Невидимый страж. Как иммунитет защищает нас от внешних и внутренних угроз

скачать книгу бесплатно


Так что же нового удалось узнать ученым за 100 лет, прошедших после открытия Мечникова, и кто из них на самом деле заслуживал Нобелевскую премию? Я постараюсь ответить на первый вопрос, а что до ответа на второй – решайте сами.

Как было сказано выше, в начале и середине XX века все внимание иммунологов было сосредоточенно на клетках приобретенного иммунитета – лимфоцитах. Но постепенно ученые стали догадываться, что адаптивный иммунный ответ совсем не так самодостаточен, как им казалось раньше. Более того, подавляющее количество многоклеточных животных (в том числе, например, такая многочисленная группа, как насекомые) не имеет его вовсе, однако при этом они как-то справляются с инфекциями. Врожденный иммунитет оказался важнее, чем о нем думали. Перед учеными со всей очевидностью встал один из ключевых вопросов иммунологии: каким образом клетки человека, синтезирующие максимум 20–30 тысяч белков, способны распознавать миллионы антигенов вирусов и бактерий?

Для адаптивного иммунитета ответ на этот вопрос был уже известен: распознавание множества вариантов чужеродных молекул связано с генетически обусловленными перестройками в антигенраспознающих рецепторах Т- и В-клеток. Высокая вариабельность генов этих рецепторов и хитроумные перестройки генного локуса позволяют лимфоцитам синтезировать миллионы разнообразных рецепторов, способных распознавать миллионы чужеродных белков. Ничего похожего в клетках врожденного иммунитета не наблюдается, да и созревание миелоидных клеток идет совсем по другому пути, чем созревание лимфоцитов. А между тем рецепторы клеток врожденного иммунитета, как и любые белки, должны быть закодированы генетически. Но как закодировать распознавание миллионов разных микроорганизмов, которые еще и постоянно изменяются? На это нашего генома просто не хватит!

Между тем фагоциты определенно реагировали на присутствие чужеродных молекул. Так, было известно, что некоторые компоненты микробов, например липополисахарид (ЛПС) из клеточной стенки грамотрицательных бактерий, активируют макрофаги, индуцируя секрецию воспалительных цитокинов, и стимулируют деление В-клеток. Но как?

Эта проблема не давала покоя иммунологу Чарльзу Джейнуэю. В 1989 году он опубликовал статью, в которой раскритиковал современную науку за то, что она направляет все внимание на частности, уклоняясь от действительно фундаментальных вопросов, и предложил собственную теорию врожденного иммунного ответа. Согласно теории Джейнуэя, клетки врожденного иммунитета реагируют на общие сигналы о присутствии чужого – он назвал их образами или паттернами патогенности. В этом их отличие от клеток адаптивного иммунитета, нацеленных на распознавание всего одного или нескольких очень похожих антигенов.

Что имеется в виду? Покинем ненадолго сложный микромир и попытаемся понять идею Дженуэя, используя бытовую аналогию. Предположим, вы выстраиваете систему безопасности вокруг дома, стоящего в густом лесу. Из леса могут прийти волки и медведи, и вы хотите, чтобы система отпугивала их громкими звуками и световыми вспышками. При этом вам совершенно не хочется просыпаться всякий раз, когда в огород проберется мышь или заяц. Стало быть, систему нужно правильно настроить, и тут возможны два подхода. Можно, установив множество скрытых камер, научить систему распознавать конкретных животных и реагировать только в том случае, если в поле зрения камеры появится волк или медведь. Так реагирует адаптивная система, распознавая конкретные молекулы антигенов. Но можно поступить иначе и настроить систему так, чтобы она срабатывала на любой объект размером больше зайца. Второй подход гораздо легче реализовать, хотя у него есть свои издержки: время от времени система будет пугать безобидных косуль или соседа, который решил заглянуть к вам на огонек. Именно так – приблизительно – работает врожденный иммунитет.

Возьмем уже упоминавшийся выше ЛПС. В человеческом организме данная молекула не синтезируется, зато ее производит огромное количество бактерий. Если клетка врожденного иммунитета может распознавать это вещество, то она способна распознать множество болезнетворных бактерий. Ей нет необходимости иметь миллионы рецепторов для миллионов разных молекул, которые могут синтезировать все эти бактерии. Достаточно одного-единственного – распознающего ключевую для всех этих микроорганизмов молекулу. Вот такие молекулы, по мысли Джейнуэя, и были теми самыми образами патогенности, которые распознавались клетками врожденного иммунитета. А поскольку каждый такой образ характерен сразу для целой группы патогенов (в случае с ЛПС это все грамотрицательные бактерии[3 - Датский ученый-бактериолог Ганс Кристиан Йоахим Грам (1853–1938) занимался систематизацией бактериальных инфекций. Он нашел вещество, которое бактерии одного класса окрашивало в розовый цвет, а другого – нет. В честь ученого те, что окрашивались, названы грамположительными, а те, что оставались бесцветными, – грамотрицательными.]), то в конечном счете и рецепторов к ним требуется не так уж много. Не миллионы, а всего лишь десятки.

Коллеги приняли гипотезу Джейнуэя благожелательно, но без восторга. Генетическая инженерия и молекулярная биология в то время делали еще только первые шаги, возможности их были ограниченны. Как найти потенциальные рецепторы к паттернам патогенности среди тысяч белков, которые присутствуют на поверхности иммунных клеток? Ответа на этот вопрос у Джейнуэя не было, и несколько лет его гипотеза оставалась лишь смелой, но ничем не подтвержденной догадкой.

Глава 5

РЕЦЕПТОРЫ, ПОДОБНЫЕ TOLL

Das war ja toll! (Вот это класс!)

    Кристиана Нюсляйн-Фольхард

В то время как в США Джейнуэй ломал голову над загадками врожденного иммунного ответа, за океаном, в Европе, немецкая исследовательница Кристиана Нюсляйн-Фольхард изучала различные мутации у плодовой мушки дрозофилы – излюбленного объекта генетиков еще с начала XX века. В 1985 году среди личинок-мутантов она обнаружила нескольких с недоразвитым брюшком. Кристиана отреагировала на открытие, эмоционально воскликнув: «Das war ja toll!» Именно этим словом «toll» (классный, удивительный) был позднее назван ген, мутация в котором так странно нарушала развитие личинки. В 1995 году Кристиана Нюсляйн-Фольхард была награждена Нобелевской премией за открытие генетических механизмов контроля эмбриогенеза.

Где иммунитет, а где эмбриогенез? Но в организме редкий ген и редкий белок выполняют всего лишь одну функцию. Молекулярная жизнь клетки полна неочевидных, но важных связей и взаимодействий. Вскоре выяснилось, что ген Toll важен не только для эмбрионального развития мушек. Оказалось, что он играет важную роль и в жизни взрослых насекомых. В 1996 году французский исследователь Жюль Офман опубликовал статью, в которой говорилось о том, что сигнальный путь толл-рецептора необходим для защиты дрозофилы от грибковых инфекций. Мушки, имевшие мутации в этом гене, погибали от грибка, в то время как обычные мухи были к нему практически нечувствительны.

Это неожиданное открытие оказалось той последней подсказкой, которую так долго ждал Руслан Меджитов. Молодой ученый прочитал статью Джейнуэя, еще будучи аспирантом МГУ, и идея существования паттернов патогенности настолько захватила его, что он поставил себе цель попасть в лабораторию своего кумира. Когда появилась статья Офмана, Меджитов уже несколько лет работал с Джейнуэем, изучая последовательности генов и кодируемых ими белков, чтобы вычислить первый рецептор врожденного иммунного ответа в геноме человека. Здесь мы сделаем небольшое отступление и поговорим о методах биоинформатики, помогающих ученым предсказывать свойства малоизученных белков и генов, которые их кодируют.

Одним из важнейших событий в биологии ХХ века стало открытие генетического кода – системы правил, по которым последовательность нуклеотидов в ДНК (гене) определяет последовательность аминокислотных остатков в кодируемом ею белке. Другим важным событием было осознание того, что последовательность аминокислотных остатков в белке определяет его структуру, а структура, в свою очередь, определяет функцию.

Классическим примером системы «последовательность – структура – функция» является белок гемоглобин, связывающий молекулы кислорода и углекислого газа и осуществляющий их транспорт в нашем организме. Эта функция гемоглобина определяется несколькими остатками аминокислоты гистидина, которые формируют так называемый активный центр белка. Если заменить один из этих гистидинов на остаток какой-то другой аминокислоты, такая молекула не сможет эффективно связывать кислород. Почему именно гистидин? В его состав входит поляризованный атом азота, способный удерживать гем – сложную небелковую молекулу, содержащую атом железа, собственно и связывающий кислород. Однако важен не только химический состав, но и взаимное расположение в пространстве. Остатки гистидина должны находиться на определенном расстоянии друг от друга и под определенными углами. Правильное взаимное расположение обеспечивается стабильностью укладки основных строительных блоков данного белка, которые носят название альфа-спиралей. В свою очередь, эти структуры формируются благодаря чередованию разных типов аминокислот: гидрофильных – любящих воду и гидрофобных – боящихся воды. Таким образом, зная лишь последовательность аминокислот в гемоглобине, мы можем уже довольно много сказать об этом белке. Также вышесказанное позволяет предположить, что гены, обладающие сходными последовательностями, часто кодируют белки с похожими структурами и функциями. Это теоретическое допущение на сегодняшний день имеет множество прямых экспериментальных подтверждений.

Почему это так важно? Дело в том, что прямое определение функции белка и его пространственной структуры продолжает оставаться весьма непростой задачей даже в наши дни. По оценкам ученых, в геноме человека содержится порядка 20 000 генов, кодирующих белки. Но более или менее мы понимаем функции лишь 5000 из них. Что же говорить тогда о миллионах генов, кодирующих белки разных бактерий?

Однако в 1990-х годах определение последовательности генов стало довольно рутинной операцией. Многие тысячи их были уже собраны в первые базы данных – прообразы гигантских биоинформатических хранилищ нашего времени. Специальные программы позволяли сравнивать последовательности генов между собой и находить сходные. Узнав об открытии Офмана, Руслан Меджитов решил искать иголку в стоге сена – проверить, а нет ли среди уже известных человеческих генов похожего на Toll дрозофилы. Конечно, человека и дрозофилу разделяет огромная эволюционная дистанция, но ученые уже знали, что определенные белки, например гистоны, связывающие ДНК в ядре, очень консервативны во всех живых организмах. Возможно, белки иммунной системы также сходны у всех многоклеточных? Во всяком случае, смысл в этих поисках был.

Кто ищет, тот всегда найдет? В науке – отнюдь. Но Меджитову повезло. Он обнаружил в базе данных ДНК последовательность, кодирующую белок, который имел сходство с толл-рецептором дрозофилы. Теперь этот белок известен как толл-подобный рецептор 4 (TLR4). Сходство последовательностей позволяло предположить, что этот белок играет важную роль в защите организма, но само по себе доказательством не являлось. В конце концов, за миллионы лет эволюции, лежащих между человеком и дрозофилой, он мог приобрести другие функции. Чтобы доказать, что этот ген и впрямь вовлечен в иммунный ответ, был необходим эксперимент. На основе исходного гена TLR4 Руслан Меджитов сконструировал искусственный ген, кодирующий мутантный рецептор, который постоянно находится в активном состоянии (природный лиганд, активирующий TLR4, тогда еще не был известен). Мутантный TLR4 поместили в клетки, используя методы генной инженерии, и затем проверили, как отличается активность этих клеток от активности клеток, не подвергшихся генетической трансформации. Оказалось, что гиперактивация сигнальных путей, зависимых от TLR4-рецептора, ведет к усилению производства костимулирующей молекулы В7 и воспалительных цитокинов, необходимых для активации Т-лимфоцитов. Эксперименты Меджитова доказали существование у позвоночных паттерн-распознающих рецепторов, активация которых приводит к инициации адаптивного иммунного ответа. Основное положение теории Джейнуэя было подтверждено. Позже Брюс Бётлер с коллегами показали, что именно рецептор TLR4 связывает липополисахарид клеточных стенок грамотрицательных бактерий.