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

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.

Чего только не стали вытворять биологи с наступлением эры неограниченной манипуляции генами! Ботаники тоже не желали плестись в хвосте прогресса. Не им ли, продолжателям славных дел Бербанка, Мичурина и Барлоуга, надлежало быть впереди планеты всей? И они принялись за работу. Успехи в создании генетически улучшенных форм сельскохозяйственных растений методами генной инженерии колоссальны (см. главу 10). Но вовсе не всегда ботаникам сопутствовал успех. Были и досадные промахи.

Так, в начале 1990-х годов цветоводы решили применить новейшие методы для усиления цвета петуний. Было ясно, что надо сделать – увеличить количество генов, кодирующих белки-пигменты. В полной уверенности в успехе предприятия цветоводы стали «всаживать» в клетки растений плазмиды, несущие дополнительные гены пигмента. Каково же было разочарование цветоводов, когда генетически измененные петуньи не только не приобретали более яркую окраску… но становились бесцветными! К чести цветоводов, они поняли, что наткнулись на что-то важное, хотя, конечно, и не помышляли о том, что их наблюдение приведет к новой революции в молекулярной биологии. Ученые стали ставить новые эксперименты в попытках выяснить, как же так вышло, что увеличение количества генов перешло в качество с обратным знаком. Этакая гегелевская диалектика шиворот-навыворот.

А выяснилось вот что. Имеется огромное количество вирусов растений, от которых растениям надо как-то защищаться. Иными словами, растения никак не выжили бы, если бы не выработали свою иммунную систему. Оказалось, что бороться с вирусами у растений призвана специальная иммунная система, совершенно отличная от иммунной системы человека и других позвоночных и получившая название РНК-интерференция, или РНКи. Подобно тому, как в ответ на вторжение вируса наша иммунная система вырабатывает антитела, у растений начинается наработка коротких молекул РНК (содержащих приблизительно 21 нуклеотид; они получили название коротких интерферирующих РНК, или киРНК). Последовательность киРНК такова, что они могут связаться с молекулами мРНК, вырабатываемыми вторгшимся вирусом, и, как только это случится, специальные ферменты-рибонуклеазы системы РНКи набрасываются на мРНК и расщепляют ее. Таким образом, короткие РНК играют роль глушителей для вирусных генов и предотвращают их экспрессию в растительных клетках.

Откуда же клетка знает, какие киРНК производить? Может быть, как в случае нашей иммунной системы, у растений заранее заготовлен огромный арсенал генов, кодирующих всевозможные киРНК? Нет, так растения поступить не могли. Потому у них и не могла возникнуть нормальная, «человеческая» иммунная система с В – и Т-лимфоцитами, что у них нет кровообращения, которое разносило бы громадный арсенал лимфоцитов, готовых бороться с вторгшимся врагом, по всему телу. Иммунная система, основанная на РНКи, не принадлежит ни к категории врожденного иммунитета, ни приобретенного. Она совсем особая. Вторгшаяся вирусная РНК (у очень многих растительных вирусов, как, впрочем, и у животных вирусов, генетическим материалом является одноцепочечная РНК) превращается в клетке в двойную спираль РНК. Затем ферменты, принадлежащие к системе РНКи, нарезают эту РНК на короткие куски (тоже двуспиральные, примерно по 21 нуклеотиду в каждой из комплементарных цепей), которые и играют роль киРНК. Так что киРНК на самом деле двухцепочечные молекулы. Одна из двух цепей комплементарна РНК вируса, и она-то и играет роль РНК-глушителя.

Ну а что же все-таки происходило с петуньями? Почему они теряли окраску в ответ на вторжение дополнительных генов пигмента? Читатель, конечно, уже догадался, в чем было дело: иммунная система петуний ошибочно принимала мРНК белка-пигмента за вторгшуюся вирусную РНК и включала систему РНКи. В результате вырабатывались киРНК, специфичные к мРНК пигмента, что вело к деградации всех мРНК пигмента: пигментный белок переставал вырабатываться вовсе. Иными словами, происходило полное «глушение» экспрессии пигментных генов.

Так невинное занятие цветочками привело к важнейшему открытию – обнаружению иммунной системы у растений, или системы РНКи. Впрочем, вся генетика началась с цветочков (Мендель разводил цветной горошек), так что удивляться не приходится. Нет, все же есть чему удивляться: как же такой важнейший процесс столь долго оставался незамеченным? Может, дело в том, что система РНКи есть только у растений и ее нет ни у прокариот, ни у животных? Действительно, у прокариот нет такой системы, а вот у животных она есть, и у нас с вами тоже. Когда такое выяснилось в начале 2000-х годов, пошли разговоры об очередной революции в молекулярной биологии. Впрочем, почему только разговоры? Сейчас уже ясно, что эта революция в самом разгаре. Но об этом позже – в самом конце книги.