Загадка испорченного гемоглобина

 

В отчете Всемирной организации здравоохранения за 2011 год сказано, что в 2010 году смертность от малярии составила около 655 тысяч человек. 90 процентов умерших пришлось на долю тропической Африки, причем около 60 процентов в ее доле смертности составили дети в возрасте до пяти лет.

Малярия, вообще говоря, распространена по всему земному шару. Тем не менее основное число заболеваний сосредоточено в Африке и частично в Индии и Юго-Восточной Азии. Причина того, что 90 процентов смертей от малярии приходится именно на Африку, состоит в том, что африканская, или тропическая, малярия вызывается самым опасным видом малярийного паразита, «плазмодиум фалципарум». В семействе паразитов Plasmodium до недавнего времени насчитывалось четыре вида паразитов: Plasmodium vivax, Plasmodium ovale, Plasmodium malarie и Plasmodium falciparum; недавно в Малайзии был обнаружен пятый вид, Plasmodium knowlese, но, как оказалось, он в основном поражает обезьян и лишь очень изредка — людей. Так вот, первые три из четырех главных видов плазмодия вызывают относительно легкие формы болезни с малым числом смертных случаев. А главный виновник почти всей малярийной смертности — это плазмодий вида «фалципарум». И распространен он в основном именно в Африке, южнее Сахары.

В то же время именно в Африке, в самых ее малярийных местах, более всего распространено другое заболевание — серповидно-клеточная анемия, которое в некоторых случаях тоже заканчивается смертью, причем тоже в основном в детском возрасте. Изучая эту болезнь, ученые давно уже установили, что она вызвана мутацией (порчей) определенного гена, а именно — гена, связанного с гемоглобином. Но наличие этой мутации не всегда ведет к смерти. Дело осложняется тем, что каждый ген в нашем организме представлен в двух копиях. Поэтому среди людей, имеющих мутацию в гене гемоглобина, могут быть такие, у которых эта мутация поразила только одну копию гена (они называются гетерозиготными, то есть «разно-генными»), и такие, у которых мутация присутствует в обеих копиях (они называются гомозиготными, то есть «одинаково-генными»). Первых врачи называют «больными», а вторых — всего лишь «носителями болезни». Так вот, в детстве умирают, как правило, гомозиготные больные. А вот гетерозиготные «носители», как правило, выживают, хотя и страдают тяжелыми нарушениями кровообращения и т. п., которые сокращают длительность их жизни до 45–50 лет (при постоянной врачебной помощи они могут дожить до 53–60 лет). И, как я уже сказал, больше всего таких «носителей болезни» насчитывается в тропической Африке. Здесь они составляют более трети всего населения, а в самых малярийных районах — даже до 45 процентов.

Если вдуматься, есть некая странность в том, что именно в тропической Африке, где свирепствует смертельная малярия, так много носителей испорченной копии гемоглобинового гена. Ведь все эти носители, особенно дети, должны, казалось бы, первыми умирать от малярии, поскольку их организм ослаблен серповидно-клеточной анемией. А это значит, что за минувшие столетия все носители этого гена должны были вымереть подчистую, причем в Африке — в первую очередь. А в действительности как раз в Африке их больше всего. Эта странность давно привлекала внимание врачей и заставила их думать, что между малярией и серповидноклеточной анемией имеется какая-то связь. И действительно, в 1940-х годах британский военный врач Бит, работавший в Родезии, заметил, что в крови малярийных пациентов, имеющих одну копию мутированного гена, всегда обнаруживается меньше плазмодиев, чем в крови пациентов, вообще не имеющих этой мутации. Вслед за тем заирский врач нашел, что среди «носителей болезни» наблюдается меньше случаев тяжелой малярии, чем среди людей без мутации. А в 1954 году еще один британский врач, Энтони Аллисон, работавший в Кении, обобщил эти наблюдения и выдвинул гипотезу, по которой серповидно-клеточная анемия дает своим носителям какую-то защиту от малярийного плазмодия. Дальнейшие исследования показали, что это действительно так и что наибольшую защиту анемия дает своим носителям в детском возрасте, до того, как у них окончательно сформируется иммунная система. Но и у взрослых носителей есть частичная защита, и потому у них малярия протекает не так тяжело и реже кончается смертельным исходом, чем у людей, совсем защиты не имеющих.

Это открытие поставило серповидно-клеточную анемию в ряд наследственных болезней, объединенных термином «гетерозиготное преимущество». Да, медицина знает еще несколько примеров подобных болезней. Хороший пример дает другое генетическое заболевание, фенилкетонурия, при которой гомозиготность ведет к ранней смерти из-за накопления испорченного белка в нервной системе, тогда как гетерозиготность (у женщин) защищает от выкидышей. Или вот болезнь Тея-Сакса (открыта Уореном Теем, изучена Бернардом Саксом), тоже разрушающая нейроны головного мозга. Гомозиготность в этом случае проявляется уже в самом раннем возрасте, и ребенок обычно гибнет к четырем-пяти годам, но гетерозиготы выживают, потому что эта мутация одновременно каким-то образом защищает своего носителя от туберкулеза. (Видимо, именно поэтому такая гетерозиготность сохранилась почти у 11 процентов ашкеназийских евреев, которые многие века жили в условиях гетто, особенно располагавших к туберкулезу.)

Заметим, кстати, что такое «странное» на первый взгляд сохранение потенциально смертельной мутации в коллективе людей, — это, в свою очередь, частный вид еще более широко распространенного биологического явления, которое называется «сбалансированным полиморфизмом», или проще — сбалансированным многообразием. Сбалансированный полиморфизм внутри какого-то коллектива возникает не только в случае болезнетворной, но и в случае вполне благотворной мутации, если она дает своему носителю какое-то выживательное преимущество. Иными словами, сбалансированный полиморфизм возникает во всех тех случаях, когда гетерозиготы оказываются в тех или иных ситуациях более жизнеспособными, чем гомозиготы (будь то гомозиготы с двумя мутированными копиями или с двумя здоровыми). Во всех этих случаях в коллективе возникает и затем стабильно сохраняется определенная пропорция (баланс) между числом гетерозиготных и гомозиготных членов коллектива.

Очень хороший пример такого явления в животном мире дают сухопутные улитки с их многообразием окраски и полос на раковине. Здесь появление и сохранение многообразия диктуется требованиями среды и наличием хищников. Улитки — любимая пища дроздов, которые хорошо замечают те раковины, что своей окраской или полосами выделяются на древесной коре, а так как в разных местах цвет и текстура коры разные, то возможно множество мутаций, дающих улиткам в тех или иных местах выживательное преимущество. Таким образом, певчие дрозды и древесная кора играют для улиток ту же роль, что малярия для человека.

Раз уж мы припомнили малярию, давайте вернемся к ней и к той защите от нее, которую дает своему носителю серповидно-клеточная анемия, то есть испорченный ген гемоглобина. Обнаружение этой защиты тотчас поставило перед учеными вопрос — чем она объясняется? Каков ее механизм? Вопрос этот долгое время оставался без ответа, выдвигались различные умозрительные гипотезы, но недавно группа немецких ученых под руководством Ланцера нашла первое убедительное объяснение, подтвержденное прямыми экспериментами. Это дает нам повод подробней рассказать о малярии, ее возбудителе, а заодно и о серповидно-клеточной анемии.

Что касается малярии, то недавние генетические исследования ее возбудителя (плазмодия) привели к выводу, что самая первая его разновидность появилась у людей 50–100 тысяч лет назад (а может — и все 400 тысяч), а самый опасный вид, плазмодий фалципарум, перешел к людям от африканских горилл около 6 тысяч лет назад. Свое нынешнее название (от латинских слов «mala aria», то есть дурное дыхание) эта болезнь получила много позже, уже в Древнем Риме, где была так распространена, что ее даже называли «римской лихорадкой». Возбудителя ее открыл в 1880 году французский врач Шарль Лаверан, служивший в военном госпитале в Алжире; за это открытие он в 1907 году удостоился одной из первых Нобелевских премий по медицине и физиологии. В 1881 году кубинский врач Карлос Финлей нашел свидетельства того, что паразит переносится комарами вида Анофелес, а шотландский врач, работавший в Калькутте, сэр Рональд Росс впервые выявил весь цикл жизни паразита в организме комара (за что удостоился еще более ранней Нобелевской премии — в 1902 году). Открытия Финлея и Росса позволили найти первые предохранительные меры против заражения, и это спасло тысячи жизней уже во время строительства Панамского канала. Так началась борьба медицины с малярией, продолжающаяся по сей день.

Типичное течение малярии — это периодическое повторение приступов озноба и лихорадки, продолжающихся четыре — шесть часов подряд. Паразит плазмодий маларие вызывает такие приступы через каждые 72 часа, то есть каждый четвертый день («четырехдневная малярия»), паразиты плазмодий овале и плазмодий вивакс — через каждые 40–48 часов, то есть примерно каждый третий день («трехдневная малярия»). И хотя болезнь эта, как уже сказано, поддается лечению (при том, что у детей порой бывают тяжелые мозговые осложнения), она может неоднократно появляться вновь — если паразит в крови не уничтожен полностью или сохранился в «спящем» виде в печени, а также в случае заражения другой разновидностью паразита. Куда тяжелее протекает болезнь в случае плазмодия фалципарум: здесь приступы повторяются каждые 36–48 часов, порой переходя в непрерывную лихорадку, возникают тяжелые осложнения и смерть может наступить уже через несколько дней, а то и часов после начала болезни, причем смертность достигает иногда 20 процентов (больше всего среди маленьких детей и беременных женщин). Причина смерти — чаще всего поражение жизненно важных участков мозга, вызванное недостатком кислорода, что же до осложнений, то тропическая малярия часто сопровождается увеличением селезенки и печени, тяжелой головной болью, а также появлением в кровотоке свободных молекул гемоглобина (который обычно всегда спрятан в эритроцитах, но при малярии, в силу их разрушения, выходит в кровоток); этот излишний гемоглобин может вызвать нарушение работы почек и проникает в мочу, придавая ей темно-красный цвет (гемоглобиноурия).

Главный отличительный признак малярии — периодичность приступов — связан с особенностями жизни малярийного паразита в организме человека. Впрочем, в человеческом организме плазмодий проводит лишь часть своей жизни, бесполую. Вторая половина его жизни, половая, проходит в организме комара-переносчика. Здесь незрелые половые клетки паразита, образовавшиеся еще в организме человека, дозревают, встречаются, сливаются и дают начало потомку, который называется «ооцитом» и имеет вид микрошарика, выпучивающегося из комариного кишечника в кровоток. Со временем этот ооцит распадается и порождает до 10 тысяч крохотных червеобразных потомков-спорозоитов, которые в конечном счете пробираются в слюнные железы комара. Здесь они «ждут своего часа», который наступает, когда комариха вонзает жало в кровеносный капилляр в нашей коже, чтобы «попить нашей кровушки» (это всегда комариха, потому что для нее наша кровь — главный источник питательных веществ, необходимых для выращивания своего потомства; не случайно она особенно любит кровь беременных женщин).

В этот момент спорозоиты попадают в кровоток человека и первым делом прячутся от его иммунной системы. Уже через каких-нибудь полчаса их совершенно нет в крови — за это время все они успели укрыться внутри клеток печени. Здесь они в течение следующих 7–30 дней (в зависимости от вида паразита) размножаются бесполым путем, преобразуясь при этом в новую форму — мерозоитов. (При этом плазмодии типа «овале» и «вивакс» сначала порождают гипнозоиты, которые могут месяцами и даже годами «дремать» в печени и лишь затем превращаться в мерозоиты, чем объясняется возвращение болезни через длительный период времени.) Затем мерозоиты вырываются из клеток печени и возвращаются в кровоток. Им и теперь нужно укрываться от возможной атаки иммунной системы, и они, как показали недавние исследования, прибегают для этого к хитроумному маневру: выходя из печеночной клетки и разрывая при этом ее оболочку, обворачиваются лоскутами этой оболочки, чтобы иммунные клетки приняли их за «своих». В таком виде мерозоиты настигают свою главную мишень — наши красные кровяные тельца, или эритроциты.

Эритроциты, как известно, — это клетки, почти все содержимое которых составляют молекулы гемоглобина. Важность гемоглобина для жизни состоит в том, что этот белок способен соединяться с кислородом. Эритроциты запасаются кислородом в легких, потом кровоток разносит их по кровеносным сосудам в самые отдаленные уголки организма, и там кислород переходит от гемоглобина в клетки, которые используют его для различных биохимических реакций, начиная с выработки и создания запаса энергии. Мерозоиты, проникая в красные кровяные тельца, начинают размножаться — из каждого мерозоита, проникшего в эритроцит, образуется 8–10 новых. Спустя определенное время, нужное каждому виду паразита для размножения, новые мерозоиты разом вырываются из своих опустошенных эритроцитов и так же разом заражают новую, еще более многочисленную порцию эритроцитов. Так повторяется несколько раз, и каждая такая серия одновременного разрушения множества эритроцитов вызывает те явления, которые называются «приступами малярии». Понятно, что частота этих приступов у каждого вида паразита своя, заданная временем его размножения в эритроцитах. Точно так же особенностями плазмодия вивакс и плазмодия овале заданы, как уже сказано, возвращения болезни через длительное время — спорозоиты этих видов, проникнув в печень, не сразу превращаются в мерозоиты, а перед этим «дремлют» там от шести месяцев до трех лет. Ну, и следует еще добавить, что в ходе размножения мерозоитов некоторые из них дают начало незрелым половым клеткам паразита, что обеспечивает его последующее, уже половое, размножение внутри комара (если он подхватит эти клетки при укусе).

В случае «легких» форм малярии болезнь рано или поздно прекращается, потому что иммунные клетки все же обнаруживают паразитов и уничтожают их. Кроме того, кровоток периодически приносит эритроциты «на проверку» в селезенку, одной из функций которой является уничтожение отживших кровяных клеток; та же судьба постигает и зараженные мерозоитами эритроциты, и они уничтожаются селезенкой вместе с живущими в них паразитами, что прерывает дальнейшее размножение мерозоитов. Иначе обстоит дело в случае тропической малярии. Ее возбудитель, плазмодий фалципарум, «изобрел» еще один маневр, который защитил его от иммунных клеток и селезенки и одновременно сделал смертельно опасным. На поверхности зараженных им эритроцитов появляются молекулы клейкого белка (так называемого «белка мембраны эритроцита с плазмодием фалципарум», ПфЭМБ-1), из-за чего эти эритроциты приклеиваются к стенкам небольших кровеносных сосудов и тем самым выходят из кровотока, а потому не попадают в селезенку. Иммунные клетки тоже не эффективны в борьбе с этим паразитом, потому что он обладает чудовищным множеством самых разных белков такого клейкого типа (до шестидесяти разновидностей на одном плазмодии, не говоря уже о всевозможных комбинациях этих белков во всей массе мерозоитов).

В итоге плазмодий фалципарум получает возможность беспрепятственно размножаться, и это быстро приводит к тому, что в капиллярах образуется очень много приклеенных к стенкам эритроцитов, которые блокируют прохождение крови. Эта клейкость и вызванная ею блокировка капилляров являются главной причиной разрыва мелких сосудов, что вызывает кровоизлияния, столь характерные для тропической малярии. Зараженные эритроциты, накопившись в сосудах мозга, могут прорваться в сам мозг, и тогда малярия становится церебральной и зачастую оканчивается комой и смертью. Но и само разрушение эритроцитов в таком огромном количестве приводит к быстрому выбросу в кровь большого числа молекул гемоглобина, а также малярийного пигмента гемомеланина, возникающего при воздействии паразита на гемоглобин, и это резко нарушает работу почек и селезенки, что является второй по частоте причиной смерти от тропической малярии (кстати, проникновение пигмента в мочу придает ей тот темно-красный и даже черный цвет, о котором мы говорили выше и по которому врачи распознают смертельно опасную форму малярии).

И вот обе эти смертельно опасные формы болезни, вызываемые видом плазмодий фалципарум, предотвращаются наличием в одной копии гена гемоглобина мутации, вызывающей серповидно-клеточную анемию. Каким же образом это происходит? — возвращаемся мы снова к исходному вопросу. Как мы уже говорили, ответ на этот важный вопрос был найден Ланцером и его коллегами, и теперь мы уже достаточно вооружены, чтобы понять этот ответ. Для начала объясним, к чему приводит упомянутая мутация гена гемоглобина. Она состоит в мельчайшем изменении этого гена — замене одного-единственного химического звена из десятков тысяч, но увы — заменяется при этом звено одного размера, активно вступающее в связь с молекулами воды, на звено другого, активно воды избегающее. В результате цепь молекулы гемоглобина чуть меняет свое положение, а это меняет форму всей молекулы. Конечным результатом всех этих подвижек становится изменение формы и свойств эритроцита в целом — из округлого он становится серповидным, из эластичного — твердым и хрупким. Серповидные эритроциты быстрее выходят из строя, общее число эритроцитов уменьшается, и появляется анемия. Она ведет к уменьшению доставки кислорода в различные участки организма, а это вызывает всю ту гамму нарушений, которые объединяются под названием «серповидно-клеточная болезнь» и от которых гомозиготные больные чаще всего умирают еще в детстве.

Но гетерозиготные носители болезни, как мы уже знаем, не умирают, и заражение смертоносным плазмодием фалципарум не вызывает у них опасных для жизни осложнений. Этот факт побудил Ланцера и его коллег детально исследовать в первую очередь, чем же, собственно, отличается взаимодействие опасного плазмодия с обычным эритроцитом от его взаимодействия с эритроцитом серповидным. Как мы уже говорили, на поверхности зараженного эритроцита появляются молекулы клейкого белка ПфЭМБ-1. Этот белок-адгезин вырабатывается паразитом внутри эритроцита. Как же он появляется на поверхности? Исследования Ланцера показали, что паразит «выводит» свой адгезин на поверхность клетки эритроцита с помощью того же механизма, который сама клетка использует для доставки в нужные места любых других, нужных ей веществ. Молекулы таких веществ переносятся молекулами белка динеина по «рельсам», которыми служат длинные нити белка актина. При наличии паразита его белок переправляется на поверхность клетки точно таким же способом.

Но совершенно иначе, как оказалось, обстоят дела в серповидном эритроците. Особая агрегация молекул испорченного гемоглобина не позволяет небольшим отрезкам актина соединиться в длинный «мостик», ведущий изнутри клетки к ее оболочке, и молекулы адгезина не могут выйти на поверхность эритроцита. А те немногие, которые все же ухитряются выбраться наружу, почему-то теряют по пути заметную часть своей клейкости. Иными словами, серповидные эритроциты, даже будучи заражены плазмодием фалципарум, не становятся клейкими, а это, как нам уже понятно, предотвращает самые опасные последствия заражения и уменьшает смертность.

Увы, так обстоит дело только с серповидными эритроцитами и, значит, только у гетерозиготных «носителей серповидно-клеточной анемии». У гомозиготных людей, то есть у людей здоровых, вообще не имеющих мутации в гене гемоглобина, этой защиты нет, потому что у них эритроциты не серповидные, а обычные, округлые. Но можно надеяться, что открытие группы Ланцера, пролившее свет на давнюю загадку «несклеивания» серповидных эритроцитов, в конце концов укажет какой-нибудь практический путь и к предотвращению склеивания, постигающего обычные эритроциты при заражении, и тем самым облегчит судьбу сотен тысяч африканцев, индусов и азиатов.

 

Благодеяние убийцы

 

Прежде чем лечить, нужно понять, что лечить. Но, увы, разгадать тайны той или иной болезни в большинстве случаев не просто. Вот история о том, как ученые разгадывали одну такую загадку. Это также история о том, что не только недостатки — это продолжение достоинств, но иногда и достоинства могут быть продолжением недостатков. А еще короче — это история изучения смертельного наследственного недуга — цистофиброза. Ген, ответственный за появление в организме этой болезни, был открыт в 1989 году. Если этот ген после мутации наличествует только в одной из двух нитей наследственной молекулы ДНК, он себя не проявляет. Стоит ему, однако, оказаться в обеих нитях (напомним, что одна из них унаследована от отца, другая от матери), как он включается в работу. Как всякий другой ген ДНК, он выдает инструкцию на производство в клетке определенного белка. Но в данном случае белок этот, в силу мутации гена, сам оказывается испорченным и потому не может делать в клетке свое полезное дело.

А дело это вот какое. Пока рассматриваемый нами ген здоров, белок, создаваемый по его инструкции, занимается тем, что создает мельчайшие канальцы в мембране клетки. Через эти канальцы из клетки выходят ионы хлора; они попадают в окружающую клетку среду и делают ее повышенно соленой, а это в результате физико-химического механизма, именуемого осмосом, высасывает из клетки содержащуюся в ней жидкость (осмос действует в направлении выравнивания уровня содержания солей). В нормальных условиях эта жидкость высасывается в умеренных количествах, не нарушая жизнедеятельности клетки; более того — это позволяет удалять из легких и внутренностей попадающие туда вредные бактерии и другие нежелательные остатки. Но все это — в нормальных условиях. А в случае, если ребенок унаследовал от своих родителей испорченный мутацией ген, канальцы, образуемые белком такого гена, оказываются неспособными выводить бактерии и отходы жизнедеятельности клетки в нужных количествах, поскольку забиваются плотной слизью, которая заполняет внутренности. Мало того что это нарушает деятельность органов — слизь становится еще и питательной средой для различного рода бактерий и вирусов, что грозит болезнями и смертью. Среди белых детей один на каждые 2500 страдает наследственным цистофиброзом, и редко кто из таких детей, даже сегодня, со всеми нашими антибиотиками и прочими лекарственными препаратами, доживает до сорока лет. При этом заболевшие цистофиброзом мужчины, как правило, оказываются бесплодными.

Тут сразу же возникает вопрос: каким же образом эта мутация сохранилась в ходе эволюции? Ведь, казалось бы, если пораженные ею мужчины не дают потомства, то не должны появляться и дети с двумя испорченными нитями ДНК, и от матери, и от отца — отцы-то бесплодны! Раньше биологи полагали, что мутация, ведущая к цистофиброзу, сохранилась просто потому, что появилась в человеческом генофонде сравнительно недавно, однако испанский генетик Хавьер Иствилл, применив методы молекулярной биологии и статистической генетики, опроверг эту гипотезу.

Выводы Иствилла были вскоре подтверждены независимыми исследованиями еще одного испанского биолога — Бертранпети из Барселонского университета. Используя новую технику изучения эволюции генов, Бертранпети исследовал образцы крови жителей различных стран Европы, в чьем роду числились случаи заболевания цистофиброзом. Из этих образцов он выделил уже известный по предыдущим исследованиям участок наследственной молекулы ДНК, который отвечает по меньшей мере за 70 процентов всех случаев цистофиброза. Участок этот называется «ген дельта-эф 508» и, в свою очередь, состоит из множества еще меньших участочков — так называемых «микросателлитов». Бертранпети определил, чем микросателлиты имеют около 1000 различий. Иными словами, за время существования гена цистофиброза в нем накопилось около 1000 крохотных мутаций (которые, однако, не изменили летальной природы этого гена).

Зная среднюю частоту возникновения мутаций, Бертранпети подсчитал, что для образования такого многообразия различий ген должен был пройти через 2625 поколений людей. А это означает, что его возраст (с учетом того, что древние люди жили намного меньше современных) составляет более 50 тысяч лет. Иначе говоря, этот ген появился в те времена, когда, по данным археологов, предки Гомо сапиенс впервые пришли в Европу. «Этот ген невероятно старый», — заключил Бертранпети.

Дальнейшие исследования показали еще одну особенность этого гена. Оказалось, что его микросателлиты различны не только у разных людей, но и у разных европейских народов. Испорченный ген «дельта-эф 508» у жителей Великобритании, Ирландии, Франции, Испании, Италии и Болгарии имеет один набор микросателлитов (то есть набор микромутаций), а тот же ген у жителей Словакии, Чехии, Венгрии, Германии, Дании, Швеции и Финляндии — другой. Отсюда, по мнению Бертранпети, следует, что заселение Европы первобытными людьми происходило, по всей видимости, двумя потоками, один из которых направился через Болгарию на запад континента, тогда как другой — через Венгерскую равнину — на север. Но каждый из этих потоков нес в себе свою разновидность гена, которую и передал, через тысячи поколений, современным людям.

Открытия Иствилла и Бертранпети прояснили историю «гена цистофиброза». Но ответ на поставленный выше вопрос: как этот ген сохранился в ходе эволюции? — они весьма усложнили. В самом деле, если вредный ген возник уже 50 с лишним тысяч лет назад, то за это время естественный отбор должен был бы, казалось, устранить из человеческих рядов всех его носителей — разве что они обладали каким-то дополнительным преимуществом по сравнению с теми, у кого испорченного гена не было вообще. И американский физиолог Габриэль решил поискать, не мог ли ген цистофиброза сыграть какую-то благодетельную роль в ходе эволюции. Иными словами, выяснить, нет ли и у этого гена каких-либо достоинств, которые могли бы быть продолжением — и компенсацией — его недостатков.

Габриэлю помог тот факт, что цистофиброз, как мы уже сказали, влечет за собой закрытие мембранных канальцев и прекращение выхода жидкости из клетки наружу. Исследователь вспомнил, что выделение жидкости из клеток, напротив, является характерным признаком другой болезни — холеры. Когда холерный вибрион атакует организм, он выделяет сильный токсин. Пытаясь освободиться от этого токсина, клетки желудка открывают все свои канальцы и выделяют наружу огромное количество жидкости — до трех-четырех галлонов в день. Эта жидкость предназначена для того, чтобы «смыть» токсин; но поскольку, смывая его из внутренностей, жидкость и сама выходит из организма, возникает сильнейший понос (к тому же кровавый, так как вместе с жидкостью вымываются остатки разрушенных клеток и кровяные тельца). Если вовремя не возместить потерю этой жидкости (и содержащихся в ней солей), человек умирает от дегидрации — обезвоживания организма.

Не может ли быть так, что ген цистофиброза, закрывая канальцы, выводящие жидкость из клеток, одновременно препятствует и появлению диареи? Это свое предположение Габриэль решил проверить на мышах. Он взял мышей с привитым геном цистофиброза и ввел им в желудок еще и холерный токсин. Вскрыв затем своих подопытных, он обнаружил, что те мыши, у которых ген цистофиброза наличествует в обеих нитях ДНК, материнской и отцовской, жидкости вообще не выделяли, как им и положено, — ведь у них мембранные канальцы были забиты. А вот мыши, у которых испорченный ген присутствовал только в одной из нитей ДНК, клеточную жидкость продолжали выделять, хотя и в половинном количестве, — у них была забита только половина канальцев.

Если предположить, что в человеческом организме имеет место то же самое, мы приходим к выводу, что те первобытные люди, которые были носителями скрытого гена цистофиброза (то есть имели его только в одной нити своей ДНК), заразившись холерой, выделяли половину нормального количества клеточной жидкости. Этого было вполне достаточно, чтобы избавиться от холерного токсина, и в то же время меньше, чем необходимо для возникновения кровавой диареи. Иными словами, они были защищены от холеры лучше, чем другие люди, — ведь у тех неминуемо появлялась диарея, ведущая к обезвоживанию и смерти. «В былые времена, — говорит Габриэль, — когда население Европы было куда меньше, каждая эпидемия холеры могла истреблять значительную часть европейцев, но не затрагивала людей, носивших в своих ДНК всего одну копию мутантного гена цистофиброза. А это позволяло такому гену сохраняться и размножаться в популяции».

Так-то оно, быть может, и так, но дело в том, что первые эпидемии холеры в Европе отмечены лишь с 1817 года. А что же помогало гену цистофиброза раньше? Габриэль полагает, что этот ген помогал своим носителям справляться с другими бактериями, способными вызвать диарею, — например, с кишечной палочкой и сальмонеллой. Но если Габриэль прав и этот ген оказывает людям такие благодеяния, почему он «не прижился» в Азии? Ведь та разновидность кишечной палочки, которая вызывает диарею, распространена по всему миру и ежегодно убивает почти полтора миллиона детей. А кроме того, тот вид мутации, который изучали Иствилл и Габриэль, — отнюдь не единственная причина цистофиброза. Сегодня известны уже по меньшей мере 400 других разновидностей порчи исходного гена, ведущих к этой ужасной болезни. Это означает, что данный ген подвержен особо частым мутационным порчам. Но если его мутации происходят так часто и легко, почему они не появились за истекшие 50–100 тысяч лет (со времени ухода людей из Африки) и среди прочих рас, в остальных частях света?

На этот вопрос попытался ответить американский физиолог Поль Квинтон. По его мнению, скрытый ген цистофиброза не выжил за пределами Европы, потому что в жарком климате он проявляет другой недостаток, который перевешивает его выгоды при возникновении диареи, — он вызывает выделение слишком соленого пота. Вспомним, что этот ген, даже в скрытом состоянии (когда он находится лишь в одной нити ДНК), вызывает закупорку по меньшей мере половины мембранных канальцев. В результате осмос не может высосать из клеток достаточно жидкости, чтобы в полной мере разбавить накопившиеся снаружи, в межклеточной жидкости, соли хлора. Выделяющийся из организма пот оказывается избыточно соленым в сравнении с нормальным. Врачи и сейчас считают соленый пот первым признаком цистофиброза. Соль необходима организму для нормальной жизнедеятельности; ее выход вместе с потом ведет к понижению солевого баланса и нарушению жизнедеятельности. Особенно резко этот недостаток сказывается в жарком климате, где люди сильно потеют. И здесь шансы носителя скрытого гена цистофиброза на выживание и размножение должны были оказаться ниже, чем у других людей, — несмотря на выгоды, которые этот ген дает в борьбе с диареей. Напротив, в прохладной Европе люди сохранили этот ген для защиты от диареи — хотя и ценой наследования повышенных шансов на заболевание цистофиброзом.

Иными словами, что хорошо, а что плохо для выживания, решают в конечном счете локальные условия. Но в любом случае эволюция никогда не одаряет одним только добром — она всегда вынуждает нас принимать вместе с ним и неизбежное зло.

 

Альцгеймер — поиски и споры

 

Два главных врага человека, две главные причины смертности людей — это, несомненно, сердечно-сосудистые болезни и рак. В последнее время в связи с ростом длительности жизни и, как следствие, — быстрым ростом числа пожилых людей к этим двум врагам присоединился третий — болезнь Альцгеймера. Если какой-то призрак и бродит по нашей состарившейся планете, то это — призрак Альцгеймера.

Упрямая штука — эта болезнь Альцгеймера. Открыта она была Алоизом Альцгеймером еще в 1906 году, а фундаментальный прорыв в ее понимании произошел лишь в 1991 году, когда Харди и Бисоп нашли, что эта болезнь связана с аномалией одного из белков, производимого нейронами, — амилоидного белка. Это привело к развертыванию поистине огромного фронта научных исследований, но, увы, — бои на этом фронте долгое время шли позиционные, и лишь недавно наметились важные продвижения как в научном, так и в практическом лечебном плане. Самое время об этом рассказать. Но для лучшего понимания рассказа стоит сначала навести некоторый порядок в наших знаниях. Что знаем мы, точнее — что знает сегодня наука о болезни Альцгеймера (далее сокращенно БА)? Самое надежное знание состоит в том, что болезнь эта представляет собой один из видов старческого слабоумия, а потому вероятность заболевания ею, как правило, растет с возрастом. Замечу, однако, что далеко не всякая старческая забывчивость — это признак БА. Совсем недавно, в середине 2013 года, группа известного биолога, лауреата Нобелевской премии Канделя, изучив посмертные срезы мозга людей, страдавших от старческой забывчивости, и людей, умерших от БА, показала, что у тех и других были поражены совершенно разные участки гиппокампуса (так называется отдел мозга, заведующий памятью). Более того, этой же группе удалось, с помощью инъекций определенного белка, обратить вспять процесс забывания приобретенных навыков у состарившихся мышей. Мыши вспомнили забытые ими навыки прохождения лабораторного лабиринта.

К сожалению, пока это удалось сделать только с мышами.

Впрочем, оставим обычную старческую забывчивость и вернемся к БА. Как я уже сказал, в 1991 году Харди и Бисоп нашли, что в мозгу умерших от этой болезни людей обнаруживаются отложения амилоидного белка. Эти отложения, или «бляшки», покрывают поверхность нервных клеток (подобно тому, например, как холестероловые бляшки покрывают изнутри стенки артерий) и, как показало последующее изучение, состоят из неправильно свернутых молекул этого белка. Долгие годы дальнейших исследований выявили, как образуются эти «неправильные» молекулы. В нейронах, наряду со всеми их прочими белками, производится также некий белок, который ученые назвали «белок — предшественник амилоида», или сокращенно — АРР. Это длинная молекула, которая пронизывает мембрану нейрона. Во всех нейронах существуют особые ферменты (тоже белки), именуемые «секретазами», задача которых — отрезать тот кусок АРР, который находится вне нейрона. Внутренняя (меньшая) часть АРР остается в нейроне и играет там некую важную роль, а более длинная — она имеет от 36 до 43 химических звеньев и называется «бета-амилоил», или «Абета», — остается на мембране снаружи и, в принципе, должна быть в конечном счете убрана из мозга, как «мусор». И так оно действительно происходит со всеми таким «обрезками» — кроме некоторых. Увы, некоторые остатки не поддаются удалению, потому что по какой-то причине приобретают способность соединяться друг с другом, образуя большие бляшки, которые нарушают работу нейронов.

Затем сделали еще одно важное открытие — было подмечено, что такой способностью обладают только те наружные остатки АРР, которые имеют минимальную длину — 42 химических звена. Остатки длиной, скажем, 38 звеньев склеиваться практически не способны. Эту странную молекулярную загадку разгадали относительно недавно. Сначала выяснили, что при длине в 42 звена сохраняется участок, имеющий форму шпильки, а в феврале 2013 года профессор из Калифорнии Давид Теплов показал что именно такими «шпильками» молекулы Абета-42 сцепляются друг с другом. И когда такое сцепление идет слишком бурно, на мембранах нейронов образуются нерастворимые бляшки и возникает БА.

Эти открытия немедленно породили следующий вопрос: чем же обусловлено усиленное образование Абета-42? Определенные данные уже давно наводили на мысль, что БА — по крайней мере частично — вызывается мутацией некоторых генов. Данные о «генах БА» постепенно накапливались, и сегодня наука уже знает, что одним из генов, порча к<