Read the book: «Вирусы: Скорее друзья, чем враги»

Name: Вирусы: Скорее друзья, чем враги
Author: Карин Мёллинг
ISBN: 978-5-9614-5270-9

Карин Мёллинг

Font::

Переводчик М. Веселкова

Научные редакторы А. Мацкевич, М. Сайфуллин

Редактор И. Тулина

Главный редактор С. Турко

Руководитель проекта А. Василенко

Корректоры Е. Аксёнова, О. Улантикова

Компьютерная верстка К. Свищёв

Художественное оформление и макет Ю. Буга

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

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

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

* * *

Предисловие

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

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

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

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

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

Данную книгу необязательно читать подряд с начала до конца; скорее, нужно выбирать интересующие вас главы, перепрыгивать с одной на другую, переворачивать страницу за страницей, пропускать части текста, если вам кажется, что они слишком сложны и изобилуют научной терминологией. Дополнительная информация приводится в глоссарии и в библиографии. Тем не менее завершающая глава книги предназначена для всех читателей. Здесь концентрированно сведен воедино большой массив информации, как хор голосов в последнем tutti¹ фуги моего любимого Иоганна Себастьяна Баха.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Карин Мёллинг,
Берлин – Цюрих, 2016 г.

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

Вирусы: история успеха

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

После Большого взрыва

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

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

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

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

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

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

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

Вместо Адама и Евы

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

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

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

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

Сначала были вирусы

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

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

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

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

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

Оглядываясь назад

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Матрос и сплеснивание

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

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

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

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

Вирусы – живые или неживые?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Вирусы: как они заставляют нас болеть

Вирусы творят историю

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ВИЧ в качестве примера

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Берлинский пациент и младенец из Миссисипи – ВИЧ излечим?

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

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

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

Новые подходы направлены на то, чтобы «вырезать» ВИЧ молекулярными «ножницами», что намного легче осуществить, используя новейшую технологию, предусматривающую применение описанных ниже молекулярных «ножниц» (CRISPR/Cas9). Для этого потребовалась бы ex vivo генная терапия специально отобранных клеток, возможно, вирусные векторы для лечения и реинфузия, а также терапия второй линии, чтобы бороться с «минимальными остатками заболевания» в клетках, поскольку не существует эффективной на 100 % терапии. Кто в состоянии оплатить такие исследования и последующее лечение и где? В Африке? Но зато был создан новый журнал Cure HIV. Много шума. Еще один новый подход заключается в активации вируса, который прячется в организме пациента (для этого применяют препарат вориностат), чтобы против него можно использовать соответствующую терапию. Этот метод изучается в процессе исследовании DARE – очень символичное сокращение⁶, поскольку увеличить вирусную нагрузку, чтобы после этого уничтожить вирус, рискованно. Кроме того, в настоящее время проводится исследование так называемых «элитных контроллеров» с целью выяснить, как их организм контролирует вирус. Иммунная система таких людей имеет одну особенность – наличие генного варианта HLA-B57, который, возможно, обусловливает контроль над вирусом. Такая возможность изучается в рамках Исследования вирусологических и иммунологических аспектов у контроллеров после прекращения лечения (VISCONTI). Основной тезис прост: лечение нужно начинать как можно раньше!

Вакцины против ВИЧ не существует?

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

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

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

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

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

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

«Голая ДНК»

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

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

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

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

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

Микробициды в качестве женских презервативов

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

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

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

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

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

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

Как довести ВИЧ до «самоубийства»

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

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

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

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

Происхождение и будущее ВИЧ

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

Совсем недавно был проведен обширный анализ последовательностей генов нескольких сот образцов, полученных от пациентов в Киншасе, начиная с 1920-х гг. Один штамм ВИЧ-1 (М – основной штамм), который можно отследить до 1900 г., а другой штамм (О) – до 1920 г. в Конго, который в 1960 г. вдруг стал с огромной скоростью распространяться в Киншасе. Было ли это связано с тем, что в больницах, где лечили гепатит В, HVB и заболевания, передающиеся половым путем, не хватало стерильных игл? Вполне возможно, что социально-политическая ситуация в 1920-х гг. и появление железнодорожного сообщения между севером и юго-востоком тогдашнего Свободного государства Конго⁷ способствовали распространению ВИЧ. СПИД стал следствием четырех независимых межвидовых вирусных трансмиссий от приматов к человеку: два от шимпанзе (М и N) и два от горилл (О и Р). Такой вывод сделан на основании анализа более чем 6000 образцов кала обезьян, собранных в дикой природе. В 1964 г. было зафиксировано заражение норвежского моряка штаммом подгрупп О, что считается первым случаем заражения. Массовые случаи заражения штаммами О и Р отмечались в Камеруне, который находится на расстоянии 1000 км от Киншасы. По реке Конго из Киншасы поставляются грузы и осуществляются пассажирские перевозки – вероятно, именно это способствовало распространению вируса.

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

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

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

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

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

3. Ретровирусы и бессмертие

Обратная транскриптаза – персональная ретроспектива

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

РНКаза Н – молекулярные «ножницы»

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

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

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

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

РНКаза Н и эмбрионы

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

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

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

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

Теломераза и вечная жизнь

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вирусы как клеточные ядра?

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

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

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

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

Мы до сих пор не обсудили вопрос, откуда появились первые клетки. Первичные клетки относят к древнейшим универсальным общим (или клеточным) предкам (LUCA¹¹). Был ли вирус предшественником LUCA? В чем заключается роль вирусов? Только ли в поставке ядер или, возможно, в формировании клетки в целом?

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

Вирусы для выявления вирусов – ПЦР

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

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

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

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

4. Вирусы и рак

Тасманийский дьявол

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

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

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

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

Ретровирусные онкогены

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

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

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

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

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

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

Сага о саркоме

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

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

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

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

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

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

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

Вирусные онкогены, не содержащие вирусов, – парадокс?

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

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

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

Вирусы и рак

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1.Tutti (итал.) – музыкальный термин, означающий «все вместе», то есть весь оркестр. – Прим. ред.

2.Клюге А. Хроника чувств. – М.: Новое литературное обозрение, 2004.

3.Голод в Голландии с ноября 1944 по май 1945 г. – Прим. пер.

4.Уотсон Дж. Двойная спираль. – М.: АСТ, 2013.

5.Часть фразы «Ceterum censeo Carthaginem esse delendam» (лат.) («Впрочем, думаю, что Карфаген должен быть разрушен»), которой Катон Старший заканчивал речи в сенате. Стало крылатым латинским выражением, означающим настойчивый призыв. – Прим. ред.

6.В переводе с английского языка значит «вызов». – Прим. ред.

7.Так Конго называлось до 1908 г., после чего страна стала колонией Бельгии и до 1960 г. именовалась Бельгийское Конго. – Прим. ред.

8.Уотсон Дж. Избегайте занудства: Уроки жизни, прожитой в науке. – М.: Астрель: Corpus, 2010.

9.Реальная транскриптаза – real transcriptase (англ.), сокращенно RT; обратная транскриптаза – reverse transcriptase (англ.), сокращенно также RT. – Прим. ред.

10.Склут Р. Бессмертная жизнь Генриетты Лакс. – М.: Карьера Пресс, 2012.

11.Latest Universal Common (or Cellular) Ancestors (англ.). – Прим. ред.

The free sample has ended.