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 АGS 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 рiРНК, 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.