Примечания
1
Уоллес Стивенс (1879–1955) – американский поэт, один из самых значительных представителей модернистской поэзии XX века. – Прим. перев.
2
Интерес Шванна к построению животных и растений из одинаковых строительных кирпичиков, клеток, подогревался идеей о том, что, если эти организмы построены из независимых самостоятельных живых единиц, не нужно прибегать к понятию о “жизненных флюидах”, отвечающих за жизнь или зарождение клеток (эту идею горячо отстаивал Иоганнес Мюллер). Шлейден был учеником Мюллера и верил в существование “жизненных флюидов”, но имел собственную теорию происхождения клеток (по аналогии с образованием кристаллов), которая, как было доказано впоследствии, совершенно неправильна. Забавно, что история зарождения клеточной теории рассказывает не об ошибочном понимании того, откуда все произошло, а об ошибочном понимании того, как все произошло. Общность между растениями и животными, которую подметили Шванн и Шлейден (в частности, тот факт, что все живые существа состоят из клеток), абсолютно реальна, но теория Шлейдена (которую Шванн поначалу принял, но все больше и больше в ней сомневался) о зарождении клеток, как мы вскоре увидим, оказалась ошибочной, что было в значительной степени доказано Рудольфом Вирховом.
Трудно установить, понял ли Шлейден, что ткани всех растений состоят из клеточных единиц, еще до разговора со Шванном или этот разговор заставил его рассмотреть (или пересмотреть) его образцы, чтобы оценить универсальность их клеточной структуры в новом свете. Поэтому я написал “возможно, тем самым вечером”, поскольку не уверен в том, какие заключения сделал Шлейден до ужина со Шванном, а к каким пришел после. Однако время той встречи (1837 год), выход статьи Шлейдена вскоре после этого (1838 год) и его задокументированный визит в лабораторию Шванна для наблюдения сходства между растительными и животными клетками говорят о том, что взаимодействие со Шванном было важным катализатором в размышлениях Шлейдена об основах и универсальности клеточной теории. Тот факт, что и Шлейден, и Шванн с легкостью признали роль друг друга в качестве соавтора современной клеточной теории, а не соперника, также подтверждает, что их взаимодействие (скажем, беседа за ужином) должно было усилить убежденность Шлейдена в том, что все растительные ткани состоят из клеток. Шванн, в отличие от Шлейдена, яснее выражается относительно важности этой вечерней беседы в 1837 году: она изменила основное направление его исследований. В произнесенной в 1878 году речи он признает, что наблюдения Шлейдена о развитии растений сыграли ведущую роль в его собственном последующем открытии клеточной структуры животных тканей.
3
In situ (лат.) – в естественной среде, дословно “на месте”. – Прим. ред.
4
Одна тема, которую я затронул лишь слегка (но не затронуть не мог), касается стоимости и доступности новых методов. Эти вопросы в какой-то степени освещены в заключительных главах книги, но они требуют гораздо более глубокого обсуждения, чем позволяет этот труд. Книга по истории клеток не может одновременно являться и приемлемым вводным курсом на тему законодательных стратегий, общественного здравоохранения, а также вопросов стоимости и доступности процедур.
5
В фильме “Матрица” синяя таблетка позволяет жить в виртуальной реальности, красная – оказаться в реальном мире; Киану Ривз – исполнитель главной роли в этом фильме. – Прим. перев.
6
Эмерджентное свойство – это свойство, присущее той или иной системе за счет взаимодействия ее компонентов, но не присущее этим компонентам по отдельности. – Прим. ред.
7
Следует пояснить: эти “эмерджентные” свойства не являются определяющими признаками жизни. Скорее это свойства, которые эволюционировали в многоклеточных организмах из систем живых клеток.
8
Не все клетки обладают всеми этими свойствами. В частности, клетки многоклеточных организмов специализированы: например, за накопление питательных веществ отвечают одни клетки, а за утилизацию отходов – другие. Одноклеточные организмы, такие как бактерии и дрожжи, имеют специализированные внутриклеточные структуры, которые отвечают за эти функции, но у многоклеточных организмов, в том числе у человека, для реализации этих функций появились специализированные органы со специализированными клетками.
9
Гены обеспечивают матрицу для синтеза рибонуклеиновых кислот (РНК), а те, в свою очередь, расшифровываются и служат матрицей для синтеза белков. Кроме функции матрицы для построения белков некоторые молекулы РНК выполняют в клетке и другие функции, причем не все они уже известны. Также в некоторых биологических реакциях РНК регулируют активность генов и действуют совместно с белками.
10
Между 1996 и 1999 годами я даже немного занимался нейробиологией, когда работал с профессором Конни Чепко в Медицинской школе Гарварда и исследовал развитие сетчатки. Я изучал глиальные клетки задолго до того, как они стали популярным объектом исследований в нейробиологии. Чепко – специалист в области биологии развития и генетики, он обучал меня науке и искусству отслеживания линий, о чем мы поговорим позже.
11
Некоторые историки утверждают, что конкуренты Янсенов – мастера по изготовлению очков Ханс Липперсгей и Корнелиус Дреббел – тоже изобрели сложный микроскоп. Точные даты этих изобретений остаются предметом спора, но все это происходило в период между 1590 и 1620 годами.
12
Левенгук обнаружил микроскопические одноклеточные организмы еще в 1674 году, но его письмо в Королевское общество, датированное 1676 годом, содержит наиболее живое описание живых существ в отстоявшейся дождевой воде.
13
Сэмюэл Пипс (1633–1703) – английский чиновник морского ведомства, автор популярного дневника о повседневной жизни Лондона. – Прим. перев.
14
Такое увеличение можно получить только с помощью электронного микроскопа, но никак не с помощью примитивного светового микроскопа, которым пользовался Гук. Вероятно, это преувеличение отражает энтузиазм первых исследователей микромира и их современников. – Прим. науч. ред.
15
В 1671 году Королевское общество получило еще два сообщения – одно от итальянского ученого Марчелло Мальпиги и другое от секретаря общества Неемии Грю: оба описывали клеточные формы в разных тканях, особенно в растительном материале. Хотя и Левенгук, и Гук признали эти работы, наблюдения Мальпиги и Грю по клеточной анатомии в XVII веке оставались почти неизвестными. Рисунки клеток в стеблях растений, выполненные Грю, были забыты, но Мальпиги, занявшийся микроскопическим изучением анатомии тканей животных, остался жить в названиях многочисленных клеточных структур: среди них мальпигиев слой в коже и мальпигиевы тельца в почках.
16
Это было не первое столкновение между Гуком и Ньютоном. В 1670-е годы Ньютон представил Королевскому обществу эксперимент с призмой, показав, что проходящий через нее белый свет расщепляется на непрерывный радужный спектр разных цветов. Соберите их с помощью другой призмы, и вы вновь восстановите белый свет. Гук, который в то время был куратором общества, не согласился с Ньютоном и написал язвительный отзыв на эту статью, чем привел Ньютона, который и так уже сходил с ума из-за разглашения его трудов, в негодование. Два английских гения XVII века, оба с чрезмерным самомнением, продолжали препираться на протяжении нескольких десятилетий; кульминацией этих споров стало заявление Гука о его первенстве в открытии закона всемирного тяготения.
17
В 2019 году профессор биологии из Техаса Ларри Гриффинг изучал портрет неизвестного ученого работы Мэри Бил, выполненный примерно в 1680 году. Гриффинг считает, что это портрет Гука. См.: Portraits. RobertHooke.org.
18
Требуется некоторое уточнение: в 1846 году Распай был осужден и оштрафован за незаконную медицинскую деятельность, а к тюремному заключению приговорен в 1849-м за участие в революционных событиях 1848 года. В ссылку в Бельгию Распай отправился после освобождения из тюремного заключения в 1853 году. – Прим. перев.
В середине 1840-х годов Распай изменил направление интеллектуальных поисков и посвятил себя изучению антисептики, санитарии и общественного здравоохранения, особенно в среде заключенных и бедноты. Он был убежден, что большинство болезней вызваны паразитами и червями, но никогда не думал о бактериях в качестве причины заражения. В 1843 году он опубликовал две книги: Histoire naturelle de la sante et de la maladie и Manuel annuaire de la sante. Обе имели огромный успех и предназначались для специалистов по санитарии и гигиене, там содержались комментарии относительно питания, физических упражнений, мыслительной нагрузки и пользы свежего воздуха. В более поздние годы Распай занялся политической деятельностью и был избран в палату депутатов, где продолжал проводить медицинские реформы для заключенных и бедноты, а также бороться за чистоту городов, повторяя работу лондонского врача-крестоносца Джона Сноу. След этого человека, почти полностью исчезнувшего из медицинской литературы, можно найти на картине Винсента Ван Гога “Натюрморт с тарелкой с луком”, где на столе рядом с тарелкой лука изображен Manuel Распая. Возможно, ипохондрик Ван Гог просто купил книгу на улице, но соседство классического труда язвительного человека со слезоточивыми овощами кажется вполне уместным.
19
Перевод В. Рогова. – Прим. перев.
20
Немецкий ботаник Гуго фон Моль тоже наблюдал рождение клетки из клетки в меристеме растений. И Ремак, и Вирхов знали о работе фон Моля, которая позднее была расширена Теодором Бовери, Вальтером Флеммингом и другими учеными, описавшими стадии деления клеток растений и морских ежей.
21
Когда историки науки углубились в изучение ранних этапов развития клеточной биологии, роль Шванна и Шлейдена в качестве основателей клеточной теории стала менее очевидной. В частности, революционные работы натуралиста Яна Пуркине (или Пуркинье) и некоторых его учеников, в том числе Габриэля Густава Валентина, прежде оставались малоизвестными. Отчасти это могло быть проявлением национализма в науке: Шванн, Шлейден и Вирхов работали в Германии и писали на немецком языке, который считался главным языком науки, тогда как Пуркинье и его ученики работали во Вроцлаве. Формально город располагался на территории Пруссии, но оставался провинциальным и по большей части был населен поляками. В 1834 году, обзаведясь новым микроскопом, Пуркинье и Валентин сделали несколько наблюдений и послали в Институт Франции статью, в которой утверждали, что некоторые ткани растений и животных построены из единообразных элементов. Однако, в отличие от Шлейдена и Шванна, они не утверждали, что это всеобъемлющий и универсальный признак, распространяющийся на всю живую материю.
22
Внутренний конфликт Мюллера по вопросу о витализме проявляется во многих его трудах. Например, во вступлении к знаменитой книге “Элементы физиологии” отразилась его неуверенность относительно возникновения жизни из флюидов или же из “обычного” неорганического материала: “Однако обязательно следует признать, что манера, в которой конечные элементы соединяются в органических телах, а также энергии, влияющие на это соединение, являются совершенно особенными [и] не могут создаваться каким-либо химическим процессом”.
23
Необходимо уточнить: Беннет считал, что при лейкемии в сосудах содержатся не клетки, а гной. Только в 1847 году Вирхов установил, что на самом деле в сосудах выявляются клетки, накопление которых и ведет к развитию лейкоза. – Прим. науч. ред.
24
Вирхов упомянул работу двух шотландских хирургов – Джона Хантера и его брата Уильяма, а также работу патологоанатома из Падуи Джованни Морганьи. Вскрытия, произведенные Хантерами, Морганьи и многими другими анатомами и хирургами, показывали, что при болезни какого-то органа в анатомии поврежденной ткани неизбежно обнаруживаются признаки патологического процесса. Например, при туберкулезе в легких появляются белые гнойные узелки, называемые гранулемами. При сердечной недостаточности мышечные стенки сердца обычно выглядят тонкими и изношенными. Вирхов утверждал, что в каждом из этих случаев истинная причина заболевания кроется в клеточной дисфункции. На микроскопическом уровне сердечная недостаточность – следствие дисфункции клеток сердца. Гнойные гранулемы при туберкулезе легкого – следствие реакций клеток на микобактериальную инфекцию.
25
Строго говоря, в крови циркулируют не макрофаги, а их предшественники – моноциты, которые дифференцируются в макрофаги после попадания в ткани. – Прим. науч. ред.
26
Машина Голдберга (Робинсона – Голдберга, или заумная машина) – вымышленное устройство, выполняющее очень простое действие чрезвычайно сложным образом, обычно по цепной реакции; названа по имени своих изобретателей – американского карикатуриста Руба Голдберга и английского художника Уильяма Робинсона, изображавших такие машины. – Прим. перев.
27
Эксперименту Пастера предшествовали работы Ладзаро Спалланцани (1729–1799), который показал, что если сосуд с сенным отваром запаять и затем тщательно прокипятить, то раствор не мутнеет со временем и в нем не развиваются микроорганизмы, т. е. самозарождения жизни не происходит. Против экспериментов Спалланцани было выдвинуто возражение: он якобы уничтожил некую “жизненную силу”. Эксперимент Пастера как раз позволил снять это возражение, поскольку в колбу с длинным горлышком мог беспрепятственно проникать воздух, в котором должна была содержаться “жизненная сила”. – Прим. науч. ред.
28
Постулаты Коха для установления причинности заболеваний применимы к большинству инфекционных болезней, но не учитывают роль хозяйского организма и с трудом применимы к неинфекционным заболеваниям. Например, курение вызывает рак легкого, но не у всех курильщиков возникает рак легкого. Нельзя выделить из больного раком сигаретный дым и передать болезнь другому человеку, хотя пассивное курение совершенно определенно может вызвать рак легкого. Очевидно, что ВИЧ вызывает СПИД, но не каждый человек, контактирующий с ВИЧ, заражается и заболевает СПИДом, поскольку генетика хозяйского организма определяет возможность проникновения вируса в клетки. Нельзя выделить микроба или болезнетворный агент из пациента с таким нейродегенеративным заболеванием, как рассеянный склероз, или передать эту болезнь другому человеку. Со временем эпидемиологи создали более широкие критерии для определения причинности неинфекционных заболеваний.
29
Французский ученый Казимир Давен тоже обнаружил палочковидные микроорганизмы в тканях, зараженных сибирской язвой, и назвал их бактеридиями. Он использовал термин Пастера, отдавая дань французскому коллеге и в пику немцам.
30
В 1952 году Зельман Ваксман был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине “за открытие стрептомицина, первого антибиотика, эффективного при лечении туберкулеза”. – Прим. перев.
31
В данной книге мы не обсуждаем эту особую, третью группу существ (архей), а только кратко упоминаем о них. Некоторые биологи утверждают, что свойства современных клеток можно объяснить с учетом некоей кооперативной организации бактерий и архей, однако все еще нет единого мнения о том, в какой степени эволюция архей или какого-то общего предшественника повлияла на эволюцию ядерных клеток, т. е. наших современных клеток. Эти вопросы чрезвычайно важны для эволюционных биологов, изучающих раннюю историю жизни, но выходят за рамки данной книги.
32
Когда речь идет об одноклеточных организмах, под “развитием” подразумевается созревание организма. Процесс созревания одноклеточных микробных организмов уже хорошо изучен. В многоклеточных организмах развитие происходит сложнее. Этот процесс включает в себя увеличение числа клеток, их созревание, их перемещение в разные места назначения, взаимодействие с другими клетками и образование специализированных структур со специализированными функциями для формирования органов и тканей.
33
Позднее компоненты мембраны были классифицированы подробнее. Больше всего в мембране липидов определенного типа с “головкой” из заряженных частиц (фосфатов) и с длинным углеродным “хвостом”. Кроме того, в липидную мембрану встроены дополнительные молекулы, такие как холестерин.
34
Уточним: цитозоль – это жидкое содержимое клетки, а цитоплазма – это все внутреннее содержимое клетки, включая цитозоль, но за исключением ядра. Протоплазма – это все внутреннее содержимое клетки, включая ядро. – Прим. перев.
35
Протоплазма играет столь важную роль, что в 1850-е годы разгорелись горячие споры относительно того, не стоит ли считать единицей жизни не клетку, а именно протоплазму, тогда как клетка всего лишь служит сосудом, в который та заключена. Немецкий клеточный биолог Роберт Ремак был одним из наиболее известных сторонников этой идеи. В конце концов зародилась клеточная теория, и сторонники главенства протоплазмы согласились на компромисс, приняв главенство клетки, но с условием, что каждая клетка содержит “жизненный флюид”. Открытие многих других органелл в клеточной протоплазме дополнительно приглушило идею о том, что протоплазма является единственным необходимым и достаточным строительным элементом организма.
36
В последнее время активно исследуются вариации физических свойств протоплазмы (является ли она водянистой, полужидкой или гелеобразной). Маленькие капли химических веществ, накапливающихся в клетках и находящихся во взвешенном состоянии, могут быть центрами локализации тех или иных химических реакций. Уже установлено, какую важную роль эти “фазы”, как их называют, играют в осуществлении многих химических реакций, и такие исследования продолжаются.
37
в ^04 году биолог Николай Кольцов одним из первых предположил, что протоплазма имеет внутреннюю организацию. Справедливость идеи Кольцова была доказана, когда с помощью мощных микроскопов удалось увидеть разные элементы цитоскелета.
38
В построении цитоскелета задействованы и другие белки. В некоторых клетках в составе цитоскелета есть третий тип белков, образующих так называемые промежуточные филаменты. В составе различных промежуточных филаментов обнаружено более семидесяти белков.
39
РНК выполняет много функций, в том числе регулирует включение и выключение генов, а также участвует в синтезе белка, однако мы сконцентрируем внимание на кодирующей функции этой молекулы.
40
Французский цитолог Шарль Гарнье был первым, кто увидел эндоплазматический ретикулум с помощью светового микроскопа в 1897 году, но он не приписал этой структуре никакой конкретной функции.
41
“Путешествие Пилигрима в Небесную Страну” (1678–1688) – роман английского писателя и проповедника Джона Баньяна. – Прим. перев.
42
К сожалению, Клод покинул Институт Рокфеллера в 1949 году и вернулся на родину в Бельгию. В 1974 году он разделил Нобелевскую премию с Паладе и другим клеточным биологом, Кристианом де Дювом.
43
В 1961 году Кейт Портер вышел из группы, начав собственную работу в Гарварде, а Клод еще раньше перешел в Католический университет Лёвена в Бельгии. Но к Паладе присоединились другие специалисты по фракционированию клеток: Филип Сикевиц, Льюис Грин, Колвин Редман, Дэвид Д. Сабатини и Ютака Тасиро, а также два специалиста по электронной микроскопии – Люсьен Каро и Джеймс Джеймисон. Объединив усилия этих двух групп, Паладе отслеживал продвижение белков по эндоплазматическому ретикулуму.
44
После открытия Паладе Дэвид Сабатини и иммигрант из Германии Гюнтер Блобел совершили одно из важнейших открытий, объяснявших, почему белки направляются либо в ЭПР для выведения из клетки, либо встраиваются в клеточную мембрану. Если говорить коротко, сигнальная последовательность, направляющая белок на выход из клетки или в мембрану, исходно включена в белок, как почтовый штамп. Специфические клеточные механизмы распознают этот штамп и направляют белок к месту назначения. Более подробное объяснение следующее. Сабатини и Блобел обнаружили, что секретируемые и мембранные белки несут в своих последовательностях специфический сигнал – определенную последовательность аминокислот. Когда рибосома расшифровывает РНК и синтезирует белок, молекулярный комплекс, называемый частицей распознавания сигнала (SRP), идентифицирует этот сигнал и направляет белок в ЭПР. Доставка белка в ЭПР происходит по специализированной клеточной поре.
45
В 1974 году Кристиан де Дюв, Альбер Клод и Джордж Паладе были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине “за открытия, касающиеся структурной и функциональной организации клетки”. – Прим. перев.
46
Роберт Браун также известен как автор одного из первых описаний неупорядоченного движения твердых тел в жидкости или газе, вызываемого тепловым движением окружающих молекул. В русском языке это явление принято называть броуновским движением (закрепилось написание фамилии ученого через букву “о”). – Прим. науч. ред.
47
Представления о существовании в ядре своеобразного скелета, организующего внутриядерные процессы, в значительной степени устарели. – Прим. науч. ред.
48
Особенность митохондриальных мутаций заключается в том, что они наследуются только по материнской линии, тогда как большинство других мутаций могут передаваться от обоих родителей. Митохондрии не существуют независимо; они могут жить только внутри клетки. Они делятся, когда делится клетка, а затем расходятся по двум дочерним клеткам. Яйцеклетка формируется в организме матери, и все митохондрии происходят из ее клеток. При оплодотворении сперматозоид внедряет в яйцеклетку свою ДНК, но не приносит ни одной митохондрии. Следовательно, каждая митохондрия, с которой мы рождаемся, дана нам от матери. Мутация в гене mtND4 у Джареда досталась ему от матери. Вероятно, она возникла случайно в процессе закладывания яйцеклетки, поскольку его мать не была больна.
49
В настоящее время клинические испытания Lumevoq продолжаются. Через четыре года после их начала (в 2024-м) улучшение остроты зрения после однократного введения сохраняется. В испытаниях теперь принимают участие и пациенты, которым была сделана инъекция Lumevoq в оба глаза. Исследования еще не завершены, предполагается, что пациенты будут находиться под наблюдением в течение пяти лет после инъекции. Только после этого можно будет сделать вывод об эффективности или неэффективности предложенного метода терапии наследственной оптической нейропатии Лебера. – Прим. науч. ред.
50
Теодор Бовери и Уолтер Саттон сделали следующий логический шаг, связав хромосомы с наследованием (см. Sutton W. The Chromosomes in Heredity. Biological Bulletin 4, no. 5 (1903): 231-51; Boveri T. Ergehnisse iiher die Konstitution der chromatischen Suhstanz des Zellkerns. Jena, Ger.: Verlag von Gustav Fischer, 1904). Если говорить коротко, они связали генетическое наследование с анатомическим и физическим наследованием хромосом и тем самым соотнесли гены (и наследование) с хромосомами. Грегор Мендель в опытах с горохом идентифицировал гены лишь как абстрактные “факторы”, которые могут передаваться из поколения в поколение и передавать признаки, или черты, от родителей детям; у него не было возможности установить физическую локализацию этих факторов. Саттон и Бовери среди прочих представили первые доказательства, что наследование признаков (т. е. генов) происходит через наследование хромосом. Томас Морган и другие ученые, работавшие с дрозофилами, основывались на этой теории и окончательно установили, что локусы генов расположены на хромосомах. Через несколько десятилетий благодаря исследованиям Фредерика Гриффита, Освальда Эвери, Джеймса Уотсона, Фрэнсиса Крика, Розалинд Франклин и других ученых удалось идентифицировать ДНК – молекулу в центре хромосом – в качестве носителя генетической информации. В последующих исследованиях Маршалла Ниренберга и его коллег в Национальных институтах здоровья США было показано, как гены расшифровываются и превращаются в белки, что и определяет форму и свойства организма.
51
Ботаник Карл Вильгельм фон Негели считал эксперименты Флемминга аномалией, но затем он и работу Менделя объявил чудачеством. Лишь через несколько десятилетий принципы деления клеток во всех организмах были признаны универсальными.
52
Два других цитолога, Эдуард Страсбургер и Эдуард ван Бенеден, тоже наблюдали расхождение хромосом и разделение клеточной мембраны с образованием двух дочерних клеток (митоз).
53
G – от английского слова gap, “промежуток”. – Прим. перев.
54
Проведение проверки в фазе G2 кажется прекрасным и простым решением, пока вы не осознаете, что для осуществления этой проверки требуется соблюдать весьма тонкое равновесие. Остановка в фазе G2 в значительной степени предназначена для выявления катастрофических мутаций. Мутации возникают в фазе S. Как любой копировальный аппарат, неизбежно совершающий какое-то количество ошибок, молекулярные системы, создающие новые копии ДНК в процессе синтеза, тоже делают ошибки. Некоторые из них немедленно исправляются, но некоторые остаются. Если бы задача фазы G2 заключалась в выявлении всех мутаций, идентификации и исправлении всех ошибок, стало бы невозможным появление мутантов – и не было бы эволюции. Поэтому фаза G2 должна служить очень разборчивым контролером, который знает, что нужно отслеживать, а что не нужно.
55
Бильбо Бэггинс – хоббит, персонаж произведений Дж. Р. Р. Толкина. – Прим. перев.
56
Английское слово cycling (“циклирование”) происходит от слова cycle и переводится в том числе как “езда на велосипеде” и “велоспорт”. – Прим. перев.
57
Сначала гены назвали cdc (от cell division cycle}, но позднее терминология изменилась на cdc/cdk, а затем окончательно на cdk. Буква к указывает на ферментативную активность белков, кодируемых этими генами: это киназы, которые присоединяют к белку-мишени фосфатную группу и тем самым его активируют. Для простоты я использую обозначение cdk для генов и CDK (заглавными буквами) для белков. То же самое справедливо для семейства циклинов: названия генов пишут строчными буквами, названия белков начинаются с заглавной буквы (Cyclin).
58
Интересно, что, несмотря на центральную роль белков Cyclin и CDK в делении клетки, создано совсем немного удачных противораковых препаратов, блокирующих их действие. Главным образом это связано с тем, что деление клетки – важнейший для жизни универсальный процесс, его трудно сделать мишенью противораковой терапии: вы убиваете делящуюся раковую клетку, но одновременно уничтожаете делящуюся нормальную клетку, вызывая непереносимое накопление токсинов. В конце 1990-х годов было найдено семейство лекарственных препаратов, ингибирующих действие двух конкретных представителей семейства CDK – киназ CDK 4/6. Почти два десятилетия спустя клинические испытания показали, что использование низких доз подобных препаратов нового поколения в сочетании с другими лекарствами, такими как герцептин (лекарство против рака молочной железы на основе антител), может увеличивать продолжительность жизни некоторых пациентов с раком молочной железы. Поиски специфических ингибиторов белков Cyclin и CDK продолжаются, хотя их применение по-прежнему ограниченно из-за их токсичности.
59
Под “репродуктивной медициной” я понимаю направление медицины, задача которого – помогать в рождении ребенка за счет применения лекарств, гормонов, хирургического вмешательства и манипуляций с человеческими клетками ex vivo (вне тела). Спектр методов широк. К ним относится активация выработки сперматозоидов и яйцеклеток и их последующее извлечение и хранение. К ним относится оплодотворение яйцеклеток вне тела или выращивание человеческих эмбрионов с их последующей имплантацией в матку для вынашивания ребенка. К этому списку можно добавить новые технологии, которые быстро идут навстречу репродуктивным технологиям: генетическая инженерия человеческих сперматозоидов, яйцеклеток и эмбрионов для получения новых типов клеток и – в перспективе – новых типов людей.
60
Невозможно перечислить всех, кто участвовал в развитии данной технологии, таких ученых очень много, но некоторые выделяются на общем фоне. В 1990-е годы испанец Франсиско Мохика первым обнаружил, что в бактериальном геноме закодирована система защиты от вирусов. В период между 2007 и 2011 годами Филипп Хорват из французской компании по производству йогуртов Danisco и Виргиниюс Шикшнис из Вильнюса в Литве углубили понимание этого механизма иммунитета. А между 2011 и 2013 годами Дженнифер Даудна, Эммануэль Шарпантье и Фэн Чжан внесли в механизм генетические изменения, позволяющие производить в ДНК программируемые модификации. Это краткий список; более полную историю метода можно прочесть в интернете: CRISPR Timeline, Broad Institute online.
61
Чтобы понять суть мутаций, введенных в геном детей по методике JK, нужно сначала разобраться в строении генов. Гены “записаны” в ДНК, которая представляет собой цепочку из четырех субъединиц: А, С, Т и G. Такой ген, как CCR5, состоит из последовательности этих субъединиц, например ACTGGGTCCCGGGG и так далее. Большинство генов содержат несколько тысяч субъединиц. В середине гена CCR5 с природной мутацией дельта-32 отсутствует фрагмент из тридцати двух последовательных субъединиц, и поэтому ген неактивен. Однако JK не смог удалить именно этот фрагмент из тридцати двух знаков. Метод редактирования генома позволяет сравнительно легко найти ген и стереть его часть. Однако в точности воспроизвести мутацию технически гораздо сложнее. И JK пошел более простым путем. В результате у одного ребенка в одной копии гена CCR5 отсутствовало пятнадцать субъединиц (а не тридцать две), тогда как вторая копия осталась без изменений. У второго ребенка в одной копии не хватало четырех субъединиц, а во второй копии появилась одна дополнительная субъединица. И ни у одного из близнецов не было мутации дельта-32, которая встречается в человеческой популяции.
62
Хэ Цзянькуй не ответил на несколько фундаментальных научных вопросов, которые так и остаются без ответа по сей день. Были ли в результате применения системы CRISPR изменены все клетки эмбрионов или только некоторые? И если лишь некоторые, то какие? Наличие генетических изменений лишь в некоторых клетках организма называют мозаичностью. Являются ли Лулу и Нана генетически мозаиками? Вторая группа вопросов касается непреднамеренных эффектов генетических манипуляций. Произошли ли изменения в других генах? Было ли проведено секвенирование отдельных клеток для выявления других изменений, вне гена ССА75? Если да, то сколько клеток было проанализировано? Мы этого не знаем.
63
Ребриков Денис Владимирович – директор института трансляционной медицины Национального медицинского исследовательского центра акушерства, гинекологии и перинатологии имени академика В. И. Кулакова (с 2022 года). – Прим. перев.
64
Сперматозоид движется главным образом с помощью длинного извивающегося хвоста, называемого жгутиком. В его основании расположено несколько белков, которые взаимодействуют друг с другом, как крохотный, но мощный мотор, создающий постоянные движения жгутика, как движения хлыста. Вокруг молекулярного мотора располагается кольцо митохондрий, обеспечивающих необходимую энергию для неистового продвижения сперматозоида навстречу яйцеклетке. Кроме большого подвижного жгутика, похожие белки формируют гораздо более мелкие подвижные отростки, или волоски, называемые ресничками, которые играют важнейшую роль в клеточной биологии. Реснички позволяют перемещаться многим типам клеток за счет непрерывного и часто однонаправленного движения. Вот несколько примеров. Реснички клеток, выстилающих кишечник, обеспечивают продвижение пищи, а реснички белых клеток крови позволяют им перемещаться по кровеносным сосудам, чтобы защищать тело от инфекций. Считается, что реснички клеток фаллопиевых труб проталкивают только что высвобожденную яйцеклетку к месту оплодотворения. А реснички клеток выстилки дыхательных путей постоянно движутся, изгоняя слизь и посторонние частицы. Реснички способствуют перемещению клеток эмбриона в процессе развития организма. Воспроизводство, развитие и выздоровление человеческого организма были бы невозможны без нормального функционирования ресничек. Иногда дети рождаются с редким генетическим заболеванием – цилиарной дискинезией, – при котором реснички утрачивают способность участвовать в основных и вспомогательных механизмах функционирования тела. Это приводит к многочисленным нарушениям, таким как хроническая заложенность носа и частые респираторные заболевания, связанные с накоплением мокроты и чужеродных частиц в дыхательных путях. У половины больных картина усложняется врожденным смещением органов из-за нарушения клеточной функции в процессе развития, в частности, сердце может оказаться не в левой, а в правой стороне тела. Женщины с этим синдромом часто бесплодны, поскольку клетки репродуктивной системы не могут перемещать яйцеклетки к месту оплодотворения.
65
Конечно, это упрощенная схема, и я старался не использовать специфические эмбриологические термины. Для тех, кого интересуют подробности: из стенки бластоцисты, называемой трофобластом, возникают оболочки, ограждающие ранний эмбрион (хорион и амнион), а также желточный мешок, обеспечивающий питание зародыша. Когда хорион внедряется в матку, формируя плаценту, желточный мешок рассасывается – и плацента становится для зародыша главным источником питательных веществ. Пупочный канатик (пуповина), содержащий кровеносные сосуды и другие протоки, соединяет эмбрион с материнской системой циркуляции крови и обеспечивает обмен газами и питательными веществами. Для более подробного ознакомления с развитием трофобласта я советую прочесть эту статью: Knofler М. et al. Human Placenta and Trophoblast Development: Key Molecular Mechanisms and Model Systems. Cell Mol Life Sci 76, no. 18 (2019): 3479-96.
66
Точнее говоря, у человека, как и у других млекопитающих, остатки хорды образуют студенистое ядро межпозвоночных дисков. – Прим. науч. ред.
67
В этом случае были пересажены клетки из передней части хорды, и поэтому у головастика появились две головы и две нервные системы. По анатомическим причинам вырастить заднюю часть эмбриона лягушки из заднего конца нотохорда и мезодермы гораздо сложнее.
68
Хильда Мангольд трагически погибла в 1924 году в двадцать шесть лет. В 1935 году Ханс Шпеман был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие эмбриональных организаторов и эмбриональной индукции. – Прим. перев.
69
Встает еще один вопрос: откуда клетки организатора узнают собственное предназначение? Ответ: благодаря сигналам, посланным клетками, которые возникли на еще более ранних этапах, – и так в ретроспективе до единственной оплодотворенной яйцеклетки. Оплодотворенная яйцеклетка уже имеет белковые факторы, распределенные по градиенту. По мере ее деления градиенты белков начинают посылать сигналы и диктовать будущее клеток в разных частях эмбриона.
70
Некоторым читателям тезис об “участии в публичном обсуждении” изменений человеческих клеток может показаться расплывчатым или высокопарным. Кто и как может получить право голоса? Как сделать так, чтобы этот голос был услышан? Что можно сказать о стоимости и доступности методов? Вот несколько комментариев. Для начала я намеренно избегал обсуждения конкретных законодательных мер. Но на последующих страницах книги мы обязательно вернемся к этическим вопросам, возникающим в области генной и клеточной терапии. Однако замечу, что конференция в Асиломаре, посвященная использованию рекомбинантной ДНК, предоставила именно такую возможность для открытой дискуссии об этических аспектах генетических манипуляций и, несмотря на первичную критику за расплывчатость и формализм, в конечном итоге разожгла чрезвычайно активное общественное обсуждение, отразившееся в эффективной законодательной политике. Возможно, и сейчас необходимы такие же глобальные усилия, и они уже предпринимаются.
71
Но почему для переноса кислорода нужны именно клетки? Почему гемоглобин не может перемещаться по телу в плазме в виде свободного белка? Эта загадка все еще остается неразгаданной и имеет отношение к структуре гемоглобина – мы вернемся к этому увлекательнейшему сюжету на последних страницах книги.
72
Согласно распространенной версии, мальчик страдал от потери крови, и Дени влил ему овечью кровь, отсосанную пиявками. – Прим. перев.
73
Уточним: плазма – это жидкая часть крови, лишенная клеточных элементов (но клетки в ней перемещаются), а сыворотка – это плазма после удаления белка фибриногена, являющегося важнейшим элементом системы свертывания крови. – Прим. перев.
74
Впоследствии было установлено, что антитело реагирует на специфический набор сахаров на поверхности эритроцитов.
75
Поначалу Ландштейнер обнаружил три группы крови, которые обозначил буквами А, В и С. Но в статье, опубликованной в 1936 году, он выделил уже четыре независимые группы крови, названные им А, В, АВ и 0.
76
Перевод Б. Пастернака. – Прим. перев.
77
Открытие метаболизма холестерина, его связи с болезнями сердца и создание новых лекарств для поддержания оптимального уровня холестерина служат замечательным примером того, как клинические наблюдения, клеточная биология, генетика и биохимия могут объединяться для решения загадочных клинических проблем. Эта история началась с клинических данных о нескольких семьях с необычными симптомами, связанными с чрезвычайно высокой концентрацией холестерина в крови. В 1964 году в Чикаго трехлетнего мальчика Джона Деспоту привели на прием к лечащему врачу. Кожа мальчика была покрыта желто-коричневыми холестериновыми наростами. Содержание холестерина в крови превышало норму в шесть раз. К двенадцати годам появились признаки образования холестериновых бляшек на стенках артерий и частые боли в груди. Очевидно, что у Джона была наследственная предрасположенность к патологическому накоплению холестерина (в двенадцать лет у него уже случались сердечные приступы), так что врачи взяли биопсию его кожи и отправили двум ученым, занимавшимся изучением метаболизма холестерина. В последующие десять лет, анализируя такие случаи, как случай Джона, Майкл Браун и Джозеф Голдстайн установили, что на поверхности нормальных клеток есть рецепторы для связывания некоторых видов циркулирующих в крови частиц, богатых холестерином и называемых липопротеинами низкой плотности (LDL, low-density lipoprotein}. В норме клетки захватывают и расщепляют холестерин, выводя его из кровотока и понижая уровень циркулирующего LDL. У таких пациентов, как Джон Деспота, механизм захвата и метаболизма холестерина нарушен из-за генетических мутаций. В результате в крови сохраняется высокая концентрация LDL, что приводит к образованию аморфных отложений на стенках артерий, включая сердечные артерии, и вызывает боли в груди и сердечные приступы. В последующие годы Браун и Голдстайн выявили десятки редких генетических мутаций, нарушающих метаболизм холестерина. Но при дальнейшем обширном анализе этих результатов кардиологи начали понимать, что повышенный уровень LDL способствует отложению холестериновых бляшек не только у некоторых людей с генетическими мутациями, но и у значительной части населения, приводя к повышенному риску заболеваний сердца. Эти наблюдения стали основанием для разработки липитора и других препаратов для снижения уровня холестерина, которые помогают бороться с сердечно-сосудистыми заболеваниями. В 1985 году Браун и Голдстайн были удостоены Нобелевской премии; благодаря их исследованиям были спасены жизни миллионов людей. В 1980-е годы Хелен Хоббс и Джонатан Коэн, работавшие в лаборатории Брауна и Голдстайна, открыли другие гены, отвечающие за захват и метаболизм LDL, что стимулировало разработку следующего поколения препаратов для снижения уровня LDL и предотвращения сердечных приступов.
78
Классификация белых клеток крови по характеру окрашивания – еще один очень важный вклад в биологию Пауля Эрлиха. Работая с тысячами красителей, он установил, что некоторые из них обладают замечательной способностью связываться с клетками или внутриклеточными структурами. Поначалу Эрлих использовал это характерное связывание, чтобы видеть разные клетки: так, нейтрофилы окрашиваются нейтральными красителями, а базофилы, еще один вид клеток крови, связываются с основными красителями. Эрлих назвал эту способность специфическим сродством и задумался, нельзя ли использовать это специфическое сродство химического вещества к клеткам определенного типа не только для окрашивания, но и для уничтожения клеток. Эта идея позволила ему в 1910 году открыть антибиотик сальварсан и подстегнула желание обнаружить “волшебную пулю” против рака – химическое вещество со специфическим сродством и токсическим действием по отношению к злокачественным клеткам.
79
В механизме врожденного иммунитета задействованы многие другие клетки, в том числе тучные клетки, естественные клетки-киллеры (NK-клетки) и дендритные клетки. У каждой из этих групп клеток есть свои функции на ранних этапах реакции на внедрение патогена. Их объединяет отсутствие способности учиться или адаптироваться для нападения на какой-либо специфический патоген. Они не могут запомнить конкретного врага (хотя недавние исследования показали, что определенные подгруппы клеток-киллеров обладают ограниченной способностью помнить некоторые виды патогенов). Эти клетки первой линии защиты активируются общими сигналами, вызванными инфекцией, воспалением или повреждением, и имеют механизмы, позволяющие атаковать, убивать и заглатывать клетки, одновременно стимулируя и активируя В-клеточный и Т-клеточный ответ.
80
Значительная часть наших знаний о врожденном иммунитете и о генах, ответственных за эту составляющую иммунного ответа, получена в ходе экспериментов, проведенных в 1990-е годы Чарльзом Джейнуэем, Русланом Меджитовым, Брюсом Бётлером и Жюлем Офманом.
81
Известный перевод Самуила Маршака достаточно вольный. Дословный перевод такой: “Если тело встречает тело, / Пробираясь через рожь, / Если тело целует тело, / Нужно ли звать на помощь?” – Прим. перев.
82
Эмиль Адольф фон Беринг стал первым лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине (1901 года) “за работу по сывороточной терапии, главным образом за ее применение при лечении дифтерии, что открыло новые пути в медицинской науке и дало в руки врачей победоносное оружие против болезни и смерти”. – Прим. перев.
83
Пауль Эрлих был удостоен Нобелевской премии за работы в области иммунологии в 1908 году (совместно с Ильей Мечниковым). – Прим. перев.
84
Лорел и Харди – англо-американские комические актеры, одна из наиболее популярных комедийных пар в истории кино. – Прим. перев.
85
Джеральд Эдельман и Родни Портер разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1972 год. – Прим. перев.
86
Лайнус Полинг – дважды нобелевский лауреат. В 1954 году он был удостоен Нобелевской премии по химии “за изучение природы химической связи и его применение к объяснению строения сложных молекул”, а в 1962 году – Нобелевской премии мира за деятельность, направленную на запрещение ядерных испытаний в атмосфере. – Прим. перев.
87
Джошуа Ледерберг был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1958 году совместно с Джорджем Бидлом и Эдуардом Тейтемом за исследования в области генетики микроорганизмов; Фрэнк Бёрнет был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1960 году совместно с Питером Медаваром за открытие приобретенной иммунной толерантности. – Прим. перев.
88
Я слегка упростил картину, но отразил общую схему производства антител. Основные этапы процесса следующие: активация В-клеточного рецептора антигеном, секреция этих рецепторов в кровоток, постепенное уточнение структуры антител, непрерывное производство антител плазматическими клетками и превращение некоторых активированных В-клеток в В-клетки памяти. Как мы вскоре увидим, некоторые клетки, секретирующие антитела, – плазматические клетки – также являются долгоживущими. И оба типа участвуют в сохранении памяти о предыдущей инфекции. В этом процессе важную роль играют Т-клетки, о которых мы поговорим в следующих главах.
89
Судзуми Тонегава был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1987 году за открытие генетического механизма, объясняющего разнообразие антител. – Прим. перев.
90
Данный процесс называют созреванием аффинности. Он продолжается до тех пор, пока не достигается чрезвычайно высокое сродство антитела к антигену.
91
В 1984 году Сезар Милыптейн и Жорж Кёлер были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине “за разработку теорий специфичности и развития иммунной системы и открытие принципов выработки моноклональных антител с помощью гибридом”. —Прим. перев.
92
Теперь это Институт раковых исследований Даны – Фарбера.
93
Теперь это Институт молекулярной медицины Уизералла.
94
Теперь мы знаем, что каждый из этих вирусов приобрел специфический механизм, позволяющий оставаться незаметным для иммунной системы. Это явление называют уклонением вирусов от иммунитета. В отношении вируса Эпштейна – Барр данные иммунолога Марии Мазуччи и моя собственная работа позволили получить один и тот же ответ. Геном этого вируса содержит много генов. Но как только вирус проникает в В-клетку, он отключает большинство из них, за исключением двух: EBNA1 и LMP2. Вообще говоря, белок EBNA1 – идеальная мишень для Т-клеток, но, как это ни странно, он остается для них невидимым. Отчасти причина в том, что EBNA1 внутри клетки не распадается на фрагменты. Как мы вскоре обсудим, Ален Таунсенд обнаружил, что Т-клетки могут распознавать только части вирусных белков (пептиды), связанные с молекулами, которые называются молекулами главного комплекса гистосовместимости (ГКГС). A EBNA1, как выясняется, не образует никаких пептидов. Белок LMP2, вероятно, имеет другие механизмы уклонения от иммунитета, но они пока неизвестны. Вирус простого герпеса использует иной подход, нарушая механизм транспорта пептидов для загрузки на молекулы ГКГС. Цитомегаловирус использует третий маневр: он производит белок, способный разрушать молекулы ГКГС – те самые молекулы, что позволяют Т-клеткам обнаруживать инфицированные этим вирусом клетки.
95
В 1996 году австралиец Питер Доэрти и швейцарец Рольф Цинкернагель были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытие механизмов распознавания иммунной системой чужеродных микроорганизмов и собственных молекул. – Прим. перев.
96
Если Т-клетка и клетка-мишень “не совпадают” (т. е. происходят из разных организмов и несут на поверхности разные белковые маркеры), иммунная система все равно их убьет, вне зависимости от того, инфицированы они или нет. В этом суть отторжения пересаженных тканей: если встроить в ваше тело чужеродные клетки, они будут отторгнуты. Мы вернемся к распознаванию “чужого” на последующих страницах.
97
Белки ГКГС класса I существуют в тысячах вариантов. У каждого из нас своя уникальная комбинация генов ГКГС класса I. Т-клетки анализируют в первую очередь именно эти собственные белки. Если инфицированная клетка и CD8 + Т-клетка принадлежат одному человеку (с одними и теми же молекулами ГКГС класса I), происходит узнавание – и инфицированная клетка уничтожается.
98
По-видимому, за этим кроется глубокая эволюционная логика. Пептидные фрагменты, представляемые макрофагами или моноцитами, указывают на “правильную” инфекцию. Свободно плавающие частицы (без рамки, обеспеченной фагоцитирующей клеткой, и не представленные должным образом) могут быть случайными обломками или, что хуже, фрагментами человеческих клеток. Иммунный ответ против фрагментов собственных клеток (аутоиммунная реакция) – катастрофическое проявление Т-клеточного иммунитета.
99
Нуклеопротеин – это белок вируса гриппа, который синтезируется внутри клетки. Далее он упаковывается в вирусную частицу. Этот белок не имеет сигнальных последовательностей, которые помогали бы ему добраться до поверхности клетки, поэтому Ален Таунсенд раздумывал над тем, как Т-клетка может его находить.
100
Отсылка к книге “Наш человек в Гаване” английского писателя Грэма Грина. – Прим. перев.
101
Заметим, что некоторые внутриклеточные пептиды (обычно отходы жизнедеятельности) тоже направляются для расщепления в лизосомы и представляются на молекулах ГКГС класса II.
102
Наша борьба с патогенами настолько отчаянна и непрерывна, что помощь требуется даже клеткам-помощникам. Многие типы клеток, включая моноциты, макрофаги и нейтрофилы, о которых мы уже упоминали, выставляют на своей поверхности комплексы пептидов с молекулами ГКГС, нагружая молекулярные “подносы” своим внутренним содержимым и тем самым привлекая Т-киллеров и Т-хелперов. Это часть общей системы наблюдения за клетками, инфицированными вирусами. Однако существуют специализированные клетки, которые так тонко настроены на привлечение Т-клеток (они специализируются именно на презентации антигенов), что их главная и единственная функция заключается в выявлении патогенов и стимуляции иммунного ответа. Эти клетки, обнаруженные Ральфом Штейнманом, живут главным образом в селезенке и выпускают десятки отростков, привлекающих Т-клетки приблизиться и осмотреться. Штейнман обнаружил их под микроскопом в 1970-е годы и почти сорок лет исследовал их функцию. Они обладают одним из самых мощных механизмов для захвата вирусов и бактерий, одной из самых эффективных систем презентации комплексов молекул ГКГС с пептидами, самым плотным набором поверхностных молекул для активации Т-клеток и одним из самых мощных механизмов производства молекулярных сигналов для активации как врожденного, так и приобретенного иммунитета. Их называют дендритными клетками, от греческого слова “дендрит” – “отросток”, поскольку они обладают многочисленными отходящими от тела отростками (возможно, отростки эволюционировали для создания отдельных посадочных мест для Т-клеток). Но и в метафорическом смысле это клетки со многими возможностями, способные координировать все аспекты действия многофункциональной иммунной системы и активировать ее для ответа на инфекцию. Возможно, дендритная клетка самой первой встречает патоген на передней линии защиты и запускает иммунный ответ. Ральф Штейнман умер в Нью-Йорке 30 сентября 2011 года, за несколько дней до того, как Нобелевский комитет вручил ему премию за его открытие (трагическая ситуация, когда премия была, а лауреата не было; Нобелевскую премию не присуждают посмертно, но решение о награждении Штейнмана приняли задолго до его смерти, так что честь все же была ему оказана). Ученые, врачи и ученики Штейнмана выражали соболезнования и отдавали дань его заслугам. Одно из таких посвящений, написанное иммунологом из Сиэтла Филом Гринбергом, я нахожу наиболее символичным: его заголовок возвращает нас к истокам клеточной биологии – к Левенгуку, Гуку и Вирхову, которые смотрели в микроскоп и открывали новый биологический мир. Статья называется “Ральф М. Штейнман. Человек, микроскоп, клетка и многое другое”. История почти любого исследователя, упомянутого в моей книге, описывается этими тремя словами. Ученый. Микроскоп. Клетка.
103
В 2008 году Люк Монтанье и Франсуаза Барре-Синусси были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине (совместно с Харальдом цур Хаузеном, открывшим роль папилломавирусов в развитии рака шейки матки). – Прим. перев.
104
Резервуарами для ВИЧ также служат глиальные клетки головного мозга (астроциты) и резидентные макрофаги мозга (микроглиальные клетки). Сопровождающие инфекцию изменения нервной ткани могут приводить к развитию ВИЧ-ассоциированных нейрокогнитивных расстройств. – Прим. науч. ред.
105
В клеточной биологии разграничение между “своим” и “чужим” касается не только поведения Т-клеток. Мать, которая вынашивает дитя, несет в теле “чужое”. Почему ее организм не отторгает чужеродное тело? В нашем кишечнике обитают сотни миллионов микробов, пользующихся иммунной неприкосновенностью. Почему мы толерантны к этим бактериям, но атакуем патогенные организмы? Клеточные биологи до сих пор ищут ответы на эти вопросы. Быть может, в следующем издании книги мы сумеем на них ответить, поскольку наши знания постоянно углубляются. Пока в клеточной биологии лучше всего изучены механизмы Т-клеточной толерантности, и именно об этом мы будем говорить на следующих страницах.
106
Литтл широко признан в качестве видной фигуры в области пересадки органов, но его критиковали за сотрудничество с производителями сигарет в 1950-е годы, когда он работал в Исследовательском институте табака, пропагандировавшем безопасность курения.
107
В 1980 году Джордж Снелл был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине совместно с Барухом Бенасеррафом и Жаном Доссе за открытие главного комплекса гистосовместимости. – Прим. перев.
108
Существует еще и третья тема исследований, касающаяся способности рака ускользать от действия лекарств и природных защитных сил организма, и ее значение постоянно возрастает. Раковые клетки научились создавать вокруг себя уникальную среду (обычно из нормальных клеток), которая непроницаема для лекарств или активным образом создает лекарственную устойчивость. Аналогичным образом эта клеточная среда помогает раковым клеткам ускользать от иммунной системы, блокируя действие Т-клеток, клеток-киллеров и других иммунных клеток, поскольку не позволяет им близко подобраться к раковым клеткам или создает кровеносные сосуды, снабжающие опухоль питательными веществами. До настоящего времени попытки нарушить кровоснабжение опухолей с помощью лекарств приносили весьма скромные результаты. Такая же ситуация наблюдается с попытками заставить иммунные клетки сохранять активность в “микроокружении” опухоли. Одно из самых страшных изображений, виденных мной за последнее время, – опухоль в окружении оболочки из нормальных клеток, не подпускающих активированные Т-клетки. Т-клетки образуют кольцо вокруг клеточного каркаса, которым окружили себя раковые клетки, но не могут сквозь него пройти. Иммунолог Руслан Меджитов называет это “моделью клиентских клеток”: раковые клетки притворяются клетками того органа, в котором растут (точнее, эволюционируют таким образом, чтобы быть на них похожими), как грабитель притворяется клиентом магазина, пока полиция (иммунная система) повсюду рыщет.
109
Я пытался по возможности не использовать специальные иммунологические термины. На самом деле В 7 представляет собой комплекс двух молекул – CD80 и CD86. Существуют и другие системы защиты, предотвращающие аномальную активацию Т-клеток. Например, белок CD28, впервые обнаруженный иммунологом Крейгом Томпсоном, сейчас активно изучается в нашей и других лабораториях.
110
Со временем ученые установили, что у Т-клеток есть несколько контрольных точек и что все они служат для предотвращения нападок сорвавшихся с цепи Т-клеток на собственный организм.
111
На самом деле PD-L1 – это больше, чем жилет безопасности. Этот белок индуцирует гибель Т-клеток, полностью предотвращая их атаку.
112
Почему и как – почему, почему, почему, как, как — раковая клетка может обманывать Т-клетки, специально предназначенные для ее уничтожения? Этот вопрос назойливо звучит в современной иммунотерапии. Какие-то элементы солидных опухолей (возможно, среда, которую они создают вокруг себя) обманывают и ингибируют даже самые мощные механизмы активации Т-клеток. Но что это за “элементы”? Наиболее солидные доказательства (и это не игра слов) сводятся к тому, что атака иммунной системы на раковые клетки происходит лишь в том случае, если в солидной опухоли может возникнуть полностью функциональный лимфоидный орган, содержащий нейтрофилы, макрофаги, Т-хелперы, клетки-киллеры и организованную клеточную структуру. Этот вторичный лимфоидный орган аналогичен лимфатическому узлу, который обычно возникает при нападении Т-клеток на вирусы или патогенные организмы, только в этом случае он возникает для борьбы с опухолью. Опухоли, которые не позволяют формироваться таким вторичным лимфоидным органам, не поддаются иммунотерапии, а те, в которых такие органы образуются, обычно чувствительны к лечению. Но это корреляция. Причинно-следственная связь и механизмы, позволяющие или не позволяющие формироваться таким органам, пока неизвестны. Когда мы их найдем, возможно, появится новое поколение препаратов для иммунотерапии или новые сочетания препаратов для борьбы с раком.
113
Перевод Н. Любимова. – Прим. перев.
114
На юге Индии бытует иная версия этой легенды – в ней Бали предстает щедрым царем трех мирозданий, а Вишну по просьбе богов, которым Бали был неугоден, обманом отбирает у него престол.
115
Я не имею в виду обсуждение технических или “технократических” решений в отношении пандемии. В значительной степени ответственность за поиски решений в таких ситуациях, как с пандемией ковида (а также за снижение общей заболеваемости), ложится на систему общественного здравоохранения, с учетом качества и доступности гигиенических мер и изменения поведения и образа жизни людей. Но эта книга о клеточной биологии, так что я сконцентрируюсь на клеточной биологии и иммунологии вирусных инфекций и отмечу, что понимание и решение иммунологических загадок эпидемий вирусных инфекций играет немаловажную роль в их предотвращении.
116
Перевод Л. Ионина. – Прим. перев.
117
Алексис Каррель был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1912 году “за признание работы по сосудистому шву и трансплантации кровеносных сосудов и органов”. – Прим. перев.
118
В человеческом теле есть три основных типа мышечных клеток: сердечная мышца, о которой в основном идет речь в данной главе, скелетная мышца, позволяющая по команде двигаться вашей руке, и гладкая мышца, обеспечивающая непреднамеренные, но постоянные движения, например продвижение жидкости в кишечнике. В сокращениях этих трех типов мышц задействованы разные варианты системы актин/миозин, а также несколько других белков.
119
Перевод В. Постникова. – Прим. перев.
120
Точнее говоря, синапсом называется контакт между двумя клетками, через который осуществляется передача сигнала. Пространство между клетками называется синаптической щелью. – Прим. науч. ред.
121
В 1963 году Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине (совместно с Джоном Экклсом) “за открытия, касающиеся ионных механизмов возбуждения и торможения в периферических и центральных участках нервных клеток”. – Прим. перев.
122
Такой механизм нейронной проводимости с открытием натриевых каналов и вхождением ионов натрия реализуется не во всех нейронах. Некоторые нейроны для передачи сигнала используют другие ионы, например ионы кальция.
123
Большинство нейронов покрыты оболочкой, напоминающей пластиковый изолятор провода. Это изоляционное покрытие прерывается через каждые несколько микрометров по всей длине аксона. Именно в этих “неизолированных” участках мембраны нейрона локализованы ионные каналы. Здесь возникает спайк электричества. Далее спайк смещается на несколько микрометров вдоль аксона к следующему неизолированному участку, где создает следующий спайк.
124
Речь об эпизоде из жития апостола Павла (Савла). – Прим. ред.
125
Некоторые нейроны животных все же передают импульсы исключительно с помощью электрических сигналов. Они не выделяют нейромедиаторы, а напрямую соединяются друг с другом через специализированные поры, называемые щелевыми контактами, которые аналогичны соединительным порам клеток сердца. Такие нейроны подходят друг к другу еще ближе: расстояние между ними в десять раз меньше, чем в случае химического синапса. Но “электрические синапсы” редки. Их главное преимущество заключается в скорости (электрический сигнал быстрее передается от одной клетки к другой), и поэтому они встречаются в таких клеточных системах, где особенно важна быстрота. Морской слизняк (точнее, морской заяц) Aplysia использует такую электрическую систему для выделения чернил, чтобы спрятаться от хищника в случае бегства.
126
Возникает вопрос философского и биологического плана: почему нейронные сети не полностью электрические? Зачем создавать не полностью проводную систему для переноса электричества, как предполагал Экклс, а систему, которая в бесконечных циклах переходит от использования электричества к использованию химических сигналов? Вероятно, ответ (как обычно) кроется в эволюции и развитии нервной системы. Нервная система – не просто провода для передачи сигналов от мозга к остальным частям тела. Как я писал выше, нервная система – это физиологический “интегратор”. Бывают ситуации, когда сердце должно биться чаще или реже. Или на еще более сложном уровне: бывает, требуется повышение или понижение эмоционального настроя или мотивации. Если бы нейронные сети были запаяны в “замкнутую электрическую коробку”, было бы сложно или даже невозможно связать их с физиологией остальных систем организма. Более того, помимо обеспечения интеграции химические синапсы позволяют как усиливать, так и подавлять сигнал, что необходимо для построения нейронных сетей в сложной нервной системе. Представьте себе свой ноутбук: закрытая коробка с внутренней проводной сетью. Он не может знать, расстроены вы, или раздражены, или должны работать быстрее либо, наоборот, замедлиться; это коробка с электрическими проводами и сетями, не имеющая синапсов с вашим эмоциональным или ментальным состоянием. Органы не могут быть герметичными системами. Сигналы, передаваемые между нейронами, гормоны и медиаторы, переносимые кровью или другими нейронами, должны иметь возможность пересекаться с другими сигналами, чтобы модулировать и изменять их функцию, соотнося физиологию нервной системы с физиологией других систем организма. И растворимый химический медиатор является идеальным решением. Он может активировать или замедлить действие сети. Это “разумный” ноутбук – сложный и способный к взаимодействию: сообщите ему, что у вас плохое настроение, и он ответит тем, что перестанет отсылать злобные письма, о которых вы впоследствии пожалели бы. Сообщите ему, что у вас горит дедлайн, и он ускорится.
127
Термин “нейроглия” ввел в 1846 году Рудольф Вирхов. – Прим. науч. ред.
128
Первые строчки стихотворения Эмили Дикинсон “Я слышала, жужжала Муха”, перевод Е. Ю. Амелиной. – Прим. перев.
129
Лягушка в кипятке – научный анекдот и реальный эксперимент, построенный на предположении, что, если лягушку бросить в кипящую воду, она выпрыгнет, а если в холодную, которая медленно нагревается, она не почувствует опасность и медленно погибнет. Эксперимент был проведен в 1869 году на лягушках с поврежденным мозгом. По современным данным, эксперимент со здоровыми животными дает противоположный результат: лягушка, брошенная в кипяток, не может выпрыгнуть и гибнет, а лягушка в медленно нагревающейся воде пытается выбраться. – Прим. перев.
130
Перевод А. Ситницкого. – Прим. перев.
131
В 2000 году Пол Грингард, Эрик Кандель и Арвид Карлссон были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине за открытия, связанные с передачей сигналов в нервной системе. – Прим. перев.
132
Карлссон также известен своими более ранними исследованиями нейромедиатора дофамина и его влияния на развитие болезни Паркинсона. Его работа по изучению предшественника дофамина L-DOPA позволила внедрить это новое лекарство для сглаживания двигательных нарушений у людей с болезнью Паркинсона.
133
Островковые клетки выделяют целый ряд гормонов, в том числе глюкагон, соматостатин и грелин.
134
От англ, islet — “островок”. – Прим. перев.
135
Ахав – герой романа Германа Мелвилла “Моби Дик”, на протяжении всей жизни охотившийся на белого кита. – Прим. перев.
136
От лат. insula — “остров”. – Прим. науч. ред.
137
Имеется в виду базальная мембрана – тонкий белковый слой, окружающий капилляры. Эта структура по составу и строению не имеет отношения к мембранам, окружающим клетки и образующим внутриклеточные мембранные органеллы. – Прим. науч. ред.
138
Заметьте, я написал “главных”. Каждая клетка каждого органа тела имеет свою собственную форму гомеостаза. Какие-то формы уникальны, какие-то являются общими для всех клеток, как мы обсуждали в первой части книги.
139
Водяными блохами аквариумисты называют небольших ветвистоусых ракообразных – циклопов и дафний. – Прим. науч. ред.
140
Необходимо уточнить, что первые эксперименты по пересадке костного мозга облученным животным были проведены несколькими лабораториями незадолго до начала работ Тилла и Маккалоха, которые для своих исследований использовали уже разработанный метод. – Прим. науч. ред.
141
Я намеренно не привожу имена медсестер. Не чтобы приуменьшить их огромный вклад в развитие пересадки костного мозга, а чтобы защитить их право на конфиденциальность.
142
Позднее облучение стали проводить в несколько приемов, что значительно ослабило тошноту. Кроме того, появились новые противорвотные средства, такие как зофран и китрил, которые сильно гасят волну тошноты, вызванную облучением.
143
Техническое замечание: полученные Томсоном ЭСК происходят из внутренних клеток бластоцисты (которые впоследствии превращаются в эмбрион), а не из клеток внешней оболочки (из которых формируется плацента, пупочный канатик и другие внешние по отношению к эмбриону структуры). Эти клетки не являются тотипотентными, поскольку, например, плацента происходит из клеток оболочки, а не из внутренних клеток. Недавние исследования показали, что при культивировании в определенных условиях некоторые ЭСК могут оставаться тотипотентными, иными словами, производить также внеэмбриональные ткани. Однако большинство исследователей считают ЭСК плюрипотентными, а не тотипотентными клетками, поскольку они дают начало всем тканям, за исключением тканей, поддерживающих развитие эмбриона.
144
Теперь мы знаем, что геномы разных клеток тела могут слегка различаться в результате мутаций, накапливающихся по мере взросления организма. Можно сказать, что человек – это химера из генетически неидентичных клеток. Биологическое значение этих различий еще только предстоит установить.
145
Непереводимая игра слов: в оригинале использовано общеупотребимое в значении “тупица” слово bonehead (дословно “костноголовый”). – Прим. ред.
146
Джерард Карсенти и его коллеги из Колумбийского университета обнаружили, что кости не только реагируют на гормоны, но и производят гормоны. Первые эксперименты показали, что один продукт костных клеток, названный остеокальцином, по-видимому, участвует в регуляции метаболизма сахаров, в формировании мозга и развитии репродуктивной системы у мужчин, хотя некоторые из этих данных все еще ожидают подтверждения.
147
Я перечислил только клетки костной ткани. Список клеток костного мозга гораздо длиннее. Там есть стволовые клетки крови и предшественники клеток крови. Там есть стромальные клетки, которые, возможно, поддерживают стволовые клетки крови. Там есть нейроны и адипоциты, запасающие жиры, а также эндотелиальные клетки кровеносных сосудов, которые доставляют кровь к костному мозгу и выводят ее оттуда.
148
См. статью: Ng J. Q. et al. Loss of Gremi-lineage chondrogenic progenitor cells causes osteoarthritis. Nat Commun 14, 6909 (2023). – Прим. перев.
149
Как я уже говорил, внутренняя клеточная масса эмбриона расщепляется на три слоя, после чего начинают формироваться хорда и структуры нервной трубки. В эмбрионе появляется несколько отделов, и вдоль оси тела закладываются органы; этот процесс направляется внешними сигналами, определяющими назначение клеток, и внутренними клеточными факторами, воспринимающими эти сигналы.
150
Описаны редкие случаи восстановления нейронов у животных и человека.
К сожалению, по большей части нейроны не делятся и не восстанавливаются после повреждения.
151
В недавней статье Генри Кроненберга и его коллег выдвигается предположение, что некоторые зрелые хрящевые клетки в определенных условиях “пробуждаются” и начинают делиться. Остается выяснить, не те ли это клетки, которые обнаружили Дэн, Джиа и Тогрул.
152
Конечно, не существует никакой особой “раковой клетки”. Рак – это группа разнородных заболеваний, и даже в опухоли определенного типа задействовано несколько типов клеток. Здесь я хочу выделить некоторые общие принципы, характеризующие большинство раковых клеток. На следующих страницах мы подробнее обсудим, чем раковые клетки различаются между собой даже в организме одного пациента.
153
Стоит пояснить: у раковых клеток нет чувствительности или мозга, которые заставляли бы их включать и выключать гены. Это эволюция отбирает клетки, в которых включены какие-то гены, позволяющие им непрерывно расти.
154
Мы не знаем, почему раковые клетки предпочитают этот быстрый и дешевый (но очень неэффективный) механизм производства энергии. В процессе кислородного (аэробного) дыхания образуется тридцать шесть молекул АТФ, тогда как при бескислородном брожении (анаэробном дыхании) выделяются лишь две такие молекулы – в восемнадцать раз меньше. Почему раковая клетка использует неэффективную систему производства энергии, если существует способ получить гораздо больше энергии, а ресурсы неограниченны (например, лейкозные клетки в буквальном смысле купаются в крови, где достаточно питательных веществ и кислорода для аэробного дыхания)? Возможно, отчасти ответ заключается в том, что при получении энергии в реакциях с участием кислорода выделяются токсичные продукты – очень активные и опасные для клеток химические молекулы, которые нужно уничтожать и удалять. Некоторые токсичные побочные продукты кислородного дыхания вызывают мутации ДНК, что, в свою очередь, активирует клеточный аппарат, останавливающий деление (вспомните о контрольной точке G2 клеточного цикла, когда клетка проверяет качество своей ДНК). Возможно, раковые клетки эволюционируют “оптимальным” образом, жертвуя эффективностью получения энергии, чтобы держаться подальше от этих опасных продуктов. Но это лишь одна из многих гипотез; другие исследователи предлагают иные варианты объяснения, почему раковые клетки предпочитают процесс брожения. В некоторых недавних исследованиях, в частности в работе Ральфа Деберардиниса, было показано, что значение эффекта Варбурга (немитохондриального пути производства энергии раковыми клетками), возможно, преувеличено и является артефактом искусственных условий выращивания опухолевых клеток в лаборатории по сравнению с реальными условиями их роста в организме. Когда мы выращиваем раковые клетки в лаборатории, мы обычно добавляем в питательную среду большое количество глюкозы, что может сдвигать метаболизм в сторону немитохондриального пути. При этом эффект Варбурга остается реальностью: некоторые “реальные” виды рака в человеческом организме, а не в лаборатории действительно используют немитохондриальный путь в качестве основного способа производства энергии, но мы, вероятно, преувеличили масштаб этого явления.
155
В данной главе я уделил особое внимание поведению, миграции и метаболизму опухолевых клеток, но сознательно не останавливался на вопросах предотвращения и раннего обнаружения рака. Некоторые из этих тем обсуждались в моей предыдущей книге “Царь всех болезней. Биография рака” (2016), а новейшие достижения в этих областях исследования будут освещены в ее следующем издании.
156
Перевод Е. Дюринга. – Прим. перев.
157
Речь идет о фразе “Четыре ноги – хорошо, две ноги – плохо” из романа Джорджа Оруэлла “Скотный двор”. – Прим. перев.
158
Английское слово sham переводится как “жульничество” или “притворство”. – Прим. перев.