Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности

Михаил Вейсман
Тайная жизнь тела: клетка и ее скрытые возможности

Введение

Вы когда-нибудь наблюдали за стайкой рыбок в аквариуме? Иногда кажется, что они как один организм – одна рыбка вильнет, и вся стайка моментально копирует ее движения… Как это у них получается?

Ученые выяснили, что все чудо заключается в особенностях нервных клеток рыб: помимо обычных органов чувств у них есть еще одна – линия, идущая вдоль всего тела от жабр до хвоста. Считается, что собранные в ней нервные клетки позволяют ощущать вибрацию воды и движения «одностайников». Остальное совершается рефлекторно: спинной мозг рыбки получает сигнал от чувствительной линии и тут же дает команду на повторение движения.

Но если смотреть глубже, то можно понять, что схема не так проста, как это кажется на первый взгляд. Ведь ту же синхронность движений демонстрируют птицы в стае, муравьи в муравейнике и вообще практически все стадные животные. А как объяснить феномен толпы, когда огромная масса людей заражается настроением одного человека и теряет способность к самостоятельному мышлению?

Одна из современных теорий говорит об электрических (а точнее – энергетических) полях, которые могут создавать клетки нашего организма. И это – только одна из тайн, которую нам еще предстоит разгадать.

Вообще, клетка человеческого тела – это настоящий лабиринт, полный секретных комнат и тайных ходов. Каждый год ее исследователи делают новые открытия, и все же большая часть чудесных способностей клетки до сих пор не раскрыта. Чего стоят одни легенды о свойствах стволовых клеток! А генная инженерия? Клонирование? Мутации?

Каждое новое исследование клетки можно читать как захватывающий детектив с примесью фантастики (если, конечно, перевести все термины на человеческий язык). Но главное, это те возможности, которые сулят научные исследования всему миру. Кто знает, может быть, уже через десяток лет мы будем знать секрет вечной молодости или научимся лечить рак, а может быть, разгадаем тайну энергетических потоков и начнем летать как птицы? Кто знает…

Часть I. «Скелет в шкафу», или Что мы знаем о клетке?

Помните известную английскую поговорку – у каждой семьи есть свой скелет в шкафу. Так говорят о чем-то тайном, что рано или поздно становится достоянием гласности. У клетки в этом смысле – сплошные скелеты (уж простите за такой каламбур). Проще говоря, тайного в ее свойствах до сих пор больше, чем явного. Даже видные ученые иногда сравнивают ее с крепостью, в стенах (и за стенами) которой скрывается больше потайных ходов, чем в любом замке Средневековья.

Кстати, сравнение с замком очень помогает рассказать в общих чертах о строении и изученных функциях клетки. На самом деле каждая самая микроскопическая клетка – это целый городок, который живет и развивается по своим законам.

Глава 1. «Крепостная стена» клетки

Как и у любого уважающего себя средневекового города, у клетки есть вал, который окружает крепостную стену. Это – первая линия обороны клетки-городка. Ученые называют ее «оболочкой» клетки. Оболочка предназначена для защиты внутренних структур. При этом она довольно толстая (напоминаю, что речь идет о клетке размером в несколько микрон, и о толщине оболочки можно говорить только относительно других ее составных частей), но не очень прочная. И легко пропускает внутрь клетки все, что туда стремится, а из клетки – все, что стремится наружу.

Другое дело – мембрана. Именно ее можно назвать настоящей крепостной стеной. Как и в настоящей крепости, у нее есть «ворота», «калитки», «потайные ходы», «стража», «ловушки», а также «насосы» и другие нужные вещи. Она ограждает и защищает внутреннее содержимое клетки, не дает «лазутчикам» пробраться внутрь и очень внимательно относится к тому, что выходит из нее в обратном направлении.

Если отвлечься от нашей аллегории и вернуться в мир науки, можно отметить, что мембрана и внутреннее содержимое клетки состоят в основном из одних и тех же атомов. Эти атомы – углерод, кислород, водород и азот. На электронной фотографии тонкого среза клетки мембраны видны в виде двух темных линий. Они не монолитны. По сути мембрана – это очень мелкое молекулярное сито. Точнее – изрезанная извилистыми ходами толстая крепостная стена. На самом деле толстая, потому что диаметр каждого хода раз в десять меньше длины.

Таких ходов в каждой мембране не так уж и много – по сравнению со всей поверхностью клетки отверстия «ходов» занимают всего одну миллионную часть. Надо еще хорошенько потрудиться, чтобы найти вход!

Но еще больше предстоит попотеть, чтобы получить у «стражи» пропуск. Да-да, не удивляйтесь. У каждой клеточной мембраны есть своя стража – рецепторы, которые анализируют все, с чем соприкасается клетка, и выносят свой вердикт. На научном языке эти рецепторы носят название гликопротеины – эта цепочка, состоящая из молекул белка, выглядит как веточка коралла. Такие веточки «ощупывают»

все, что к ним приближается, и решают, пропускать это через мембрану или оттолкнуть.

Рецепторы мембраны играют очень важную роль. Узнавая родственные клетки, они помогают друг другу правильно выстроиться и создать ткань – костную, мышечную, нервную или любую другую. Они также допускают внутрь клетки белки, нуклеиновые кислоты, сахара и другие необходимые для жизнедеятельности клетки-города вещества. А вот «врагов» в виде болезнетворных вирусов они отталкивают – формируется так называемый иммунологический ответ. Правда, если стража обленилась или покинула свой пост (это бывает при снижении иммунитета) – вирусы проникают внутрь клетки и устраивают там погром. Хорошо, если у нас это проявляется только в чихании и заложенном носе, а ведь бывают и более трагические случаи!

Определенные рецепторы помимо прочего еще выполняют функции электрического поля – они переносят электроны и преобразуют энергию. Есть рецепторы, реагирующие на изменение химического состава среды – и сообщающие клетке о том, что такие изменения произошли. Короче говоря, как в любой уважающей себя армии, в мембране клетки содержатся различные рода войск, предназначенные для решения самых разных задач.

Как мы уже поняли, главным свойством крепостной стены-мембраны является избирательная проницаемость. Это значит, что молекулы и ионы проходят через нее с различной скоростью, и чем больше размер молекул, тем меньше скорость прохождения их через мембрану. Максимальной проникающей способностью обладает вода и растворенные в ней газы; значительно медленнее проходят сквозь мембрану ионы. Диффузия воды через мембрану называется осмосом.

Существует несколько способов прохождения веществ через мембрану. Один из них можно сравнить с водой в сообщающихся сосудах – если концентрация каких-то веществ вне мембраны выше, то они начинают просачиваться туда, где концентрация ниже. Просачиваются они через те самые ходы-поры, о которых мы говорили чуть выше. Но если речь о жирорастворимых веществах, процесс «доставки» становится сложнее (а попробуйте сами затолкать «толстяка» в узкий и извилистый ход!) – предварительно молекулы расщепляются с участием липидов и только после этого проводятся внутрь. Оба эти процесса называют диффузией.

Но бывает так, что клетке позарез нужны те или иные «продукты», а самостоятельно «заходить» они никак не хотят (то есть их концентрация внутри и так выше, чем снаружи). Тогда включается механизм активного транспорта (или насоса). Его можно рассмотреть на примере обмена натрия на калий. Его так и называют – Na-/K-насос. Суть его заключается в том, что клетка выталкивает ионы натрия, замещая их на ионы калия. Занимаются этим специальные белки-переносчики, которые и образуют так называемые ионные насосы. Благодаря этому в клетке поддерживается большая концентрация K– и меньшая Na+ по сравнению с окружающей средой. На такое замещение расходуется значительная энергия, зато этот механизм позволяет клетке получать различные сахара, нуклеотиды и аминокислоты.

А что делать, если внутрь надо затащить совсем уж крупногабаритные предметы? К таким «роялям» и «шкафам» относятся макромолекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липопротеиновые комплексы и другие нужные вещества. И здесь в нашей крепостной стене начинают происходить настоящие чудеса. Кусок «стены» (мы же помним, что речь идет о клеточной мембране) выпячивается и захватывает нужный кусок внеклеточного материала. Затем он обволакивает его и расщепляет макромолекулы до простейших составляющих. А те уже легко проскакивают через знакомые нам проходы-поры.

Этот процесс называется эндоцитоз. То же самое, но только изнутри – наружу, носит название экзоцитоз. С помощью экзоцитоза мембрана помогает клетке избавиться от внутриклеточных продуктов или непереваренных остатков. Это можно сравнить с работой мусороуборочной машины: «мусор» заключается в своеобразный пузырек (вакуоль) и подводится к стене (мембране). Пузырек сначала прилепляется к внутренней поверхности стены, а затем как бы раскрывается в нее, выдавливая содержимое через ходы наружу. Вот такая чистюля – наша клетка.

Для понимания всех происходящих в мембране процессов следует помнить, что в отличие от настоящей крепостной стены ткань мембраны является подвижной, текучей структурой. Именно это свойство позволяет ей проявлять такие чудесные качества, как избирательность, различные механизмы транспорта веществ внутрь и наружу и так далее. Мембраны – структуры очень динамичные. Они быстро восстанавливаются после повреждения, а также растягиваются и сжимаются при клеточных движениях.

Из мембранной ткани формируются и некоторые «внутренние» помещения, вход в которые доступен не для всех. Но об этом – чуть позже.

Глава 2. Ядро – «мозговой» центр клетки

Если саму клетку мы сравниваем со средневековым городом, а мембрану – с крепостной стеной, то роль замка в нем играет, безусловно, ядро.

Ядро – самая большая и самая заметная составная часть клетки. Первым ее рассмотрел шотландский ученый Роберт Браунс в 1831 году. Он заметил, что ядро отделяется от остальной клетки двойной крепостной стеной-мембраной, а от нее в разные стороны расходятся цепочки пузырьков-«чистильщиков» (эндоплазматическая сеть) и загадочный комплекс Гольджи… Но обо всем по порядку.

Современные ученые сравнивают ядро с кибернетической системой, в которой происходит хранение, обработка и передача колоссального объема энергии. По сути все, что «знает» наше тело, хранится в ядре клетки. Получается, что именно отсюда, из «замка», идет управление всеми процессами, происходящими в нашем «городке». Ядро – стратегический центр и штаб клетки. Без ядра клетка погибает.

Форма ядра чаще всего шарообразная или яйцевидная. Внутреннее содержимое ядра составляет ядерный сок, заполняющий пространство между структурами («комнатами») ядра. В ядре всегда присутствует одно или несколько ядрышек. Это самые крупные «залы». Главная задача ядрышек – это производство рибосом. Рибосомы – очередное чудо клетки. Представьте себе мини-заводик, который из подручных материалов собирает молекулы белка. А теперь представьте, что таких заводиков – тысячи! Задача ядрышек – выпустить рибосому в цитоплазму (то есть из замка – в городок). Там уже рибосомы собираются в целые промышленные конгломераты и начинают производить белки.

Надо сказать, что клетка клетке рознь. В каких-то выпуск белка поставлен на промышленную остову (это клетки мышечной ткани, например), а в каких-то (в клетках костных структур) его образуется совсем немного. Так вот, чем активнее клетка, тем крупнее ядрышки в ее ядре – ведь им приходится работать день и ночь, чтобы производство не останавливалось ни на секунду!

Звучит все просто, но на деле все гораздо сложней. Рибосомы оказываются не просто промышленными конвейерами. Если продолжить проводить аналогии со знакомым нам миром, рибосомы окажутся похожими на сверхсовременных роботов, которые собирают дорогие автомобили. У них есть собственные «мозги» – программное обеспечение, которое заставляет их с потрясающей точностью воспроизводить молекулы белка совершенно определенного вида – по заданной матрице, как это принято говорить в мире науки. Матрица создается на основе генетической информации, заложенной в молекулы РНК – рибонуклеиновой кислоты.

Теория происхождения жизни

Как у каждого уважающего себя замка, у нашего обязательно должно быть несколько старинных преданий и легенд. Эта – рассказывает о возникновении жизни на Земле. Ряд ученых (в частности, Карл Вёзе, Лесли Оргел и Уолтер Гильберт) полагают, что когда-то, когда живая клетка еще не существовала на планете Земля, ее роль выполняли свободные рибонуклеиновые кислоты, которые вольготно себя чувствовали в воде и, перемещаясь, образовывали ансамбли с себе подобными. Они также могли обмениваться информацией и выступать катализаторами в некоторых химических процессах, благодаря чему примитивные формы жизни становились все сложнее и сложнее, пока рибонуклеиновые кислоты не научились отгораживаться друг от друга мембранами. Тогда «свободной любви» этих молекул пришел конец, зато наступила эра упорядоченных отношений, появилась молекула ДНК и возникла клетка – мельчайшая ячейка общества. Точнее – организма. Что-то есть до боли знакомое в этой истории, вы не находите?

Частично эту теорию подтверждают современные исследования, которые показали, что рибонуклеиновые кислоты вполне могут формировать колонии на гелях и твердых субстратах (правда, при создании определенных условий для репликации – самовоспроизведения). При этом они охотно обмениваются молекулами, которые при столкновении обмениваются свободными участками (то есть «делятся информацией»). Вся совокупность колоний при этом быстро эволюционирует.

Логично предположить, что, научившись синтезировать белок, колонии, в которых при мутации образовались молекулы-ферменты (их отличительная особенность в том, что они ускоряют некоторые химические процессы), стали развиваться еще быстрее и успешнее. И наконец, лидерами в этой гонке стали колонии, сформировавшие более надежный механизм хранения информации в ДНК и в конце концов отделившиеся от внешнего мира липидной мембраной, препятствующей рассеиванию своих молекул.

Легенда – легендой, но главное, что нам предстоит усвоить: молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты) – это простейшие хранители генетической информации. Именно они «учат» рибосомы, как создавать молекулы белка строго определенного вида. Давайте посмотрим, как это происходит.

Сначала в ядре из молекулы РНК выделяется небольшой кусочек – матричная РНК. Она выходит за пределы «замка» и встречается там с готовой рибосомой. Рибосома «узнает» свою матрицу и отвечает ей выработкой определенного белка. Одновременно с этим в ядрышке идет синтез других составляющих будущей рибосомы. Выработанный за пределами ядра белок протискивается сквозь стенки «замка», находит свою комнату-ядрышко и встречается там с остальными компонентами будущей рибосомы. Процессом «сборки» руководит уже знакомая нам РНК – она контролирует размер каждой составляющей, порядок их пристыковки друг к другу и так далее.

Надо сказать, что «новорожденная» рибосома – довольно крупное образование. Если бы речь шла о женщине, с таким «ребеночком» ей посоветовали бы делать кесарево сечение… А как же поступает клетка? Здесь природа предусмотрела свой механизм. Дело в том, что рибосома – это своеобразный конструктор. Сначала его собирают, а затем вновь разбирают на составные части. Вот так, по частям, они и покидают сначала ядрышко, а затем ядро, чтобы вновь встретиться за пределами «замка» и включиться в общую работу. Но об этом – чуть позже.

Кроме «комнат» в «замке»-ядре есть и целая система коридоров. Хотя правильнее было бы назвать их линиями связи. Эти нитевидные образования – хромосомы. В ядре каждой клетки строго регламентированное количество хромосом – 46.

Хромосомы всегда парны. В клетке всегда имеется по две хромосомы каждого вида, пары отличаются друг от друга по длине, форме и наличию утолщений или перетяжек. Следует отметить, что во всех соматических клетках (все клетки организма, кроме половых) хромосомы в парах всегда одинаковые по величине, форме и расположению, в то время как половые хромосомы (23-я пара) у мужчин неодинаковые (XY), а у женщин одинаковые (XX).

Основу хромосомы составляет линейная (не замкнутая в кольцо) макромолекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) значительной длины. В растянутом виде длина хромосомы человека может достигать 5 см.

Хромосомы, как и полагается уважающим себя информационным системам (не зря мы их назвали линиями связи!), отвечают за все, происходящее в «городке»-клетке. Но для того, чтобы понять, каким образом они это делают, сделаем небольшое отступление в область органической химии.

Основной строительный материал клетки – белки разных видов. У каждого типа белка – своя функция: как мы уже видели, одни входят в состав клеточной оболочки (мембран), другие – создают защитный «чехол» для ДНК, третьи передают «инструкции» о том, как производить белки, четвертые регулируют работу клеток и органов и т. д. Каждая молекула белка представляет собой цепочку из многих десятков, даже сотен звеньев – аминокислот; такую цепь называют полипептидной. Сложные белки могут состоять из нескольких полипептидных цепей.

В процессе жизнедеятельности белки расходуются и потому регулярно воспроизводятся в клетке. Их полипептидные цепи строятся последовательно – звено за звеном, и как раз эта последовательность закодирована в ДНК. Таким образом, получается, что все строительные материалы клетки выпускаются в строгом соответствии с информацией, заложенной в хромосомах. Каждая клетка в теле человека содержит около 30 тысяч генов, и на основании каждого гена синтезируется свой белок, который имеет уникальную функцию. Но о генах, наследственности и других загадках природы мы поговорим в другом разделе, посвященном ДНК и РНК. А пока пора выбираться из стен «замка» и прогуляться по «городку».

Глава 3. То, что внутри

Внутреннее пространство нашего «городка»-клетки заполнено цитоплазмой. Ее можно сравнить с водой вечного города Венеции – потоки омывают прекрасные здания, в них снуют легкие гондолы и катера… Но с точки зрения биологической науки цитоплазма – это полужидкая бесцветная масса, содержащая 75–85 % воды, 10–12 % белков и аминокислот, 4–6 % углеводов, 2–3 % жиров, 1 % неорганических и других веществ.

Вся цитоплазма пронизана сложной сетчатой системой, образованной той же материей, что и внешняя мембрана. Она связана с наружной «крепостной стеной» и представляет собой сплетение сообщающихся между собой канальцев, пузырьков, уплощенных мешочков. Такая сетчатая система названа вакуолярной, а мы можем сравнить ее с коммуникациями городка.

Роль зданий и гондол в нашей «Венеции» играют так называемые органоиды – функциональные включения клетки. «Архитектура» и «модельный ряд» органоидов разнообразен донельзя. Но у каждого образования – свои строгие функции и «распорядок работы».

Знакомиться с достопримечательностями городка мы начнем с «внутренней инфраструктуры». Ее можно сравнить с сетью городских коммуникаций – это сложная система труб, трубочек, емкостей и целых «подземных ходов». Ученые называют ее эндоплазматической сетью, намекая на ее внутреннее (греч. эндон — внутри) расположение. По сути это все та же мембранная ткань, образующая канальцы, трубочки, пузырьки и цистерны разной формы и величины.

Эндоплазматическая сеть бывает двух видов – гладкая и гранулярная (усыпанная зернышками рибосом). Чем больше белка должна вырабатывать клетка, тем больше у нее рибосомных «канальцев». В клетках, где вырабатывается в основном жир и жироподобные вещества, большая часть сети – гладкая.

Как и полагается любой уважающей себя инфраструктуре, эндоплазматическая сеть занимается тем, что накапливает и транспортирует в нужные места нужные вещества. Но это далеко не все. В отличие от хорошо знакомой нам водопроводной и канализационной систем, внутренняя сеть клетки выполняет еще роль промышленных цехов – как раз благодаря прикрепленным к ней (или подвешенным прямо в цитоплазматическом веществе, как в воздухе) рибосомам.

Но как рибосома собирает белок? Для начала рассмотрим саму рибосому. На две трети она состоит из РНК. При этом матричная РНК (мРНК) задает последовательность составляющих для молекулы белка. Она играет ту же роль, что схема вязки для неопытной вязальщицы, – здесь простая петелька, здесь изнаночная, а здесь – столбик с накидом. Впрочем, в нашей клетке уже давно введена автоматизация ручного труда, поэтому рибосому можно скорее сравнить с вязальной машиной, а мРНК – это заданная машине программа.

Вторая разновидность РНК – транспортная (тРНК). Ее задача – захватить аминокислоту нужного типа и подать ее в рибосому. Рибосома сверяется со схемой, ставит аминокислоту на нужное место и так, петелька за петелькой, «вывязывает» белковую цепочку.

Аминокислоты поступают к рибосомам по трубкам и трубочкам эндоплазматической сети. А вот если «продукцию» пора транспортировать наружу – за пределы городка, – в дело вступают специальные транспортные службы. Это так называемый комплекс Гольджи.

Комплекс Гольджи – еще один обитатель нашего «городка». Он также создан из мембранной ткани, но, в отличие от эндоплазматической сети, обладает большей подвижностью. Судя по некоторым данным, белки, которые рибосомы собирают и складывают в цистернах эндоплазматической сети, как бы расфасовываются в небольшие пакеты из ее мембран и направляются к комплексу Гольджи; здесь происходит переупаковка их в более крупные пузырьки, образованные из мембран этого комплекса. В этих новых пакетах они транспортируются к плазматической мембране, которая затем сливается с мембраной пузырька, так что, когда пузырек вскрывается, содержимое его выходит из клетки наружу. По мнению некоторых ученых, комплекс Гольджи служит для временного хранения веществ, вырабатываемых в эндоплазматической сети, а канальцы его соединены с плазматической мембраной, что облегчает выведение из клетки этих клеточных продуктов.

Сказка со счастливым концом

Транспортная сеть клетки названа в честь ее открывателя – Камилло Гольджи. Этот известный ученый родился в 1844 году, а прославившее его имя открытие сделал на 54-м году жизни. Впрочем, целью его исследований была не просто клетка как таковая, а нервная ткань человека.

В середине XIX века об электронных микроскопах даже не мечтали, а разглядеть что-то в обычный, оптический, было довольно затруднительно. И тогда Гольджи придумал собственную методику – он окрашивал срез клетки препаратами серебра. Все детали при этом становились более контрастными, и можно было судить о внутреннем строении клетки по ее срезу.

В 1898 году он заметил внутри нервных клеток тонкую сеть из переплетенных нитей. С тех пор «аппарат Гольджи» многократно наблюдался в разных клетках в течение многих лет. Затем, в 1930-40-е гг., после изобретения электронного микроскопа – в сотни раз более мощного, чем самый лучший оптический микроскоп, – «аппарат Гольджи» стал считаться искусственной структурой, возникающей лишь в процессе окрашивания. Однако с совершенствованием техники электронной микроскопии «аппарат Гольджи» был вновь признан реально существующим: ныне считается, что он участвует в преобразовании и выведении белков. Таким образом, как в сказочном хеппи-энде, справедливость восторжествовала.

Если рибосомы можно сравнить с рабочим классом города-клетки, а комплекс Гольджи – с транспортной системой, то роль уборщиков играют лизососмы. Как и полагается представителям малопрестижной профессии, лизососмы очень опасны и коварны. По сути это мешочки из однослойной мембраны, наполненные ферментами. Ферменты необходимы для того, чтобы расщеплять белки, углеводы и липиды и – или подвергать их переработке, или выводить наружу. Пока в городке все спокойно, лизосомы бродят по его улочкам и выполняют свои прямые обязанности. Но если повредить лозосомную мембрану (а такое случается при некоторых заболеваниях или генетических нарушениях), ферменты вырываются наружу и начинают разрушать все подряд, до полной гибели клетки.

Глава 4. Откуда в клетке электричество?

Итак, мы преодолели крепостную стену-мембрану, побродили по «замку» – информационному центру, покатались по узким каналам и даже ознакомились с канализационной системой клетки-городка. Но что заставляет двигаться все это чудо? Где моторчик, наполняющий клетку энергией?

Роль электростанции в клетке играют митохондрии. Это сложное название родилось из двух греческих слов – мито (нить) и хондрион (зернышко). А все потому, что митохондрии выглядят как короткая нитка или вытянутое зернышко-гранула. Впрочем, они довольно легко меняют форму, оставаясь при этом постоянными в диаметре. Весь секрет в том, что митохондрии состоят из двух слоев мембранной ткани. Наружный слой – гладкий и может слегка вытягиваться или сжиматься. А вот внутренний «смят» в складки в форме гребней или трубочек (они называются «кристы», а содержимое митохондрии, окруженное ее внутренней мембраной, – «матрикс митохондрии»). В состав внутренней мембраны входит особое вещество, делающее мембрану абсолютно непроницаемой для электрических частиц – протонов. О том, какие возможности это дает, расскажем чуть позже.

Митохондрии – совершенно удивительные образования. В отличие от всех других систем клетки, они – совершенно самостоятельны и обособлены. Они даже размножаться могут самостоятельно, независимо отделения клетки. Ученые считают, что происходит это оттого, что когда-то митохондрии были отдельными организмами – чем-то вроде бактерий – и наши далекие предки (совсем далекие, еще одноклеточные) в незапамятные времена, вместо того чтобы просто проглотить их, приспособили для внутренних нужд. Вот такие были мудрые, эти простейшие.

Не знаю, как для вас, дорогой читатель, но для меня именно эта часть жизни клетки является самой удивительной. Ну как из электрических частиц образуется материя и наоборот? Как из белков, углеводов и жира получают чистую энергию?

Для того чтобы понять, как действуют эти мини-электростанции, сначала вспомним несколько терминов. Уверена, вы не раз слышали об АТФ. Но что это такое? Полное название – аденозинтрифосфорная кислота. Это особое вещество, которое с полным правом можно считать аккумулятором энергии. Дело в том, что в нем связи между атомами фосфора и кислорода являются макроэргическими, то есть при их разрыве выделяется большое количество энергии.

Задача митохондрии – синтезировать, то есть собрать молекулу АТФ из подручных средств, которые можно найти в клетке. Для этого она использует самые различные механизмы.

Основные закономерности преобразования энергии митохондриями изложены в одноименной статье лауреата Государственной премии СССР профессора А. Д. Виноградова. Это подробный рассказ, понятный (честно говоря) только узким специалистам. Но если немного упростить изложенное, то завеса тайны поднимется и для широкого круга читателей.

Итак, первый механизм называют «клеточным дыханием». Это цикл химических реакций, проистекающих с участием кислорода, – от этого и пошло название. В каждой реакции выделяется совсем небольшое количество энергии, но ее достаточно, чтобы произошла следующая реакция и так далее, пока не будет собрана «аккумуляторная батарейка» – АТФ.

Для своей работы митохондрии могут использовать только самые простые составляющие глюкозы (углеводов, попадающих в наш организм с едой). Поэтому первый этап дыхания – это подготовка глюкозы к использованию, или гликолиз. Глюкоза расщепляется вне митохондрий – в цитоплазме. Если вспомнить школьный курс органической химии, можно иметь в виду, что в ходе гликолиза молекула глюкозы превращается в два остатка уксусной кислоты. В митохондрию они «проталкиваются» специальным переносчиком – коэнзимом А. Коэнзим А присоединяет к себе остаток уксусной кислоты, превращается при этом в ацетилкоэнзим А, или, кратко, ацетил-КоА, и в таком виде «протискивается» сквозь внешнюю мембрану митохондрий.

Тут «контрабандиста» уже поджидают. Захваченные им атомы надо пересадить с коэнзима и пустить в дело дальше. В этой операции участвует так называемый цикл Кребса – это кольцевая последовательность реакций, в ходе которых исходное вещество возвращается в свое первоначальное состояние. Этот цикл можно сравнить с водяной мельницей – вода льется на лопасти колеса и заставляет его двигаться, но само колесо при этом остается на месте.

Как это происходит? Давайте считать началом цикла молекулу щавелевоуксусной кислоты. В первой же реакции на нее переносится с ацетил-КоА остаток уксусной кислоты (он состоит из двух атомов углерода, трех – водорода, и одного атома кислорода), в результате получается изолимонная кислота. В ходе остальных реакций цикла атомы-перебежчики (те, которые были названы выше) отделяются от изолимонной кислоты и следующих молекул органических кислот, и в последней реакции снова получается щавелевоуксусная кислота. Точнее говоря, в каждом цикле от изолимонной кислоты и получающихся из нее молекул отделяются составные части остатка уксусной кислоты, присоединенного два цикла назад.

Реакции цикла Кребса происходят в жидкости, заполняющей митохондрию, а вот следующий процесс – окислительное фосфорилирование – в ее внутренней мембране. В тончайшем слое мембранной ткани «дрейфует» пять типов специальных окислительных белков. Они «вылавливают» освобождающиеся в процессе цикла Кребса атомы водорода и «сжигают» их с образованием молекул воды. Это делается так: белок № 1 отбирает у водорода один электрон и передает его белку № 2, тот – белку № 3, и так далее, до белка № 5. Белки № 2 и № 4 имеют небольшие размеры, поэтому в мембране они двигаются значительно быстрее № 1, 3 и 5, и по сути дела, играют роль курьеров, разносящих электроны по назначению. При этом энергия электрона все время уменьшается. Белок № 5 накапливает четыре таких электрона, а затем производит реакцию образования воды:

4 e^- + O₂ + 4H⁺ = 2 H₂O.

Энергию, выделяющуюся при прохождении электрона по дыхательной цепи, белки № 1, 3 и 5 расходуют на выбрасывание протонов изнутри митохондрии в пространство между ее мембранами. В этом пространстве создается положительный заряд, а внутри митохондрии – отрицательный.

По сути, глюкоза нужна нашему организму именно как «горючее» для производства энергии. Это – важный момент в понимании энергетической сущности процессов, происходящих в митохондриях. Разница зарядов заставляет протоны стремиться обратно, внутрь, но плотная внутренняя мембрана их не пропускает. Тогда протоны начинают искать «лазейки» или «шлюзы». Такими шлюзами выступают специальные молекулы АТФ-синтетазы. Само название молекул подсказывает, что как раз они занимаются «сборкой» наших «батареек» – АТФ. Они синтезируют молекулу, пропуская протоны через себя и запасая энергию во внутренних связях АТФ.

Вот так работает самая крошечная электростанция в мире.

Часть II. ДНК – история человечества

Ученые подсчитали, что каждый белок, составляющий основу клетки, живет не больше трех часов. Затем он расщепляется и выводится из организма, чтобы дать место новому образованию. Получается, что каждые три часа состав нашего тела полностью обновляется! То есть мы не та застывшая структура, какой привыкли себя воспринимать, а в буквальном смысле – поток протонов и электронов, на которые распадаются строительные материалы нашего тела.

Но как так получается, что в постоянном течении и изменении мы сохраняем постоянные черты? Почему у нас цикл за циклом образуются одни и те же клетки с определенными характеристиками? Почему рук, как правило, две, цвет глаз и волос практически не меняется (если только с возрастом или под воздействием химических средств) и даже у характера наблюдается редкостное постоянство?

Я не открою тайну, если скажу, что за процесс, при котором у собак рождаются щенки, а не котята, а мы остаемся людьми при всех выкрутасах цивилизации и природы, отвечают гены, или, по-научному, молекулы ДНК. Но как им это удается? Давайте посмотрим, что об этом думают самые видные ученые мира.

Глава 1. Кто открыл ДНК?

Сначала давайте познакомимся: ДНК – это дезоксирибонуклеиновая кислота. Мало что прояснилось? Могу вас понять. Ведь над секретом этого химического соединения ученые бьются уже не первое столетие. Официально роль первооткрывателей приписывают английским биологам Дж. Уотсону и Ф. Крику, описавшим структуру в 1953 году, но на самом деле история началась гораздо раньше…

История молодого ученого

В середине XIX века в Германии работал молодой швейцарец – Фридрих Мишер. Это был увлеченный юноша, свято веривший, что будущее – за наукой. Его тяга к знаниям перевешивала все внутренние запреты и ограничения. Впрочем, у врачей, как правило, довольно специфическое отношение к жизни…

Как бы то ни было, свое первое значимое открытие Мишер сделал, отмывая гной с повязок больных в хирургическом отделении. Делал он это не забавы ради – наблюдения за выздоравливающими убедили его в том, что чудо исцеления принадлежит отнюдь не лекарям, это всецело заслуга самого организма. К тому времени уже были открыты клетки, отвечающие за иммунитет, и именно в поисках лейкоцитов Мишер занимался «стиркой» бинтов.

Он погружал повязки в разные растворы, пытаясь выделить «чистые» лейкоциты. И обнаружил, что помимо самого белка в клетках содержится некое загадочное соединение. Если белок растворяется в кислоте и выпадает в осадок в щелочных растворах, то неизвестное вещество вело себя с точностью до наоборот – оно образовывало осадок при подкислении и пропадало при подщелачивании. Для того чтобы выделить лейкоциты из гноя, пропитавшего повязки, ученый пользовался соляной кислотой. Кислота растворяла белок лейкоцитов. Рассматривая оставшееся под микроскопом, Мишер (который был в курсе открытий своих коллег и знал, что клетки неоднородны и в них есть ядра) сделал вывод, что открытое им соединение содержится именно в ядрах клеток. И назвал он его соответствующим образом – нуклеином.

Правда, от этого открытия до появления собственно термина ДНК прошло почти сто лет. Сам Мишер так и не смог до конца расшифровать тайну нуклеина. Хотя он был очень близок к истине – предположил, что нуклеин каким-то образом участвует в передаче размножения, отвечая за передачу наследственных признаков. Сделать такое заключение ему позволила серия опытов над лососем – для дальнейшего изучения нуклеина ученый выбрал клетки молоки лососевых рыб. Но затем ученый сам себя загнал в тупик. Путем множественных экспериментов – воздействуя на нуклеин всеми известными химическими соединениями, он определил его состав – углерод, кислород, водород, азот и фосфор – и решил, что это слишком простая формула для того, чтобы передавать все разнообразие наследуемой информации.

Вполне может быть, мы до сих пор не знали бы всех подробностей о жизни ДНК, если бы не одна из напастей XX века – пневмония. После Второй мировой войны она уносила почти столько же человеческих жизней, сколько немецкие танки и авиация, вместе взятые. В отсутствие антибиотиков (их к тому времени еще не изобрели) воспаление легких стало настоящей угрозой человечеству. Поиск возбудителя болезни и способов его нейтрализации стал задачей номер один для ученых всего мира.

В 1944 году группа американских бактериологов (их опыты чуть позже повторил и английский коллега) исследовали два штамма пневмококков. Они различали их по наличию и отсутствию определенных клеточных включений – капсул. Выяснилось, что бактерия с капсулами передавала заболевание дальше, а штамм без капсул оказался совершенно безвредным.

Главную роль в эксперименте играли белые мыши (эти животные имеют столь огромное значение для развития нашей науки, что впору ставить им памятники и монументы). Крохотным «добровольцам» вводили капсульный штамм, безкапсульные бактерии и штамм S, убитый нагреванием. Ученые удовлетворенно потирали руки, наблюдая за предсказуемым результатом: мышки первой группы погибали, а вторая и третья не высказывала никаких признаков болезни. Так продолжалось до тех пор, пока естествоиспытателям не пришла в голову идея вкачать группе подопытных животных одновременно бескапсульный штамм и штамм, убитый нагреванием. Каково же было изумление биологов, когда через некоторое время они увидели все признаки пневмококковой инфекции и животные погибли. В клетках погибших животных они обнаружили капсульный штамм. Получается, что живые безкапсульные клетки пневмококка в присутствии убитых нагреванием капсульных каким-то образом получили новый признак – капсулу – и стали убийственными. Но что именно стало передающим звеном?

Опыт повторили в пробирке, и он дал тот же результат – убитые нагреванием клетки передали свой признак – капсулу – бескапсульным клеткам вместе со способностью вызывать болезнь. Значит, никакой инородный агент из тканей животных на реакцию не влиял.

Тогда ученые решили воздействовать на безкапсульный штамм разными частями «убитого» штамма по очереди – чтобы выяснить, какой именно химический компонент клетки содержит в себе передающийся признак. И так добрались до нашего знакомого нуклеина – точнее, дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Казалось бы, истина восторжествовала. Но не тут-то было. Тайна ДНК так долго будоражила лучшие умы планеты, что столь простое решение ученый мир принять просто не смог. Опыты высмеивались, их результаты подвергались сомнению, исследователям указывали на то, что они, дескать, не смогли добиться полной чистоты эксперимента и просто «проморгали» какой-нибудь белок, который (в силу сложности своего строения) и мог быть единственным претендентом на роль хранителя «наследственных тайн».

Описанный эксперимент проводили снова и снова, но он с обескураживающим постоянством давал одни и те же результаты. Возможно, споры затянулись бы еще на несколько лет, если бы параллельно не был изобретен пенициллин. С одной стороны, он снял остроту проблемы с заболеваемостью пневмонией (и позволил ученым отвлечься от практической медицины), а с другой – стал основой для новой серии экспериментов.

Дело в том, что, пока изобретенный антибиотик проверяли в лабораторных условиях, было замечено, что есть штаммы микробов, на которые пенициллин не действует. Причем этот признак также оказался наследуемым. Более того, в схожих опытах с использованием убитых нагреванием, но устойчивых к пенициллину штаммах и живых, но неустойчивых, признак «устойчивости» передавался от первых ко вторым. Но самое интересное, что передавался он только при воздействии на штаммы дезоксирибонуклеиновой кислотой.

Оставалось ответить на главный вопрос: как простое соединение нескольких химических элементов может «запоминать» и «передавать» потомству нужную информацию? Впрочем, для начала было бы неплохо вообще узнать, что представляет собой молекула ДНК и как указанные химические вещества в ней сочетаются.

История о проволочном человеке

В этой истории главным действующим лицом становится сооружение из проволоки. Молодые ученые Крик и Уотсон в течение двух лет пытались представить себе, как именно может выглядеть молекула ДНК – что она собой представляет? Они извели тонны металлической проволоки, пытаясь выстроить объяснимую с точки зрения органической химии конструкцию. Как мы помним (а ученые к середине XX века уже знали это доподлинно), ДНК состоит из четырех азотистых оснований – гуанина, цитозина, тимина и аденина. Эти основания связаны между собой атомами водорода. В теории все выглядело просто. Но когда ученые пытались создать пространственную модель ДНК, они выяснили, что соединения получаются какими-то кособокими – азотистые основания оказались разного размера и никак не хотели выстраиваться в циклическую цепочку.

Как только не переставляли кусочки своей проволочной скульптуры Уотсон и Крик. Они изгибали проволоку под разными углами, прилаживали шарики (изображающие основания) в различных комбинациях и сочетаниях – модель не складывалась. За два года ученые так привыкли к своей металлической модели (которая была выше человеческого роста!), что начали относиться к ней как к живой и даже разговаривали с ней, пытаясь выведать ее секрет.

А решение, как это обычно и водится, пришло с неожиданной стороны. Изучая химическое строение ДНК, ученые выяснили, что гуанин, цитозин и тимин имеют на периферии атомы кислорода и ряд двойных связей. Эти двойные связи могут перемещаться в молекуле так, что периферийные атомы кислорода будут связаны или двойной связью, или простой. Первый вариант назвали кетонной связью, второй получил название енольной. Оказалось, что Крик и Уотсон учитывали только енольную форму соединения оснований, пренебрегая кетонной. Как только в модель подставили первую, проблема оказалась решена! Ученые изготовили новые модели из картона и обнаружили, что пара аденин – тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин – цитозин. Это позволяло уложить пары внутрь двойной спирали, подобно ступенькам винтовой лестницы. Проволочный человечек наконец-то получил устойчивость, а теория – доказательную базу!

Глава 2. Как ДНК передает информацию

Все, что мы знаем о ДНК сегодня, имеет в своей основе открытие, сделанное в 1953 году. Изящность предложенной модели сразу же покорила научный мир. Стало понятно, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидов (элементов) в двойной спирали ДНК. В случае необходимости двойная спираль расплетается, и с одной из ее половин информация считывается на строящуюся молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая передает эту информацию каждому произведенному ею белку (см. выше). Кроме того, при полном разделении спиралей ДНК каждая из половин может стать матрицей для достройки второй половины («самовоспроизведение»).

Расшифровка структуры ДНК стала одним из самых крупных открытий в истории науки. Оно позволило лучше понять такие проблемы, как взаимодействие наследственности и внешней среды, мутации и их последствия для синтеза белка, и, главное, приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.

Но как ДНК передает информацию?

Когда мы обмениваемся информацией, мы используем буквы и звуки. Точно так же поступает и ДНК. Только в этом случае роль звуков и букв играют основания азотистой кислоты.

Итак, молекула ДНК состоит из двух гигантских цепочек. Каждое звено в ней сложено из состоит углевода дезоксирибозы (то есть рибоксиновой кислоты, лишенной кислорода), остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (А, Г, Т или Ц). Последовательность звеньев в цепочке может быть любой, но эта последовательность строго связана с последовательностью звеньев в другой (парной) полимерной цепочке: напротив А должно быть Т, напротив Т должно быть А, напротив Ц должно быть Г, а напротив Г должно быть Ц (это правило назвали правилом комплементарности; то же самое правило мы можем наблюдать в пазлах, когда выемке одного элемента соответствует выпуклость другого).

Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их «боковинки» состоят из сахарофосфатного остова.

Последовательность пар нуклеоидов нерегулярна. То есть каждая ДНК отличается друг от друга именно этой самой последовательностью. Расположение парных оснований по цепи ДНК представляет собой код, определяющий тот порядок, в соответствии с которым производятся белки, производимые каждой клеткой.

Если вернуться к аналогии с человеческой речью (точнее, с текстом), то каждое азотистое основание можно назвать одной буквой. Получается, что алфавит ДНКового текста содержит всего четыре «буквы». Как же из этих «букв» формируются «слова» и «предложения»?

Очень понятно это объясняет книга, написанная Вячеславом Тарантулом. Она называлась «Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами». Автор пишет: «Белковые молекулы всех существующих на земле организмов построены всего из 20 аминокислот. Сразу после создания модели ДНК стало ясно, что существует некий код, переводящий четырехбуквенный ДНКовый текст в двадцатибуквенный аминокислотный текст. Элементарные расчеты говорили о том, что число возможных сочетаний, в которых четыре нуклеотида могут быть по-разному расположены в «тексте», достигает астрономических значений. Так, молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать в сотой степени различных белковых «текстов». Какова же ситуация на самом деле?

Одним из первых в этом пытался разобраться русский физик Г. Гамов, эмигрировавший в Америку. Наслушавшись многочисленных разговоров о ДНК и узнав, что она содержит – как и карты – всего четыре «масти», Гамов решил «разложить пасьянс» с целью понять устройство генетического кода. Ему сразу стало ясно, что код не может быть «двоичным», то есть одну аминокислоту в белке должна кодировать не двойка нуклеотидов – «букв», а как минимум тройка. Дело в том, что сочетание из четырех по два дает всего 16 комбинаций, а этого недостаточно для кодирования всех 20 аминокислот. Следовательно, рассуждал Гамов, код должен быть по крайней мере трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка «букв» в любых сочетаниях. На этом он и остановился, поскольку далее возникало множество вопросов. В частности, такой: число сочетаний из четырех по три равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность в трехбуквенном коде?

Тайна древнего шифра

Тогда уже существовал хорошо известный путь, который, в частности, был проделан в свое время французом Жаном Шампольоном при дешифровке иероглифов Древнего Египта. В качестве основного подспорья для решения стоящей перед ним задачи он использовал базальтовую плиту, которую обнаружили во время военной кампании Наполеона в Египет и которая получила название Розеттский камень. На плите одновременно присутствовали две надписи: одна была иероглифическая, а другая – сделанная греческими буквами на греческом языке. К счастью, и язык, и письмо древних греков были в то время уже хорошо известны ученым. В результате сравнение двух текстов Розеттского камня привело к расшифровке египетской иероглифики. Этим путем и двинулись ученые при расшифровке генетического кода. Надо было сравнить два текста: текст, записанный в ДНК, с текстом, записанным в белке. Однако первоначально ученые не умели «читать» ДНК, а одного известного в то время белкового текста было недостаточно. Пришлось искусственно синтезировать разнообразные короткие фрагменты РНК и синтезировать на них в искусственных системах фрагменты белка. Весной 1961 года в Москве на Международном биохимическом конгрессе М. Ниренберг сообщил, что ему удалось «прочесть» первое «слово» в ДНКовом тексте. Это была тройка букв – AAA (в РНК, соответственно, YYY), то есть три аденина, стоящие друг за другом, – которая кодирует аминокислоту фенилаланин в белке. Так было положено начало расшифровке генетического кода.

Такой путь в конечном итоге вскоре привел к полной расшифровке генетического кода. Подтвердилось предположение Гамова, что код триплетный: одной аминокислоте в белках соответствует последовательность из трех нуклеотидов в ДНК и РНК. Такие кодирующие тройки нуклеотидов – «слова» – получили название кодонов.

Важно понимать, что ДНК передает информацию дважды: в первый раз, когда кодирует белок (то есть задает последовательность атомов в процессе его производства), и во второй – когда делится на две части. Чтобы передать генетическую информацию вновь образуемой клетке.

Экспериментально установлено, что одновременно с делением клетки ДНК снимает с самой себя точные копии в процессе удвоения, или репликации. Во время клеточного деления слабые связи между двумя цепями двойной спирали ДНК разрушаются, в результате чего нити разделяются. Затем на каждой из них строится вторая, «дочерняя» (комплементарная) цепь ДНК. В результате этого молекула ДНК удваивается, как и клетка, и в обеих клетках оказывается по одной полной копии ДНК. Копии должны быть полностью идентичными, чтобы сохранить всю генетическую информацию.

Глава 3. Наследственность, или Бессмертный ген

Британский биолог Ричард Докинз однажды решил проследить судьбу отдельно взятого гена и пришел к выводу, что он – бессмертен! Каждый раз, делясь и восстанавливаясь в новой клетке, ген, практически без изменений, путешествует из одного организма в другой, продолжаясь в каждом поколении. Докинз даже предположил, что не сами люди, а их гены правят миром, а каждый конкретный живой организм служит лишь временным прибежищем для них. По его мнению, гены практически бессмертны, в отличие от живых организмов, в которых они существуют. Некоторым генам десятки и даже сотни миллионов лет. Гены, пользуясь терминологией Докинза, делают все возможное, чтобы выжить. Приспосабливаются к жаре и холоду, выбирая себе местечко получше, мигрируют с помощью человека и вступают в новые комбинации. Человек оказался довольно непоседливым хозяином. За тысячи лет он сильно исколесил мир, распространяя свое присутствие, влияние и свою начинку – гены.

Так ли это? Пусть выводы каждый сделает сам для себя, а пока давайте посмотрим, что же позволяет гену путешествовать, а нам – передавать наследственные качества своему потомству.

Для начала вспомним, что в ядре клетки молекулы ДНК расположены в особых структурах, получивших название хромосомы. Хромосомы становятся видимыми в микроскопе при делении клетки на определенной стадии клеточного цикла, называемой митозом. Хромосомы в этом состоянии представляют собой компактные палочковидные структуры разной длины с довольно постоянной толщиной, у большей части хромосом имеется перетяжка, которая делит хромосому на два плеча. В области перетяжки расположена важная для удвоения хромосом структура, называемая центромерой. При делении клетки в ходе митоза происходит удвоение числа хромосом, в результате которого обе вновь образующиеся клетки обеспечиваются одним и тем же стандартным набором хромосом.

У человека в каждой клетке тела содержится 46 хромосом. Набор хромосом во всех клетках человека (за исключением половых) называют диплоидным (двойным), поскольку каждая из хромосом представлена двумя копиями (всего 23 пары). Каждая соматическая клетка человека (кроме красных кровяных клеток крови) содержит по два полных набора хромосом. В каждом единичном (гаплоидном) наборе присутствуют 23 хромосомы – 22 обычные хромосомы (аутосомы) и по одной половой хромосоме – X или Y. Таким образом, геном каждого конкретного человека состоит из 23 пар гигантских молекул ДНК, распределенных в разных хромосомах, а если говорить о геноме человека вообще (мужчин и женщин), то общее число таких молекул равно 24. Это первое базовое сведение, которое было получено о геноме человека при анализе хромосом.

Изучение строения (размера и формы) хромосом человека показало, что большинство из них по внешнему виду напоминают кегли, состоящие из двух толстых частей (хроматид) и тонкой перетяжки (центромеры) между ними. Сходство с кеглями, а не с гантелями заключается в том, что центромера чаще всего расположена не в центре хромосомы, а смещена к одному из ее концов. Размеры хромосом сильно варьируются, самая короткая хромосома примерно в десять раз меньше, чем самая длинная. Это второе принципиально важное сведение о структуре генома человека – составляющие его 24 молекулы ДНК имеют разный размер.

С помощью световой микроскопии были определены размеры всех хромосом человека. Затем все неполовые хромосомы были пронумерованы по уменьшению размера – от 1 до 22. Половым хромосомам не присвоили номер, а назвали X и Y. Как показали более точные последующие исследования, хромосома 21 реально оказалась чуть меньше 22, однако нумерацию хромосом не изменили (чтобы не вносить путаницу). Различие в хромосомных наборах между мужчинами и женщинами состоит в том, что у женщин имеются две половые Х-хромосомы (т. е. хромосомы во всех 23 парах одинаковы), а у мужчин пару с Х-хромосомой образует мужская половая хромосома – Y.

Половые клетки человека, в отличие от клеток тела взрослого организма (соматических клеток), содержат не два набора томов ДНКового текста, а всего лишь один. Перед зачатием каждая отдельная хромосома (отдельный том в Энциклопедии человека) сперматозоида отца и яйцеклетки матери состоят из смешанных в разном сочетании различных глав ДНКового текста их родителей. Любая из хромосом, полученная нами от отца, образовалась в его семенниках незадолго до того, как мы были зачаты. Ранее, за всю историю человечества, точно такая хромосома никогда не существовала. Она была сформирована в процессе случайного перемешивания, происходящего при делении, постепенно образуясь из объединяющихся друг с другом участков хромосом предков со стороны отца. Так же обстоит дело и с хромосомами яйцеклеток, за исключением того, что они формируются в организме нашей матери задолго до нашего рождения (почти сразу после рождения самой матери).

В зиготе, образующейся в результате слияния сперматозоида и яйцеклетки, материнские и отцовские гены смешиваются и перетасовываются в разных сочетаниях. Это происходит в результате того, что хромосомы не остаются неизменными в поколениях – они вступают во взаимодействие со своей случайно встреченной парой, обмениваясь с ней материалом. Такой постоянно идущий процесс получил название рекомбинации. И следующему поколению часто достается уже гибридная хромосома – часть от дедушки и часть от бабушки. Далее в ряду поколений пути генов постоянно пересекаются и расходятся. В результате слияния уникальной яйцеклетки с уникальным сперматозоидом и возникает уникальный во всех отношениях геном. И в этом смысле все мы уникумы. Каждый человеческий индивид хранит уникальную генетическую информацию, состоящую из случайной комбинации разных вариантов генов.

Сразу после зачатия будущий человек представляет собой всего одну клетку (зиготу), наделенную одной исходной ДНКовой библиотекой, содержащей 46 томов. Среди 46 томов всегда 23 получены от отца, а другие 23 – от матери. Тексты 23 отцовских и 23 материнских томов хотя и очень сходны в целом, тем не менее отличаются в деталях. Например, в отцовском томе N18 на странице 253 существует предложение-предписание (в виде гена), в котором сказано, что глаза у ребенка должны быть карими, а в этом же материнском томе на той же странице тоже написано о цвете глаз, но согласно этому тексту цвет должен быть голубым. Первое указание более строгое (доминирующее), чем второе, и в результате у ребенка глаза будут иметь карий цвет. Ген, который диктует свои права, называют доминирующим, а тот, который уступает свои права, – рецессивным. Голубой цвет глаз имеют только те люди, у которых и в материнском, и в отцовском тексте содержатся рецессивные гены, в которых есть указание на голубоглазость. Затем зигота делится на две клетки, каждая из них вновь делится, и так до появления миллиардов клеток.

При каждом делении клетки все ДНК точно копируются, причем практически без ошибок. Организм взрослого человека состоит в среднем из 1014 клеток. Например, в головном мозге и печени насчитывается примерно по 10 миллиардов клеток, в иммунной системе – 300 миллиардов клеток. В течение всей жизни человека в его организме происходит около 1016 клеточных делений. Клеточный состав многих органов за 70 лет жизни обновляется несколько раз. И каждая из этих клеток содержит одни и те же 46 томов ДНКового текста.

Глава 4. Сбой программы и генная инженерия

Всего у человека приблизительно 100 000 генов, в структуре которых может встречаться по меньшей мере 12 ошибок, возникающих, как правило, случайно. Большая часть этих ошибок не имеет серьезных последствий, однако некоторые вызывают генетические болезни. Пренатальное (дородовое) исследование может заблаговременно показать родителям, унаследовал ли их младенец ту или иную генетическую болезнь.

Современный уровень генетики дает шанс исправлять ошибки, вызывающие генетические болезни. Генная терапия выявляет дефектный ген и предлагает целый арсенал средств, позволяющих его исправить. Затем путем инъекции пациенту клеток, содержащих исправленные гены, симптомы болезни могут быть смягчены или устранены совсем. Однако такие пациенты все равно будут нести дефектный ген в сперме или яйцеклетке, хотя сами могут жить нормальной жизнью. Первые эксперименты с генной терапией уже проводятся в США. Правда, пока ни одну из серьезных генетических болезней с помощью генной терапии не вылечили.

Открытие того, как клеточная информация «записана», создает возможность внесения изменений в эту «запись», позволяет ее «редактировать». Этот процесс получил название генной инженерии. Впервые ею стали заниматься в 70-е годы. Технология, названная рекомбинацией ДНК, включает в себя вырезание последовательности из гена и введение другой последовательности, либо созданной синтетически, либо взятой из другого вида.

Например, если человеческий ген, в котором закодирован инсулин, извлечь и ввести в ДНК бактерии, то через какое-то время бактерия будет производить инсулин наряду со своими собственными продуктами. Поскольку бактерии размножаются с неимоверной быстротой, получается, что они будут превращены в миниатюрную фабрику по производству полезного белка.

Другой вариант: гены, стойкие к вредителям или засухе, могут быть введены в наследственный код культурных растений. Можно вырастить зерновые, которые станут получать азот прямо из воздуха и не будут нуждаться в удобрениях. Затем могут быть получены генетически идентичные копии – клоны – полезных растений или животных (удачные опыты в этой области уже осуществлены в Англии). В конечном счете с биологической точки зрения нет препятствий и для клонирования людей.

Впервые тревога по поводу возможных побочных эффектов генной инженерии прозвучала на конференции в Калифорнии в 1975 году. Были высказаны опасения, что генетически измененный организм может оказаться за стенами лаборатории и создать угрозу обществу. Тогда же были выработаны принципы и правила, неукоснительное соблюдение которых должно было минимизировать риск.

Существуют опасения, что тем, кто генетически предрасположен к раку или сердечной болезни, будет трудно получить медицинское страхование и даже работу в случае, если эта информация попадет в руки работодателя. Эти проблемы требуют широкого обсуждения и, может быть, принятия специального законодательства по охране «генетической тайны».

Но самое большое беспокойство связано с тем, что разгадка генетического строения человека может подорвать тайну жизни и существование свободной воли. Если все определяют гены, то что остается людям для принятия собственного решения? Угроза заключена в генном детерминизме, в котором таланты, индивидуальность людей и даже то, каким образом они умрут, – все запрограммировано генами. Мораль, официальная философия и религия наравне с наукой вовлечены в полемику об основополагающих истоках жизни и смерти.

Глава 5. Родословная человечества

Самый интересный вопрос, на который может ответить исследование ДНК, это – откуда мы взялись. Любопытную версию предлагает автор книги «Откуда появились славяне и индоевропейцы» Анатолий Клесов. Он проследил за путешествием нескольких генов, передающихся из поколения в поколение, и сделал несколько шокирующих выводов.

Но обо всем по порядку. Считается, что носители русского языка относятся к группе восточных славян. Всего выделяют три группы – восточные славяне, западные и южные. Восточные славяне – это русские, украинцы, белорусы. Западные славяне – поляки, чехи, словаки. Южные славяне – это сербы, хорваты, боснийцы, македонцы, болгары, словенцы. Группы объединяются по разным признакам. Как следует из названия, в первую очередь учитывается география поселений. Во вторую – национальная общность, язык, культура и, наконец, история. Все эти признаки резко разделяют группы. Так, западные славяне – католики, восточные – православные. Южные отличаются смуглой кожей и темными волосами. Казалось бы, что между ними общего, кроме схожих корней в исторических словах? Ан нет, генеалогия точно указывает, что это – один род, одна и та же метка в Y-хромосоме, одна и та же история миграций, один и тот же общий предок. Одна и та же предковая гаплогруппа, наконец.

Вот мы и дошли до понятия «предковая гаплогруппа», или «гаплогруппа рода». Анатолий Клесов пишет: «Она определяется метками, или картиной мутаций в мужской половой хромосоме. У женщин они тоже есть, но в другой системе координат. Так вот, восточные славяне – это род R1a1. Их среди жителей России, Украины, Белоруссии – от 45 до 70 %. А в старинных русских и украинских городах, городках, селениях – до 80 %.

Поскольку принадлежность к гаплогруппе определяется совершенно конкретными мутациями в определенных нуклеотидах Y-хромосомы, то можно сказать, что каждый из нас носит определенную метку в ДНК. И эта метка в мужском потомстве неистребима, она может быть истреблена только вместе с самим потомством. К сожалению, таких случаев в прошлом было предостаточно. Но это вовсе не означает, что данная метка – показатель некой «породы» человека. Эта метка не связана с генами и не имеет к ним никакого отношения, а именно гены, и только гены, могут быть при желании связаны с «породой». Гаплогруппы и гаплотипы никак не определяют форму черепа или носа, цвет волос, физические или умственные характеристики человека. Но они навсегда привязывают носителя гаплотипа к определенному человеческому роду, в начале которого был патриарх рода, потомство которого выжило и живет в наши дни, в отличие от миллионов других оборвавшихся генеалогических линий.

Эта метка в наших ДНК оказывается бесценной для историков, лингвистов, антропологов, потому что эта метка не «ассимилируется», как ассимилируются носители языков, генов, носители разных культур, которые «растворяются» в популяции. Гаплотипы и гаплогруппы не «растворяются», не ассимилируются. Какую бы религию ни поменяли потомки в ходе тысячелетий, какой бы язык ни приобрели, какие бы культурно-этнические характеристики ни изменили, точно та же гаплогруппа, такой же гаплотип (разве что с несколькими мутациями) упрямо появляется при соответствующем тестировании определенных фрагментов Y-хромосомы. Неважно, мусульманин ли это, христианин, иудей, буддист, атеист или язычник».

Автор книги через анализ ДНК доказывает, что члены рода R1a1 12 тысяч лет назад жили на Балканах. Через двести с лишним поколений они вышли на восточноевропейскую равнину, где 4500 лет назад появился предок современных русских и украинцев рода R1a1. Еще через пятьсот лет, 4000 лет назад, они вышли на Южный Урал, еще через четыреста лет отправились в Индию, где сейчас живут примерно 100 миллионов их потомков, членов того же рода R1a1. Еще одна волна переселенцев с теми же гаплотипами отправилась из Средней Азии в Восточный Иран. Параллельно представители того же генотипа переселились на Аравийский полуостров, Оманский залив, где сейчас находятся Катар, Кувейт, Объединенные Арабские Эмираты. Тамошние арабы, получив результаты тестирования ДНК, с изумлением смотрят на сертификат тестирования с гаплотипом и гаплогруппой R1a1. И эти сертификаты определяют границы ареала походов древних ариев. Расчеты показывают, что времена этих походов в Аравию – 4 тысячи лет назад.

Напомним, что люди рода R1a1 населяют Россию на 70 %. А вот далее к западу, к Атлантике, доля рода R1a1 неуклонно падает и у жителей Британских островов составляет лишь 2–4 %.

Но как это удалось узнать? Тайну раскрыла Y-хромосома. Та самая, которая передается от отца к сыну и далее к каждому очередному сыну по цепочке времен длиной в десятки тысяч лет. Сын получает Y-хромосому от отца точно такую же, какую тот получил от своего отца, плюс новые мутации, если таковые произошли при передаче от отца сыну. А случается это редко.

Историческая математика

Именно по этим случайным мутациям – перестановкам в цепочке ДНК – и можно определить возраст того или иного гена. В доказательство Анатолий Клесов приводит собственный расшифрованный гаплотип, принадлежащий к тому самому роду R1a1. В цифровом выражении он выглядит следующим образом:

13 24 16 11 11 15 12 12 10 13 11 30 16 9 10 11 11 24 14 20 34 15 15 16 16

Каждая цифра – это определенная последовательность блоков нуклеотидов в Y-хромосоме ДНК. Она называется аллель и показывает, сколько раз этот блок повторяется в ДНК. Мутации в таком гаплотипе (то есть случайное изменение числа блоков нуклеотидов) происходят со скоростью одна мутация примерно в 22 поколения, то есть в среднем раз в 550 лет.

Гаплотипы очень устойчивы и сохраняют свои основные черты на протяжении тысячелетий. Поэтому, даже со всевозможными изменениями, один род легко отличить от другого. «Возьмем не славянский R1a1, – пишет автор, – а, скажем, угро-финский род, N3 в системе ДНК-генеалогии. Типичный 25-маркерный гаплотип этого рода выглядит так:

14 24 14 11 11 13 11 12 10 14 14 30 17 10 10 11 12 25 14 19 30 12 12 14 14

Он имеет 29 мутаций по сравнению с приведенным выше славянским! Это соответствует разнице больше двух тысяч поколений, то есть славянский с угро-финнами общий предок жил более 30 тысяч лет назад.

Такая же картина получается, если сравнить, например, с евреями. Типичный ближневосточный гаплотип евреев (род J1) такой:

12 23 14 10 13 15 11 16 12 13 11 30 17 8 9 11 11 26 14 21 27 12 14 16 17

Он имеет 32 мутации по отношению к славянскому. Еще дальше, чем угро-финны. А между собой они различаются на 35 мутаций.

В общем, идея ясна. Гаплотипы отражают совершенно разные истории рода, происхождение, миграцию родов.

Очень важно, что по числу мутаций в гаплотипах можно рассчитывать, когда жил общий предок группы людей, гаплотипы которых мы рассматриваем».

Итак, наш общий праславянский предок на территории современной России– Украины жил 4500 лет назад. Ранний бронзовый век, или даже энеолит, переход от каменного века к бронзовому. Теперь мы можем начать выстраивать последовательность событий нашей древнейшей истории. 4500 лет назад праславяне появились на среднерусской возвышенности, причем не просто какие-то праславяне, а именно те, потомки которых живут в наше время, числом десятки миллионов человек. 3800 лет назад арии, потомки тех праславян (и имеющие идентичный предковый гаплотип), построили городище Аркаим (его теперешнее название), Синташту и «страну городов» на Южном Урале. 3600 лет назад Аркаим арии покинули и перешли в Индию.

В настоящее время доля славян-ариев гаплогруппы R1a1 в Литве 38 %, в Латвии 41 % и Белоруссии 40 %, на Украине от 45 % до 54 %. В России славян-ариев в среднем 48 % за счет высокой доли угро-финнов на севере России, но на юге и в центре России доля восточных славян-ариев достигает 60–75 % и выше.

Таким образом, мы видим, что расшифровка ДНК помогает не только предотвратить болезни, но и узнать историю древнего мира, понять, откуда мы вышли и где можем обрести неожиданных «родственников».

Часть III. Куда пропала овечка Долли?

Буквально несколько лет назад каждый из нас мог считать себя генетиком. Ведь не было ни одного взрослого человека, который ни обсуждал бы проблему клонирования – возможно ли клонировать человека или нет? А если да – нравственно ли это? Получится ли клонировать органы для пересадки? И чего ждать от «донора из пробирки»? Сегодня эти разговоры поутихли, но считать, что в них поставлена точка, по-прежнему нельзя.

Глава 1. Сначала была… лягушка

Термин «клон» происходит от греческого слова klon, что означает – веточка, побег, черенок. Когда-то он имел отношение исключительно к сельскому хозяйству. По идее, каждый садовод хотя бы раз в жизни занимался клонированием, размножая усиками клубнику или высаживая клубни картофеля. Простейшие технологии клонирования растений были изобретены 4 тысячи лет назад, но даже в этом направлении двадцатый век совершил революцию.

Дело в том, что у растений (в отличие от животных) клетки по мере роста не теряют своей универсальности – они сохраняют способность реализовывать всю заложенную в них генетическую информацию. Проще говоря, из клетки почки вполне можно вырастить ствол и даже корень – и наоборот. Это свойство клетки легло в основу нового метода, разработанного в семидесятых годах прошлого века, и породило новое направление генетики – растениям начали задавать новые свойства уже не на уровне черенка или опыления, а на уровне одной-единственной клетки.

Здесь надо иметь в виду, что при вегетативном размножении и при клонировании гены не распределяются по потомкам, как в случае полового размножения, а сохраняются в полном составе в течение многих поколений. Все организмы, входящие в состав определенного клона, имеют одинаковый набор генов и с точки зрения ДНК не различаются между собой. Впрочем, нам это нисколько не вредит. Ведь, съедая ягодку клубники, мы нисколько не страдаем от того, что она – точная копия предыдущей.

А вот клетки человека (да и всех животных) с развитием дифференцируются – становятся частью той или иной ткани – и уже не способны превратиться ни во что иное (за исключением так называемых стволовых клеток; но об этом – чуть позже). Это заложено в наших ДНК. Поэтому в случае с овечкой Долли или человеческими органами речь идет совсем о другом механизме.

Впервые его применили в начале 1950-х годов в опытах на лягушках. Американские исследователи Бриггс и Кинг разработали микрохирургический метод пересадки ядер эмбриональных клеток с помощью тонкой стеклянной пипетки в лишенные ядра (энуклеированные) яйцеклетки-икринки. Они установили, что если брать ядра из клеток зародыша на ранней стадии его развития, то примерно в 80 % случаев зародыш благополучно развивается дальше и превращается в нормального головастика. Если же развитие зародыша, донора ядра, продвинулось на следующую стадию, то яйцеклетки в большинстве своем погибали. Таким образом, было доказано главное отличие клеток животных от клеток растений.

Впрочем, опыты, произведенные чуть позже, пошатнули эту теорию. И виноваты в этом оказались… южноафриканские жабы. Английский биолог Гердон в 1962 году попробовал переиначить опыты. Он взял не зародышевые клетки, а уже «взрослые» и сформировавшиеся клетки, выстилающие внутреннюю часть кишечника жабы. Ядра икринок-яйцеклеток он удалял не хирургическим путем, а разрушал ультрафиолетовыми лучами. В принципе, можно сказать, что и его эксперименты провалились – из всех икринок только 1 % развился в половозрелые особи. Но тем не менее был доказан новый принцип – «взрослые» клетки можно «пробудить» и напомнить им об их потенциальных возможностях.

Затем Гердон вместе со своим коллегой Ласки стали выращивать клетки в пробирке – в питательной среде вне организма. Они брали клетки почек, легкого и кожи жаб и вживляли их в лишенные ядра яйцеклетки. Они даже изобрели новый, ступенчатый метод пересадки – сначала ядро подсаживали в одну яйцеклетку, а когда она развивалась до определенной стадии – извлекали и пересаживали в более «зрелую» икринку. При таких серийных пересадках им удалось вырастить несколько «клонированных» головастиков. Но, главное, было доказано, что клетки трех разных тканей взрослого позвоночного (а жаба в этом плане практически не отличается от человека) содержат ядра, которые могут обеспечить развитие по крайней мере до стадии головастика.

Параллельно такие же эксперименты проводились с клетками крови – эритроцитами. Они дали примерно такие же результаты: часть эмбрионов удавалось вырастить до головастиков, но не более того. Получалось, что клонировать позвоночных теоретически можно, но только на стадии зародыша в раннем этапе развития.

Получалось, что главный постулат подтверждается – «взрослая» клетка животного может принадлежать только определенному типу ткани и теряет универсальные свойства, что сопровождается разрушением невостребованных ДНК. Но одновременно с этим были обнаружены так называемые «стволовые» клетки, которые отличаются от обычных меньшей дифференциацией – то есть они частично сохраняют способность видоизменяться. И именно эти клетки смогли обеспечить клонирование головастиков.

Глава 2. Мышки-первопроходчики

Успешные опыты с амфибиями заставили ученых задуматься о клонировании эмбрионов млекопитающих, в частности мышей. Забегая вперед, скажем, что мышам это не очень понравилось – несмотря на то, что к середине семидесятых годов прошлого века биология и генетика млекопитающих были весьма основательны, ученые столкнулись с серьезными трудностями. В основном они были связаны с тем, что размер яйцеклетки у мыши в тысячу раз меньше, чем икринка жабы. Но даже это не смутило естествоиспытателей. Они научились удалять ядро из оплодотворенной яйцеклетки и вводить туда клеточные ядра ранних зародышей (о клетках кожи, крови и почках речь даже не заходила).

Спрашивается, а зачем вообще потребовалось мучить бедных подопытных животных? Что, у них были какие-то проблемы с оплодотворением? Конечно, нет. По сути, все эти эксперименты были направлены на то, чтобы «подсмотреть в спальню Бога», – понять, как именно зарождалась жизнь и можно ли повторить этот эксперимент в производственных масштабах?

Надо сказать, что на этот раз исследователи получили довольно ощутимый щелчок по носу – размножаться в пробирке мыши не захотели.

Правда, в 1977 году появилось сенсационное сообщение ученых Хоппе и Илменси о том, что они получили семь взрослых самок мышей. Они заявили, что им удалось не только клонировать мышек, но и задать им определенные свойства – пять мышек развивались по материнскому генотипу, а две – по отцовскому. Получалось, что они научились управлять наследственностью и могут, по желанию, закреплять на генном уровне те или иные наследуемые качества. Это открытие должно было стать прорывом в сельском хозяйстве, в селекции, ведь ранее для выведения породы с закрепленными особо ценными качествами требовались десятки лет работы.

Однако все это оказалось не более чем уткой.

Как только не пытались ученые повторить заявленный результат! Меняли стадию развития клетки-донора и яйцеклетки, использовали мужские и женские зародышевые клетки, изобретали новые методы и технологии, но мышки клонироваться категорически отказывались.

Положительным результатом стало только интенсивное развитие методологии и вывод, что для нормального развития зародыша необходим полный набор хромосом – как мужских, так и женских.

Ученые решили, что в отличие от амфибий (лягушек и жаб) млекопитающие (по крайней мере, мыши) отличаются тем, что их клетки теряют способность меняться на очень ранних стадиях развития. То есть дифференцируются практически с первых дней своего существования. Поэтому клонировать их, как головастиков, и не удавалось.

Каково же было их удивление, когда оказалось, что кролики, овцы и коровы в этом плане гораздо более податливей мышей! Клетки их зародышей «определяются» с тем, кем им быть, не на стадии двухклеточного зародыша, а чуть позже – на стадии 8-16 клеток. Именно так и появилась овечка Долли…

Но ее старшими братишками стали шесть живых кроликов, которые появились на свет, когда ядра 8-клеточных эмбрионов одной породы пересадили в лишенные ядра яйцеклетки кроликов другой породы. Фенотип (то есть набор хромосом) родившихся крольчат полностью соответствовал фенотипу кролика-донора.

Однако только шесть из 164 реконструированных яйцеклеток (3,7 %) развились в нормальных животных. Это, конечно, был очень низкий выход, практически не позволявший рассчитывать на получение таким методом клона генетически идентичных животных.

Глава 3. Овца – как венец клонирования

Клонирование крупного рогатого скота (коров или овец) шло немного не так, как с мышами или кроликами. Первоначальную яйцеклетку выращивали не в пробирке, а в живом доноре. Овце (или корове) перевязывали яйцевод и вводили туда подготовленную клетку зародыша. Затем оплодотворенную яйцеклетку вымывали и «переселяли» в матку второго донора – овцы или коровы соответственно. Там клетка развивалась до рождения детеныша. От искусственного оплодотворения (не считая самого принципа замены ядер клеток) этот метод отличался именно тем, что позволял получать генетических двойников, чего никогда нельзя было достичь обычной селекцией. Ведь даже из 12 щенков или поросят в одном помете только несколько наследуют лучшие качества породы. Остальные – выбраковка.

Впрочем, в ходе первых опытов выбраковка была еще выше: из 463 клонированных зародышей удалось получить 92 живых теленка, и только семь из них оказались генетическими близнецами. Тем не менее общие принципы были сформулированы – клонирование яйцеклеток, при условии вынашивания детенышей живой «мамой», вполне возможно.

И тут пришла очередь овцы.

В ходе экспериментов ученые выяснили, что зародышевые клетки овцы сохраняют память о своих потенциальных возможностях даже на стадии 16-клеточного эмбриона. Первые три живые овечки получились из клона 8-клеточного зародыша, и они были абсолютно идентичны друг другу. Правда, прожили они недолго. Это вообще стало проблемой исследователей – ягнята вполне благополучно развивались в утробе матери, но в момент родов они чаще всего погибали. Ученые пришли к выводу, что «универсальность» клетки даже на стадии эмбриона все-таки имеет свои пределы, что не позволяет клону развиваться нормально.

И только в 1993–1995 годах была изобретена технология, которая позволила родиться пяти клонированным овечкам, две из которых дожили до восьми-девятимесячного возраста. Но Долли среди них не было.

Сенсационная статья, объявившая миру о рождении первого полноценного клона, дожившего до половой зрелости, была опубликована в начале 1997 года. Британский ученый Ян Уилмут навсегда обессмертил свое имя, сфотографировавшись с плодом своего труда – той самой овечкой Долли, судьба которой перевернула все наши представления о мире.

Революционным стало не просто долгожительство клона, но и сам способ его создания. Уилмут взял ядро клетки молочной железы овцы – до него это никто не смог осуществить – клетки плода и эмбриональные клетки. Донором стала шестилетняя овца породы «финн дорсет», находящаяся на последнем триместре беременности. Ядра клеток доноров пересаживали из эмбриона в эмбрион больше 20 раз – каждый раз останавливая развитие клеток на определенной стадии. Только такая кропотливая работа смогла дать нужный результат. Правда, из 277 реконструированных яйцеклеток удалось получить только одну живую овечку. Овца по кличке Долли развилась из реконструированной яйцеклетки, донором ядра которой была культивируемая клетка молочной железы овцы породы «финн дорсет», генетически она не отличалась от овец этой породы, но анализ ее ДНК совсем не совпадал с анализом овцы-«мамы».

Итак, самая известная в мире овечка родилась в 1997 году. Ее появление на свет ознаменовало новую эру в развитии биологии – ученые доказали, что они не просто разгадали «божественный замысел», но и смогли его повторить. Правда, похоже, бедное животное было наказано за гордыню людей.

В 2002 году Долли заболела артритом, он усугубился целой россыпью других болезней, и в феврале 2003 года овечку усыпили из-за прогрессирующего воспаления легких. Считается, что «сбой программы» стал результатом генных мутаций, инициированных процессом клонирования. Долли умерла в возрасте шести лет. С тех пор никаких сколь либо серьезных прорывов в технологии клонирования сделано не было.

Глава 4. Мой сосед – клон?

Так возможно ли хотя бы теоретически клонировать человека? Настанут ли времена, когда мы будем размножаться не только традиционно (через соитие и девятимесячную беременность), но и «почкованием», как растения? У этого вопроса есть не только биологическая, но и нравственная сторона.

С точки зрения науки клонирование человека возможно. Так, в 2006 году ученым из американской компании Advanced Cell Technology (ACT) впервые в мировой истории удалось клонировать эмбрион человека. Представители компании, предвидя критику, заранее сообщили, что целью проведенного эксперимента было не клонирование человека, а создание препаратов для лечения таких распространенных заболеваний, как диабет, рак, СПИД, болезнь Паркинсона и т. д. Ее исполнительный директор Майкл Уэст поспешил заявить, что «речь идет лишь о создании человеческой молекулярной жизни, а не просто человеческой жизни». Он пояснил, что ACT не клонировала человека, а создала эмбрионы, не предназначенные для репродуктивных целей. Впрочем, все эти заявления и пояснения не спасли компанию от критики как со стороны официальных властей США, так и со стороны общественных и религиозных организаций, выступающих против воспроизведения человека в лабораторных условиях.

Суть поставленного эксперимента, как пояснили в компании, заключалась в том, что ученые удалили ДНК из человеческой яйцеклетки и заменили ее на ДНК из клетки кожи, после чего активировали с помощью электрического заряда. Две из восьми задействованных в эксперименте клеток дважды поделились надвое, образовав эмбрионы из четырех клеток, а одна яйцеклетка успела достичь шестиклеточной стадии, прежде чем процесс деления остановился. Как пояснил вице-президент компании по медицинским и научным разработкам Роберт Ланза, это достижение открывает потенциально безграничные возможности для клонирования совместимых с индивидуальной иммунной системой клеток, необходимых для косметической и трансплантационной медицины. Полученные американскими учеными так называемые зародышевые стволовые клетки, составляющие основу человеческого организма, могут быть преобразованы в любой вид ткани, будь то мышцы, кровь, кожа или мозг.

Церковь против

Реакция на этот эксперимент со стороны Ватикана последовала незамедлительно. По мнению Католической церкви, даже избавление практически от всех болезней не может оправдать действия ученых, нарушающих таинство зачатия. Ватикан настаивает на том, что генетикам стоит выбрать другой путь, который бы соответствовал моральным ценностям: например, использовать ткани взрослых людей или кровь. Один из высших иерархов Ватикана кардинал Тарцисио Бертоне по этому поводу заявил, что «создание и уничтожение одного человеческого существа для излечения другого недопустимо». «В данном случае цель не оправдывает средства», – прокомментировал он.

По мнению Ватикана, жизнь, созданная даже таким «противоречащим человеческой природе» способом, достойна «уважения, как всякая человеческая сущность». Папа римский Иоанн Павел II неоднократно высказывался категорически против подобных проектов. Представитель папы заявил, что, прежде чем делать выводы, необходимо дождаться научно обоснованного подтверждения открытия, но если в результате экспериментов был создан реальный эмбрион, то такие исследования «должны быть подвергнуты осуждению».

Ведь терапевтическое клонирование для последующего извлечения стволовых клеток лишь предположительно способно помочь в создании органов для больных (чему нет пока ни одного свидетельства). Хотя всем известно, что при получении стволовых клеток из эмбриона убивается этот эмбрион (человеческий зародыш). Получается, что, для того чтобы спасти чью-то жизнь, приходится «высосать» всю кровь из невинного, беззащитного младенца. И если мы сегодня согласны идти на такие жертвы, то не совсем понятно, почему кто-то просто не попытается брать детей из детдомов и пускать их органы на донорские программы, ведь один такой ребенок может спасти несколько жизней состоятельных людей.

По мнению Ватикана, использование эмбриональных клеток для клонирования является преступлением независимо от конечной цели. «Эмбрион человека – это не источник клеток… а настоящая человеческая жизнь», – говорится в заявлении Церкви. Таким образом, использование эмбриона как источника клеток для клонирования может быть приравнено к убийству. Одновременно в заявлении Ватикана подчеркивается, что вместо эмбриональных клеток вполне можно использовать клетки взрослых людей или в крайнем случае клетки эмбрионов, погибших в результате выкидыша. Как следует из официального заявления Римско-Католической церкви, жизнь зарождается уже в первый миг существования эмбриона, поэтому любые эксперименты с человеческими зародышами можно расценивать как убийство.

В связи с прошедшим экспериментом высказалась и Русская православная церковь. От ее имени выступил представитель Московского патриархата отец Антоний Ильин, который сообщил, что православным людям, занимающимся клонированием или использующим результаты клонирования в медицинских целях, грозит отлучение от Церкви. Представитель РПЦ называл лицемерием информацию о том, что благодаря этим исследованиям удастся получить новые способы лечения не побежденных человеком болезней. Клонирование человеческих эмбрионов и любые действия с эмбрионами приравниваются Русской православной церковью к уничтожению эмбрионов, а «по каноническим правилам уничтожение эмбрионов приравнивается к аборту, а значит, и к убийству», – сказал он.

«Церковь напоминает, что это не просто исследование, а тяжкий грех, так как данное уничтожение эмбриона приравнивается к греху аборта, который в свою очередь является убийством. Таким образом, люди, проводящие эти исследования, сами ставят себя вне Церкви», – подчеркнул отец Антоний. Он заметил, что для Церкви нет принципиальной разницы между репродуктивным и так называемым терапевтическим клонированием, о котором сегодня идет речь. «Мы считаем, что с момента зачатия эмбрион является человеческим существом. И терапевтическое клонирование представляется преступлением против человечности, поскольку речь идет о сознательном изготовлении эмбрионов для их последующего уничтожения с целью получения стволовых клеток для лечения некоторых заболеваний», – пояснил отец Антоний. Он заметил, что Церковь «не является противником науки и не препятствует лечению человеческих недугов, но не любой ценой». «Нельзя превращать человеческое существо в сырье», – добавил отец Антоний. По словам представителя РПЦ, существует альтернативный источник получения стволовых клеток от взрослого человека – в частности, из клеток костного мозга, крови и молочной железы. При этом никто не приносит себя в жертву ради блага других людей, сказал он. Отец Антоний подчеркнул, что если вопрос о клонировании эмбрионов будет так или иначе поставлен в России, то Церковь станет всеми возможными средствами добиваться законодательного запрета как на репродуктивное, так и на терапевтическое клонирование.

Стоит напомнить, что российское правительство ввело пятилетний запрет на клонирование человека в 2002 году и продлило его в 2008-м. Впрочем, российские ученые признают, комментируя этот запрет, что прежде всего для серьезных опытов у нас нет материально-технической базы.

Подводя итоги, следует признать, что говорить о клонировании человека можно лишь сугубо теоретически. В сущности, речь идет даже не о клонировании, а о получении копии отдельного индивида, поскольку термин «клонирование» предполагает получение некоего множества особей. Но слово уже прижилось, поэтому имеет смысл пользоваться им по-прежнему. Очевидно, что сегодня вероятность отрицательных последствий этой процедуры значительно перевешивает ее выгоды, поэтому, по мнению большинства ведущих ученых мира, работы по клонированию человека, как в настоящее время, так и в ближайшем будущем, проводить нецелесообразно.

Возможно, через какое-то время, когда будут усовершенствованы все этапы этого сложного биотехнологического метода, ученые, социологи и другие заинтересованные лица смогут вернуться к обсуждению целесообразности клонирования человека. Однако это время наступит не скоро, и в любом случае решение вопроса о клонировании того или иного человека будет регламентироваться строгими рамками и правилами, касаясь, возможно, только некоторых медицинских проблем, скажем, непреодолимого другими методами бесплодия.

В то же время работы с домашними животными очень важны с практической точки зрения. Клонирование ценных трансгенных животных может быстро и экономично обеспечить человечество новыми лекарственными препаратами, содержащимися в молоке специально полученных для этого генно-инженерными методами овец, коз или коров. Клонирование высокопродуктивных домашних животных, в частности молочных коров, может произвести буквально революцию в сельском хозяйстве, так как только этим методом можно создать не отдельные экземпляры, а целые стада элитных коров-рекордисток. Это же относится к размножению выдающихся спортивных лошадей, ценных пушных зверей, сохранению редких и исчезающих животных в природных популяциях и т. д.

Глава 5. Инженеры по генам

Но если вопрос по клонированию человека еще долгое время можно будет считать открытым, то другое направление работы с молекулой ДНК – генная инженерия – только набирает обороты. У него тоже много противников и защитников. Противники считают, что «подправлять» природу, вводя изменения в генетический код зародыша, недопустимо, а защитники приравнивают такое вмешательство к обычной терапии – ведь если младенец, к примеру, вывихнет плечико, никто же не будет возражать против того, чтобы его вправить? Так почему бы не «вылечить» генетические заболевания?

К тому же, согласитесь, сама идея довольно заманчива. Ведь с помощью техники генного инжиниринга можно не только бороться с некоторыми, казавшимися ранее неизлечимыми заболеваниями, но и задавать будущему малышу вполне определенные качества. Например, заложить в геном зародыша музыкальный слух Моцарта или спортивный дар Рональдиньо.

Пока эти споры носят чисто теоретический характер, но все предпосылки для широкого применения генного моделирования уже есть. Около десяти лет назад было сделано несколько фундаментальных открытий. Был впервые получен изолированный, «химически чистый» ген. Затем были открыты ферменты – рестриктазы и лигазы. С помощью рестриктаз ген можно разрезать на кусочки – нуклеотиды. С помощью лигаз такие кусочки можно «склеивать», соединять в иной комбинации, конструируя новый ген.

Почти одновременно успешно завершились многолетние попытки «прочитать» ту биологическую информацию, которая «записана» в генах. Эта работа была проделана английским ученым Ф. Сенгером и американским ученым У. Гилбертом. За нее ученые были удостоены Нобелевской премии по химии (1980). Для Сенгера эта премия была уже второй; он стал первым химиком, получившим награду дважды; первый раз он был награжден за расшифровку строения белка.

Как известно, в генах содержится информация-инструкция для синтеза в организме молекул белков-ферментов. Значит, для того чтобы заставить клетку синтезировать новые, необычные для нее вещества, надо, чтобы в ней синтезировались соответствующие наборы ферментов. А для этого необходимо или целенаправленно изменить находящиеся в ней гены, или ввести в нее новые гены, чуждые ей. Изменения генов в живых клетках – это мутации. Они происходят под действием, например, мутагенов – химических ядов или излучений. Но такие изменения нельзя контролировать или направлять. Поэтому ученые сосредоточили усилия на попытках разработать методы введения в клетку новых, совершенно определенных генов, нужных человеку. Для этого, во-первых, необходимо было научиться получать желаемые гены.

Первоначально такие гены пытались просто выделить из подходящих клеток, но потом оказалось, что, зная их строение, проще получать их синтетически, с помощью отработанных биохимических методик. Во-вторых, необходимо было разработать методику введения гена в клетку. Причем нужно было научиться не просто вводить ген в цитоплазму, а встраивать его в собственную молекулу ДНК клетки так, чтобы новая информация могла быть «прочитана» биосинтетическим аппаратом клетки, вырабатывающим белки, а также воспроизводящим гены при делении клетки. Осуществление этих двух этапов – получение гена и введение его в клетку – и составляет, собственно, основу той отрасли биотехнологии, которая получила название индустрии ДНК.

Разработать методику как первого, так и второго этапов было невероятно трудно. Однако за очень короткий срок биохимики научились синтезировать гены. Сейчас процесс синтеза генов разработан очень хорошо и даже автоматизирован. Существуют специальные аппараты, снабженные ЭВМ, в памяти которых заложены программы синтеза различных структурных генов. За день такой аппарат синтезирует необходимые отрезки ДНК длиной 100–120 азотистых оснований (содержащих информацию для синтеза участка полипептидной цепи белка в 30–40 аминокислотных остатков).

Основные трудности были связаны с введением готового гена в наследственный аппарат клетки. Собственно, именно из-за этих трудностей еще 15–20 лет назад затеи с модификацией генетического аппарата считали безнадежным и даже фантастическим делом.

Необходимо было создать общий и воспроизводимый метод включения кусочков гена в полный генетический аппарат клетки. При этом новый фрагмент гена должен был быть помещен очень точно с соблюдением ряда условий, для того чтобы клетка действительно начала синтезировать новые ферменты. Надо было также обойти сопротивляемость клетки-хозяина: как правило, все изменения генетического аппарата воспринимаются клеткой как «ошибки информации» и исправляются специальными механизмами.

Однако в природе наблюдаются случаи, когда чужеродная ДНК (вируса или бактериофага) включается в генетический аппарат клетки и с помощью ее обменных механизмов начинает синтезировать «свой» белок. Ученые исследовали особенности внедрения чужеродной ДНК и использовали как принцип введения генетического материала в клетку.

На людях технология генной инженерии была впервые применена для лечения Ашанти Де Сильвы, четырехлетней девочки, страдавшей от тяжелой формы иммунодефицита. Ген, содержащий инструкции для производства белка аденозиндезаминазы (ADA), был у нее поврежден. А без белка ADA белые клетки крови умирают, что делает организм беззащитным перед вирусами и бактериями.

Работающая копия гена ADA была введена в клетки крови Ашанти с помощью модифицированного вируса. Клетки получили возможность самостоятельно производить необходимый белок. Через шесть месяцев количество белых клеток в организме девочки поднялось до нормального уровня.

После этого область генной терапии получила толчок к дальнейшему развитию. С 1990-х годов сотни лабораторий ведут исследования по использованию генной терапии для лечения заболеваний. Сегодня мы знаем, что с помощью генной терапии можно лечить диабет, анемию, некоторые виды рака, болезнь Хантингтона и даже очищать артерии. Сейчас идут более 500 клинических испытаний различных видов генной терапии.

Неблагоприятная экологическая обстановка и целый ряд других подобных причин приводят к тому, что все больше детей рождается с серьезными наследственными дефектами. В настоящее время известно 4000 наследственных заболеваний, для большинства из которых не найдено эффективных способов лечения.

Сегодня существует возможность диагностировать многие генетические заболевания еще на стадии эмбриона или зародыша. Пока можно только прекратить беременность на самой ранней стадии в случае серьезных генетических дефектов, но скоро станет возможным корректировать генетический код, исправляя и оптимизируя генотип будущего ребенка. Это позволит полностью избежать генетических болезней и улучшить физические, психические и умственные характеристики детей.

Сегодня мы можем отметить, что за тридцать лет своего существования генная инженерия не причинила никакого вреда самим исследователям, не принесла ущерба ни природе, ни человеку. Свершения генной инженерии как в познании механизмов функционирования организмов, так и в прикладном плане весьма внушительны, а перспективы поистине фантастичны.

Амбициозный проект

В 1990 году в США был начат проект «Геном человека», целью которого было определить весь генетический год человека. Проект, в котором важную роль сыграли и российские генетики, был завершен в 2003 году В результате проекта 99 % генома было определено с точностью 99,99 % (1 ошибка на 10000 нуклеотидов). Завершение проекта уже принесло практические результаты, например, простые в применении тесты, позволяющие определять генетическую предрасположенность ко многим наследственным заболеваниям.

И вот из последних новостей: английские ученые утверждают, что они нашли способ подправить ДНК, переписав код таким образом, чтобы можно было убрать все генетические ошибки и дефекты. Таким образом, можно предупредить развитие болезней вроде кистозного фиброза, мышечной дистрофии и некоторых видов рака.

Ведь ДНК влияет на работу организма через производство белков, качество которых может страдать от ошибок или мутаций, возникающих в ходе прочтения нитей ДНК. Одна из самых распространенных мутаций заключается в том, что клетка перестает считывать генетические «инструкции» раньше времени и в итоге получается неполный, укороченный протеин.

Данные неполные протеины как раз и стоят за названными выше генетическими расстройствами. Ученые утверждают, что им удалось разработать методику, позволяющую сигнал «стоп» перевести в сигнал «продолжать». Это даст возможность клетке нормально считывать информацию и создавать нормальной длины протеин.

Исследователи смогли добиться успеха как в пробирке, так и с живыми клетками дрожжей. По словам руководителя научной работы профессора И-Дао Ю, суть метода заключается в изменении мРНК (матричной рибонуклеиновой кислоты), которая обычно передает инструкции ДНК клеткам относительно того, как образовывать протеины.

Кто знает, что готовит уже завтрашний день генной инженерии?

Часть IV. Легенда о стволовых клетках

Каких только чудес не приписывают стволовым клеткам! Они и молодость продлевают, и рак лечат, и позволяют получить органы для трансплантации практически из «ничего». Правда, при детальном рассмотрении оказывается, что слухи об их всемогуществе оказываются сильно преувеличенными. Но что из перечисленного правда, а что – раздутая рекламой ложь, можно понять, лишь познакомившись со стволовыми клетками поближе.

Глава 1. Мы были первыми!

Настоящий бум «ревитализации» (омоложения человеческими стволовыми клетками) начался в 1995 году, когда американцы обнародовали сведения о результатах введения этих клеток пожилым людям. У пациентов темнели седые волосы, разглаживались морщины, у мужчин увеличивалась потенция, а у женщин прекращались менопаузы. Для геронтологии (науки о старении) наступили золотые времена.

На эксперименты со стволовыми клетками решились и знаменитости: недавно личный врач Фиделя Кастро заявил, что кубинский диктатор будет жить до 140 лет, и при этом намекнул на использование последних достижений в области клеточной медицины. Ревитализацию опробовали на себе Энтони Хопкинс и Софи Лорен, Элизабет Тейлор и Хосе Каррерас. К клеточной медицине прибегали не только с целью омоложения, но и для лечения серьезных травм и болезней: например, актриса Дэрил Ханна, потерявшая палец на съемках фильма «Убить Билла», собиралась восстанавливать его с помощью имплантата, выращенного из стволовых клеток.

Но что бы ни писали в американских учебниках по биологии, впервые серьезно изучением стволовых клеток занялись все же в Советском Союзе. Еще в 1975 году президиумом Академии наук при Институте цитологии был создан отдел клеточных культур. Параллельно шло формирование легендарной всесоюзной коллекции (сегодня это около 300 тысяч ампул), аналогов которой нет нигде в мире. Естественно, в те времена в основном интересовались лечебным аспектом клеточной медицины и, что называется, экспериментировали с техникой. «Вы не представляете, в какой эйфории пребывали врачи и ученые после того, как стало очевидно, что из стволовых клеток можно воспроизвести любую ткань и орган, – вспоминает генеральный директор клиники «НейроВита» профессор Андрей Брюховецкий. – Мой коллега-американец Майк Мэбэр, например, специально к Олимпиаде в Солт-Лейк-Сити создал из стволовых клеток олимпийские кольца. Другой ученый из Америки вырастил на спине у крысы человеческое ухо… При таких возможностях использовать стволовые клетки в косметических целях никому даже в голову не приходило». Меж тем первые эксперименты с омоложением начались еще в 20-е годы: пионерами были русский врач-эмигрант Воронцов и основатель знаменитой клиники Ла Прери (Clinique La Prairie) Поль Ниеханс – правда, работали они исключительно с клеточным материалом животных. Но даже когда научились выделять стволовые клетки из человеческого зародыша, широкого применения ревитализация в России не получила.

Глава 2. Кто есть кто

Итак, мы точно можем сказать, что стволовые клетки отличаются от всех остальных тем, что могут давать начало любым клеткам организма – и кожным, и нервным, и клеткам крови. Сначала полагали, что во взрослом организме таких клеток нет и существуют они лишь в самом раннем периоде эмбрионального развития. Однако в 1970-е годы А. Я. Фриденштейн с соавторами обнаружили стволовые клетки в костном мозге; в дальнейшем их стали называть стромальными клетками.

Тогда же появились работы, доказывающие наличие стволовых клеток практически во всех органах взрослых животных и человека. В связи с этим принято разделять стволовые клетки на эмбриональные стволовые клетки (выделяют из эмбрионов на стадии бластоцисты – очень ранней стадии развития, когда еще нет ни тканей, ни закладок органов) и региональные стволовые клетки (выделяют из органов взрослых особей или из органов эмбрионов более поздних стадий), которые сохраняют свойства эмбриональных клеток, о чем свидетельствуют обнаруженные в них эмбриональные белковые маркеры.

Стволовые клетки можно выделять и растить отдельно от организма – в культуре ткани. При этом образуются шарообразные клеточные образования. Способность давать множество разнообразных клеточных типов делает стволовые клетки важнейшим восстановительным резервом в организме. Они используются телом как универсальный материал, которым можно заделать все «дыры», возникающие в ходе жизни человека.

Особое удивление биологов вызвало присутствие стволовых клеток в центральной нервной системе. Как известно, сами нервные клетки утрачивают способность к размножению уже на самой ранней стадии своего формирования. Но когда нервная система серьезно повреждена, на помощь нервным приходят стволовые клетки, которые начинают делиться с последующим превращением в нервные и глиальные (одна из разновидностей клеток нервной ткани).

Обнаружить стволовые клетки можно с помощью специальных методов. Дело в том, что в в них производятся специфические белки, которые можно выявить, используя определенную методику. Сначала на каждый белок получают антитела, которые метят светящимся красителем. Такой реагент выявляет белки, присутствующие в стволовых клетках на разных стадиях развития.

Но что заставляет обычные с виду клетки сохранять способность превращаться в любые другие? Очевидно, ответ на этот вопрос также кроется в расшифровке их генной составляющей. И наоборот, изучение хромосом стволовых клеток позволяет ответить на вопрос – где кроется секрет дифференциации тканей?

В ходе сложных анализов и экспериментов выяснилось, что в стволовых клетках гены работают на опережение – производя различные виды рибонуклеиновой кислоты («программы» для производства белков) задолго до того, как в ней возникнет необходимость.

Удивительное открытие – среди клеток есть «господа» и «рабы»

Многочисленные данные, полученные в ходе изучения стволовых клеток, позволили уточнить организацию соответствующих генных сетей (в условиях целостного организма это иногда не так-то просто). В частности, можно выявить пути взаимодействия так называемых генов-господ и генов-рабов. Господами называют ключевые гены, от которых зависит специфика развития данной ткани или органа, рабами – каскады структурных генов (запускаемые генами-господами), обеспечивающих производство характерных белков и, соответственно, формирование того или иного органа или ткани.

Разделение клеток на «господ» и «рабов» присуще всем животным. Так, у дрозофилы есть ген безглазости, который обусловливает развитие глаза. Если его заставить работать в необычном месте, то глаза могут появиться на брюхе, на лапках, на крыле и в любом другом месте. Сходный ген-диктатор есть и у млекопитающих. Введенный в геном дрозофилы, он дает тот же эффект, что и собственный ген хозяина. Все это свидетельствует о том, «господа» могут распоряжаться клеточными структурами в любом организме!

Так, есть ген, который запускает развитие поджелудочной железы; ген, который отвечает за развитие селезенки, за развитие сердца и так далее. Известны гены-господа и для отдельных зародышевых листков. Так, мутация определенного гена блокирует развитие всей энтодермы в зародыше – при раннем выявлении такой мутации беременность у женщины искусственно прекращают.

Наконец, по сигналу соответствующих генов-господ формируются специализированные ткани и типы клеток. Выявлен ген, который инициирует созревание слоя клеток, выстилающего внутреннюю поверхность сосудов.

Такое глубокое проникновение в иерархическую структуру организации генов было бы невозможно без пристального изучения стволовых клеток. Ведь только из них можно создать живую клеточную колонию вне организма и вдоволь изучать все ее свойства. Ну кто из живых потерпит, чтобы ученые копались в его печени или гландах? А так – вырастил печень в пробирке, и препарируй ее сколько хочешь. Правда, пока о выращивании полноценного органа речь не идет – в лабораториях говорят о создании органоподобных клеточных колоний. Но и это уже довольно много с точки зрения экспериментальной науки.

Глава 3. Зачем нужны стволовые клетки?

Еще до открытия стволовых клеток в тканях человеческого организма были открыты их подобия – так называемые камбиальные клетки. Их основная задача – пополнение клеточного состава, который постоянно тает от функциональных перегрузок или болезней. При столь пристальном внимании к стволовым клеткам немудрено, что камбиальные клетки оказались как-то забыты. А между тем камбиальные клетки – непосредственный участник восстановительных процессов в тканях. Наглядный тому пример – клетки росткового слоя кожи, пополняющие постоянно расходуемый запас зрелых, уже не делящихся клеток кожного покрова. Более того, до открытия стволовых клеток речь шла только о таком способе восстановления.

А вот в нервной ткани камбиальных клеток, способных размножаться, нет. Но там сохраняется резерв молодых клеток – нейробластов, которые восполняют различные дефекты, сохраняя тем самым функциональную способность соответствующего отдела мозга или периферической нервной системы.

Каковы же взаимоотношения стволовых и камбиальных клеток? Возможны ли их взаимопревращения, может ли стволовая клетка дать начало камбиальной и наоборот, происходит ли этот процесс в организме, каково его значение для нормального течения восстановительных процессов и каков (если он существует) его молекулярно-генетический механизм? Решение этих вопросов имеет важное не только фундаментальное, но и практическое значение. Именно в нем кроется секрет – можно ли на самом деле использовать стволовые клетки для обеспечения молодости и здоровья.

Увы, пока результаты противоречивы и вызывают больше споров, чем реального понимания. Так, выяснилось, что даже когда стволовая клетка уже начала преобразование в одну из своих разновидностей, в этот процесс включается сразу несколько программ, и что в результате из нее получится, однозначно сказать нельзя. Достаточно слегка изменить условия и исключить тот или иной фактор, как клетка начнет преобразование в другом направлении.

Правда, когда превращение уже произошло, изменить получившуюся клетку невозможно никакими силами; более того, в отличие от обычных клеток она уже не будет делиться и производить себе подобных.

Что же нового дало открытие стволовых клеток во взрослом организме? Оно изменило наши представления об организации тканей и о механизмах протекающих в них восстановительных процессов. Был сделан новый и очень важный вывод: эмбриональные клетки с высоким потенциалом к развитию сохраняются и во взрослом организме. Более того, они составляют важнейшее звено в цепи восстановительных процессов, о чем ранее не подозревали.

Вот что еще может дать нам понимание происходящих процессов: в ходе клеточного деления из стволовых клеток возникают материнская и дочерняя клетки. Материнские используются для самоподдержания популяции, а дочерние либо «выходят» в камбиальную клетку, либо начинают собственное превращение. Стволовая клетка сохраняет свойства ранних эмбриональных клеток – возможность превращаться в любую клетку, а камбиальная эту способность утрачивает и производит лишь региональные структуры.

Таким образом, в изучении восстановительных процессов сделан большой шаг вперед. Но предстоит еще очень много сделать, чтобы познать тонкие механизмы поведения стволовых клеток и найти возможность использовать эти знания в клинической практике.

Глава 4. Применение стволовых клеток

Уникальные способности стволовых клеток делают их идеальным материалом для трансплантационных методов клеточной и генной терапии. Наряду с региональными стволовыми клетками, которые при повреждении тканей соответствующего органа мигрируют к зоне повреждения, делятся и дифференцируются, образуя в этом месте новую ткань, существует и «центральный склад запчастей» – стромальные клетки костного мозга. Эти клетки универсальны. Они, видимо, поступают с кровотоком в поврежденный орган или ткань и там под влиянием различных сигнальных веществ производят взамен погибших нужные клетки (хотя полученные многочисленные данные такого рода нередко критикуются и требуют дополнительной проверки).

В частности, установлено, что инъекция экспериментальным животным стромальных клеток костного мозга в зону повреждения сердечной мышцы устраняет явления постинфарктной сердечной недостаточности. А стромальные клетки, введенные свиньям с экспериментальным инфарктом, уже через восемь недель полностью перерождаются в клетки сердечной мышцы, восстанавливая ее функцию. Результаты такого лечения инфаркта впечатляющи. По данным Американского кардиологического общества за 2000 г., у крыс с искусственно вызванным инфарктом 90 % стромальных клеток костного мозга, введенных в область сердца, трансформировались в клетки сердечной мышцы.

Японские биологи в лабораторных условиях получили клетки сердечной мышцы из стромальных клеток костного мозга мышей. В культуру стромальных клеток добавляли 5-азацитидин, и они начинали превращаться в клетки сердечной мышцы. Такая клеточная терапия весьма перспективна для восстановления сердечной мышцы после инфаркта, поскольку для нее используются собственные стромальные клетки. Они не отторгаются, и кроме того, при введении взрослых стволовых клеток исключена вероятность их злокачественного перерождения.

Широко применяется терапия стромальными клетками в ортопедии. Это связано с существованием особых белков, так называемых BMP (костные морфогенетические белки), которые направляют перерождение стромальных клеток в остеобласты (клетки костной ткани). Клинические испытания в этом направлении дали многообещающие результаты. Например, в США 91-летней пациентке с незаживающим в течение 13 лет переломом вживили специальную коллагеновую пластинку с нанесенными на нее BMP. Поступающие в зону перелома стромальные клетки «притягивались» к пластинке и под влиянием BMP превращались в остеобласты. Через восемь месяцев после установки такой пластинки сломанная кость у больной восстановилась. Сейчас в США проходят испытания и скоро начнут применяться в клинике специальные пористые губки, наполненные одновременно и стромальными клетками, и нужными индукторами, направляющими развитие клеток по требуемому пути.

Большое значение придают стволовым клеткам (в частности, стромальным) при лечении различных нейродегенеративных и неврологических заболеваний – паркинсонизма, болезни Альцгеймера, хореи Гентингтона, мозжечковых атаксий, рассеянного склероза и др. Группа неврологов из Американского национального института неврологических заболеваний и Стэнфордского университета обнаружила, что стромальные стволовые клетки костного мозга могут превращаться в клетки нервной ткани. Значит, костный мозг человека можно использовать как источник стволовых клеток для восстановления поврежденных тканей в головном мозгу. Пациент может стать собственным донором, что предотвратит реакцию иммунологической несовместимости тканей.

Весьма перспективны также попытки использовать стволовые клетки пуповины и плаценты. Специалисты из Института акушерства, гинекологии и перинатологии РАМН выделили региональные нейральные стволовые клетки и впервые получили их подробную иммуногистохимическую характеристику. В опытах с пересадкой стволовых нейральных клеток человека в мозг крыс показана их приживляемость, миграция на достаточно большие расстояния (несколько миллиметров) и способность к дифференцировке, которая в значительной степени определялась микроокружением трансплантата. Например, при пересадке нейральных клеток человека в область мозжечка крысы, где расположены клетки Пуркинье, они развиваются в направлении именно этого типа клеток. Об этом свидетельствует синтез в них белка калбиндина, специфического продукта клеток Пуркинье.

Отечественные биологи (Институт биологии гена РАН, Харьковский институт криобиологии и фирма «Виола») впервые разработали оригинальную методику индукции в культуре: стромальные стволовые клетки дифференцировались в направлении клеток, похожих на клетки островков Лангерганса, содержащих инсулин. Наличие этого белка в них определяли с помощью современных методов молекулярной биологии и цитологии. Самое интересное, что в культуре эти клетки формируют структуры, напоминающие островки Лангерганса. Не исключено, что в далекой перспективе они станут незаменимы для лечения диабета.

Интересную совместную работу провели сотрудники трех академических научных учреждений – Института биологии гена, Института биологии развития и Института молекулярной биологии. При пересадке кусочков эмбриональной нервной ткани дрозофилы в мозг крысы заметили, что вокруг трансплантата не формируется рубцовая ткань. Оставалось выяснить, за счет чего это происходит. С помощью достаточно тонких экспериментов удалось установить, что образованию рубца препятствуют белки теплового шока, которые синтезируются в клетках дрозофилы при температуре тела млекопитающих. Значит, добавление ксенотрансплантата (ткани дрозофилы) к эмбриональной нервной ткани крысы спасает аллотрансплантат от нашествия рубцовой ткани. Так появилась возможность использовать белки теплового шока в клеточной и генной терапии различных заболеваний.

Есть надежда, что вскоре подобные исследования позволят создавать генно-инженерные конструкции для трансформации стволовых клеток, предназначенных для пересадки. Эти структуры помогут лучшему приживлению трансплантата, повысят его жизнеспособность и специализацию составляющих его клеток.

Глава 5. Легенды и мифы о стволовых клетках

Теперь, когда мы уже более-менее понимаем, что такое стволовые клетки и каковы основные законы их существования, мы уже можем с большой долей достоверности разделить всю рекламную информацию о них на правдивую и мифическую.

Правда, что эмбриональные стволовые клетки получают, собирая живущие эмбрионы из женских органов на первых стадиях беременности, которые развивались всего пять-семь дней. Выделение эмбриональных стволовых клеток неизменно кончается разрушением эмбриона. С одного эмбриона можно получить всего 16–32 эмбриональные стволовые клетки. Чтобы получить их в больших количествах необходимо иметь большое количество беременных женщин-доноров этих клеток. Для этих женщин-доноров последствия прерывания беременности может привести к гормональным расстройствам, формированию раковых опухолей в женских органах, нервным расстройствам и т. п. Поэтому в настоящее время эти эмбриональные стволовые клетки используются крайне редко и стоят очень дорого.

Неправда, что зародышевые стволовые клетки – это другой вид эмбриональных стволовых клеток. Зародышевые клетки получают от прерванной беременности до трех месяцев развития зародыша. Естественно, этот набор разнообразных клеток как уже развивающегося плода, а не эмбриона, так и взрослых клеток с поверхности матки, и поэтому они никакого отношения к эмбриональным стволовым клеткам не имеют, поскольку здесь присутствуют уже дифференцированные ядерные клетки. Просто раньше это выбрасывали, а теперь продают эти отходы за баснословные деньги. Эти якобы стволовые клетки можно получить в гораздо больших количествах и цена на них значительно ниже. При попадании этих уже взрослых клеток другого человека в ту или иную ткань сразу же формируется иммунный ответ. Вокруг этих клеток начинают формироваться фагоциты и другие клеточные структуры неспецифического иммунитета, а также система комплемента, которые обязаны уничтожить чужеродные для данного организма клетки. Возникает воспалительный гнойный процесс по уничтожению этих чужеродных клеток. В результате эти чужеродные для организма клетки либо уничтожаются иммунной системой, либо перерождаются в раковые клетки.

Неправда, что стволовые клетки можно получить от всех тканей с беременностью и родами. Пуповинные шнуры, остатки плаценты и амниотические жидкости – эти взрослые дифференцированные клетки также почему-то относят к стволовым клеткам. На самом деле они не обладают описанными выше свойствами и не могут быть использованы в терапии.

Неправда, что можно получить стволовые клетки от умершего человека. Эти якобы стволовые клетки уже превратились в тканевые, имеют ядро и никакого интереса с точки зрения дальнейшего использования не представляют.

Неправда, что превращением эмбриональной стволовой клетки можно управлять искусственно, диктуя ей, во что превратиться. Рассмотрим более внимательно процесс деления яйцеклетки после оплодотворения. С точки зрения классической биохимии после оплодотворения женской яйцеклетки и помещения ее в женский организм вначале начинается процесс деления этой яйцеклетки на две, потом на четыре, потом на 8, далее на 16, 32 и 64. Далее происходит дифференциация клеток, из которых в дальнейшем образуются клетки кожи, сердца, мозга и т. д.

На стадии простого деления оплодотворенной яйцеклетки ее объем не увеличивается, а происходит обычное удвоение клеток. Казалось бы, действительно из этих клеток возможно в дальнейшем получить любую клетку. Однако не надо забывать, что каждая клетка функционирует не сама по себе, а в тесном сообществе и под контролем общей генетической системы. И какая из этих клеток превратится в клетку кожи, а какая в нервную клетку, контролируется общей генетической системой, заложенной в геноме яйцеклетки. Никакого хаоса и никакого неуправляемого процесса не протекает, так как это в дальнейшем может привести к серьезнейшим нарушениям в будущем ребенке. Кроме того, общая генетическая система сама распределяет между этими делящимися клетками, во что она потом будет дифференцироваться.

Может ли в настоящее время это управление взять на себя тот или иной специалист? Конечно же, нет. Мы еще очень мало знаем об этом процессе, чтобы пытаться им управлять. Поэтому многие специалисты, которые пытаются заняться этими проблемами, указывают, что практически невозможно предугадать, как будет протекать тот или иной процесс в целом. Эта дифференциация может протекать только под контролем генома самой яйцеклетки. Мы же при отделении эмбриональных стволовых клеток разрушаем целостное единство этого эмбриона. Поэтому с биохимической точки зрения мы можем утверждать, что отделение эмбриональных стволовых клеток от эмбриона и женского организма приводит к неуправляемым генетическим процессам дальнейшего развития этих клеток. Человечество не достигло пока такого уровня понимания управления геномом отдельных генетических процессов в клетке, чтобы пытаться взять этот процесс управления в свои руки.

Неправда, что сегодня можно вырастить целый орган, манипулируя стволовыми клетками. Ведь чтобы создать ту или иную ткань, состоящую из миллионов разных клеток (состоящую и из мышечных клеток, и из соединительных, с подводом артериальной кровеносной системы и венозной, со встроенными нервными клетками и объединенные общей целью, и выполняющие синхронно миллионы биохимических процессов), необходимы десятилетия.

Кроме того, для того чтобы получить эти отдельные клетки, например миллион, мы должны собрать их от 40 000 женщин-доноров. Стоимость получения обойдется нам от $200 000 до $400 000 на одну женщину, а в целом только стоимость этих сырьевых клеток составит около $10 000 000 000. Дополнительно, столько же обойдется работа с этими клетками специалистам-профессионалам в современной лаборатории. Общая стоимость полученной ткани из эмбриональных стволовых клеток составит порядка 20–25 миллиардов долларов США. А гарантировать синхронную работу всех этих миллионов клеток в ткани в течение даже пяти лет вряд ли кто сможет.

Поэтому с полной уверенностью можно утверждать, что существующие заявления в этой области являются профанацией.

Действительно, многие это начинают понимать и если вначале исследования в области эмбриональных стволовых клеток выдавались как передовые достижения и в них вкладывались огромные инвестиции, то теперь уже говорят о бесперспективности исследований в области эмбриональных стволовых клеток, и инвестиции в эти исследования резко сокращаются.

Неправда, что даже в пределах человеческого организма специалист может диктовать свою волю стволовой клетке и заставить ее превратиться в то, что он хочет. В нашем организме каждая клетка выполняет определенную функцию и вся ее жизнь предопределена заранее. Никакого хаоса и неразберихи в нашем организме не бывает. В то же время при необходимости организма одна и та же клетка может выполнять различные функции. Например, клетки печени при определенных условиях перепрофилируются в соединительные – формируется цирроз печени. Однако при восстановлении нарушенных биохимических процессов они вновь преобразуются в клетки печени.

Также происходят изменения и с мышечными клетками у спортсменов. При больших физических нагрузках организм в больших количествах синтезирует мышечные клетки. Однако после прекращения занятий мышечные клетки могут преобразовываться в жировые, а после начала тренировки могут вновь превратиться в мышечные. Это известно каждому спортсмену. Поэтому преобразование одних клеток в другие в организме осуществляется при непосредственном управлении со стороны организма. И только организм определяет необходимость преобразования функций той или иной клетки. На указания со стороны организм не реагирует. Если же в организм попадает клетка с программой, отличающейся от окружающих, она будет немедленно уничтожена либо начинает функционировать как раковая клетка. Ведь раковые клетки также формируются нашим организмом, но в отличие от нормальных клеток, находящихся под контролем организма, они развиваются по своим программам.

Правда, что сегодня возникает много проблем с использованием эмбриональных стволовых клеток (по данным американских сайтов). Так, из них сложно выстроить однородную и/или гомогенно целевую ткань. Дело в том, что в натуральных условиях эмбриональные стволовые клетки находятся в процессе деления женской яйцеклетки и управляются ею. А при отсутствии управления со стороны яйцеклетки (поскольку она разрушена) или со стороны женского организма (поскольку они отделены от материнского тела), процесс их дальнейшей дифференциации осуществляется хаотически, в отличие от организма, где они постоянно контролируются жизненными системами разного уровня (клеточного, тканевого, на уровне органа и на уровне всего организма).

Правда, что при использовании стволовых клеток могут возникнуть проблемы с иммунитетом – эмбриональные стволовые клетки от случайного донора, вероятно, могут быть отклонены иммунной системой после трансплантации. Несмотря на то что эмбриональные стволовые клетки еще не дифференцированы, при попадании в организм пациента они определяются иммунной системой хозяина как чужие и иммунная система начинает их уничтожать. На месте ввода эмбриональных стволовых клеток возникает воспалительный процесс. Это особенно важно понимать, если вам предлагают инъекции стволовых клеток в косметических целях. Вместо омоложения легко получить полную деформацию кожи. Вначале место инъекции краснеет из-за возникшего воспалительного процесса, а затем появляются в большом количестве прыщеобразные высыпания (выводятся продукты разрушения чужеродных клеток иммунной системой), а затем образуются оспины.

Правда, что введение донорских эмбриональных стволовых клеток может провоцировать появление опухоли. Если эмбриональные стволовые клетки не уничтожаются иммунной системой человека, то оставшиеся клетки развиваются по другим генетическим законам, чем клетки хозяина. Ведь эмбриональным клеткам надо пройти другой генетический путь, чем клеткам организма хозяина. Например, вы ввели эмбриональные стволовые клетки человеку в 30-35-летнем возрасте. Клетки, которые продолжают функционировать в организме, находятся на стадии развития половозрелого состояния, а эмбриональные – на стадии эмбриона. И между ними все время будет разница в генетическом развитии около 30–35 лет + 9 месяцев. Естественно, между этими клетками будет дисфункция, приводящая к формированию рака на том или ином этапе генетического развития организма.

Правда, что наши собственные стволовые клетки замечательно сами справляются со всем тем, чего мы ждем от донорских клеток. Безъядерные стволовые клетки постоянно синтезируются ядерными клетками костного мозга. Нарушение этого процесса приводит к развитию анемии, а устранение этого нарушения в настоящее время осуществляется за счет пересадки костного мозга от соответствующего донора.

Таким образом, у человека, не страдающего анемией, стволовые клетки миллионами синтезируются в костном мозге и поступают для активизации в селезенку и тимус, где из них формируются клеточные структуры специфического и неспецифического иммунитета. В тимусе на недифференцированные стволовые клетки на поверхности прикрепляется специфический рецептор, реагирующий на конкретный вид и штамм болезнетворного микроорганизма. В результате чего из стволовой клетки формируются активизированные лимфоциты группы Т-киллер, Т-супрессор, Т-эффектор, Т-запоминающие.

С другой стороны на стволовые клетки в селезенке на поверхности прикрепляется неспецифический рецептор, реагирующий на все чужеродное.

Точно также из стволовых клеток наряду с лимфоцитами образуются тромбоциты, эритроциты, лейкоциты и другие безъядерные клеточные структуры.

Как мы видим, у каждого человека ежесекундно из стволовых клеток формируются различные клетки, отвечающие за те или иные функции в организме. Но все эти процессы строго контролируются со стороны организма, который четко управляет этим процессом. И в организме не может быть такого, чтобы из стволовых клеток, например, в течение недели формировались только лимфоциты, а затем в течение следующей недели только тромбоциты и т. п. Организм сам определяет, сколько стволовых клеток в данный момент будет направлено в тимус, чтобы из них сформировались лимфоциты типа Т-киллер, а сколько – на формирование лейкоцитов. Насыщение организма одними безъядерными клетками в дальнейшем не может приводить к их избыточному формированию. Организм начнет либо уменьшать количество синтезируемых стволовых клеток в костном мозге, либо формировать другие безъядерные клетки. Таким образом, процесс преобразования стволовых клеток в те или иные осуществляется под строгим контролем и для каждой синтезируемой стволовой клетки уже определено дальнейшее ее преобразование. Никакого хаоса и никаких неуправляемых со стороны организма процессов.

Возникает вопрос: если все уже заранее предопределено для каждой клетки, то что будет с клетками, которые введены дополнительно? С вновь введенными стволовыми клетками в те или иные ткани могут осуществляться следующие процессы:

1. Поскольку преобразование стволовой клетки в дифференциальную осуществляется в том или ином органе человека, то при введении стволовой клетки данного человека в орган, где осуществляется эта специализация, будет протекать естественный процесс. Однако эта операция в принципе бессмысленна.

2. При введении стволовой клетки чужеродного организма в тело больного будет происходить уничтожение этой чужеродной клетки иммунной системой. В этом случае, чтобы чужеродная клетка не была уничтожена, необходимо вводить в организм больного препараты, подавляющие иммунную систему хозяина.

3. При введении стволовой клетки данного человека в любую ткань эти неспецифические клетки должны вначале попасть в тот орган, в котором они будут специализированы и только потом они могут выполнять те или иные функции, которые им запрограммирует организм.

4. Если стволовые клетки не будут активизированы в том или ином органе и они не будут выполнять те функции, которые им передаст организм, они будут развиваться по собственной программе, и это, соответственно, будет являться раковой клеткой.

Как мы видим, в принципе, манипуляции со стволовыми клетками ничего нового для организма не дают, в лучшем случае перегружают систему управления организма дополнительной нагрузкой, в худшем – приводят к формированию раковых клеток.

Поэтому стоит более критически относиться к рекламным обещаниям и осознать, что пока исследования стволовых клеток имеют чисто теоретическое, научное значение. Продлевать с их помощью молодость или выращивать разрушенный болезнью орган мы пока еще не научились.

Часть V. Когда клетка «сходит с ума»

В предыдущих частях этой книги мы много говорили о законах, по которым растет и развивается каждая клетка, но, как у каждого правила, у этих тоже есть исключение. Время от времени «компьютер» в клетке «ломается» и тогда клетка сходит с ума и перестает выполнять свои функции. Самый яркий пример такой «поломки» – это возникновение раковых опухолей. Как выяснили ученые, секрет их появления прячется внутри все той же клетки.

Глава 1. Ген-злодей

В подавляющем большинстве случаев злокачественные новообразования развиваются всего-навсего из одной опухолевой клетки, то есть имеют моноклональное происхождение. Значительная часть исследований (хотя точка в этом вопросе еще не поставлена!) связывает рак с генными нарушениями. Точнее, со сбоем в работе клеточного «компьютера», отвечающего за производство белков. Считается, что цепочка ДНК «ломается» на каком-то своем отрезке, и это приводит к появлению дефектных белков.

Давайте посмотрим, что происходит в это время в самой клетке. Как мы помним, ген – это отрезок ДНК, который кодирует тот или иной белок. Последовательность, состоящая из трех нуклеотидов (всего их четыре – A, G, C и T), кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Последовательность аминокислот в молекуле белка определяет трехмерную пространственную структуру белка и его функцию. Как мы видим, между структурой ДНК (гена) и ее продукта – белка существует прямая связь.

Но когда сбивается код, все в клетке идет кувырком. Раковые клетки отличаются от здоровых своим беспорядочным, хаотичным ростом. В отдельно взятой клетке поражают необычно большие размеры ядра (мы помним, что это «замок» в нашем городке-клетке). Являясь главой клеточной организации, ядро содержит полную информацию о ее работе. Оно управляет обменом веществ, ростом и делением. Причина нарушения равновесия и необычного разрастания ядра – слишком частое деление клетки, которая больше не выполняет своих обязанностей в клеточном соединении, а в первую очередь размножается сама. Если при нормальном обмене веществ ядро можно назвать скорее маленьким, то в случае хаотичного деления, характерного для рака, оно перерастает себя в прямом смысле этого слова и поставляет строительный материал для своего потомства. Даже восстановительные процессы внутри клеточного тела направлены на непрерывное производство новых поколений клеток.

Такое состояние напоминает о молодой клетке, например, в эмбриональной стадии. Клетки морулы – скопления клеток, в которых сконцентрирована человеческая жизнь, на раннем этапе не выполняют специальных задач, а отвечают только за размножение. Они осуществляют это при помощи быстрого деления и роста. Но и они более упорядочены, чем хаотичные раковые клетки. Наряду с гипертрофированным ядром и его утрированной склонностью к делению о несовершенных эмбриональных формах развития напоминает отсутствие клеточного дифференцирования. В своей навязчивой идее размножения клетки не обращают внимание на многое другое и часто теряют способность осуществлять более сложные обменные процессы, например, окисление. Они возвращаются на примитивную ступень брожения. Такое пробуждение и возрождение генов более ранних фаз развития называется в медицине анаплазией. То, что внешне походит на хаос, с точки зрения рака имеет глубокий смысл. Если нормальные клетки находятся в зависимости от дыхания, т. е. снабжения кислородом и свежей кровью, то клетки, в которых происходит только брожение, гораздо более свободны. Раковая клетка в меньшей степени нуждается в контактах со своими соседями, что, учитывая ее плохие отношения с окружающим миром, является огромным преимуществом. Нормальные клетки обладают так называемым контактным торможением, т. е. при сталкивании с другими клетками перестают расти. Раковая клетка ведет себя совершенно иначе. Не соблюдая границ, она беспардонно внедряется в чужие пространства, естественно создавая вокруг себя враждебное окружение и буквально порабощая другие клетки. Слишком примитивные для сложных обменных процессов, раковые клетки пользуются услугами здоровых и присваивают результаты их труда. Даже в отношении своих «детей», созданных «по образу и подобию», раковые ведут себя эгоистично. «Дети» тоже бросают на полпути «родителей», лишая их питания и возможности роста. Внутри опухолевых узлов часто обнаруживаются мертвые клетки, называемые некрозами. Они символически свидетельствуют о том, что это новообразование несет в себе смерть.

Возврат раковой клетки к «детской» стадии развития проявляется в ее паразитической сущности. Она берет себе все питание и всю энергию, которые может получить, не отдавая что-либо взамен и не участвуя в решении задач, характерных для каждого организма. Но то, что позволительно маленькому ребенку, представляет собой проблему для взрослого.

Игнорирование границ – тоже свидетельство регресса. Здоровые клетки по мере взросления и дифференцирования учатся признавать существующие структуры и не выходить за соответствующие рамки. Раковые, наоборот, нарушают заданные границы. Их не в состоянии удержать никакие жизненно важные рамки. Они совершенно теряют связь с той моделью, которой изначально соответствовали. Например, здоровая клетка слизистой оболочки кишечника будет продолжать деление в соответствии с потребностями такой большой структуры, как кишечник, но никогда не нарушит границы, предусмотренной для нее и ей подобных. Пораженная раком клетка кишечника отказывается от своих обязанностей и границ. Рамки кишечника становятся для нее слишком тесными, она разрывает свои связи революционным и в то же время разрушительным образом.

Это выходит за рамки одной клетки и становится проблемой пораженной ткани или органа, который больше не может служить образцом отдельным клеткам. Рак действительно является проблемой как окружающей среды, так и отдельной клетки.

Глава 2. Что «сводит клетку с ума»?

На этот счет существует масса теорий. За столетие изучения рака ученые выявили десяток факторов, «ломающих» ДНК и вызывающих необузданное деление раковых клеток. Но в большинстве случаев на роль «взломщиков» ДНК претендуют такие же гены.

Так, оказалось, что некоторые вирусы способны в определенных условиях вызывать образование опухолей. Эти вирусы были названы онкогенными вирусами. Вирусы, как правило, содержат очень мало генов – от нескольких генов до нескольких десятков, тогда как в каждой клетке человека присутствует около 100 000 генов. Впрочем, выяснилось, что из всех генов вируса для превращения клетки в опухолевую достаточно одного. Такие гены были названы онкогенами. Но почему они начинают провоцировать возникновение опухолей?

Один из вариантов «пробуждения» онкогена (который мы уже рассматривали) – это структурная мутация, то есть изменение структуры гена. Например, замена одного из информационных блоков в ДНК, что приводит к замене аминокислоты в белковой цепи и к изменению вида деятельности белка. Другой путь – это усиление активности онкогена. В каких-то определенных условиях ген вируса вдруг начинает усиленное производство матричных РНК. Те в свою очередь усиленно продуцируют «дефективный» белок, который накапливается в клетке.

Есть и другие способы активации онкогена. Но главное, что число известных онкогенов непрерывно растет и уже перевалило за сотню.

С другой стороны, вскоре после открытия первых онкогенов появились сообщения о существовании генов, утрата или подавление активности которых также приводит к развитию опухолей. Иными словами, белковые продукты этих генов необходимы для того, чтобы не дать клетке превратиться в раковую. Эти гены были названы антионкогенами или генами-супрессорами опухолей (ГСО). Число известных ГСО тоже быстро растет, хотя и уступает числу открытых онкогенов.

Итак, есть гены, белковые продукты которых помогают нормальной клетке превратиться в раковую, и гены, белковые продукты которых этому препятствуют.

Есть еще одно соображение по поводу раковых клеток. Для того чтобы клетка начала расти и размножаться, нужны специальные сигналы, вырабатываемые обычно другими клетками, а иногда и самой клеткой. Обычно это белковые молекулы, которые называют факторами роста. Их производство строго регулируется, но если происходит нарушение регуляции, то факторы могут накапливаться в больших количествах. Они начинают сигнализировать клетке о необходимости расти и делиться. Поэтому в роли онкогенов могут выступать и некоторые гены, кодирующие факторы роста.

Далее. Чтобы фактор подействовал, необходим рецептор для данного фактора, расположенный на поверхности клетки-мишени. Когда фактор присоединяется к рецептору, последний активируется и запускает химическую реакцию, стимулирующую деление клетки. Но иногда при некоторых повреждениях рецепторов они обретают свойства «зажигаться» при отсутствии своего фактора роста. Такой рецептор будет непрерывно передавать сигнал о необходимости начинать рост, хотя фактор роста и отсутствует. Поврежденный ген, кодирующий такой измененный фактор роста, может выступать в роли онкогена.

Передача сигнала на рост не ограничивается факторами роста и их рецепторами. В передаче такого сигнала участвует много других белков – передатчиков сигнала. Это своего рода клеточное реле. Такая передача часто идет путем цепной химической реакции. И любой ген, кодирующий участников этой цепи, может выступать в роли онкогена.

Цепи передачи сигналов заканчиваются в клеточном ядре. Там происходит активация так называемых факторов транскрипции – белки связываются с определенными участками генов в ДНК и провоцируют их усиленное воспроизводство. Точнее, под действием факторов транскрипции на соответствующих генах происходит «сборка» матричных РНК, а на основе их матриц – белков. Это те белки, которые нужны для роста и размножения клеток. И снова среди генов, кодирующих факторы транскрипции, оказываются онкогены. Если соответствующий ген работает «с высокой отдачей», то он способен превратить нормальную клетку в опухолевую.

Итак, многие гены, кодирующие белки передачи сигнала для роста и размножения клеток, являются потенциальными онкогенами. В отлаженной системе нормальной клетки они обеспечивают строго регулируемые рост и размножение, но при повреждении или нерегулируемой активации этих генов клетки превращаются в раковые.

Глава 3. Кто стоит на страже?

Но клетка не так беззащитна, как может показаться на первый взгляд. Превращению нормальной клетки в опухолевую противостоят другие системы. Одна из них – это цепь передачи сигнала для подавления клеточного роста от поверхности клетки к ядру. Она действует по той же схеме, что была описана выше, но как бы со знаком «наоборот». Ее цель не передать сигнал на деление, а подавить деятельность генов, отвечающих за рост и размножение. Некоторые гены, участвующие в таком процессе, были признаны противоопухолевыми – как только их подавляли, как клетка тут же превращалась в опухолевую.

Важный механизм, препятствующий превращению нормальной клетки в «сумасшедшую», – это механизм «проверки в ходе клеточного цикла». Дело в том, что, размножаясь, клетки проходят через несколько фаз клеточного цикла. Важнейшие фазы – это деление клеток или митоз (М); фаза, предшествующая синтезу ДНК (G); фаза репликации или синтеза ДНК (S) (когда происходит удвоение генетического материала); следующая за ней фаза подготовки к делению (G) и снова митоз (M). Кроме того, клетки могут переходить из G не в S, а в фазу GO или фазу покоя, когда деление клеток прекращается.

Оказалось, что переход из одной фазы клеточного цикла в другую – это строго регулируемый процесс. На определенных этапах клеточного цикла существуют «точки проверки», во время которых специальные белки определяют, все ли в клетке в порядке и готова ли она к переходу в следующую фазу цикла.

Например, если в клетке повреждена ДНК, белок-контролер сигнализирует об ошибке и переход в следующую фазу блокируется. Может быть и такое, что в клетке производятся не те белки, которые должны производиться на данном этапе. Опять идет сигнал о блокаде перехода в следующую фазу. Очень важной точкой проверки является точка между G и S, поскольку именно в фазе S происходит удвоение генетического материала ДНК и становится возможным последующее деление клетки.

Для производства белков-контролеров тоже нужны определенные гены. Эти гены могут выступать как в роли агрессоров (если они помогают нездоровой клетке «пройти пост») так и защитников – если вовремя ее останавливают.

Получается, что даже если ген-мутант проник в ДНК и диктует клетке свои сумасшедшие требования о бесконтрольном росте и размножении, ему еще надо умудриться «захватить» посты проверки и посадить туда «своих».

История о клетке-самоубийце

Что же происходит с клеткой, которая остановилась в своем движении по клеточному циклу в точке проверки, например из-за того, что в ней оказалась повреждена ДНК? Первый путь – это устранение повреждений ДНК с помощью специальных ферментов. Если выздоровления ДНК не произойдет, то остановленная в своем продвижении по циклу клетка вступает на путь «программированной смерти», которая обозначается термином «апоптоз». Приходят в действие специальные клеточные системы, которые разрушают ее жизненно важные структуры, в том числе хромосомы, и клетка умирает. Апоптоз играет большую роль в развитии организма, ибо таким путем устраняются ненужные организму клетки. Таким же способом устраняются клетки, которые получили повреждения и резко изменили свои свойства, – различные мутанты. Именно эти механизмы устраняют многие клетки, приобретшие черты раковых. Они сами себя убивают.

Как и другие перечисленные процессы, апоптоз контролируется большим числом белков. Одно из центральных мест занимает ген, кодирующий белок р53, – белок с молекулярным весом около 53 000.

Но наряду с белками, включающими апоптоз, есть белки, препятствующие «самоубийству» клетки. Между теми и другими существует тонкий баланс. Апоптоз выступает в роли мощного защитника от превращения нормальной клетки в раковую. Гены, способствующие апоптозу, относятся к ГСО, а гены, ему препятствующие, – к онкогенам.

Поломка процесса апоптоза резко облегчает клетке превращение в раковую. В не способных к апоптозу клетках легко будут накапливаться различные повреждения ДНК, ведущие к появлению мутаций. Среди этих мутаций будут встречаться мутации, активирующие онкогены и подавляющие ГСО. Клетки с такими мутациями приобретут преимущества в отношении роста и размножения перед своими собратьями и начнут разрастаться.

На их пути к окончательному приобретению независимости и превращению в раковые клетки стоит еще одна преграда – ограничение числа клеточных делений в нормальных клетках в связи с укорочением концов хромосом или теломеров.

На концах хромосом расположены особым образом устроенные отрезки ДНК, или теломеры. При каждом делении длина теломера уменьшается. Когда их длина падает до критической величины, начинаются слипание концов хромосом, дезорганизация генома и гибель клеток. Поэтому если посеять на чашках клетки человека, то они примерно через 50 делений погибают – иными словами, в культуре клеток существует предел для размножения клеток, зависящий от утраты теломеров.

Таким образом, большая часть клеток человека и животных смертны. Однако есть клетки, функцией которых является размножение и поддержание нужного уровня числа клеток в организме. У этих клеток потеря теломеров не происходит благодаря тому, что в них есть фермент теломераза, восстанавливающий исходные размеры теломеров. В более зрелых клетках, из которых обычно происходят опухолевые клетки, теломераза утрачивается. При этом ген для нее сохраняется, но он молчит.

Большинство опухолевых клеток в культуре клеток не погибает, а продолжает расти в течение бесконечно длительного времени, пока им предоставляется свежая среда. Они становятся бессмертными. Одновременно эти клетки содержат активный фермент теломеразу, то есть в них ген теломеразы работает. Следовательно, ген теломеразы выступает в роли еще одного онкогена, позволяющего опухолевым клеткам благодаря его активации приобретать бессмертие. Следует отметить, что в некоторых опухолевых клетках существуют и другие механизмы приобретения бессмертия.

Это основные, хотя и не все, классы онкогенов и ГСО, участвующие в превращении нормальной клетки в опухолевую. Кроме перечисленных генов и их белковых продуктов, для которых установлена функция, открыто еще много онкогенов, и особенно ГСО, для которых функция еще не установлена. Поэтому можно ожидать появления новых функциональных групп среди ГСО и онкогенов. Как бы то ни было, видно, что громадное число генов, тем или иным способом связанных с контролем роста и размножения клеток, при своих изменениях (мутациях) могут способствовать превращению нормальной клетки в опухолевую.

С другой стороны, мы увидели, что один онкоген и нарушение одного процесса не в состоянии перепрограммировать клетку – для того чтобы она окончательно «свихнулась», надо преодолеть с десяток различных барьеров и преград и «перетянуть» на свою сторону такое же количество генов.

Поскольку онкогенов и ГСО чрезвычайно много, то и набор мутаций в различных опухолях человека весьма разнообразен. В одних опухолях активированы или подавлены одни гены, в других – другие. Каждая опухоль, таким образом, имеет свой генетический портрет, который и определяет ее свойства. Более того, опухоль часто гетерогенна, то есть в ней есть клетки с разным набором генетических изменений.

Это создает крайне сложную и запутанную картину, когда речь заходит об анализе механизма возникновения какой-либо конкретной опухоли человека. Возможно, именно из-за этого какого-либо надежного и универсального средства от рака доя сих пор не изобретено. Но попытки эти не останавливаются.

Глава 4. Кто виноват?

А теперь самое время попытаться понять, что ломает стройный и многократно защищенный механизм клетки в организме человека. Почему в одних и тех же условиях кто-то становится жертвой этой страшной болезни, а кто-то даже не задумывается о ее существовании? Какие внешние факторы ослабляют клетку и сдают ее на милость врага?

Как правило, рак развивается у людей пожилого и старого возраста. Это связано с тем, что мутации в генах возникают случайно и вероятность накопления в клетке нужного для онкогенного превращения набора мутаций весьма низка – для этого требуются многие годы. Не последнюю роль играет и ослабление с возрастом иммунных систем организма, которые препятствуют выживанию опухолевых клеток.

Однако в некоторых случаях, обычно в определенных семьях, опухоли развиваются у людей более молодого возраста. Оказалось, что в этих случаях уже исходно во всех клетках организма в одном из онкогенов или ГСО имеется мутация. Тогда на ее фоне дальнейшее накопление мутаций, необходимых для превращения нормальной клетки в раковую, происходит быстрее и опухоли развиваются с гораздо большей частотой и в более раннем возрасте. Некоторые из таких мутаций предопределяют раннее развитие опухолей практически со 100 %-ной вероятностью. Например, если у человека исходно поврежден ген rb, играющий важную роль в процессе контроля прохождения клетки через клеточный цикл, у него всегда развиваются опухоли сетчатки. Подобные наследуемые повреждения изучают, значительная часть их известна, а другие будут выявлены в ближайшие годы. Тогда с помощью предродовой генной диагностики с последующим абортом (в случае передачи плоду поврежденного гена) наиболее вредные мутации можно будет полностью вывести из человеческой популяции.

Другой часто обсуждаемый фактор – эпидемиологический. Поскольку опухоль – генетическая болезнь, она незаразна. Но, как отмечалось выше, имеются вирусы – носители онкогенов. ДНК таких вирусов, или их генетический аппарат, может встраиваться в геном клетки, где развивается вирус, и таким образом в этих клетках появится активный онкоген. Например, вирус папилломы человека, передаваемый половым путем, вносит в геном клетки хозяина ген, белковый продукт которого связывается с белком р53 и «отключает» его. Результат тот же, что и при повреждении гена р53, – опухоль непосредственно не возникает, но вероятность ее появления резко возрастает. Таким образом, некоторые вирусы, привнося в клетки новые онкогены, могут повышать вероятность возникновения рака у данного индивидуума.

Что касается роли негативных факторов внешней среды, ее загрязнения различными химикатами, то здесь ситуация тоже ясная. Большинство этих загрязнений обладает мутагенной активностью, то есть в их присутствии возрастают число мутаций в клетках организма и вероятность появления того набора мутаций, который приведет к онкогенному перерождению клеток. Естественно, что полностью от мутагенов избавиться нельзя: к ним относятся и солнечная иррадиация, и космические излучения. Но при хорошем контроле за уровнем загрязнения внешней среды вероятность повышения частоты мутаций, естественно, снижается.

Такова в настоящее время общая картина механизма превращения нормальной клетки в опухолевую. Основные принципы понятны, участники процесса раскрыты, но конкретные механизмы развития каждой отдельной опухоли различны, и полную картину этих изменений сегодня дать нельзя, а возможно, в этом и нет необходимости. Однако проблема рака остается нерешенной и требует новых и новых усилий. Хотя полученная информация позволяет уже сейчас предупреждать развитие некоторых видов опухолей, эта информация недостаточна для развития методов эффективной терапии.

Глава 5. Новейшее лекарство

И все же человек и сегодня не безоружен перед лицом страшного врага – рака. Многолетние исследования клетки и понимание механизмов ее превращения дают нам шанс на скорую победу. Приведем только самые последние открытия.

Европейские ученые обнаружили, что остановить рак может… вирус. Всего шесть дней требуется безвредному обычно вирусу AAV2, чтобы полностью уничтожить колонии клеток рака груди, шейки матки, предстательной железы и ряд других. По словам профессора микробиологии и иммунологии Крейга Мейерса (Craig Meyers) из Пенсильванского университета, безвредный аденоассоциированный вирус второго типа AAV2, встречающийся у большинства людей, способен уничтожать самые разнообразные виды раковых клеток, не причиняя ни малейшего вреда здоровым тканям человеческого организма. По мнению профессора Мейерса, вирус считает раковые клетки «ненормальными» и уничтожает их. Это делает AAV2 великолепным кандидатом на роль противоракового агента.

Как сообщается в пресс-релизе Пенсильванского университета, статистические исследования показывают, что женщины, являющиеся носителями AAV2-вируса, как правило, не подвержены развитию рака шейки матки, связанного с человеческим папилломавирусом (HPV). Загадочное поведение AAV2, по всей видимости, связано с тем, что этот вирус способен к поражению здоровых человеческих клеток только при условии получения «помощи» со стороны еще одного вируса. А вот клетки раковых опухолей он заражает без труда, разворачиваясь во всю свою разрушительную силу.

Вирус AAV2 уничтожает раковые клетки за счет своей способности подавлять естественный процесс ДНК-репликации вируса HPV, считающегося одним из виновников возникновения рака шейки матки, а также благодаря способности существенно замедлять и даже полностью останавливать цикл развития раковой клетки.

В ходе данного исследования использовались две группы эпителиальных клеток – здоровые и зараженные вирусом HPV. В обе группы был «подсажен» вирус AAV2. В течение последующих шести дней все клетки, зараженные вирусами HPV, погибли. Та же самая история повторилась и после того, как в качестве мишеней для AAV2 были использованы колонии клеток рака груди, шейки матки, предстательной железы и сквамозно-клеточной карциномы. В настоящее время ведутся дополнительные исследования, но в скором будущем, возможно, чудесный микроб будут продавать в аптеках.

На помощь больным раком приходят и последние разработки нанотехники. Американские ученые из Стэнфордского университета разработали технологию, позволяющую убивать раковые клетки, не повреждая соседние здоровые ткани. Метод заключается во внедрении в клетки рака синтетических наночастиц на основе углерода. Затем зараженный участок подвергается облучению в диапазоне, приближающемся к инфракрасному. Это излучение нагревает наночастицы до температуры, при которой раковая клетка погибает. Излучение при этом никак не воздействует на здоровые клетки, в которых отсутствуют наночастицы. Работа ученых была опубликована в Вестнике Национальной академии науки США.

«Одна из давнишних проблем в медицине – это разработка метода, который позволил бы лечить рак без того, чтобы повреждать здоровые ткани», – говорит исследователь Хонджи Дай.

«Стандартная химиотерапия убивает раковые клетки, так же как и здоровые. Поэтому пациенты часто теряют при этом волосы и страдают от многих побочных эффектов», – объясняет Дай.

Ученый говорит, что возможность убивать выборочно раковые клетки – это огромный прорыв в лечении смертельного заболевания. Самым сложным было разработать метод доставки наночастиц в больные клетки. В отличие от здоровых клеток поверхность раковых клеток покрыта рецепторами для захвата витамина, известного под названием фолат. Ученые покрыли наночастицы молекулами фолата для того, чтобы раковые клетки ловили их как рыба крючок с наживкой.

Работа ученых находится на стадии разработки. Эмма Найт из благотворительной организации Cancer Research указывает на то, что эксперименты до сих пор проводились лишь на лабораторных экземплярах раковых клеток. Следующим этапом работы ученых должна стать проверка новой технологии в более реальных условиях организма.

Схожий метод приводит в своей статье и А. Анисимов. Он напоминает, что в Древнем Китае существовал оригинальный метод исцеления рака. Он заключался в следующем. Больного человека сажали в ванну, наполненную горячей водой, и он сидел там длительное время. Температура поддерживалась на постоянном уровне за счет того, что под ванной время от времени разводили костер, не давая воде остыть. Возможны были два варианта: либо человек погибал от перегрева, а если выживал, то иногда вылечивался от рака. Древние китайские медики проявили гениальную догадливость и точно угадали одну из основных особенностей раковых клеток, а именно, их повышенную чувствительность к высокой температуре по сравнению с обычными клетками. Сейчас метод применяется в усовершенствованном варианте и носит название гипертермии. Но возникает вопрос: можно ли улучшить древнюю методику с учетом сегодняшних технологий? Что если использовать для нагрева больных органов детище современной техники – высокочастотное электромагнитное поле (СВЧ). То самое, которое применяется в обычных бытовых микроволновках для приготовления пищи. Вместо того чтобы садится в ванну, больной помещается в специальную камеру, представляющую собой не что иное, как гигантскую микроволновую печку. Такой способ можно назвать микроволновой или, что мне больше нравится, – электролучевой терапией. Разумеется, нагрев должен быть во много раз меньше того, что используется в кулинарии. Излучение должно быть настроено таким образом, чтобы, с одной стороны, убивать раковые клетки; с другой стороны, оставлять невредимыми здоровые. Это возможно. Как известно, в микроволновке нельзя кипятить чай, потому что частота колебаний электромагнитного поля соответствует собственной частоте колебаний молекул воды. Возникает резонанс, и за счет него происходит нагревание биологических структур, содержащих воду. Если воды достаточно большой объем, то она моментально испаряется. Конечно, в организме человека много жидкостей (кровеносная и другие системы). Но это препятствие можно обойти, так как микроволновая терапия дает возможность использовать разные режимы. Можно воздействовать на больные органы сериями из коротких импульсов в секунды или даже доли секунды. Импульс, потом какое-то время перерыв. Снова импульс, и снова перерыв и так далее. За короткое время жидкости организма не успеют слишком сильно нагреться, а раковые клетки получат ощутимый удар, намного более ощутимый, чем обычные клетки. Почему? Да потому что раковые клетки содержат большее количество воды по сравнению со здоровыми и, следовательно, будут нагреваться раньше. Микроволновое излучение для них более губительно. В этом и состоит основная идея. К тому же раковые клетки имеют свойство концентрировать в себе соединения металлов. Если пациенту ввести препараты, содержащие металлы, то через какое-то время их содержание в раковых клетках будет значительно выше, чем в обычных. Это тоже можно использовать, настроив излучение.

По сравнению с гипертермической водной терапией микроволновое воздействие имеет ряд преимуществ. При гипертермии в силу того, что тепловодность большинства органических веществ сравнительно невелика, нагревание происходит очень неравномерно. Может такое быть, что очаг заболевания, расположенный глубоко внутри тела, получит недостаточную дозу тепла, в то время как поверхностные ткани чрезмерно прогреются. Излучение СВЧ действует более равномерно. Другое отличие заключается в режиме. Для наглядности возьмем упрощенную аналогию. Представьте себе груженую тележку, стоящую на рельсах. Ее надо разогнать до определенной скорости. Тележка – это как бы живой организм, а скорость – его температура. Аналогия совершенно правомерная, так как температура есть не что иное, как величина, характеризующая среднестатистическую скорость броуновского движения молекул. Разогнать тележку можно двумя способами. Первый – это постоянно толкать ее перед собой. Рано или поздно она достигнет нужной скорости. Второй же способ заключается в том, чтобы наносить удары по тележке. В результате тележка также покатится с заданной скоростью. Но во втором случае ее конструкция будет испытывать гораздо большую нагрузку. В этом и состоит основное отличие. Медленное толкание можно сравнить с горячей ванной. А электрический импульс подобен удару. В обоих случаях затрачивается одинаковое количество энергии, поэтому температура на выходе одинаковая (в любом случае не выше 40–42 °C, иначе произойдет разрушение белков). Но воздействие горячей воды длительное, а высокочастотного поля может быть коротким. Как я уже говорил – доли секунды. За одну и ту же единицу времени живой организм получит больше энергии именно при электрическом импульсе. Сила спрессована во времени. Это называется ударным эффектом. Но при ударе вероятность того, что тележка сломается, намного выше, чем при толкании. Если экстраполировать это на живой организм, то мы приходим к главному выводу: при одинаковых энергозатратах и температурах способность высокочастотного электрического поля убивать раковые клетки в силу импульсного характера воздействия намного выше по сравнению с прогреванием в горячей ванне. Может такое быть, что наилучший лечебный результат окажется тогда, когда будет даже не серия коротких импульсов, а всего один, но большой мощности. Именно в этом случае максимально проявится эффект удара. Есть еще один момент. Почему больные в Древнем Китае погибали в горячей воде? Ведь именно из-за этого метод не получил широкой огласки. Думается, причина в нервной системе. Длительное прогревание вызывало перевозбуждение нервной системы. Отсюда возможна остановка сердца. Но и в этом аспекте у электролучевой терапии есть преимущество. Из-за того, что время воздействия может быть очень коротким, нервная система «не успеет сообразить», что именно происходит, и не даст ответной реакции в виде запредельного торможения. Поэтому можно не опасаться обморока или остановки сердца. Правда, это всего лишь теоретические размышления. Здесь ошибаться нельзя, и чтобы точно знать ответы на все вопросы, нужны эксперименты на животных.

Часть VI. Клетки-убийцы и клетки-защитники

В человеческом организме действует порядка 250 типов клеток, объединенных в органы и ткани. Их можно разделить на более крупные группы и подгруппы, а можно, напротив, разбить на еще более мелкие объединения. Суть от этого не изменится – каждый вид и подвид клетки (кроме стволовых и эмбриональных) узко специализирован для выполнения конкретных задач.

Пожалуй, после того, как большая часть книги осталась позади, нас уже не удивишь тайнами взаимодействия клеток в мышечной ткани, волшебством превращения клеток эпителия или процессом питания и очищения клеток крови. Но все же есть вещи, которые до сих пор будоражат воображение ученых. Попробуем и мы проникнуть в святая святых – в иммунную систему организма.

Представьте себе, что несколько веков назад в Турции, на Ближнем Востоке, в Китае для профилактики оспы втирали в кожу и слизистые оболочки носа гной из подсохших оспенных гнойников. Люди надеялись, что, переболев каким-то инфекционным заболеванием в легкой форме, они потом не заразятся той же болезнью. Так интуитивно они включали иммунитет – систему клеток, отвечающих за защиту организма от внешних напастей.

Основные клетки иммунной системы – фагоциты и лимфоциты. Условно их можно назвать «убийцами» и «защитниками». Именно так распределяются роли в этой жизненно важной игре. Фагоциты (в переводе на русский язык – пожирающие) бросаются на пришельцев, поглощая и разрушая микробы, ядовитые вещества и другие чужеродные для организма клетки и ткани. При этом погибают и сами фагоциты, высвобождая вещества (медиаторы), вызывающие местную воспалительную реакцию и привлекающие новые группы фагоцитов на борьбу с антигенами.

Лимфоциты вырабатывают специфические белки (антитела) – иммуноглобулины, взаимодействующие с определенными антигенами и связывающие их. Антитела нейтрализуют активность ядов, микробов, делают их более доступными для фагоцитов.

Это в общем. Но если перейти к частностям, то мы станем очевидцами таких тайн и открытий, от которых захватывает дух.

Глава 1. Тайная фабрика костного мозга

Своими корнями все иммунная система нашего организма уходит в красный костный мозг. Именно здесь из стволовых клеток в течение всей жизни человека вырабатываются клетки, которые затем в различных органах тела превращаются в В-лимфоциты и Т-лимфоциты.

Сделаем небольшое отступление и объясним, зачем организму нужны разные виды лимфоцитов. Дело в том, что специфическую иммунную систему принято разделять на клеточную и гуморальную (то есть связанную с деятельностью системы кровообращения). На уровне клетки защиту обеспечивают Т-лимфоциты, а вот в крови работают их коллеги – В-лимфоциты.

Клетки-предшественники в костном мозге мало отличаются друг от друга. Кем они станут в последующем, зависит от того, какой путь они проходят. Так, часть клеток из костного мозга прямиком направляется в вилочковую железу, которую еще называют тимусом (отсюда и приставка Т в названии клетки).

Предшественники Т-лимфоцитов, попадая в корковый слой тимуса, быстро размножаются, превращаясь в тимоциты. Тимоциты делятся на ранние, или менее зрелые, Т-лимфоциты и более зрелые Т2-лимфоциты. Вся разница в особом ферменте, который до поры до времени хранится в клетке в аппарате Гольджи, а потом исчезает. Тимоциты помогают своим взрослым товарищам формировать иммунный ответ и являются своеобразной кадетской школой Т-лимфоцитов.

Дальнейшее взросление «кадетов» происходит уже после встречи с их первым антигеном. Сталкиваясь с противником, Т-лимофциты теряют признаки незрелости (тот самый фермент) и выбирают более узкую специализацию. Среди зрелых Т-лимфоцитов различают антигенреактивные клетки, хелперы, киллеры, эффекторы аллергической реакции, супрессоры, клетки иммунологической памяти, а также особый вид регулирующих Т-клеток, объектом действия которых являются стволовая клетка костного мозга и первые этапы ее «самоопределения».

Антигенреактивные Т-лимфоциты формируются из Т2-лимфоцитов. Они первыми реагируют на присутствие антигена, запускают в реакцию хелперы и супрессоры и способствуют их делению (размножению), но сами с антигеном не борются.

После встречи с антигеном эта клетка превращается в иммунобласт, который, выделяя специальные вещества-медиаторы, содействует запуску иммунной реакции в ближайшем лимфатическом узле. При отсутствии или резком уменьшении количества антигенреактивных Т-клеток нарушается процесс распознавания, что проявляется в снижении ответа на бактериальные, вирусные и грибковые антигены и в появлении аутоиммунных расстройств.

К антигенреактивным Т-клеткам относится и группа клеток иммунологической памяти. В функциональном отношении они отличаются тем, что узнают антиген в фазе вторичного иммунного ответа при повторном контакте с антигеном, причем реагируют на антиген раньше и значительно интенсивнее, чем при первом контакте. Т-клетки иммунологической памяти относятся к потомкам хелперов, супрессоров или киллеров и несут тот же тип мембранных антигенов.

Т-хелперы неоднородны. Более зрелые из них являются хелперами Т-В, функция которых заключается в воздействии на определенный клон В-лимфоцитов. Хелперы Т-Т, более ранние по своему развитию, способствуют делению Т-киллеров и эффекторов аллергической реакции. Располагаются Т-хелперы преимущественно в селезенке и лимфатических узлах. Но они могут воздействовать на другие клетки не только при непосредственном контакте, но и с помощью специальных веществ через кровь. Правда, при обязательном участии макрофагов.

Основная задача хелперов Т-В – «упаковка» и «доставка» антигена В-лимфоцитам в специальной связанной форме. При этом рецепторы хелперов соединяются с антигеном, образуя комплекс, названный иммуноглобулином Т (IgT).

Т-хелперы вырабатывают хелперный фактор клеточного иммунитета. Его функция заключается в усилении цитотоксического действия и созревания киллеров (о которых мы поговорим чуть позже), а также усилении активности макрофагов.

Т-хелперы играют исключительно важную роль, определяя направление и силу иммунного ответа. При старении и опухолях количество хелперов снижается, а их деятельность угнетается. Это проявляется в том, что инфекции буквально цепляются за человека. А вот при аутоиммунных заболеваниях, системной красной волчанке, рассеянном склерозе, отторжении трансплантата содержание хелперов увеличено. Правда, на состоянии больного это сказывается далеко не лучшим образом, усиливая идущие в организме болезненные процессы. Но об этом – в следующих главах.

Т-эффекторы гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ) – название популяции Т-клеток, в основном предназначенных для образования специальных веществ – лимфокинов. Лимфокины повышают чувствительность лимфоцитов к антигену, не дают им выработать привыкание (толерантность), усиливают «ядовитость» токсинов для антигенов, помогают фагоцитам собраться в районе внедрения «врага», не дают им слипаться и т. д.

Но основная задача лимфокинов состоит в обеспечении взаимодействия различных типов клеток и вовлечении их в иммунную реакцию. Лимфокины могут заменять функцию тех или иных разновидностей лимфоцитов, обеспечивая при переносе в другой организм пассивный клеточный иммунитет. В настоящее время в практике уже широко применяется лейкоцитарный интерферон, который оказывает явное противовирусное действие.

Большинство Т-эффекторов ГЗТ находится в селезенке, хотя в некотором количестве они присутствуют и в других периферических лимфатических органах.

Т-супрессоры являются регуляторами направления и объема иммунной реакции, главным образом ограничивая деление клонов лимфатических клеток, угнетая антителообразование, дифференцировку киллеров, реакцию лимфоцитов в смешанной культуре, аллергический процесс и развитие ГЗТ. То есть они являются главным ограничителем процесса. Под влиянием супрессоров развивается состояние иммунологической толерантности (иммуноареактивности) к антигену.

Т-супрессоры неоднородны и различаются по происхождению и основной мишени воздействия. Супрессоры Т-клеток, как предполагают, происходят из более ранних Т-лимфоцитов, отличаются большой радиочувствительностью, действуют на предшественники Т-хелперов.

Количество Т-супрессоров увеличивается с возрастом, особенно у женщин. Рост этих клеток также может быть связан с инфекционным мононуклеозом и острым гепатитом. Т-супрессоров становится значительно больше при развитии опухоли. И наоборот – если в организм с опухолью ввести Т-супрессоры, происходит подавление хелперов, киллеров, активированных макрофагов и усиление роста опухоли. Увеличено количество супрессоров и при ряде врожденных иммунодефицитных состояний.

Т-киллеры (цитотоксические Т-лимфоциты) являются основными действующими клетками при борьбе с антигенами. Это настоящие убийцы, впрыскивающие яд под «кожу врага». Т-киллеры образуются в результате дифференцировки Т2-лимфоцитов после их первой встречи с антигенами.

Но Т-киллеры могут воздействовать и на клетки собственного организма. Благодаря такой способности они уничтожают клетки трансплантата и мутантные клетки организма, в том числе опухолевые. В процессе развития иммунного ответа ядовитая реакция Т-клеток – одна из самых ранних и высокоспецифичных. Больше всего Т-киллеров в лимфатических узлах.

Механизм действия Т-киллеров полностью не расшифрован. Известно, что при их контакте с клетками-мишенями не синтезируется ДНК, не происходит видимых изменений в клетке даже после их контакта с несколькими клетками-мишенями. Однако кратковременного контакта чужеродной клетки с Т-киллерами достаточно, чтобы вызвать необратимые изменения, вероятно, в результате внутренних нарушений в клетке-мишени. Цитотоксичность Т-киллеров может увеличиваться под влиянием различных факторов.

Т-дифференцирующими (Td) названы лимфоциты, непосредственно влияющие на стволовые и колониеобразующие клетки. В отдельный класс клеток, имеющих свой фенотип, Td еще не выделены. Не исключено, что Td представляют собой отдельный клон, включающий Т-хелперы, Т-супрессоры и другие типы лимфоцитов с определенной специфичностью к антигенам стволовых клеток. В любом случае особая роль в процессе кроветворения заставляет выделить Td в отдельный вид.

Глава 2. Сумка на латыни – бурса

Это все, что касается Т-лимфоцитов, отвечающих за клеточную защиту организма. А теперь перейдем к системе иммунитета, выстроенной в кровеносных сосудах. Ее составляют так называемые В-лимфоциты.

К истории вопроса.

Если в случае с Т-лимфоцитами совершенно понятно, откуда взялась бука Т в приставке, то по отношению к В-лимфоцитам все далеко не так определенно. Дело в том, что никто до сих пор не знает, где обретают окончательную «закалку» эти мини-защитники. Никакого специального органа на букву «В» в нашем организме нет.

Зато у птиц обнаружили орган, в котором лимфоциты превращаются в свою В-образную форму. И назвали его по имени исследователя, впервые обнаружившего этот орган, – бурса Фабриуса. Бурса – это «сумка» по латыни. Просто орган, в котором «созревают» В-лимфоциты, внешне похож на кожистый мешочек – сумку. Позже термин из области зоологии перекочевал в биологию, хотя никакой «сумки» в человеческом теле нет.

Как и Т-лимфоциты, первоначально В-лимфоциты продуцируются в красном костном мозге. Но в отличие от «коллег», дозревают В-лимфоциты здесь же задолго до встречи с антигенами. Вот почему весь этап этого созревания называют антигеннезависимым.

И все же даже в одних и тех же условиях из клетки-предшественника получаются разные типы В-лимфоцитов. Это могут быть антителопродуценты (синтезирующие иммуноглобулины), киллеры, супрессоры, клетки иммунологической памяти. Да-да, все правильно. Киллеры и супрессоры могут быть как Т, так и В-вида.

Кроме того, все В-лимфоциты несут В-антиген.

В-лимфоциты, как и Т-лимфоциты, проявляют способность к иммунному ответу на различных стадиях дифференцировки, а не только на уровне зрелых клеток крови. Самой первой стадией считают пре-В-лимфоцит, не имеющий специальных выростов на мембранах (цитоплазматических и поверхностных иммуноглобулинов), но обладающий В-антигеном. На следующей стадии – ранних B-лимфоцитов – появляются молекулы lg на мембране клетки, которые принадлежат к классу М.

Все остальное проходит вне костного мозга: стадия зрелого лимфоцита отличается более низкой концентрацией В-антигена и В2-антигена и способностью к смене класса синтезируемых молекул иммуноглобулина; конечным этапом дифференцировки В-лимфоцитов является плазматическая клетка, лишенная всех В-антигенов и поверхностных выростов и обладающая цитоплазматическими иммуноглобулинами в большой концентрации.

Следует отметить, что все указанные стадии дифференцировки в полном объеме относятся только к В-лимфоцитам – антителопродуцентам, так как этапы созревания В-супрессоров и В-киллеров достоверно не установлены.

В-лимфоциты – преимущественно «оседлые» клетки, они мигрируют меньше и значительно медленнее, чем Т-лимфоциты. Среди В-лимфоцитов наиболее многочисленны В-лимфоциты – антителопродуценты.

Главная задача этих лимфоцитов – производство иммуноглобулинов.

Иммуноглобулины – это совершенно уникальный класс иммунных молекул, нейтрализующих большинство инфекционных возбудителей и токсинов в нашем организме. При этом, если все другие антимикробные и антивирусные средства можно сравнить с дробовым ружьем, то иммуноглобулины можно уподобить самому современному высокоточному оружию.

Принципиальной особенностью иммуноглобулинов является их абсолютная специфичность. Это значит, что для нейтрализации каждого вида бактерий, вирусов и токсинов в организме вырабатываются свои собственные и неповторимые по структуре иммуноглобулины. Сколько есть разных микробов, вирусов и токсинов, столько и существует разных иммуноглобулинов. Благодаря этому каждый отдельный вид иммуноглобулинов действует строго избирательно, например, только против вирусов клещевого энцефалита, только против вирусов гриппа, только против стафилококковых токсинов и т. д.

Это свойство иммуноглобулинов имеет очень важное значение, поскольку в этом случае с высочайшей точностью нейтрализуются только сами инфекционные возбудители или токсичные вещества. В противоположность этому большинство известных антимикробных или противовирусных оказывают общее токсическое действие на организм, поражая вместе с микробами и собственные клетки организма.

У человека и у млекопитающих в организме существует пять классов иммуноглобулинов. Из них самыми многочисленными, самыми универсальными и самыми хорошо изученными являются классы иммуноглобулинов A и G. Иммуноглобулины G действуют в крови и в тканях нашего тела, и именно они нейтрализуют до 99 % инфекционных возбудителей и токсинов, попадающих в наш организм.

Иммуноглобулины А, хотя и уступают иммуноглобулинам G в количественном отношении, тем не менее играют очень важную роль в организме. Они проявляют свою биологическую активность не в крови, а на поверхности слизистых оболочек дыхательных путей, глаз, ротовой и носовой полости, желудочно-кишечного тракта. А вы же помните, что подавляющее большинство инфекционных возбудителей проникает в наш организм именно через слизистые оболочки.

В-лимфоциты, производящие иммуноглобулины, располагаются в селезенке и лимфатических узлах.

Еще одна функция В-лимфоцитов – синтез специальных веществ, осуществляющих перенос возбуждения с нервного окончания на рабочий орган и с одной нервной клетки на другую. Проще говоря, В-лимфоциты производят «сигнальные» молекулы, оповещающие всех участников процесса о том, что происходит. Их называют гуморальными (потому что они действуют в крови) медиаторами.

Есть еще В-лимфоциты-супрессоры – это строго специфичные по отношению к антигену клетки, на поверхности которых определяются молекулы иммуноглобулина класса G. Эффект сдерживания проявляется только к однородным по тканевой совместимости клеткам и направлен против хелперов, киллеров и активированных макрофагов. В-супрессоры расположены главным образом в костном мозге и селезенке, при активации они начинают делиться и производить антитела. У новорожденных В-супрессоры помогают прижиться трасплантатам.

Следующая разновидность – В-лимфоциты иммунологической памяти – имеет на мембране комплекс антиген – антитело, прикрепляющийся к рецептору клетки. Они активируются при вторичном иммунном ответе и делятся с образованием клона плазматических клеток, вырабатывающих иммуноглобулин того же класса, что и клетка иммунологической памяти.

В-киллеры (их еще называют К-клетки) отличаются от прочих В-лимфоцитов отсутствием поверхностных выростов в виде иммуноглобулинов. К-клетки конкурируют с блокирующими антителами, но не со всеми, а только с теми из них, которые не дают достаточного цитотоксического (то есть ядовитого для клетки-завоевателя) эффекта. Соединяясь с антигенами, клетки-мишени, блокирующие антитела, делают ее недоступной для действия киллеров всех видов. А К-клетка, присоединяя к своей поверхности большое количество цитотоксических антител, способна повреждать клетку-мишень. Направленность специфического иммунитета в каждом конкретном случае во многом зависит от соотношения между содержанием К-клеток и блокирующих антител.

Глава 3. Механизм борьбы с «захватчиком»

А теперь переходим к самому интересному. Так как же, за счет каких механизмов и реакций лимфоциты борются за наше здоровье? Как у них это получается?

Но сначала познакомимся с «врагом». Молекулы, угрожающие целостности нашего организма (те самые антигены), на самом деле сильно разнятся между собой. Но у них есть несколько общих характеристик, которые и позволяют клеткам нашей иммунной системы успешно противостоять «захватчикам». Во-первых, все антигены отличаются большими размерами. В маленькой молекуле признаки работы чужеродной генетической системы просто не поместятся! Во-вторых, на каждой такой молекуле есть специальная надстройка – выступающая группа атомов, которую ученые назвали гаптенными группами. Таким образом, молекула антигена состоит из двух частей – несущей и выступающей.

Ученые выяснили, что Т-лимфоциты способны соединяться с несущей частью молекулы-антигена. Это соединение и является первым шагом во всем процессе взаимодействия клеток. Поскольку антигенных молекул много, появляется много оторванных «плавающих» рецепторов с присоединенными к ним антигенами.

Плавающие конструкции выглядят так. Рецептор представляет собой иммуноглобулин, который можно представить себе в виде «мальчишеской рогатки». «Рукояткой» он был связан с лимфоцитом, а к двум концам «рогатины» присоединились своими несущими частями антигены. Выступающие их части торчат наружу. Вот такие оторванные «рогатины» с выставленными наружу выступающими участками чужеродных молекул и плавают.

В этот момент на сцену выходит макрофаг, имеющий на своей поверхности участки, которые питают особое сродство с оторванным концом «рогатки». «Рогатки» присоединяются к нему и выстраиваются как солдаты, ощетинившиеся наружу выступающими частями молекул антигенов.

Рецепторы В-лимфоцитов не способны соединяться с несущей частью антигенной молекулы. Они имеют сродство именно с выступающей ее частью. И вот эта щетина «рогатины», выстроившаяся на макрофаге, схлопывается с рецепторами В-лимфоцита. Каждый рецептор соединяется с выступающей группой. Происходит «короткое замыкание» одновременно через дюжину или сотню контактов. Эта встряска и служит сигналом включения В-лимфоцитов в работу, состоящую в размножении и выделении антител со специфичностью собственных рецепторов, то есть антител против чужеродного антигена.

Только рядом обязательно должен быть Т-лимфоцит с оторванными рецепторами. Без него сигнал не сработает. Для В-лимфоцита нужно подтверждение, и Т-лимфоцит дает его. Химическая природа подтверждения еще неизвестна. Его называют индуктором иммунопоэза, веществом, стимулирующим иммунный ответ у В-лимфоцита, или вторым сигналом, необходимым для начала выработки антител.

Таковы молекулярные события, происходящие между Т-и В-лимфоцитами при участии макрофага. События, необходимые для запуска всего процесса выработки антител.

Для включения клеточного ответа, выражающегося, как вы помните, в накоплении лимфоцитов-киллеров, участия В-лимфоцитов и макрофагов не требуется. Т-лимфоцитам достаточно общения друг с другом и одного сигнала, приходящего от присоединения чужеродного антигена. Они начинают размножаться, число их увеличивается. Их способность узнавать чужестранцев, соединяться с ними и уничтожать усиливается. Возникает армия лимфоцитов-эффекторов.

Глава 4. К чему приводят «поломки» иммунной системы

Иммуносупрессия, иммунодепрессия или иммунодефицит – поломки нашей защитной системы называют различными терминами. Но все они имеют в своей основе одно и то же – угнетение иммунитета, обусловленное выпадением одного или нескольких компонентов иммунного ответа. Чаще всего выпадает та или иная фаза созревания и деятельности лимфоцитов. Это приводит к ослаблению сопротивляемости организма. Иммунодефицит (не путать со СПИДом!) бывает физиологическим (необходимым в определенных ситуациях для организма), патологическим (при различных заболеваниях и болезненных состояниях) и искусственным, вызываемым приемом подавляющих иммунитет препаратов или ионизирующими излучениями.

Физиологический иммунодефицит отмечается при беременности. Он необходим для предотвращения иммунологического отторжения эмбриона, который является по существу генетически и иммунологически наполовину чужеродным трансплантатом в матке беременной женщины.

Патологический иммунодефицит проявляется при инфицировании ВИЧ (его и называют синдромом приобретенного иммунодефицита – СПИД), при лучевой болезни и других патологиях.

Искусственный иммунодефицит прививается искусственно (что и следует из названия) при лечении аутоиммунных заболеваний, при трансплантации органов и тканей и в других подобных ситуациях.

Патологические иммунодефициты к тому же можно еще разделить на первичные и вторичные.

Первичные иммунодефициты – это группа заболеваний, при которой сбой защитной системы происходит на фоне различных генетических нарушений. Это довольно редкое заболевание, из миллиона человек им страдают не больше 4.

Генетическая неполноценность приводит к тому, что те или иные виды клеток (в основном принадлежащих к группе лимфоцитов) просто не производятся или производятся в недостаточном количестве. Т-лейкоциты не определяют антигены, В-лейкоциты не вырабатывают против них антител, а фагоциты перестают «пожирать» чужеродные молекулы. К иммунодефицитам с нарушением клеточного звена иммунитета относятся такие болезни, как агамаглобулинемия, синдром Ди-Джоржио, синдром Вискотта-Олдрича, болезнь Брутона.

Нарушение функции микро– и макрофагов наблюдается во время хронического гранулематоза, синдрома Чедиака– Хигаси.

Первичные иммунодефициты сопровождают человека на протяжении всей жизни. Больные с первичным иммунодефицитом, как правило, умирают от различных инфекционных осложнений.

Вторичные иммунодефициты встречаются гораздо чаще первичных. Обычно вторичные иммунодефициты развиваются на фоне воздействия на организм неблагоприятных факторов окружающей среды или различных инфекций. Как и в случае первичных иммунодефицитов, здесь могут «проваливаться» либо отдельные компоненты иммунной системы, либо вся система в целом. Большинство вторичных иммунодефицитов (кроме иммунодефицита, вызванного инфекцией вирусом ВИЧ) являются обратимыми и хорошо поддаются лечению.

Факторы, способные вызвать вторичный иммунодефицит, весьма разнообразны. Это может быть внутренний сбой в работе организма, а может, и влияние опасных факторов внешней среды. К таким факторам относятся загрязнение окружающей среды, ионизирующее и СВЧ-излучение, отравления, длительный прием некоторых лекарственных препаратов, хронический стресс и переутомление. Все это оказывает комплексное негативное воздействие на иммунную систему, которая охраняет наш организм от всего «вредного», поступающего извне или образующегося внутри. Кроме того, такие факторы, как ионизирующее излучение, вызывают избирательную депрессию иммунной защиты, связанную с угнетением всех ее производящих функций и системы кроветворения. Люди, проживающие или работающие в условиях загрязненной окружающей среды, чаще болеют различными инфекционными заболеваниями и чаще страдают от онкологических болезней. Это напрямую связано со снижением активности иммунной системы.

К внутренним факторам, способным спровоцировать вторичный иммунодефицит, относятся хронические бактериальные и вирусные инфекции, а также поражение паразитами (туберкулез, стафилококкоз, пневмококкоз, герпес, хронические вирусные гепетиты, краснуха, ВИЧ, малярия, токсоплазмоз, лейшманиоз, аскаридоз и др.). При различных хронических заболеваниях инфекционного и паразитарного характера иммунная система претерпевает серьезные изменения. Нарушается иммунореактивность, развивается повышенная «терпимость» по отношению к различным антигенам возбудителей. Кроме того, на фоне хронического воспалительного процесса наблюдается отравление организма и угнетение функции кроветворения. Об иммунодефиците во время инфекции ВИЧ мы поговорим отдельно.

Еще одной возможной причиной иммунодефицита может стать потеря организмом электролитов, минералов и белков вследствие некоторых заболеваний и синдромов, особенно при длительной диарее, частой рвоте и различных дизурических явлениях (частых мочеиспусканиях) при патологии почек.

Иммунодефицит возникает при интоксикациях, сопровождающих многие хронические заболевания, на фоне стресса, во время развития онкологических опухолей. Наиболее выраженное снижение иммунитета наблюдается в случае злокачественных заболеваний крови (лейкемия) и при замещении красного костного мозга метастазами опухолей. На фоне лейкемии количество иммунных клеток в крови порой повышается в десятки, сотни и тысячи раз, однако эти клетки нефункциональны и потому не могут обеспечить нормальной иммунной защиты организма.

Нарушение питания и общее истощение организма также приводят к снижению иммунитета. На фоне общего истощения организма нарушается работа всех внутренних органов. Иммунная система особенно чувствительна к недостатку витаминов, минералов и питательных веществ, так как осуществление иммунной защиты – энергоемкий процесс. Часто снижение иммунитета наблюдается во время сезонной витаминной недостаточности (зима – весна).

Аутоиммунные заболевания возникают из-за нарушения функции иммунной системы. Клетки-защитники вдруг теряют способность распознавать чужеродные молекулы и набрасываются на ткани собственного организма. Это проявляется в различных крапивницах, аллергиях, астмах и так далее (об этом поговорим в отдельной главе).

Потеря факторов иммунной защиты наблюдается во время сильных потерь крови и ее компонентов, особенно при ожогах или при заболеваниях почек. Причиной развития этих патологий является значительная потеря плазмы крови или растворенных в ней белков, часть из которых является иммуноглобулинами и другими компонентами иммунной системы. Во время кровотечений теряется не только плазма, но и клетки крови, поэтому на фоне сильного кровотечения снижение иммунитета имеет комбинированный характер (клеточно-гуморальный).

Различные эндокринные заболевания (сахарный диабет, гипотиреоз, гипертиреоз) приводят к снижению иммунитета за счет нарушения обмена веществ организма. Наиболее выраженное снижение иммунной реактивности организма наблюдается при сахарном диабете и гипотиреозе. При этих заболеваниях снижается выработка энергии в тканях, что приводит к нарушению процессов деления и дифференциации клеток, в том числе и клеток иммунной системы. На фоне сахарного диабета частота различных инфекционных заболеваний значительно повышается. Связано это не только с угнетением функции иммунной системы, но и с тем, что повышенное содержание глюкозы в крови больных диабетом стимулирует размножение бактерий.

Тяжелые травмы и операции также протекают со снижением функции иммунной системы. Вообще любое серьезное заболевание организма приводит к вторичному иммунодефициту. Отчасти это связано с нарушением обмена веществ и интоксикацией организма, а отчасти с тем, что во время травм или операций выделяются большие количества гормонов надпочечников, которые угнетают функцию иммунной системы.

Прием различных лекарственных препаратов и наркотических средств оказывает выраженное иммунодепрессивное действие. Особенно выражено снижение иммунной защиты во время приема цитостатиков, глюкокортикоидных гормонов, антиметаболитов.

Снижение иммунной защиты у людей старческого возраста, беременных женщин и детей связано с возрастными и физиологическими особенностями организма этих категорий людей.

При каждом отдельном случае существует своя методика лечения. Но это – тема отдельной публикации.

Глава 5. Что происходит с клетками при ВИЧ-инфекции?

Впервые термин ВИЧ-инфекция и СПИД появился в 1980 году. Тогда в прессе появилось сообщение о смерти от воспаления легких – пневмоцистной пневмонии. Жертвами болезни стали два мужчины-гомосексуалиста. Возбудитель Pneumocystis carinii широко распространен на земном шаре среди людей и животных и не является смертельно опасным вирусом для лиц с нормальной иммунной системой. К августу 1981 г. имелась информация уже о 111 таких больных. Исследователи пришли к выводу о поражении иммунной системы неизвестного происхождения, что было подтверждено иммунологическими исследованиями. Появился термин СПИД – синдром приобретенного иммунодефицита, по-английски AIDS.

В 1983 г. в лаборатории в Париже был выявлен человеческий Т-клеточный лимфотропный вирус (LAV). Одновременно Роберт Галло и его сотрудники открыли Т-лимфотропный вирус третьего типа (HTLV3), который оказался идентичен первому. В итоге за ними закрепилось название вируса иммунодефицита человека – ВИЧ (HIV).

Вирус относится к подсемейству лентивирусов, семейства ретровирусов, РНК-содержащих и имеющих ферменты. При попадании ВИЧ в живую клетку РНК под воздействием собственного фермента клетки-вируса превращается в ДНК, которая встраивается в ДНК клетки-хозяина, производя новые вирусные частицы – копии РНК вируса и оставаясь в клетке пожизненно. Ядро клетки окружено оболочкой, содержащей определенное вещество, которое помогает вирусу прикрепляться к клеткам организма человека, имеющим рецептор CD4. Этот рецептор несут в основном клетки, циркулирующие в крови, лимфе и тканевой жидкости, а также относящиеся к неспецифическим элементам нервной ткани. Новые вирусные частицы атакуют клетки, вызывая их гибель, нарушая их взаимодействие с другими клетками, что ведет к прогрессирующим нарушениям иммунитета. Чем больше в крови вирусных частиц – тем меньше в ней лимфоцитов. Вирус также выводит из строя лимфоциты-хелперы. При этом В-лимфоциты перестают получать нужную информацию и начинают хаотично производить иммуноглобулины, которые не в состоянии найти свою мишень. Как следствие, повышается концентрация циркулирующих иммунных комплексов.

В результате сдвигов иммунитета снижается сопротивляемость к вторичным инфекциям и опухолям. За счет действия вируса и разбалансировки иммунной системы начинают поражаться клетки остальных систем организма – нервной ткани, сердечно-сосудистой, костно-мышечной, эндокринной и других систем. На процессы, обусловленные действием ВИЧ, накладывается широкий спектр процессов, вызываемых развившимися вторичными заболеваниями. Организм «идет вразнос» и начинает разрушаться на глазах.

В настоящее время выявлены два типа вируса – ВИЧ-1 и ВИЧ-2, различающиеся по своим структурным и антигенным характеристикам. Имеются достоверные различия в течении заболевания, вызываемого этими вирусами. Течение инфекции, вызываемой ВИЧ-2, считается более продолжительным. Среди ВИЧ-1 и ВИЧ-2 выделяют большое число генетически различных групп. Как и все ретровирусы, вирус ВИЧ характеризуется высокой изменчивостью. Считается, что в организме человека по мере прогрессирования инфекции происходит эволюция вируса от менее поражающего к более опасному варианту. ВИЧ нестоек во внешней среде, чувствителен к внешним воздействиям, практически полностью разрушается при нагревании выше 56 °C в течение 30 минут, погибает при кипячении через одну-три минуты, а также под воздействием дезинфицирующих средств (3 %-ный раствор перекиси водорода, 5 %-ный раствор лизола, 70 %-ный – этилового спирта).

Во внешней среде он может выжить только в жидкостях, содержащих вирус в высоких концентрациях, таких как кровь и сперма. Губительны для ВИЧ солнечное и искусственное УФ-излучение, а также все виды ионизирующего излучения. В крови, предназначенной для переливания, вирус живет годы, в замороженной сперме несколько месяцев. Появились данные о том, что ВИЧ теряет активность под воздействием защитных ферментов, содержащихся в слюне и поте. Передачи ВИЧ при укусах кровососущих насекомых не происходит.

Источником ВИЧ-инфекции является ВИЧ-инфицированный человек на всех стадиях заболевания. Восприимчивость к ВИЧ у людей всеобщая.

До последнего времени считалось, что в большинстве случаев ВИЧ-инфекция имеет единственный исход – гибель зараженного ВИЧ организма. Однако теория инфекционного процесса допускает существование как дефектных штаммов ВИЧ, так и устойчивых к инфекции больных. Среднюю продолжительность жизни инфицированного человека оценивают сейчас в 12 лет, но среди больных СПИДом есть и долгожители. Пока сложно точно сказать, что именно позволяет организму дольше сопротивляться действию вируса. Есть теории, учитывающие возраст, расовые особенности и даже генетические характеристики больных. Но однозначной взаимосвязи между этими факторами и реакцией на вирус пока не выявлено.

В последнее время в средствах массовой информации периодически появляются сообщения о новых противовирусных средствах, позволяющих «излечить» ВИЧ-инфицированных. Примером тому может служить информация о созданном в Армении препарате арменикум. К сожалению, пока нет лекарственных препаратов, которые могли бы полностью избавить пациента от ВИЧ-инфекции, хотя предупреждение ее прогрессирования является вполне реальной задачей. Основные цели терапии ВИЧ-инфекции – предотвратить или отсрочить развитие угрожающих жизни поражений и обеспечить более длительное сохранение качества жизни больного, а также с помощью рациональной терапии и профилактики вторичных заболеваний в сочетании с противовирусной терапией добиться замедления развития болезни, восстановления качества жизни и его более длительного сохранения.

Современные антивирусные препараты воздействуют на ферменты вируса, которые позволяют ему размножаться. Подавление этих ферментов подавляет и способность вируса к самопроизводству. Больным СПИДом часто приходится назначать не только противовирусные средства, но и препараты для лечения сопутствующих инфекций.

Самая большая опасность здесь – провокация появления более устойчивого штамма вируса. Такое происходит, если приходится менять схему лечения и переводить пациента на другие препараты, – штамм не уничтожается, а «приспосабливается» ко все более сильным лекарствам и перестает на них реагировать. Его ферменты приобретают большую устойчивость к разрушению и, попадая в следующий организм (при заражении нового человека), демонстрируют полную невосприимчивость к ряду лекарственных средств.

Имеются свидетельства того, что штаммы вируса, которые приобрели резистентность к одному препарату группы, обладают пониженной чувствительностью или устойчивы к большинству или всем препаратам, подавляющим ферменты вируса.

Поэтому сегодня существует острая потребность в новых способах лечения, которые были бы эффективны для постоянно растущего числа ВИЧ-инфицированных пациентов, уже пролеченных вышеупомянутыми препаратами. Получены данные о новом классе противовирусных средств – это ингибитор фузии (препарат Т-20), который применялся в комбинации с традиционными препаратами. В отличие от других препаратов для лечения ВИЧ-инфекции, которые блокируют воспроизводство однажды попавшего в клетку человека вируса, Т-20 представляет собой пептид, препятствующий проникновению вируса в клетку.

Глава 6. Когда защитные клетки нападают на собственный организм

В последнее время термин аллергия звучит все чаще. Это понятие объединяет все случаи неадекватной реакции организма на различные вещества, попадающие в организм. Аллергия проявляется в том, что клетки иммунной системы набрасываются на молекулы, не представляющие для организма никакой опасности. В ряде случаев лимфоциты даже начинают сражаться с клетками собственного «хозяина».

Возникает аллергия по-разному. Это может быть запоздалая реакция на проведенные в детстве прививки, на взаимодействие с химическими веществами, на некоторые пищевые продукты, на загрязнение окружающей среды. Иногда (правда, с каждым годом все чаще) механизм аллергии запускается из-за нарушений в нервной системе или вследствие психологических проблем.

Несмотря на общий термин, аллергия объединяет в себе самые различные проявления и процессы. Иногда, если мы просто съели «что-то не то» или вдохнули аллерген (пыльцу некоторых цветов или деревьев), аллергия проявляется в неадекватной избыточной реакции, направленной на выведение аллергена из организма (например, слезотечение, кожные высыпания, рвота, понос).

Чаще всего аллергическая реакция возникает на уровне слизистых оболочек дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта или на коже. В число наиболее распространенных проявлений входят: в области дыхательных путей – ринит и синусит, а в тяжелых случаях – бронхиальная астма; на коже – экземы, крапивница; в области желудочно-кишечного тракта выражением аллергической реакции обычно являются рвота, понос, колики. Например, хронический колит может быть аллергической реакцией на пищевые продукты или токсины бактерий.

Итак, в настоящее время классификация аллергических реакций может быть представлена следующими четырьмя типами:

• аллергические реакции немедленного типа (или анафилактические реакции) – I тип;

• цитотоксический, называемый также цитолитическим, – II тип;

• иммунокомплексный (или аллергии по типу феномена Артюса) – III тип;

• клеточно-опосредованный (или аллергические реакции замедленного типа) – IV тип.

В основе некоторых заболеваний могут лежать сразу два или три механизма из вышеуказанных. Например, развитие бронхиальной астмы обусловлено как проявлением реакций немедленного типа, так и иммунокомплексным воздействием. Ревматизм протекает под влиянием цитотоксических реакций и одновременно является клеточно-опосредованным. Лекарственные аллергии могут протекать по каждому из четырех типов.

Анафилактические реакции могут наблюдаться в двух формах: в виде общей реакции организма (анафилактический шок) или местных проявлений, которые называют также атопическими болезнями. Это все остальные случаи аллергии немедленного типа: ангионевротический отек Квинке, бронхиальная астма, атопический ринит, известный всем как аллергический насморк, поражения кожи – дерматиты. К этой же группе относятся аллергия на пыльцу (поллиноз), сенная лихорадка, крапивница и др. В роли аллергенов могут выступать самые разнообразные факторы, в первую очередь белковой природы (пищевые продукты, лечебные сыворотки, гормоны, ферменты), биологически активные вещества, содержащиеся, например, в яде насекомых, лекарственные препараты различных групп, пыльца растений, косметические средства.

Отмечено, что аллергены, вызывающие проявление реакций на уровне целостного организма, т. е. шока, обладают более сильным раздражающим действием на иммунную систему. Это значит, что они более чужеродны или вводятся в большей дозе. Путь проникновения провоцирующего фактора в организм тоже может быть самым разным – чрескожным при укусах и инъекциях, через пищеварительный тракт, дыхательные пути, контактным без повреждения покровов тела.

Осуществление аллергических реакций I типа происходит с участием иммуноглобулинов Е, которые прикреплены специальными рецепторами к тучным клеткам и базофилам. Эти клетки называют также клетками-мишенями, так как именно они при разрушении выделяют многочисленные соединения, обеспечивающие внешние и внутренние признаки аллергии: гистамин, серотонин, гепарин, простагландины, лейкотриены и многие другие.

Присоединение к клеткам иммуноглобулинов происходит при первом взаимодействии организма и аллергена, т. е. в процессе сенсибилизации. Вторичное проникновение его во внутреннюю среду – так называемая разрешающая доза – приводит уже к развитию собственно аллергической реакции в привычном ее понимании.

Антигены прикрепляются к антителам, «ожидающим» их на поверхности клеток, это взаимодействие приводит к разрушению последних. Происходит массивный выброс содержащихся в клетках соединений, которые оказывают свое многогранное действие на структуры организма. Большинство из этих веществ обладает свойством повышать проницаемость стенок сосудов, в частности капилляров, и способствует их расширению.

Выход жидкой части крови из сосудов и увеличение емкости сосудистого русла, происходящие в результате этого воздействия, приводят к уменьшению кровяного давления. Сердце рефлекторно начинает работать быстрее. Сниженное давление не обеспечивает фильтрацию крови в почках, и развивается их недостаточность. Начинается повышенное выделение железами дыхательных путей вязкого секрета, кроме того, происходит спазм гладких мышц в толще стенок бронхов и отек их слизистой оболочки. Это нарушает циркуляцию воздуха и приводит к удушью. Перистальтика кишечника, тонус мочевого пузыря увеличиваются, что может стать причиной непроизвольного мочеиспускания и дефекации. Страдает и нервная система, поэтому возможно возникновение возбуждения или депрессии.

Такие изменения происходят в организме при общей анафилаксии.

Симптомы анафилактического шока во многих случаях имеют свойство возобновляться через промежуток времени, составляющий в среднем три-шесть часов. Это обусловлено тем, что первая волна признаков, наступающая через 15–20 мин. после воздействия аллергена, проявляется благодаря разрушению базофилов и тучных клеток, на которых имеется большое количество рецепторов к иммуноглобулинам. А вторая волна, слабее первой, имеет место благодаря выбросу биологически активных веществ из клеток с малочисленными рецепторами: лейкоцитов и др. Иногда вторая волна настолько незначительна, что изменения самочувствия больного не происходит.

Проявления же атопических заболеваний чаще всего локализуются в месте проникновения в организм аллергена. Если путь проникновения ингаляционный, основным симптомом будет удушье или насморк, при проникновении через кожу отмечается сыпь, зуд и т. д.

Необычным для аллергических реакций I типа является возникновение сенной лихорадки. Дело в том, что она развивается при введении в организм уже первой дозы аллергена, а не второй, как во всех других случаях. Такая особенность объясняется тем, что за время существования аллергена внутри организма осуществляются сразу две ступени аллергии: образование антител, которое происходит очень быстро, и взаимодействие их с остатками антигена. Первые признаки болезни в итоге развиваются уже через один-три часа после воздействия сенной палочки.

Механизм развития II типа, цитотоксического, имеет свои отличия. К этому типу аллергических реакций относят многие заболевания крови (некоторые разновидности анемии с разрушением красных клеток крови), аллергию на лекарственные препараты (уменьшение количества лейкоцитов, тромбоцитов или кровяных клеток всех видов), миастению. Цитотоксичность лежит в основе реакции организма на переливание иногруппной крови, развития резус-конфликта у матери и плода. Наряду с аллергией замедленного типа она становится виновником отторжения органов при трансплантации.

Осуществляется II тип при помощи иммуноглобулинов G1, G2, G3 и M. В процессе сенсибилизации они так же, как и в предыдущем случае, связываются с воспринимающими структурами на поверхности клеток. Вторичное воздействие аллергена заканчивается сцеплением его с антителами. Затем происходит разрушение клеток. Этот процесс может происходить несколькими путями: с участием комплемента, при помощи фагоцитоза с участием лейкоцитов, выделяющих ферменты и растворяющих таким образом клеточные мембраны, или с привлечением особых клеток – натуральных киллеров.

Ill тип аллергий называют также реакциями по типу феномена Артюса. Это название отражает исторический аспект изучения данного явления. Артюс, французский ученый, проводил опыты на морских свинках, вводя им под кожу в одно и то же место различные аллергены. Со временем в месте введения антигенов у свинок развивалось массивное омертвение кожи и подкожной жировой клетчатки. Этот феномен позволил установить иммунокомплексную природу поражения и способствовал открытию нового типа аллергических реакций.

Иммунокомплексные аллергии составляют основу таких заболеваний, как гломерулонефрит, сывороточная болезнь, ревматоидный артрит. В некоторых случаях аллергия на пищевые продукты и лекарственные препараты, особенно с кожными проявлениями, имеет сходное происхождение. Из того же типа происходят такие заболевания, как системная красная волчанка, геморрагические васкулиты. Показано, что анафилактический шок тоже может проходить с участием указанного механизма.

Протекание реакции происходит с участием иммуноглобулинов G1, G2, G3 и M, как и в предыдущем случае. Они образуются при первом воздействии на организм антигена и присоединяются к поверхностям клеток-мишеней. При вторичном проникновении аллергена он присоединяется к антителам. Образование этого соединения приводит к активации специальной защитной системы крови, называемой комплементом. Фракции комплемента притягиваются к неполному комплексу «антиген – антитело». К тому или другому компоненту в отдельности они присоединиться не могут, поэтому аллергическая реакция имеет место только при повторном воздействии антигена. Эти полные иммунные комплексы «антиген – антитело – комплемент» могут длительное время циркулировать в крови, что в большинстве случаев обусловливает долговременное течение аллергических реакций и, следовательно, заболеваний на их основе. Они имеют свойство осаждаться на различных структурах организма, вызывая их стойкие повреждения. Так, например, при гломерулонефрите иммунные комплексы осаждаются на стенках почечных капилляров и разрушают их, приводя к необратимым изменениям.

Невозможно предсказать вероятность проявления аллергии того или иного типа. Она может возникнуть совершенно внезапно, на фоне полного благополучия. Однако в отношении данного типа реакций врачи советуют соблюдать меры предосторожности. Так, рекомендуется избегать введения лекарств в одно и то же место. Очень осторожными надо быть больным сахарным диабетом во время введения инсулина. Дело в том, что инсулин – это гормон, имеющий белковую природу. А белки, как известно, обладают самой высокой чужеродностью и наиболее часто способствуют развитию аллергий. В условиях же нездорового организма сильно повышается риск извращения реакции иммунитета на подобный раздражитель. Поэтому во избежание многих неприятных последствий нужно соблюдать простое правило: каждая последующая инъекция должна быть произведена на расстоянии не менее чем 1 см от предыдущей.

Последний, IV тип аллергических реакций называют еще клеточно-опосредованным, так как в отличие от всех предыдущих типов иммунный ответ здесь осуществляется не при помощи антител-иммуноглобулинов, а с участием клеток. Эта группа реакций развивается в течение длительного времени, через несколько дней, как минимум – через сутки, поэтому она имеет и второе название – «аллергия замедленного типа». В ряде источников можно встретить еще одно определение IV типа – туберкулиновый, так как он лежит в основе развития туберкулеза и туберкулиновой пробы, широко известной как реакция Манту. По этому механизму также протекает один из видов бронхиальной астмы, бруцеллез, отторжение трансплантатов. Одно из самых часто встречающихся профессиональных заболеваний – контактный дерматит – тоже течет согласно реакции замедленного типа. Проказа, сифилис и другие заразные хронические заболевания, экзема также имеют его в своей основе.

Отторжение органов при их пересадке происходит исключительно из-за аллергических проявлений. При этом у человека, которому был пересажен какой-то орган или участок ткани, имеется два критических периода, во время которых сохраняется угроза отторжения. Один из них продолжается в течение первых суток, когда существует риск развития аллергии цитотоксического типа. Второй же длится с третьего до десятого дня с момента трансплантации. В это время может развиться реакция замедленного типа. В некоторых случаях возможно отторжение и на восемнадцатые, и на двадцатые сутки. Чтобы этого избежать, такие больные в больших количествах принимают специальные препараты, снижающие чрезмерную иммунную реакцию.

Для возникновения аллергии замедленного типа аллерген должен иметь некоторые особенности. Во-первых, он часто слабее тех, что участвуют в развитии предыдущих типов. Во-вторых, замедленные реакции более «охотно» развиваются в ответ на клеточные аллергены, т. е. бактерии, поэтому среди клеточно-опосредованных реакций столь значительное место занимают хронические бактериальные заболевания.

При первом «визите» в организм чужеродного элемента образуются специальные клетки – сенсибилизированные Т-лимфоциты, которые и будут осуществлять защиту при вторичном воздействии аллергена. Эти клетки иногда обозначают также как клеточные антитела, однако это название сохраняется исключительно для удобства и фактически не соответствует действительности, так как к антителам относится отдельная группа молекул.

Сенсибилизированные Т-лимфоциты включают следующие разновидности: Т-киллеры, клетки, производящие лимфокины и клетки памяти. Первые осуществляют непосредственно фагоцитоз, вторые образуют лимфокины – группу биологически активных веществ, в основном ферментов, которые обладают способностью растворять мембраны клеток-«чужаков» и таким образом уничтожать их. Некоторые лимфокины обладают способностью привлекать в аллергический очаг макрофаги – главные клетки, отвечающие за фагоцитоз. Клетки памяти ответственны за запоминание сведений об аллергене, и в случае подобного воздействия в будущем они претерпевают ряд изменений и встают на защиту внутренней среды организма. Как было выяснено в последнее время, наряду с образованием сенсибилизированных Т-лимфоцитов происходит синтез небольшого количества цитотоксических антител. Однако их настолько мало, что существенной роли в развитии аллергической реакции они не играют. Все эти действия создают одно-единственное внешнее проявление аллергии замедленного типа – образование воспалительного очага.

Часть VII. Очень «нервная» клетка

Обычные клетки человеческого организма, мягко говоря, очень невелики. Но в этом правиле есть исключения – клетки, размер которых может достигать метра и более! Можете себе такое представить? Что же это за Гулливеры среди клеток?

Это нейроны – элементы нашей нервной системы.

Сам по себе нейрон невелик, но его отличительной чертой является наличие отростков – аксонов, которые связывают все клетки нервной ткани в один уникальный орган. Впрочем, обо всем по порядку.

Глава 1. История одного заблуждения

Говорят, что идеи витают в воздухе. Возможно, в этом утверждении есть доля истины, иначе как еще объяснить то, что двое величайших ученых одновременно сделали открытия, касающиеся строения нервной системы. Правда, их выводы противоречили друг другу.

Итак, на рубеже 19 и 20 веков Камилло Гольджи и Рамон-и-Кахал открыли нейрон, увидев его в микроскоп при помощи метода окрашивания. Метод придумал Гольджи, а Кахал его развил и разработал при помощи него теорию, которой до сих пор придерживается нейронаука, а именно: о нейроне как самостоятельной клетке, единице нашей психики.

Всю свою бурную научную деятельность они были неустанными оппонентами, так как Гольджи продолжал настаивать на том, что нервная система подвижна и нейроны – не отдельные клетки. По интересному стечению обстоятельств они получили Нобелевскую премию в один год – 1906-й, и это явилось справедливой и заслуженной наградой, так как их вклад в психофизиологию невозможно переоценить.

В начале прошлого века еще никто не знал, что представляет собой нервная система. Микроскопы постоянно улучшались и уже позволяли разглядеть многие ткани и клетки. Но клетки нервной системы, в отличие от остальных, не имеют очерченных, упорядоченных форм. Они очень мелкие и разбросаны по всему организму. Исследователи видели только запутанный клубок прозрачных нитей, которые впоследствии определят как отростки нервных клеток, дендриты и аксоны, по которым они получают и передают информацию. Строение же отдельно взятой клетки определить не удавалось, также как ее форму и размер.

В 1843 году в итальянском городе Кортено, который впоследствии будет переименован в Кортено-Гольджи, родился Камилло Гольджи, в будущем выдающийся ученый, исследователь и лауреат Нобелевской премии 1906 года «за вклад в понимание строения нервной системы».

Отец Камилло Гольджи был врачом, и сам Гольджи получив в 1865 году медицинскую степень в университете города Павий, остался работать там же. Его интересовало строение нервной системы, и он часами мог рассматривать материал в микроскоп, пытаясь что-то в нем разглядеть. Тогда еще микроскопы были оптические, то есть в сотни раз слабее современных электронных, и Гольджи приходилось проявлять чудеса изобретательности, чтобы увидеть то, о чем он мечтал. За одно из таких чудес он и получил Нобелевскую премию. Это метод окрашивания тканей азотистым серебром.

Гольджи долго экспериментировал с физиологическими растворами и разными веществами, пытаясь пронаблюдать их воздействие на нервную ткань. Его эксперименты проводились не только в университете, но и дома, на собственной кухне, переоборудованной в лабораторию. Как же Гольджи исследовал нейроны при помощи своего метода? Он делал тончайший срез ткани и обрабатывал его солью, чтобы он затвердел, а затем помещал в раствор азотистого серебра, в котором нейроны меняли цвет и становились черными. Таким образом появилась возможность рассмотреть строение нейрона и сделать множество открытий. Оказалось, что нервные клетки бывают абсолютно разных форм, а их отростки достигают в длину около метра! И это при теле нейрона в 3-100 мк! Скорость передачи нервного импульса по этим волокнам достигает 120 м/с. Вероятно, сложность в их функциональном значении отражается даже во внешней сложности. Также поражала сложность связей клеток друг с другом. Одна клетка могла взаимодействовать с сотнями и даже тысячами других клеток.

Метод окраски серебром имел определенные тонкости и для получения наилучших результатов требовал мастерства исполнения. Испанский гистолог Сантьяго Рамон-и-Кахал так проникся этим методом, что, освоив и усовершенствовав, увидел, что отростки нервных клеток не впадают друг в друга, а в месте их соприкосновения нет на самом деле никакого соприкосновения, там межклеточная жидкость, пространство, при помощи которого взаимодействуют нервные клетки, то есть бесконтактно. В это пространство выделяются вещества, при помощи которых и происходит взаимодействие.

Кахал родился в испанской деревушке Пентилла-де-Арагон. Он обладал пытливым умом, целеустремленным характером и был одновременно натурой творческой. В детстве он проявлял интерес к живописи и высокую одаренность в этом вопросе. Но отец, сам выросший в бедной семье, добившийся всего самостоятельно, хотел и для сына лучшей жизни. Он старательно прививал ему любовь к медицине, а когда сын засопротивлялся, то в педагогических целях послал его учиться ремеслу – к парикмахеру, а потом и вовсе сапожнику. Сантьяго Рамон-и-Кахал был успешен в любом начинании и, изучив все ремесла, все-таки исполнил волю отца и окончил медицинский университет. После учебы его призвали на военную службу и отправили хирургом на Кубу, но через некоторое время он заболел малярией и был отправлен обратно. Молодой ученый защитил докторскую диссертацию и занялся исследованиями. Дело в том, что микроскоп Рамон-и-Кахал впервые увидел только при сдаче экзаменов в Мадриде, и увиденное его поразило. Вернувшись в свой родной Саргосский университет, он отыскал необычный антикварный прибор и приступил к изучению тканей при помощи микроскопа. Проницательно и дотошно он изучал все, что попадалось под руку. Так вышла в свет его первая книга, в которой были описаны процессы, касающиеся воспаления брыжейки, роговицы и хряща. В дальнейшем выйдет много публикаций его авторства, в которых помимо прекрасного изложения научной проблемы будут присутствовать высококачественные иллюстрации к ним. Здесь-то проявились и помогли Сантьяго Кахалу его художественные способности. Ведь в те времена не было техники, которая могла бы запечатлеть увиденное в микроскоп, и Кахал зарисовывал все, что мог разглядеть. Его иллюстрации и по сей день используют в современных учебниках, потому что, несмотря на развитие технических возможностей, столь тонкой, детальной и качественной отрисовки очень мало.

Оба ученых прожили долгую и счастливую жизнь, как научную, так и личную. Им повезло найти жен, поддерживающих их во всех их начинаниях, что частично стало залогом их успеха в мировой науке.

Глава 2. Частная жизнь нейрона

В организме человека насчитывается более ста миллиардов нейронов. Нейрон (от греч. неврон — нерв) – это структурно-функциональная единица нервной системы. Эта клетка имеет сложное строение. По структуре содержит ядро, тело клетки и отростки.

Тело нервной клетки состоит из протоплазмы (цитоплазмы и ядра), снаружи она ограничена мембраной из двойного слоя липидов (билипидный слой). Липиды состоят из гидрофильных головок и гидрофобных хвостов, расположены гидрофобными хвостами друг к другу, образуя гидрофобный слой, который пропускает только жирорастворимые вещества (напр. кислород и углекислый газ). На мембране находятся белки: на поверхности (в форме глобул), на которой можно наблюдать наросты полисахаридов (гликокаликс), благодаря которым клетка воспринимает внешнее раздражение, и интегральные белки, пронизывающие мембрану насквозь, в них находятся ионные каналы.

У каждого нейрона есть один или более отростков. Это аксон и дендриты. Аксон – обычно длинный отросток, отросток, приспособленный для проведения возбуждения от тела нейрона. Дендриты – как правило, короткие и сильно разветвленные отростки, служащие главным местом образования влияющих на нейрон возбуждающих и тормозных синапсов (разные нейроны имеют различное соотношение длины аксона и дендритов). Нейрон может иметь несколько дендритов и обычно только один аксон. Один нейрон может иметь связи со многими (до 20 тысяч) другими нейронами.

Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы – как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос, с которым мы познакомились в первой части книги).

Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5 % от напряжения обычной батарейки АА).

Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещениями ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.

Потенциал действия распространяется довольно медленно – не более миллиметра за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из особого вещества – миелина, препятствующего притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна – через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.

Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки (их называют пузырьками), в каждом из которых находятся особые соединения – нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается и процесс действия передается дальше.

После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто расщепиться, а могут вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие – оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Нарушается вся цепочка передачи импульсов, что проявляется в необъяснимом и неадекватном поведении человека.

Глава 3. Нервные клетки не восстанавливаются?

Мы с детства слышим это выражение. Но последние исследования позволяют усомниться в такой аксиоме. Есть теория, согласно которой каждый из нас имеет неисчерпаемый запас нейронов.

Природа закладывает в развивающийся мозг очень высокий запас прочности: в эмбрионе образуется большой избыток нейронов. Почти 70 % из них гибнут еще до рождения ребенка. Человеческий мозг продолжает терять нейроны и после рождения, на протяжении всей жизни. Такая гибель клеток генетически запрограммирована. Конечно же, погибают не только нейроны, но и другие клетки организма. Только все остальные ткани обладают высокой регенерационной способностью, то есть их клетки делятся, замещая погибшие. Но есть клетки, в которых гены, отвечающие за размножение делением, заблокированы (помимо нейронов к таким клеткам относятся клетки сердечной мышцы). Как же люди умудряются сохранить интеллект до весьма преклонных лет, если нервные клетки погибают и не обновляются?

Одно из возможных объяснений: в нервной системе одновременно «работают» не все, а только 10 % нейронов. Этот факт часто приводится в популярной и даже научной литературе. Правда, никто не понимает, откуда взялась такая цифра. Любая клетка одновременно и живет, и «работает». В каждом нейроне все время происходят обменные процессы, синтезируются белки, генерируются и передаются нервные импульсы. Поэтому, оставив гипотезу об «отдыхающих» нейронах, обратимся к одному из свойств нервной системы, а именно – к ее исключительной пластичности.

Смысл пластичности в том, что функции погибших нервных клеток берут на себя их оставшиеся в живых «коллеги», которые увеличиваются в размерах и формируют новые связи, компенсируя утраченные функции. Высокую, но не беспредельную эффективность подобной компенсации можно проиллюстрировать на примере болезни Паркинсона, при которой происходит постепенное отмирание нейронов. Оказывается, пока в головном мозге не погибнет около 90 % нейронов, клинические симптомы заболевания (дрожание конечностей, ограничение подвижности, неустойчивая походка, слабоумие) не проявляются, то есть человек выглядит практически здоровым. Значит, одна живая нервная клетка может заменить девять погибших.

Но пластичность нервной системы – не единственный механизм, позволяющий сохранить интеллект до глубокой старости. У природы имеется и запасной вариант – возникновение новых нервных клеток в головном мозге взрослых млекопитающих, или нейрогенез.

Первое сообщение о нейрогенезе появилось в 1962 году в престижном научном журнале Science. Статья называлась «Формируются ли новые нейроны в мозге взрослых млекопитающих?». Ее автор, профессор Жозеф Олтман из Университета Пердью (США), с помощью электрического тока разрушил одну из структур мозга крысы (латеральное коленчатое тело) и ввел туда радиоактивное вещество, проникающее во вновь возникающие клетки. Через несколько месяцев ученый обнаружил новые радиоактивные нейроны в таламусе (участок переднего мозга) и коре головного мозга. В течение последующих семи лет Олтман опубликовал еще несколько работ, доказывающих существование нейрогенеза в мозге взрослых млекопитающих. Однако тогда, в 1960-е годы, его работы вызывали у нейробиологов лишь скепсис, их развития не последовало.

И только спустя двадцать лет нейрогенез был вновь «открыт», но уже в головном мозге птиц. Многие исследователи певчих птиц обращали внимание на то, что в течение каждого брачного сезона самец канарейки исполняет песню с новыми «коленами». Причем новые трели он не перенимает у собратьев, поскольку песни обновлялись и в условиях изоляции. Ученые стали детально изучать главный вокальный центр птиц, расположенный в специальном отделе головного мозга, и обнаружили, что в конце брачного сезона (у канареек он приходится на август и январь) значительная часть нейронов вокального центра погибала, – вероятно, из-за избыточной функциональной нагрузки. В середине 1980-х годов профессору Фернандо Ноттебуму из Рокфеллеровского университета (США) удалось показать, что у взрослых самцов канареек процесс нейрогенеза происходит в вокальном центре постоянно, но количество образующихся нейронов подвержено сезонным колебаниям. Пик нейрогенеза у канареек приходится на октябрь и март, то есть через два месяца после брачных сезонов. Вот почему «фонотека» песен самца канарейки регулярно обновляется.

Но откуда берутся новые нейроны, если нервные клетки не делятся? Источником новых нейронов и у птиц, и у амфибий оказались стволовые клетки стенки желудочков мозга. Во время развития зародыша именно из этих клеток образуются клетки нервной системы: нейроны и клетки глии. Но не все стволовые клетки превращаются в клетки нервной системы – часть из них «затаивается» и ждет своего часа.

Развитие нейробиологии в начале 1990-х годов привело к обнаружению «новорожденных» нейронов в головном мозге взрослых крыс и мышей. Их находили большей частью в эволюционно древних отделах головного мозга: обонятельных луковицах и коре гиппокампа, которые отвечают главным образом за эмоциональное поведение, реакцию на стресс и регуляцию половых функций млекопитающих.

Так же, как у птиц, у млекопитающих нейрональные стволовые клетки располагаются поблизости от боковых желудочков мозга. Их перерождение в нейроны идет очень интенсивно. У взрослых крыс за месяц из стволовых клеток образуется около 250 000 нейронов, замещая 3 % всех нейронов гиппокампа. Продолжительность жизни таких нейронов очень высока – до 112 дней. Стволовые нейрональные клетки преодолевают длинный путь (около 2 см). Они также способны мигрировать в обонятельную луковицу, превращаясь там в нейроны.

Обонятельные луковицы головного мозга млекопитающих отвечают за восприятие и первичную обработку различных запахов, включая и распознавание феромонов – веществ, которые по своему химическому составу близки к половым гормонам. Сексуальное поведение у грызунов регулируется в первую очередь выработкой феромонов. Гиппокамп же расположен под полушариями мозга. Функции этой сложноорганизованной структуры связаны с формированием краткосрочной памяти, реализацией некоторых эмоций и участием в формировании полового поведения. Наличие у крыс постоянного нейрогенеза в обонятельной луковице и гиппокампе объясняется тем, что у грызунов эти структуры несут основную функциональную нагрузку. Поэтому нервные клетки в них часто гибнут, а значит, их необходимо обновлять.

Для того чтобы понять, какие условия влияют на нейрогенез в гиппокампе и обонятельной луковице, профессор Гейдж из Университета Салка (США) построил миниатюрный город. Мыши там играли, занимались физкультурой, отыскивали выходы из лабиринтов. Оказалось, что у «городских» мышей новые нейроны возникали в гораздо большем количестве, чем у их пассивных сородичей, погрязших в рутинной жизни в виварии.

Стволовые клетки можно извлечь из мозга и пересадить в другой участок нервной системы, где они превратятся в нейроны. Профессор Гейдж с коллегами провел несколько подобных экспериментов, наиболее впечатляющим среди которых был следующий: участок мозговой ткани, содержащий стволовые клетки, пересадили в разрушенную сетчатку глаза крысы. Пересаженные стволовые клетки мозга превратились в нейроны сетчатки, их отростки достигли зрительного нерва, и крыса прозрела! Причем при пересадке стволовых клеток мозга в неповрежденный глаз никаких превращений с ними не происходило. Вероятно, при повреждении сетчатки глаза вырабатываются какие-то вещества (например, так называемые факторы роста), которые стимулируют нейрогенез. Однако точный механизм этого явления до сих пор не ясен.

Перед учеными встала задача показать, что нейрогенез идет не только у грызунов, но и у человека. Для этого исследователи под руководством профессора Гейджа недавно выполнили сенсационную работу. В одной из американских онкологических клиник группа больных, имеющих неизлечимые злокачественные новообразования, принимала химиотерапевтический препарат бромдиоксиуридин. У этого вещества есть важное свойство – способность накапливаться в делящихся клетках различных органов и тканей. Бромдиоксиуридин включается в ДНК материнской клетки и сохраняется в дочерних клетках после деления материнской. Патологоанатомическое исследование показало, что нейроны, содержащие бромдиоксиуридин, обнаруживаются практически во всех отделах мозга, включая кору больших полушарий. Значит, эти нейроны были новыми клетками, возникшими при делении стволовых клеток. Находка безоговорочно подтвердила, что процесс нейрогенеза происходит и у взрослых людей. Но если у грызунов нейрогенез идет только в гиппокампе, то у человека, вероятно, он может захватывать более обширные зоны головного мозга, включая кору больших полушарий.

Недавно проведенные исследования показали, что новые нейроны во взрослом мозге могут образовываться не только из нейрональных стволовых, но и из стволовых клеток крови. Открытие этого феномена вызвало в научном мире эйфорию. Однако публикация в журнале «Nature» за октябрь 2003 года во многом остудила восторженные умы. Оказалось, что стволовые клетки крови действительно проникают в мозг, но они не превращаются в нейроны, а сливаются с ними, образуя двуядерные клетки. Затем «старое» ядро нейрона разрушается, а его замещает «новое» ядро стволовой клетки крови. Пока совершенно непонятно, какой в этом физиологический смысл. Одна из гипотез заключается в том, что стволовые клетки крови несут с собой новый генетический материал, который, попадая в «старую» клетку мозжечка, продлевает ей жизнь.

Итак, новые нейроны могут возникать из стволовых клеток даже в мозге взрослого человека. Этот феномен уже достаточно широко применяется для лечения различных нейродегенеративных заболеваний (заболеваний, сопровождающихся гибелью нейронов головного мозга). Наибольшая сложность в работе с эмбриональными клетками – заставить их трансформироваться в нейроны. Но есть надежда, что новые технологии позволят сделать и это.

Глава 4. Будущее за нейрофизикой

Итак, мы знаем, как устроен нейрон, понимаем принцип функционирования нервной системы и представляем, что происходит в мозге человека. Но можно ли научиться декодировать мысли человека и животных? Реально ли создать приспособления, передающие мысли на машинные устройства, и направленно управлять поведением, воздействуя на нейроны головного мозга?

На все эти вопросы ведущий российский нейробиолог Константин Анохин отвечает утвердительно. И хотя пока это может казаться фантастикой, но уже ведутся серьезные исследования по созданию технологий, воплощающих в жизнь эти невероятные возможности.

Константин Анохин заявляет: «Работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга»

Наибольшую известность в области разработки мозгомашинных интерфейсов получили эксперименты бразильского нейробиолога Мигеля Николелиса (Miguel Nicolelis), начатые в конце 1990-х годов. Внедряя в мозг обезьяны несколько электродов, ученый добился поразительной синхронизации движения настоящей руки животного и ее роботизированного аналога. Имплантированные электроды обеспечивали двустороннюю связь мозговых клеток обезьяны и датчиков, установленных на роботе. Стоило мартышке сжать в своей руке игрушку, как рука робота в точности повторяла ее жест. Таким образом ученые смогли добиться результата использования мозговой деятельности обезьяны для управления роботом. Чтобы эффектно это продемонстрировать, Николелис провел эксперимент между Японией и США: обезьяна в США мыслит, что она сгибает руку, а механическая рука в Японии совершает эти действия.

В мозг же человека электрод, выполняющий функцию интерфейса, вживили в 2005 году. Это сделала группа ученых во главе с Джоном Донахью (John Donoghue), известным физиологом из Университета Брауна (США) и основателем компании Cyberkinetics Neurotechnology Systems. Пациенту, парализованному после инсульта, в мозг ввели микроэлектроды, при помощи которых компьютер измерял электрические импульсы его мозга и преобразовывал их в команды для управления курсором. Больной представлял, что двигает правой или левой рукой, и курсор на экране монитора перемещался в ту или иную сторону. Функциональность устройства навела ученых на мысль попробовать изготовить механические протезы, управляемые мозгом посредством вживленных в него электродов.

Но если проникнуть в хитросплетение нейронов мозга еще глубже и попытаться «считать» информацию с каждого нейрона, то можно вплотную подойти к разгадке тайны и проникнуть в мысли человека. В практике до этого пока никто не дошел, но принципиальная возможность такого явления доказана.

«Я бы сравнил демонстрацию опытов по чтению мыслей с первой фазой космического проекта, – говорит Константин Анохин. – Проблема космических путешествий пока не решена: пройдут десятилетия, прежде чем люди будут свободно перемещаться с одной планеты на другую. Но выход человека в космос свидетельствует, что это возможно. Аналогично и с декодированием мыслей. Эксперименты показывают, что не существует теоретического запрета для выполнения этих задач. Все остальное зависит от времени и развития технологий».

Важнейшие решения в этой области – разработка технологий, которые будут соединять задачи построения интерфейсов и изучения глубоких процессов активности отдельных клеток головного мозга. Именно это сделает возможным считывание мыслей как объективный процесс.

В России работы по созданию мозгомашинных интрефейсов начались в 2003–2004 годах. Это направление активно развивается. Но в основном разрабатываются поверхностные интерфейсы. С глубокими, по словам г-на Анохина, пока не работает ни одна российская лаборатория. Это направление планируют начать развивать в НИИ нормальной физиологии РАМН.

«По-настоящему интересная наука – та, которая не вылечивает никаких заболеваний и не приносит никаких денег, – говорит Константин Анохин. – Мысль ученого всегда стремится вверх, за горизонты, в те области, в которые еще не протоптаны пути и не проложены дороги, которые далеки от практического воплощения. Но работа в области мозгомашинных интерфейсов как раз и интересна тем, что дистанция между технологическими задачами и глубокими фундаментальными исследованиями практически нулевая. Технологии – стимул для познания работы мозга».

Часть VIII. Клетка хранит секрет бессмертия

Что такое старость? Это общее одряхление нашего тела. С возрастом органы изнашиваются и разрушаются. Происходит это потому, что каждая клетка тела может делиться ограниченное число раз. Но раз уж мы знаем секрет старения, может быть, сможем разгадать и загадку бессмертия? На сегодняшний день существует несколько подходов к этой теме.

Глава 1. Ключ – в белке

Извечная мечта человечества – найти уж если не секрет бессмертия, то хотя бы способ продления жизни. В экспериментах на животных установлено: если все время их кормить малокалорийной пищей, они живут дольше. Правда, при этом у них ухудшаются некоторые функции организма, в первую очередь – способность к воспроизводству (с большой вероятностью это справедливо и для людей, к примеру, чересчур увлекающихся вегетарианством). Экспериментально получены карликовые мыши, живущие дольше обычных, но у них снижена функция размножения. Ученые не оставляют надежду найти ген долголетия, который продлевал бы жизнь без нежелательных побочных эффектов.

В какой-то степени это удалось итальянским и американским исследователям. Они получили мышей с точечной мутацией гена, который кодирует определенный белок. Эти мыши не отличались от контрольных ни массой тела, ни физическим развитием, ни способностью к воспроизводству, но продолжительность их жизни увеличивалась на треть.

Выяснилось, что открытый белок участвует в ответе организма на факторы, вызывающие окисление (перекись водорода, радиация, ультрафиолетовый свет). При этом начинают окисляться важные для жизнедеятельности вещества, такие как липиды клеточных мембран. Этот процесс сопровождает, как правило, большинство патологических состояний, например старение. Стрессовый ответ организма выражается в повреждении или запрограммированной гибели клеток (апоптозе).

Кое в чем могут помочь химические препараты антиоксиданты, но в данном случае решение более радикальное.

У полученных исследователями мышей-мутантов ген, кодирующий выявленный белок, не работает, а значит, окислительные процессы протекают по-другому. Мышки оказались более устойчивыми к действию факторов, вызывающих окислительный стресс, и превосходили контрольных мышей по продолжительности жизни: контрольные жили не более 28 месяцев, а мыши-мутанты – доживали до 37. При этом мутанты ничем не отличались от контрольных ни в поведении, ни при выполнении различных тестов. Последующий гистохимический анализ не выявил у них никаких отклонений и в строении органов.

В настоящее время идут дополнительные исследования данной темы, и – кто знает? – возможно в ближайшем будущем мы получим ключ к бессмертию.

Глава 2. Волшебный фермент

Ключом к клеточному бессмертию, «источником юности» считают теломеразу. Этот фермент позволяет клеткам быстро размножаться без старения. Стволовые клетки эмбрионов, например, обладают огромным запасом теломеразы, которая позволяет им непрерывно делиться, формируя ткани и органы. У взрослых организмов теломераза содержится в клетках, которые должны часто делиться, однако большинство соматических клеток ее не производят.

Теломераза – фермент, добавляющий особые повторяющиеся последовательности ДНК к цепи ДНК на участках теломер. Как мы помним, теломеры – это концевые участки линейной молекулы ДНК, которые состоят из повторяющейся последовательности нуклеотидов. У человека и других позвоночных повторяющееся звено имеет формулу TTAGGG (буквы обозначают нуклеиновые основания). В отличие от других участков ДНК теломеры не кодируют белковые молекулы, в некотором роде это «бессмысленные» участки генома. В 1971 году российский ученый Алексей Матвеевич Оловников впервые предположил, что при каждом делении клеток эти концевые участки хромосом укорачиваются. То есть длина теломерных участков определяет «возраст» клетки – чем короче теломерный «хвост», тем она «старше».

В результате деятельности теломеразы длина тело мерных участков хромосом клетки увеличивается или сохраняется на постоянном уровне, позволяя клетке делиться неограниченно долго. Но что поддерживает фермент в состоянии постоянной активности? На этот вопрос ученые тоже нашли ответ. Оказывается, постоянное стимулирование активности теломеразы происходит за счет особого белкового компонента. Его так и назвали – каталитическим компонентом теломеразы. За выработку этого компонента отвечает определенный ген. Ученые выделили его и даже научились искусственно синтезировать.

Если синтезированный ген ввести в код ДНК, то клетка приобретает способность делиться бесконечно. В естественной среде теломераза производится в стволовых, половых и некоторых других типах клеток организма, которым необходимо постоянно делиться для функционирования их тканей (например – клетки эпителия кишечника).

Интересно, что обычные соматические клетки организма лишены теломеразной активности. Зато 85 % раковых опухолей производят теломеразу в неограниченных количествах, что и вызывает бесконтрольный рост опухоли. Поэтому считается, что активация теломеразы является одним из событий на пути клетки к злокачественному перерождению. Клетка становится больной, но – бессмертной.

Яркий пример бессмертия раковых клеток – это клетки HeLa, изначально полученные из опухоли шейки матки Генриетты Лекс (Henrietta Lacks, отсюда название культуры HeLa) в 1951 г. Эта культура по сей день используется в лабораторных исследованиях. Клетки HeLa в самом деле бессмертны: по оценкам, ежедневно производится несколько тонн этих клеток, причем все они являются потомками нескольких клеток, извлеченных из опухоли Г. Лекс.

Перед нами видимый парадокс: с одной стороны, деятельность теломеразы – путь к бессмертию, с другой – причина одной из самых страшных болезней человечества. Как мы можем использовать это знание?

Ученые распорядились им просто: они выявили, что сам по себе фермент не провоцирует образование опухоли. Он лишь поддерживает ее в жизнеспособном состоянии. А спусковым механизмом болезни являются другие факторы (мы рассмотрели их в предыдущих главах), Поэтому теломераза была реабилитирована в ученой среде.

На этот фермент до сих пор возлагают главные надежды в деле изобретения эликсира бессмертия. Создан искусственный препарат, активирующий теломеразу. Он получен из китайского растения астрагалус. Американский ученый Майкл Фоссел в одном из интервью предположил, что лечение теломеразой может использоваться не только для борьбы с раком, но даже для борьбы со старением человеческого организма и, таким образом, для увеличения продолжительности жизни. Он считает, что уже в ближайшем десятилетии будут проведены первые испытания теломеразных методов увеличения продолжительности жизни человека. Это весьма обнадеживает, так как примерно в это же время произойдет массовый уход на пенсию людей поколения беби-бума в США и Западной Европе.

Практически к тому же выводу пришли ученые, изучавшие стволовые клетки. Американские эксперты Национального института старения определили ключевой процесс клеточного обновления эмбриональных стволовых клеток в гене Zscan4. Этот прорыв может оказать серьезное влияние на научные исследования старения организма, биологии стволовых клеток и рака и восстановительной медицины.

Стволовые клетки являются уникальными, поскольку наряду с возможностью развиваться в практически любом типе клеток в организме они могут производить бесконечное поколение новых, в полном объеме рабочих стволовых клеток. Стволовые клетки в основном бессмертные, а это означает, что они могут делиться бесконечно и вырабатывать дополнительные функциональные дочерние клетки.

Другие клетки не обладают такими способностями, потому что теломеры, защитные окончания хромосомы, которая несет генетическую информацию клетки, каждый раз при делении клетки сокращаются. Когда теломеры становятся слишком короткими, они уже не способны защитить клетки, объясняют исследователи.

До сих пор механизм бессмертия стволовых клеток оставался тайной. Большинство ученых склоняются к мнению, что стволовые клетки способны на «самообновление», то есть при делении они также производят дочерние клетки. Специалисты считают, что этот процесс уместнее назвать клеточным «омоложением». По их словам, как и в других клетках, когда стволовые клетки дублируются, дочерние клетки не идентичны «родительским». Согласно полученным результатам лабораторных тестирований на мышах, стволовые клетки имеют уникальный ген Zscan4, который при активации омолаживает клетки и восстанавливает их исходную силу. Это омоложение затрагивает удлинение теломер посредством рекомбинации, когда короткие теломеры в сочетании с более длинными самостоятельно удлиняются. Затем идентифицированный ген выключается. Открытие показало, что ген не включается каждый раз, когда клетка воспроизводится, – примерно 5 % клеток становятся работоспособными при его активности в любой одной точке.

Глава 3. В борьбу за бессмертие вступают лимфоциты

Специалисты из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана отыскали «рецептор бессмертия» на клетках иммунной системы – В-лимфоцитах. Его стимуляция позволила клетке без потерь пройти через 370 циклов деления. Полное время наблюдений за делящейся клеткой на момент публикации статьи немецких ученых составило 1650 дней!

Напомним, что в нашем организме В-лимфоциты выполняют две функции. Во-первых, они поглощают чужеродные белки и выставляют их на своей поверхности, чтобы другие клетки системы не забывали, с кем надо бороться; такие В-лимфоциты называют клетками памяти. Во-вторых, В-лимфоциты могут превращаться в плазматические клетки и, собственно, производить антитела к тому или иному антигену.

Работать в одиночку в иммунной системе В-лимфоциты не могут. Для выполнения своих функций они взаимодействуют с остальными клетками с помощью многочисленных рецепторов, расположенных на поверхности. Одним из таких рецепторов является CD40, необходимый для активации клеток при контакте Т– и В-лимфоцитов. Именно при воздействии на этот рецептор В-лимфоциты превращаются либо в клетку памяти, либо в плазматическую клетку. При таких превращениях работа клетки существенно меняется, что требует соответствующей перестройки генома.

Именно CD40 помог «обессмертить» клетку. Ученые сымитировали взаимодействие В– и Т-лимфоцитов, воздействуя на этот рецептор. В-лимфоцит, который такое воздействие обычно чувствует перед перерождением в клетку другого типа, ответил повышением активности теломеразы. А этот фермент уже не только восстановил «укоротившиеся» ДНК, но даже создал небольшой запас «на будущее».

Кстати говоря, клетки большинства из нас и так «бессмертны».

Дело в том, что еще в детстве большинство из нас оказываются заражены вирусом Эпштейна-Барр. Он также способен запустить работу теломеразы, позволяя клетке перешагнуть через барьер Хейфлика. Но такая «бессмертность» не считается, ведь, во-первых, вирус встраивается не во все клетки нашего тела, а во-вторых, даже в них он активирует теломеразу не в 100 % случаев; кроме того, здесь, без всяких сомнений, имеет место вмешательство в геном.

Обычно заражение протекает без каких-либо внешних проявлений, и среди взрослого населения планеты зараженных около 95 %. По словам исследователей, самым сложным в работе было как раз найти доноров, не зараженных этим вирусом.

Сейчас работы по изучению теломеразы непрерывно ведутся в двух областях медицины – геронтологии и онкологии. В первом случае усилия исследователей направлены на стимуляцию работы фермента, дабы продлить способность организма к регенерации. Во втором ученые, напротив, пытаются добиться остановки процесса деления бесконтрольно размножающихся раковых клеток. Пока добиться значимых успехов на этом направлении не удалось: все предложенные за тридцать лет исследований методы лечения опухолей воздействием на работу теломеразы оказывались малоэффективными.

Глава 4. Нанотехнологии в помощь

Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.

В наиболее общей постановке проблема применения нанотехнологий в медицине заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т. е. осуществлять «молекулярную хирургию». Она может состоять из таких операций, как узнавание определенных фрагментов молекул и клеток, разрыв или соединение частей молекул, добавление или удаление молекулярных фрагментов, полная разборка и сборка молекул и клеточных структур по определенной программе. Хотя подобные операции и осуществляются обычными, естественными молекулами белка, но набор их функций недостаточен для обеспечения бессмертия клетки и всего организма. Задача, таким образом, состоит в придании клетке этих недостающих функций, в «разумном» управлении ее работой.

Устройства для молекулярной хирургии обычно называют молекулярными роботами (MP). MP могут изготовляться на основе биологических макромолекул (в основном белков). Такой подход называют молекулярной нанотехнологией. В этом случае принципы их работы известны, они аналогичны принципами работы белковых молекул. Это – изменения молекулярной структуры, результатом которых является изменение химических связей в молекуле (что является основой каталитической активности белков).

Это может выглядеть примерно так: синтезируется ген, кодирующий структуру MP; этот ген внедряется в бактерии, которые размножаются и синтезируют MP в необходимом количестве; далее (при необходимости) они модифицируются химическим способом. Проблема здесь состоит в проектировании MP. Основный элемент такого проектирования – моделирование молекул. Хотя его алгоритмы известны, но большой размер молекул делает расчеты очень трудоемкими. Сейчас подобные расчеты возможны только для анализа небольших модификаций в существующих молекулах. С учетом необходимости разработки конкретных типов MP и проведения дополнительных биологических исследований можно ожидать, что описанные ниже возможности будут доступны во второй четверти XXI века.

Другой подход к созданию молекулярных роботов заключается в изготовлении их из кристаллических материалов на основе углерода, кремния или металлов. Его реализация связана с прогрессом в уменьшении существующих твердотельных технологий (травление, напыление, выращивание кристаллов). Принципы их работы будут состоять в механическом воздействии на клеточные структуры или в создании локальных электромагнитных полей для детекции и инициирования химических изменений в биологических молекулах. Прогнозы здесь делать труднее, так как ключевые технологические процессы, необходимые для достижения наноразмеров, еще находятся на ранних этапах разработки.

Для медицинских применений перспективным может оказаться и гибридная технология для изготовления молекулярных роботов. Например, детекторы и манипуляторы изготовляются из органических молекул, а управляющее устройство может быть твердотельным, на основе кремния.

Важной проблемой во внедрении молекулярных роботов является их взаимодействие с управляющим суперкомпьютером. Здесь перспективным представляется использование магнитного поля, поскольку биологические ткани прозрачны для него. Магнитное поле может изменять структуру робота, заряжая его энергией и сообщая информацию, а для сообщения информации управляющему компьютеру молекулярный робот может сам изменять свою структуру, что будет зарегистрировано датчиками, расположенными вне тела человека. Аналогом такого подхода является томография на основе ядерного магнитного резонанса – метод, который сейчас широко используется для получения трехмерных изображений внутренних органов в реальном времени.

Впрочем, пока все это – дело довольно отдаленного будущего.

Глава 5. Альтернатива бессмертию – крионика

Крионика – это развивающаяся наука, которая интегрирует в себе криобиологию, криогенную инженерию и практику клинической медицины и применяет их для консервации людей путем их замораживания до ультранизких (криогенных) температур с целью переноса терминальных (обреченных на смерть от старости, болезни или несчастного случая) пациентов в тот момент в будущем, когда будет доступна технология для репарации клеток и тканей и будет возможно восстановление всех функций организма и здоровья в целом, когда можно будет вылечить все сегодняшние болезни, включая старение.

Хотя крионика применяется в Америке с конца 60-х годов, она еще не стала общепринятой процедурой (на сегодняшний день заморожено около 100 человек). Тому есть несколько причин. Одна из них – финансовый крах ведущих крионических организаций в конце 70-х годов, приведший к разморозке пациентов и, как следствие, к недоверию к надежности хранения (сейчас стратегия финансирования, приведшая к этому, заменена на более надежную). Другая – глубоко укоренившаяся в общественном сознании установка, что смерть неизбежна (обычно эта установка выражается в обильной религиозной и социологической аргументации о «полезности» смерти, в психологическом желании «быть таким, как все» – т. е. таким же мертвым). Третья – то, что многие люди по-настоящему не хотят жить долго, хотя они и декларируют это, но когда от них требуется предпринять какие-либо серьезные усилия для продления жизни (и заплатить достаточно большие деньги – от 30 тысяч долларов), большинство из них предпочитает спокойно умереть. Четвертая – то, что существуют лишь теоретические обоснования работоспособности крионики. Этого достаточно для убеждения людей, обладающих необходимой научной подготовкой и имеющих сильные мотивы, чтобы потратить усилия для анализа этих обоснований, но таких людей очень и очень немного. Для убеждения же большинства нужны экспериментальные результаты, которые можно будет получить после реализации возможностей нанотехнологии. (Стоит заметить, что ведущие американские специалисты в области нанотехнологии являются сторонниками крионики, а некоторые из них имеют и контракт на замораживание.)

В крионике существуют две основные проблемы, которые могут быть решены с помощью современной науки.

Первая – по существующим законам замораживать пациентов можно только после получения свидетельства о смерти, т. е. когда врачи будут убеждены, что современная технология реанимации уже не может их спасти (это не означает, что будущая медицинская технология, усиленная молекулярными роботами, не окажется в состоянии это сделать). Обычно на это уходит от нескольких десятков минут до нескольких часов. За это время организм получает достаточно серьезные повреждения на клеточном уровне из-за прекращения поступления кислорода. Однако теоретические оценки и ряд экспериментальных данных свидетельствуют о том, что структуры головного мозга, обеспечивающие долговременную память (а значит, целостность сознания и личности человека, его память о прошлом), за это время не успевают разрушиться. Это означает, что с точки зрения теории информации (а в медицине будущего лишь это будет настоящим критерием смерти) человек еще жив.

Другая проблема – современные технологии замораживания позволяют осуществить полный цикл замораживания-размораживания только для биологических объектов небольших размеров (несколько миллиметров). В более больших объектах как из-за неравномерного насыщения антифризом (без этого безопасное замораживание вообще невозможно), так и из-за возникающих температурных градиентов возникают многочисленные повреждения на клеточном (разрыв стенок клеток) и на тканевом (микротрещины) уровнях. Что делает простое размораживание, без предварительного исправления повреждений, невозможным.

Эти-то повреждения, а также последствия частичного разрушения клетки из-за кислородного голодания во время клинической смерти, и призваны ликвидировать молекулярные роботы (по предварительным расчетам, понадобится порядка миллиона миллиардов молекулярных роботов, их общий вес составит около полукилограмма, а время репарации-размораживания-реанимации-лечения-омоложения займет несколько месяцев). Операции MP будут примерно такими же, как и в случае антистарения. В частности, это будет означать, что после опосредованного MP размораживания и реанимации будет излечена и болезнь, явившаяся причиной смерти (например, рак или СПИД – ряд таких больных уже заморожен), затем оживший человек будет омоложен (самый старый человек был заморожен в 99 лет), более того, человек, погибший в результате несчастного случая или убитый, также может быть оживлен (так лежит замороженным адвокат, убитый недовольным его работой клиентом).

Как видим, бессмертие из области мифов и легенд становится предметом изучения науки. И хотя до реальных результатов еще далеко, последние открытия позволяют надеяться, что рано или поздно эликсир бессмертия будет найден. Правда, это вряд ли разрешит философские и нравственные проблемы человечества. Но это – тема для другой книги.

Какие еще тайны раскроет клетка?

Хотя изучение клетки человеческого тела длится уже много веков, ее основные тайны еще только предстоит раскрыть. Что заставляет клетку расти и делиться? Что (или кто) вдохнул в нее изначальную искру жизни? Если все клетки организма открыты, то в каких из них селится душа?

Это не такие риторические вопросы, как может казаться. Ведь последние исследования говорят, что у каждой клетки есть не только программа развития, предопределенная ДНК, но и собственная воля – воля сопротивляться разрушающим воздействиям или противостоять им, сохранять свою идентичность или сдаться мутогенным факторам. И пока мы не разгадаем, как именно клетка принимает решения, управлять ею будет невозможно.

Поэтому все открытия ученых, совершенные до настоящего времени, можно считать лишь подготовительным этапом перед решающим штурмом, который сможет открыть все то, что до последнего момента было тайным.

Впрочем, не зря один из мудрых сказал: «Чем больше я узнаю, тем меньше знаю». Возможно, нам достаточно будет осмыслить те факты, знанием о которых мы уже обладаем, чтобы перейти на новый уровень понимания законов жизни. А значит, торопиться не стоит…

Библиография

Берн Дж. «Y-хромосома и могущество»/Jerome Burne Y and mighty//The Guardian, 18 August 2001.

Васильев Ю. M. Социальное поведение нормальных и антисоциальное поведение опухолевых клеток // «Соросовский образовательный журнал», № 4, 5/1997.

Викторов И. В., Сухих Г. Т. Медико-биологические аспекты применения стволовых клеток//Вест РАМН, 2002; 4.

Галицкий В. А. Возникновение эукариотических клеток и происхождение апоптоза//Цитология, 2005 – Т. 47, вып. 2.

Гофман В. Тайны клеточной памяти//Еженедельник «Аномальные новости», № 9, 2009.

Григорович С. Вначале была РНК? В поисках молекулы первожизни//Наука и жизнь, № 2 (2004).

Жибурт Е. Б. Стволовые клетки в службе крови //Трансфузиология, 2003; 2(4): 63–75.

Кащенко С. А., Майоров В. В. Модели волновой памяти. М.: Либроком, 2009.

Клёсов А. Откуда появились славяне и индоевропейцы? Ответ дает ДНК-генеалогия//Независимый альманах «Лебедь», № 574, 7 сентября 2008.

Козубовский В. М. Общая психология: методология, сознание, деятельность. – Мн.: Амалфея, 2007.

Колхир П. В. Доказательная аллергология-иммунология – М.: Практическая медицина, 2010.

Курило Л. Ф. Некоторые этические вопросы технологии эмбриональных стволовых клеток//Проблемы репродукции, 2000; 3: 6-12.

Репин В. С. Трансплантация клеток: новые реальности в медицине//БЭБМ, 1998; прил. 1: 14–28.

Репин В. С. Эмбриональная стволовая клетка: от фундаментальных исследований в клинику//Патологическая физиология и экспериментальная терапия – 2001; 2: 3–8.

Репин В. С, Ржанинова А. А., Шаменков Д. А. Эмбриональные стволовые клетки: фундаментальная биология и медицина. – М.: РеМеТэкс, 2002.

Сухих Г. Т. Трансплантация фетальных клеток в медицине: настоящее и будущее//БЭБМ, 1998; прил. 1: 3-13.

Сухих Г. Т., Малайцев В. В. Нейральная стволовая клетка: биология и перспективы нейротрансплантации. – БЭБМ, 2001; 3: 244–255.

Уиллет Э. Генетика без тайн. – М.: ЭКСМО, 2008.

Ярошевский М. Г. Наука о поведении: русский путь. М.; Воронеж: Изд-во «Ин-т практической психологии», 2006.

Михаил Вейсман Тайная жизнь тела: клетка и ее скрытые возможности