Везде и во всем.

Враг нашего врага. Бактериофаги как лекарство на основе вируса.

К началу ХХ в. ученым было известно о вирусах несколько важных вещей. Они знали, что вирусы – инфекционные агенты невообразимо малых размеров. Знали, что определенные вирусы вызывают определенные заболевания вроде табачной мозаики или бешенства. Но вирусология, молодая наука, все еще оставалась узконаправленной. Она сосредоточивала внимание в основном на вирусах, больше всего досаждавших человечеству – вызывающих болезни у людей, а также у сельскохозяйственных культур и скота, от которых зависели люди. Вирусологов редко интересовало что-то за пределами сферы наших непосредственных интересов. Но в годы Первой мировой войны два врача сумели приоткрыть окошко в более обширную вселенную вирусов, в которой мы живем.

Эту вселенную в 1915 г. Фредерик Туорт открыл для себя, можно сказать, случайно. На тот момент он искал более простой способ получения вакцин от оспы. В начале ХХ в. стандартная вакцина от этого заболевания содержала относительно безопасного родича вируса натуральной оспы, называемого вакцинией. Когда врачи вводили вакцинию людям, их иммунная система вырабатывала антитела, обезвреживающие не только коровью оспу, но и натуральную. Туорт решил проверить, сможет ли он выращивать вирус коровьей оспы в больших количествах, заражая культуры клеток в чашках Петри.

Его опыты окончились неудачей: попавшие в чашки бактерии погубили его клеточные культуры. Но огорчение Туорта не помешало ему заметить кое-что необычное. Он обратил внимание, что колонии бактерий, заполонившие его чашки, испещрены стекловидными пятнышками. Под микроскопом Туорт разглядел, что пятна усеяны погибшими микробами. Он собрал крошечные капельки со стекловидных участков и перенес их в живые бактериальные колонии. За считаные часы образовались новые стекловидные пятна с новыми мертвыми бактериями. Но когда Туорт повторил то же самое с другим видом бактерий, никаких пятен не появилось.

Туорт сумел придумать лишь три объяснения тому, что наблюдал. Это могла быть какая-то необычная особенность жизненного цикла данных бактерий. Или бактерии могли совершить самоубийство, выделяя смертельные ферменты. В третью возможность было поверить труднее всего: вероятно, Туорт открыл вирус, уничтожающий бактерии.

Туорт опубликовал свои результаты, перечислил три варианта и на этом оставил вопрос открытым. Но спустя два года врач канадского происхождения Феликс д'Эрелль независимо сделал то же открытие и понял, что он в действительности открыл.

В 1917 г. д'Эрелль состоял в должности военного врача и лечил французских солдат, умиравших от дизентерии. Дизентерия вызывает опасный для жизни понос; ее возбудители – бактерии из рода шигелл. Современные врачи умеют лечить дизентерию и другие бактериальные инфекции антибиотиками, но эти препараты появились лишь спустя десятилетия после Первой мировой войны. Д'Эрелль был в отчаянии оттого, что не мог помочь своим пациентам. Чтобы лучше узнать своего врага, д'Эрелль занялся изучением диареи.

Он пропустил фекалии солдат сквозь тонкопористые фильтры, задерживавшие шигеллы и любые другие бактерии, содержавшиеся в них. Сквозь поры могли пройти лишь вирусы и отдельные молекулы. Получив прозрачную, свободную от бактерий жидкость, д'Эрелль смешал ее со свежим образцом шигелл и высеял смесь бактерий и чистой жидкости в чашках Петри. Шигеллы пошли в рост, но через несколько часов д'Эрелль заметил, что в колониях стали образовываться стекловидные бляшки.

Д'Эрелль взял образцы с бляшек и снова подмешал их к шигеллам. В чашках образовались новые бляшки. Д'Эрелль заключил, что перед ним миниатюрные поля боя, где вирусы убивают шигеллы и оставляют на своем пути полупрозрачные трупики.

В то время эта идея казалась радикальной, ведь вирусологам были известны только вирусы, поражающие растения и животных. Д'Эрелль решил, что его вирусы заслуживают специального названия. Он окрестил их бактериофагами, то есть «поедателями бактерий». Сейчас их для краткости называют просто фагами.

Иммунолог Жюль Борде, лауреат Нобелевской премии, прочел отчет д'Эрелля о его открытии и решил поискать другие бактериофаги. Борде работал в мирное время, а не в военное и не использовал шигеллы, полученные от больных солдат. Вместо них он выбрал безвредную любимицу лабораторных исследователей – кишечную палочку. По примеру д'Эрелля Борде процедил суспензию кишечной палочки сквозь тонкопористые фильтры, чтобы выделить любые фаги, которые та могла содержать. Затем он смешал отфильтрованную жидкость со второй культурой кишечной палочки. Вторая культура погибла точно так же, как бактерии в опытах д'Эрелля.

Но затем Борде предпринял шаг, которого не сделал д'Эрелль. Он решил посмотреть, что произойдет, если добавить отфильтрованную жидкость в колонии его первой культуры кишечной палочки – той, которую он фильтровал вначале. Если в жидкости содержались фаги, они должны были уничтожить и эти бактерии. К удивлению Борде, бляшек не появилось. Первая культура кишечной палочки была устойчива по отношению к тому, что погубило вторую. Эта неожиданность привела Борде к выводу, что д'Эрелль заблуждался – фагов не существует. На самом деле, утверждал Борде, бактерии выделяют токсичные белки, способные убивать другие микроорганизмы, но не их самих.

Д'Эрелль высказал Борде свою критику, Борде нанес ответный удар, и страсти бушевали еще много лет. Лишь в 1940-е гг. ученые наконец нашли зримое подтверждение правоты д'Эрелля. Испытывая на жидкости из стекловидных бляшек электронные микроскопы, они обнаружили вирус странной формы – с капсидом в виде коробочки, расположенной на кончиках палочковидных белковых молекул, напоминающих паучьи лапки.

Фаги приземлялись на поверхность кишечной палочки, словно луноходы на Луну, и ввинчивались в бактерию, впрыскивая внутрь свою ДНК.

Борде потерпел поражение, сделав ошибочный вывод из своего эксперимента, так как ему не было известно, что у фагов бывает два совершенно различных жизненных цикла. Фагам д'Эрелля для репликации приходилось убивать своих хозяев. Они заражали бактерии и тут же заставляли их производить новые фаги, которые вырывались наружу, оставляя позади лопнувшие оболочки. Таких убийц вирусологи называют литическими фагами.

Однако Борде изучал умеренных фагов – тип вирусов, способных незаметно сосуществовать со своим хозяином и сохранять ему жизнь. Умеренные фаги ведут себя с бактериями так, как человеческие папилломавирусы ведут себя с нашими клетками кожи. Когда умеренный фаг поражает хозяина – бактериальную клетку, та включает гены вируса в собственную ДНК. Зараженная бактерия продолжает расти и делиться, воспроизводя гены вируса вместе с собственными. Вирус и хозяин словно становятся единым целым.

Но умеренные фаги остаются скрытой угрозой. Если пораженные бактерии внезапно испытывают какой-либо стресс, этот сигнал стимулирует их считывать гены сидящего внутри них фага и производить новые вирусы. Фаги покидают лопнувшую клетку и ищут новых уязвимых хозяев. Но они способны заразить только те микроорганизмы, которые еще не стали носителями других умеренных фагов. Эксперимент Борде провалился потому, что его первая популяция бактерий обладала иммунитетом к вирусам.

Не дожидаясь завершения дебатов о фагах, д'Эрелль принялся испытывать их в качестве средства от дизентерии. Если дать пациентам добавочную дозу фагов, возможно, они смогут одолеть все бактерии и избавиться от инфекции. Прежде чем проверить эту гипотезу, д'Эрелль должен был убедиться, что фаги безопасны. Он отфильтровал взвесь шигелл, чтобы получить порцию фагов, и выпил их, «не отметив при этом ни малейшего недомогания», как писал впоследствии. Затем д'Эрелль ввел себе жидкость с фагами подкожно, снова без всяких вредных последствий.

Уверившись, что фаги безопасны, д'Эрелль стал применять «лечение фагами» к больным. Он сообщил, что оно способствует выздоровлению от дизентерии. Он испытал его на других бактериальных заболеваниях, типа холеры, и снова сообщил об успехах. Когда четверо пассажиров французского судна в Суэцком канале заболели бубонной чумой, д'Эрелль дал им фаги. Все четверо выздоровели.

Уже раньше открытие бактериофагов принесло д'Эреллю славу в научных кругах, но теперь факты излечения сделали его настоящей знаменитостью. Американский писатель Синклер Льюис положил его историю в основу романа 1925 г. «Эрроусмит», ставшего бестселлером и экранизированного в Голливуде в 1931 г. Тем временем д'Эрелль разрабатывал на основе фагов лекарства, которые продавала компания, ныне известная как L'Oréal. Толпы покупателей приобретали фаги для лечения кожных травм и кишечных инфекций.

Но фаговый бум продлился недолго. В 1930-е гг. ученые открыли первые антибиотики – вещества, вырабатываемые грибами и бактериями и способные подавлять инфекции. Врачи с энтузиазмом переключились на эти безопасные, надежные препараты. Антибиотики вскоре доказали свою удивительную эффективность, к тому же гарантированную. Рынок фаготерапии сдулся, и большинство ученых не видели особого смысла в дальнейших исследованиях.

Но мечта д'Эрелля не погибла. В 1920-е гг., во время своей поездки в СССР, так как он все же был светилом медицины, он познакомился с учеными, которые хотели создать целый институт исследований фаготерапии. В 1923 г. в Тбилиси при участии д'Эрелля был основан Научно-исследовательский институт микробиологии, вирусологии и иммунологии им. Георгия Элиавы. В лучшие годы институт располагал 1200 сотрудниками и производил тонны фагов ежегодно. Во время Второй мировой войны СССР отправлял фаги в порошках и таблетках на фронт, где их давали солдатам для лечения инфекций. В 1963 г. сотрудники института даже провели обширное клиническое исследование, чтобы продемонстрировать действенность фаготерапии. Всем детям в Тбилиси раздали таблетки: те, что жили по одну сторону улицы раз в неделю получали таблетку с фагами, а те, что по другую сторону, – обычный сахар. Всего в исследовании участвовало 30 769 детей, за которыми наблюдали на протяжении 109 дней. Среди получивших сахарную таблетку заболеваемость дизентерией составила 6,7 случая на 1000. Среди тех, кому досталась таблетка с фагами, этот показатель упал до 1,8 на 1000. Прием фагов сократил вероятность заболевания у детей в 3,8 раза.

Если бы подобное исследование провели на Западе, возможно, ученые пересмотрели бы свое отношение к фаготерапии. Но из-за завесы секретности, которой советская власть окружила науку в своей стране, мало кто знал о ней за пределами Грузии. Только после распада СССР в 1991 г. на Западе узнали об истинном масштабе замечательных исследований, проводившихся в Тбилиси. К тому времени инфекционисты наконец всерьез заинтересовались альтернативами антибиотикам. Чудо-препараты стали подводить, антибиотикорезистентность встречалась все чаще. Врачи замечали, что самые безопасные, самые надежные антибиотики не справлялись с инфекцией. Приходилось прибегать к резервным препаратам, более дорогим и порой дающим опасные побочные эффекты.

К 1990-м гг. ряд исследователей всерьез обратили внимание на фаготерапию. Но они отмечали трудности, препятствующие ее введению в медицинскую практику. Например, многообразие видов и штаммов фагов чрезвычайно велико и каждый из них точно приспособлен к конкретной бактерии-хозяину. Даже если фаг показал эффективность против одного штамма патогена, он может не справляться с остальными.

К тому же скептики опасались, что фаги, подобно антибиотикам, станут жертвой резистентности. В 1940-е гг. микробиологи Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк самолично наблюдали, как у бактерий развивается устойчивость к фагам. Когда они пропитали культуру кишечной палочки фагами, большинство бактерий погибло, но некоторые выжили, затем размножились и породили новые колонии. Дальнейшие исследования показали, что у выживших появились мутации, позволившие им устоять против фагов. Затем резистентные бактерии передали свои мутантные гены потомкам. Критики утверждали, что фаготерапия превратит наш организм в подобие чашки Петри, где бактерии смогут вырабатывать устойчивость к фагам.

В ХХI в. исследователи фаготерапии опровергли некоторые из этих опасений. Фаги действительно привередливы в выборе хозяев, но это не мешает использовать фаготерапию для лечения широкого спектра инфекционных заболеваний. В частности, ученые из института Элиавы разработали пластырь для ран, засеянный шестью разными видами фагов, способными уничтожать шесть наиболее распространенных видов бактерий, из-за которых возникает заражение кожных ран. Кроме того, исследователи создают коллекции фагов, которые можно испытывать на бактериях каждого конкретного пациента, чтобы подобрать тот, что подействует.

Обнаруживая новые фаги, ученые открывают виды, способные обеспечить новые способы поражения бактерий. Исследователь из Йельского университета Бен Чан и его коллеги открыли фаг, проникающий в клетку бактерии через ее мембранный насос. Интересно, что этот же насос бактерия использует для того, чтобы выводить наружу антибиотики, прежде чем они сумеют причинить ей вред. Бактерия может стать более устойчивой к антибиотикам, отращивая дополнительные насосы.

Чан и его команда испытали свой новый фаг в чашке с бактериями. Если они подсаживали к бактериям фаг, те эволюционировали в сторону уменьшения количества насосов, чтобы фагу было труднее заразить их. Но, уменьшив число насосов, они становились более уязвимыми для антибиотиков. Результаты исследования предполагают, что фаги вместе с антибиотиками могут загнать бактерии в ловушку эволюционного конфликта. Вскоре Чан с коллегами применили эту комбинацию к мужчине с хронической сердечной инфекцией, вызванной резистентными бактериями. Бактерии стали уязвимы для антибиотиков – и он выздоровел.

Конечно, испытание на единственном пациенте доказывает эффективность и безопасность фаготерапии не больше, чем во времена д'Эрелля. Но Чан и другие ученые уже проверяют на других пациентах, поможет ли им лечение фагами, а некоторые исследователи приступили к клиническим испытаниям. Некоторые государственные службы теперь стремятся облегчить эти исследования, устанавливая правила, поощряющие их применение вместо лекарств. Более чем через век после того, как д'Эрелль впервые столкнулся с бактериофагами, эти вирусы, возможно, наконец готовы занять свое место в современной медицине.

Инфицированный океан. Как морские фаги правят водами мира.

Некоторые великие открытия поначалу кажутся заблуждением.

В 1986 г. Лита Проктор, аспирантка Нью-Йоркского университета в Стоуни-Брук, решила узнать, сколько вирусов обитает в морской воде. В то время общепринятым было мнение, что едва ли они вообще там могут быть. Те немногочисленные исследователи, которые снизошли до поисков вирусов в океане, обнаружили ничтожное количество. Большинство специалистов полагало, что в основном вирусы, найденные ими в морской воде, на самом деле попали туда из канализации и других наземных источников.

Но со временем стали появляться данные, которые не вписывались в общепринятые взгляды. Так, специалист по морской биологии Джон Сиберт опубликовал фотоснимок морской бактерии, извергающей новые вирусы. Проктор решила предпринять систематический поиск и узнать, сколько именно вирусов обитает в океане. Она отправилась в Карибское и Саргассово моря, собирая в ходе экспедиции пробы воды. Вернувшись на Лонг-Айленд, она тщательно извлекла из морской воды биологический материал и покрыла частицами металла, чтобы его было видно под лучом электронного микроскопа. Когда Проктор наконец взглянула на свои образцы, ее глазам предстал мир вирусов. Одни свободно плавали, другие скрывались внутри бактерий. Подсчитав численность вирусов в своих образцах, Проктор сделала вывод, что каждый литр морской воды содержит до 10 млрд вирусов.

Полученная Проктор цифра значительно превышала оценки предшественников. Но когда другие ученые продолжили ее исследования и провели собственные расчеты, у них получились сходные значения. Они находили вирусы, притаившиеся в глубоководных желобах, и вирусы, замурованные во льдах арктических морей. Ученые пришли к выводу, что в океане обитает примерно 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 вирусов.

Трудно найти объект для сравнения, чтобы представить себе, насколько это громадное число. Вирусов в океане в 100 млрд раз больше, чем песчинок на всех пляжах мира. Если взвесить все вирусы океанов, получится вес 75 млн синих китов (притом что всего на планете синих китов менее 10 000). А если выстроить все вирусы океана в цепочку, то цепочка растянется на 5,7 млн световых лет.

Эти цифры не означают, что морское купание равносильно смертному приговору. Лишь ничтожная доля вирусов из океана способна поражать людей. Некоторые морские вирусы заражают рыб и других морских животных. Но чаще всего их цель – бактерии и другие одноклеточные микроорганизмы. Пусть микробы невидимы невооруженным глазом, но в совокупности их намного больше, чем всех китов, коралловых рифов и прочих форм морской жизни, вместе взятых. И подобно тому, как бактерии, живущие в нашем организме, подвержены атаке фагов, точно так же морские бактерии становятся жертвами морских фагов.

Когда в 1917 г. Феликс д'Эрелль впервые обнаружил бактериофаги в выделениях французских солдат, многие ученые отказывались верить в их существование. Теперь, через сто лет, не подлежит сомнению, что д'Эрелль обнаружил самую многочисленную форму жизни на Земле. Более того, морские фаги оказывают масштабное влияние на планету. Они воздействуют на экологию Мирового океана. Они накладывают свой отпечаток на глобальный климат Земли. И вот уже миллиарды лет они играют важнейшую роль в эволюции жизни. Иными словами, они суть живая матрица биологии.

Морские фаги играют такую заметную роль благодаря своей чрезвычайной контагиозности. Они поражают новые микробные клетки 100 млрд трлн раз в секунду и ежедневно убивают от 15 до 40 % всех бактерий в Мировом океане. Из погибших клеток-хозяев выходят новые морские фаги. В каждом литре морской воды ежедневно рождается до 100 млрд новых вирусных частиц.

Их убойная сила контролирует популяцию хозяев, и нам, людям, эта смертоносность часто служит на благо. Холеру, например, вызывает размножение обитающих в воде бактерий – вибрионов. Но на вибрионах паразитирует множество фагов. Когда происходит взрывообразный рост популяции вибрионов, запускающий эпидемию, размножаются и фаги. Популяция вирусов растет так быстро, что уничтожает вибрионы быстрее, чем они успевают размножаться. Бактериальный бум стихает, и эпидемия холеры идет на убыль.

Из погибшего микроба извергаются не только новые вирусы. Высвобождаются также органические соединения углерода и другие вещества. Ежегодно морские вирусы высвобождают миллиарды тонн углерода, и этот огромный приток оказывает воздействие планетарного масштаба. Он выполняет роль удобрения, стимулируя рост бесчисленных новых микроорганизмов, часть которых служит основой пищевой сети в океане. Эта пищевая сеть, вероятно, была бы беднее, если бы ее рост не стимулировали вирусы. Часть высвобождаемого углерода не поглощается микроорганизмами, а оседает на дно океана. Внутренности микроба липкие, и как только вирус разрывает хозяйскую клетку, клейкие молекулы выбираются наружу и захватывают находящиеся поблизости органические соединения, создавая мощную метель из подводного снега, падающего на морское дно.

Хозяева морских вирусов в ответ на эту угрозу защищаются на все лады. Но вирусы придумывают способы одолеть их. Поскольку у каждого вида собственный эволюционный путь спасения, эта гонка вооружений породила головокружительное разнообразие морских вирусов. В начале своих исследований Лита Проктор не представляла себе, сколько различных видов вирусов она открывает. Глядя в микроскоп, она могла пересчитать их, но видела лишь ограниченный набор форм – шары, цилиндры и т. п. Но в мире вирусов внешность обманчива. Риновирусы и вирус полиомиелита выглядят как почти одинаковые шарики, но первые вызывают легкую простуду, а вторые могут довести до паралича или смерти.

С начала 2000-х гг. вирусологи нашли способ различать их под масками, изучая непосредственно вирусные гены. Они принялись собирать образцы – морской воды, грязи или шмелиных внутренностей – и отфильтровывать из них все, кроме вирусов. Затем они извлекали из вирусов генетический материал и секвенировали его. Иногда прочитанные последовательности совпадали с какими-то известными видами или штаммами вирусов. Но гораздо чаще не совпадали. Куда бы ни заглядывали ученые, они находили ошеломляющее разнообразие вирусов. Даже в нашем собственном организме нас поджидали сюрпризы. В 2014 г. коллектив ученых под руководством Баса Дутила открыл в человеческих фекалиях новый тип фага, который назвали КрАсс-фагом (crAss – сокращенно от cross assembly, «перекрестная сборка», – метод воссоздания генетической последовательности вируса). Вскоре исследователи обнаружили множество других разновидностей вирусов, близких КрАсс-фагу и составляющих до 90 % всех вирусов в человеческом кишечнике. И ведь они оставались незамеченными целых сто лет после того, как Феликс д'Эрелль открыл фаги.

А подлинный масштаб виросферы выявился именно в океанах. Мэтью Чапмен, вирусолог из Университета штата Огайо, совместно со своими коллегами анализировал генетический материал из морской воды, собранной в ходе кругосветной научной экспедиции. В 2016 г. они отчитались о более чем 15 000 новых видов вирусов. Для сравнения: число видов млекопитающих всего лишь около 6400. Чапмен и его сотрудники думали, что они достаточно точно оценили разнообразие вирусов в морях, но на всякий случай продолжали собирать образцы воды и изобретать новые способы выявления в ней вирусных генов. В 2019 г. они сообщили уже о 200 000 видов. Притом ими была обследована лишь малая часть океана. Всего же, по оценкам некоторых исследователей, на Земле могут обитать до 100 трлн видов вирусов – большинство из них в море.

Это разнообразие вирусов возникло благодаря их необычному способу размножения. Зараженные клетки синтезируют множество новых вирусных частиц, но делают это кое-как. Гены новых вирусов кишат ошибками копирования. Большинство этих мутаций делает вирусы нежизнеспособными, но некоторые из них дают вирусу эволюционное преимущество, позволяя более эффективно заражать хозяев. Если в клетку попадают одновременно два вида вирусов, они могут обменяться генами. Вирус способен даже прихватить с собой немного собственных генов хозяина, которые потом передаст новым хозяевам. По одной из оценок, ежегодно морские вирусы переносят между геномами своих хозяев триллион триллионов генов.

Благодаря горизонтальному переносу генов, возможно, именно вирусы обеспечили немалую долю мировых запасов кислорода. Значительная часть атмосферного кислорода вырабатывается фотосинтезирующими микроорганизмами в океанах. Некоторые вирусы, поражающие их, обладают собственными генами, отвечающими за фотосинтез. Внедрившись, вирусы берут на себя ответственность за добычу и преобразование света. По ориентировочным подсчетам, 10 % всего фотосинтеза на Земле осуществляется с помощью вирусных генов. Сделайте десять вдохов – каждым десятым вы обязаны вирусу.

Этот обмен генами не только оказывает огромное влияние на современную Землю, но и делал это на протяжении всей истории живого. В конце концов, именно в океанах зародилась жизнь. Древнейшие следы жизни – это окаменелости морских микроорганизмов возрастом почти в 3,5 млрд лет. Именно в океанах возникли многоклеточные организмы – их древнейшим остаткам около 2 млрд лет. Наши собственные предки выбрались на сушу всего лишь 400 млн лет назад. Вирусы не оставляют окаменелых отпечатков, зато они оставляют следы в геномах своих хозяев. Эти следы указывают на то, что вирусы существуют миллиарды лет.

Ученые умеют прослеживать историю генов, сравнивая геномы видов, отделившихся от древнего общего предка. Это сопоставление позволяет, в частности, обнаружить гены, доставленные нынешнему хозяину вирусом, который существовал в незапамятные времена. Наука установила, что у всех живых существ геномы мозаичные – они включают сотни, даже тысячи генов, привнесенных вирусами. Как бы далеко в прошлое ни заглядывали исследователи, к самому основанию эволюционного древа, – во все времена вирусы переносили гены. Дарвину история живого представлялась в виде древа. Но история генов, по крайней мере применительно к микроорганизмам в океане и их вирусам, больше напоминает оживленную сеть торговых путей, простирающуюся на миллиарды лет в прошлое.

Наши внутренние паразиты. Эндогенные ретровирусы и наш набитый вирусами геном.

Идея, что хозяйские гены могут иметь вирусное происхождение, в силу своей причудливости звучит почти философически. Мы склонны думать о наших геномах как о нашем полном тождестве. Тот факт, что бактерии приобретают значительную долю своей ДНК от вирусов, вызывает неудобные вопросы. Есть ли у них свое лицо? Или они всего лишь гибридные чудища Франкенштейна со стертыми чертами идентичности?

Поначалу эту проблему можно было отделить от нашего собственного существования и рассматривать ее исключительно как проблему микробов. Наличие у них вирусных генов казалось всего лишь случайной удачей «низших» форм жизни. Но сегодня мы уже не можем на этом успокоиться. Теперь, заглядывая в человеческий геном, мы тоже наблюдаем вирусы. Тысячи вирусов.

Ученым понадобилось много десятилетий, чтобы распознать наши внутренние вирусы, а началась эта история с плимутрокской курицы Фрэнсиса Рауса. Та больная курица вдохновила Рауса на полувековое исследование вирусов, вызывающих рак. Раус и другие ученые обнаружили множество различных вирусов, способных вызвать опухоли. Изучая кроликов например, Раус проводил первые в своем роде исследования папилломавирусов. Его курица, как оказалось, была заражена уже другим видом вируса, получившим название в его честь – вирус саркомы Рауса.

Дальнейшие поколения ученых занялись вирусом саркомы Рауса, надеясь раскрыть некоторые тайны рака. В ходе исследований они обнаружили, что у вируса необычный способ репликации. Гены вируса саркомы закодированы в одноцепочечной РНК. Поражая клетку курицы, он создает копию своих генов в двуцепочечной ДНК, а затем эта вирусная ДНК встраивается в хозяйский геном. Ученые обнаружили, что, когда хозяйская клетка делится, наряду с собственной ДНК она копирует вирусную. При определенных условиях клетка производит новые вирусы – вместе с генами и белковой оболочкой, – которые могут затем выйти наружу и заразить новую клетку. Опухоли у кур возникают, когда гены вируса саркомы Рауса случайно внедряются в неподходящее место генома. Или, наоборот, они встраиваются в гены, кодирующие белки, мешающие клетке бесконтрольно делиться. Их выключение из-за вставки вируса снимает этот блок. В 1960-е гг. ученые поняли, что вирус саркомы Рауса далеко не уникален. Многие другие вирусы, известные как ретровирусы, внедряют свои гены в хозяйский геном таким же образом.

Робин Уайсс, вирусолог, в ту пору работавший в Вашингтонском университете, особенно заинтересовался одним ретровирусом, известным как вирус птичьего лейкоза, близким родичем вируса саркомы Рауса. Уайсса озадачили результаты проверки кур на наличие вируса. Обследование подразумевало анализ крови птиц на вирусные белки. Иногда эти белки обнаруживались у здоровых кур, которые так и не заболевали раком. Что еще более странно, когда у этих здоровых кур появлялись цыплята, у них уже с рождения присутствовали вирусные белки.

Вспомнив о том, как ретровирусы внедряют свои гены в геном хозяина, Уайсс задался вопросом, не могут ли они передаваться у кур по наследству. Пытаясь выманить вирус из укрытия, Уайсс и его коллеги вырастили культуры клеток здоровых кур, вырабатывавших вирусный белок. Они поливали эти клетки химическими мутагенами и бомбардировали радиацией – эти виды агрессивного воздействия заставляют ретровирусные гены пробудиться и синтезировать новые вирусы.

Как и подозревали ученые, мутировавшие клетки начали тиражировать новые вирусы птичьего лейкоза. Иными словами, здоровые куры не просто несли в части своих клеток вирус птичьего лейкоза – генетические инструкции по изготовлению вируса были встроены у них во все клетки, и птицы передавали соответствующие инструкции своему потомству.

Вскоре Уайсс и его сотрудники выяснили, что эти скрытые вирусы встречаются отнюдь не у одной случайной породы кур. Оказалось, что вирус птичьего лейкоза встроен в гены многих пород. Это наводило на мысль, что вирус с древних времен присутствует в составе куриной ДНК. Чтобы узнать, когда предки современных кур заразились вирусами птичьего лейкоза, Уайсс со своими коллегами отправился в джунгли Малайзии. Там они ловили банкивских джунглевых кур – ближайших диких родичей домашней курицы. Уайсс обнаружил, что банкивские джунглевые куры несут тот же вирус птичьего лейкоза. В последующих экспедициях он установил, что у других видов джунглевых кур вируса нет.

На основании этих исследований вируса птичьего лейкоза сформировалась гипотеза о том, как куры его приобрели. Тысячи лет назад вирус поражал общего предка домашних кур и банкивской джунглевой курицы. Он проникал в клетки, создавал новые копии себя и заражал очередных птиц, оставляя за собой опухоли. Но как минимум одной птице повезло. Вирус не вызвал у нее рак – иммунная система птицы сумела удержать вирус под контролем. Распространившись в организме курицы без вреда для нее, вирус добрался до половых органов. Зараженные яйца или сперма могли дать начало зараженным куриным эмбрионам.

Инфицированный эмбрион рос и делился, и все его клетки тоже наследовали вирусную ДНК. Вылупившись из скорлупы, он был частично курицей, частично вирусом. И поскольку вирус птичьего лейкоза теперь был составной частью его генома, цыпленок передавал вирусную ДНК собственному потомству. Вирус оставался безмолвным пассажиром из поколения в поколение на протяжении тысяч лет. Но при определенных условиях вирус мог активироваться, вызвать опухоли и распространиться на других птиц.

Ученые установили, что вирус птичьего лейкоза принадлежит к особому классу. Они назвали его эндогенным ретровирусом, подразумевая, что он «зарождается внутри». Вскоре эндогенные ретровирусы были обнаружены у других животных. В действительности они скрываются в геномах всех основных групп позвоночных, от рыб и рептилий до млекопитающих. Некоторые из новооткрытых эндогенных ретровирусов, как и вирус птичьего лейкоза, вызывали рак. Но многие не вызывали. Они были искалечены мутациями, лишившими их возможности производить новые вирусные частицы, способные покинуть клетку хозяина. Эти вирусы-калеки могли тем не менее производить новые копии своих генов, которые снова встраивались в хозяйский геном. А еще ученые открыли другие эндогенные ретровирусы, настолько отягощенные мутациями, что они не годились ни на что. Они были просто балластом в геноме своего хозяина.

При исследовании человеческого генома ученые стали находить эндогенные ретровирусы и в нем. Насколько известно науке, среди них нет ни одного активного. Но Тьерри Хайдман, сотрудник Института имени Гюстава Русси в Вильжюифе (Франция), и его коллеги обнаружили, что этот генетический балласт можно трансформировать обратно в полноценные вирусы. Изучая один такой эндогенный ретровирус, Хайдман заметил, что его варианты у разных людей не совсем одинаковы. Эти различия, очевидно, появились уже после того, как ретровирусы попали в геномы древних людей. У их потомков обнаружились мутации в разных частях вирусной ДНК.

Хайдман и его команда сравнили между собой эти разные варианты вирусной ДНК. Это выглядело так, как если бы они нашли четыре экземпляра пьесы Шекспира от четырех незадачливых переписчиков. Каждый копиист допускал собственный набор ошибок, и порой одно и то же слово шекспировского текста воспроизводилось в четырех ошибочных вариантах, скажем: порешу, напишу, покажу, помечу. Сравнив все четыре варианта, текстолог мог установить, что исходное слово – почему.

Применив этот метод, Хайдман и его собратья-ученые сумели на основании мутантных ретровирусов современных людей восстановить последовательность ДНК исходного вируса. Затем они синтезировали фрагмент ДНК с этой последовательностью и внедрили ее в человеческие клетки, культивированные в чашке Петри. Из клеток появились новые вирусы, способные заражать другие клетки. То есть первоначальная последовательность ДНК представляла собой живой функциональный вирус. В 2006 г. Хайдман назвал этот вирус «Феникс» (Fhoenix) – в честь мифической птицы, возрождающейся из собственного пепла.

Вирус «Феникс», по-видимому, заражал наших предков на протяжении последнего миллиона лет. Но мы несем и куда более древние вирусы. Это известно благодаря тому, что ученые обнаружили одни и те же скрытые вирусы в геноме у нас и у других видов. В ходе одного из исследований вирусолог из Имперского колледжа Лондона Адам Ли и его коллеги открыли в человеческом геноме эндогенный ретровирус ERV–L. Затем они обнаружили его у ряда других видов – от лошадей до трубкозубов. Когда команда Ли составила эволюционное древо вируса, оно совпало с древом его хозяев. Похоже, этот эндогенный ретровирус поразил общего предка всех плацентарных млекопитающих, жившего более 100 млн лет назад. Ныне этот вирус дремлет в генах броненосцев, слонов и ламантинов. И в наших.

Обреченный на жизнь в организме хозяина эндогенный ретровирус может сохранять способность производить копии своей ДНК, которые снова встраиваются в хозяйский геном. За те миллионы лет, что эндогенные ретровирусы вторгались в наши геномы, их накопилось невероятно много. Каждый из нас несет в своем геноме почти 100 000 фрагментов вирусной ДНК, что составляет до 8 % всей нашей ДНК. Чтобы оценить, насколько это много, вспомним, что 20 000 белок-кодирующих генов в человеческом геноме составляют лишь 1,5 % ДНК.

Кроме того, ученые обнаружили миллионы более мелких фрагментов ДНК, которые тоже копируются и заново встраиваются в человеческий геном. Возможно, многие из этих фрагментов – крошечные остатки эндогенных ретровирусов. За миллионы лет эволюции они растеряли все, кроме самого необходимого для копирования ДНК. Иными словами, наши геномы кишат вирусами.

Большая часть этой вирусной ДНК из-за миллионов лет мутаций утратила всякую способность работать. Но наши предки приспособили некоторые вирусные гены себе на пользу. Более того, без этих вирусов никто из нас даже не родился бы.

В 1999 г. Жан-Люк Блонд и его коллеги открыли эндогенный ретровирус человека, который они назвали HERV-W. К их удивлению, оказалось, что один из его генов все еще способен синтезировать белок. А белок этот, синцитин, как выяснилось, выполняет очень специфическую и важную работу, но не для вируса, а для его хозяина – человека. Он содержится только в плаценте.

Клетки внешнего слоя плаценты производят синцитин, благодаря которому они соединяются и между ними возможен обмен молекулами. Ученые обнаружили, что синцитин вырабатывается не только у людей, но и у мышей, и это открытие позволило экспериментально установить, как работает белок. Когда ученые удалили из генома мышей ген, кодирующий синцитин, эмбрионы мышат не дожили до рождения. Вирусный белок был необходим для того, чтобы зародыш получал питательные вещества из кровотока матери.

Исследователи стали искать синцитин у других плацентарных млекопитающих, и он нашелся. Но оказалось, что у разных видов разные формы синцитина. Тьерри Хайдман, первооткрыватель многих синцитиновых белков, предложил сценарий, объясняющий разнообразие вирусов в плаценте. Около 100–150 млн лет назад предковое млекопитающее поразил эндогенный ретровирус. Оно обратило себе на пользу первый синцитиновый белок[2], который со временем позволил сформироваться плаценте. За миллионы лет это исходное плацентарное млекопитающее дало начало множеству линий потомков. Они продолжали заражаться эндогенными ретровирусами. В некоторых случаях новые вирусы обладали собственными синцитиновыми генами, которые позволяли получить более совершенную плаценту. В различных линиях млекопитающих – грызунов, рукокрылых, копытных, приматов – одни вирусные белки сменились другими.

В самый интимный момент зарождения новой человеческой жизни вирусы необходимы для нашего выживания. Не существует нас и их – есть лишь постоянное перемешивание и перетасовывание ДНК.