автономность клетки определяется ее анатомией.
А эта анатомия, в свою очередь, обеспечивает важнейшее свойство живых систем – поддержание постоянства внутренней среды, называемое гомеостазом. Идея гомеостаза (слово происходит от греческих слов Ьотео и stasis и обозначает “относящийся к покою”) была впервые предложена французским физиологом Клодом Бернаром в 1870-е годы, а затем в 1930-е развита физиологом из Гарварда Уолтером Кенноном.
На протяжении многих поколений до Бернара и Кеннона физиологи описывали животных как конгломерат машин, как сумму подвижных частей. Мышцы – моторы, легкие – пара мехов, сердце – насос. Толкать, крутить, качать – акцент ставился на движение, на действие, на работу. Не стой просто так, делай что-нибудь.
Бернар перевернул эту логику. “Постоянство внутренней среды есть условие свободной и независимой жизни”, – писал он в 1878 году22. Сместив в физиологии акцент с действия на поддержание стабильности, Бернар изменил наше представление о том, как работает тело. Главная задача физиологической “активности” – парадоксальным образом – заключается в обеспечении стабильности. Не делай что-то просто так, стой здесь.
Бернар и Кеннон изучали гомеостаз в организмах и в органах, однако постепенно выяснялось, что гомеостаз – основополагающее свойство клеток и, следовательно, жизни. Чтобы понять клеточный гомеостаз, мы вновь начинаем с мембраны, ограждающей клетку от внешнего пространства, чтобы отделить внутренние реакции и избавить их от внешнего вмешательства. В мембране есть “насосы”, выводящие из клетки ненужные вещества – опять-таки чтобы поддерживать постоянство внутриклеточного пространства. Протоплазма содержит химические буферы, так что кислотность и щелочность внутренней среды не меняются даже при изменении химического окружения за пределами клеток. Клетке нужна энергия, и митохондрии ее вырабатывают. Протеасома уничтожает ненужные или бракованные белки. Специализированные запасающие органеллы в некоторых клетках гарантируют наличие запаса питательных веществ, который может использоваться в случае необходимости. Токсичные побочные продукты метаболизма направляются в пероксисому для уничтожения.
Вскоре мы переключим внимание с автономности и гомеостаза на другие важнейшие свойства клетки – на репродукцию, функциональную специализацию и способность делиться и формировать многоклеточный организм. Но задержимся немного и перечислим удивительные открытия, относящиеся к содержанию данной главы. Два десятилетия между 1940 и 1960 годами можно назвать наиболее плодотворным и продуктивным периодом в работе клеточных биологов, пытавшихся описать функциональную анатомию внутриклеточного пространства. Это период величия и мастерства, как примерно за сто лет до этого, когда Шванн, Шлейден, Вирхов и другие ученые заложили основы клеточной биологии. Если открытия этого периода сегодня кажутся “рутинными” (варианты фразы “Митохондрии являются клеточными электростанциями” можно встретить в любом учебнике по биологии для старшеклассников), то лишь по той причине, что мы, как это часто бывает, забываем, с каким энтузиазмом они воспринимались тогда. Мне не кажется преувеличением называть переход от открытия клетки к выявлению ее структурной анатомии и в конечном итоге ее функциональной анатомии одним из самых вдохновляющих достижений науки.
Открытие функциональной анатомии клетки способствовало более целостному ее пониманию и, как следствие, определению принципов жизни. Клетка, как отмечалось выше, это не просто система близко расположенных частей, как автомобиль – не просто карбюратор рядом с мотором. Это интегральная система, объединяющая функции отдельных элементов для обеспечения основополагающих принципов жизни. Между 1940 и 1960 годами ученые начали связывать между собой отдельные элементы клетки, чтобы понимать, как независимая живая единица может функционировать и становиться “живой”.
Неизбежным следствием этих фундаментальных открытий стало развитие новой медицины. Если развитие макроанатомии и физиологии способствовало наступлению новой эры в хирургии и медицине в XVIII и XIX столетиях, то функциональная клеточная анатомия и физиология определили новые пути борьбы с болезнями и новые терапевтические подходы в XX столетии. Мы давно знали, что нарушение функции органа влечет за собой болезнь: почечную недостаточность, слабость сердечной мышцы, перелом кости. Но что происходит при нарушении функции клеточных органелл?
Летом 2003 года одиннадцатилетний хоккеист по имени Джаред начал слепнуть на оба глаза23. Мир перед его взором медленно тускнел, и Джареду, который пытался продолжать играть, стало трудно различать линии на хоккейной площадке. Родители отвели его к офтальмологу в клинике Мейо в Рочестере, в Миннесоте, чтобы поставить диагноз.
Через неделю в клинике обнаружили причину болезни: у Джареда была так называемая наследственная оптическая нейропатия Лебера24. “Мне очень жаль, но Джаред ослепнет”, – сообщил родителям офтальмолог клиники. Обычно эта наследственная болезнь возникает в результате мутации гена mtND4, который содержится в митохондриях (этот ген был обнаружен и описан в 1988 году, всего за два года до начала проекта “Геном человека”)25. По непонятным пока причинам болезнь специфическим образом затрагивает функции ганглионарных клеток сетчатки глаза, передающих информацию от сетчатки к зрительному нерву и дальше в мозг.
У детей с этим нарушением болезнь неизбежно прогрессирует. Поначалу нервные волокна в области слепого пятна начинают разбухать. Зрительный нерв атрофируется, а нервы сетчатки ослабевают и утончаются. Джаред унаследовал наиболее распространенную форму мутации – в положении 11778 митохондриального генома, длина которого в целом составляет около шестнадцати тысяч нуклеотидных оснований[48].
“11778, – записал Джаред в дневнике. – Я бы хотел, чтобы это были цифры на моем хоккейном медальоне, или шифр от велосипедного замка или даже от моего шкафчика в школе. А вместо этого генетическая мутация в положении 11778 отперла болезнь в моем теле в одиннадцать лет и изменит мою жизнь навсегда… Слепота, что за чушь? Мне одиннадцать лет. Я хоккеист. Мне нравятся девчонки, а я нравлюсь им. У меня полно друзей и никаких проблем. Слепота? Что значит, я не буду видеть? Не буду видеть чего?.. Просто сделай что-нибудь, пап, и дай мне поиграть с ребятами”26.
Но его отец, как ни старался, не мог ничего сделать. Ганглионарные клетки в сетчатке Джареда начали разрушаться. Родители осторожно переключили внимание сына на игру на гитаре. Он учился играть на слух и на ощупь. Одновременно с приближением слепоты (медленным, но неуклонным) подступала музыка. “И теперь я в Музыкальном институте Лос-Анджелеса в Калифорнии, через восемь лет после того, как исполнил для мамы и папы мой первый раздирающий уши концерт в гитарном центре. Кажется, я первый слепой студент, поступивший в этот замечательный музыкальный институт, что очень круто. Думаю, они посчитали, что я достаточно хорош, чтобы не отставать от других студентов, которые должны читать ноты”27. Джаред потерял зрение, но обрел слух.
В 2011 году группа офтальмологов из Хубэя в Китае модифицировала вирус под названием AAV2 таким образом, чтобы включить в него нормальную версию гена ND428. Вирус заражает клетки животных и человека, но не вызывает никаких явных или острых заболеваний, и его можно модифицировать, чтобы он нес в себе чужеродный ген, такой как ND4. Миллионы генетически модифицированных вирусов помещали в капельку жидкости, после чего тончайшей иглой прокалывали угол роговицы глаза пациента и вводили густой вирусный суп в стекловидный слой непосредственно над сетчаткой.
Ученые знали, что ступали на опасную, зыбкую почву: в сентябре 1999 года Джесси Гелсингеру – подростку с метаболическим заболеванием средней тяжести, из-за которого его печень не могла расщеплять побочные продукты распада белков, что приводило к почти токсическому уровню аммиака в крови, – был введен генетически модифицированный аденовирус. Врачи надеялись, что экспериментальная процедура введения вируса избавит мальчика от болезни. Однако произошла трагедия: у Джесси развилась катастрофическая иммунная реакция на вирус, быстро приведшая к фатальному отказу органов. Последствия его смерти не заставили себя ждать. На протяжении первого десятилетия XXI века область генной терапии замерла в глубокой зимней спячке. Немногие исследователи осмеливались вводить людям генетически модифицированные вирусы, и контролирующие инстанции ограничили такие исследования строжайшими правилами.
Однако сетчатка – особенное место. Мало того, что маленькой капельки с вирусами достаточно для заражения клеток сетчатки, так еще у этой ткани, наряду с несколькими другими отделами тела (среди них мужские семенники), особый иммунный статус: она не подвержена строгому контролю со стороны иммунной системы, и по этой причине вероятность возникновения в ней активной реакции на введение инфицирующего агента достаточно низка. Кроме того, после истории Гелсингера векторы для генной терапии были значительно усовершенствованы, что усиливало уверенность ученых в том, что ген может быть доставлен без нежелательной побочной реакции.
В 2011 году китайские врачи привлекли к небольшим клиническим испытаниям восемь пациентов с наследственной оптической нейропатией Лебера29. Были достигнуты первые успехи: вирус вносил гены в ганглионарные клетки сетчатки, и клетки начинали производить нормальный белок ND4, который потом попадал в митохондрии. В последующие тридцать шесть месяцев у пяти из восьми пациентов повысилась острота зрения.
Пока я пишу эти строки, исследования продолжаются: ученые уточняют критерии подбора пациентов и продлевают период наблюдений. Вирусный препарат, получивший название