Помимо врожденной иммунной системы у нас есть еще одна – адаптивный, или приобретенный, иммунитет, который обусловливает производство специфических антител, иммуноглобулинов. Антитела обладают высокой специфичностью и распознают белки (антигены) на поверхности антиген-презентирующих клеток, независимо от их происхождения: из проникающих в организм вирусов или из собственных «изменившихся» клеток. Связывание между антигеном и антителом – самое сильное известное в биологии взаимодействие.
Для производства антител существует примерно 1000 генов. Однако за счет комбинаторных эффектов может получиться до 2,6 млн различных антител, а в результате последующих мутаций их становится несколько миллиардов. Невероятно эффективная система амплификации! Такое разнообразие сегментов ДНК основано на системе «вырезать и вставить» транспозонов и разноцветных кукурузных зерен Макклинток, о чем шла речь выше (см. главу 7). В действительности разнообразие антител связано с эволюцией «прыгающих» генов и является следствием действия транспозируемых элементов. Транспозоны – дальние родственники вирусов, которые являются поставщиками ферментов, необходимых для функционирования механизма «вырезать и вставить» – молекулярных «ножниц», ферментов для расщепления и транспозазы. Это должно служить звоночком для внимательного читателя: наша иммунная система создана вирусами!
В самом деле, и в иммунной системе, и в вирусах присутствуют одни и те же ферменты; просто они называются по-разному, поскольку изначально никто не определял взаимоотношения между транспозонами, ретровирусами и иммунной системой.
Иммунная система действует не только против вирусов, но и против любых других «инородных» антигенов. Чтобы достичь этого, понадобилось несколько миллионов лет. Наша уникально сложная иммунная система в итоге получилась из вирусных элементов. В принципе, очень легко понять, что вирусы сами способствовали противовирусной защите. В конце концов, все они проникают в клетку со своим набором генов, поставляют их в клетку и, как правило, одновременно с этим предотвращают попадание в клетку других вирусов, пока не завершат собственную репликацию. Клетка не располагает достаточными ресурсами для производства большого потомства более чем одного входящего вируса. Кроме того, ретровирусные элементы уже интегрированы в геном хозяина; они очень универсальны и способны быстро меняться. Они присутствуют как дополнительные гены. После проникновения вируса в клетку инфицирующий вирус сразу же начинает осуществлять иммунную защиту. В случае с ретровирусами шаг от инфекции к противовирусной защите минимален, поскольку вирусы интегрируются и становятся частью клетки. Это простой пример отрицательной обратной связи. Мы должны быть признательны вирусам за нашу противовирусную защиту. Это довольно впечатляющий пример. Когда все это началось? 800 млн лет назад? (Антитела являются следствием V(D)J-рекомбинации генов иммуноглобулина, где V – переменная величина, D – диверсифицирующая составляющая, а J – присоединение. Молекулярные «ножницы», необходимые для рекомбинаций, это молекулы (RAG-1 и 2, гены, активирующие рекомбинацию), эволюционировавшие из транспозонов и связанные с неоднократно ранее упоминавшимися «ножницами», типичная триада трех аминокислот (DDE) в их активном центре, как в ретровирусных молекулярных «ножницах» РНКазе Н.)
В лучшем случае антитела связываются с поверхностью вируса и нейтрализуют вирус, в силу чего он более не способен инфицировать хозяина. Существуют вакцины, нейтрализующие вирусы-возбудители натуральной оспы, полиомиелита, кори, бешенства и свинки, а также в определенной степени вирусы гриппа. По-видимому, вакцина против одного из четырех штаммов вируса Эбола недавно оказалась эффективной. Создатели большинства вакцин не имели представления о молекулярной биологии вирусов. Людям делали инъекции убитыми вирусами с целью активировать иммунный ответ. Часто вакцины оказываются эффективными, но только не в случае ВИЧ. Он слишком изменчив. В настоящее время полным ходом идут экспертные молекулярно-биологические исследования, и по прошествии нескольких десятилетий, возможно, появится надежда на успех. Нам бы хотелось получить вакцину от ВИЧ, ведь, как свидетельствует история, вакцина – лучший способ борьбы с вирусной инфекцией.
Иммунный ответ может сохраняться всю жизнь, если формируются клетки памяти. В этом случае нет необходимости в трудоемкой перестройке гена (механизм «вырезать и вставить»), так как они уже запрограммированы и могут сразу же размножаться. Поэтому при появлении известного антигена клетки начинают быстро реагировать. Наша иммунная система может давать не только быстрый врожденный неспецифический ответ, но и второй – медленный высокоспецифический адаптивный иммунологический ответ. Вероятно, более старой является быстрая и неточная реакция. Пока человек здоров, он ни на что не обращает внимания. Однако людям с поврежденной иммунной системой, как, например, при иммунодефиците у детей, приходится жить в стерильных «палатках», чтобы не заразиться микробами или вирусами. Кроме того, трансплантация органов оказывается неэффективной из-за отторжения иммунной системой инородных тканей и клеток, поэтому, чтобы трансплантируемый орган прижился, нужно подавлять иммунитет реципиента. При ВИЧ вирус инфицирует иммунные клетки, необходимые для нашей иммунной защиты. Т-лимфоциты имеют существенное значение в функционировании адаптивной иммунной защиты, и именно эти клетки уничтожаются ВИЧ, что приводит к подавлению иммунитета и развитию СПИДа.
В данном случае возможно следующее пояснение: полагаю, что функционирование нашей иммунной системы сходно с процессом принятия решений. Инстинкт нам нужен для так называемого внутреннего чутья: быстрые, практически неосознанные решения исходно защищают человека от смертельной опасности, а затем побуждают его убежать, в отличие от осознанных решений, которые принимаются после взвешивания всех за и против – такие решения носят более конкретный характер и требуют больше времени. Кроме того, у нас есть память, как у иммунной системы. Подобные аналогии поразительны. Взять, например, книгу «Думай медленно… Решай быстро»
[17] – безусловно, это совсем не об иммунном ответе. Но я и никогда не слышала об участии транспозонов в принятии нами решений. Известно о «прыжках» LINE в клетках головного мозга во время эмбриогенеза и о том, что это может привести к генетическому разнообразию. Влияют ли «прыгающие» гены на наши решения?
Отсутствие цвета из-за молчащих генов
Цвет позволяет «увидеть» генетические эффекты. Начало этому положил Грегор Мендель, который открыл принципы генетики и, наблюдая за окраской душистого горошка, вывел законы. Барбара Макклинток, изучив цвет кукурузных зерен, выявила принципы эпигенетики. Полоски на лепестках тюльпанов указывают на наличие вирусов и эпигенетических эффектов. Цвет – это прекрасно, ибо он позволяет невооруженным глазом «увидеть» очень сложные генетические эффекты. Существует определенная информация: вирус изменяет цвет своего хозяина, а его противовирусная защита тоже приводит к изменению цвета. Показательным примером такой защиты являются фиолетовые петуньи, которыми украшают балконы в летнее время и на которых часто бывают симметричные мозаичные узоры. Если лепестки белые, значит, цвет исчез. Симметричные мозаичные узоры свидетельствуют о том, что потеря цвета произошла на начальном этапе формирования соцветий. Мозаичные узоры – результат действия противовирусной системы. Отсутствие цвета означает «отсутствие экспрессии генов цвета», что свидетельствует о выключении гена цвета, что ученые называют «сайленсинг». Данный термин не вполне подходит, поскольку речь идет о выключении не звука, а цвета. (Сайленсинг осуществляется за счет двух механизмов: транскрипционного сайленсинга гена (ТСГ) и посттранскрипционного сайленсинга гена (ПТСГ) – это два пути осуществления сайленсинга, но результат одинаков – отсутствие цвета. Транскрипция РНК заблокирована или РНК расщеплена.) Сайленсер – это сайленсерные РНК, или «малые интерферирующие» РНК (миРНК или siRNA). Это похоже на название вышеупомянутого интерферона, что правильно, поскольку данные механизмы взаимосвязаны. Если миРНК поражает ген цвета или промотор гена цвета, можно наблюдать эффект сайленсинга, а именно потерю цвета. Результат довольно прост, несмотря на довольно сложный молекулярный механизм, стоящий за ним. Сайленсинг способен поразить любой ген, причем ген цвета лишь один из множества генов, которые могут быть поражены. Проникающие в клетку вирусы могут также подвергаться сайленсингу. Англичанин Дэвид Болкомб описал сайленсинг генов в растениях, но генетика растений – очень сложная дисциплина, которая многим оказалась не под силу. Макклинток также столкнулась с этим в ходе исследования кукурузных зерен, ценность которого никто не понял. Сайленсинг генов как способ иммунной защиты был тщательно изучен у червей C. elegans, и в результате Эндрю Файер и Крейг Мелло, но без Болкомба, в 2006 г. стали лауреатами Нобелевской премии. С тех пор сайленсинг генов стал одним из предпочтительных и наиболее информативных лабораторных экспериментов. Когда человеку хочется подтвердить функции генов, нет ничего лучше, чем выключить их, то есть осуществить сайленсинг и посмотреть, что произойдет при отсутствии гена. «Потеря функции» – технический термин. Сейчас это стало стандартной лабораторной процедурой. Многие университеты даже предлагают услуги по выключению генов на контрактной основе. И не нужно думать об иммунных системах и противовирусной защите – просто закажите в какой-нибудь компании ретровирус с заданной последовательностью, чтобы получить желаемую сайленсерную миРНК. Затем можно использовать вирусный вектор, чтобы инактивировать заданный ген и посмотреть, что произойдет. Лучше сразу оговорить с компанией выключение гена, поскольку не все гены можно полностью выключить. Иногда в результате «нецелевого» эффекта инактивируется не тот ген – еще один недостаток такого метода. Однажды две группы ученых одновременно проводили эксперименты по выключению генов, используя ВИЧ-инфицированные клетки, и получили очень сильно отличающиеся результаты. В связи с этим отметим, что метод нуждается в стандартизации и совершенствовании.
