Kitobni o'qish: «Невидимый страж. Как иммунитет защищает нас от внешних и внутренних угроз»

Издательство и автор благодарят проект «Биомолекула» за помощь в подготовке издания.

Научный редактор Аполлинария Боголюбова, канд. биол. наук

Редактор Анна Щелкунова

Иллюстрации Олега Добровольского

Художественное оформление и макет Андрея Бондаренко

Издатель П. Подкосов

Руководитель проекта А. Шувалова

Ассистент редакции М. Короченская

Корректоры Н. Витько, Е. Сметанникова

Компьютерная верстка А. Ларионов

Арт-директор Ю. Буга

Фото автора на обложке В. Богатов

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Кондратова М., 2022

© Добровольский О., иллюстрации, 2022

© Бондаренко А., художественное оформление, макет, 2022

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2022

* * *

Предисловие
Очень страшное кино

Если поискать соответствие между науками и популярными жанрами кино, то иммунология – это, конечно, кино полицейское: с погонями, взрывами, перехватами злоумышленников и прочим весельем. Даже развитие иммунного ответа идет по голливудским сценарным лекалам: все начинается с того, что одинокий детектив увязывается за подозрительным незнакомцем, а заканчивается тем, что сотни полицейских блокируют квартал на земле и с воздуха и спецназ разносит логово злодеев. Замените патрульных на макрофагов, а спецназ на Т-киллеров, и общая схема иммунного ответа готова. Именно этот экшен и делает иммунологию такой увлекательной наукой для тех, кто ею занимается.

К сожалению, не могу сказать того же о тех, кто ее изучает. Большинство студентов биологических и медицинских вузов вспоминают курс иммунологии как кошмар: бесконечные списки клеточных маркеров, таблицы цитокинов, основные пути рекомбинации генов Т-клеточного рецептора… Огромный объем очень важной, но крайне плохо структурированной информации. Популярные книги по иммунологии читаются, конечно, легче, чем университетские учебники, но из них сложно составить общее представление о защитных силах нашего организма. Увлекательные, но разрозненные рассказы о научных поисках разных ученых плохо складываются в целостную картину иммунологической науки как таковой. На то есть объективные причины. Иммунологические истории, как мы увидим дальше, склонны множиться, петлять и причудливо пересекаться, подобно сюжетным линиям в романе романов, описанном Борхесом в новелле «Сад расходящихся тропок». Их не так-то просто уложить в линейную структуру традиционной книги, возможно, тут уместнее был бы гипертекст интернет-портала. Такие иммунологические порталы для специалистов и впрямь существуют, и они очень полезны, если нужно быстро получить справку по какому-то узкоспециальному вопросу, но совершенно не годятся для первого знакомства с предметом.

Чтобы написать книгу, доступную любому человеку, знакомому с биологией в объеме курса средней школы, и одновременно не слишком далеко уклониться от научной точности, мне была нужна путеводная нить… образ… прием… Метафора «полицейское кино» показалась идеальной отправной точкой. Мы будем анализировать иммунную систему в терминах триллера, детектива, боевика. Где-то сходство будет полным, где-то – более или менее притянутым за уши, но я надеюсь, что подобный образный ряд сохранит в вашем сознании общее представление об иммунитете даже после того, как вы забудете названия основных типов клеток и ключевых биомолекул. Любимые боевики всегда запоминаются лучше нелюбимых учебников.

В этом месте введения по традиции следовало бы начать объяснять читателю, чем именно важна и интересна наука, о которой я собираюсь рассказать. Я этого делать не стану. Последние два года (книга пишется в 2021-м) мы только и делаем, что говорим об иммунитете. Словосочетание «цитокиновый шторм», известное прежде не каждому специалисту, не сходит со страниц популярных изданий. Глянцевые журналы публикуют статьи о разнице между гуморальным и клеточным иммунитетом, а виртуальные споры сторонников и противников вакцинации переросли в уличные беспорядки. Эпидемия коронавирусной инфекции заставила думать и говорить об иммунитете даже тех, кто до сих пор не уверен, сколько букв «м» в этом слове. У меня нет цели побудить людей еще сильнее интересоваться этой темой. Сильнее – просто некуда. Сделать так, чтобы среди тех, кто говорит об иммунитете, стало хоть немного больше людей, которые понимают, о чем говорят, – вот единственная цель этого труда.

Как было сказано выше, основная сложность в рассказе об иммунной системе состоит в ее нелинейности. Описание механизмов функционирования дыхательной системы легко ложится в линейное повествование: вдох – газообмен в легких – насыщение гемоглобина кислородом – транспортировка кислорода с током артериальной крови – газообмен в тканях – обратная транспортировка углекислого газа с током венозной крови в легкие – выдох. Описать иммунные реакции столь же строго и последовательно не получится. По ходу повествования нам придется повторяться, забегать вперед и возвращаться назад. Так что штампы из плохих детективных романов: «как мы узнаем дальше» и «не будем забегать вперед» – будут нашими спутниками на протяжении всей книги. Мы начнем с простой – схематичной – картинки и постепенно будем наполнять ее деталями и нюансами. Начнем с правил, но часто будем вспоминать, что биология – наука исключений.

Полицейский боевик – жанровое кино, для него характерен определенный набор персонажей: хороший коп, друг хорошего копа, сволочь-начальник, полицейский-предатель и так далее – всего позиций 10–12. Однако, используя этот довольно ограниченный список героев, сценаристы и режиссеры каждый год снимают десятки новых фильмов, почти не повторяясь. Мы увидим, что сходным образом поступает и наш организм, используя один и тот же ограниченный набор иммунных клеток в различных вариантах иммунного ответа.

В первой части книги мы познакомимся с главными героями и антигероями нашего полицейского кино, а во второй рассмотрим, насколько разные сценарии иммунного ответа способны разыгрывать эти персонажи в зависимости от задач, стоящих перед организмом.

Мотор… Камера… Начали!

ЧАСТЬ 1
«ГЕРОИ» И «ЗЛОДЕИ»

Глава 1
ИММУННАЯ СИСТЕМА – ВЕЗДЕ И НИГДЕ

Теплые ромовые бабы извлечь из форм, остудить и окунуть в сироп минут на 5–10, затем выложить на решетку и дать ему стечь.

Рецепт

Даже самый динамичный фильм требует введения: пока идут основные титры, зритель может не только открыть коробку с попкорном, но и понять, кто главный герой, где он находится и в чем его проблема. Так и мы, прежде чем начать углубляться в детали сюжета, совершим небольшой обзор иммунной системы «с высоты птичьего полета». У всякой науки, и у иммунологии тоже, есть свой язык, не всегда понятный непосвященным. Нам придется с ним познакомиться, если мы хотим разобраться с тем, как устроена защитная система нашего организма.

В основе представлений о человеческом организме лежат понятия «орган» и «система органов». Даже весьма далекий от биологии человек знает о существовании пищеварительной и дыхательной систем и может назвать основные органы: сердце, легкие, желудок, головной мозг и другие. Органы состоят из тканей, а ткани из клеток, но популярная физиология так глубоко обычно не копает. На клеточном уровне работу нашего организма изучают, как правило, специалисты – медики и биологи. Однако нам, для того чтобы понять природу иммунитета, придется говорить об отдельных клетках и даже молекулах.

Эта необходимость порождает проблему: как соблюсти баланс между точностью и понятностью? Научно-популярные книги рассчитаны на широкий круг читателей: от любознательных школьников до докторов наук, от людей, едва помнящих школьный курс биологии, до тех, кто посвятил десятки лет изучению науки о живом. Подробный рассказ о том, как устроена живая клетка и чем ДНК отличается от РНК, будет неинтересен последним, а отказавшись от такого разъяснения, мы оставим в недоумении первых. В этой книге я попыталась найти баланс между такими крайностями. Вся базовая биология, лежащая в основе иммунологии, вынесена в приложение, которое идет после основного текста. Если по ходу чтения книги вы обнаружите, что забыли, как устроена клетка, чем митоз отличается от мейоза, а лиганды от рецепторов и что такое третичная структура белка, – вы всегда можете обратиться к этому вспомогательному разделу (или даже начать чтение книги с него). Что до основного текста, который начинается буквально со следующего абзаца, то в нем мы сразу возьмем быка за рога, как нас к тому обязывает выбранный жанр. Принято? Поехали!

За защиту нашего организма от вторжения нежелательных «гостей» отвечают клетки иммунной системы – лейкоциты. Многообразие видов и функций этих клеток обеспечивает разнообразие и гибкость иммунного ответа. Границы между органами очевидны. Домохозяйка, разделывающая кролика или курицу, легко отличит печенку от легких, почки от желудка, но нет такого места в организме, про которое можно было бы сказать: здесь находится иммунитет. Иммунная система «пропитывает» все наше тело подобно тому, как сироп пропитывает ромовую бабу. Лейкоциты присутствуют везде: в коже, стенках кишечника, легких. Они путешествуют с током крови, но имеют и собственную транспортную сеть – лимфатические сосуды.

Можно сказать, что иммунная система диффузна и как бы растворена во всех других системах органов и тканях. Это логично, ведь ее основная задача – защита организма. Беда всегда приходит откуда не ждали, и иммунные клетки подобны бдительным патрульным из голливудских фильмов, которые по сто раз на дню проезжают по одной и той же тихой улице, чтобы на сто первый засечь на ней злоумышленника, взламывающего дверь ювелирного магазина.

Что же в таком случае представляют собой органы иммунной системы, которые мы смутно помним по картинкам в школьном учебнике? Если говорить образно, то это роддома, школы и университеты иммунных клеток. Представьте себе «Полицейскую академию», в которую новобранцев зачисляют буквально с рождения. Сначала все они отправляются в общие полицейские ясли, где с веселым гуканьем грызут погремушки, похожие на разноцветные наручники. Потом идут в садик, позже – в школу: «ботаники» отправляются в класс криминалистики, а физически развитые готовятся стать бойцами спецназа… Я думаю, вы сами можете продолжить эту метафору.

Защита организма – непростая задача, и прежде, чем иммунные клетки начнут выполнять свои функции, они должны созреть в специальных условиях. Деятельность органов иммунной системы очень важна, но лишена той драмы и азарта, которые присущи клеточному иммунитету. По этой причине мы не будем уделять им большого внимания в дальнейшем, но в этой главе скажем, пожалуй, несколько слов. В конце концов, и в полицейской истории между взрывами и погонями находится несколько минут, чтобы рассказать о детстве и юности главного героя. Так что поговорим немного и мы о детстве и юности лейкоцитов, прежде чем полностью погрузиться в их взрослую и профессиональную жизнь.

Главным органом иммунной системы у человека является костный мозг. Именно в нем из клеток-предшественников формируются клетки иммунной системы. Костный мозг также главный орган кроветворения: основные клетки крови – эритроциты, благодаря которым она имеет красный цвет, – приходятся клеткам иммунитета кем-то вроде троюродных племянников. Лейкоциты бесцветны. Эту разницу легко увидеть даже в самый простой микроскоп, и именно она легла в основу первой классификации клеток крови: их разделили на красные и белые кровяные тельца. Костный мозг выполняет много важных функций. Он не только служит роддомом и яслями для новорожденных иммунных клеток, но также дает пристанище лимфоцитам-ветеранам – так называемым клеткам памяти, которые обеспечивают повторный иммунный ответ.

Другим важным органом иммунной системы является тимус – академия для Т-лимфоцитов. О его роли мы подробнее поговорим в главе, посвященной созреванию этого типа клеток. Костный мозг и тимус ввиду их важности для формирования иммунитета называют первичными органами иммунной системы; все остальные, о которых речь пойдет ниже, являются вторичными органами.

Важную роль в поддержании иммунитета играют селезенка и аппендикс. Да-да, тот самый червеобразный отросток, воспаление которого называется аппендицитом. Еще 30 лет назад он считался бесполезным рудиментом и именно в качестве такового описывался в школьных учебниках. В 1950-е годы в США аппендикс даже профилактически удаляли новорожденным, чтобы избежать проблем во взрослом возрасте. К счастью, эту практику быстро прекратили, ведь после его удаления у детей нарушалось пищеварение, они медленнее росли и чаще болели. Эта история показывает, как опасно торопиться с выводами, объявляя что-то в организме неважным или бесполезным¹.

Однако основными вторичными органами иммунной системы и главным местом работы многих разновидностей иммунных клеток являются лимфатические узлы. Вместе с соединяющими их лимфатическими сосудами они формируют вторую транспортную систему (первая – кровеносная), по которой иммунные клетки могут быстро перемещаться в самые разные точки нашего организма. На этих путях и развилках мы еще не раз окажемся, ведь какой же экшен без старой доброй погони?

Глава 2
ТРИ КИТА – ВЕЧНЫЕ ВОПРОСЫ ИММУНОЛОГИИ

Иные утверждают, что исстари подпорою земли служили четыре кита, что один из них умер и смерть его была причиною всемирного потопа и других переворотов во вселенной; когда же умрут и остальные три, в то время наступит кончина мира.

А. Н. Афанасьев. Древо жизни

Определение иммунитета как системы биологических структур и процессов организма, обеспечивающей его защиту, должно вызвать вопросы у внимательного читателя. Разве большинство систем нашего организма нацелено не на то же? Глаза позволяют нам увидеть опасность, мозг – проанализировать ее, ноги – убежать или же, напротив, броситься в бой. Все части нашего организма так или иначе подчинены решению задачи выживания и, стало быть, защиты. Почему же иммунитет занимает среди них особое место?

Внешние враги, угрожающие нашему существованию, различаются таким важным параметром, как размер. Одни из них видимы, и в этом случае сознание и инстинкты помогают нам с ними бороться. Против других – невидимых, микроскопических – они бессильны. Тогда защиту обеспечивает иммунная система.

Русская литература веками пытается ответить на вопросы «кто виноват?» и «что делать?». Есть свои вечные вопросы и в иммунологии. Со времен Пастера мы, конечно, сильно продвинулись в их изучении, но было бы преждевременно утверждать, что полностью разобрались в том, как устроена и работает иммунная система. Каждый год приносит новые открытия, уточняющие и углубляющие наши знания.

В основе иммунного ответа лежат три действия, которые на русском языке можно обозначить эффектной аббревиатурой РВУ: распознавание, взаимодействие, уничтожение.

Первый вопрос: как распознать врага? Вспомните картинку из учебника биологии: амеба натыкается на одноклеточную водоросль или бактерию, обхватывает ее своими ложноножками, поглощает и принимается переваривать. Это фагоцитоз – древнейший способ питания и одновременно самозащиты. Запомните этот термин, он нам еще пригодится. Встретил чужого – съешь его, пока он не съел тебя. Простое и действенное правило, если речь идет об одноклеточных животных. Однако ситуация сильно усложняется, когда чужой проникает в многоклеточный организм, особенно такой сложный, как человеческий. В теле человека около 200 типов клеток различной формы и химического состава, а атакуют его миллионы вирусов, бактерий, грибов, паразитических червей. Как иммунные клетки отличают своего от чужого, как понимают, кого атаковать? Хорошо амебе: для нее враг – любая клетка, на которую она может наткнуться. Но фагоциты, защищающие тело человека, должны уметь отличать не только своих от чужих, но и больные, в том числе раковые, клетки от здоровых. Это очень непростая задача, и к ее решению иммунная система подходит чрезвычайно изобретательно.

Чужеродные молекулы, вызывающие ответ иммунной системы, называются антигенами – запомните этот термин, он регулярно будет встречаться в книге. Возможно, у вас возникнет ассоциация с генами и генетикой, однако она ошибочна. Термин расшифровывается как «порождающий антитела». Оба слова (и «ген», и «антиген») восходят к одному и тому же греческому слову génos, означающему «рождение, порождение», но общего у терминов «ген» и «антиген» не больше, чем у слов «генератор» и «гендер».

Второй вопрос: как наладить эффективное взаимодействие иммунных клеток? Один в поле не воин, и, чтобы справиться с тысячами бактерий и сотнями тысяч вирусных частиц, нужны сотни и тысячи иммунных клеток. Вспомним нашу метафору: патрульные полицейские, столкнувшись с бандой, по рации вызывают подкрепление. Иммунные клетки действуют так же. Вот только раций у них нет. Какие сигналы указывают лейкоцитам, что надо переместиться в пораженный орган?

Полицейские по-разному ведут себя с группой воришек и с бандой вооруженных грабителей. Иммунные клетки также по-разному реагируют на различные типы вторжения (подробнее мы поговорим об этом в главе, посвященной разновидностям иммунного ответа). Каким образом достигается подобное единодушие?

Третий вопрос: как выбрать средства, подходящие для уничтожения конкретного противника? Сила разрушения должна быть соразмерна опасности, которую представляет враг. Чтобы обезвредить отряд террористов, приходится применять тяжелое вооружение. Но никто не будет использовать гранатометы и огнеметы для борьбы с уличной преступностью – разрушения в этом случае будут несоизмеримы с ущербом, который причиняют городу карманники и хулиганы. В арсенале иммунных клеток, как мы увидим дальше, имеются самые разнообразные средства защиты и нападения. Однако в отличие от полиции иммунная система, как правило, пленных не берет. Все ее орудия нацелены на уничтожение врага, поэтому осмотрительность в их применении жизненно важна для организма. Аутоиммунные заболевания, которым посвящена отдельная глава, – страшный пример тех разрушений, которые может причинить телу потерявший ориентиры иммунитет.

Ответы на вечные вопросы иммунологии – как распознать? как взаимодействовать? как уничтожить? – мы будем искать на протяжении всей книги.

Глава 3
ИММУНИТЕТ – ДВУЛИКИЙ ЯНУС

– Дело в том, Саша, – сказал Роман, обращаясь ко мне, – что у нас идеальный директор. Он один в двух лицах. Есть А-Янус Полуэктович и У-Янус Полуэктович. У-Янус – это крупный ученый международного класса. Что же касается А-Януса, то это довольно обыкновенный администратор.

– Близнецы? – осторожно спросил я.

– Да нет, это один и тот же человек. Только он один в двух лицах.

А. Н. и Б. Н. Стругацкие. Понедельник начинается в субботу

В полиции работают специалисты разного профиля: следователи, криминалисты, кибер-эксперты. В иммунной системе также действует несколько типов лейкоцитов. Их можно разделить на две большие группы: клетки миелоидного происхождения и клетки лимфоидного происхождения.

Для простоты будем называть их М-клетки и Л-клетки.

М-клетки и Л-клетки происходят от одних и тех же стволовых клеток, но разделение этих двух клеточных линий происходит очень рано, еще в яслях, роль которых играет костный мозг. К клеткам миелоидного происхождения относятся макрофаги, дендритные клетки, нейтрофилы, тучные клетки, эозинофилы и базофилы. К клеткам лимфоидного происхождения относятся В-лимфоциты, Т-лимфоциты и естественные киллеры. Отношения между всеми этими клетками можно изобразить в виде своеобразного родословного древа. Но не стоит даже пытаться заучить все названия прямо сейчас – они запомнятся сами собой позднее, когда мы поближе познакомимся с этими клетками и их ролью в нашей полицейской истории.

М-клетки подобны заслуженным полицейским-универсалам, работающим по старинке; Л-клетки – молодые эксперты, блестяще решающие узкоспециальные задачи, но за их границами беспомощные, как любой обыватель. Возрастные метафоры здесь не случайны: в эволюционном смысле М-клетки древнее Л-клеток. Миелоидные клетки обеспечивают базовый, врожденный иммунитет, который в том или ином виде присущ всем многоклеточным животным. Лимфоидные клетки отвечают за более тонкие и специфические защитные реакции, получившие название приобретенного, или адаптивного, иммунитета. Однако как молодому амбициозному детективу редко удается добиться успеха без помощи пусть немного старомодного, но опытного и знающего жизнь коллеги, так и Л-клетки нуждаются в М-клетках для выполнения своих функций.

Внимательный читатель наверняка заметил, что на рисунке ветви родословного древа между зонами Л и М пересекаются. В этой части располагаются лимфоидные клетки врожденного иммунитета ILC (Innate lymphoid cells). Самые известные из них – естественные киллеры. Сочетая свойства М- и Л-клеток, лимфоидные клетки врожденного иммунитета находятся на границе двух типов иммунного ответа – врожденного и приобретенного.

Заживление ран, реакции воспаления – это самые известные проявления врожденного иммунитета, которым человек обладает с первого дня своего появления на свет. Устойчивость организма к возбудителям многих (хотя и не всех) заболеваний при повторной встрече с ними и защитный эффект вакцин обусловлены системой приобретенного иммунитета.

Своей «двуликостью» иммунитет напоминает римского бога Януса, охранявшего дома от непрошеных гостей. Уверена, что, если бы древним римлянам была известна концепция иммунитета, именно Янус стал бы покровителем защитных сил организма. У римского бога суровое и гордое лицо патриция. Но лично я придала бы ему черты двух основоположников клеточной и молекулярной иммунологии – Ильи Ильича Мечникова и Пауля Эрлиха, чьи имена навечно соединены в истории науки Нобелевской премией за 1908 год.

Оба этих ученых были настоящими универсалами, какие редко встречаются в современной науке, ставшей полем деятельности узких специалистов. Мечников много занимался инфекционными заболеваниями и теорией старения. В конце XIX века он основал в Одессе первую в Российской империи бактериологическую станцию для борьбы с инфекционными заболеваниями (здание на улице Льва Толстого сохранилось до наших дней). Эрлих помимо иммунологии занимался изучением злокачественных опухолей и способов лечения инфекционных заболеваний с помощью химических веществ. Именно в его лаборатории был изобретен сальварсан – первое эффективное лекарство против сифилиса, бывшего тогда страшной, неизлечимой болезнью. Однако в историю иммунологии Мечников и Эрлих вошли прежде всего как ученые, описавшие две стороны защитной системы нашего организма. Илья Мечников открыл фагоцитоз – важнейший из инструментов врожденного иммунного ответа, Пауль Эрлих заложил основы представлений о взаимодействии антигенов и антител, которые необходимы для реализации адаптивного иммунитета. О работах Эрлиха подробнее будет рассказано в главе, посвященной антителам, мы же пока остановимся на открытиях, сделанных нашим соотечественником.

Мечников начал свои исследования с детского вопроса: куда исчезают занозы? Каждому из нас случалось загнать под кожу острую щепку. Иногда ее удается вытащить, но частенько она так и остается под кожей. Это место болит несколько дней, а потом заноза словно растворяется и перестает беспокоить. Мечников решил в деталях изучить процесс избавления организма от инородного тела. Но как наблюдать за происходящим, если кожа не прозрачна? Ученый понимал, что защитные силы организма необходимо изучать непосредственно в живом объекте, мертвые ткани для этого не годятся. Он предположил, что подобные защитные механизмы существуют не только у человека, но и у других, более простых животных.

Первым объектом его исследования стали личинки морских звезд, похожие на крошечные стеклянные игрушки. Мечников осторожно втыкал в них шипы розы, а потом в микроскоп следил за тем, что происходит в ране. Уже через несколько минут после повреждения вокруг деревянного острия, словно привлеченные каким-то сигналом, начинали собираться подвижные клетки, похожие на амеб. Они облепляли кусочек дерева, и если он был не слишком большим, то спустя несколько часов от него не оставалось и следа – рана заживала. Так Мечников показал, что в организме животных есть клетки, пожирающие чужеродные частицы. Процесс захвата и переваривания таких частиц он назвал фагоцитозом (от греч. φαγεῖν – пожирать и κύτος – клетка), а сами клетки – фагоцитами.

Это открытие было интересным и важным само по себе, но Мечников предвидел, что значение его может далеко выходить за пределы «прикладного занозоведения». Как врача и ученого его беспокоила проблема инфекционных заболеваний. До открытия антибиотиков оставалось еще несколько десятилетий, и медицина пока мало чем могла помочь больным. За примерами можно было далеко не ходить: первая жена ученого умерла от туберкулеза совсем молодой женщиной. Мечников был в таком отчаянии, что пытался покончить с собой. К счастью для человечества, эта попытка не увенчалась успехом.

Инфекционные заболевания – туберкулез, холера, дифтерия – несли страдания и смерть. Однако Мечников-врач знал, что даже во время самых лютых эпидемий некоторые люди болели легко или не заболевали вовсе. Возможно, открытые им клетки-защитники способны уничтожать не только кусочки дерева, но и микробов? Но как это выяснить? Тут на помощь ученому пришел другой микроскопический обитатель наших водоемов – прозрачный рачок дафния. Он хорошо известен аквариумистам, которые часто разводят дафний на корм рыбам. Эти крохотные ракообразные часто страдают от грибковых инфекций – микозов. Прорастая внутри тела дафнии из спор, грибок убивает животное. Но обязателен ли подобный исход? Видимо, нет, иначе все дафнии давно вымерли бы. Мечников поставил виртуозный эксперимент: он заражал здоровых рачков спорами грибов, а затем под микроскопом наблюдал за тем, что происходит у них в теле. Ученый увидел, что, как и в случае с занозами, споры тут же оказывались атакованными клетками-фагоцитами. Дальнейший ход событий зависел от численности тех и других. Если спор было мало, то фагоциты расправлялись с ними, и дафнии не заболевали. Если же спор было слишком много, то фагоцитов оказывалось недостаточно, чтобы противостоять инфекции, споры прорастали, и рачок погибал. Так была впервые показана роль клеток врожденного иммунитета в защите многоклеточных организмов.

Сегодня мы точно знаем, что именно врожденный иммунитет является первичной защитной системой нашего организма. В том или ином виде он существует у всех многоклеточных животных. Система же приобретенного иммунитета появляется только у позвоночных и является своего рода эволюционной надстройкой над более древними защитными механизмами. Как мы увидим дальше, лимфоциты (Л-клетки) нуждаются в помощи миелоидных клеток и адаптивный иммунитет мало на что способен при повреждении врожденного.

Впрочем, в развитии науки присутствует своя логика, не обязательно совпадающая с логикой эволюционной. Так уж получилось, что на протяжении почти всего XX века открытия Мечникова оставались в тени открытий Эрлиха и его последователей, изучавших адаптивный, то есть приобретенный, иммунитет. Лишь в 2011 году, спустя более чем 100 лет, результаты исследований механизмов врожденного иммунитета вновь привлекли внимание Нобелевского комитета. (Для сравнения: к этому времени было вручено уже по меньшей мере десяток Нобелевских премий за открытия в области иммунитета приобретенного.)

Однако мы в этой книге будем следовать именно биологической, эволюционной логике. Мы начнем наш разговор об иммунитете с рассмотрения наиболее древних механизмов защиты и попытаемся понять, как именно клетки-фагоциты решают три главные иммунологические задачи: распознавание, взаимодействие, уничтожение.

Глава 4
СКАНДАЛЬНЫЙ НОБЕЛЬ

Никогда не скрывал, что академическая наука – клубок друзей и серпентарий единомышленников!

Из бурной дискуссии в интернете

Осень 2011 года в научном сообществе выдалась жаркой, даже можно сказать – скандальной. Едва только Нобелевский комитет объявил имена лауреатов по физиологии и медицине, как в кругах ученых-иммунологов началось настоящее брожение. Нет, важности самого открытия и заслуг Брюса Бётлера и Жюля Офмана² никто не отрицал, но в дискуссиях постоянно упоминались имена других исследователей, внесших не менее важный вклад в изучение механизмов врожденного иммунитета. Чаще других называли Чарльза Джейнуэя и Руслана Меджитова. Дошло до того, что группа ученых опубликовала в престижнейшем научном журнале Nature статью о допущенной несправедливости. Голоса в защиту Джейнуэя и Меджитова подняли не какие-то озлобленные неудачники, а самые видные специалисты в области иммунологии. Одним из них был Джеймс Эллисон, который сам несколько лет спустя получил Нобелевскую премию за открытие нового типа иммунотерапии злокачественных опухолей (подробнее о его работе мы поговорим в главе, посвященной раку).

Нобелевский комитет, однако, своего решения не изменил, и Руслан Меджитов (Джейнуэй к тому времени уже умер) Нобелевскую премию так и не получил. Но он узнал, как высоко ценят его собратья-ученые и что они готовы сражаться за признание его заслуг – а это, возможно, даже важнее, чем премия. Такая солидарность в ревнивом мире академической науки встречается редко.

Так что же нового удалось узнать ученым за 100 лет, прошедших после открытия Мечникова, и кто из них на самом деле заслуживал Нобелевскую премию? Я постараюсь ответить на первый вопрос, а что до ответа на второй – решайте сами.

Как было сказано выше, в начале и середине XX века все внимание иммунологов было сосредоточенно на клетках приобретенного иммунитета – лимфоцитах. Но постепенно ученые стали догадываться, что адаптивный иммунный ответ совсем не так самодостаточен, как им казалось раньше. Более того, подавляющее количество многоклеточных животных (в том числе, например, такая многочисленная группа, как насекомые) не имеет его вовсе, однако при этом они как-то справляются с инфекциями. Врожденный иммунитет оказался важнее, чем о нем думали. Перед учеными со всей очевидностью встал один из ключевых вопросов иммунологии: каким образом клетки человека, синтезирующие максимум 20–30 тысяч белков, способны распознавать миллионы антигенов вирусов и бактерий?

Для адаптивного иммунитета ответ на этот вопрос был уже известен: распознавание множества вариантов чужеродных молекул связано с генетически обусловленными перестройками в антигенраспознающих рецепторах Т- и В-клеток. Высокая вариабельность генов этих рецепторов и хитроумные перестройки генного локуса позволяют лимфоцитам синтезировать миллионы разнообразных рецепторов, способных распознавать миллионы чужеродных белков. Ничего похожего в клетках врожденного иммунитета не наблюдается, да и созревание миелоидных клеток идет совсем по другому пути, чем созревание лимфоцитов. А между тем рецепторы клеток врожденного иммунитета, как и любые белки, должны быть закодированы генетически. Но как закодировать распознавание миллионов разных микроорганизмов, которые еще и постоянно изменяются? На это нашего генома просто не хватит!

Между тем фагоциты определенно реагировали на присутствие чужеродных молекул. Так, было известно, что некоторые компоненты микробов, например липополисахарид (ЛПС) из клеточной стенки грамотрицательных бактерий, активируют макрофаги, индуцируя секрецию воспалительных цитокинов, и стимулируют деление В-клеток. Но как?

Эта проблема не давала покоя иммунологу Чарльзу Джейнуэю. В 1989 году он опубликовал статью, в которой раскритиковал современную науку за то, что она направляет все внимание на частности, уклоняясь от действительно фундаментальных вопросов, и предложил собственную теорию врожденного иммунного ответа. Согласно теории Джейнуэя, клетки врожденного иммунитета реагируют на общие сигналы о присутствии чужого – он назвал их образами или паттернами патогенности. В этом их отличие от клеток адаптивного иммунитета, нацеленных на распознавание всего одного или нескольких очень похожих антигенов.

Что имеется в виду? Покинем ненадолго сложный микромир и попытаемся понять идею Дженуэя, используя бытовую аналогию. Предположим, вы выстраиваете систему безопасности вокруг дома, стоящего в густом лесу. Из леса могут прийти волки и медведи, и вы хотите, чтобы система отпугивала их громкими звуками и световыми вспышками. При этом вам совершенно не хочется просыпаться всякий раз, когда в огород проберется мышь или заяц. Стало быть, систему нужно правильно настроить, и тут возможны два подхода. Можно, установив множество скрытых камер, научить систему распознавать конкретных животных и реагировать только в том случае, если в поле зрения камеры появится волк или медведь. Так реагирует адаптивная система, распознавая конкретные молекулы антигенов. Но можно поступить иначе и настроить систему так, чтобы она срабатывала на любой объект размером больше зайца. Второй подход гораздо легче реализовать, хотя у него есть свои издержки: время от времени система будет пугать безобидных косуль или соседа, который решил заглянуть к вам на огонек. Именно так – приблизительно – работает врожденный иммунитет.

Возьмем уже упоминавшийся выше ЛПС. В человеческом организме данная молекула не синтезируется, зато ее производит огромное количество бактерий. Если клетка врожденного иммунитета может распознавать это вещество, то она способна распознать множество болезнетворных бактерий. Ей нет необходимости иметь миллионы рецепторов для миллионов разных молекул, которые могут синтезировать все эти бактерии. Достаточно одного-единственного – распознающего ключевую для всех этих микроорганизмов молекулу. Вот такие молекулы, по мысли Джейнуэя, и были теми самыми образами патогенности, которые распознавались клетками врожденного иммунитета. А поскольку каждый такой образ характерен сразу для целой группы патогенов (в случае с ЛПС это все грамотрицательные бактерии³), то в конечном счете и рецепторов к ним требуется не так уж много. Не миллионы, а всего лишь десятки.

Коллеги приняли гипотезу Джейнуэя благожелательно, но без восторга. Генетическая инженерия и молекулярная биология в то время делали еще только первые шаги, возможности их были ограниченны. Как найти потенциальные рецепторы к паттернам патогенности среди тысяч белков, которые присутствуют на поверхности иммунных клеток? Ответа на этот вопрос у Джейнуэя не было, и несколько лет его гипотеза оставалась лишь смелой, но ничем не подтвержденной догадкой.

Глава 5
РЕЦЕПТОРЫ, ПОДОБНЫЕ TOLL

Das war ja toll! (Вот это класс!)

Кристиана Нюсляйн-Фольхард

В то время как в США Джейнуэй ломал голову над загадками врожденного иммунного ответа, за океаном, в Европе, немецкая исследовательница Кристиана Нюсляйн-Фольхард изучала различные мутации у плодовой мушки дрозофилы – излюбленного объекта генетиков еще с начала XX века. В 1985 году среди личинок-мутантов она обнаружила нескольких с недоразвитым брюшком. Кристиана отреагировала на открытие, эмоционально воскликнув: «Das war ja toll!» Именно этим словом «toll» (классный, удивительный) был позднее назван ген, мутация в котором так странно нарушала развитие личинки. В 1995 году Кристиана Нюсляйн-Фольхард была награждена Нобелевской премией за открытие генетических механизмов контроля эмбриогенеза.

Где иммунитет, а где эмбриогенез? Но в организме редкий ген и редкий белок выполняют всего лишь одну функцию. Молекулярная жизнь клетки полна неочевидных, но важных связей и взаимодействий. Вскоре выяснилось, что ген Toll важен не только для эмбрионального развития мушек. Оказалось, что он играет важную роль и в жизни взрослых насекомых. В 1996 году французский исследователь Жюль Офман опубликовал статью, в которой говорилось о том, что сигнальный путь толл-рецептора необходим для защиты дрозофилы от грибковых инфекций. Мушки, имевшие мутации в этом гене, погибали от грибка, в то время как обычные мухи были к нему практически нечувствительны.

Это неожиданное открытие оказалось той последней подсказкой, которую так долго ждал Руслан Меджитов. Молодой ученый прочитал статью Джейнуэя, еще будучи аспирантом МГУ, и идея существования паттернов патогенности настолько захватила его, что он поставил себе цель попасть в лабораторию своего кумира. Когда появилась статья Офмана, Меджитов уже несколько лет работал с Джейнуэем, изучая последовательности генов и кодируемых ими белков, чтобы вычислить первый рецептор врожденного иммунного ответа в геноме человека. Здесь мы сделаем небольшое отступление и поговорим о методах биоинформатики, помогающих ученым предсказывать свойства малоизученных белков и генов, которые их кодируют.

Одним из важнейших событий в биологии ХХ века стало открытие генетического кода – системы правил, по которым последовательность нуклеотидов в ДНК (гене) определяет последовательность аминокислотных остатков в кодируемом ею белке. Другим важным событием было осознание того, что последовательность аминокислотных остатков в белке определяет его структуру, а структура, в свою очередь, определяет функцию.

Классическим примером системы «последовательность – структура – функция» является белок гемоглобин, связывающий молекулы кислорода и углекислого газа и осуществляющий их транспорт в нашем организме. Эта функция гемоглобина определяется несколькими остатками аминокислоты гистидина, которые формируют так называемый активный центр белка. Если заменить один из этих гистидинов на остаток какой-то другой аминокислоты, такая молекула не сможет эффективно связывать кислород. Почему именно гистидин? В его состав входит поляризованный атом азота, способный удерживать гем – сложную небелковую молекулу, содержащую атом железа, собственно и связывающий кислород. Однако важен не только химический состав, но и взаимное расположение в пространстве. Остатки гистидина должны находиться на определенном расстоянии друг от друга и под определенными углами. Правильное взаимное расположение обеспечивается стабильностью укладки основных строительных блоков данного белка, которые носят название альфа-спиралей. В свою очередь, эти структуры формируются благодаря чередованию разных типов аминокислот: гидрофильных – любящих воду и гидрофобных – боящихся воды. Таким образом, зная лишь последовательность аминокислот в гемоглобине, мы можем уже довольно много сказать об этом белке. Также вышесказанное позволяет предположить, что гены, обладающие сходными последовательностями, часто кодируют белки с похожими структурами и функциями. Это теоретическое допущение на сегодняшний день имеет множество прямых экспериментальных подтверждений.

Почему это так важно? Дело в том, что прямое определение функции белка и его пространственной структуры продолжает оставаться весьма непростой задачей даже в наши дни. По оценкам ученых, в геноме человека содержится порядка 20 000 генов, кодирующих белки. Но более или менее мы понимаем функции лишь 5000 из них. Что же говорить тогда о миллионах генов, кодирующих белки разных бактерий?

Однако в 1990-х годах определение последовательности генов стало довольно рутинной операцией. Многие тысячи их были уже собраны в первые базы данных – прообразы гигантских биоинформатических хранилищ нашего времени. Специальные программы позволяли сравнивать последовательности генов между собой и находить сходные. Узнав об открытии Офмана, Руслан Меджитов решил искать иголку в стоге сена – проверить, а нет ли среди уже известных человеческих генов похожего на Toll дрозофилы. Конечно, человека и дрозофилу разделяет огромная эволюционная дистанция, но ученые уже знали, что определенные белки, например гистоны, связывающие ДНК в ядре, очень консервативны во всех живых организмах. Возможно, белки иммунной системы также сходны у всех многоклеточных? Во всяком случае, смысл в этих поисках был.

Кто ищет, тот всегда найдет? В науке – отнюдь. Но Меджитову повезло. Он обнаружил в базе данных ДНК последовательность, кодирующую белок, который имел сходство с толл-рецептором дрозофилы. Теперь этот белок известен как толл-подобный рецептор 4 (TLR4). Сходство последовательностей позволяло предположить, что этот белок играет важную роль в защите организма, но само по себе доказательством не являлось. В конце концов, за миллионы лет эволюции, лежащих между человеком и дрозофилой, он мог приобрести другие функции. Чтобы доказать, что этот ген и впрямь вовлечен в иммунный ответ, был необходим эксперимент. На основе исходного гена TLR4 Руслан Меджитов сконструировал искусственный ген, кодирующий мутантный рецептор, который постоянно находится в активном состоянии (природный лиганд, активирующий TLR4, тогда еще не был известен). Мутантный TLR4 поместили в клетки, используя методы генной инженерии, и затем проверили, как отличается активность этих клеток от активности клеток, не подвергшихся генетической трансформации. Оказалось, что гиперактивация сигнальных путей, зависимых от TLR4-рецептора, ведет к усилению производства костимулирующей молекулы В7 и воспалительных цитокинов, необходимых для активации Т-лимфоцитов. Эксперименты Меджитова доказали существование у позвоночных паттерн-распознающих рецепторов, активация которых приводит к инициации адаптивного иммунного ответа. Основное положение теории Джейнуэя было подтверждено. Позже Брюс Бётлер с коллегами показали, что именно рецептор TLR4 связывает липополисахарид клеточных стенок грамотрицательных бактерий.

(На всякий случай напоминаю, что, если термины «лиганды», «рецепторы» и «сигнальные пути», с которыми мы впервые встретились в этой главе, вводят вас в ступор, вы можете обратиться к соответствующим разделам приложения. Разберитесь в этих понятиях сейчас, ведь они еще не раз встретятся в книге. К сожалению, молекулярные механизмы взаимодействия клеток практически не затрагиваются школьным курсом биологии, но в разговоре об иммунной системе без них не обойтись.)

Чарльз Джейнуэй скончался от рака в 2003 году. Жюль Офман и Брюс Бётлер получили Нобелевскую премию в 2011-м. Руслан Меджитов ее так и не получил. Честно говоря, я вполне разделяю негодование Эллисона и других иммунологов. На мой взгляд, вклад Руслана Меджитова в открытие механизмов распознавания во врожденном иммунитете не меньше, чем вклад Офмана и Бётлера. А главное, я в принципе не понимаю, зачем Нобелевскому комитету понадобилась упихивать в одну премию открытие роли толл-подобных рецепторов в клетках врожденного иммунитета и открытие дендритных клеток адаптивного иммунитета. Каждый из этих научных прорывов заслуживал отдельной премии. Однако история не знает сослагательного наклонения, и в итоге получилось то, что получилось: поучительная и немного грустная история о том, что вклад в науку и его признание – это все еще разные вещи. Или же, если хотите, наоборот: поучительная и оптимистичная история о том, что подлинный научный авторитет не зависит от чинов, наград и воли какого-либо комитета, хотя бы даже и Нобелевского.

Изучение толл-подобных рецепторов продолжается и по сей день. Вот что мы знаем о них сегодня. У человека их 10, а, например, у мыши 12, так что врожденный иммунитет у мыши и человека немного различается. Несмотря на общее сходство, толл-подобные рецепторы способны распознавать самые разные чужеродные молекулы: фрагменты ДНК бактерий и РНК вирусов, белки жгутиков бактерий (флагеллин), фрагменты клеточной стенки грибов (зимозан) и многие другие. Также эти рецепторы распознают молекулы, сигнализирующие о проблемах в наших собственных клетках, например белки теплового шока. Как мы увидим дальше, врожденный иммунитет играет важную роль не только в уничтожении чужеродных биологических объектов, но и в очистке организма от старых, больных и раковых клеток. Белки теплового шока и другие подобные им молекулы позволяют клеткам врожденного иммунитета отличать неполноценные клетки от здоровых, нормально функционирующих. Этой стороне иммунного ответа будет посвящена следующая глава.

Глава 6
РЕЦЕПТОРЫ К ЧУЖОМУ… И СВОЕМУ…

…Предоставь мертвым

погребать своих мертвецов.

Евангелие от Луки

После описания первых толл-подобных рецепторов в иммунологии словно плотину прорвало. В следующие 20 лет было открыто множество рецепторов, отвечающих за распознавание во врожденном иммунитете. Некоторые из них имеет смысл рассмотреть особенно внимательно, так это прольет свет на еще одну важную функцию, которую они выполняют. Как мы уже говорили, клетки врожденного иммунитета, особенно макрофаги, – это не только полицейские, но также мусорщики и даже могильщики в нашем организме. Они защищают его не только от внешних врагов, но и от неизбежных внутренних поломок.

Вы наверняка слышали о том, что клетки нашего тела полностью обновляются за семь лет. Это утверждение, конечно, пример не слишком корректного упрощения, но не будем пока к нему придираться. Лучше зададимся вопросом: куда деваются старые клетки, когда им на смену приходят новые? В учебниках на этот счет пишут, что старые клетки погибают и новые занимают их место, однако это мало что объясняет. Мертвая органика, будь то целое тело или отдельная клетка, занимает место, гниет, разлагается, становится питательной средой для разных микроорганизмов. Трупные яды – отрава для живого. История человеческой цивилизации с тех пор, как она стала оседлой, – это история решения похоронного вопроса.

Уже у первобытных людей были специальные места для погребения и ритуалы, решавшие важную для выживания задачу: сделать так, чтобы мертвые не становились опасными для живых. С этим, вероятно, связано и требование многих древних религий хоронить умерших до захода солнца. Любой многоклеточный организм в этом смысле похож на город-миллионник – ему приходится решать те же проблемы утилизации умерших. Как же именно он это делает?

Прежде чем ответить на этот вопрос, имеет смысл уточнить, что смерть клеток, как и смерть людей, бывает естественной и насильственной. Полиция должна присутствовать в обоих случаях. В первом она лишь составляет протокол и выражает дежурное соболезнование близким, но во втором реагирует иначе. Тут уже дело не ограничивается прибытием пары дежурных полицейских – на вызов выезжают сотрудники «убойного отдела», эксперты-криминалисты, выставляется оцепление, начинается поиск и опрос свидетелей. Иммунной системе также нет смысла запускать иммунный ответ на полную катушку, когда в этом нет необходимости. Поэтому клетки врожденного иммунитета по-разному реагируют на естественную смерть клеток от старости и насильственную их гибель в результате механического повреждения, вирусной атаки и тому подобных инцидентов.

Естественная запрограммированная гибель клеток называется апоптозом. Старые клетки совершают что-то вроде самоубийства – молекулярного харакири. В результате внутри них высвобождаются ферменты, похожие на те, которые в нашем пищеварительном тракте помогают переваривать пищу. Клетка в буквальном смысле сама себя переваривает. В конце концов от нее остается лишь несколько небольших пузырьков – апоптотических телец, ограниченных остатками плазматической мембраны. Апоптоз, таким образом, проходит очень аккуратно, и содержимое отмершей клетки не попадает во внеклеточную среду. Специальные молекулы, присутствующие на поверхности апоптотических телец, оставшихся от клеток, умерших естественной смертью, указывают на то, что тельца должны быть утилизированы. Этот тип химических сигналов в научной литературе так и называется – «съешь меня». Его посылает, например, фосфатидилсерин. В норме этот фосфолипид находится во внутреннем слое клеточной мембраны (если вы не помните, что клеточная мембрана двухслойная, – приложение в помощь). В клетках, подвергшихся апоптозу, он переходит в наружный слой и становится сигналом «съешь меня» для множества рецепторов клеток врожденного иммунитета. Фагоциты, главным образом макрофаги, реагируют на эти сигналы и «подъедают» апоптотические тельца, освобождая пространство для новых клеток. Однако делают они это в штатном режиме, не запуская тревожной – воспалительной – реакции. В результате постоянное естественное обновление нашего организма проходит тихо и безболезненно.

Совсем по-другому разворачиваются события, если смерть клетки сопровождается некрозом – разрывом мембраны и выбросом клеточного содержимого во внеклеточное пространство.

Как в этом случае макрофаг распознает поврежденную клетку? Паттерны патогенности здесь не работают, ведь отмершие и разрушенные клетки состоят из тех же молекул, что и здоровые. Сигнальные молекулы типа «съешь меня» зачастую отсутствуют. В этом случае в действие вступают «сигналы о разрушении» (danger signaling), предупреждающие иммунную систему о том, что что-то пошло не так.

Наиболее универсальной «черной меткой» клеточного разрушения являются свободные молекулы ДНК. В норме ДНК всегда находится не просто внутри клетки, а внутри органелл – ядра и митохондрий. Появление ДНК в цитоплазме клетки и тем более во внеклеточном пространстве – это всегда сигнал бедствия, который активирует иммунную систему. Именно этот сигнальный путь (хотя, конечно, не он один) запускает бурную воспалительную реакцию в ране при насильственной гибели клеток. Всем известны признаки воспаления: отек, покраснение, боль, повышение температуры… Это так не похоже на «тихую смерть» от апоптоза.

Свободную ДНК узнают уже знакомые нам толл-подобные рецепторы, например TLR9. Но есть у клеток и другие механизмы распознавания этой молекулы. Один из них связан с активацией белка сGAS-STING (аббревиатура STING расшифровывается как Stimulator of interferon genes – стимулятор интерфероновых генов). Она приводит к тому, что клетки начинают интенсивно производить ключевые воспалительные молекулы – интерфероны (подробнее о них дальше). Тут-то уже иммунный ответ разворачивается по полной…

Перечисленные группы рецепторов отнюдь не исчерпывают всех возможностей клеток врожденного иммунитета реагировать на появление патогенов. О других путях активации врожденного иммунитета, связанных с так называемыми Fc-рецепторами, мы поговорим дальше – в главе, посвященной взаимодействию клеток врожденного и адаптивного иммунитета.

Познакомившись с тем, как клетки врожденного иммунитета отвечают на вызов «распознать», мы переходим к вопросу об их боевом арсенале. У дежурного полицейского есть пистолет и наручники, в распоряжении сил специального назначения имеются автоматы и вертолеты. А что с иммунными клетками?

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 8⁴
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 месте⁵.

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.

Глава 10
ЦИТОКИНЫ – МОЛЕКУЛЫ НА ВСЕ СЛУЧАИ ЖИЗНИ

Интерференция (физика) – взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга.

Википедия

В 1957 году вирусологи англичанин Алик Айзекс и швейцарец Жан Линдеман, сотрудники Национального института медицинских исследований в Лондоне, столкнулись с непонятным явлением: часть мышей в группе, которую они заражали определенным вирусом, не заболевали. Мыши были из одной генетической линии, так что данный эффект невозможно объяснить различающимися комбинациями генов, которые определяют неодинаковую чувствительность к патогенам в диких популяциях животных.

Поиски причин устойчивости части мышей к данному вирусу показали, что на тот момент животные уже были носителями другой вирусной инфекции. Так выяснилось, что в организме мышей (и других млекопитающих, включая человека) присутствие одного вируса препятствует размножению другого. Явление антагонизма вирусов было названо интерференцией (от англ. interference – помеха, препятствие). Последующие наблюдения уточнили наши знания об этом эффекте. Так, оказалось, что, для того чтобы интерференция проявилась в полной мере, оба вируса должны попасть в организм практически одновременно или, во всяком случае, с интервалом не более 24 часа.

Позже было установлено, что такой антагонизм вирусов связан с активностью особой группы белков, которые, недолго думая, назвали интерферонами (IFN). Различают несколько вариантов интерферонов: альфа, бета и гамма. Помните систему распознавания ДНК cGAS-STING, о которой мы говорили в главе, посвященной распознанию «своего» и «чужого»? Именно она и похожие на нее системы запускают синтез интерферонов в зоне воспаления, а интерфероны, в свою очередь, запускают антивирусный ответ. Кроме того, интерфероновый сигнал делает клетки более устойчивыми к проникновению вирусных частиц. Именно поэтому в случае введения двух и более вирусов с небольшим интервалом срабатывает правило «кто первый встал, того и тапки». Первый вирус, пробравшийся в организм, пока иммунитет еще «спит», успевает захватить сколько-то здоровых клеток. Однако при этом он запускает «интерфероновую сигнализацию» и тем самым лишает своих опоздавших товарищей шанса попасть в клетки, поскольку иммунная система теперь настороже.

Открытие интерферонов в 1957 году стало «первой ласточкой» нового направления иммунологии, изучающего взаимодействия иммунных клеток. В последующие десятилетия было обнаружено множество других белков, влияющих на активность иммунных клеток. Эти белки структурой и функциями немного отличаются от интерферонов, и в 2019 году для них было предложено новое объединяющее название – интерлейкины. Краткое имя интерлейкина записывается как IL плюс номер, например IL10 – интерлейкин 10.

Интерлейкины и интерфероны – две самые большие группы иммунных белков-посредников, цитокинов, хотя к ним относятся и некоторые белки из других классов, например TNF и TGFB. Сегодня известно около сотни цитокинов, однако в рамках данной книги мы постараемся ограничиться упоминанием лишь десятка наиболее изученных молекул, играющих критическую роль в формировании тех или иных иммунных реакций.

До сих пор мы говорили лишь об одной роли цитокинов – их участии в активации иммунных клеток и иммунного ответа. Но в войне с микробами, как и в любой другой, важно не только быстро начать, но и вовремя остановиться. Иммунитет необходимо не только активировать, но и обуздывать. Впрочем, это же относится практически ко всем биологическим функциям, ведь наше тело стремится поддерживать гомеостаз – постоянство своей внутренней среды. Этот термин предложил американский физиолог Уолтер Кеннон в 1932 году в книге «Мудрость тела» (The Wisdom of the Body). Для того чтобы добиться этого постоянства, организм использует регуляторные системы, основанные на принципе отрицательной обратной связи.

Классический пример – регуляция уровня сахара в крови с помощью двух гормонов-антагонистов: инсулина и глюкагона. У здорового человека уровень сахара составляет 3,6–5,8 ммоль/л, и, пока он соответствует этим значениям, все в порядке. Углеводы присутствуют в крови не просто так. Глюкоза нам необходима и постоянно расходуется, уровень сахара снижается. К счастью, у организма есть резервы, чтобы его восполнить. Углеводы запасаются в печени. Когда уровень сахара снижается, поджелудочная железа начинает выделять гормон глюкагон. Он посылает клеткам печени сигнал перестать запасать глюкозу и начать понемногу выпускать ее назад в кровь, и уровень сахара возвращается в норму. Именно этот механизм позволяет нам «продержаться» в паузах между приемами пищи. Но вот мы пообедали, и уровень сахара в крови буквально за несколько минут резко поднялся, а это по многим причинам тоже нехорошо. Высокий уровень сахара служит сигналом для синтеза другого гормона – инсулина. Инсулин дает команду клеткам печени начать запасать глюкозу «на черный день». Клетки печени выбирают излишки углеводов из крови – баланс восстанавливается.

Аналогичная система сдержек и противовесов существует и в цитокиновой регуляции иммунного ответа. Все цитокины можно условно разделить на две группы: воспалительные (например, интерлейкины 1, 2, 12, TNF, интерферон-γ) и противовоспалительные (такие как интерлейкин 10, TGFB). Первые активируют иммунный ответ, вторые его тормозят. (На этом самом месте коллеги-иммунологи имеют полное право выразить негодование и назвать подобное описание неоправданным упрощением. Спокойствие, только спокойствие! Позже мы добавим деталей в эту и впрямь несколько схематичную картину. Пока нам важнее уловить принцип.)

Представьте себе активность иммунной системы в виде костра, разожженного туристами в лесу. Чтобы заставить его гореть ярче, льют жидкость для розжига, чтобы пригасить, используют воду – и таким образом поддерживают интенсивность пламени на нужном уровне.

Примерно так же уравновешивают друг друга воспалительные и противовоспалительные цитокины. Если баланс между ними нарушается в пользу противовоспалительных цитокинов, развивается иммунодефицит – иммунный ответ оказывается подавлен, и организм становится необыкновенно чувствителен к любой инфекции. Это довольно опасное состояние, но иногда в него вводят специально. Например, пациенты после пересадки органов должны еще несколько лет принимать специальные препараты, снижающие иммунный ответ, чтобы избежать отторжения чужеродной ткани. Если же баланс нарушается в противоположную сторону, может развиться цитокиновый шторм. В первом приближении его можно рассматривать как «приступ помешательства» у иммунных клеток, когда они одновременно получают слишком много активирующих сигналов.

Представьте себе полицейского, которому во время захвата опасных преступников одно начальство приказывает: «Немедленно вперед!», другое: «Прячься и выжидай!», а третье: «Стреляй!» Человек, обладая свободой воли, еще может как-то выкрутиться, проигнорировав часть противоречивых указаний. Но химическая природа сигналов, которыми обмениваются клетки иммунной системы, исключает подобный вариант. В этом случае иммунные клетки буквально «идут вразнос», производя все больше и больше активных молекул. Цитокиновый шторм – когда ничем не сдерживаемые лейкоциты производят цитокины, побуждающие производить еще больше цитокинов, – это пример положительной обратной связи. Впрочем, слово «положительная» пусть не вводит вас в заблуждение, поскольку ничего хорошего эта связь организму в данном случае не сулит. Именно с разрушениями, которые несет цитокиновый шторм, связана большая часть осложнений и смертей при коронавирусной инфекции.

Цитокиновый шторм – смертельно опасное состояние, приводящее к быстрому отказу многих внутренних органов. Всякий раз, когда меня спрашивают, как усилить иммунный ответ, я рассказываю об этом явлении и пытаюсь донести до слушателя простую мысль: иммунный ответ не должен быть слабым, не должен быть сильным – он должен быть прежде всего адекватным. Взаимодействие элементов иммунной системы, реализуемое с помощью цитокинов, служит именно этой цели. Всякий раз, когда в книге будет возникать тема взаимодействия иммунных клеток, мы снова и снова будем вспоминать об этих молекулах.

«Общение» с помощью цитокинов и хемокинов появилось еще на уровне древнего, врожденного иммунитета, однако более молодая с эволюционной точки зрения система адаптивного иммунитета также взяла ее на вооружение. И хотя у узких специалистов, какими являются В- и Т-лимфоциты, есть свои особенные цитокины и хемокины, в основном они используют те же сигнальные молекулы, что и фагоциты. Это обеспечивает согласованность действий самых разных типов клеток во время иммунного ответа.

Глава 11
ТИПИЧНЫЕ ФАГОЦИТЫ

 
Робин-Бобин
Кое-как
Подкрепился
Натощак:
Съел теленка утром рано,
Двух овечек и барана,
Съел корову целиком
И прилавок с мясником,
Сотню жаворонков в тесте
И коня с телегой вместе,
Пять церквей и колоколен –
Да еще и недоволен!
 

Английская песенка в переводе С. Я. Маршака

Фагоциты – клетки, способные к фагоцитозу (захвату и поглощению частиц), – основа врожденного иммунитета. Они те самые «старые и опытные копы», которые уже сотни миллионов лет защищают многоклеточные организмы от непрошеных вторжений. В этой книге мы говорим об иммунной системе человека, но важно понимать, что млекопитающие, и даже шире – позвоночные животные, отнюдь не первые, кому понадобилась защита. От инфекций страдают и беспозвоночные: моллюски, насекомые, ракообразные. Опытный пасечник может часами рассказывать о болезнях пчел, а ведь это лишь один вид насекомых из миллионов. Именно фагоциты, как показал И. И. Мечников, выступают первой линией иммунной защиты у многоклеточных организмов.

Две самые распространенные и наиболее хорошо изученные разновидности фагоцитов в человеческом организме – нейтрофилы и макрофаги. Именно на их примере мы рассмотрим типичные черты этой обширной группы клеток врожденного иммунитета.

Нейтрофилы играют важную роль в защите организма от бактериальных и грибковых инфекций и относительно небольшую – в защите от вирусов. Для них характерна быстрая, буквально в течение минут, активация, тогда как у макрофагов этот процесс занимает несколько часов. Именно нейтрофилы первыми мигрируют из крови в очаг воспаления. Это клетки «быстрого реагирования», запускающие первичный иммунный ответ. Однако и длится их активация тоже недолго. Если нейтрофилам не удается с наскока справиться с заражением, то к процессу постепенно подключаются макрофаги, а за ними и другие иммунные клетки.

Нейтрофилы легко опознать в микроскоп по их сегментированному ядру, похожему на связку из нескольких (обычно трех) сарделек. Такие зрелые сегментоядерные нейтрофилы составляют около половины общего количества лейкоцитов крови. Еще 1–5 % в норме приходится на юные, функционально незрелые палочкоядерные нейтрофилы.

Хотя нейтрофилы являются фагоцитами, их главное оружие против бактерий и грибов – литические гранулы, содержимое которых они высвобождают в окружающую среду при активации. Высокая скорость мобилизации нейтрофилов дополняется их способностью ускорять метаболические процессы, улавливать бактерии с помощью нетоза и устраивать «кислородный взрыв» в течение нескольких секунд после встречи с патогенами. Все это делает нейтрофилы идеально приспособленными для осуществления ранних этапов иммунной защиты. Гной в ране – это главным образом остатки погибших нейтрофилов.

Вторая важнейшая разновидность фагоцитов – это клетки-макрофаги, похожие на крупных, вечно голодных амеб. Именно их открыл и описал Мечников. Раньше считалось, что все макрофаги в организме имеют одинаковое происхождение, но в последние годы стало ясно, что это не так. В зависимости от происхождения различают две основные группы макрофагов.

Первая группа – это долгоживущие тканевые (резидентные) макрофаги, которые формируются еще в эмбриогенезе и всю свою жизнь проводят в определенном органе или ткани. К ним относят купферовские клетки печени, микроглию центральной нервной системы, альвеолярные макрофаги легких, перитонеальные макрофаги брюшной полости и другие.

Вторая группа – это макрофаги моноцитарного (костномозгового) происхождения. Время их жизни исчисляется всего лишь днями и неделями. В отличие от нейтрофила, который одинаково выглядит и в крови, и в месте воспаления, макрофаги сильно меняют внешний облик, когда покидают кровяное русло. Округлая клетка крови с крупным ядром бобовидной формы (моноцит), мигрируя в ткани, превращается в клетку-амебу – собственно макрофага, раза в полтора больше. Количество макрофагов моноцитарного происхождения резко увеличивается при воспалении и нормализуется после его окончания. В периферической крови моноциты составляют 1–10 % всех лейкоцитов.

Интересно, что макрофаги различаются не только происхождением, но и поведением. Те, что произошли от моноцитов, имеют высокую подвижность. В отличие от тканевых макрофагов они активно мигрируют в зону воспаления. В 2018 году была опубликована статья, авторы которой показали, что именно резидентные макрофаги кожи, а не фибробласты, как считалось раньше, удерживают чернила татуировок. Это дает некоторое представление о «постоянстве» тканевых макрофагов.

Превращение моноцита в макрофаг происходит под влиянием цитокинов. Основной цитокин, регулирующий этот процесс, – белок со сложным названием «колониестимулирующий фактор макрофагов» (macrophage colony-stimulating factor; M – CSF). Важнейшей функцией макрофагов, кроме собственно фагоцитоза, является синтез разнообразных цитокинов и хемокинов. Именно набор цитокинов, выделяемых макрофагами, во многом предопределяет активность других иммунных клеток в зоне воспаления. В некоторых публикациях эти клетки называют дирижерами иммунного ответа, чтобы подчеркнуть их важную роль.

Говоря об иммунном ответе, мы, как правило, используем воинственные метафоры: борьба, уничтожение, подавление. Но мало уничтожить врага, будь то вирус, бактерия или другой паразит. Организм должен еще и исправить нанесенные ему повреждения. Регенерация поврежденных тканей и заживление ран тоже находятся под контролем клеток иммунной системы: она не только «воин», но еще и «целитель». То, какую именно роль возьмут на себя макрофаги, зависит от баланса цитокинов в окружающей среде. Если воздействовать на клетку активирующими цитокинами, такими как TNF и IFNG, то мы получим активный, атакующий тип макрофагов М1. Если же поместить ее в среду, богатую иммуносупрессивными (противовоспалительными) цитокинами, такими как IL10 и TGFB, то клетка меняет свой тип на М2. Она перестает атаковать и переключается на производство факторов роста – молекул, ускоряющих рост и заживление тканей. Это явление, при котором одни и те же иммунные клетки могут в зависимости от контекста выступать в разных ролях, называется пластичностью. Сам процесс перепрограммирования клеток с одного типа активности на другой в иммунологии часто называют поляризацией. Исследование данного феномена началось с макрофагов, позже было показано, что он в той или иной степени присущ практически всем иммунным клеткам.

Кстати, клетки-фагоциты даже представлены в массовой культуре! В японском аниме-сериале «Клетки за работой!», снятом в 2018–2021 годах, один из главных героев – храбрый нейтрофил U-1146. Все персонажи этого фильма антропоморфны. Нейтрофилы похожи на стройных остролицых воинов, а макрофаги выглядят как очаровательные нежные барышни, которые любят пить чай, присматривают за порядком, убирая тела погибших, работают няньками у маленьких клеток крови, а также размахивают в бою топорами и дубинками. Несмотря на очевидную условность, этот мультфильм довольно точно (насколько это возможно в данном жанре) показывает процессы, происходящие в человеческом теле на клеточном уровне.

Кроме нейтрофилов и макрофагов к фагоцитам относятся эозинофилы, базофилы и тучные клетки, играющие важную роль в аллергических реакциях. Их свойства мы подробно рассмотрим в соответствующей главе. Особое место среди фагоцитов занимают дендритные клетки, они служат посредниками между системой врожденного иммунитета и Т-лимфоцитами. Чтобы в полной мере понять их функции, нам придется сперва познакомиться с тонкостями адаптивного иммунного ответа. Забежать вперед, чтобы вернуться назад, как и было обещано.

Покончив со старыми добрыми «специалистами широкого профиля», которыми в той или иной степени являются все клетки врожденного иммунитета, перейдем теперь к «молодым экспертам» лимфоцитам. Мы попытаемся понять, какие механизмы обеспечивают высокую точность адаптивного иммунного ответа и какие эволюционные преимущества он дает позвоночным, в том числе и нам с вами. В следующих главах будет меньше экшена и задорных метафор и больше зубодробительный биологии. Но зато, разобравшись с ней, вы с легкостью поймете все остальное. Принципы функционирования клеток приобретенного иммунитета – самое сложное, что есть в этой книге (а возможно, и во всей иммунологической науке), дальше будет проще и увлекательней, обещаю!

Глава 12
ОТКРЫТИЕ ГУМОРАЛЬНОГО ИММУНИТЕТА – ТОКСИНЫ И АНТИТОКСИНЫ

– У него настоящий дифтерит? – спросила шепотом Ольга Ивановна.

– Тех, кто на рожон лезет, по-настоящему под суд отдавать надо, – пробормотал Коростелев, не отвечая на вопрос Ольги Ивановны. – Знаете, отчего он заразился? Во вторник у мальчика высасывал через трубочку дифтеритные палочки. А к чему? Глупо… Так, сдуру…

А. П. Чехов. Попрыгунья

Иммунитет, как мы уже знаем, бывает врожденный и приобретенный. В приобретенном иммунитете, в свою очередь, выделяют гуморальный и клеточный, реализуемые В- и Т-лимфоцитами соответственно. Гуморальный иммунитет был описан первым, так что с него мы и начнем.

Человеческая память несправедлива и даже не пытается выглядеть таковой. О каком бы историческом событии ни шла речь, для учебников выбирается пара-тройка самых ярких имен, остальные же тонут в безвестности. В относительной безвестности, разумеется, ведь специалисты о них знают. Но сколько их, тех специалистов…

В «школьную» историю иммунологии вошли имена Пастера, Мечникова и Эрлиха. Но если Пастер действительно первым разработал вакцину против бешенства, а Мечников первым обнаружил роль фагоцитоза в защите многоклеточных организмов, то теория гуморального иммунитета, разработанная Эрлихом, во многом базировалась на открытиях его предшественников. Вот о них и следует рассказать в первую очередь.

Как мы уже говорили и еще не раз повторим, иммунология начинала свое развитие не как область фундаментальной науки. Скорее, это был набор новаторских медицинских методик, молекулярные механизмы которых выяснили много позднее. Изучение гуморального иммунитета началось с исследования дифтерии. Это был бич пострашнее бешенства и даже туберкулеза. Бешенство не вызывало эпидемий, туберкулез, как стало ясно уже в XIX веке, хотя встречался и в высшем обществе, но был все же болезнью бедности, недоедания, плохих условий жизни. Дифтерия не щадила ни богатых, ни бедных, не обходила стороной ни хижины, ни дворцы. От этой болезни, например, умерли дочь королевы Виктории Алиса и внучка Мария.

В Испании дифтерию назвали garrotillo – «удавка». Смерть от дифтерии не была легкой – больной умирал от мучительного удушья. Болели главным образом дети и… врачи, пытавшиеся их спасти. В конце XIX века канадский врач Уильям Ослер писал, что он не знает заболевания, убившего больше медиков, чем дифтерия. В позапрошлом веке из 100 заболевших дифтерией детей гарантированно умирало не менее 50. Единственным способом лечения была трахеотомия – разрез трахеи через горло, позволявший задыхающемуся больному начать дышать. Так удавалось спасти хотя бы некоторых.

Бактерию, вызывающую дифтерию, описал немецкий микробиолог Фридрих Лёффлер. Именно он первым выделил ее в чистом виде и культивировал для дальнейших исследований. Это была непростая задача, ведь слизистая горла человека – настоящий рассадник самых разных бактерий, и нужно было определить, какая из них «та самая». Именно Лёффлер на примере дифтерийной бациллы показал верность четырех постулатов Коха о том, как установить, что определенный микроорганизм является возбудителем инфекционного заболевания:

■ микроорганизм постоянно встречается в организме больных людей (или животных) и отсутствует у здоровых;

■ микроорганизм должен быть изолирован от больного человека (или животного), и его штамм должен быть выращен в чистой культуре;

■ при заражении чистой культурой микроорганизма здоровый человек (или животное) заболевает;

■ микроорганизм должен быть повторно изолирован от экспериментально зараженного человека (или животного).

Экспериментальным животным для проверки постулатов Коха послужили морские свинки. К счастью для человечества, они оказались чувствительны к этой болезни. Имея чистую культуру бактерий и подходящее модельное животное, ученые начали искать лекарство от дифтерии.

Одним из первых исследователей дифтерии стал доктор Эмиль Ру – ученик и соратник Пастера, участвовавший и в разработке знаменитой вакцины против бешенства. Ру удалось доказать, что тяжелые симптомы болезни, включая удушье, вызывали не сами бактерии, а какое-то выделяемое ими вещество – дифтерийный токсин. Ученый продемонстрировал, что впрыскивание его животным ведет к появлению тяжелых признаков заболевания даже в отсутствие бактерий. (Позднее стало ясно, что использование токсинов – типичная тактика многих болезнетворных микроорганизмов. Холерный вибрион, например, также опасен для человека не сам по себе а именно из-за выделяемого им токсина, нарушающего функционирование клеток кишечника.)

Следующий шаг в изучении болезни сделали ученые из Германии. В 1890 году Адольф Эмиль фон Беринг вместе с японским коллегой Сибасабуро Китасато, работавшие в созданном Робертом Кохом Институте гигиены, показали, что, если сыворотку крови выздоровевших после дифтерии морских свинок ввести заболевшим животным, те тоже выздоравливают. Из этого был сделан вывод, что в крови переболевших животных появляется какой-то антитоксин, который нейтрализует токсин дифтерийной палочки.

Рождественской ночью 1890 года первые больные дифтерией дети получили лечебную сыворотку. Многие из них были спасены в результате этого смелого медицинского эксперимента. Его успех был оглушительным, и сразу же вслед за Берингом Эмиль Ру вместе с Огюстом Шаллу начал сывороточную терапию 300 больных детей в детской больнице в Париже.

В этот момент к исследованиям дифтерийного антитоксина присоединился наш герой – Пауль Эрлих. Именно практичный Эрлих сумел в 1897 году наладить масштабное производство сыворотки, создать стандарты определения ее концентраций, рассчитать правильные дозировки антитоксина и повысить эффективность вакцины. От морских свинок как от производителей антитоксина к тому времени уже практически отказались. Для производства лекарственного средства в промышленных масштабах требовались животные покрупнее, ими стали лошади.

Трудно оценить, кто из упомянутых выше ученых (а были и другие) внес больший вклад в спасение человечества от смертельной болезни. В памяти людской их имена, к сожалению, запечатлелись крайне неравномерно. Пауль Эрлих не только получил Нобелевскую премию, но и попал во все школьные учебники. Адольф Эмиль фон Беринг менее известен, однако вошел в историю науки как первый лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине. А вот имя Эмиля Ру так и осталось малоизвестным широкой публике за пределами Франции. Этого великого ученого можно назвать одним из самых больших нобелевских «неудачников»: с 1901 по 1932 год его номинировали на премию более 100 раз, но безрезультатно. А ведь участие в создании вакцины против бешенства и открытие дифтерийного токсина – это лишь малая часть его научных заслуг. Ру также принимал участие в разработке вакцины от сибирской язвы, писал научные работы по холере птиц, сифилису, пневмонии, столбняку, туберкулезу. Кроме того, именно под его многолетним руководством Пастеровский институт стал мировым микробиологическим центром, каковым остается и по сей день. Но, как было сказано в начале этой главы, историческая память несправедлива.

Впрочем, фон Беринг отдал должное своим предшественникам. В своей нобелевской речи он сказал, что сывороточная терапия (или, как ее еще называли, серотерапия) была основана на теории, предложенной «Лёффлером в Германии и Ру во Франции, согласно которой бактерии Лёффлера не сами по себе вызывают дифтерию, а вырабатывают токсины, которые способствуют развитию болезни. Без этой предварительной работы Лёффлера и Ру не было бы сывороточной терапии дифтерии». Интересно, что на нобелевском банкете краткая речь в честь Беринга и ответная речь самого Беринга звучали на немецком, который до Второй мировой войны был таким же общепризнанным языком науки, каким сейчас является английский.