Самая главная молекула. От структуры ДНК к биомедицине XXI века - Максим Франк-Каменецкий

Но этого мало. Молекула иммуноглобулина состоит не из одной, а из четырех полиаминокислотных цепей, двух легких и двух тяжелых (рис. 22). Обе легкие цепи идентичны друг другу, как и обе тяжелые. Но тяжелые и легкие цепи синтезируются совершенно независимо, и для каждой из них происходит вся та перетасовка, о которой говорилось выше. Поэтому цифру тысяча нужно возвести в квадрат. Так получается миллион.

Но и это еще не все. Оказалось, что в какой-то момент включается механизм, природа которого оставалась до недавнего времени загадкой, благодаря которому возникают мутации, причем только в V-генах. Окружающие V-гены участки ДНК не меняются, а в V-генах происходят случайные замены нуклеотидов. Это еще многократно повышает разнообразие иммуноглобулинов.

Мы рассмотрели события, происходящие в В-лимфоцитах. Точно такие же процессы происходят в Т-лимфоцитах, в результате чего образуется множество рецепторов.

Вот какой хитроумный механизм придуман природой, чтобы снабдить нас с вами лимфоцитами и вырабатываемыми ими антителами на любой мыслимый случай. Загадка, мучившая несколько поколений медиков и биологов, была решена быстро и однозначно, как только за нее взялись специалисты, вооруженные умением манипулировать молекулой ДНК.

Рис. 22. Так устроена молекула иммуноглобулина (схема)

И надо сказать, открывшаяся картина просто ошеломила даже привыкших к сенсациям молекулярных биологов. Шутка ли сказать, оказывается, в организме каждого человека, каждого млекопитающего (и еще шире – позвоночного) происходит перетасовка генов, образуются миллионы новых, причем это еще сопровождается интенсивным мутационным процессом.

А мы-то думали, мы были абсолютно убеждены, что весь план строения организма готов раз и навсегда, как только образовалась зигота. Мы думали, что этот план совершенно одинаков во всех клетках, просто одни клетки «читают» одну часть плана, другие – другую. Конечно, возможность мутаций в генах при развитии организма никем никогда не отрицалась, но к этому относились как к случайным помехам, ошибкам в ходе планомерного развития организма. А оказывается, каждый организм в ходе развития вырабатывает свой, совершенно уникальный набор генов рецепторов и иммуноглобулинов и, соответственно, уникальный набор лимфоцитов. Собственно, это и есть один из тех факторов, которые определяют индивидуальность, свое «я» каждого позвоночного.

А как же решается вопрос о том, чтобы иммунная система не набрасывалась на свои белки? Это осуществляется путем отбраковки тех лимфоцитов, которые узнают свои белки. Гигантская проблема – поиск связи между иммунитетом и раком. Ведь эта болезнь так же, как и иммунитет, – удел позвоночных. Несомненно, между этими двумя важнейшими для жизни всех людей явлениями существует очень тесная связь. Эту связь изучают на всех уровнях, включая уровень ДНК. Мы вернемся к этим вопросам в главе 11, чтобы обсудить, как в самое последнее время удалось научиться направлять иммунную систему на борьбу с раком.

Врожденный иммунитет

Клеточный и молекулярный иммунитет существуют только у позвоночных. А как же насекомые или растения? Неужели они не имеют никакой защиты от вторжения микробов (бактерий, вирусов и грибковых)? Да и позвоночным не помешало бы иметь, быть может, не столь избирательную, но более быстро реагирующую линию обороны против вторжения извне, чем наша иммунная система. Ведь если враг вторгся впервые, то требуется время, чтобы наработать достаточно антител и Т-лимфоцитов. Поэтому клеточный и молекулярный иммунитет вместе называют приобретенным иммунитетом: он возникает как реакция на достаточно длительное воздействие антигена на организм. Обычно иммунная система побеждает в конечном счете, но вирус или бактерия успевает размножиться и сильно навредить: мы испытываем все «прелести» болезни, прежде чем выздороветь.

Биологи давно подозревали, что, кроме приобретенной в ответ на конкретный антиген, существует еще и врожденная, неспецифическая иммунная реакция, присущая не только всем животным, но и растениям. Однако лишь в последние годы стали проясняться механизмы этого врожденного иммунитета. Теперь стало ясно, что в ходе эволюции возникли разнообразные механизмы врожденного иммунитета. По-видимому, любая особенность, по которой эукариоты существенно отличаются от прокариот, может вызвать реакцию врожденного иммунитета. Давайте разберем один пример такого рода.

Как мы знаем, геномная ДНК нормально находится в форме двойной спирали. Так что, если в клетке вдруг появилась однонитевая ДНК, она скорее всего вторглась извне и должна служить законной мишенью для атаки одной из систем врожденного иммунитета. Такая ДНК может оказаться злейшим врагом клетки и всего организма. Ведь однонитевая ДНК всегда образуется как промежуточное звено при заражении клетки ретровирусами, у которых генетическим материалом служит РНК. Достаточно сказать, что к таким вирусам принадлежит вирус СПИДа, ВИЧ.

Как же реагирует система врожденного иммунитета на вторжение врага? Происходит следующее. Специальный фермент деаминаза набрасывается на однонитевую ДНК, отбирает аминогруппу (NH2) у цитозинов (Ц), заменяя ее на атом кислорода, тем самым превращая их в урацилы (У) (как показывают химические формулы на рис. 6, именно эта замена отличает Ц от У). Деаминаза не способна отобрать аминогруппу у цитозинов в геномной ДНК, так как у них эта группа запрятана в двойной спирали и недоступна для фермента. Так вторгшегося врага пометили на ликвидацию – ведь «по закону» в ДНК не должно быть У, только Т. Теперь фермент-полицейский (с мудреным названием урацил-ДНК-гликозилаза) реагирует на непорядок – У в ДНК – и расщепляет цепь ДНК около всех У: враг обезврежен!

Не правда ли, чем-то похоже на то, как бактерия расправляется с чужой ДНК при помощи рестриктаз? На самом деле система рестрикции – это не что иное, как форма врожденного иммунитета у бактерий. Так же как и бактерии, клетки высших часто используют метилирование геномной ДНК, чтобы система врожденного иммунитета могла отличить «своих» от «чужих».

Интересно, что та же деаминаза обеспечивает долго остававшийся загадочным процесс мутирования V-частей генов иммуноглобулинов, о чем речь шла в предыдущем разделе. Как выясняется, это происходит, когда в V-участках цепи ДНК временно расходятся в процессе транскрипции и деаминаза успевает сделать свое дело, а урацил-ДНК-гликозилаза не успевает. ДНК остается целой, но часть цитозинов превращена в урацилы. При дальнейшей репликации ДНК эти урацилы ведут себя как тимины, так что в результате происходят замены Ц → Т. Так возникшая на поздних этапах эволюции система приобретенного иммунитета использует элементы гораздо более древней системы врожденного иммунитета в целях создания немыслимого разнообразия иммуноглобулинов.

Но и в случае однонитевой ДНК урацил-ДНК-гликозилаза не всегда справляется с трудной задачей ликвидации всех вражеских молекул. В результате часть вирус-специфической ДНК выживает, но она сильно мутирует, так что возникшие в результате вирусы теряют способность причинить вред. И здесь возникает вот какой вопрос. Не в результате ли не очень тщательной работы системы врожденного иммунитета получаются, пусть сравнительно редко, мутантные, но способные к заражению клеток вирусы, которые не распознаются антителами, выработанными к немутантному вирусу? Иными словами, не будучи способной добить все вражеские молекулы, не помогает ли система врожденного иммунитета выжившим вирусам обмануть систему приобретенного иммунитета? Не отсюда ли берется хорошо известная изменчивость ВИЧ, препятствующая выработке вакцины против СПИДа? Этот крайне интересный вопрос еще ждет своего ответа…

Но, как оказалось, в большинстве случаев врожденный иммунитет работает посредством так называемых «толл-подобных рецепторов», которые находятся на поверхности специальных клеток-пожирателей чужих клеток, вторгшихся извне, фагоцитов. Как и во многих других случаях, открытие было сделано сначала на модельном организме, в данном случае на дрозофиле. В лаборатории французского генетика дрозофилы Жюля Хофмана изучали мутации в гене «толл» дрозофилы. Оказалось, что мутанты становятся беззащитными против грибка, паразитирующего на мухе. Это наблюдение и привело к открытию целого класса толл-подобных рецепторов на поверхности фагоцитов различных организмов, включая человека. Эти рецепторы распознают общие молекулярные характеристики, отличающие патогены от клеток организма, и, если такое узнавание происходит, фагоциты просто съедают непрошеного гостя. К таким отличительным особенностям, распознаваемым толл-подобными рецепторами, относятся липополисахариды, которые являются частью бактериальной стенки, но отсутствуют в клетках животных. За открытие толл-подобных рецепторов Хофман был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине за 2011 год.