Однако в 1990-х годах определение последовательности генов стало довольно рутинной операцией. Многие тысячи их были уже собраны в первые базы данных – прообразы гигантских биоинформатических хранилищ нашего времени. Специальные программы позволяли сравнивать последовательности генов между собой и находить сходные. Узнав об открытии Офмана, Руслан Меджитов решил искать иголку в стоге сена – проверить, а нет ли среди уже известных человеческих генов похожего на Toll дрозофилы. Конечно, человека и дрозофилу разделяет огромная эволюционная дистанция, но ученые уже знали, что определенные белки, например гистоны, связывающие ДНК в ядре, очень консервативны во всех живых организмах. Возможно, белки иммунной системы также сходны у всех многоклеточных? Во всяком случае, смысл в этих поисках был.
Кто ищет, тот всегда найдет? В науке – отнюдь. Но Меджитову повезло. Он обнаружил в базе данных ДНК последовательность, кодирующую белок, который имел сходство с толл-рецептором дрозофилы. Теперь этот белок известен как толл-подобный рецептор 4 (TLR4). Сходство последовательностей позволяло предположить, что этот белок играет важную роль в защите организма, но само по себе доказательством не являлось. В конце концов, за миллионы лет эволюции, лежащих между человеком и дрозофилой, он мог приобрести другие функции. Чтобы доказать, что этот ген и впрямь вовлечен в иммунный ответ, был необходим эксперимент. На основе исходного гена TLR4 Руслан Меджитов сконструировал искусственный ген, кодирующий мутантный рецептор, который постоянно находится в активном состоянии (природный лиганд, активирующий TLR4, тогда еще не был известен). Мутантный TLR4 поместили в клетки, используя методы генной инженерии, и затем проверили, как отличается активность этих клеток от активности клеток, не подвергшихся генетической трансформации. Оказалось, что гиперактивация сигнальных путей, зависимых от TLR4-рецептора, ведет к усилению производства костимулирующей молекулы В7 и воспалительных цитокинов, необходимых для активации Т-лимфоцитов. Эксперименты Меджитова доказали существование у позвоночных паттерн-распознающих рецепторов, активация которых приводит к инициации адаптивного иммунного ответа. Основное положение теории Джейнуэя было подтверждено. Позже Брюс Бётлер с коллегами показали, что именно рецептор TLR4 связывает липополисахарид клеточных стенок грамотрицательных бактерий.
(На всякий случай напоминаю, что, если термины «лиганды», «рецепторы» и «сигнальные пути», с которыми мы впервые встретились в этой главе, вводят вас в ступор, вы можете обратиться к соответствующим разделам приложения. Разберитесь в этих понятиях сейчас, ведь они еще не раз встретятся в книге. К сожалению, молекулярные механизмы взаимодействия клеток практически не затрагиваются школьным курсом биологии, но в разговоре об иммунной системе без них не обойтись.)
Чарльз Джейнуэй скончался от рака в 2003 году. Жюль Офман и Брюс Бётлер получили Нобелевскую премию в 2011-м. Руслан Меджитов ее так и не получил. Честно говоря, я вполне разделяю негодование Эллисона и других иммунологов. На мой взгляд, вклад Руслана Меджитова в открытие механизмов распознавания во врожденном иммунитете не меньше, чем вклад Офмана и Бётлера. А главное, я в принципе не понимаю, зачем Нобелевскому комитету понадобилась упихивать в одну премию открытие роли толл-подобных рецепторов в клетках врожденного иммунитета и открытие дендритных клеток адаптивного иммунитета. Каждый из этих научных прорывов заслуживал отдельной премии. Однако история не знает сослагательного наклонения, и в итоге получилось то, что получилось: поучительная и немного грустная история о том, что вклад в науку и его признание – это все еще разные вещи. Или же, если хотите, наоборот: поучительная и оптимистичная история о том, что подлинный научный авторитет не зависит от чинов, наград и воли какого-либо комитета, хотя бы даже и Нобелевского.
Изучение толл-подобных рецепторов продолжается и по сей день. Вот что мы знаем о них сегодня. У человека их 10, а, например, у мыши 12, так что врожденный иммунитет у мыши и человека немного различается. Несмотря на общее сходство, толл-подобные рецепторы способны распознавать самые разные чужеродные молекулы: фрагменты ДНК бактерий и РНК вирусов, белки жгутиков бактерий (флагеллин), фрагменты клеточной стенки грибов (зимозан) и многие другие. Также эти рецепторы распознают молекулы, сигнализирующие о проблемах в наших собственных клетках, например белки теплового шока. Как мы увидим дальше, врожденный иммунитет играет важную роль не только в уничтожении чужеродных биологических объектов, но и в очистке организма от старых, больных и раковых клеток. Белки теплового шока и другие подобные им молекулы позволяют клеткам врожденного иммунитета отличать неполноценные клетки от здоровых, нормально функционирующих. Этой стороне иммунного ответа будет посвящена следующая глава.
Глава 6РЕЦЕПТОРЫ К ЧУЖОМУ… И СВОЕМУ…
…Предоставь мертвым
погребать своих мертвецов.
После описания первых толл-подобных рецепторов в иммунологии словно плотину прорвало. В следующие 20 лет было открыто множество рецепторов, отвечающих за распознавание во врожденном иммунитете. Некоторые из них имеет смысл рассмотреть особенно внимательно, так это прольет свет на еще одну важную функцию, которую они выполняют. Как мы уже говорили, клетки врожденного иммунитета, особенно макрофаги, – это не только полицейские, но также мусорщики и даже могильщики в нашем организме. Они защищают его не только от внешних врагов, но и от неизбежных внутренних поломок.
Вы наверняка слышали о том, что клетки нашего тела полностью обновляются за семь лет. Это утверждение, конечно, пример не слишком корректного упрощения, но не будем пока к нему придираться. Лучше зададимся вопросом: куда деваются старые клетки, когда им на смену приходят новые? В учебниках на этот счет пишут, что старые клетки погибают и новые занимают их место, однако это мало что объясняет. Мертвая органика, будь то целое тело или отдельная клетка, занимает место, гниет, разлагается, становится питательной средой для разных микроорганизмов. Трупные яды – отрава для живого. История человеческой цивилизации с тех пор, как она стала оседлой, – это история решения похоронного вопроса.
Уже у первобытных людей были специальные места для погребения и ритуалы, решавшие важную для выживания задачу: сделать так, чтобы мертвые не становились опасными для живых. С этим, вероятно, связано и требование многих древних религий хоронить умерших до захода солнца. Любой многоклеточный организм в этом смысле похож на город-миллионник – ему приходится решать те же проблемы утилизации умерших. Как же именно он это делает?
Прежде чем ответить на этот вопрос, имеет смысл уточнить, что смерть клеток, как и смерть людей, бывает естественной и насильственной. Полиция должна присутствовать в обоих случаях. В первом она лишь составляет протокол и выражает дежурное соболезнование близким, но во втором реагирует иначе. Тут уже дело не ограничивается прибытием пары дежурных полицейских – на вызов выезжают сотрудники «убойного отдела», эксперты-криминалисты, выставляется оцепление, начинается поиск и опрос свидетелей. Иммунной системе также нет смысла запускать иммунный ответ на полную катушку, когда в этом нет необходимости. Поэтому клетки врожденного иммунитета по-разному реагируют на естественную смерть клеток от старости и насильственную их гибель в результате механического повреждения, вирусной атаки и тому подобных инцидентов.
Естественная запрограммированная гибель клеток называется апоптозом. Старые клетки совершают что-то вроде самоубийства – молекулярного харакири. В результате внутри них высвобождаются ферменты, похожие на те, которые в нашем пищеварительном тракте помогают переваривать пищу. Клетка в буквальном смысле сама себя переваривает. В конце концов от нее остается лишь несколько небольших пузырьков – апоптотических телец, ограниченных остатками плазматической мембраны. Апоптоз, таким образом, проходит очень аккуратно, и содержимое отмершей клетки не попадает во внеклеточную среду. Специальные молекулы, присутствующие на поверхности апоптотических телец, оставшихся от клеток, умерших естественной смертью, указывают на то, что тельца должны быть утилизированы. Этот тип химических сигналов в научной литературе так и называется – «съешь меня». Его посылает, например, фосфатидилсерин. В норме этот фосфолипид находится во внутреннем слое клеточной мембраны (если вы не помните, что клеточная мембрана двухслойная, – приложение в помощь). В клетках, подвергшихся апоптозу, он переходит в наружный слой и становится сигналом «съешь меня» для множества рецепторов клеток врожденного иммунитета. Фагоциты, главным образом макрофаги, реагируют на эти сигналы и «подъедают» апоптотические тельца, освобождая пространство для новых клеток. Однако делают они это в штатном режиме, не запуская тревожной – воспалительной – реакции. В результате постоянное естественное обновление нашего организма проходит тихо и безболезненно.
Совсем по-другому разворачиваются события, если смерть клетки сопровождается некрозом – разрывом мембраны и выбросом клеточного содержимого во внеклеточное пространство.
Как в этом случае макрофаг распознает поврежденную клетку? Паттерны патогенности здесь не работают, ведь отмершие и разрушенные клетки состоят из тех же молекул, что и здоровые. Сигнальные молекулы типа «съешь меня» зачастую отсутствуют. В этом случае в действие вступают «сигналы о разрушении» (danger signaling), предупреждающие иммунную систему о том, что что-то пошло не так.
Наиболее универсальной «черной меткой» клеточного разрушения являются свободные молекулы ДНК. В норме ДНК всегда находится не просто внутри клетки, а внутри органелл – ядра и митохондрий. Появление ДНК в цитоплазме клетки и тем более во внеклеточном пространстве – это всегда сигнал бедствия, который активирует иммунную систему. Именно этот сигнальный путь (хотя, конечно, не он один) запускает бурную воспалительную реакцию в ране при насильственной гибели клеток. Всем известны признаки воспаления: отек, покраснение, боль, повышение температуры… Это так не похоже на «тихую смерть» от апоптоза.