1. Вирусы – совсем не то, что вы себе представляли
Вирусы: история успеха
Слово «вирус» у людей зачастую вызывает раздражение: «Фу, уберите это отсюда» – или «Будьте осторожны: это зараза, можно заболеть!». Однако данная книга написана с противоположных позиций: на самом деле вирусы лучше своей расхожей репутации. Гораздо лучше. Здесь изложена удивительная, иная сторона представления о вирусах. Вирусы – друзья, а не враги!
Вирусология полностью изменилась. Изменение парадигмы произошло как-то незаметно, и в настоящее время фокус сместился с восприятия вирусов как возбудителей заболеваний на их положительные качества: вирусы как фактор эволюции, вирусы и инновации, вирусы у истоков жизни на Земле или по крайней мере их присутствие на планете с момента зарождения на ней жизни. На протяжении истории развития человечества вирусы являются нашими своеобразными «бодибилдерами» или генными модуляторами. Что такое вирусы? Откуда они взялись? Являются ли вирусы живыми микроорганизмами? В силу каких причин и при каких условиях они становятся возбудителями заболеваний? Ознакомившись с этой книгой, вы, уважаемый читатель, сможете ответить на следующие вопросы: готовы ли вы, как и раньше, плавать в море; действительно ли детские соски-пустышки, произведенные в странах Восточной и Юго-Восточной Азии, могут вызывать развитие рака и нужно ли от них отказываться; надо ли бояться салата из-за наличия в нем большого количества вирусов, вызывающих вирусные заболевания растений?
Из этой книги вы немало узнаете о том, как устроена жизнь: о строении клеток и генов, о вкладе вирусов в способность организмов адаптироваться к внешним условиям, вы зададитесь вопросом, могут ли вирусы влиять на свободную волю человека, и почерпнете информацию о степени нашего «родства» с бактериями и червями и о том, как вирусы могут заменить секс. Вы узнаете, что именно вирусы «изобрели» все иммунные системы и «вооружили» клетки противовирусной защитой. Разобраться в этих вопросах гораздо проще, чем может показаться, и я это утверждаю, исходя из собственного опыта. Какова роль вирусов в развитии рака и как вирусы используются в генной терапии? Действительно ли «прыгающие» гены, которые не что иное, как «запертые в клетке вирусы», отвечают за гениальность? Известно ли вам, что вирусы способны «видеть»? На самом деле это почти так, и они воспринимают мир в голубом цвете! Из книги вы узнаете, какие меры были предприняты для спасения каштановых деревьев, откуда на тюльпанах появились полоски, а на голубых балконных петуньях белые вкрапления (все дело, конечно, в вирусах) и как вирусы вызвали первый финансовый кризис, называемый «тюльпаномания». И наконец, треть населения планеты, вероятно, хочет знать, как контролировать массу тела или бороться с ожирением. (И тут дело в вирусах? Да, конечно.) Вирусы всегда были и до сих пор причастны ко всему вышеупомянутому. А теперь давайте рассмотрим «историю успеха» вирусов.
В 2009 г., когда отмечалось двухсотлетие со дня рождения Чарлза Дарвина, я обедала с коллегами из Института специальных исследований в Берлине. Во время разговора я поинтересовалась их мнением о происхождении жизни на Земле. Среди моих собеседников были философы, историки, социологи и юристы – что они думали по этому поводу? Большой взрыв? «И уж конечно же, не Адам и Ева», – сказали они, отвергая учение о сотворении мира. Но их реакция на мой вопрос в целом вызвала ощущение растерянности и беспомощности. «Раз именно вы задаете этот вопрос, – отметил один из ученых, – значит, это имеет какое-то отношение к вирусам». Да, именно так я и думаю: вирусы были в самом начале или по крайней мере оказали влияние на жизнь вскоре после ее зарождения.
История медицины обусловила формирование одностороннего представления о вирусах как о возбудителях заболеваний. Мы узнали о вирусах именно от медиков. Большинство вирусных заболеваний неизлечимо – эффективного лечения нет, что способствовало формированию негативного мнения о вирусах. На протяжении веков люди были бессильны против вирусных инфекций. Полиомиелит, корь, ветряная оспа и грипп уничтожали культуры, решали исход войн, приводили к разрушению городов и истребляли население на огромных территориях. Люди были не в состоянии отличить вирусные инфекции от бактериальных, но, в сущности, в этом не было необходимости, поскольку, как свидетельствуют результаты самых последних исследований, бактерия Yersinia pestis, возбудитель чумы, приобрела столь выраженный смертоносный характер в силу воздействия на нее фага – вируса, обитающего в бактерии.
Во многих европейских городах есть мемориальные «чумные колонны» – так, в Вене это Pestsäule, популярное место встреч в наши дни. Собор Санта-Мария-делла-Салюте в Венеции сегодня напоминает о «черной смерти» 1347 г., о страхе перед инфекцией и о благодарности выживших. Венеция ежегодно красочным парадом гондол чтит память умерших от чумы, однако город так и не смог полностью оправиться от нанесенного чумой урона. В Мексике испанские конкистадоры одержали победу над индейцами майя в основном благодаря кори, которая местному населению была незнакома и потому оказалась для него смертельной. Майя отомстили, заразив своих завоевателей сифилисом, и так это заболевание попало в Европу. Исход Первой мировой войны по крайней мере частично был предопределен эпидемией гриппа, которая унесла около 100 млн жизней. С 1981 г. от ВИЧ/СПИДа в мире умерло около 37 млн человек, и ежегодно отмечается инфицирование еще 2 млн.
Человечество научилось отличать вирусы от бактерий лишь в последние сто лет. Самое очевидное различие – это размер. Вирусы в большинстве случаев меньше бактерий (хотя бывают и исключения из этого правила), и по крайней мере в настоящее время их репликация зависит от клеток, включая клетки животных, растений и бактерий. Бактерии, в отличие от вирусов, могут размножаться автономно. В настоящее время вирусы не обладают такой способностью, хотя, вполне возможно, в далеком прошлом они могли это делать. Как бактерии, так и вирусы являются возбудителями заболеваний. Антибиотики уничтожают бактерии, но не вирусы. Если врач все же назначает антибиотики, значит, это делается для профилактики развития у пациента бактериальной суперинфекции. Существует очень много книг о вирусах как возбудителях заболеваний. На протяжении многих лет именно этому я учила студентов-медиков в Берлинском и Цюрихском университетах. Но в этой книге я пишу совершенно о другом.
Альтернативный взгляд на проблему тоже нужен. Благодаря новым технологиям вирусология с начала века полностью изменилась. Если ранее мы воспринимали вирусы как врагов человека и животных и даже всех форм жизни, то в настоящее время осознаём, что вирусы внесли свой вклад в зарождение жизни на Земле и с тех пор по сей день оказывают положительное влияние на развитие всего живого на планете. За последние 10 лет или около того наши представления обо всех микробах – вирусах и бактериях – кардинально изменились. Новые методы, новые экспериментальные подходы и новые чувствительные методы детектирования позволили выяснить, что вирусы далеко не только патогенны. Разве не удивительно, что вирусы не распространяются быстрее, чем это происходит, учитывая, что ежегодно совершается более 3 млн авиарейсов с пассажиропотоком около 300 млн человек, и при этом воздух на борту самолета просто рециркулируется, а не очищается с помощью дорогостоящих стерилизующих фильтров. Большинство вирусов и других микроорганизмов безвредны для своих хозяев, и это нужно помнить.
Вирусы – повсюду. И как вы узнаете далее, они самые древние биологические организмы на планете и, вне всякого сомнения, самые распространенные. Человек как вид появился в мире, который существовал до нас миллиарды лет. Мы пришли в этот мир совсем недавно, населяем планету меньше нескольких сот тысяч лет. Те, кто не смог справиться с существовавшими микроорганизмами, вымерли, другие же научились сосуществовать с ними. Нам не известно, сколько популяций погибло от болезней и были ли среди них неандертальцы. Важно отметить, что заболевания развиваются при нарушении баланса, а изменение условий среды происходит при несоблюдении правил гигиены, во время путешествий, в перенаселенных городах, вследствие исчезновения лесов, водоемов, загрязнения окружающей среды и близкого контакта с другими видами – носителями неизвестных нам вирусов (зооноз). Новые для организма микробы могут вызвать заболевание, а на организм, привыкший к этим микробам, они не оказывают негативного воздействия. В большинстве случаев мы сами виноваты в том, что заболели, – довольно категоричное заявление! Приведу простой пример: человек простыл, а это значит, что при изменившейся температуре создаются более благоприятные условия для репликации некоторых вирусов, что и приводит к развитию заболевания, в частности ринита или гриппа. «Принцип простуды» – вот в чем суть вирусологии! В норме организм человека находится в хорошо выверенном балансе с окружающей средой; заболевание развивается, только если баланс нарушен или организм оказывается в необычных для себя условиях. В этом случае возникают условия для репликации вирусов, и мы заболеваем.
Новое тысячелетие началось с события, вызвавшего удивление. Две научные публикации изменили наш взгляд на мир. В одной из этих статей показано, что вирусы составляют половину всего нашего генетического материала, нашего генома, всех наших генов, а во второй речь идет о том, что микроорганизмы доминируют везде – вокруг и внутри нас. Обе эти публикации основаны на новой, появившейся в конце прошлого века технологии секвенирования – определения последовательностей крупных геномов, в частности генома человека. В первой из этих двух публикаций, которая появилась в 2001 г., описано определение последовательностей наших генов, состоящих из 3,2 млрд пар строительных блоков – нуклеотидов. Это было результатом огромных усилий и многомиллионного финансирования. Никто не представлял, из чего, собственно, состоит наш геном. Ответ – из вирусов. Геном человека почти наполовину состоит из вирусов или по крайней мере вирусных последовательностей, «недовирусов», или остатков древних вирусов, населяющих наш геном миллионы лет. Вполне возможно, что гены прочих организмов могут содержать до 85 % вирусных последовательностей. А где предел? 100 %? Далее мы вернемся к этому вопросу. Еще более удивителен тот факт, что эти вирусоподобные элементы могут перемещаться, они могут «прыгать» и наши геномы постоянно меняются. Еще один удивительный факт: все геномы всех особей на планете взаимосвязаны. На генетическом уровне мы все родственники: мухи и прочие насекомые, водоросли и планктон, черви и даже пекарские дрожжи, бактерии, растения, грибы и так далее до человека, и конечно, вирусы, поскольку они являются «поставщиками» многих генов.
Консорциум, намеревавшийся сопоставить большое количество геномов в рамках проекта «Геном человека» (HGP), представил результаты этой работы в одной из самых объемных публикаций, которые я когда-либо видела в журнале Nature.
В последнее время были разработаны новые методы, позволяющие оценить количество вирусов на нашей планете. На Земле вирусов больше, чем звезд на небе: 1033 вирусов, 1031 бактерий и «лишь» 1025 звезд и скоро будет около 1010 людей. Мы захватчики в мире микроорганизмов, и никак иначе. Огромное количество микроорганизмов, бактерий, архей, вирусов и грибов населяет организм человека и доминирует в окружающей среде. В нашем кишечнике несколько килограммов бактерий и вирусов, но они не являются возбудителями заболеваний. Наоборот, они способствуют перевариванию и усваиванию различных веществ, в том числе и незаменимых, которые иным образом организм получить не может. Помимо этого, микроорганизмы находятся на кожных покровах, на слизистой ротовой полости, влагалища, на пальцах рук и ног и в репродуктивной системе, формируя локально-специфические сообщества бактерий и вирусов. Это весьма неожиданное наблюдение о повсеместном присутствии микроорганизмов стало результатом недавно проведенного широкомасштабного анализа микробиоты человека в рамках проекта «Микробиота человека» (HMP). Это своего рода продолжение проекта «Геном человека» (HGP). Новое понятие «микробиота» означает последовательность всех микроорганизмов в образце без уточнения отдельных микроорганизмов. «Изучаем всё сразу» – таков принцип исследования. Эта вторая сенсационная статья была опубликована в 2010 г. И с тех пор вопрос о роли микробиоты в функционировании кишечника человека, в процессе пищеварения, поддержании нормального состояния организма или развитии заболеваний, включая такие актуальные, как ожирение и даже аутизм и, как ни странно, депрессия и беспокойство, – привлекает пристальное внимание. Равно как и связанный с этим вопрос о еде, а конкретнее: что такое правильное питание? Одинаково ли оно для японцев и итальянцев? Мы не знаем даже этого! А ведь вирусы влияют и на это, они в астрономическом количестве присутствуют в Мировом океане, а любая тарелка салата полна вирусов – и их невозможно смыть, поскольку они внутри клеток, – и всё же они безвредны. Вирусы – повсюду, равно как и бактерии и, возможно, все прочие микроорганизмы, и все они никак не связаны с болезнями. Это – новая информация, которая появилась лишь в начале нашего века благодаря новой технологии секвенирования генов, которая за последние десять лет стала в несколько миллионов раз дешевле и быстрее.
Человек – суперорганизм, целостная экосистема. В организме здорового человека 1013 аутентичных человеческих клеток, наших «собственных». Кроме того, наш организм является хозяином еще 1014 бактерий, а помимо этого, еще и вирусов, которых больше как минимум в 10–100 раз. Наш геном, состоящий примерно из 20 000–22 000 генов, дополнен до более чем нескольких миллионов генов, что в 350 раз превышает число генов в наших истинно человеческих клетках. Микроорганизмы есть в кишечнике человека и на его коже, и если спросить, действительно ли их не следует смывать в душе, я бы ответила: «Нет!» Это полезные микроорганизмы, они защищают нас от чужеродных микроорганизмов.
Последовательности вирусных и бактериальных геномов входят и в наш геном. Это кажется невероятным. Что в нас осталось от человека? Одной из причин, почему я взялась за эту книгу, было желание рассказать об этом как можно большему числу людей.
Бактерии называют нашим вторым геномом. Это общепризнанное представление. Нам придется добавить к ним вирусы в качестве третьего генома. А кроме того, существуют миллионы грибков. Они – наш четвертый геном? А как насчет архей? Да, конечно, они тоже вносят свой вклад.
Для данной экосистемы нехарактерно перманентное состояние войны – это не уничтожение, а своего рода «игра в пинг-понг», основанная на хорошо сбалансированном сосуществовании и коэволюции. Понятие «война» в данном случае неприменимо. Опасность возникает только при нарушении равновесия. В большинстве случаев люди сами виноваты в своих заболеваниях. Вирусы и бактерии ведут себя весьма рационально. Они с выгодой для себя используют необычные ситуации и слабости своих хозяев. Такое представление я считаю приемлемым, а вот слово «война» в данном контексте не принимаю.
Еще одной новостью стало открытие гигантских вирусов, мимивирусов – самых больших из когда-либо открытых вирусов, которые по размеру превосходят многие бактерии. Эти вирусы даже могут быть «хозяевами» более мелких вирусов. Они обладают рядом характеристик, напоминающих скорее бактерии. Сначала их и описывали как «мимикрирующие бактерии», в связи с чем и назвали мимивирусами. Таким образом, не существует четкой границы между вирусами и бактериями, а мир вирусов и бактерий постоянно меняется. Все известные определения вирусов устарели. И какое же теперь определение вирусу мы можем дать? Как насчет «переходного звена» между живым и неживым?
После Большого взрыва
Большой взрыв произошел почти 14 млрд лет назад. С этого началась Вселенная, но не жизнь! С тех пор Вселенная постоянно расширяется. Солнце возникло 4,5 млрд лет назад, и среди астероидов и космических тел, населяющих Вселенную, сформировалась наша Солнечная система. Под действием силы гравитации твердые тела и газ соединялись и формировались более тяжелые элементы. Они сталкивались и группировались, образуя планеты, вращающиеся вокруг Солнца. В настоящее время большинство некрупных астероидов не в состоянии пройти через атмосферу Земли, это так называемые падающие звезды, которые можно наблюдать в ночном небе, ярко вспыхивающие и умирающие.
Только крупные астероиды могут достичь поверхности Земли. Астероиды, долетавшие до Земли, доставили из космоса ряд химических элементов, известных нам по периодической таблице Менделеева. Мы состоим из «космической пыли», что звучит довольно поэтично.
Взаимодействие кислорода и железа – дело непростое, одного только столкновения недостаточно, нужна еще энергия, выделяемая при взрыве сверхновых звезд. Я всегда удивляюсь тому, как железо стало центральным фрагментом молекулы гемоглобина – нашего «эликсира жизни»! Кусок железного метеорита есть и в моей кунсткамере (коллекция диковинных вещей, включая окаменелости, например аммониты, ракушки, куски окаменевшего дерева, янтарь и кораллы; к сожалению, невозможно собирать ископаемые вирусы, как бы мне бы этого ни хотелось). Однажды в Кампо-дель-Сьело («Небесное поле» – какое примечательное название), на севере Венесуэлы, упал железный метеорит. Это темный и очень тяжелый кусок железа, поэтому я поверила, что это метеорит (материал, появившийся на Земле в результате падения астероида) и ему действительно 500 млн лет, хотя я не в состоянии это доказать. Некоторые люди считают, что метеорит обладает чудодейственной силой и лечит от болезней, но я думаю, что нет! Недавно я пополнила свою коллекцию диковинных вещей банкой Coca-Cola – зачем? Потом поймете.
В школе мы изучаем планеты: Меркурий, Венеру, Землю и Марс. Огромный Юпитер находится на более удаленном расстоянии, а его сила гравитации препятствует слипанию астероидов, поэтому из тысяч астероидов образовался пояс астероидов. Этот пояс называется «зона обитания», поскольку некоторые исследователи надеются найти там внеземные формы жизни. Один из этих астероидов, Церера, представляет особый интерес, поскольку в 2014 г. космические агентства обнаружили там облака и предположили, что астероид покрыт льдом, под которым находится вода. Как мы знаем, вода – важнейший элемент для развития жизни. Так могла ли существовать жизнь на Церере? Если бы мы нашли ответ на этот вопрос, то узнали бы больше о своем происхождении. РНК, вирусы и бактерии – полагаю, именно их и следует искать.
Откуда на Земле вода? Это интересный вопрос, во многом остающийся открытым. Действительно ли «грязные снежки», подобные Церере, занесли на нашу планету воду из космоса, а «грязная пыль» способствовала кристаллизации и превращению воды в лед? Могли ли быть «снежки» настолько большими, что они обеспечили водой Голубую планету, которая выглядит голубой из космоса, потому что 2/3 ее поверхности покрыто водой? Астрофизик Анна Фребель рассчитала, что в каждой банке Coca-Cola может содержаться 5 % первичной воды, которая прослеживается в глубины веков, вплоть до Большого взрыва, произошедшего 14 млрд лет назад. Поэтому я и добавила банку этого напитка в свою коллекцию диковинных вещей.
Примерно 4 млрд лет назад космический объект размером с Марс столкнулся с Землей, в результате чего была «вытолкнута» и Луна (по крайней мере так гласит ведущая теория образования спутника Земли). С тех пор Луна отдаляется от Земли на 3,8 см в год. Луна определяет ритм смены дня и ночи с периодом, который увеличился с шести до 24 ч. На начальных этапах появления жизни на Земле Луна играла важную роль. Марс находится слишком далеко от Солнца, а Венера – слишком близко, и потому там слишком жарко. Юпитер выполняет функцию нашего охранника: его масса в 300 раз больше Земли и он притягивает космические обломки Вселенной, астероиды, предотвращая их падение на Землю. Нам везет… пока. Всегда существует угроза, что один из этих астероидов может столкнуться с Землей. В 2029 г. ожидается столкновение с Землей астероида Апофиз. Некоторые недавно проведенные расчеты показывают, что столкновения все же удастся избежать!
Жизнь возникла на Земле около 3,8 млрд лет назад. Это произошло примерно через 10 млрд лет после Большого взрыва. Форма коры Земли в то время очень сильно отличалась от того, как она выглядит сейчас, и поверхность дрейфовала на внутреннем расправленном слое планеты. Смещение тектонических плит продолжается до сих пор, и расстояние между Америкой и Европой каждый год увеличивается на 2,5 см. В Азии столкновение тектонических плит привело к образованию Гималайских гор, и тектонические процессы продолжаются до сих пор, вызывая ужасные землетрясения. Границы тектонических плит можно определить на всем земном шаре по вулканическим огненным кольцам. В точках соприкосновения континентов океаническое дно разверзлось, образовались вулканы, произошел выброс магмы, которая быстро затвердела на дне океана. Так возникли подводные кратеры, гидротермальные струи или «черные курильщики». Из этих вулканов, расположенных на дне океанов, происходил выброс черной пыли и дыма. В силу высокого давления на таких глубинах температура воды может достигать 400 °С. Вот где-то здесь и зародилась жизнь. Эта концепция в настоящее время принята практически всеми учеными. Солнечные лучи не в состоянии проникать в толщу воды на глубину более 200 м, поэтому Солнце не может рассматриваться как источник энергии, и вероятнее всего, на ранних этапах формирования жизни источниками энергии стали химические реакции. Появление жизни на Земле без солнечного света происходило под воздействием энергии, выделяемой в результате химических реакций. Это и стало двигателем жизни. По мнению многих ученых, именно там образовались первые биомолекулы, такие как РНК. Нуклеотиды, строительные блоки, из которых состоит РНК, имеют довольно сложную структуру. «Ну и как же они могли появиться первыми?» – возразят некоторые ученые. Сегодня образование нуклеотидов можно смоделировать в лабораторных условиях. Совсем недавно английский химик Джон Сазерленд получил в реакционном сосуде все три основных строительных блока жизни (нуклеотиды для нуклеиновых кислот, аминокислоты для белков и жирные кислоты для жиров) из очень простых веществ и химических соединений: цианистого водорода, сероводорода, фосфора, воды (HCN, H2S, P, H2O) и в данном случае энергии в форме ультрафиолетового излучения. Как указывают авторы, для ускорения многостадийной однореакторной реакции были использованы некоторые минералы. В качестве катализаторов для пребиотических химических реакций взяли цинк и медь. Таким образом, весь биологический материал мог образоваться одновременно. Как мне представляется, в основе появления жизни лежали простые условия. Простые только на первый взгляд.
Вместо Адама и Евы
Зарождающаяся жизнь сама создала условия роста. Она не приспосабливалась к окружающей среде, но создавала необходимые условия, особенно что касается кислорода. Солнечный свет способствовал повышению (путем фотосинтеза) концентрации кислорода, который постепенно заменял преобладающий в атмосфере метан и стал основой дыхания млекопитающих. Около 2,2 млрд лет назад Земля превратилась в ледяной шар, но жизнь продолжала существовать. Где же она укрылась? Может быть, около «печки» Земли – горячих подводных гидротермальных выходов? Это они сохранили жизнь на Земле и не дали ей погибнуть? Правда, возможно, что жизнь возникла не в теплых условиях, а в условиях холода; вполне может быть, что первые формы жизни существовали внутри кристаллов льда, где вода течет по каналам, и вероятно, некоторые молекулы могли послужить основой для образования биомолекул, таких как РНК. У этой теории есть сторонники, поскольку в кристаллах льда, где циркулирует жидкость, была обнаружена РНК. Кроме того, модельная РНК изучается в лабораторных условиях после глубокой заморозки, чтобы выяснить, претерпевает ли она какие-либо изменения, мутирует или как-то эволюционирует. Находясь поблизости от «черных курильщиков», жизнь быстро развивалась, и 2 млрд лет назад океаны были уже населены бактериями, одноклеточными организмами, росли колонии морских водорослей, а 600 млн лет назад развились губки, медузы и черви, 500 млн лет назад появились крабы с твердым панцирем, кораллы и первые животные с зубами. Затем наступил так называемый Кембрийский взрыв, ознаменовавшийся впечатляющим ростом числа форм жизни. Появились первые позвоночные. 300 млн лет назад появились целакантообразные рыбы. Целакант (Coelacanth) считался вымершим видом, но в 1999 г. директор одного музея, находясь в Южной Африке, случайно увидел такую рыбу в рыбацкой сети. Ее геном секвенировали, что помогло реконструировать переход от плавников к лапам. Такое заключение стало возможным по результатам анализа генов! 250 млн лет назад Земля представляла собой один суперконтинент Пангею. В этот период произошло первое массовое вымирание, и у меня возникает вопрос: а не может ли нечто подобное повториться?
65 млн лет назад в результате катастрофы на Земле погибло до 90 % всего живого. Это было обусловлено падением астероида, огромного метеорита размером с Гималайские горы, в районе полуострова Юкатан в Мексике; образцы океанского грунта, собранные Центром морских исследований MARE (Бремен), подтверждают факт падения. 15-сантиметровый пласт содержит продукты горения и золу. Этот слой получил название мел-третичной (К-Т) границы, указывающей на переход от мелового периода мезозойской эры к третичному периоду кайнозойской эры, и его следы обнаруживаются по всему миру. Неожиданное увеличение концентрации иридия, называемое «иридиевая аномалия», также считается подтверждением столкновения Земли с объектом внеземного происхождения. Падение этого астероида вызвало стометровые цунами, солнце заволокли облака пыли, и началось вымирание динозавров. Их гибель открыла путь другим видам животных, мелким, размером с мышь, которые были всеядны, что и помогло им выжить. Они могли найти защиту в подземных норах. И наконец, на сцене появились мы! 5 млн лет назад появились обезьяны. Шимпанзе – наши ближайшие родственники, генетически мы совпадаем на 98,4 %. Чем мы отличаемся от шимпанзе? Не только более крупным мозгом, но еще и специальными – комбинаторными – свойствами наших генов, которые сделали нас более сложными. На этом вопросе мы остановимся позже. 3,2 млн лет назад на территории Восточной Африки жила Люси, наш самый древний предок, австралопитек. 1,7 млн лет назад появился Homo erectus, выходец из Африки. Вполне возможно, что Homo erectus уже мог добывать огонь и использовать его. Мог ли он говорить? Он вымер. Затем 200 000 лет назад появился Homo sapiens, и опять же в Африке, после чего 60 000 лет назад он заселил Евразию. Неандертальцы жили в период 200 000–40 000 лет назад, после чего вымерли. Почему они вымерли? От голода, патогенов, болезней, похолодания или изменения климата? Они оставили наскальные рисунки в пещерах и несколько генов в нашем геноме. Позволю себе сделать одно замечание: я, в отличие от некоторых газетных колумнистов, не очень удивлена. Тем не менее я не верю отчетам, согласно которым неандертальцы страдали депрессией, которой и в наши дни подвержены некоторые люди. Кто-нибудь знает последовательность гена депрессии?
12 000 лет назад наши предки, охотники и собиратели, осели на земле и стали земледельцами, держали скот. Затем наши предки начали пить молоко, или по крайней мере большинство из них. Некоторые, как я, например, до сих пор не могут к нему привыкнуть. Чтобы организм мог переваривать молоко, необходима определенная мутация. Молоко защищает человеческий организм от дефицита витамина D, что является селективным преимуществом для людей, проживающих в северных регионах и испытывающих недостаток в солнечном свете. Примерно 12 000 лет назад закончился последний ледниковый период и люди перешли из Сибири в Америку. Это было началом нашей цивилизации.
Соседство домашнего скота и людей привело к передаче от животных человеку заболеваний, известных как зоонозы. Животные и по сей день остаются самым распространенным источником инфекционных заболеваний. Так, мясо лесной дичи, содержащее обезьяний вирус, попало в пищевую цепочку человека, вызвав возникновение ВИЧ, а крыланы стали источником вируса Эбола. За последние 2,5 млн лет было 20 ледниковых периодов, а потепление было скорее промежутками между ледниковыми периодами. Одна из причин этого явления – изменение орбиты Земли вокруг Солнца каждые 100 000 лет. Есть простой способ запомнить периодичность наступления ледниковых периодов: 450 000, 350 000, 150 000 и 50 000 лет назад. Последний ледниковый период закончился примерно 12 000 лет назад. Цикл прецессии оси вращения Земли составляет 24 000 лет, что влияет на климат. В следующий раз климат изменится при наступлении очередного ледникового периода, и это произойдет через 39 000 лет. Но кого сейчас волнует проблема глобального похолодания? Наоборот, мы обсуждаем проблему глобального потепления. В истории нашей планеты не известны модели, объясняющие быстрое изменение климата, но поскольку были ледниковые периоды, то должны были наблюдаться и периоды глобального потепления.
Сначала были вирусы
«Все должно начинаться с чего-то маленького и простого». Это утверждение кажется логичным, но существуют и другие точки зрения. Геном бактерий и архей состоит примерно из 1 млн нуклеотидов, что слишком много для начала. По крайней мере я так думаю. Должно было быть что-то поменьше, гораздо меньше, и более примитивное: возможно, комбинация нескольких молекул, биомолекул в часто упоминаемом дарвиновском «маленьком теплом пруду». Вполне возможно, что РНК как первая биомолекула легла в основу древа жизни. Ученые, открывшие гигантские вирусы, приводят веские доводы в пользу гипотезы о том, что сначала появились гигантские вирусы, но может оказаться, что это необъективная точка зрения – эти вирусы слишком большие, чтобы быть первыми. Первая РНК уже как бы «голый» вирус, а точнее вироид. И такая РНК до сих пор обитает в наших клетках. (Ниже мы подробнее остановимся на этом вопросе.)
С самых ранних времен вирусы находятся повсюду; никакие пипетки, используемые для исследования вирусов, никакие мировые эпидемии не могли бы вызвать столь широкое и повсеместное распространение вирусов – они «заполняют» все без исключения живые существа. В конце концов, известно, что на планете существует 1,8 млн известных вирусов и примерно в 10 раз больше неизвестных, не говоря уже о бактериях. Ничто в мире не свободно от вирусов, но исследователи, в том числе и я, продолжают искать такие исключения. Мне не удалось найти ни одной биологической системы без вирусов, хотя, пожалуй, есть одна – это круглый червь Caenorhabditis elegans. У него сильнейшая противовирусная защита! Следовательно, и он когда-то подвергался воздействию вирусов, поскольку без вирусов не бывает и противовирусной защиты! Позже вы сами убедитесь в этом.
Как Дарвин представлял себе происхождение жизни на Земле? Будучи человеком обстоятельным, вот что Дарвин в 1871 г. писал своему другу ботанику Джозефу Хукеру, директору Садов Кью в Лондоне: «Часто говорят, что в настоящее время есть все условия, какие только можно себе представить, для образования первых живых организмов. Но если (это “если” с таким большим допуском!) представить себе, что в каком-нибудь маленьком теплом пруду, где есть все азотистые и фосфорнокислые соли, источники тепла и света, электрическая энергия и т. д., образовалось бы в результате химических процессов некое белковое соединение, готовое к более сложным изменениям, то в нынешних условиях такое соединение было бы немедленно сожрано или абсорбировано, чего не произошло бы до возникновения живых существ». Следовательно, в настоящее время не так-то просто воссоздать условия, при которых в свое время возникла жизнь. Мы не знаем, какими были эти первоначальные условия на Земле. И все же Дарвин не исключал, что все живые существа на Земле имеют единое происхождение. Будучи по образованию физиком, я с энтузиазмом разделяю эту простую мысль.
Я опубликовала статью «Являются ли вирусы нашими самыми древними предками?» (Отчет Европейской организации молекулярной биологии, EMBO, 2012). В конце названия статьи стоял вопросительный знак, поскольку никто в этом не уверен до конца. Статью поместили в разделе «Мнение». Вскоре читатель прислал мне по электронной почте письмо, в котором писал о Феликсе д’Эрреле – о нем и его коллеге Джоне Бёрдоне Сандерсоне Холдейне мы поговорим более подробно позже. Так вот, еще в 1920-е гг. оба эти исследователя опубликовали эссе с идеей, что, возможно, жизнь началась с вирусов. В это время Феликс д’Эррель только что открыл фаги, вирусы бактерий. Непосредственно после этого оба исследователя предположили, что вирусы, обладающие способностью к саморепродукции, имеют, по определению Дарвина, «первобытное происхождение». Я разделяю эту точку зрения. Однако современники д’Эрреля и Джона Бёрдона Сандерсона Холдейна решительно отвергли эту идею.
Ежегодно нью-йоркский литературный агент и публицист Джон Брокман в рамках проекта Edge задает ведущим ученым вопрос о будущем знании. В 2005 г. вопрос был следующим: «Во что мы верим, но не можем доказать? Что думают ведущие мыслители о науке в эпоху неопределенности?» Мой ответ был бы: «Сначала появились вирусы!» А теперь давайте дадим точное определение вируса.
Оглядываясь назад
Что такое вирус? Прежде всего понятие «вирус» переводится с латыни как «сок», «слизь», «яд».
Мой коллега Экард Уиммер из Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук изучает одну из самых мелких вирусных частиц, а именно возбудитель полиомиелита, который состоит из 3 326 552 атомов углерода, 492 288 атомов водорода, 1 131 196 атомов кислорода, 98 245 атомов азота, 7501 атома фосфора и 2340 атомов серы. Поскольку удалось определить молекулярный состав этих вирусных частиц, он охарактеризовал вирус как химическое соединение, по крайней мере пока вирус находится вне клетки. Как только он проникает в клетку, то перестает быть химическим соединением, поскольку самостоятельно реплицируется и размножается. Такое существование в двух формах довольно уникально. В таком случае сам по себе человеческий организм тоже всего лишь химическое соединение? Это не так.
Всего 120 лет назад был проведен эксперимент по передаче болезнетворных вирусов. Фильтратом экстракта из растений табака, пораженных мозаичной болезнью, обработали здоровые листья, и они оказались инфицированными. Это открытие в 1892 г. сделал русский ботаник Дмитрий Ивановский. Однако он полагал, что имеет дело с чем-то имеющим отношение к бактериям. Поэтому считается, что вирус был открыт голландским микробиологом Мартином Бейеринком, хотя сам Бейеринк признавал труды Ивановского. Бейеринк ввел понятие «вирус», чтобы отличать его от более крупных бактерий, которые не могут проходить сквозь фильтры, так называемые «фильтры Шамберлана», через которые проходят только небольшие вирусы. Почти в то же время (в 1898 г.) Фридрих Леффлер и Пауль Фрош выявили у животных небольшие трансмиссивные вирусы – возбудители ящура, поражающего крупный рогатый скот. Этот очень заразный вирус поражает коров. Поэтому первый научно-исследовательский институт по изучению этого вируса был основан на полуострове в Балтийском море. Однако из-за сильного ветра вирус распространился и оттуда. Исследовательский институт, названный в честь Леффлера и Фроша, является самым крупным в Европе исследовательским центром такого рода. Его повторное открытие несколько лет назад привлекло внимание такого числа любопытных, что в итоге туда не попал никто из-за транспортной пробки. Институт располагает огромными стерилизационными камерами (автоклавами), в которых можно дезинфицировать даже коровьи туши.
До недавнего времени считалось само собой разумеющимся, что все вирусы малы по размеру и представляют собой наночастицы, что их можно обнаружить только при помощи электронного микроскопа, их невозможно отфильтровать, они имеют ДНК или РНК, которая часто находится в симметричных белковых структурах, например икосаэдрах; они самостоятельно не реплицируются и являются паразитами, для репликации им нужны клетки, они не способны осуществлять синтез белка, нуждаются в энергии, производимой клетками. Вирусы по большей части локализуются в определенных клетках-хозяевах, в ряде случаев имеют оболочку, заимствованную у клетки-хозяина, на поверхности которой имеются рецепторы для связывания со специфической клеткой-хозяином. Это патогены, возбудители заболеваний, которые вредят клеткам-хозяевам, злоупотребляют их «гостеприимством» ради собственного потомства, маскируются и используют принцип троянского коня. Короче говоря, вирусы – это враги.
В последние годы мы выяснили, что практически все из вышеперечисленного не соответствует действительности. По размеру вирусы бывают больше многих бактерий. Вирусы и сами могут стать хозяевами для других вирусов, а по размеру могут намного превосходить наночастицы или быть намного меньше их, и на самом деле они не всегда представляют собой частицы! По размеру вирусы могут отличаться в 10 000 раз – очень широкий диапазон; кроме того, у них весьма разнообразная морфология, около десятка разных типов геномов и множество совершенно разных стратегий репликации. Число генов у вируса может составлять от 0 (!) до 2500. Для сравнения: у человека 20 000 генов, всего в 10 раз больше. «Ноль генов» характерен для вироидов, хотя они, как правило, не считаются вирусами. Различаются вирусы, которые содержат нуклеиновые кислоты, но не имеют белковой оболочки или (наоборот) имеют только белковую оболочку при отсутствии нуклеиновых кислот. Последние являются прионами, которые зачастую не считаются вирусами, но я бы все же отнесла их к вирусам. Существуют вирусы только с посторонними генами, без собственных, например вирусы экзотических растений, поли-ДНК-вирусы (PDV) – факт, который может нам кое-что рассказать об эволюции. Кроме того, есть эндогенные вирусы, никогда не покидающие своих клеток-хозяев, а также рудиментарные вирусы, «прыгающие» в наших геномах. Эти два типа вирусов не имеют оболочки, поэтому являются «запертыми», «заблокированными» вирусами, не способными перемещаться из одной клетки в другую.
Вирусы – мобильные (генетические) элементы – полезно ли это определение? Да, вирусам нужна энергия, но необязательно клетки-хозяина. Подойдет химическая энергия, а она вырабатывается «черными курильщиками», в окружении которых возникла жизнь и куда не проникает солнечный свет. Вирусам нужно прибежище, компартменты, а еще глина, то есть минеральные вещества, как ускоряющие процесс факторы – тот самый «маленький теплый пруд» Дарвина, – чтобы концентрация компонентов была высокой. Первым такого рода аккумулированием могли быть липидные мешочки. Тогда возникает вопрос: был ли это ранний вирус или ранняя клетка? Первоначально не было резкого разграничения между вирусами и клетками, и, скорее всего, они по совокупности образуют континуум. Недавно обнаруженные гигантские вирусы разрушили все ограничения, поскольку они почти бактерии и у них даже есть признак, который, как считается, бывает только у бактерий: компоненты для синтеза белка. А способность синтезировать белок часто используется для определения жизни. Таким образом, эти «почти бактерии» – переходная форма между вирусами и бактериями, между живым и неживым. Обнаружение гигантских вирусов коренным образом изменило наше представление о вирусах и способствовало тому, что мы стали считать вирусы более «живыми», чем представлялось ранее. Минималистичное определение вирусов предусматривает и их неспособность синтезировать белок, что является одним из признаков жизни. Однако гигантские вирусы все-таки «почти» могут синтезировать белок!
Вирусы обнаружены везде, где есть жизнь. Вирусы способны захватывать и доставлять гены, они могут мутировать, рекомбинировать, вставлять, удалять и смешивать гены. Их репликация ненадежна и поэтому представляет нечто новое для вируса и клетки-хозяина. Онкогенные вирусы способны извлекать гены из клетки и заставлять их мутировать в процессе репликации, что может повысить их онкогенность. Но истинно и прямо противоположное: они могут доставлять гены в клетку, придавая им новые свойства, в ряде случаев – полезные, в ряде случаев – вредные. Они способны доставить онкогены в клетку или индуцировать рак, а могут доставить гены для лечения рака. В клетку попадает больше генов, чем из нее выводится. Вирусы не могут спровоцировать «войну», «мериться силами» или вести «гонку вооружений», и столь нелестные описания способностей вирусов не вполне корректны. Вирусы «играют в пинг-понг» со своей клеткой-хозяином. Горизонтальный перенос генов между микроорганизмами и всеми прочими живыми хозяевами привел к образованию сложных геномов. Вот так наш геном и стал очень интересной комбинацией других весьма разнообразных микроорганизмов и других генов. Каждый микроорганизм – комбинация генов, полученных от большого количества других микроорганизмов, чаще всего вирусов. Вирусы, без сомнения, имеют самый большой набор генов, самое большое на Земле пространство последовательностей, значительная часть которого не используется. Вирусы характеризуются бóльшим, чем клетки, разнообразием генов, что подтверждает мнение, что вирусы появились на Земле раньше клеток (более подробно об этом далее).
Как давно мы знаем о вирусах? Давайте совершим экскурс в прошлое. Тридцать пять лет назад ВИЧ вторгся в человеческую популяцию, и на данный момент от него погибло более 37 млн человек. Сто лет назад вирус гриппа во время Первой мировой войны унес жизни почти 100 млн человек. Корь, которую конкистадоры принесли в Мексику из Европы, привела к гибели индейцев майя. В Средние века бактерия чумы уничтожила треть населения Европы, около 25 млн человек. За 600 лет до этого, в 542 г., от чумы Юстиниана погибло все население Рима. Заболевание приняло характер пандемии и охватило все Средиземноморье, вплоть до Константинополя. На пике пандемии ежедневно умирали 6000 человек. Фукидид описывал неизвестную болезнь, поразившую население Афин во время Пелопоннесской войны (около 400 г. до н. э.). Эта болезнь могла быть вызвана вирусом Эбола, кори, оспы или иными вирусами, или бактерией pesti. 3500 лет назад египетский фараон, видимо, страдал полиомиелитом, если судить по изображению человека с парализованными ногами на саркофаге. Ретровирусоподобные элементы присутствовали у неандертальцев, которые жили 250 000–300 000 лет назад, после чего неандертальцы вымерли. А потом наступает провал в нашем понимании истории развития жизни на Земле. Большое удивление вызвало открытие ВИЧ-подобного вируса у кроликов, а именно кроличьего эндогенного лентивируса типа K (RELIK), возраст которого составляет 12 млн лет.
Возраст другого ВИЧ-подобного вируса, выявленного у лемуров (родственников обезьян) на острове Мадагаскар, может составлять 4,2 млн лет. Никто не ожидал, что ВИЧ-подобные вирусы могут существовать так долго и даже передаваться по наследству.
Последние 10 лет в Лондоне и Принстонском университете одним из самых актуальных направлений исследований является новая область науки – палеовирусология. Последовательности генов вируса Эбола, возраст которого составляет 50 млн лет, были обнаружены в геномах свиней, обезьян и летучих мышей, а в геноме человека, но не лошадей выявлены последовательности генов борнавируса. Однако борнавирус вызывает заболевание только у лошадей, но не у человека. Таким образом, эндогенные последовательности и их продукты защищают организм от соответствующих вирусных заболеваний. Эти РНК-содержащие вирусы не должны в принципе интегрироваться в ДНК, но они это делают через «незаконные» механизмы, предусматривающие использование клеточно-молекулярных процессов, в частности чужеродной обратной транскриптазы. Даже плацентой мы обязаны родственникам ВИЧ, эндогенному ретровирусу человека (HERV-W), которому почти 30 млн лет. Возраст эндогенных ретровирусов человека, которые можно найти в геноме человека, составляет 35–100 млн лет. Некоторые из них относятся к интактным вирусам, которые могут формировать частицы, хотя, как правило, они уже не являются инфекционными. Эндогенные вирусы, вероятно, гораздо старше, чем мы представляем, поскольку они не рассматриваются как вирусы. Динозавр, живший 15 млн лет назад и выставленный в Музее естествознания в Берлине, страдал вирусной инфекцией, индуцированной osteodystrophy deformans – это один из парамиксовирусов, аналогичный вирусу кори и приводящий к деформации костей. Это заболевание до сих пор существует и называется синдромом Педжета.
Если углубиться в историю существования жизни на Земле на 200 млн лет назад, можно увидеть отпечатки вирусов, но на этом рубеже наше путешествие в прошлое заканчивается. Вирусная информация в силу мутации исчезает в генетическом «фоновом шуме». Найденные остатки древних эндогенных ретровирусов являются подтверждением наличия вируса. Недавно обнаруженная рыба целакант, существовавшая примерно 300 млн лет и считавшаяся вымершей, характеризуется удивительно стабильной генетикой и содержит последовательности древних ретровирусов.
Вместе с тем есть процессы, которые дают ключ к пониманию даже более ранних вирусов. Гигантские вирусы можно обнаружить не только у современных амеб, но и в специализированных иммунных клетках многоклеточных организмов – макрофагах – две линии, которые разошлись 800 млн лет назад и стали развиваться независимо друг от друга, и считается, что они были инфицированы до разделения. Найти дополнительные свидетельства за пределами 800 млн лет почти невозможно. И все же остается неохваченным большой временной период до начала жизни на Земле, примерно 3,8 млрд лет назад. Вирусы, вероятно, принадлежат к самым древним известным биологическим ископаемым. Реальное удивление вызвали вироиды, которые представляют собой вирусоподобные структуры и существуют до сих пор – не только сами по себе, но и в качестве рибозимов или структуры, родственной кольцевым РНК во всех человеческих клетках. Они восходят ко времени, когда еще не существовало генетического кода, – вероятно, 3,5 млрд лет назад. В одной научной публикации я попыталась реконструировать эволюцию жизни на Земле, основываясь на современных вирусах. Статья называлась «Какие современные вирусы могут рассказать нам об эволюции?», а редактор на всякий случай добавил примечание – «личное мнение»! (Archives of Virology, 2013).
Когда впервые секвенировали геном человека и эта информация была опубликована 15 лет назад, Frankfurter Allgemeine Zeitung (FAZ) напечатала на всю страницу всего четыре буквы – A, T, G и C, алфавит жизни, без интервалов, без слов, без предложений, без параграфов. За эту страницу газету удостоили премии. Напечатанное на ней совершенно точно отражает наши знания о генах: только буквы! Практически все остальное мы пока не понимаем. А потом начинается «текстовой анализ». Что означают эти буквы? В геноме человека примерно 3,2 млрд таких букв, что соответствует 20 000 генов, и тем не менее лишь 2 % общего числа генов закодировано. А для чего предназначены остальные, то есть большинство букв? Это тоже генетическая информация, или это часто упоминаемая «мусорная ДНК», или что-то другое? Хорошо, выдам секрет, что касается «остальных»: по большей части речь идет об информации, касающейся регуляции экспрессии генов. В ближайшие как минимум 50 лет ученые будут заняты осознанием этой информацией во всех деталях. Этот проект известен как ENCODE – «Энциклопедия элементов ДНК».
Нужно помнить несколько цифр: у вирусов, в частности у ВИЧ, – 10 генов, у фагов – 70, у бактерий – 300, у человека – 20 000–22 000, у банана – 32 000. Это что же, у банана больше, чем у человека? Как ни странно, да! И все же бананы не умнее нас. Это неоднократно называлось парадоксом: размер генома и число генов никак не соотносятся со сложностью того или иного вида. У человека не самое большое число генов, но у него самые длинные гены, и самое главное, эти гены способны лучше рекомбинироваться (путем сплайсинга, о чем пойдет речь в следующей главе) для повышения их общей сложности, превосходя в этом отношении все прочие известные виды. И наконец, один ген какого-либо вируса состоит примерно из 1000 нуклеотидов.
Перед тем как пойти дальше, читателю нужно выучить два слова или по крайней мере их аббревиатуры: ДНК и РНК. Их можно просто запомнить. И еще немного дополнительной информации: ДНК и РНК представляют собой крупные молекулы, которые являются носителями генетической информации, организованной в такие структуры, как гены. Первичная генетическая информация обычно закодирована в ДНК, и только вирусы, помимо прочего, могут использовать в качестве первичной генетической информации РНК и даже комбинацию ДНК и РНК. ДНК называют молекулой жизни. Она известна всем как двойная спираль, которая напоминает винтовую лестницу с двумя перилами (цепями), соединенными горизонтальными брусками как ступеньками (расположенные друг над другом основания). В 1953 г. эту структуру открыли Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, тогда еще молодые амбициозные и авантюристически настроенные ученые из Кембриджа (Великобритания), один из которых «никогда не отличался скромностью» – по крайней мере именно так Уотсон характеризует Крика в своей знаменитой книге «Двойная спираль»[4]. Они хотели получить Нобелевскую премию, и это им удалось. Кроме того, важная информация поступила от Розалинд Франклин, которая провела рентгеновский дифракционный анализ и получила структурные данные, которые попыталась скрыть. Действительно ли она сказала Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику, что у них неправильная модель, что все должно быть наоборот? Уотсон в своей знаменитой книге рассказал, как было сделано это открытие. Новая театральная пьеса «Фотография 51», связанная со снимком Франклин, – детективная история американского драматурга Анны Зиглер о том, как рентгеновский снимок Розалинд Франклин поспособствовал открытию, а сама Розалинд даже и не подозревала о своем вкладе. Как это ни печально, но она умерла молодой от рака, развившегося у нее вследствие экспериментов с рентгеновским излучением. Гораздо реже упоминается руководитель кафедры, где работала Франклин, – Морис Уилкинс, которого она не признавала, но который вместе с Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком стал лауреатом Нобелевской премии. Швейцарский коллега великодушно предоставил ему большой объем чистой ДНК. Уилкинс использовал его в качестве исходного материала для кристаллизации. Позднее он привлек внимание в связи со своим возможным участием в коммунистическом движении. В настоящее время имя этого ученого известно не очень широко.
ДНК – двухцепочечная спираль, в то время как РНК – одноцепочечная, более гибкая спираль, похожая на веревку; она легче претерпевает изменения и имеет большое значение для появления новых нуклеотидных последовательностей у вирусов. Крик сформулировал «основную догму молекулярной биологии» – «от ДНК к РНК и белку», объясняющую поток генетической информации внутри клетки. По мнению некоторых, Крик не отличался догматизмом, но его имя оказалось связанным с догмой. С точки зрения молекулярных биологов, ДНК была доминантой на протяжении полувека, но в настоящее время ее догоняет по значимости РНК. С точки зрения эволюции РНК предшествовала ДНК, поэтому прямо противоположная догма тоже возможна: и РНК может превратиться в ДНК. Это мы почерпнули у вирусов. Поэтому, дорогой читатель, потребность в молекулярной биологии практически отпала. Многие детали можно опустить, а некоторые приводятся в глоссарии.
Матрос и сплеснивание
Во время плавания по Балтийскому морю на трехмачтовом круизном судне «Лили Марлен» однажды утром меня удивил один матрос, сделав подарок: сращенную веревку. Он соединил две веревки, срастив их концы (в биологии используется слово «сплайсинг»), – получилось наглядное пособие для студентов, которым я читаю лекции по вирусологии. По словам матроса, для сращивания требуются определенные навыки, но это занятие скрашивало утомительные ночные вахты. В книге «Сплесень и узлы» описывается, как это используется в мореходстве. Хорошо было бы иметь книгу с таким же названием в молекулярной биологии. Сращивание – это своего рода противоположность узлу. Только когда концы веревки правильно сращены, моряк может быстро и беспрепятственно проверить все связанные части, протянуть веревки через шкивы и поднять паруса; при наличии узлов этого не удалось бы сделать. Такой же принцип работает и для молекулярного мира. Двухцепочечная ДНК транскрибируется в одноцепочечную РНК – гибкую копию ДНК, имеющую жесткую структуру. РНК можно укорачивать, как веревку, путем сплайсинга: веревка разрезается, какой-нибудь кусочек удаляется, а полученные концы соединяются без использования узлов путем сращивания. Длина удаленных кусочков может быть разной. А сейчас я открою один секрет: у человека самое большое число таких удаляемых участков из расчета на один ген. Именно поэтому мы самые сложноорганизованные живые существа. В этом заключается наша уникальность; возможно, мы действительно являемся «венцом творения».
Наши гены имеют неоднородную структуру: они состоят из экзонов – участков, которые можно транслировать в белки, и интронов – промежуточных участков, которые удаляют, для чего их отрезают и сращивают (вновь соединяют) концы РНК. Гены человека в среднем имеют примерно 7–9 экзонов, между которыми расположены интроны. Представьте себе садовую изгородь, состоящую из столбов, чередующихся с пустым пространством, – это напоминает экзоны и интроны, хотя экзоны и интроны расположены с менее выраженной регулярностью. Более того, некоторые интроны могут оказаться очень большими (представьте себе калитку в изгороди).
Можно комбинировать различные связи между интронами и экзонами, в которых интроны, как правило, являются удаляемыми участками. На самом деле интроны не пустые, как промежутки между столбами забора. Что за информацию они несут в себе? Они не содержат последовательности генов для кодирования белков, но направляют и регулируют производство белка; интроны являются хранилищем регуляторной информации и определяют время и локализацию производства белка. Таким образом, интроны контролируют экзоны. Среди ученых было принято считать, что экзоны важнее, однако в настоящее время признано, что они зависят от интронов. Экзоны кодируют белки, в то время как интроны являются некодирующими (НК). Каталог известных нкРНК представляет собой быстро расширяющееся семейство очень важных регуляторных РНК – только в последнее время было открыто около десятка таких РНК. Поэтому, дорогой читатель, пожалуйста, запомните понятие «нкРНК». Соответствующая ДНК называется нкДНК, а ее транскрипция приводит к образованию нкРНК. Для меня особенно интересен тот факт, что вирус и человек – непревзойденные «специалисты» по сплайсингу. Почему вирусы? Потому, что они при их малых размерах проявляют столь незаурядные способности (они – наши предки!). Матрос понятия не имел, как много стоит за сращенной веревкой, которую он мне подарил.
В качестве примера получения «месседжей» из одного всеохватывающего «месседжа» давайте посмотрим, какое количество слов можно получить из «комбинированных экзонов» после «сплайсинга» слова с учетом пробелов. Supercalifragilisticexpialidocious – это не самое длинное, но одно из самых известных английских слов. Слова из него получают путем удаления (а не перестановки) букв, и они получились следующими: super (супер), supercilious (излишне волосяной), perfidious (вероломный), precious (драгоценный), serious (серьезный), superficial (поверхностный), fragile (хрупкий), pallid (бледный), series (серии), focus (фокус). И таких слов намного больше, можете сами попробовать. У вирусов сплайсинг осуществляется только в пределах одного «слова», поскольку они в силу своего минималистского строения содержат только экзоны и не имеют интронов. Так совершенно по-разному человек и вирусы научились оптимальным образом использовать свой генетический материал. Именно эта сложность лежит в основе сложности организмов человека и вируса. Вот почему я вдвойне благодарна матросу за подарок.
Вирусы – живые или неживые?
Вирусы не лишены признаков жизни – по крайней мере они более живые, нежели камень или кристалл. Можно слишком упростить понимание этого вопроса, сказав, что любые микроорганизмы, которые по размеру меньше вируса, – неживые, а более крупные микроорганизмы – живые. Вирусы находятся на границе между живым и неживым или же являются тем и другим одновременно. Я не усматриваю никакой сингулярности, не ставлю точки и не определяю четкую границу; речь, скорее, идет о постепенном переходе от отдельно взятой биомолекулы к клетке. На заре зарождения жизни на Земле РНК-содержащие вирусы были самыми крупными биомолекулами и существуют до сих пор.
«Что такое жизнь?» – этот вопрос в 1944 г. был вынесен в заголовок очень известной книги физика Эрвина Шрёдингера и побудил целое поколение физиков заниматься биологическими исследованиями. Жизнь подчиняется законам термодинамики и сохранения энергии. Для живых клеток характерна отрицательная энтропия, основанная на организованных структурах, в силу чего энтропия зачастую называется «мерой неупорядоченности». Например, если не убирать рабочий стол, беспорядок на нем будет усиливаться, а если постараться и навести порядок, стол станет чистым, без признаков беспорядка. Жизнь и второй закон термодинамики основаны на этом правиле: питание и энергия позволяют вести упорядоченную жизнь. Следует признать, что Шрёдингер задавался вопросом о законах жизни, а не о законах ее происхождения.
Я полагаю, что НАСА должно иметь более четкое определение жизни, поскольку агентство пытается найти жизнь за пределами нашей планеты. Безусловно, они знают, что ищут. Джерри Джойс, работавший в свое время в Институте Солка (Калифорния), возможно, внес свой вклад в это определение, поскольку ему удалось получить в пробирке самореплицирующуюся РНК, способную мутировать и эволюционировать. Это был его подход к «повторению происхождения жизни». Вполне возможно, что это вдохновило космическое агентство США, которое дало следующее определение жизни: самовоспроизводящаяся система, содержащая генетическую информацию и способная эволюционировать. (В этом определении я бы опустила слово «генетическую», поскольку структурная информация тоже может эволюционировать. Я имею в виду вироиды.)
Вирусы можно сравнить с яблоками. Яблоко, лежащее на столе, не может себя продублировать и превратиться в два яблока – то же самое относится и к вирусу. Яблоку нужна земля, чтобы стать яблоневым деревом, дающим новые яблоки. Яблоки ведь живые? А как же вирусы? Может ли в данном случае чем-то помочь Чарлз Дарвин? Он считал, что жизнь, возможно, зародилась в «маленьком теплом пруду», и предполагал, что сначала все было просто, на этом его предположения закончились. Вирусу нужен пруд или хотя бы пробирка – среда с питательными веществами для репликации и производства потомства. Вирусы – просто организованные организмы. Поэтому они более «живые», чем камни, а вот камни действительно неживые. Как это ни странно, некоторые вирусы способны к агрегации и образованию симметричных квазикристаллических структур, которые чрезвычайно стабильны, резистентны к теплу и в этом смысле действительно напоминают камни. У кристаллов неправильной формы может даже сохраняться неправильное сворачивание, что почти напоминает репликацию. Так же могут себя вести, например, некоторые белковые агрегаты в тканях головного мозга – например, прионы. Может быть, у них есть нечто схожее с вирусами? Предполагаю, что да, и мы увидим это далее.
Бактерии принято считать живыми микроорганизмами. Они обладают способностью к делению и, таким образом, к самовоспроизведению, а, что самое главное, они синтезируют белок. Синтез белка считается важным пограничным маркером, разделяющим живое и неживое. Бактериям тоже нужны поступающие извне питательные вещества, то есть они не полностью независимые микроорганизмы. Кроме того, они вовсе не так просты! Не существует биологического «вечного двигателя» – механизма, способного работать без помощи энергии. Но источником энергии необязательно является клетка. При отсутствии солнечных лучей это может быть энергия химических реакций, как в случае с «черными курильщиками», находящимися на дне океана.
К великому удивлению, недавно обнаруженные гигантские вирусы содержат компоненты, необходимые для синтеза белка. Они очень похожи на живые бактерии, являясь «квазибактериями». Соответственно гигантские вирусы также называют мимивирусами, поскольку они, похоже, мимикрируют под бактерии. Будучи почти бактериями, эти гигантские вирусы являются хозяевами для более мелких вирусов, которые реплицируются внутри них. Все это вызвало чрезвычайно сильное раздражение у классических вирусологов, поскольку гигантские вирусы никак не вписываются в устоявшиеся представления о вирусах и их определения. Открытие этих вирусов в 2013 г. было прокомментировано в журнале Nature с точки зрения места вирусов в процессе возникновения жизни. В этом материале указывалось, что гигантские вирусы нужно поместить в основание древа жизни – вот на что надеялись ученые, открывшие этот вирус! В самом начале не было клеток и мимивирусов – и те, и другие слишком большие по сравнению с вирусами, поэтому они не могли быть у истоков жизни. Вероятно, ранние вирусы не нуждались в клетках. Это довольно смелое заявление и единственное, что не очень вписывается в мое утверждение «Сначала были вирусы». Современные вирусы нуждаются в клетках, но, возможно, это результат длительной эволюции. На самом деле существуют вироиды, «голые молекулы РНК», способные к репликации и эволюции, которые, возможно, изначально не зависели от клеток, как сейчас. Они могут делать все это как в пробирке Джойса – без клеток. Их можно было бы назвать «голые вирусы».
Вирусы – изобретатели и поставщики генетических инноваций. Они формируют наши геномы. Я так считаю и готова повторить это много раз, это мое кредо, мое «ceterum censeo»[5].
Вирусы действительно внесли свой вклад в образование клеток. Это очевидный факт, а не предположение. Современные вирусы – паразиты, они зависят от клеток. Вирус-паразит может передать свои функции хозяину и покинуть его с меньшим количеством генов, чем если бы он был сам по себе или ему приходилось бы выживать вне клетки-хозяина. Все выявляемые в настоящее время вирусы – паразиты, зависящие от клеток. Эволюция идет не только от простых структур к сложным, она может идти и в обратном направлении. Сложные структуры могут становиться проще, могут терять гены, делегировать свои функции и становиться специализированными. В зависимости от условий окружающей среды способности могут быть приобретены или утрачены. Примером тому служат митохондрии. Подождите, вот дойдем до последней главы этой книги!
Как же вирусы взаимодействуют со своей клеткой-хозяином? Существуют клетки-хозяева, не имеющие ядра, из которых состоят бактерии и археи, – это прокариоты, и клетки, содержащие ядра, – это эукариоты. Из них состоят насекомые, черви, растения, млекопитающие и т. д. Все эти организмы содержат вирусы, а бактериальные вирусы носят также специальное название «бактериофаги» или просто «фаги». Тем не менее нет необходимости разделять вирусы и фаги. В клетке-хозяине они ведут себя одинаково. Их «жизненные циклы» или циклы репликации описываются следующими характеристиками: вирус проникает в клетку в целях ее инфицирования, после чего он остается в клетке, интегрируется, реплицируется и/или разрушает ее. Иметь способность сохраняться в клетке – причем клетка-хозяин часто не замечает присутствия вируса – значит обеспечить себе постоянное или, другими словами, долговременное пребывание в клетке. Герпесвирусы прячутся в нейронах, где они могут оставаться годами. Многие вирусы растений остаются в клетках навсегда, так как никогда не приобретают оболочку, никогда не становятся активными (или вирулентными) и всегда размножаются вместе с растительной клеткой. Фаги сохраняются в клетках в форме интегрированных фагов, что называется лизогенным состоянием. Помимо этого, ретровирусы и некоторые другие ДНК-вирусы интегрируются в ДНК генома клетки-хозяина. В этом случае клетка-хозяин приобретает несколько дополнительных генов. Вместе с тем такая интеграция может обусловить генотоксический или мутагенный эффект и причинять вред клетке. Фаги и вирусы способны разрушить клетку-хозяина, высвобождая свое многотысячное «потомство», причем часто это бывает реакцией на стресс, примерно так, как реагирует на стресс наш организм: мы не находим себе места и теряем аппетит! Такой же эффект может вызвать прием у стоматолога. В таких ситуациях герпесвирусы выползают из своего убежища и оказываются у нас на губах, образуя очаг поражения.
Запомните общее правило: вторжение захватчиков может привести к объединению всех защитных сил или к поражению, вызванному чрезмерным стрессом, что относится и к человеческому обществу!
Уничтожат ли вирусы своих хозяев и может ли это привести к уничтожению человечества? Нет, все это небылицы, этого просто не может быть. Это нонсенс с точки зрения эволюции, поскольку в этом случае вирусы уничтожат саму основу своего существования или выживания и сами погибнут. Если большинство клеток исчезнет, их останется так мало, что вирусы просто не найдут последнюю клетку. Поэтому при недостатке клеток-хозяев вирусы приспосабливаются к новым типам хозяев. Речь идет о таком опасном явлении, как зооноз, вследствие которого человеческий организм инфицируется совершенно новыми для себя вирусами животных. До того, как исчезнут все клетки-хозяева, вирусы найдут им замену. Происходит переход от паразитической модели поведения к сосуществованию, что зачастую взаимовыгодно, то есть пользу от такого взаимодействия получает как вирус, так и хозяин. Если вирус поддерживает выживание клетки-хозяина, он повышает шансы на собственное выживание и выживание своего потомства. В процессе коэволюции вирус может стать менее агрессивным и менее вирулентным. Это происходит двумя путями: либо у хозяина повышается резистентность к вирусу, либо вирус перестает быть патогенным. Последнее достигается путем эндогенизации последовательности генов вируса в геноме хозяина. В нашем геноме очень много таких последовательностей – целое «кладбище» бывших вирусов. На вопросе эндогенизации мы остановимся ниже.
В процессе эволюции многие вирусы стали менее патогенными по отношению к своим «хозяевам». Например, вирус Эбола перешел к человеку от летучих мышей (это его основной хозяин), с вирусом атипичной пневмонии произошло то же самое. Аналогичным образом ВИЧ у обезьян (ВИО) больше не вызывает заболевание у обезьян. Поэтому, если немного подождать, может быть, организм человека тоже подружится с ВИЧ? Предполагаю, что это вполне возможно, только ждать, вероятно, придется очень долго.