Мария Кондратова
Невидимый страж. Как иммунитет защищает нас от внешних и внутренних угроз
Глава 7
СМЕРТЕЛЬНОЕ ОРУЖИЕ
Добрым словом и пистолетом можно добиться гораздо большего, чем одним только добрым словом.
Приписывается Аль Капоне
Клетки врожденного иммунитета используют для уничтожения противника далеко не только фагоцитоз. В распоряжении этих бравых ребят имеется много действенных способов уничтожения бактерий и зараженных вирусами клеток.
Начнем с уже знакомого нам апоптоза. В предыдущей главе было сказано, что он является примером естественной запрограммированной гибели клетки и регулируется внутренними сигналами о ее старении. Однако в определенных случаях апоптоз запускается не только внутренними, но и внешними сигналами. Такую клеточную смерть уже трудно назвать добровольной. Скорее, она похожа на ситуацию, когда честные полицейские предлагают товарищу, запятнавшему себя предательством, «очистить ряды» самым радикальным способом – пустив себе пулю в лоб. В Уголовном кодексе это называется доведением до самоубийства, в клеточном мире – рецептор-зависимым сигнальным путем апоптоза.
Иммунные клетки способны активировать этот сигнальный путь в клетках, которые они опознают как больные или неправильные. Для его запуска используются лиганды к так называемым рецепторам смерти, присутствующим на поверхности большинства клеток человеческого организма. Взаимодействие лиганда с рецептором смерти запускает внутри клетки каскад реакций, ведущих к ее самоуничтожению. Тонкости регуляции этого процесса пока еще не до конца понятны ученым.
В некоторых племенах, сохранивших первобытный образ жизни, люди верят в сверхъестественную силу шаманов. Если служитель культа прикоснется к руке человека и скажет «умри», так и произойдет. (Я, правда, не исключаю, что подобное «нейролингвистическое программирование» бывает приправлено толикой яда.) Иммунные клетки играют в нашем организме примерно такую же роль: они посылают команду «умри», и клетка умирает. Однако так они действуют лишь на собственные клетки организма (например, зараженные вирусом). У бактерий рецепторов смерти нет, поэтому против них иммунные клетки используют другое оружие – химическое.
В детстве, когда я прибегала с улицы с разбитой коленкой или расцарапанной рукой, мама щедро поливала рану раствором перекиси водорода (Н2О2). Я любила эту процедуру – в отличие от зеленки перекись не обжигала рану, и мне нравилось наблюдать, как кровь вспенивается, когда на нее попадает лекарство. Перекись водорода – сильнейший окислитель, даже в концентрации 3–5 % она с легкостью убивает большинство микроорганизмов. Раны, своевременно обработанные перекисью, заживают быстро и без проблем. Но за сотни миллионов лет до того, как бактерицидные свойства перекиси и других неорганических веществ были открыты людьми, многоклеточные организмы уже вовсю использовали их для защиты от вторжения микроорганизмов.
Природа – величайший химик, а живая клетка – настоящая химическая лаборатория. В живых клетках синтезируются тысячи ферментов – белков, способных ускорять самые разные реакции. В контексте темы «химического оружия» нас будут интересовать два фермента, состоящие из нескольких разных белковых молекул, собранных в сложную трехмерную конструкцию. Первый комплекс, NO-синтаза, способен синтезировать оксид азота (NO); второй, NADPН-оксидаза, производит соединения, которые называются реактивными формами кислорода. К ним относится и упоминавшаяся выше перекись водорода. Однако еще более мощным окислителем является ион молекулы кислорода с неспаренным электроном (О2–) – так называемый супероксид, который NADPН-оксидаза способна синтезировать из обычного молекулярного кислорода (О2), отбирая у него один электрон. Это соединение настолько бурно реагирует с любыми органическими веществами (включая устойчивые клеточные стенки бактерий), что процесс, сопровождающий высвобождение супероксида в иммунных клетках, ученые назвали кислородным взрывом.
Высвобождение оксида азота (NO) выглядит, возможно, менее впечатляюще, но это соединение также обладает мощным бактерицидным эффектом. Любопытно, что иммунные клетки разных организмов могут иметь разную активность этих ферментных систем. Например, макрофаги грызунов производят NO гораздо активнее, чем наши собственные фагоциты. Об этом важно помнить, чтобы не совершать ошибки, автоматически перенося на человека данные, полученные на лабораторных животных.
К сожалению, химический способ самозащиты не лишен недостатков. Реактивные формы кислорода и азота не различают свои и чужие молекулы, повреждая не только бактерии, но и собственные клетки организма. И хотя во многих случаях без подобного «оружия массового поражения» не обойтись, фагоциты стараются дополнять его более точным «макромолекулярным оружием», избирательно воздействующим именно на инородные организмы.
В роли такого высокоточного оружия выступают уже знакомые нам ферменты – те из них, которые способны разрушительно действовать на компоненты клеточных стенок бактерий и грибов, не повреждая при этом клетки самого организма. При активации иммунных клеток концентрированный раствор молекул высвобождается из гранул (внутриклеточных пузырьков) во внеклеточное пространство. В этом мощном молекулярном коктейле присутствуют такие ферменты, как щелочная фосфатаза, миелопероксидаза, β-галактозидаза, лизоцим, рибонуклеазы (разрушающие РНК) и дезоксирибонуклеазы (разрушающие ДНК), а также многие другие. Разным ферментам нужны различные условия для работы. Одни (например, миелопероксидаза) более активны в кислой среде, другие (щелочная фосфатаза) предпочитают нейтральную или слабощелочную, так что разные типы гранул различаются по показателю кислотности (pH) и по тому, как они окрашиваются красителями. Процесс растворения, переваривания, уничтожения органического вещества с помощью ферментов в биохимии называют лизисом, а гранулы, содержимое которых его запускает, – литическими гранулами.
В некоторых ситуациях иммунные клетки буквально идут на самопожертвование, «подрывая» себя, как порой поступают солдаты, со всех сторон окруженные противником. Этот способ борьбы с вирусами и бактериями был открыт у нейтрофилов совсем недавно, в 2004 году. Не исключено, что подобный механизм могут использовать и другие клетки врожденного иммунитета.
Активация нейтрофила при встрече с вирусами или бактериями в некоторых случаях приводит к тому, что мембрана клеточного ядра в нем растворяется, ДНК начинает распускаться, занимая все больший и больший объем. В норме сверхтонкая молекулярная нить ДНК упаковала настолько компактно, что занимает очень мало места; в распущенном виде ее длина достигает двух метров. Примерно так котенок, размотав маленький клубок, может опутать нитью целую комнату. В конце концов нити ДНК буквально разрывают клетку и вываливаются наружу огромной беспорядочной сетью, в которой запутываются вирусные частицы и бактерии. Когда позже на место самоубийственной атаки прибывает подкрепление, ему остается лишь переварить сгусток из ДНК и патогенов.
Этот механизм получил название «нетоз», его роль заключается не столько в уничтожении патогенов, сколько в сдерживании их распространения по организму. Впрочем, поскольку одновременно с высвобождением нитей ДНК высвобождаются и упоминавшиеся выше литические гранулы, часть «плененных» микроорганизмов погибает еще до прибытия основных сил иммунной защиты. К сожалению, такой способ защиты также не лишен побочных эффектов: слипшийся комок из нитей ДНК и патогенов может вызывать образование тромбов. Этим механизмом, по крайней мере отчасти, можно объяснить тромбоз, который является распространенным осложнением при COVID-19.
Описанный выше «боевой арсенал» характерен прежде всего для типичных клеток врожденного иммунитета, имеющих миелоидное происхождение (М-клеток). Однако к системе врожденного иммунитета относятся также естественные киллеры – группа клеток лимфоидного происхождения. Эти клетки и «арсенал», которым они обладают, будут рассмотрены в целиком посвященной им главе.
Глава 8[4]
ПОЛ И ИММУНИТЕТ
Один из интереснейших вопросов эволюционной биологии – как появилось половое размножение? Ответ из школьного учебника, что оно повышает разнообразие, а разнообразие, в свою очередь, повышает приспособленность, может удовлетворить экзаменаторов, но не ученых.
Многие живые существа сотни миллионов лет живут практически в неизменных условиях – почему бы им не отдать предпочтение какому-то одному идеальному генотипу? Учебники акцентируют внимание на том, что естественный отбор, сопутствующий половому размножению, закрепляет в популяции полезные признаки. Это так, но в случае с комбинациями признаков – а, собственно, они и определяют выживание – эффект полового размножения совсем не однозначен. Именно по этой причине дети великих писателей, ученых или спортсменов очень редко добиваются таких же успехов, как их родители, а дети исключительных красавцев и красавиц зачастую лишь миловидны и не более того. Генотипы матери и отца, перемешавшись, разрушают идеальную комбинацию генов, обеспечивающую исключительный интеллектуальный или физический результат (разумеется, это очень упрощенное описание, но думаю, что идея понятна). Кроме того, у бесполого размножения есть перед половым несомненное преимущество: для него не нужен партнер. Это значит, что даже одна-единственная особь, выжившая в неблагоприятных условиях, может возродить вид – опция, которой, увы, лишены виды, выбравшие путь полового размножения. Словом, с половым размножением все не так однозначно, однако факт остается фактом: подавляющее большинство животных «выбрали» именно его. А стало быть, учебники не врут, говоря, что оно дает преимущество. Вопрос лишь том, какое именно.
Одна из наиболее обоснованных гипотез появления полового размножения связывает его с необходимостью иммунной защиты. Действительно, на макроуровне стабильная экосистема меняется очень медленно: поколение за поколением зайцы в лесу едят траву, а волки охотятся на зайцев. Однако на микроуровне, где существуют бактерии, простейшие и другие микроорганизмы, за это же время происходит множество изменений. Ведь скорость их размножения, а значит, и скорость эволюции во много раз выше, чем у млекопитающих. Это позволило предположить, что разнообразие генотипов повышает приспособленность организмов не к абстрактным условиям среды в целом, а именно к быстро меняющимся болезнетворным организмам. Живя в тесном контакте со своими хозяевами и быстро эволюционируя, паразиты постоянно повышают эффективность и могли бы уничтожить их буквально через несколько поколений, будь они все «на одно лицо». К счастью, половое размножение, внося элементы хаоса в эту систему, не позволяет паразитам окончательно взять верх.
Эта гипотеза о взаимной эволюции хозяев и паразитов получила название «гипотеза Черной королевы». Оно отсылает нас к эпизоду из знаменитой сказки Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье»:
– У нас, – сказала Алиса, с трудом переводя дух, – когда долго бежишь со всех ног, непременно попадешь в другое место.
– Какая медлительная страна! – вскричала Королева. – Ну а здесь, знаешь ли, приходится бежать со всех ног, чтобы только остаться на том же месте[5].
Гипотезу Черной королевы можно было бы считать лишь изящным теоретическим предположением, однако в последние годы она получила весомое экспериментальное подтверждение. В 2011 году Кёртис Лайвли с коллегами из Индианского университета в Блумингтоне представили убедительное доказательство преимуществ полового размножения перед лицом инфекционной опасности. В качестве экспериментальной модели ученые использовали червя Caenorhabditis elegans. У этих нематод есть два пола – самцы и самки, приобретшие способность к сперматогенезу (гермафродиты). При половом размножении гермафродиты спариваются с самцами, при «бесполом» происходит их самооплодотворение. Друг с другом двуполые особи практически не скрещиваются. «Бесполое» размножение гермафродитных особей исключает перемешивание генов. В естественных (диких) популяциях доля особей, размножающихся половым путем, обычно невысока – 1–30 %. Таким образом, в стабильных условиях эти черви предпочитают «бесполое» размножение, способствующее закреплению удачного генотипа.
Но что произойдет, если добавить в эту систему новую и довольно агрессивную бактерию – паразита C. elegans? Ученые смоделировали два типа эпидемий среди червей. В первом случае популяцию в течение ряда поколений заражали одним и тем же штаммом бактерии, во втором – отбирали все более и более вирулентных паразитов. (Методика изящна и проста: бактерий брали с трупов нематод, погибших в течение первых суток после заражения. Это были те паразиты, против которых не сработали имеющиеся системы защиты червей.)
Исследователи хотели получить ответ на вопрос: как изменится соотношение между половым и бесполым размножением по мере развития эпидемии? Оказалось, что контрольная (здоровая) популяция поддерживала примерно постоянный (низкий) уровень полового размножения. Группа, в которой вирулентность паразитов оставалась постоянной, в течение первых 10 поколений резко увеличила долю полового размножения (до 80 %), но затем она вернулась на прежний 20 %-ный уровень. В этой группе сначала (при использовании полового отбора) произошла оптимальная адаптация червей к новому паразиту, а затем полученная удачная комбинация генов стала воспроизводиться с помощью «бесполого» размножения.
Совсем другая картина наблюдалась в популяции, где вирулентность паразитов все время изменялась. Эта модель наиболее точно воспроизводит условия реальной эпидемии, где преимущество получают наиболее быстрые и агрессивные микроорганизмы. Здесь, как и в предыдущем случае, доля скрещивающихся особей за 10 поколений достигла отметки 80 %, после чего не стала снижаться, а напротив, продолжила увеличиваться. Через 20 поколений она достигла 90 % – черви практически полностью отказались от «бесполого» размножения и перешли на половое.
Эксперимент с усилением заразности паразита повторили на группе, в которой все особи были гермафродитами, и она полностью вымерла через 20 поколений. А вот в искусственно созданной популяции, состоящей только из скрещивающихся особей, смертность от паразитов через 30 поколений оказалась самой низкой.
У C. elegans, как и у других беспозвоночных, отсутствует адаптивный иммунитет, и можно предположить, что именно увеличение разнообразия в генах, вовлеченных во врожденный иммунный ответ, обеспечивает им лучшую защиту от бактерий в случае полового отбора.
Таким образом, гипотеза Черной королевы действительно неплохо объясняет по крайней мере часть преимуществ полового размножения в той бескомпромиссной гонке вооружений, которую ведут паразиты и их хозяева.
Глава 9
АДЪЮТАНТЫ ЕГО ПРЕВОСХОДИТЕЛЬСТВА – ИММУНИТЕТА
Адъютант очень нужен. Он вроде красивой охотничьей собаки. И поговорить можно между делом, и, если хороший экстерьер, другие охотники завидуют.
Художественный фильм «Семнадцать мгновений весны»
До появления радио и других средств беспроводной связи адъютанты выполняли важнейшую функцию – доставляли приказы командования в самую гущу сражения. Это была почетная и очень опасная миссия. Именно адъютантом Кутузова служил князь Андрей Болконский в романе «Война и мир». Разбросанные на несколько километров отряды, не представляющие себе общей картины битвы, не могли бы действовать скоординированно и эффективно, если бы не вестники из ставки. Доставить приказ атаковать или, напротив, отступить, передать обратно просьбу о подкреплении или предупреждение о новом коварном маневре противника – все это было задачей адъютантов. И хотя институт адъютантства остался в прошлом, организация взаимодействия между частями по-прежнему один из важнейших аспектов военного дела.
Впрочем, только ли военного? Бизнесмены и журналисты обмениваются новостями, повара – рецептами, президенты и премьеры издают законы, обязательные для всех граждан государства, молодожены договариваются о том, как разделить домашние обязанности, – вся человеческая цивилизация строится на обмене информацией и налаживании взаимодействий.
Как уже неоднократно упоминалась выше, сообщество клеток в многоклеточном организме во многом похоже на человеческое и нуждается в налаживании эффективных взаимодействий. Для того чтобы обмениваться информацией, люди используют устную и письменную речь, но у клеток такой возможности, само собой, нет. Сигналы, которые они посылают друг другу, – это химические молекулы – лиганды.
Самые известные сигнальные молекулы – это гормоны. Половые гормоны отвечают за формирование нашего тела по мужскому или женскому типу, определяют способность к зачатию и вынашиванию потомства. Гормон поджелудочной железы инсулин регулирует уровень сахара в крови, с его дефицитом связано такое заболевание, как инсулинозависимый сахарный диабет. Лейкоциты подчиняются общим сигналам организма, но существует у них и собственная система иммунной «спецсвязи», которую осуществляют два основных класса сигнальных молекул – хемокины и цитокины. Функции этих молекул сложны и многообразны, но, говоря упрощенно, хемокины указывают клеткам, куда идти, в то время как цитокины выдают инструкции, что делать. Впрочем, есть среди иммунных посланий и молекулы, выполняющие обе эти функции.
Механизм действия хемокинов по сути своей аналогичен действию градиента концентрации вещества при ориентации у простейших одноклеточных животных. Что такое градиент концентрации? Чтобы вспомнить физико-химический смысл этого термина, можно провести простой эксперимент. Возьмите стакан прохладной воды и бросьте туда ложку сахара или соли, но не перемешивайте, а позвольте веществу раствориться самому. Используя трубочку для питья, попробуйте воду с поверхности сосуда. Ее вкус окажется слабосладким или слабосоленым. Теперь втяните через трубочку немного раствора со дна стакана – здесь вкус будет куда более насыщенным. Вот этот плавный переход насыщенности раствора от более к менее концентрированному и есть пример градиента концентрации, который естественным образом образуется, когда растворение вещества происходит без принудительного перемешивания. Одноклеточные организмы ориентируются в растворах по градиентам концентраций различных веществ, что очень важно для их выживания.
Представьте себе подвижное одноклеточное, например инфузорию-туфельку, в поисках пищи. Если она станет беспорядочно перемещаться в разные стороны, то, скорее всего, просто умрет от голода. Такого не происходит потому, что обычно инфузория целеустремленно плывет туда, где больше молекул питательных веществ. Это явление называется положительным хемотаксисом. Кстати, хемотаксис свойственен не только одноклеточным. Вспомните, как вы сворачивали к булочной, не в силах устоять перед искушающим ароматом свежей сдобы (положительный хемотаксис), или старались подальше обойти дурно пахнущую помойку (отрицательный хемотаксис).
Именно положительный хемотаксис по градиенту концентрации хемокинов используют для ориентирования клетки иммунитета – как врожденного, так и приобретенного. «Патрульный» фагоцит, первым обнаруживший нападение или повреждение, начинает активно синтезировать хемокины. Этот сигнал «наших бьют!» привлекает ближайшие иммунные клетки. Оказавшись в гуще событий, они также начинают производить хемокины. Химический сигнал усиливается и с током крови и лимфы разносится по организму, мобилизуя иммунную систему в целом.
В отличие от централизованной системы управления при помощи гормонов, которые, как правило, синтезируются специальным органом (железой внутренней секреции), сигнальная система иммунных клеток не имеет единого управляющего центра и служит идеальным примером самоорганизации. Любая иммунная клетка, оказавшаяся «на месте происшествия», вправе подать сигнал без согласования с какой бы то ни было вышестоящей инстанцией. В этом смысле сопоставление иммунной системы с такими иерархичными структурами, как армия или полиция, неизбежно оказывается неточным. Мы не станем отказываться от этих аналогий, поскольку они облегчают понимание, но будем помнить об их приблизительности. Вообще же сетевая структура иммунного ответа на деле больше похожа на самоорганизацию пользователей социальных сетей, чем на взаимодействие элементов неповоротливой государственной машины.
Приведу пример эффективности такой самоорганизации, который наблюдала собственными глазами. Один человек опубликовал в сети фото брошенной собаки, замерзающей на бензоколонке. Второй вызвался приютить беднягу, но посетовал, что сам не может за ней приехать. Третий вызвался оплатить такси. Четвертый сказал, что такси не нужно, он сам приедет. Через пару часов счастливое животное уже обустраивалось на новом месте. Заметим, что люди, столь эффективно вызволившие пса из беды, даже не были знакомы. Им не понадобился управляющий центр и начальник, указывающий, что кому делать. Имея общую цель – спасти животное, пользователи сами нашли оптимальный способ решить проблему. Похожим образом находят «общее решение» и иммунные клетки.
Хемокиновый сигнал подобен призыву объединиться, опубликованному в социальной сети. Путем перепостов информация о событии быстро распространяется, и в условленное время множество незнакомых друг с другом людей собираются в условленном месте. Пользователи социальных сетей по-разному реагируют на сигналы, которые получают: одних легко привлечь на концерт, другие равнодушны к музыке, но охотно выйдут на субботник в своем районе. Иммунные клетки также имеют неодинаковую чувствительность к разным хемокинам. Она определяется набором рецепторов, которые присутствуют на их поверхности. От того, какой хемокиновый сигнал пошлют первые «свидетели преступления», будет зависеть, какие именно клетки станут активно перемещаться к месту события – макрофаги или нейтрофилы, тучные клетки или естественные киллеры (полиция нравов или «убойный отдел»). Таким образом, хемокины не только регулируют перемещение иммунных клеток, но и частично определяют тип будущего иммунного ответа. Однако основными молекулами, регулирующими гибкость и разнообразие иммунных реакций, являются все-таки цитокины. Они настолько важны, что заслуживают отдельной главы, и даже не одной.
