; 14:455.

McMahon, M., Parsing out the complexity of RAF inhibitor resistance, Pigment Cell Melanoma Res. 2011; 24:361.

Sun, C. et al., Bernards, R., Reversible resistance to BRAF(V600E) inhibition in melanoma, Nature 2014; 508:118.

Myc: Liu, J. and Levens, D., Making Myc, Curr. Top Microbiol. Immunol. 2006; 302:1.

Tumor suppressor: Gateff E: Malignant neoplasms of genetic origin in Drosophila, Science 1978; 200:1448.

Sherr, C.J. and McCormick, F., The RB and p53 pathways in cancer. Cancer Cell 2002; 2:103.

Yi, L. et al., Multiple roles of p53 in somatic and stem cell differentiation, Cancer Res. 2012; 72:563.

Wang, T. et al., Retroviruses shape the transcriptional network of p53. PNAS2007; 104:18613.

Metastases and cancer: Baumgartner, M. et al., Moelling, K., SRC-migration and invasion by PDZ, MCB2008; 28:642.

Broecker, F. et al., Moelling, K., Transcription of C-terminal metastatic c-Src mutant, FEBS J. 2016; 283:1669.

Cancer general: Vogelstein, B. et al., Cancer genome landscape, Science 2013; 339:1546.

Hanahan, D. and Weinberg, R.A., Hallmarks of cancer: The next generation, Cell 2011; 144:646.

zur Hausen, H., Papillomaviruses and cancer: From basics to clinical application, Nat. Rev. Cancer 2002; 2:342.

Cancer different: Han, Y.C. et al., Ventura, A., miR-17–92-mutant mice, Nat. Genet. 2015; 47:766–75.

Prostata: Kearney, M. et al., Coffin, J.M., Multiple sources of contamination in XMRV infection, PLoS ONE2012; 7: e30889.

Bacteria and cancer: Salama, N. et al., Life in the human stomach: Helicobacter pylori, Nat. Rev. Microbiol. 2013; 11:385.

Глава 5

Phages and microbiome: Suttle, C.A., Viruses in the sea, Nature 2005; 437:356.

Reardon, S., News: Phage therapy: Phage therapy gets revitalized, Nature 2014; 510:15.

Young, R.Y. and Gill, J.J., Phage therapy redux – What is to be done?, Science 2015; 350:1163.

Delwart, E., A roadmap to the human virome, PLoS Pathog. 2013; 9: e1003146.

Zarowiecki, M., Metagenomics with guts, Nat. Rev. Microbiol. 2012; 10:674.

Turroni, F. et al., Human gut microbiota and bifidobacteria, A. van Leeuwenhoek 2008; 94:35.

Gut: Turnbaugh, P.J. et al., Gordon, J.I., The effect of diet on human gut microbiome, Sci. Transl. Med. 2009; 1:6ra14.

Qin, J. et al., A human gut microbial gene catalogue by metagenomic sequencing, Nature 2010; 464:59.

Katsnelson, A. et al., Twin study surveys genome for cause of multiple sclerosis, Nature 2010; 464: 1259.

Mokili, J.L., Rohwer, F. and Dutilh, B.E., Metagenomics and future virus discovery, Curr. Opin. Virol. 2012; 2:63.

Cesarean section: Dominguez-Bello, et al., Microbiota of cesarean-born infants, Nat. Med. 2016; doi:10.1038/nm.4039.

Endogenous viruses: Weiss, R.A. and Stoye, J.P., Virology. Our viral inheritance, Science 2013; 340:820.

Feschotte, C. and Gilbert, C., Endogenous viruses: Viral evolution and host biology, Nature Rev. Gen. 2012; 13:283.

Plants global warming: Roossinck, M.J., The good viruses: Viral mutualistic symbioses. Nat. Rev. Microbiol. 2011; 9:99.

Roossinck, M.J., Lifestyles of plant viruses, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2010; 365:1899.

Placenta: Mi, S. et al., Syncytin – a retroviral envelope in human placenta. Nature 2000; 403:785.

Polydnavirus: Bezier, A. et al., Polydnaviruses of braconid wasps derive from an ancestral nudivirus, Science 2009; 323: 926.

Strand, M.R. and Burke, G.R., Polydnaviurses as symbionts and gene delivery systems, PLoS2012; Pathog 8: e1002757.

Prionen: Mahal, S.P. et al., Transfer of a prion strain leads to emergence of strain variants, PNAS2010; 107:22653.

Глава 6

Chlorella virus: Van Etten, J., Giant viruses; American Scientist 2011.

Van Etten, J., Lane, L.C. and Dunigan, D., DNA viruses: The really big ones (Giruses), Ann. Rev. Microbiol. 2010;64:83.

Broecker, F. et al., Viral composition in the intestine after FT, CSH Mol. Case Stud. 2016; 2: a000448.

Moelling, K. (Ed.), Nutrition and microbiome, Ann. N. Y. Acad. Sci. (2016).

Mimivirus: Boyer, M. et al., Mimivirus genome reduction after intraamoebal culture, PNAS2011; 108:10296.

Raoult, D. and Forterre, P., Redefining viruses: Lessons from mimivirus, Nat. Rev. Microbio. 2006; 6:315.

Raoult, D. et al., Claverie, J.M., The 1.2-megabase genome sequence of mimivirus, Science 2004; 306:1344.

Philippe, N. et al., Pandoraviruses: Amoeba viruses with genomes up to 2.5 Mb, Science 2013; 341:281.

La Scola, B. et al., Raoult, D., A giant virus in amoebae, Science 2003; 299:2033.

Mollivirus sibericus: Legendre, M. et al., Mollivirus sib. 30,000y giant virus in Acanthamoea, PNAS2015; 112:10795.

Sambavirus: Campos, R. K., Sambavirus: Mimivirus from rain forest, The Brazilian Amazon, Virol. J. 2014; 11:95.

Origin of giant viruses: Pennisi, E., Ever bigger viruses shake tree of life, Science 2013; 341:226.

Yutin, N., Wolf, Y.I., and Koonin, E.V., Origin of giant viruses from smaller DNA viruses, Virology 2014; 466–467:38.

Virophages, Sputnik: Yutin, N., Raoult, D. and Koonin, E., Virophages, polintons, and transpovirons: A complex evolutionary network of diverse selfish genetic elements with different reproduction strategies, Virology J. 2013; 1:15.

Fischer, M.G. and Suttle, C.A., A virophage at the origin of large DNA transposons, Science 2011; 332:231.

Forterre, P., The origin of viruses and their possible roles in major evolutionary transitions, Virus Res. 2006; 117:5.

Amoeba: Huber, H. et al., A new phylum of archaea represented by a nanosized hyperthermophilic symbiont, Nature 2002; 417:63.

Slimani, M. et al., Amoebae as battlefields for bacteria, giant viruses, and virophages. J. Virol. 2013; 87:4783.

Eyes: Yutin, N. and Koonin, E.V., Proteorhodopsin genes in giant viruses, Biology Direct 2012; 7:34.

Archaea: Stetter, K.O., A brief history of the discovery of hyperthermophilic life, Biochem. Soc. Trans. 2013; 41:416.

Podar, M. et al., A genomic analysis of the archaeal system Ignicoccus hospitalis–Nanoarchaeumequitans, Genome Biol. 2008; 9: R158.

Mochizuki, T. et al., Archaeal virus with exceptional architecture, largest ssDNA genome, PNAS2012; 109:13386.

Prangishvili, D., Forterre, P. and Garrett, R.A., Viruses of the archaea: A unifying view, Nat. Rev. Micro. 2006; 4:837.

Глава 7

Endogenous viruses: Weiss, R.A., The discovery of endogenous retroviruses, Retrovirol. 2006; 3:67.

Phoenix: Katzourakis, A. et al., Discovery of first endogenous lentivirus, PNAS2007; 10:6261.

Katzourakis, A. and Gifford, R.J., Endogenous viral elements in animal genomes, PLoS Genet. 2010: 6: e1001191.

Dewannieux, M. et al., Identification of an infectious progenitor for the HERV-K, Genome Res. 2006; 16:1548.

Koalas: Tarlinton, R.E., Meers, J., and Young, P.R., Retroviral invasion of the koala genome, Nature2006; 442:79.

Paleovirology: Belyi, V.A., Levine, A.J. and Skalka, A.M., Sequences from ancestral ssDNA viruses in vertebrate genomes: The parvoviridae and circoviridae are more than 40 to 50 mio years old, J. Virol. 2010; 84:12458.

Gifford, R.J., A transitional endogenous lentivirus from a basal primate for lentivirus evolution, PNAS2008; 105:20362.

Katzourakis, A. et al., Macroevolution of complex retroviruses, Science 2009; 32:1512.

Crippled viruses: Lander, E.S. et al., Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature 2001; 409:860.

Cordaux, R. and Batzer, M.A., The impact of retrotransposons on human genome evolution, Nat. Rev. Genet. 2009; 10:691.

SnapSot, Transposons, Cell 2008; 135:192.

Singer, T. et al., LINE-1 retrotransposons in neuronal genomes? Trends in Neurosciences, 2010; 33:345.

Pollard, K.S. et al., RNA expressed during cortical development evolved in humans, Nature 2006; 443:167.

Finnegan, D.J., Retrotransposons, Current Biol. 2012; 22: R432–7.

McClintock, B.: Harshey, R.M., The Mu story: How a maverick phage moved the field forword, Mobile DNA 2012; 3:21.

Sander, D.M. et al., Intracisternal A-type retroviral particles in autoimmunity, Microsc. Res. Tech. 2005; 68:222.

Epigenetic Agouti mouse: Dolinoy, D.C. et al., The Agouti mouse model: An epigenetic biosensor for nutritional and environmental alterations on the fetal epigenome, Nutr. Rev. 2008, 66 Suppl. 1: S7–11.

Rassoulzadegan, M., RNA-mediated non-Mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse, Nature 2006; 441:469.

Sleeping beauty: Luft, F.C. et al., Sleeping Beauty jumps to new heights, Mol. Med. 2010; 88:641.

Fish: Amemiya, C.T. et al., African coelacanth genome insights into tetrapod evolution, Nature 2013; 496:311.

Platypus: Warren, W.C. et al., Genome analysis of the platypus unique evolution, Nature 2008; 453:175.

Introns: Morris, K. and Mattick, J.S., The rise of regulatory RNA, Nat. Rev. Genet. 2014; 15:423.

Chabannes, M. et al., Three infectious viral species lying in wait in the banana genome, J. Virol. 2013; 87:8624.

Bartel, D.P., MicroRNAs target recognition and regulatory functions, Cell 2009; 136:215.

Zimmerly, S. et al., GroupII intron mobility, Cell 1995; 82:545.

Beauregard, A., Curcio, M.J. and Belfort M., The take and give RT elements and hosts, Ann. Rev. Genet. 2008; 42:587.

Lambowitz, A.M. and Zimmerly S., Group II introns: Mobile ribozymes in DNA, CSH Perspect. Biol. 2011; 3: a003616.

Galej, W.P. et al., Crystal structure of Prp8 reveals active site of slicosome, Nature 2013; 493:638.

Pena, V. et al., Structure and function of an RNase H at the heart of the spliceosome, EMBO J. 2008; 27:2929.

ENCODE: Biemont, C. and Vieira, C., Junk DNA as an evolutionary force, Nature 2006; 443:521.

Venter, C., Multiple personal genomes await, Nature 2010, 464:676.

Lev, S. et al., Venter, C., The diploid genome sequence of an individual human, PLoS Biol. 2007; 5: e254.

Fukai, E. et al., Derepression of the plant Chromovirus LORE1 induces germline transposition in regenerated plants, PLoS Genet. 2010; 6(3): e1000868.

Глава 8

RNA: Eigen, M., Error catastrophe and antiviral strategy, PNAS2002; 99:13374.

Biebricher, C.K. and Eigen, M., What is a quasispecies, Curr. Top Microbiol. Immunol. 2006; 299:1.

Biebricher, C.K. and Eigen, M., The error threshold, Virus Res. 2005; 107:117.

Lincoln, T.A. and Joyce, G.F., Self-sustained replication of an RNA enzyme, Science 2009; 323:1229.

Doudna, J.A. and Szostak, J.W., RNA-catalysed synthesis of complementarystrand, RNA Nature 1989; 33:519.

Viroids: Steger, G. et al., Structure of viroid replicative intermediates of PST viroid, Nucl. Acids Res. 1986; 14:9613.

Villarreal, L.P., The widespread evolutionary significance of viruses, Viroids Cell Microbiol. 2008;10:2168.

Cech, T.R. et al., Hammerhead nailed down, Nature 1994; 372:39.

Koonin, E.V. and Dolja, V.V., A virocentric perspective on the evolution of life, Curr. Opin. Virol. 2013; 5:546.

Lambowitz, A.M. and Zimmerly, S., Mobile group II introns, Ann. Rev. Genetics 2004; 38:1.

Adamala, K., Engelhart, A.E., and Szostak, J.W., Generation of functional RNAs from inactive oligonucleotide complexes by non-enzymatic primer extension, J. Am. Chem. Soc. 2015; 137:483–489.

Forterre, P., Defining life: The virus viewpoint, Origins of Life and Evolution of Biospheres 2010; 40:51.

Moelling, K., Are viruses our oldest ancestors? EMBO Reports 2012; 13:1033.

Holmes, E.C., What does virus evolution tell us about virus origins? Journal of Virology 2011; 85:5247.

Plankton: Lescot, M. et al. and Ogata, H., Reverse transcriptase genes are highly abundant and transcriptionally active in marine plankton assemblages, ISME Journal 2015; 1–13.

Circular RNA: Memczak, S. et al., Circular RNAs with regulatory potency, Nature 2013; 495:333.

Hansen, T.B. et al., Natural RNA circles function as efficient microRNA sponges, Nature 2013; 495:384.

Hansen, T.B., Kjems, J., and Damgaard, C.K., Circular RNA and miR-7 in cancer, Cancer Res. 2013; 73:5609.

Ford, E. and Ares, M. Jr., Circular RNA using ribozymes from a T4 group I intron, PNAS1994; 12; 91:3117.

Ribozymes and ribosomes: Wilusz, J.E. and Sharp, P.A., A circuitous route to noncoding RNA. Science 2013; 340:44.

Navarro, B. et al., Viroids: Infect a host and cause disease without encoding proteins, Biochemie 2012; 94:1474.

Hammann, C. and Steger, G., Viroid-specific small RNA in plant disease, RNA Biol. 2012; 9:809.

Bartel, D.P., MicroRNAs target recognition and regulatory functions, Cell 2009; 136:215.

Eilus, J.E. and Sharp, P.A., A circuitous route to non-coding RNA, Science 2013; 340:440.

Proteins: Moore, P.B., and Steitz, T.A., The ribosome revealed, Trends in Biochemical Sciences 2005; 30:28.

Ma, B.G. et al., Zhang, H.Y., Characters of very ancient proteins, BBRC2008; 366:607.

Chaperone: Muller, G. et al., NC protein of HIV-1 for increasing catalytic activity of a ribozyme, J. Mol. Biol. 1994; 242:422.

Clover leaf: Dreher, T.W., Viral tRNAs and tRNA-like structures, Rev. RNA 2010; 1:402.

Hammond, J.A., Comparison and functional implications of viral tRNA-like structures, RNA 2009; 15:294.

Witzany, G. (Editor), Viruses: Essential Agents of Life (Springer 2012), p. 414.

Plant viruses: Eickbush, D.G., Retrotransposon ribozyme and its self-cleavage site, PLoS One 2013; 8(9): e66441.

Webb, C.H. et al., Widespread occurrence of self-cleaving ribozymes, Science 2009; 326:953.

Hammann, C. et al., The ubiquitous hammerhead ribozyme, RNA 2012; 18:871.

Hepatitis delta virus: Braza, R. and Ganem, D., The HDAg may be of human origin, Science 1996; 274:90.

Taylor, J., and Pelchat, M., Origin of hepatitis delta virus, Future Microbiol. 2010; 5:393.

Flores, R., Ruiz-Ruiz, S. and Serra, P., Viroids and hepatitis delta virus, Semin-Liver Dis. 2012; 32:201.

Retrophage: Liu, M. et al., Bordetella bacteriophages encoding RT-mediated tropism-switching, J. Bacteriol. 2004; 186:1503.

Doulatov, S. et al., Tropism switching in Bordetella bacteriophage by diversity-generating retroelements, Nature 2004; 431:476.

Tobacco viruses: Buck, K.W., Replication of tobacco mosaic virus RNA, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 1999; 354:613.

Beijerinck, M.W., Contagum vivum fluidum of tobacco leaves, Phytopathol Classics No. 7, ed. Johnson, J., Am. Phyto. Soc., 1898.

Dreher, T.W., Viral tRNAs and tRNA-like structures, Rev. RNA 2010; 1:402.

Hammond, J.A. et al., 3D architectures of viral tRNA-like structures, RNA 2009; 15:294.

Apple tree: Mitrovic, J. et al., Sequences of Stolbur phytoplasma from DNA, Mol. Microbiol. Biotech. 2014; 24:1.

Georgiades, K. et al., Gene gain and loss events in Rickettsia and Orientia species, Biol. Direct 2011; 6:6.

Plants: Roossinck, M.J., Lifestyles of plant viruses, Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. 2010; 365:1899.

Geminiviruses: Krupovic M. et al., Geminiviruses: A tale of a plasmid becoming a virus, BMC Evol. Biol. 2009; 9:112.

Tulipomania: Lesnaw, J.A. and Ghabrial, S.A., Tulip breaking: Past, present and future, Plant Disease 2000; 84:1052.

Murray, J.D., How the leopard gets its spots, Sci. Am. 1988; 3:80–87.

Глава 9

Interferon: McNab, F. et al., O’Garra, A., Type Interferons in infectious disease, Nat. Rev. Immunology 2015; 15:87–103.

siRNA: Baulcombe, D.C. and Dean, C., Epigenetic regulation in plant to the environment, CSH Pers.Biol. 2014; 6(9): a019471.

Wilson, R.C. and Doudna, J.A., Molecular mechanisms of RNA interference, Annu. Rev. Biophys. 2013; 42:217.

Moelling K., Matskevich A., and Jung J. S., Relationship between retroviral replication and RNA interference, CSH–SyQB2006; 71:365–8.

Matskevich, A. and Moelling, K., Dicer is involved in protection against influenza A virus infection, J. Gen. Virol. 2007; 88:2627–35.

Song J. J., et al., The crystal structure of the Argonaute2 PAZ domain reveals an RNA binding motif in RNA effector complexes, Nat. Struct. Biol. 2003; 10:1026–32.

Nowotny, M., Retroviral integrase superfamily: The structural perspective. EMBO Reports 2009; 19:144–151.

Nasir, A. and Caetano-Anolles, G., Origin of viruses and their impact on cellular evolution, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2015; 1341:61.

Moelling, K. and Broecker, F., The RT-RNase H: From viruses to antiviral defense, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2015; 1341:126–35.

Orsay virus: Sterken, M.G. et al., A heritable antiviral RNAi response limits Orsay virus infection, PLoS One 2014; 9(2).

CRISPR/Cas9: Doudna, J.A. and Charpentier, E., Genome editing. The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9, Science 2014; 346 (6213):1258096.

Jinek, M. et al., Structures of Cas9 endonucleases, Science 2014; 343, 1247997.

Hsu, P.D., Lander, E.S., and Zhang, F., Development and applications of CRISPRCas9 for genome engineering, Cell 2014; 157:1262.

Barrangou, R. and Marraffini, L.A., CRISPR-Cas systems: Procaryotes to adaptive immunity, Review Mol. Cell. 2014; 54:234.

Krupovic, M. et al., Casposons: Self-synthesizing DNA transposons of CRISPR-Cas immunity, BMC Biology 2014; 12:36.

Horvath, P. and Barrangou R., CRISPR/Cas9, the immune system of bacteria and archaea, Science 2010; 327:167.

Swarts, D.C. et al., DNA-guides DNA interference by a procaryotic Argonaute, Nature 2014; 507:258.

Moelling, K. et al., Silencing of HIV by hairpin-loop DNA oligonucleotide (siDNA), FEBS Letters2006; 580:3545.

Zhou, L. et al., Transposition of hAT elements links TE and V(D)J recombination, Nature 2004; 432:995.

Bateman, A., Eddy, S.R., and Chothia, C., Members of the immunoglobulin superfamily in bacteria, Protein Sci.1996; 5:1939.

Beauregard, A., Curcio, M.J. and Belfort M., The take and give between TE, Annu. Rev. Genet. 2008; 42:587.

Antisense: Isselbacher, K.J., Retrospective: Paul C. Zamecnik (1912–2009), Science 2009; 326:1359.

Citron, M. and Schuster, H., The c4 repressors of bacteriophages P1 and P7 are antisense RNAs, Cell 1990; 62:591.

Глава 10

Reardon, S., Phage therapy gets revitalized, Nature 2014; 510:15.

Young, Ry. and Gill, J.J., Phage therapy redux – What is to be done? Science 2015; 350:1163.

Viertel, T.M., Ritter, K. and Horz, H.P., Phage therapy against MDR pathogens, J. Antimic. Chemother. 2014; 69:2326–36.

Phagoburn: EU program: The main objective of Phagoburn is to assess the safety, effectiveness and pharmacodynamics of two therapeutic phage cocktails to treat either E. coli or P. aeruginosa burn wound infections, 2013–2016.

Vanessa, K. et al., Gut microbiota from twins discordant for obesity, Science 2013; 341:1079.

Multiresistant bacteria: Nьbel, U., MRSA transmission on a neonatal intensive care unit, PLoS One. 2013;8(1): e54898.

Stower, H., Medical genetics: Narrowing down obesity genes, Nat. Med. 2014;20:349.

Lepage, P. et al., Dore, A., Metagenomic insight into our gut`s microbiome, Gut 2013; 62:146.

Smemo, S., Obesity-associated variants within FTO and with IRX3, Nature 2014; 507:371.

Blaser, M. and Bork, P. et al., The microbiome explored: Recent insights and future challenges, Nat. Rev. Microbiol. 2013;11:213.

Transgenerational epigenetics: Tobie, E.W. et al., DNA methylation to prenatal famine, Hu. Mol. Gen. 2009; 18;2:4046.

Bygren, L.O. et al., Grandmothers’ early food supply influenced mortality of female grandchildren, BMC Genet. 2014; 15:12.

Norman, J.M. et al. Alterations in the enteric virome in inflammatory bowel disease, Cell 2015;160: 447.

Grossniklaus, U. et al., Transgenerational epigenetic inheritance: How important is it?, Nat. Rev. Genet.2013; 14:228.

Pembrey, M.E. et al., Sex-specific, male-line transgenerational responses in humans, Eur. J. Hum. Genet. 2006; 14:159.

Arabidopsis Genome Initiative, Analysis of the genome sequence of Arabidopsis thaliana, Nature 2006; 441:469.

Waterland, R.A. and Jirtle, R.L., TE targets for early nutritional effects on epigenetic gene regulation. MCB2003; 23:5293.

Slotkin, R.K. and Martienssen, R., TE and the epigenetic regulation of the genome, Nat. Rev. Genet. 2007; 8:2.

Pfeifer, A. et al., Verma, I.M., Lentiviral vectors: Lack of gene silencing in embryos, PNAS2002; 99:2140.

Dutch famine: Lumey, L.H. et al., The Dutch hunger winter families study, Int. J. Epidemiol. 2007; 36:1196.

Roseboom, T., de Rooij, S. and Painter, R., The Dutch famine and consequences for adult health, EarlyHum. Dev. 2006; 82:485.

Cao-Lei, L. et al., DNA methylation triggered by prenatal stress exposure to ice storm, PLoS One 2014; 9:9(e107653).

Ost, A. et al., Paternal diet defines offspring chromatin state and intergenerational obesity, Cell 2014; 159:1352.

Phage therapy: Vandenheuvel, D., Lavigen, R. and Brьssow, H., Bacteriophage therapy, Annu. Rev.Virol. 2015; 2:599.

Gut-brain axis: Bercik, P. et al., Intestinal microbiota affect BDNF, Gastroenterology 2011; 141:599.

Obesity gene counts: Le Chatelier et al., Richness of human gut microbiome and metabolic markers, Nature 2013;500:541.

Gut microbiota: Qin, J. et al., Wang, J., A metagenome-wide study of gut microbiota in diabetes, Nature 2012; 490:55.

Cotillard, A. et al., Ehrlich, S.D., Dietary intervention impact on gut microbial gene richness, Nature 2013; 500:585.

Ackerman, D. and Gems, D., The mystery of C. elegans aging: An emerging role for fat, Bioessays 2012; 34:466.

Fecal transfer: Broecker F., Rogler, G., and Moelling, K., Intestinal microbiome of C. diff. with FT, Digestion 2013;88:243.

Reyes, A. et al., Viruses in the faecal microbiota of monozygotic twins and their mothers, Nature 2010; 466:344.

Gut virome: Norman, J.M. et al., Alterations in the enteric virome in inflammatory bowel disease, Cell 2015;160:447.

Broecker, F. et al., Bacterial and viral compositions of C. diff. patient after fecal transplant, CSH Molecular Case Stud. 2015; 2: a000448.

Elba worms: McCutcheon, J.P. and Moran, N.A., Genome reduction in symbiotic bacteria, Nat. Rev. Micr. 2012; 10:13.

Dubilier, N., Bergin, C. and Lott, C., Symbiotic diversity in marine animals, Nat. Rev. Micro. 2008; 6:725.

Глава 11

Viruses: Baltimore, D., Gene therapy. Intracellular immunization, Nature 1988; 335:39.

Ott, M.G. et al., Grez, M., Correction of X-linked chronic granulomatosis by gene therapy, Nat. Med. 2006; 12:401.

Rossi, J.J., June, C.H. and Kohn, D.B., Genetic therapies against HIV, Nat. Biotechnol. 2007; 25:144.

Pachuk, C.J. et al., Selective cleavage of bcr-abl chimeric RNAs by a ribozyme, Nucl. Acids Res. 1994; 22:301.

Lipizzan horses, malignant melanoma: Heinzerling, L. et al., IL-12 DNA into melanoma patients and white horses, Hu. Gene. Ther. 2005; 16:35, J. Mol. Med. 2001; 78:692.

Mosquito vaccination: Bian, G. et al., Wolbachia in Anopheles against plasmodium infection, Science 2013; 340:748.

Plants gene therapy: Fresco, L.O., The GMO stalemate in Europe, Science 2012; 33:883.

Pappas, K.M., Cell-cell signaling and the Agrobacterium tumefaciens Ti plasmid, Plasmid 2008; 60:89.

Thomson, H., Plant science: The chestnut resurrection, Nature 2012; 490:22–3.

Choi, G.H. and Nuss, D.L., Hypovirulence of chestnut blight fungus by an infectious viral cDNA, Science 1992; 257:800–803.

D’Hont, et al., The banana (Mus acuminata) genome and the evolution of monocotyledonous plants, Nature 2012;488:213.

Schnable, P.S. et al., The B73 maize genome: Complexity, diversity, and dynamics, Science 2009; 326:1112.

Yeast/fungi: Goffeau, A. et al., Life with 6000 genes, Science 1996; 274:546.

Goffeau, A., Genomics: Multiple moulds, Nature 2005; 438:1092.

Roossinck, M.J., The good viruses: Viral mutualistic symbiose, Nat. Rev. Microbiol. 2011; 9:99.

Márquez, L.M. et al., A virus in a fungus in a plant: Symbioses for thermal tolerance, Science 2007; 315:513.

Esteban, R. and Fujimura, T., Yeast 23S RNA narnavirus shows signals for replication, PNAS2015; 100, 5:2568.

Stem cells: Qian, L. et al., In vivo reprogramming cardiac fibroblasts into cardiomyocytes, Nature 2012; 485:593.

Hydra: Chapman, et al., The dynamic genome of hydra, Nature 2010; 464:592.

Renard, E. et al., Origin of the neuro-sensory system: In sponges, Integr. Zoolog. 2009; 4:294–308.

Smelick, C. and Ahmed S., Achieving immortality in the C. elegans germline, Ageing Res. Rev. 2005; 4:67–82.

Third tooth: Arany, P.R., Photoactivtion of TGF-b1 directs stem cell for regeneration, Sci. Transl. Med. 2014; 6(238)238.

Глава 12

Synthetic biology: Hutchinson, C.A. et al., Design and synthesis of a minimal bacterial genome, Science 2016; 351:1414.

Glass, J.I. et al., Venter C: Essential genes of a minimum bacterium, PNAS2006; 103:425.

Gil, R. et al., A determination of the core of a minimal bacterial gene set, Microbiol. Mol. Rev. 2004; 68:518.

Annaluru, N. et al., Total synthesis of a functional designer eukaryotic chromosome, Science 2014; 344:55–8.

Nystedt, B. et al., The Norway spruce genome sequence and conifer genome evolution, Nature 2013; 497:579.

Moreira, D. and Lopez-Garcia, P., Ten reasons to exclude viruses from the tree of life, Nat. Rev. Microbiol 2009; 7:306.

Lu, T. and Tauxe, W., Cocktail maker proteins and semiconductors, Nature 2015; 528: S14.

Forterre, P., The virocell concept and environmental microbiology, ISME J. 2013; 7:233.

TARA Ocean and gut: Sunagawa, S. et al., Structure and function of the global ocean microbiome, Science 2015; 348:1–9.

TARA virome: Brum, J.R. et al., Seasonal time bombs: Dominant temperate viruses, ISME J. 2016; 10:437–49.

TARA Ocean plankton: Lescot, M. et al., RT genes in marine plankton, ISME J. 2015; doi:10.1038/ismej.2015.

Moelling, K. and Broecker, F., The RT-RNase H: From viruses to antiviral defense, Ann. N. Y. Acad. Sci. 2015; 1341:126.

Retrons: Farzadfard, F. and Lu, T.K., Genomically encoded analog memory, Science 2014;346 1256272. doi: 10.1126/.

Front-runners and late-progressors: Moelling, K., Are viruses our oldest ancestors? EMBO Reports. 2012; 13:1033.

Koonin, E., Senkevich T. and Dolja, V., The ancient virus world and evolution of cells, Biology Direct 2006;1:29.

Koonin, E.V. et al., Reasons why viruses are relevant for the origin of cells, Nat. Rev. Micro. 2009; 7:615.

Villarreal, L.P., The widespread evolutionary significance of viruses, in Domingo, E., Parish, C. and Holland, J. (Eds.), Origin and Evolution of Viruses (Academic Press, 2008), pp. 477–516.

Dolja, V.V. and Koonin, E.V., Common origins and diversity of plant and animal viromes, Curr. Opin. Virol. 2011; 5:322.

Monster: Spiegelman, S. et al., Synthesis of a self-propagating and infectious NA with an enzyme, PNAS1965; 54:919.

Oehlenschläger, F. and Eigen, M., 30 years later: A new approach to Sol Spiegelman’s and Leglie Orgel’s in vitro, Origins of Life and Evolution of Biospheres, 1997; 2:437.

Kacian, D.L. et al., Replicating RNA for extracellular evolution and replication, PNAS1972; 69:3038.

Lucky: Cano, R.J. and Borucki, M.K., Revival and identification of bacterial spores in 25- to 40-million-year-old Dominican amber, Science 1995; 268:1060.

Body size: Katzourakis, A. and Gifford R., Larger body size leads to lower retroviral activity, PloS Pathog. 2014, 10 (7): e100414.

Obesity and cancer: Luo, C. and Puigserver, P., Dietary fat promotes intestinal dysregulation, Nature 531,42–43.

Transgenerational inheritance: Rassoulzadegan, M. et al., Cuzin, F., RNA-mediated non-Mendelian inheritance of an epigenetic change in the mouse, Nature 2006; 441:469–74; and Essays Biochem. 2010;48(1):101–6.

Seth, M., The C. elegans CSR-1 Argonaute pathway counteracts epigenetic silencing, Cell 2013; 27:656.

Simon, M. et al., Reduced insulin/IGF-1 signaling restores germ cell immortality to C. elegans Piwi mutants, Cell Rep. 2014; 7:762.

Weick, E.M. and Miska, E., piRNAs: From biogenesis to function, Development 2014; 141:3458.

Sarkies, P., and Miska, E.A., Small RNAs break out: Mobile small RNAs, Nat. Rev. Mol. Cell. Biol. 2014; 15:525.

Shirayama, M. et al., piRNAs initiate an epigenetic memory of nonself RNA in C. elegans, Cell 2012; 150:65.

Ashe, A. et al., Miska, E.A., piRNA can trigger a multigenerational epigenetic memory, Cell 2012; 150:88.

Ng, S.Y. et al., Long ncRNAs in development and disease of CNS, Trends Genet. 2013; 29:461.

Orlando, L. and Willerslev, E., An epigenetic window into the past, Science 2014; 345:511.

Finnegan, D.J., Retrotransposon, Current Biol. 2012; 22: R432–7.

Pembrey, M. et al., Human transgenerational responses to early-life experience, J. Med. Genet. 2014;51:56.

Ost, A. et al., Paternal diet defines offspring chromatin and intergenerational obesity, Cell 2014; 159:1352.

Alleman, M., et al., An RNA-dependent RNA polymerase is required for paramutation in maize, Nature 2006; 442:295.

Lolle, S.J., Non-Mendelian inheritance of extra-genomic information in Arabidopsis, Nature 2005; 434:505.

Color patterns: Murray, J. D., How the leopard gets its spots, Sci. Am. 1988; 3: 80–87.

Honey bees: Miklos, G. L., and Maleszka, R., Epigenetic comunication in human and honey bees, Horm. Behav. 2011; 59:399.

Kohl, J. V., Nutrient dependent/pheromone evolution: A model, Socioaff. Neurosci. Psychol. 2013; 3:20553.

Ganko, E.W. et al., Contribution of LTR retrotransposons to C. elegans gene evolution, Mol. Bio. Evol. 2003; 20:1925.

Источники иллюстраций

Главы 1, 2, 6. С разрешения профессора доктора Ханса Гельдерблома, Институт Роберта Коха, Берлин, Германия.

Глава 1. С любезного разрешения П. Рона, OAR/NOAA Photo Library, NURP (National Undersea Research Program); NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), NOAA Library,  Freedomdefinded.org.

Глава 5. Вверху: с разрешения профессора доктора Кертис Саттл, Факультет наук о земле и океане Университета Британской Колумбии, Лаборатория Морской вирусологии и микробиологии, Ванкувер, Канада. Внизу слева: Красный прилив, Hole Oceanographic Institutions, красный прилив на мысе Родни, Ли, Новая Зеландия. Автор фотографии М. Годфри. Внизу справа: NEODAAS (NERC (National Centre for Earth Observation), Earth Observation Data Acquisition and Analysis Service), побережье Корнуолла, Морская лаборатория Плимута, Великобритания, с разрешения Стива Грума, hohe pix.

Глава 6. Вверху слева: ретровирусы – с разрешения Ханса Гельдерблома; в середине слева: фаг нарисован Карин Мёллинг; внизу слева: два вируса архей: Haring, M., Rachel, R., Peng, X. Garrett, R.A., and Prangishvili, D., Viral diversity in hot springs of Pozzuoli, Italy, and characterization of a unique archaeal virus. Acidianus bottle-shaped virus from a new family, the Ampullaeviridae: Fig. 6 in J. Virol. 2005; 79:9904, American Society of Microbiology. В центре и справа: два мимивируса Megavirus chilensis (в центре) и pandoravirus (справа): Philippe N., Legendre M., Doutre G., Couté Y., Poiret O., Lescot M., Arslan D., Seltzer V., Bertaux L., Bruley C., Carin J., Claverie J. M., and Abergel C., Pandoraviruses: amoebaeviruses with genomes up to 2.5 Mb reaching that of parasitic eukaryotes. Fig. 1 and Fig. 2 from: Science 2013; 341:281. С разрешения Copyright Clearance Centre, copyright@marketing.copyright.com. Изображения Megavirus chilensis и Pandoravirus с разрешения Шанталь Абержель, IGS (Information Genomique et Structurale), Марсель, Франция.

Глава 6. Слева: водоросль Emiliania huxleyi, Музей естественной истории, Лондон, Великобритания, commons.wikimedia.org, science photo library; справа: известковое побережье, остров Рюген, Северная Германия, Commons.wikimedia.org.

Глава 7. Летучая мышь: Commons.wikimedia.org. Коала: Commons.wikimedia.org.

Глава 7. Взято из и изменено: Cordaux, R. and Batzer, M.A., The impact of retrotransposons on human genome evolution, Nat. Rev. Genet. 2009; 10:691; см. также: Lander, E.S. et al., Initial sequencing and analysis of the human genome, Nature 2010; 409:860.

Глава 7. Мышь агути: с разрешения Даны Долиной, факультет наук о здоровье, Школа общественного здоровья, Университет Мичигана, Анн-Арбор, Мичиган, США.

Глава 10. Червь с острова Эльба: с разрешения С. Лотт. Гидра: Институт морской биологии общества Макса Планка, Бремен, Германия, с разрешения профессора доктора Николь Дюбилье.

Глава 11. Гидра: с разрешения доктора Михаэля, plingfactory, Хаттинген, Германия, plingfactory@plingfactory.de, , OK 21.4.2016.

Примечание. Все схемы и не упомянутые выше фотографии – собственность автора.

Сноски

1

Tutti (итал.) – музыкальный термин, означающий «все вместе», то есть весь оркестр. – Прим. ред.

(обратно)

2

Клюге А. Хроника чувств. – М.: Новое литературное обозрение, 2004.

(обратно)

3

Голод в Голландии с ноября 1944 по май 1945 г. – Прим. пер.

(обратно)

4

Уотсон Дж. Двойная спираль. – М.: АСТ, 2013.

(обратно)

5

Часть фразы «Ceterum censeo Carthaginem esse delendam» (лат.) («Впрочем, думаю, что Карфаген должен быть разрушен»), которой Катон Старший заканчивал речи в сенате. Стало крылатым латинским выражением, означающим настойчивый призыв. – Прим. ред.

(обратно)

6

В переводе с английского языка значит «вызов». – Прим. ред.

(обратно)

7

Так Конго называлось до 1908 г., после чего страна стала колонией Бельгии и до 1960 г. именовалась Бельгийское Конго. – Прим. ред.

(обратно)

8

Уотсон Дж. Избегайте занудства: Уроки жизни, прожитой в науке. – М.: Астрель: Corpus, 2010.

(обратно)

9

Реальная транскриптаза – real transcriptase (англ.), сокращенно RT; обратная транскриптаза – reverse transcriptase (англ.), сокращенно также RT. – Прим. ред.

(обратно)

10

Склут Р. Бессмертная жизнь Генриетты Лакс. – М.: Карьера Пресс, 2012.

(обратно)

11

Latest Universal Common (or Cellular) Ancestors (англ.). – Прим. ред.

(обратно)

12

Дайсон Ф. Птицы и лягушки в математике и физике // Успехи физических наук. – 2010. – Т. 180. – №8. – С. 859–870. – Прим. ред.

(обратно)

13

Почесуха. – Прим. ред.

(обратно)

14

Море без берегов, район круговорота вод в Атлантическом океане, ограниченный течениями.

(обратно)

15

Last Universal Common Ancestor (англ.).

(обратно)

16

Rabbit Endogenous Lentivirus K (англ.). – Прим. ред.

(обратно)

17

Канеман Д. Думай медленно… Решай быстро. – М.: АСТ: Neoclassic, 2017.

(обратно)

18

Город-надежда (англ.). – Прим. пер.

(обратно)

19

В буквальном переводе с латинского – «агробактерия, делающая опухоль». – Прим. ред.

(обратно)

20

Green Lake в переводе с английского зеленое озеро.

(обратно)

21

Докинз Р. Эгоистичный ген. – М.: АСТ: Corpus, 2016.

(обратно)

22

Скандал произошел летом 2011 г., в результате отравления погибли около 50 человек. – Прим. ред.

(обратно)

23

Официальное название – Научно-исследовательский институт бактериофага, микробиологии и вирусологии им. Г. Элиава. – Прим. ред.

(обратно)

24

Ч. Дарвин не использовал термин «первичный бульон», но саму идею выразил в термине «маленький теплый пруд». Термин «первичный бульон» в 1924 г. ввел советский ученый А.И. Опарин, но так как его работы были известны только в СССР, то в 1929 г. английский ученый Дж. Холдейн самостоятельно ввел этот же термин (primordial soup). – Прим. ред.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

1. Вирусы – совсем не то, что вы себе представляли

  Вирусы: история успеха

  После Большого взрыва

  Вместо Адама и Евы

  Сначала были вирусы

  Оглядываясь назад

  Матрос и сплеснивание

  Вирусы – живые или неживые?

2. Вирусы: как они заставляют нас болеть

  Вирусы творят историю

  ВИЧ в качестве примера

  Берлинский пациент и младенец из Миссисипи – ВИЧ излечим?

  Вакцины против ВИЧ не существует?

  «Голая ДНК»

  Микробициды в качестве женских презервативов

  Как довести ВИЧ до «самоубийства»

  Происхождение и будущее ВИЧ

3. Ретровирусы и бессмертие

  Обратная транскриптаза – персональная ретроспектива

  РНКаза Н – молекулярные «ножницы»

  РНКаза Н и эмбрионы

  Теломераза и вечная жизнь

  Вирусы как клеточные ядра?

  Вирусы для выявления вирусов – ПЦР

4. Вирусы и рак

  Тасманийский дьявол

  Ретровирусные онкогены

  Сага о саркоме

  Вирусные онкогены, не содержащие вирусов, – парадокс?

  Вирусы и рак

  Странные смерти

  Чему ретровирусы научили исследователей рака?

  Белок Myc и аварии на реакторе

  Супрессоры опухоли и автомобильные аварии

  Метастазы, или Как клетки учатся «перебегать» из одного места в другое?

  «-ом» и «-омик»

  Рак – это нечто совсем другое?

  23andМе – заболею ли я раком молочной железы?

  Вирусы и рак простаты

5. Вирусы, которые не заставляют нас болеть

  Мировой океан полон вирусов

  Фаги – вирусы бактерий

  Пальто для художника и журнал для ученого

  Мы не сами по себе – мы суперорганизм

  Кесарево сечение, молоко и ген «суши»

  Вирусы против глобального потепления и откладывания яиц

  Вирус, полный генов осы, – это точно вирус?

  Прионы могут обходиться и без генов

6. Вирусы-гиганты размером с клетки

  Гигантские вирусы морских водорослей и запрет на плавание в Балтийском море

  Амебные вирусы способны «раздражать»

  Sputnik – вирусы вирусов

  Вирусы размера XXL – пандовирусы

  Два рекорда, зарегистрированных в Книге рекордов Гиннесса, – крупнейшие вирусы в самых крупных клетках

  Видят ли вирусы?

  Археи любят соленую и горячую среду

7. Вирусы как ископаемые

  Унаследованные вирусы

  Феникс из ДНК

  Как коалы пережили смертоносный вирус?

  Палеовирусология

  Поврежденные вирусы

  Что нам дают вирусы: рак или гениальность?

  Кто создал ДНК-вирусы?

  Кукуруза «госпожи Мендель»

  Отравленные игрушки и эпигенетика мышей агути

  Спящая красавица, древняя рыба, утконос и карп кои

  Забор со щелями

  Проект ENCODE, направленный на формирование представления о «мусорной ДНК»

8. Вирусы – наши самые древние предки?

  В начале была РНК

  Что появилось сначала – курица или яйцо? Ни то ни другое!

  Вироиды – первые вирусы?

  Вироиды – генетически неграмотные универсалы

  Кольца из РНК

  Рибосомы – это рибозимы. Вирусы делают белки!

  «Листья клевера»

  Белок как шаперон

  От картофеля к печени

  Вирус табачной мозаики

  Вирусы в соусе чили и моя яблоня

  Тюльпаномания: первый финансовый кризис был вызван вирусом

  Банкнота номиналом 500 немецких марок с гравюрой Марии Сибиллы Мериан

9. Вирусы и противовирусная защита

  Быстрая и медленная защита

  Отсутствие цвета из-за молчащих генов

  Наследуемая иммунная система у бактерий – а как у нас?

  Терапии, имитирующие противовирусную защиту, – CRISPR/Cas9

  От мечехвоста до червей для укрепления иммунитета

  Вирусы и душа

10. Вирусы и фаги нужны для выживания?

  Забытые фаги

  Ростки фасоли, отравленные фагами

  Что грязнее: холодильник или туалет?

  «Цюрихский случай» фекальной передачи

  Как бороться с ожирением

  Исследование «голландского голода»

  Аутсорсинговое пищеварение у червей с острова Эльба

  «Экосфера» в стеклянном шаре

11. Использование вирусов в генной терапии

  Вирусы против вирусов

  Дверь с нарушенной герметичностью, липицианские лошади и шейхи, а также «опубликовать или сгинуть»

  «Вакцинация комаров» для борьбы с вирусами

  Вирусы для лечения растений

  Способны ли вирусы спасти каштановые деревья и бананы?

  Грибки: секс против вирусов

  Стволовые клетки – почти опухолевые?

  Новая голова гидры

12. Вирусы и будущее

  Синтетическая биология – кошки или собаки из пробирки?

  Что появилось сначала – вирус или клетка?

  «Скороходы» и «тихоходы»

  Монстры в пробирке

  Пока нам везет – но что можно сказать о конце света?

  «Социальные» вирусы

  Фантастическая новая «генетика», обеспечиваемая половыми гормонами

  Вирусы для предсказания будущего?

Глоссарий

Список использованной литературы

Источники иллюстраций Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg