Не только в Великобритании были заинтересованы исследованием полюсов. В первой половине XX в. многие государства снаряжали экспедиции на крайний север и крайний юг планеты, руководствуясь стратегическими и экономическими соображениями, иногда – ради национального престижа, а порой и из научного любопытства.

Одиннадцатого июля 1934 г. трехмачтовый французский корабль под названием «Пуркуа па?» («Почему бы и нет?») вышел из порта Сен-Мало в Нормандии и отправился к ледяным берегам Гренландии. Среди членов команды был и прославленный исследователь-полярник Жан-Батист Шарко. Шарко учился на врача, но отошел от медицины и сделал себе имя как участник двух арктических экспедиций, профинансированных французским правительством: на кораблях «Франция» в 1903–1905 гг. и «Пуркуа па?» в 1908–1910 гг. Пришлось немало вынести: льды, штормы, морозы до 40 с лишним градусов, длинная полярная ночь. Но Шарко открывал новые земли, нанес на карту более 1800 миль материкового и островного побережья, стал национальным героем и вызывал у коллег-исследователей неподдельное восхищение. После Первой мировой войны он заинтересовался Арктикой. Это путешествие было 25-й полярной экспедицией в карьере 67-летнего исследователя, причем он уже в десятый раз отправился к Гренландии.

Рис. 3.1

Корабль «Пуркуа па?» в Гренландии

Снимок Жака Моно, © Институт Пастера/Архив Жака Моно

Команда корабля состояла из 35 человек, все они были добровольцами. Кроме того, на борту были шестеро студентов, четверо из которых сошли на берег близ деревни Ангмагссалик, где собирались прожить год среди эскимосов, занимаясь этнографическими исследованиями. Еще двое планировали вести научную работу на борту и на берегу – одним из них был 24-летний Жак Моно.

Моно вырос близ знаменитого приморского курорта Канны. Он был опытным яхтсменом, но по сравнению с командой Шарко – просто дилетантом. Ранее ему не доводилось бывать в таких морях, куда сейчас лежал путь. Молодой зоолог отложил исследования, которыми занимался в парижской Сорбонне, сочтя за честь присоединиться к группе Шарко и отправиться в двухмесячное плавание по Арктике, что было для него настоящим приключением. Его обязанности были приблизительно теми же, что и у Элтона с соотечественниками, – собирать образцы.

Спустя 12 дней после выхода из Франции корабль причалил к окутанным туманом Фарерским островам. Подремонтировав поврежденный бойлер, команда взяла курс на Исландию, откуда, пополнив запасы угля, корабль направился в Гренландию. По пути Моно, бросая за борт невод, постоянно собирал планктон – мелких рачков, морских червей и личинок. Корабль уходил во все более высокие широты, с каждым градусом воздух становился холоднее, а на пути встречалось все больше льда. Когда судно подошло к заливу Скорсби на восточном побережье Гренландии, путь ему преградили ледовые поля. Пять дней корабль медленно продирался через них, дозорный в «вороньем гнезде» выискивал проходы между льдин, которые иногда закрывались столь же быстро, как и возникали, а другие члены команды на корме отталкивали льдины, чтобы те не повредили винт.

Когда Моно наконец высадился на берег, у него было всего три дня на сбор образцов прибрежной морской фауны, а затем корабль уходил в Ангмагссалик (ныне – Тасиилак). Моно с товарищем хотели пособирать породы и минералы, для этого стали подниматься в горы по берегам фьорда. Моно, страстный скалолаз, был очарован всем, что перед ним открывалось. «Я видел столько всего красивого и невероятного! – писал он родителям. – Дорогие мои, если бы вы знали, насколько я поражен, просто дух захватывает!»

Запасы угля на корабле иссякали, требовалось отправиться в Исландию и пополнить их. Корабль то и дело сотрясали ураганные ветры. Приходилось лавировать между айсбергами в условиях плохой видимости, но Шарко решил, что путь нужно продолжать во что бы то ни стало, так как уголь был на исходе. Команде удалось добраться до Рейкьявика, загрузить корабль углем и добраться домой без происшествий.

Моно опубликовал предварительный отчет о своих коллекциях и наблюдениях, но, увы, ему не довелось стать биологом-полярником. Через два года его вновь пригласили на «Пуркуа па?», отправлявшийся в новую экспедицию к Гренландии. Моно был склонен согласиться, но в последний момент передумал и отправился в Калифорнийский технологический институт изучать генетику в лаборатории нобелевского лауреата Томаса Ханта Моргана.

Это решение оказалось для Моно очень удачным. Пятнадцатого сентября 1936 г. «Пуркуа па?» вновь остановился в порту Рейкьявика, пережидая шторм, – корабль пришел из Гренландии, куда доставлял припасы. Затем судно отправилось домой, но через несколько часов попало в жестокий шторм. Рано утром 16 сентября косые паруса судна были изорваны в клочья, а затем корабль потерял фок-мачту и радиоантенну. Искалеченный парусник лег в дрейф, пошел боком и разбился о рифы. Шарко, а вместе с ним все, кроме одного, члены экипажа (43 человека) погибли в студеном бурном море.

К счастью для биологии, Моно сохранил жизнь. Хотя он и ничего не открыл, будучи в Калифорнии, позже Моно стал одним из основателей новой дисциплины – молекулярной биологии. Ему и его коллегам предстояло открыть первые общие законы регуляции жизни на молекулярном уровне, и именно благодаря этим открытиям Моно вновь отправился на север – в Стокгольм, получать Нобелевскую премию.

Но сначала ему предстояло пережить длительную смертоносную бурю.

 

Рост… прерывается

После работы в Калифорнии Моно вернулся в Париж, где возобновил исследования в Сорбонне, пытаясь определить такую научную проблему, решение которой позволило бы ему претендовать на соискание докторской степени.

Биология тогда занималась достаточно простыми вопросами, ведь так мало было известно о процессах, происходящих в живых клетках. Одна из основных характеристик, присущих всем клеткам, заключалась в том, что они размножаются делением. Сами вопросы были весьма «элтоновскими»: какие питательные вещества нужны клетке? От чего зависит количество клеток?

Прежде чем отправиться в Калифорнию, Моно уже начал эксперименты в этой области. Но первыми организмами, которых он взялся изучать, были одноклеточные простейшие, которые очень плохо росли в лабораторных условиях – неважный материал для исследования. Андре Львов, микробиолог, работавший поблизости в Институте Пастера, предложил Моно поработать с бактериями, которые очень хорошо выращиваются в культурах и очень быстро делятся.

Прежде исследователи готовили «мясные бульоны» для выращивания бактерий из малопитательных ингредиентов. например из перетертого говяжьего мозга. Первым достижением Моно стало то, что он приготовил «бульон» из тщательно подобранных компонентов. Для этого он поставил ряд экспериментов, систематически меняя практически все ингредиенты по очереди и отслеживая, как это сказывается на росте бактерий. Один из первых его значимых результатов заключался в следующем: Моно показал, что степень бактериального роста прямо пропорциональна объему доступного источника энергии, содержащего углерод (речь о сахаре, например о глюкозе или манните). Это наблюдение позволяло вывести очень простую зависимость между питанием и ростом: бактерии перерабатывали доступную пищу и благодаря этому размножались.

Летом 1939 г. Моно плодотворно работал, но над Европой вновь нависли тучи войны. Как и многие французы, Моно не замечал надвигавшейся беды. Тридцать первого августа 1939 г. он писал отцу: «Войны не будет. Гитлер понимает, во что она ему обойдется». На следующий день Германия вторглась в Польшу, в ответ Франция и Великобритания объявили войну Германии.

Война между Францией и Германией началась не сразу – шли дни, недели, затем потянулись месяцы без боев. Моно беспокоился, что если военные действия действительно начнутся, то его призовут на какую-нибудь постылую нестроевую службу, учитывая, что ему было уже 30. Моно хотел использовать свой научный талант и принести реальную пользу, поэтому решил покинуть Сорбонну и записаться в армию на должность офицера связи.

Только Моно прошел начальную подготовку, как наконец разразилась война – 10 мая 1940 г. Германия предприняла масштабное наступление в Нидерландах, Бельгии и Северной Франции. Французская армия была разбита за считаные дни; полк Моно даже не успел выдвинуться из части, когда все было практически кончено. Моно вновь повезло – он не стал военнопленным. После капитуляции Франции он вернулся домой и возобновил исследования в оккупированном немцами Париже.

 

Что по вкусу бактериям?

В 30 лет Моно был уже староват для аспиранта. Он отчаянно пытался найти научную проблему, которая позволила бы ему закончить работу над диссертацией. Моно провел множество экспериментов, изучая рост бактерий в питательных средах, содержащих те или иные сахара. Осенью 1940 г. он решил исследовать, что произойдет, если предложить бактериям различные комбинации сахаров.

Изобразив на графике изменение концентрации бактерий с течением времени, Моно заметил знакомые кривые роста, напоминавшие те, что были получены при работе с одним видом сахара. На этих кривых прослеживались три характерных этапа: краткая латентная фаза, после которой следовала фаза экспоненциального роста бактерий (их численность удваивалась раз в полчаса-час) и, наконец, фаза стабильности, когда численность бактерий прекращала расти. Но при определенных комбинациях сахаров кривая приобретала иную форму. В ней прослеживалось две фазы роста, между которыми наблюдалась еще одна фаза задержки (рис. 3.2).

Озадаченный Моно показал свои кривые «двойного роста» Львову. Старший коллега задумался, а затем сказал: «Это может быть как-то связано с ферментной адаптацией».

Рис. 3.2

Открытая Моно кривая двойного роста. Когда бактерии выращивались в глюкозе и маннозе, наблюдалась ровная кривая (слева), но когда их выращивали в глюкозе и мальтозе, сначала бактерии размножались экспоненциально, затем наступала небольшая пауза (указано стрелкой), после чего экспоненциальный рост возобновлялся (справа). Эта пауза и вторая часть растущей кривой стали основой для диссертации Моно и в итоге привели его к Нобелевской премии

Рисунок Лиэнн Олдз на основе оригинального материала из лабораторных заметок Жака Моно

«Ферментная адаптация? Никогда о ней не слышал», – ответил Моно.

Львов дал Моно несколько старых статей, в которых описывался следующий феномен: бактериальные или дрожжевые клетки приспосабливаются к присутствию питательного вещества, вырабатывая фермент, который его расщепляет. Фазы задержки на кривых Моно, возможно, соответствовали тому времени, которое требовалось микробам для адаптации к каждому типу сахара. Но оставалось полнейшей тайной, как простейшие микробы «узнавали», что нужно вырабатывать определенный фермент в ответ на присутствие того или иного вещества. Моно сразу же решил взяться за разгадку этой тайны.

Моно обнаружил, что очертания второй кривой роста зависели от того, какой именно сахар применялся в опыте. Таким образом, бактерии предпочитали одни сахара другим. Они были готовы с ходу питаться одними сахарами, но им требовалось время, чтобы адаптироваться к менее подходящим сахарам, выработать ферменты, необходимые для их усвоения. Моно подозревал, что двойная кривая роста возникает по такой причине: сначала бактерии расходуют весь более питательный сахар, затем, после небольшого перерыва, адаптируются к потреблению другого, не столь вкусного сахара.

Чтобы проверить эту гипотезу, он просто варьировал содержание определенных сахаров в разных экспериментах. Моно рассуждал, что если его версия верна, то длина фаз роста при потреблении каждого из сахаров будет соответствующим образом изменяться. Именно это он и увидел.

Львов впечатлился умением Моно разрабатывать такие прицельные эксперименты, позволявшие проверить любой интересовавший его аспект. Сорбонна присудила Моно ученую степень, однако научный совет заявил: «Работы Моно Сорбонне неинтересны».

Моно надеялся изучать ферменты, синтезируемые бактериями в ответ на присутствие тех или иных сахаров, но прежде, чем ему удалось добиться какого-либо результата, его работа вновь была прервана. Немецкая оккупация продолжалась, накалялась обстановка в Париже, и там становилось все опаснее находиться Одетте, супруге Моно, поскольку она была еврейкой. Она покинула столицу и вместе с детьми отправилась в более спокойное место на юге Франции. Моно полагал, что с высадкой союзников в Европе начнется вторая битва за Францию, поэтому примкнул к одной из наиболее воинственных групп французского Сопротивления – «Франтиреры и партизаны» (FTP).

Моно стал заниматься разведкой и координировать поставки оружия от союзников. Много месяцев Моно вел двойную жизнь, будучи ученым Сорбонны и агентом Сопротивления, – даже прятал компрометирующие документы в ноге у чучела жирафа рядом с лабораторией. Но по мере того, как немцы все жестче наседали на Сопротивление, а некоторых командиров и соратников Моно арестовали и пытали, ему стало слишком опасно работать в Сорбонне и даже ночевать дома. Львов предложил Моно укрыться в Институте Пастера, где ему удалось продолжить эксперименты еще несколько месяцев. В конце концов Моно пришлось отказаться от лабораторной работы. Он окончательно ушел в подполье, изменил внешность и стал бывать только на конспиративных квартирах (рис. 3.4).

Рис. 3.3

Пропорции каждой части двойной кривой роста зависят от соотношения двух сахаров. Когда Моно смешивал два сахара в долях 1:3, 2:2 и 3:1, первая часть кривой роста пропорционально удлинялась, а вторая укорачивалась. Таким образом, бактерии потребляли сначала один вид сахара, а затем второй

Из работы Моно (1942), адаптировано Лиэнн Олдз

Рис. 3.4

Удостоверение Жака Моно, участника французского Сопротивления, 1944 г. Моно носил звание команданта FFI. Пользовался псевдонимом Маливер, так как члены Сопротивления не могли действовать под настоящими именами

Документ публикуется с разрешения Оливье

Моно дослужился до офицерского чина в национальной организации Сопротивления «Французские внутренние войска» (FFI), в составе которой участвовал в координации саботажа и даже в казни предателей-коллаборационистов. Моно был одним из командиров, участвовавших в битве за освобождение Парижа в августе 1944 г. Затем он служил офицером французской армии вплоть до капитуляции Германии.

 

Какие законы управляют регуляцией ферментов?

Война отняла шесть лет у Моно, его семьи и родины. Когда она наконец закончилась, Моно стремился оставить эти темные времена в прошлом, поэтому с головой окунулся в исследования. Львов предложил ему штатную должность в Институте Пастера, и Моно согласился.

Он вернулся к той работе, которую прервала война. Ферментная адаптация крайне привлекала его своей логичностью: как бактерия, столь крошечная, едва различимая в микроскоп, не имеющая никакой нервной или эндокринной системы, – просто пузырек с химическими веществами, заключенными в мембрану, – «узнавала», какой именно фермент производить для переработки имевшегося сахара?

Ферменты – это белки, а клетки синтезируют сотни различных белков. Моно понял, что этот вопрос, в сущности, является вопросом регуляции: как клетка «решает» производить в конкретных условиях какой-то определенный фермент, но не другие?

Моно верил, что его исследования регуляции бактериальных ферментов позволят разобраться отнюдь не только в гастрономических пристрастиях микробов-сладкоежек. Он понимал, что отличия между разными типами клеток в организмах более сложноорганизованных существ также определяются регуляцией. Например, эритроциты синтезируют белковую часть гемоглобина, транспортирующего кислород, а лейкоциты синтезируют белки антител, борющихся с инфекциями. Моно полагал, что, если понять, почему и как бактерия синтезирует определенный фермент, это поможет пролить свет на образование различных типов клеток.

Чтобы хоть немного проникнуть в эту тайну, он решил сосредоточиться на одном сахаре – это был молочный сахар лактоза – и исследовать одного «ключевого игрока» – бактериальный фермент, разлагающий лактозу на галактозу и глюкозу. Этот фермент называется β-галактосидазой. Бактерии предпочитают извлекать энергию из простых сахаров. Чтобы использовать лактозу – соединение, состоящее из двух сахаров, глюкозы и галактозы, – эту молекулу требуется расщеплять надвое.

В конце 1940-х и начале 1950-х молекулярная биология только зарождалась, было сложно понять, как ставить большинство экспериментов. Моно и его группа превосходно разрабатывали технологии, позволявшие интерпретировать различные возможности. Основное наблюдение заключалось в следующем: фермент начинал образовываться благодаря присутствию сахара. Возможное объяснение было таким: сахар каким-то образом активировал фермент, непосредственно связываясь с уже имеющейся неактивной формой фермента в бактериальной клетке и преобразуя этот фермент в активную форму. Разработав ряд умных и технически нетривиальных экспериментов, Моно с коллегами отбраковали эту идею.

Опыты Моно показали, что лактоза жестко регулировала производство фермента. Когда E. coli росла в отсутствии лактозы, во всей клетке можно было найти всего несколько молекул фермента β-галактосидазы. Стоило добавить лактозу, и всего за несколько минут в одной клетке появлялось уже несколько тысяч таких молекул. При удалении сахара синтез фермента прекращался (рис. 3.5). Такое включение и выключение производства фермента непонятным образом зависели от присутствия или отсутствия сахара. Принято говорить, что сахар является индуктором синтеза фермента.

Со стороны бактерии это было весьма логично: она синтезировала фермент только при наличии лактозы (источника пищи) и не тратила энергию на производство фермента впустую, когда лактозы вокруг не было. Но как работала эта логика?

Моно несколько лет не удавалось уловить законы регуляции синтеза ферментов. На то было две причины. Во-первых, у него существовало предубеждение насчет того, как может работать логика регуляции. Простое наблюдение показывало: бактерия синтезирует фермент в присутствии сахара, индуктора. Моно и его коллеги продолжали воспринимать индуктор как нечто положительно контролирующее синтез ферментов (здесь и далее схематически изображается стрелкой →).

Чтобы совершить прорыв, им оставалось открыть еще одного «ключевого игрока» и прийти к обратной логике.

Я объясню, как они в итоге во всем разобрались, но верная логика настолько важна для понимания регуляции и всей книги, что я не хотел бы, чтобы вы увязли в этих экспериментальных деталях и упустили общую картину. Поэтому сразу расскажу вам, о чем не догадывался Моно и как лактоза регулирует синтез ферментов. Затем вернусь к этому месту и опишу, как Моно с коллегами во всем разобрались.

Тем «игроком», которого требовалось открыть Моно, был другой белок, действующий в качестве посредника между ферментом и лактозой. Этот белок называется репрессором, так как его задача заключается именно в угнетении синтеза фермента β-галактосидазы. Такая обратная логика осознается, как только понимаешь, что лактоза не оказывает прямого положительного контроля на синтез фермента. На самом деле лактоза ингибирует репрессор, который в таком случае прекращает угнетать синтез фермента.

Рис. 3.5

Индуцирование синтеза фермента. Когда индуктор, например лактоза, добавляется в популяцию E. coli, синтезируется фермент β-галактосидаза. При удалении индуктора синтез фермента останавливается

Из работы Моно и Жакоба (1961), перерисовано Лиэнн Олдз

Логика такова: минус на минус дает плюс.

Закон двойного отрицания при ферментной регуляции имеет огромный биологический смысл: в отсутствии лактозы фермент, расщепляющий сахар, не нужен, и репрессор не дает синтезировать фермент (ниже и далее в книге отрицательная регуляция обозначается символом ┴); если лактоза присутствует, то она ингибирует репрессор; таким образом, ген фермента включается, фермент расщепляет сахар и обеспечивает клетку энергией.

Такая красивая логика и экономия у простейшей бактерии.

Чуть ниже я подробно расскажу, как работает репрессия, но, на мой взгляд, важность ферментной регуляции здесь и далее в контексте книги заключается не в тонкостях, а в логике как таковой. Прорыв удалось совершить, как только ученые начали мыслить непредвзято. Наблюдая какой-либо феномен, мы склонны выбирать наиболее прямолинейное объяснение, где цепочка причинно-следственных связей состоит из минимального количества звеньев. Если мы видим, как машина едет по улице, то считаем, что водитель жмет газ, а не отпускает тормоз.

Когда наличие A (например, сахара) приводит к появлению B (фермента), мы логически выводим положительную связь: A вызывает B. Нужно подключить воображение, чтобы представить себе иное объяснение: A ингибирует нечто третье (репрессор), который в свою очередь ингибирует B.

Но оказывается, что жизнь – от молекулярного уровня вплоть до экологического – обычно управляется более длинными цепочками причинно-следственных связей, чем кажется на первый взгляд, с большим количеством звеньев. Нужно знать каждое из этих звеньев и природу взаимодействий между ними, чтобы по-настоящему понимать законы регуляции и уметь вмешиваться в их работу.

Чтобы открыть репрессор и понять логику ферментной регуляции, Моно требовалось выйти из плоскости.

 

Открытие репрессора

Новый подход заключался в использовании генетики. Допустим, вас интересует, как приобретается какой-либо видимый признак, например розовый оттенок цветка. Можно найти ответ методом биохимии: растереть цветок и попытаться выделить все его ферменты, благодаря которым розовый оттенок возникает на материале простых химических веществ. Этот метод сложный и длительный.

Либо можно использовать генетику. Берем семена нескольких растений с розовыми цветами, выращиваем тысячи цветов и ищем среди них те немногие, лепестки которых оказались не розовыми, а, например, белыми. У каждого такого цветка имеется генетический дефект, мутация в гене, отвечающем за розовый цвет лепестков. Затем займемся изучением этих генов.

Значительное преимущество генетического подхода заключается в том, что он объективен, и нам достаточно просто взглянуть на цветы, чтобы найти растения с мутациями в интересующих нас генах. Мы не делаем никаких предположений о количестве «игроков» и о том, что они делают. Генетический метод позволяет обнаружить «игроков», к примеру, не являющихся ферментами. Катализатором многих важнейших прорывов в биологии и медицине за последние полвека оказался генетический метод. В следующих двух главах я приведу два важных примера такого рода из области медицины.

Моно с коллегами искали у бактерий такие мутации, которые нарушали синтез β-галактосидазы. Они выделили два типа мутантов. У первых синтезировался дефективный фермент β-галактосидаза, что было связано с мутациями в самом гене, кодирующем этот фермент. Такие мутации были ожидаемы. Но особенно интересны были мутации второго типа: мутантные бактерии синтезировали фермент и в отсутствие лактозы. Они производили фермент все время (конститутивно), независимо от наличия лактозы. У этих мутантов была нарушена нормальная регуляция синтеза фермента, механизм «включения» и «выключения». Конститутивные мутации возникали не в гене фермента, а в другом гене, но каким-то образом нарушали ферментную регуляцию.

Понимание того, как действует этот «игрок», стало ключом к пониманию ферментной регуляции. Но сперва Моно был озадачен. Он попытался интерпретировать конститутивных мутантов сквозь призму индуктора, действующего в качестве положительного регулятора синтеза фермента. Ученый рассуждал, что если мутантная бактерия не нуждалась в индукторе, чтобы синтезировать фермент, то мутанты должны сами синтезировать «внутренний» индуктор β-галактосидазы. Ошибку в логике Моно удалось обнаружить только после того, как к работе подключился новый человек.

 

Открытие закона двойного отрицания

Этим человеком стал Франсуа Жакоб. До войны Жакоб планировал стать хирургом, но его карьера рухнула после тяжелого ранения в Нормандии, которое он получил, будучи фронтовым врачом. Тогда Жакоб занялся наукой и по счастливой случайности оказался в лаборатории Львова, совсем рядом с Моно. Жакоб изучал другой феномен: он интересовался тем, как бактериальным вирусам удается подолгу скрываться внутри бактерий, пока какой-нибудь фактор не спровоцирует взрывное размножение такого вируса. Достаточно скоро Жакоб разработал важные методы изучения бактериальных генов. Он присоединился к Моно в 1957 г., и его новый инструмент генетического характера наконец-то позволил разгадать логику ферментной регуляции.

В отличие от людей и большинства животных, у которых имеется по две копии каждой хромосомы (по одной от каждого из родителей) и по две копии большинства генов, у E. coli каждая хромосома и каждый ген присутствуют в одном экземпляре. Одним из передовых приемов, которым стал пользоваться Жакоб, стала передача генов от бактерии к бактерии. Таким образом ему удалось получить бактерии с дополнительными копиями генов и проверить, как влияет на бактерию смешивание мутантных генов с обычными. Если Моно был прав насчет конститутивных мутантов, то при совмещении в одной бактериальной клетке нормальной и мутантной копии гена должен был образовываться внутренний индуктор, что привело бы к постоянному синтезу фермента.

Но когда Жакоб и прикомандированный американский ученый Артур Парди поставили такой опыт, они получили прямо противоположный результат: чтобы синтезировать фермент, бактерии требовался индуктор (лактоза). Сначала исследователи растерялись. Может быть, они допустили какую-то техническую ошибку? Но дело было не в этом: повторные эксперименты давали аналогичный результат.

Если технических ошибок не было, то, возможно, были логические. Действительно, именно на это указал Моно и Жакобу Лео Сцилард, физик, ставший биологом и часто наведывавшийся в Институт Пастера. Может быть, они неверно понимали индуктор? Может быть, индуктор не запускает синтез фермента напрямую, как полагал Моно, а ингибирует отрицательный регулятор синтеза фермента?

Бинго. Закон двойного отрицания все ставил на свои места.

Конститутивные мутанты не синтезировали внутренний индуктор, просто у них в ферментной регуляции не хватало одного звена – репрессора синтеза фермента. Из-за отсутствия репрессора мутанты могли непрерывно синтезировать фермент без индуктора. А когда у бактерии была одна рабочая копия гена репрессора и одна – мутантная, рабочая копия доминировала и угнетала синтез фермента до тех пор, пока не поступал индуктор.

Как только Моно и Жакобу удалось избавиться от ошибочной трактовки, предполагавшей простые причинно-следственные связи, они стали мыслить по-новому и обнаружили закономерности, которые ранее не могли заметить ни они, ни кто-нибудь еще.

Однажды воскресным вечером Жакоб с женой смотрел фильм в парижском кинотеатре. В какой-то момент он отвлекся и погрузился в мысли о тайне, которую пытался разгадать уже много лет. В некоторых бактериях находились скрытые вирусы, которые могли обнаружить себя под действием ультрафиолета. Жакоб не мог понять, как действует этот механизм. Идея о возможной связи между тем, чем занимается Жакоб, и исследованиями Моно, осуществляемыми в другом конце коридора института, никому и в голову не приходила. По крайней мере до тех пор, пока в темноте кинозала перед мысленным взором Жакоба не возник вирус, каким-то образом упакованный со всем множеством своих генов внутри бактерии.

Тут ученого осенило: активация вируса подчинялась той же логике, что и двойной отрицательный механизм индуцирования ферментов. Вероятно, вирусные гены также угнетались репрессором до тех пор, пока этот репрессор не разрушался или не исчезал под действием ультрафиолета, что позволяло включиться вирусным генам.

То, что представлялось положительной активацией, на деле опять оказалось ингибированием репрессора.

Получив в качестве подтверждения два, казалось бы, совершенно разных феномена, Моно и Жакоб предположили, что в клетке присутствуют белки двух основных типов: структурные (например, ферменты, катализирующие химические реакции в клетках, или белки, образующие части вируса) и регуляторные (контролирующие, какие структурные белки будут или не будут синтезироваться в зависимости от условий). Итак, на уровне регуляции не все белки равны. Некоторые белки нужны для контроля над другими. Моно теперь мог всегда определить отрицательную регуляцию и найти ее другими способами.

 

Обратная связь

Бактерии и другие организмы способны не только расщеплять питательные вещества на полезные соединения, но и синтезировать важные соединения из более простых компонентов. Белки, осуществляющие всю работу в живом организме, состоят из «кирпичиков», называемых аминокислотами. Если выращивать бактерии в простом растворе, где содержится два источника углерода – глюкоза и углекислый газ, – то они могут синтезировать все 20 аминокислот.

Однако если предложить бактерии конкретные аминокислоты, то синтез других аминокислот быстро прекращается. Такая стремительная реакция подсказывает, что при изобилии определенной аминокислоты бактерия активирует особый механизм, останавливающий работу синтезирующих ее ферментов.

В 1950-е многие биохимики напряженно пытались определить, какими способами синтезируются различные аминокислоты. Они обнаружили, что синтез каждой аминокислоты обычно «включает» многоэтапный «путь», на котором первичный химический предшественник (P) изменяется в ходе последовательных реакций с участием ферментов и превращается в аминокислоту. Эти «пути» схематически изображаются как цепочки последовательно возникающих продуктов реакций (I1, I2 и т. д.), причем продукт каждой реакции возникает под действием отдельного фермента.

Р → I1 → i2… → аминокислота

Например, удалось установить, что если предоставить бактериям аминокислоту триптофан, то останавливается синтез промежуточного вещества. Это означает, что триптофан действует на фермент, находящийся в начале «пути». Аналогичным образом выяснилось, что при наличии аминокислоты изолейцина также ингибируется действие первого фермента в его синтетическом «пути».

Благодаря этим открытиям появилась концепция отрицательной обратной связи, согласно которой соединения реагируют на собственный синтез, и тем самым осуществляется контроль уровня веществ в клетках. Впоследствии изучение всевозможных биосинтетических «путей» показало, что отрицательная обратная связь не просто распространена, но и практически всегда осуществляется последним компонентом биохимического «пути», ингибирующим первый фермент данного «пути».

Подобно закону двойного отрицания индуцирования ферментов, закон отрицательной обратной связи в биохимических «путях» также имеет огромный биологический смысл: при переизбытке конечного продукта биохимического «пути» клетки не тратят энергию на синтез этого вещества или каких-либо промежуточных продуктов, но, когда концентрация низка, механизмы синтеза не ингибируются, и клетка получает нужный продукт.

Эти первопроходческие исследования бактерий выявили четыре основных способа, которыми одни молекулы могут влиять на множество молекул другого вещества. Эти способы базируются на наборе общих правил и на логике регуляции, которая, как мы увидим, управляет разнообразными процессами в живых организмах (если хотите, сделайте закладку на этой странице).

ОБЩИЕ ПРАВИЛА РЕГУЛЯЦИИ И ЛОГИКА ЖИЗНИ

 

Второй секрет жизни

Открытие репрессоров и ингибирования по типу обратной связи подогрело интерес к следующей проблеме: как именно два этих вида регуляции действуют на молекулярном уровне. Что именно делает репрессор? Как действуют индукторы? Как осуществляется обратная связь?

Однажды поздним вечером осенью 1961 г. Жак Моно вошел в лабораторию к своей коллеге Агнес Улльманн. Моно, обычно одетый с иголочки, энергичный, выглядел усталым и обеспокоенным, его галстук был расслаблен. Выдержав некоторую паузу, он сказал Улльманн: «Думаю, я открыл второй секрет жизни».

Улльманн подумала, что Моно выглядит неважно, поэтому предложила ему присесть и выпить виски – это был любимый напиток Моно. Пропустив один-два стаканчика, Моно встал и пустился в долгие объяснения. Он был не болен. В отличной форме. Моно еще раз рассмотрел многолетние наблюдения репрессии и ингибирования по типу обратной связи и наконец предложил унифицированное объяснение обоих феноменов.

Моно совершил этот прорыв, зарисовав контуры и размеры молекул. Он размышлял о ферменте, который тогда исследовали у него в лаборатории. Ферменты – это крупные белки, их молекулы более чем в 100 раз превосходят по размеру молекулы тех веществ, на которые они воздействуют (так называемые субстраты), – например, молекулы сахаров или аминокислот. Подобно тому как ключ входит в замок, субстрат плотно входит в просвет фермента, именуемый активным центром, где он расщепляется или видоизменяется.

Фермент, изучением которого тогда занимался Моно, является первым веществом в биохимическом «пути», приводящем к синтезу аминокислоты изолейцина. Он воздействует на субстрат под названием «треонин» и ингибируется изолейцином – конечным продуктом данного биохимического «пути». Моно пытался понять, как маленькая молекула изолейцина может вклиниться в активный центр фермента и выключить его. Но тут его осенило: изолейцин совсем не похож по форме на треонин. Может быть, он просто не влезает в эту полость?

Затем Моно подумал о других ферментах, ингибируемых по типу обратной связи, и осознал, что с ними происходит то же самое: они ингибируются молекулами, очень отличающимися по форме от молекул субстратов. Что бы это значило? Моно понял, что место, к которому прикрепляется ингибитор, не должно совпадать с активным центром. В ферменте – «замке» – должно быть две «скважины»: одна – для субстрата, и одна – для ингибитора.

Каким-то образом связывание с ингибитором изменяло форму фермента таким образом, что он больше не мог связываться со своим субстратом («скважина» закрывалась). Моно назвал этот феномен аллостерией (от греческих слов «allos» – «другой» и «stereos» – «пространственный, объемный»). Ученый считал аллостерию важным механизмом, регулирующим работу белков (рис. 3.6, вверху).

В тот памятный вечер вся мозаика сложилась. Индуктор и репрессор действовали по тому же принципу, что и обратное ингибирование, – путем аллостерии. Репрессор также должен был иметь два активных центра: один – для связывания ДНК, другой – для индуктора. Когда индуктор отсутствует, репрессор связывается с ДНК и таким образом выключает ген; когда индуктор есть и связывается с репрессором, физическая форма репрессора из-за этого изменяется, репрессор не может связаться с ДНК, и это позволяет гену включиться (см. рис. 3.6, внизу).

Моно мог двумя путями доказать простую, но великую унифицирующую идею: мелкие молекулы (аминокислоты, индукторы) управляют формой и активностью крупных молекул (белков). Объединив два, казалось бы, неродственных феномена – репрессию ферментов и ингибирование по типу обратной связи, – Моно определил потенциальные общие принципы. Аллостерия, например, позволяла объяснить, как небольшие молекулы гормонов или нейротрансмиттеров регулируют работу эндокринной и нервной системы. Моно, потрясенный вероятными масштабами этой идеи, отправился к Улльманн, чтобы услышать ее мнение.

Рис. 3.6

Аллостерия – основа ингибирования по типу обратной связи и индукции ферментов. Сверху: субстрат входит в активный центр фермента; ингибитор – в другую щель. Когда ингибитор прикрепился, форма активного центра видоизменяется таким образом, что субстрат в него больше не входит. Снизу: один центр репрессора связывает ДНК, другой – лактозу. Когда лактоза прикрепится, форма репрессора изменяется, и он больше не связывает ДНК, поэтому может включиться ген фермента

Иллюстрация Лиэнн Олдз

Тогда как ДНК была первым секретом жизни, аллостерия, вероятно, была вторым, поскольку позволяла понять, как регулируется работа генов и белков. Нобелевский комитет счел это, как и все остальные открытия Моно и Жакоба, достойным Нобелевской премии по физиологии и медицине, которая и была присуждена им в 1965 г.

 

E. coli и слоны

Важность исследований Моно и Жакоба определялась не конкретными деталями разгадки тайны регуляции фермента β-галактосидазы у E. coli. Сила их идей, как и идей Элтона и Кеннона, заключалась в оригинальности и универсальности открытых учеными законов регуляции.

Подобно тому как Элтон представил экосистему в качестве сообщества организмов, взаимодействующих друг с другом при помощи пищевых цепей, а Кеннон – тело как систему органов, связанных на уровне нервной и эндокринной системы, Моно и Жакоб изобразили клеточную жизнь как «сообщество макромолекул, объединенных сложной системой коммуникаций, регулирующих одновременно и синтез, и активность этих молекул».

Моно и Жакоб живо и ярко объяснили, каково значение их открытий, сделанных исключительно при изучении одноклеточных бактерий, для понимания сложных феноменов в жизни гораздо более сложных организмов. Мастерски объединив все, что было изучено к 1961 г., они афористично отметили: «Существует аксиома: все, что подтверждается для E. coli, должно подтверждаться и для слона».

Это было скорее смелое желание, чем проверенный и общепринятый факт, что, однако, не мешало их рассуждениям. Признавая, что регуляция в высших организмах должна быть «неизмеримо» более сложной, они предполагали:

С другой стороны, представляется очень маловероятным, что основные механизмы, выявленные у низших форм, – аллостерическое ингибирование, индуцирование и репрессия – не должны присутствовать у дифференцированных организмов. Понятно, что эти механизмы по природе своей могут быть адаптированы к самым разнообразным ситуациям и могут служить для самых разных целей у E. coli и у человека.

Не только эти механизмы, но и закон отрицательной регуляции представлялась Моно и Жакобу предельно важной для высших организмов. Понимая, что раковые клетки теряют чувствительность к «условиям, контролирующим клеточное деление в здоровых тканях», они предполагали, что онкологические заболевания могут быть обусловлены генетическими мутациями или иными факторами, отключающими репрессор, который управляет делением клеток.

Как мы сможем убедиться в главах 4 и 5, их размышления не просто оказали значительное влияние на развитие науки, но и явились провидческими.

 

Двадцать девятого июня 1935 г. американец Ансел Киз и англичанин Брайан Мэтьюз разбили лагерь близ вершины пика Ауканкильча в северном Чили, на высоте около 6100 м. Они выстроили простое укрытие от снега, вертикально укрепив несколько жердей и накрыв их одеялами, а затем заползли внутрь, чтобы уберечься от ветра и ночных температур – мороз достигал –50 °C. Они оставались в этом лагере целых 15 дней и за это время несколько раз поднимались на вершину. На тот момент пик Ауканкильча являлся одним из самых высоких покоренных пиков в Андах. А эти бесстрашные скалолазы были вовсе не профессиональными альпинистами, а учеными-физиологами: Киз – из Гарварда, а Мэтьюз – из Кембриджского университета. Оба они входили в состав Международной высотной экспедиции (IHAE) из 10 исследователей, отправившихся в Чили, чтобы изучить, как человеческий организм приспосабливается к экстремальным высотам.

На высоте более 5330 м на склоне Ауканкильча находится самое высокогорное постоянное поселение в мире, а на высоте почти 5800 м прорыта самая высотная шахта. Эта «высотнейшая» экспедиция была самым долгим, оснащенным по последнему слову техники и максимально сложным в реализации научным проектом, призванным изучить, как люди могут жить и работать в столь суровых условиях.

Если одним из признаков настоящего ученого является отвага, заставляющая идти туда, куда влечет любопытство, – Кеннон, Элтон и Моно принадлежали к людям именно такого сорта, – то Киз был образцовым представителем этой когорты. Он бросил школу в 15 лет, решив разгребать помет летучих мышей в аризонской пещере, затем трудился на золотом прииске в штате Колорадо рабочим-взрывником – подносил порох рудокопам. Вернувшись в школу и закончив ее, Киз стал изучать химию в колледже, разочаровался и нанялся смазчиком на океанский пароход, ходивший в Китай. Выжив на пайке, состоявшем «в основном из алкоголя», Киз вернулся в колледж, получил степень по экономике, а затем всего за полгода – еще и степень по биологии. Затем он поступил в Институт Скриппса в городе Ла-Хойя, штат Калифорния, где получил степень PhD по океанографии и биологии, потом учился в Кембриджском университете, где получил еще и степень PhD по физиологии. Наконец, он стал работать в Гарвардской лаборатории исследования усталости и занялся организацией экспедиции IHAE в Чили.

Рис. 4.1

Ансел Киз в Андах. У Киза (лежит на спине) берут кровь на высоте 6138 м, чтобы проверить, как организм реагирует на большие высоты

Из работы Keys, A. (1936) «The Physiology of Life at High Altitudes». Scientific Monthly 43(4): 309

Второй по распространенности элемент одиссеи любого ученого – это инстинктивная прозорливость (серендипность). Вспомните злых котов Кеннона, книгу о леммингах, которую Элтон купил в Тромсё, странную кривую роста, обнаруженную Моно. Для Киза подобную роль сыграл вызов из армии. В течение шести дней, проведенных у самой вершины Ауканкильча, Киз и Мэтьюз были вынуждены питаться только сублимированной пищей, запивая ее водой. Разумеется, такой ценный опыт был интересен армейским снабженцам. Когда в Европе началась война, военные сочли, что целесообразно разработать какой-либо легкий непортящийся паек, которым могли бы питаться десантники, дожидаясь подхода основных сил. Поэтому Киза вызвали на консультацию в квартирмейстерскую службу Министерства обороны.

К тому времени Киз перебрался в Университет Миннесоты. К нему в Миннеаполис прибыл полковник, и они вместе пошли за покупками в лучший гастроном городов-близнецов. Потом они распределили еду по бумажным пакетам и отнесли их на местную военную базу для испытаний. После дальнейших исследований, проводившихся на военной базе Форт-Беннинг, штат Джорджия, были определены ингредиенты пайка энергетической ценностью около 3000 калорий. Туда входили: кусок сухой колбасы или банка консервов, сухари, плитка шоколада, полоска жевательной резинки, спички и пара сигарет. Все это упаковывалось в непромокаемый пакет, помещавшийся в кармане. Этот паек стали производить под названием «К-рацион» (где «К» предположительно означало «Киз»), к 1944 г. было выпущено более 100 млн таких пайков.

После войны Киз сконцентрировался на других проблемах. Его заинтересовала статистика из охваченной голодом Европы: там значительно снизилась смертность от сердечных заболеваний, тогда как многие знаменитые американцы умирали от сердечного приступа. Почему у некоторых мужчин случается приступ, а у других нет? Киз набрал мужчин-добровольцев из Миннеаполиса в возрасте от 44 до 55 лет и окрестностей в количестве 281 человек и начал лонгитюдное исследование. Его интересовало, как риск сердечного приступа соотносится с 60 различными факторами, в частности с диетой.

Пока шло миннесотское исследование, Киз ездил по всему миру с лекциями о сердечных приступах. Когда коллега из Неаполя заявил, что в это городе сердечные приступы не представляют особой проблемы, Киз отнесся к этому скептически и решил изучить вопрос. Исследовав группу неапольских пожарных, он обнаружил, что у них в крови гораздо меньше холестерина, чем у американских бизнесменов. Мало холестерина было и у испанских бедняков. Киз счел, что корреляция очевидна: богачи питались более жирной пищей, поэтому у них повышалась вероятность сердечного приступа.

Но коллеги-врачи скептически восприняли идею о связи между диетой, уровнем холестерина в сыворотке крови и сердечными приступами. Поэтому Киз и его соратники организовали беспрецедентное по масштабу международное исследование риска сердечных заболеваний, в котором участвовали более 12 000 мужчин из различных стран мира: Югославии, Италии, Греции, Финляндии, Нидерландов, Японии и США. Рацион в этих странах очень различается. «Исследование семи стран» началось в 1958 г., мужчины должны были проходить обследование каждые пять лет.

В 1963 г. были получены результаты обоих исследований. Наблюдая предпринимателей из Миннесоты в течение 15 лет, Киз выявил основной фактор риска, связанный с сердечными приступами: уровень холестерина в сыворотке крови. У мужчин, имевших более 260 мг холестерина на 100 мл крови, риск сердечного приступа был впятеро выше, чем у мужчин с уровнем холестерина менее 200. «Исследование семи стран», когда были подведены итоги первых пяти лет, показало такой же результат. Например, у жителей восточной Финляндии уровень холестерина составлял в среднем 270 мг, и они умирали от сердечного приступа в среднем впятеро чаще хорватов, уровень холестерина в крови которых не превышал 200 мг.

Теперь Киз располагал серьезными доказательствами, что люди заболевают из-за особенностей своего рациона питания. К тому времени уже на протяжении полувека было известно, что в атеросклеротических бляшках со стенок аорты содержалось как минимум в 20 раз больше холестерина, чем в нормальных тканях аорты. Если животные получали много холестерина с пищей, у них развивались гиперхолестеринемия и атеросклероз. Но именно вышеупомянутые крупномасштабные эпидемиологические исследования помогли обосновать связь между высоким уровнем холестерина и сердечным приступом у человека, привлечь внимание к этому риску.

Однако эти корреляции не объясняли, как лечить сердечников, чтобы восстановить их здоровье. Холестерин – это не угроза, от которой нужно просто избавиться, молекула холестерина жизненно важна. Это важнейший компонент мембран всех животных клеток, он помогает создавать барьеры между отдельными клетками и средой, в которой они находятся. Холестерин модулирует текучесть мембраны и подвижность других молекул внутри нее. Более того, холестерин – представитель важного класса молекул, стеринов, являющихся предшественниками гормонов-стероидов, в том числе кортизола, половых гормонов тестостерона и эстрогена. Также холестерин входит в состав желчи, критически важной для пищеварения. Итак, важная проблема заключалась в следующем: как поддерживать безопасный для здоровья уровень стеринов, то есть гомеостаз холестерина. В начале 1960-х сердечные заболевания являлись основной причиной смерти среди взрослых американцев. Чтобы переломить ситуацию (если это вообще было возможно), требовалось знать законы регуляции холестерина.

Важнейшие сведения о регуляции холестерина удалось получить благодаря двум молодым врачам, которые, вдохновившись идеями Моно и Жакоба, решили действовать точно так же. Во-первых, они стали работать над проблемой сообща. Во-вторых, решили изучать таких людей, у кого была нарушена регуляция синтеза ферментов – как и у конститутивных бактерий-мутантов, с которыми работали Моно и Жакоб. Затем, анализируя эти человеческие мутации, они методично выстроили логику регуляции холестерина. Ровно через два года после Моно и Жакоба эти двое также отправились в Стокгольм – получить свои Нобелевские премии.

 

Открытие обратной связи

Джо Голдштейн и Майк Браун познакомились в 1966 г., еще будучи интернами в Общеклинической больнице штата Массачусетс в Бостоне, где посменно дежурили в палате интенсивной терапии. Хотя Голдштейн вырос в небольшом городке в штате Южная Каролина, а Браун – в Нью-Йорке и Филадельфии, они сразу нашли общий язык. После длительных дежурств они, в отличие от других молодых врачей, подолгу обсуждали, какие патологии могут быть связаны с теми случаями, что им приходится наблюдать.

Отработав практику в Бостоне, оба перебрались в Национальные институты здравоохранения (NIH) в город Бетесда, штат Мэриленд, где стали клиническими наблюдателями, которые должны были не только заниматься исследованиями, но и вести пациентов. Голдштейн получил назначение в Национальный институт сердца. В самом начале работы ему попались двое особых пациентов – шестилетняя девочка и ее восьмилетний брат, оба ребенка страдали от сердечных приступов. Для Голдштейна это был настоящий момент истины.

Брат и сестра попали в больницу NIH, так как страдали заболеванием под названием «семейная гиперхолестеринемия». Эта наследственная болезнь встречается в двух формах. Первая, гетерозиготная, встречается примерно у одного из 500 человек. У таких людей есть одна копия мутантного гена, из-за которого уровень холестерина держится в диапазоне 300–400, сердечные приступы у них начинаются уже в возрасте около 35 лет. Совсем редко встречается гомозиготная форма, примерно один случай на 1 млн человек. Эти больные имеют две копии мутантного гена, у них совершенно астрономический уровень холестерина (около 800), и сердечные приступы у них начинаются уже в пятилетнем возрасте.

У брата с сестрой из Техаса была именно тяжелейшая гомозиготная форма. Голдштейн рассказал Брауну о детях, и они оба стали размышлять, какой дефект мог спровоцировать такой зашкаливающий уровень холестерина. Несмотря на то что оба были загружены работой в NIH, молодые врачи находили время на вечерние курсы по различным дисциплинам. На одном из этих курсов подробно обсуждались идеи Моно и Жакоба о регуляции. В университете Голдштейн и Браун выучили, что синтез холестерина подчинялся обратной регуляции: когда собак кормили пищей с высоким содержанием холестерина, синтез холестерина в организме угнетался. Может быть, предположили двое врачей, у пациентов с семейной гиперхолестеринемией нарушена обратная регуляция холестерина?

Тогда как большинство их талантливых сокурсников планировали сделать исследовательскую карьеру в онкологии, нейрофизиологии и других престижных дисциплинах, Голдштейн и Браун решили работать вместе и всерьез заняться изучением регуляции холестерина. «Это просто жирные капельки», – подначивали их приятели. Но Голдштейн и Браун игнорировали такие насмешки и, перебравшись в Юго-Западный медицинский центр при Университете Техаса, официально объединили свои лаборатории. Всего через два года, работая без выходных, они смогли приоткрыть тайну холестеринемии и понять логику регуляции холестерина, поставив ряд изящных экспериментов.

К тому моменту, как они начали свою работу, уже был расшифрован биохимический «путь», приводивший к образованию молекулы холестерина, содержавшей 27 атомов углерода, из молекул предшественника, в которых было всего по два атома углерода. Это достижение стало результатом серии открытий, за которые было присуждено в общей сложности 11 Нобелевских премий. Биохимический «путь» включал в себя около 30 ферментов, но было известно, что активность синтеза холестерина определяется на первом этапе «пути», где образуется вещество с длинным названием: 3-гидрокси-3-метилглютарил-кофермент А редуктаза. Я буду называть его просто редуктазой, так как это единственный фермент, о котором пойдет речь в этой главе, и в данном случае несущественно, как именно он работает. В данном случае, как и в предыдущем, важна сама логика регуляции.

Брауну и Голдштейну требовалось изучить активность редуктазы у человека, но, поскольку этот фермент действует в печени, поставить такие опыты на людях было бы сложно. Тогда они разработали способ наблюдения за ферментом в клеточных культурах, взятых у человека и выращиваемых в пробирке. Чтобы клетки росли в культуре, им требуются питательные вещества, обычно предоставляемые в виде сыворотки. Один из первых феноменов, открытых Брауном и Голдштейном, заключался в следующем: активность редуктазы подвергалась отрицательной регуляции со стороны какого-либо компонента сыворотки; в присутствии сыворотки активность снижалась, а при отсутствии сыворотки – десятикратно возрастала.

Тогда они захотели выяснить, какой компонент сыворотки подавляет активность редуктазы. Они полагали, что все дело в каком-нибудь липидосодержащем веществе, поэтому проверили активность ЛПНП (липопротеина низкой плотности), ЛВП (липопротеина высокой плотности) и фракций, не содержащих липидов. Оказалось, что именно ЛПНП, но не ЛВП и не другие фракции был мощным ингибитором активности фермента.

Исходя из логики и открытий Моно и Жакоба, Голдштейн и Браун предположили, что у пациентов с гиперхолестеринемией, страдавших избытком холестерина, могли возникать мутации в гене редуктазы, из-за которых этот фермент не поддавался регуляции со стороны ЛПНП. Первая серия экспериментов, казалось бы, подкрепляла эту версию. Когда клетки пациентов с семейной гиперхолестеринемией выращивались в культурах, Голдштейн и Браун отмечали, что активность редуктазы в этих клетках в 40–60 раз выше, чем в клетках здоровых людей, и что ЛПНП не влияет на активность фермента в них.

Но следующий эксперимент позволил отмести идею о том, что у пациентов с семейной гиперхолестеринемией изменяется редуктаза как таковая, зато подсказал иную возможность. ЛПНП – это структура, в состав которой входят и белки, и липиды, в том числе холестерин. Браун и Голдштейн предположили, что холестерин является действующим веществом, подавляющим активность фермента. Поэтому они стали «кормить» клетки холестерином, не содержавшим липопротеинов, и в результате обнаружили, что холестерин – действительно мощный ингибитор активности фермента в клетках здорового человека, но с удивлением заметили, что холестерин также снижает активность редуктазы в клетках пациентов, страдающих семейной гиперхолестеринемией. Таким образом, редуктаза у таких пациентов была не менее чувствительна к обратному контролю холестерина, чем у здоровых людей, за исключением случаев, когда холестерин присутствовал только в составе ЛПНП.

Поскольку дефект у пациентов с семейной гиперхолестеринемией был связан не с ферментом-редуктазой, причина должна была заключаться в чем-то ином, в каком-то факторе, о котором Голдштейн и Браун пока не знали. Поскольку холестеринсодержащий ЛПНП циркулирует вне клеток, возможно ли, что у пациентов с семейной гиперхолестеринемией была нарушена передача холестерина из внеклеточного ЛПНП в сами клетки?

Браун и Голдштейн предположили, что вне клеток может существовать специфический рецептор ЛПНП. Чтобы проверить эту идею, они поставили схожий эксперимент. Они снабдили частицы ЛПНП радиоактивными «метками», чтобы измерить, насколько активно они связываются с клетками. Выяснилось, что меченые частицы ЛПНП связывались именно со здоровыми клетками, но не с клетками, пораженными семейной гиперхолестеринемией. Этот эксперимент выявил специфичный рецептор ЛПНП в здоровых клетках, который, однако, отсутствовал в клетках пациентов с семейной гиперхолестеринемией. Действительно, в регуляции уровня холестерина участвовал еще какой-то фактор.

Браун и Голдштейн выяснили, как действует рецептор, доставляющий холестерин извне клеток в сами клетки. Белковая часть ЛПНП несет холестерин и пристыковывается к рецептору, затем молекулы холестерина внутри клеток отделяются от белка и, уже будучи в клетках, могут регулировать активность редуктазы. Открытие рецептора ЛПНП объясняло, почему циркулирующий ЛПНП не может регулировать синтез холестерина у больных семейной гиперхолестеринемией, а у здоровых людей – может.

Браун и Голдштейн также установили, что количество рецепторов ЛПНП на клетках подчиняется обратной регуляции так же, как и редуктаза: когда уровень холестерина в клетках низок, увеличивается количество рецепторов ЛПНП и активность редуктазы; когда уровень холестерина высок, количество рецепторов и активность редуктазы снижаются. Это абсолютно логично, поскольку клетки могут поддерживать стабильный уровень холестерина: когда уровень холестерина низок, клетки извлекают холестерин из кровотока, а также синтезируют его; когда холестерина достаточно, угнетаются как редуктаза, так и рецепторы ЛПНП.

Более 93 % всего холестерина в организме содержится в клетках, он для них жизненно важен. Но 7 % циркулирует в крови; примерно две трети от этой доли – в форме ЛПНП, треть – в форме ЛВП. Эпидемиологические исследования и опыты на животных показали, что именно циркулирующий в крови ЛПНП-холестерин («плохой холестерин») – основная причина образования бляшек и возникновения сердечных заболеваний. Можно ли было использовать в медицине открытия Голдштейна и Брауна о законах регуляции холестерина? Эти двое даже не подозревали, что семена медицинской революции уже посажены очень далеко от Техаса.

 

«Пенициллин» для холестерина?

Акира Эндо рос в большой семье на ферме в японской префектуре Акита. Дедушка поддерживал его интерес к медицине и естествознанию, рассказывая маленькому Акире о природе. В 10-летнем возрасте Эндо увлекался грибами и плесенью. Он узнал, что существуют грибы, смертельно опасные для мух, но не для людей. В колледже он познакомился с новаторскими работами Александра Флеминга, открывшего антибиотик пенициллин – вещество, образующееся в голубовато-зеленой плесени Penicillium.

Закончив колледж, Эндо устроился на работу в фармацевтическую компанию «Санкё» в Токио, где первое время занимался пищевыми добавками. Получив задание найти такой фермент, который позволил бы уменьшить содержание мезги в вине или сидре, Эндо исследовал более 200 штаммов плесени. Он нашел грибок-паразит, который рос на виноградинах и синтезировал нужные ферменты. После того как этот продукт стал хорошо продаваться, Эндо заинтересовался другим веществом – холестерином.

Когда эпидемиологические исследования, связывающие сердечные заболевания с высоким уровнем холестерина, получили широкую известность, Эндо, как и научные сотрудники многих фармацевтических компаний, подумал: ингибиторы синтеза холестерина могут оказаться очень важными лекарствами. Действительно, в 1960-е было разработано много препаратов, нацеленных на борьбу с повышенным холестерином, но эти лекарства в большинстве своем действовали неважно и давали тяжелые побочные эффекты. Никто не пытался использовать редуктазу.

Но у Эндо созрела оригинальная идея и был особый подход. Он хорошо знал, что плесневые грибки синтезируют всевозможные соединения, в том числе пенициллин, подавляющие рост конкурирующих с ними микробов. Он также знал, что основным стерином в клеточных мембранах некоторых грибков был не холестерин, а эргостерин. Итак, рассуждал он, возможно, некоторые грибки естественным образом выработали такое соединение, которое может ингибировать синтез холестерина в других организмах. Удастся ли найти такой «пенициллин» против холестерина?

Эндо придумал простую стратегию поиска. Он знал, что редуктаза – первый компонент в биохимическом «пути» холестерина, поэтому разработал простой анализ для выявления любого вещества, которое бы ингибировало активность фермента. Затем можно было взять выращенные в лаборатории образцы плесени и проверить, синтезирует ли какой-либо грибок ингибитор редуктазы. В апреле 1971 г. он и трое ассистентов приступили к поискам.

День за днем Эндо с коллегами выращивали и проверяли множество видов грибка – всего около 6000. Спустя два года поисков они выявили два многообещающих вида. Затем попробовали выделить активные ингредиенты соответствующих культур. Первый, полученный от грибка Pythium ultimum, оказался открытым ранее антибиотиком, который назывался «цитринин». Он ингибировал редуктазу, но, как уже установили, был очень токсичен для животных. Второе вещество, выделенное летом 1973 г., было получено от грибка Penicillium citrinum, голубовато-зеленой плесени, выросшей на рисе, приобретенном у уличного торговца в Киото. Этот грибок оказался родственным тому, из которого был получен пенициллин.

Чтобы собрать достаточное количество активного вещества для лабораторных исследований, ученые вырастили гигантскую 600-литровую емкость грибка, из которой удалось получить в общей сложности 23 мг нужного соединения – меньше обычной таблетки аспирина. Работая с этим драгоценным веществом, ученые смогли показать, что молекула, обозначенная ими ML-236B (позже названная «компактин»), является мощным ингибитором редуктазы, эффективным в малых концентрациях. Участок молекулы компактина сильно напоминал обычный субстрат редуктазы – вот почему компактин ингибировал этот фермент. Он встраивался в активный центр («замок») редуктазы – на то место, куда обычно вставал субстрат («ключ»). Таким образом, работа фермента блокировалась.

Компактин казался многообещающим препаратом. А если я добавлю, что открытое Эндо вещество оказалось первым статином – представителем класса лекарств, сегодня принимаемых 25 млн человек во всем мире, и общие продажи этого препарата в 2012 г. составили 29 млрд долл., то вы решите, что Эндо стал богатым и знаменитым, может быть, даже получил Нобелевскую премию.

Нет, ничего подобного не произошло.

Путь от открытия компактина до создания кардиологического лекарства оказался извилистым и тернистым. Это история об убеждениях и упорстве нескольких людей, в том числе Эндо, Брауна и Голдштейна, а также некоторых фармацевтических менеджеров – но никак не функционеров «Санкё».

 

От грибка к лекарству

Эндо совместно с корпорацией «Санкё»(Sankyo) опубликовал статью об открытии компактина и запатентовали новое соединение. Следующий важный этап заключался в проверке действия компактина на животных. Радовал тот факт, что соединение не вызывало никаких заметных патологий у крыс. Но кое-что и настораживало: у крыс, принимавших препарат в течение семи дней, уровень холестерина не изменялся, эффект отсутствовал и при приеме более высоких доз препарата в течение пяти недель. Компактин не работал и на мышах. Учитывая такие отрицательные результаты опытов на животных, казалось, что фармацевтических перспектив у компактина нет, а годы упорного труда Эндо пошли прахом.

Однако Эндо не сдавался. Однажды весенним вечером 1976-го он зашел в бар неподалеку от работы и встретил там коллегу, который использовал в своих исследованиях кур-несушек. Эндо успел поставить дополнительные эксперименты, оставлявшие надежду, что отрицательные результаты на крысах и мышах были связаны с тонкостями регуляции холестерина именно у этих видов и что препарат может оказаться эффективен на других животных.

Всего через месяц приема уровень холестерина у птиц снизился на 50 %! Успешные опыты с несушками сподвигли Эндо провести опыты на мартышках и собаках, у которых компактин позволил снизить уровень холестерина на 30–44 %. Учитывая близкое биологическое родство между обезьяной и человеком, эти результаты свидетельствовали о высоком потенциале препарата. Компания «Санкё» сформировала группу «Проект по развитию компактина», в которую входил Эндо, а также фармакологи, патофизиологи, химики и токсикологи, которым было поручено продолжить работу над этим лекарством.

Но как только для компактина забрезжили радужные перспективы, токсикологи заметили аномалию в клетках печени у крыс, получавших очень высокие дозы препарата. Минуло много месяцев, прежде чем было решено продолжить клинические разработки. Однако, когда уже полным ходом шли испытания на людях, токсикологи «Санкё» обнаружили другую проблему: у собак, принимавших компактин на протяжении двух лет, развивалась патология, напоминавшая рак кишечника. «Санкё» прекратила разработку компактина в августе 1980 г.

К тому времени работа Эндо в «Санкё» уже получила известность. Рой Вагелос, выдающийся специалист по липидам, возглавлял исследовательский отдел американской фармацевтической компании «Мерк». Он перешел в «Мерк» с академической должности, надеясь изменить весь процесс открытия новых лекарств. Десятилетиями компании отыскивали потенциальные препараты, исследуя множество соединений на предмет их воздействия на клетки или микробов, а не на конкретную молекулярную мишень. Вагелос стремился использовать биохимию и разработать более целенаправленные подходы. Кроме того, он провел плодотворный год в Париже, работая с Жаком Моно, поэтому научился мыслить в контексте регуляционной логики. Сопоставив работы Брауна и Голдштейна о законах регуляции холестерина и открытый Эндо грибок, естественным образом ингибировавший редуктазу, Вагелос распознал в этом потенциал для создания нового антихолестеринового лекарства.

Вагелос убедил исследователей из «Мерк» искать компактиноподобные вещества в других грибках и уже в 1979 г. открыл похожее соединение в грибке Aspergillus terreus. Это вещество, позже названное ловастатином, отличалось от компактина только наличием в молекуле дополнительной метильной группы (один атом углерода, три атома водорода). «Мерк» оперативно запустила клиническое испытание ловастатина на людях, но, как только Вагелос узнал о намерении «Санкё» прекратить испытания компактина, а также о подозрениях на развитие опухолей у собак, исследование «Мерк» также было немедленно остановлено. Компактин и ловастатин так и остались бы тупиковыми разработками, если бы не неожиданный результат, полученный в Техасе.

Браун и Голдштейн также узнали об открытии Эндо. Впечатлившись силой ингибитора фермента, они попросили образец соединения. Кроме того, они пригласили Эндо взглянуть на их лабораторию в Техасе и помогли ему с изучением эффектов компактина. Ученые с немалым удивлением обнаружили, что компактин не просто ингибирует активность редуктазы – оказалось, что под действием лекарства сами клетки начинают синтезировать гораздо больше данного фермента. Так удалось выявить важную логику двойного отрицания в законах регуляции холестерина – когда угнетается синтез холестерина внутри организма, угнетается и обратная репрессия синтеза фермента.

Теперь же, с учетом этих конкретных законов, Браун и Голдштейн обнаружили удивительную возможность Поскольку ранее они установили, что регуляция редуктазы и рецепторов ЛПНП в клетках происходит в унисон, то рассудили, что соединения, ингибирующие фермент редуктазу, также должны повышать уровень рецепторов ЛПНП. А в таком случае, если количество рецепторов ЛПНП в клетках повысится, эти рецепторы выведут из кровотока еще больше ЛПНП, снизив тем самым уровень ЛПНП-холестерина в крови, что критически важно при лечении сердечных заболеваний.

Чтобы проверить такую возможность, Браун и Голдштейн приобрели в «Мерк» небольшое количество ловастатина и стали давать его собакам. Действительно, у собак увеличилось и количество рецепторов ЛПНП, и клиренс ЛПНП в кровотоке. Результаты убедили Брауна и Голдштейна, что препарат может чистить человеческие сосуды и снижать уровень ЛПНП, но и «Мерк», и «Санкё» остановили исследования из-за данных об образовании опухолей у собак.

Голдштейн отправился в Японию и навестил Эндо, который к тому времени уже покинул «Санкё» и работал в токийском университете Ноко. Эндо сообщил Голдштейну, что, на его взгляд, никаких опухолей у собак не было – патофизиологи просто неверно интерпретировали увиденное. Он считал, что в кишечнике у собак просто скапливались большие количества неусвоенного лекарства. Эндо полагал, что аномалии – просто побочный эффект, так как собакам давали очень большие дозы препарата по сравнению с теми, что предполагалось назначать людям. Голдштейн также замечал странные структуры в клетках, испытавших воздействие очень высоких доз компактина. Возможно, опасения о токсичности компактина оказались преувеличены?

Голдштейн и Браун стремились выяснить, могут ли ингибиторы редуктазы в самом деле давать терапевтический эффект при лечении людей – особенно тех, кто подвержен максимальному риску, например пациентов с семейной гиперхолестеринемией. Поэтому они подключили к работе двух врачей, Дэвида Билхаймера и Скотта Гранди, и решили проверить, может ли ловастатин снизить уровень ЛПНП. Для этого было решено провести небольшое клиническое исследование на шестерых пациентах с семейной гиперхолестеринемией, имевших высокие уровни холестерина и ЛПНП. Как рассчитывали и надеялись ученые, благодаря лечению ловастатином увеличилось количество рецепторов ЛПНП, а уровень ЛПНП-холестерина снизился примерно на 27 %.

Воодушевившись этими результатами, Браун и Голдштейн написали Вагелосу в «Мерк». Они объяснили, как лечение «отменяет генетический дефект», связанный с недостатком рецепторов ЛПНП у пациентов с семейной гиперхолестеринемией, и предложили совершенно новаторский подход к лечению генетических заболеваний. «Можно не заменять гены, а пользоваться принципами регуляции, чтобы хорошие гены работали усерднее», – утверждали они. На тот момент прошло 10 лет после открытия компактина и три года с тех пор, как «Мерк» и «Санкё» отказались от разработки ингибиторов редуктазы. Голдштейн и Браун убеждали Вагелоса и «Мерк» возобновить эти работы «в кратчайшие сроки».

Через несколько месяцев в «Мерк» перезапустили большое клиническое исследование ловастатина, но только на пациентах из группы высокого риска, имевших запредельные уровни холестерина и страдавших сердечными заболеваниями. Функционеры по-прежнему опасались, что ловастатин обладает канцерогенными или иными токсическими свойствами. Новый директор по базовым исследованиям в компании «Мерк» доктор Эдвард Школьник полагал, что ловастатин может оказаться очень важным лекарством, если эти опасения удастся устранить, поэтому собрал группу, которой поручил провести комплексное исследование токсичности препарата. Браун и Голдштейн очень обрадовались, что Школьник подключился к проекту и стал отстаивать препарат, – все трое познакомились, еще когда работали в Общеклинической больнице штата Массачусетс. Позже Голдштейн и Школьник трудились в одной лаборатории в NIH, где крепко подружились. Вместе с бывшими коллегами Школьник отправился в Техас, чтобы максимально подробно разобраться в регуляции холестерина.

Голдштейн и Браун предложили продуманный эксперимент, который позволил бы определить, возникают ли поражения слизистой у животных непосредственно из-за действия препарата, либо их причина – в передозировке, что легко предотвратить. К восхищению Школьника, их гипотеза сработала как заклинание; никаких язв не возникло, канцерогенные процессы также отсутствовали. Школьник больше не сомневался, что ловастатин можно смело назначать людям.

Спустя два года исследований удалось выяснить, что ловастатин снижает уровень холестерина в плазме и в ЛПНП на 20–40 %. «Мерк» подала заявку на регистрацию препарата, и в августе 1987 г. она была одобрена FDA (Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов).

Но даже с учетом хороших клинических результатов и одобрения FDA врачи по-прежнему серьезно сомневались в общей полезности препарата. В конце концов, цель лечения заключалась не в снижении уровня холестерина, а в снижении смертности. Чтобы проверить полезность статинов в долгосрочной перспективе, «Мерк» впоследствии организовала пятилетнее исследование с участием 4444 пациентов, применив статин следующего поколения (симвастатин, также называемый «Зокор»). Результаты превзошли все ожидания: исследование показало ошеломительное снижение смертности от коронарных заболеваний на 42 %.

Учитывая столь явную полезность препарата, статиновая революция стала раскручиваться по полной. Во многом благодаря применению этих лекарств смертность от сердечных заболеваний в США с тех пор, как Ансел Киз забил тревогу о холестерине, снизилась почти на 60 %.

Эта революция не могла бы состояться без открытий Брауна и Голдштейна, распознавших основные законы регуляции холестерина, без оригинальной идеи Эндо – искать естественные ингибиторы редуктазы в плесени, а также без упорства руководителей «Мерк» и горстки врачей.

В 1985 г. Браун и Голдштейн за свои достижения разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине (рис. 4.2). Вагелос в 1985 г. стал главным исполнительным директором «Мерк», и следующие 10 лет в истории компании были отмечены удивительными инновациями и коммерческим успехом.

А что Эндо? Оказалось, что Эндо не получил ни копейки за свое изобретение, долгое время его вклад в разработку статинов оставался непризнан. Эта ошибка была частично исправлена в 2003 г., когда в Киото состоялся симпозиум в честь Эндо, приуроченный к 30-летию открытия компактина. В своем посвящении Браун и Голдштейн отметили: «Без Эндо статины, возможно, так и не были бы открыты… Миллионы людей, чья жизнь продолжается благодаря статиновой терапии, обязаны этим Акире Эндо и тому, что он исследовал вытяжку из примитивных грибов».

Рис. 4.2

Джозеф Голдштейн и Майкл Браун. Фотография сделана в тот день, когда было объявлено, что они совместно получат Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 1985 год

Фотография публикуется с разрешения Джозефа Голдштейна

 

Велосипед в кампусе – дело обычное, поэтому студенты могли и не обратить внимания на один красный велик, каждый день пересекавший кампус Чикагского университета. Но если бы они присмотрелись более внимательно, то с удивлением заметили бы, что едет на нем элегантная седовласая женщина. Однако и тогда они бы не догадались, что этой заправской велосипедистке 88 лет и что она, бабушка пятерых внуков, – одна из наиболее прославленных американских ученых, незадолго до того удостоенная высочайшей гражданской награды в стране – Президентской медали Свободы.

Но Джанет Дэвисон Роули была именно такой. Важнейшее достижение Роули, одной из первых исследовательниц рака, было таково: именно она доказала, что рак является генетическим заболеванием. Хотя она занималась исследованием значительно более сложных проблем, чем метаболизм сахара у бактерий или регуляция холестерина у человека, она пользовалась тем же научным методом, что Моно и Жакоб, Браун и Голдштейн, а именно – определила ситуацию, в которой законы регуляции нарушаются, и выяснила, почему это происходит. Ее прорыв позволил по-новому объяснить рак и создать новый спасительный препарат.

Рис. 5.1

Джанет Роули по дороге в лабораторию

Фотография Дэна Драя. Публикуется с разрешения University of Chicago Magazine

 

Хромосомы и бумажные куклы

Джанет Дэвисон росла в Чикаго в годы Великой депрессии. Денег не хватало, семья была вынуждена часто переезжать из одного района в другой, поэтому маленькая Джанет сменила много школ. Из-за нужды она не могла позволить себе никаких роскошеств или экзотических увлечений. Отец познакомил ее с филателией, и девочка хорошо научилась анализировать мелкие детали. В юном возрасте она уже подмечала тонкие различия между выпусками, будь то период выпуска или другие характерные признаки. Она продолжала увлекаться филателией, и когда повзрослела, а умение распознавать закономерности впоследствии очень ей пригодилось.

Проучившись в старших классах всего два года, Дэвисон выиграла стипендию на обучение по специальной программе в Чикагском университете, что позволило ей в 15-летнем возрасте поступить в университет, а затем закончить курс высшей школы и получить степень бакалавра одновременно. Дэвисон преуспела в этой атмосфере требовательности и отзывчивости, серьезно заинтересовалась биологией и медициной. Затем она подала заявку в медицинскую школу при университете и получила возможность там учиться. Но в 1944 г. девушки могли попасть на эту специальность лишь по квоте: всего три места на курсе из 65 человек. Квота уже была заполнена, поэтому Дэвисон решила выждать год. Эта пауза не слишком ей помешала – ведь когда Дэвисон поступила на медика, ей было всего 20. Она получила степень по медицине в 1948 г. и на следующий день после вручения дипломов вышла замуж за сокурсника Дональда Роули.

Хотя Дэвисон (теперь – доктор Роули) в очень юном возрасте закончила обучение и практику, исследовательской карьерой она занялась много позже. Поступая в медицинскую школу, она хотела состояться как жена и мать, считала, что профессия врача (частичная занятость) будет ей интересна. Итак, по окончании интернатуры они с Дональдом вплотную занялись семьей. Роули воспитывала четырех сыновей, а по паре дней в неделю работала в различных клиниках – сначала в Мэриленде, а затем вновь в Чикаго.

Среди первых клиник в ее карьере была такая, где лечили детей с отклонениями в развитии. В 1959 г., всего через пару лет после определения точного количества хромосом у здорового человека (46), удалось установить, что у детей с синдромом Дауна есть лишний экземпляр 21-й хромосомы. Роули, хотя и не проходила курс генетики, очень заинтересовалась наследованием генетических заболеваний. Проработав в этой клинике несколько лет, она решила взяться за более серьезные исследования.

Вскоре такая возможность представилась, когда Дональд собрался провести годичный творческий отпуск в Оксфордском университете и поработать с Говардом Флори, который в свое время делил палатку с Чарльзом Элтоном, а в 1945 г. стал одним из лауреатов Нобелевской премии за разработку пенициллина. Роули поняла, что за год пребывания в Англии она может научиться анализировать хромосомы, а затем применить этот опыт на основной работе в Чикаго. В те годы исследования велись так: брали кровяные клетки, выращивали их в присутствии помеченного радиоактивными изотопами предшественника ДНК, а затем фотографировали радиоактивные хромосомы на чувствительную пленку. Такая процедура позволяла точно подсчитывать хромосомы и выявлять грубые отклонения, но с ее помощью было сложно различить детали, которыми одни хромосомы отличались от других.

Роули достаточно хорошо изучила этот метод, даже была соавтором статьи, в которой анализировалось копирование хромосом при делении клеток. Вернувшись в Чикаго, она решила не продолжать работу в клинике, а заняться исследованиями. Имея в активе всего одну научную статью, она обратилась к доктору Леону Джейкобсону, директору Аргоннского онкологического исследовательского госпиталя, который ранее работал главным врачом в команде ученых Чикагского университета, занятых в Манхэттенском проекте.

«Я начала в Англии исследовательский проект и хочу его продолжить. Можно у вас поработать в порядке частичной занятости? – объяснила Роули. – Мне понадобится только микроскоп и проявочная. Кстати, вы будете мне платить? Я должна буду платить няне».

Джейкобсон согласился, и Роули занялась изучением хромосом людей, страдавших различными заболеваниями крови. В клетках некоторых пациентов она находила лишние хромосомы, в других хромосом не хватало, но она не могла определить, какие именно хромосомы предопределяют болезнь. Так продолжалось до тех пор, пока не появился новый метод окрашивания хромосом, при котором использовался флуоресцентный краситель, позволявший различать такие детали. Роули познакомилась с этой техникой во время еще одного творческого отпуска, проведенного в Англии. Вернувшись домой, она стала подробнее изучать образцы крови пациентов, больных лейкемией.

В начале 1972 г. она обнаружила нечто необычное в клетках двух пациентов, страдающих острой миелоидной лейкемией: казалось, что фрагменты двух разных хромосом (8-й и 21-й) оторвались от них и поменялись местами. Такое явление называлось транслокацией, и тот факт, что одинаковая перестановка произошла у двух пациентов с одинаковым типом рака, был поразителен.

Тогда уже было хорошо известно, что в раковых клетках есть лишние хромосомы или каких-то хромосом недостает. Но более внимательный осмотр показал, что многие виды раковых клеток довольно сильно отличаются друг от друга. Поскольку в них не прослеживались какие-либо устойчивые закономерности, хромосомные аберрации обычно считались следствием, а не причиной рака. Действительно, идея о том, что у рака могут быть конкретные генетические причины, не получила широкого признания. Когда в 1966 г. Пейтон Роус получил Нобелевскую премию за открытие вируса, вызывавшего рак у кур, он заявил: «Существует мнение, что онкогены (гены, вызывающие рак) вызывают изменения в генах клеток… но многочисленные факты, рассматриваемые в комплексе, решительно исключают такую гипотезу».

Роули воодушевилась. Возможно, те самые изменения, которые она наблюдала в хромосомах двоих пациентов с лейкемией, могли быть причиной заболевания? Она написала об этом короткую статью и отправила ее в ведущее издание New England Journal of Medicine («Медицинский журнал Новой Англии»). Статью не приняли. Когда Джанет попыталась выяснить почему, ей ответили, что открытие было сочтено «незначительным». Тогда она отправила работу в малоизвестный французский журнал Annales de Génétique («Анналы генетики»), где ее опубликовали.

Вскоре после этого Роули стала изучать клетки пациентов, страдавших другим видом рака – хроническим миелоидным лейкозом (ХМЛ). Работая дома в «свободные» дни, она исследовала особенности их хромосом. Фотографировала окрашенные препараты, вырезала из снимков отдельные хромосомы, наклеивала их на макулатурной бумаге и раскладывала прямо на обеденном столе. Хромосомы существуют парами, многие из них соединены в центральной части двумя длинными «плечами», направленными вверх и вниз. Мальчишки поддразнивали мать, что та играет с бумажными куклами.

За много лет до этого двое исследователей из Филадельфии обнаружили, что в некоторых клетках у пациентов с ХМЛ 22-я хромосома до странности маленькая. Такую хромосому назвали «филадельфийской». Когда Роули внимательно рассмотрела клетки ХМЛ, применив новые методы окрашивания, она обнаружила, что 9-я хромосома в трех образцах длиннее, чем должна быть. На самом деле, недостающая часть 22-й хромосомы путем транслокации попадала в 9-ю хромосому. Таким образом, генетическая информация в клетках ХМЛ на самом деле не отсутствовала, как полагали ранее, она просто находилась не в том месте (рис. 5.2).

Имея на руках три независимых случая транслокации 9-й и 22-й хромосом, исследовательница отправила отчет о своих находках в Nature, ведущий международный научный журнал. Редакторы отвергли статью на том основании, что транслокация могла быть лишь проявлением нормальной изменчивости в человеческой популяции.

Тем временем Роули исследовала хромосомы других клеток из образцов крови пациентов: в этих клетках оказалось по 46 нормальных хромосом. Транслокация была специфична именно для раковых клеток. Более того, Роули обнаружила еще несколько независимых случаев – всего девять – такой же транслокации у пациентов с ХМЛ. Эта аномалия не могла быть совпадением. Дополнительные данные убедили редколлегию, и журнал Nature все-таки опубликовал статью летом 1973 г.

Рис. 5.2

Изменения хромосом при лейкемии. Джанет Дэвисон Роули заметила, что в клетках больных хроническим миелоидным лейкозом 22-я хромосома не слишком маленькая, просто ее кончик попадает в 9-ю хромосому

Иллюстрация воспроизведена с разрешения Рут Мак-Киннон (Ruth Mac-Kinnon) http://scifundchallenge.org/firesidescience/2013/11/11/philadephia-the-birthplace-of-cancer-genetics/

Открытые Роули хромосомные изменения при двух типах лейкемии, специфичные, но все-таки разные, были серьезными доказательствами в пользу того, что по крайней мере некоторые виды рака обусловлены конкретными, возможно, уникальными генетическими мутациями. Обнаруженные ею транслокации ставили массу вопросов. Существуют ли другие подобные транслокации? Как они провоцируют рак? Эти вопросы не давали Роули покоя. Внезапно ее «приработок» стал самой интересной частью жизни. В нарушение ее давних планов и к ее собственному удивлению, карьера и исследования переместились с периферии в самый центр ее жизни, когда самой Роули было уже 48. Она стала ездить в лабораторию на велосипеде, работая по пять дней в неделю.

Вскоре Роули обнаружила другую транслокацию – между 15-й и 17-й хромосомами, – характерную для острого промиелоцитарного лейкоза. Другая исследовательская группа открыла транслокацию при лимфоме Бёркитта.

Транслокация означает, что воедино сливаются два фрагмента ДНК, которые ранее не были смежными. Роули подозревала, что новое наложение двух генов должно быть важнейшим фактором возникновения рака. Но в середине и конце 1970-х геном человека (ДНК всех 23 хромосом, где содержатся все наши гены) был настоящей terra incognita. Выявить гены, вовлеченные в процесс, а тем более понять, как их транслокация вызывает рак, казалось практически невозможным. Так было до тех пор, пока не случились удивительные открытия, связанные с совершенно иным направлением исследований.

 

Как найти гены рака

Если влияние хромосомных изменений на возникновение рака вызывало скепсис, причем немалый, то роль вирусов в этом процессе казалась еще более сомнительной. В 1910 г. ученый Пейтон Роус из Института Рокфеллера обнаружил вирус, способный вызывать саркому у кур. Однако это открытие было воспринято очень скептически, да и самому ученому оставалось лишь утверждать, что онкогенный вирус действительно существует, поэтому он забросил это направление исследований. Вернуться к нему удалось лишь десятилетия спустя, когда оказалось возможно рассмотреть вирус в мощный электронный микроскоп, а у животных были выделены другие онкогенные вирусы. Только тогда существование таких вирусов стало общепризнанным. Итак, между открытием Роуса и присуждением Нобелевской премии за него прошло 56 лет. Но поскольку у человека такие вирусы обнаружены не были, их роль в заболеваемости людей оставалась в лучшем случае неясной.

Тем не менее существование онкогенных вирусов у животных давало потенциально важные подсказки о том, каковы закономерности развития рака. Одно из основных преимуществ, связанных с изучением таких вирусов, как RSV (вирус саркомы Роуса), заключалось в их простоте. У RSV было всего несколько генов, и возникал вопрос: какие из них вызывают рак?

Важнейшую деталь обнаружил Стив Мартин, аспирант Калифорнийского университета в Беркли, который выделил мутантный RSV, способный воспроизводиться в клетках, но не превращавший их в раковые. Соответствующая мутация возникла всего в одном из четырех генов этого вируса, который называется src (произносится «сарк»). Поскольку нормальный ген src у вируса был необходим для запуска рака, src назвали вирусным онкогеном (геном, вызывающим рак). Но что мог поведать ген куриного вируса о возникновения рака вообще и в частности у людей?

Основное открытие, связанное с опухолевыми вирусами, было сделано еще одним тандемом врачей, учившихся в NIH, – однокашниками Голдштейна и Брауна Харолдом Вармусом и Дж. Майклом Бишопом. Вармус изучал в NIH ту самую систему регуляции ферментов, которую впервые стали исследовать Моно и Жакоб. Бишоп изучал вирус полиомиелита. Тандем возник, когда в 1970 г. Вармус начал работать в лаборатории Бишопа при университете Сан-Франциско, там он собирался исследовать опухолевые вирусы, RSV в частности. В дальнейшем у Вармуса и Бишопа была общая лаборатория.

Открытие гена src побудило Вармуса и Бишопа задуматься о происхождении подобного гена. Он не требовался вирусу для инфицирования клеток и размножения в них. Если ген не нужен вирусу для распространения, то почему он существует, откуда взялся? Возможно, рассуждали они, это мог быть клеточный ген, который вирус случайно захватил на каком-то этапе эволюции. В таком случае ген src мог найтись в нормальных куриных клетках.

До эры развития генной инженерии объявить о поиске такого гена было гораздо проще, чем осуществить сам поиск. Прошло почти четыре года, прежде чем удалось поставить критически важный эксперимент, в котором меченный радиоактивными изотопами «зонд» ДНК, представлявший собой вирусный ген src, использовался для поиска подобного гена в ДНК нормальных клеток. Первые результаты, пролившие свет на эту проблему, получил в октябре 1974 г. постдок Доминик Стеэлен. Действительно, в куриных клетках был подобный ген src. Его назвали «c-src» (от «клеточный src»), чтобы отличать от v-src, вирусного онкогена. Вскоре c-src нашли у других птиц, в том числе у уток, индеек и даже эму.

Но ген c-src встречался не только у птиц. Вармус, Бишоп и их коллега Дебора Спектор нашли этот ген и у млекопитающих, в том числе у людей. Его наличие у других животных показывало, что c-src – древний ген, существующий несколько сотен миллионов лет.

Что бы это значило? Вармус и Бишоп обдумывали удивительные возможности. Во-первых, длительная эволюционная родословная c-src указывала, что он выполнял какую-то задачу в нормальных клетках. Во-вторых, близкое сходство между c-src и v-src подсказывало, что онкогенный вирус RSV мог приобрести ген v-src, подхватив копию c-src, но при этом изменив его так, что новая разновидность гена стала провоцировать рост опухолей.

Все-таки src представлял собой единичный случай. Существовали ли другие вирусные онкогены, у которых были клеточные аналоги? Их поиск превратился в гонку. Очень скоро было открыто несколько вирусных онкогенов у различных опухолевых вирусов, инфицировавших кур, мышей или крыс, а их аналоги имелись не только у вида-хозяина, но и у других животных, а также у людей. Гены myc, abl и ras дополнительно подтвердили, что вирусные онкогены происходят от нормальных клеточных генов, так называемых «протоонкогенов».

К концу 1970-х казалось, что формируются два солидных, но невзаимосвязанных «досье» о происхождении рака. Существование вирусных онкогенов и клеточных протоонкогенов убедительно объясняло, как вирусы могут вызывать рак, но только у животных. Демонстрация характерных хромосомных изменений при некоторых видах человеческого рака была красноречивой, но ограничивалась лишь некоторыми типами опухолей, причем было неизвестно, какими именно генами вызваны эти изменения. Каким образом можно было объединить два этих «досье»?

Способ был, и он позволил понять, почему природа рака связана с регуляцией.

 

Нарушение законов регуляции

Среди самых первых вирусных онкогенов и клеточных протоонкогенов, открытых после src, был ген v-abl, вызывавший у мышей лейкоз Абельсона, а также его клеточный аналог, ген c-abl. Подобно c-src и другим, c-abl также присутствует в человеческом геноме. Когда ученые выяснили, что ген c-abl относится к 9-й человеческой хромосоме и та же хромосома участвует в транслокации, описанной Роули при ХМЛ, они задумались: могут ли быть связаны эти факты? Возможно ли, что у больных ХМЛ 9-я хромосома повреждалась вблизи от гена c-abl?

Это было весьма смутное предположение. Хромосомы очень велики, в каждой содержится около 1000 генов. C-abl мог оказаться в любом участке хромосомы. Команда голландских и английских ученых взялась исследовать клетки с филадельфийской хромосомой (22-й). Они были просто поражены, выяснив, что ген c-abl из 9-й хромосомы действительно переместился в 22-ю хромосому (рис. 5.3, слева).

Далее открывалась захватывающая перспектива: возможно, ген c-abl непосредственно причастен к возникновению рака у человека. Чтобы подробнее выяснить, что происходит с геном c-abl в ХМЛ-клетках, исследователи выделили ту часть 22-й хромосомы, которая накладывалась на ген c-abl. Примечательно, что у 17 разных пациентов ген c-abl переместился практически в одну и ту же точку 22-й хромосомы. Итак, характерным признаком рака являлась не только транслокация из 9-й хромосомы в 22-ю, но и то, что склеивание участков происходило практически в одном и том же месте. Это подсказывало, что там, где ген c-abl попадал в 22-ю хромосому, происходило нечто очень важное. Дальнейшие исследования показали, что ген c-abl сливался с другим геном под названием bcr (это аббревиатура, означающая «кластер точек разрыва»). В результате объединенный ген кодировал аномальный белок, в котором «головная» часть белка c-abl сливалась с «хвостом» белка bcr (см. рис. 5.3 справа).

Рис. 5.3

При слиянии двух генов образуется онкоген, вызывающий рак. В клетках, пораженных хроническим миелоидным лейкозом, ген abl из 9-й хромосомы сливается с геном bcr 22-й хромосомы; гибридный ген кодирует аномально активный белок

Иллюстрация Лиэнн Олдз

Каким-то образом такое слияние превращало нормальный протоонкоген в смертельный онкоген. Этот механизм стал понятен, когда исследователи сравнили действие нормального белка c-abl и слившегося белка bcr/abl. Белок c-abl относится к классу так называемых тирозинкиназ, которые добавляют к белкам фосфатные группы. Добавление и удаление фосфатов – один из распространенных способов регуляции действия белка, то есть переключения его из неактивного в активное состояние и наоборот. Многие киназы входят в состав химических «реле», передающих информацию из внеклеточного пространства во внутренние механизмы, определяющие, что делать клетке: делиться, дифференцироваться или отмирать. В здоровых клетках тирозинкиназа c-abl обычно малоактивна. Но активность слившегося белка bcr/abl гораздо выше. В результате объединения возникает мутантный фермент, который, подобно конститутивным мутантам из опытов Моно и Жакоба, постоянно «включен».

В таком случае лейкоз – болезнь, связанная с регуляцией. При ХМЛ нормальный контроль над делением лейкоцитов нарушается из-за мутантного белка bcr/abl. Гиперактивный белок выводит из строя многочисленные клеточные «реле», которые застывают в состоянии «вкл», как будто заклинившая педаль газа в автомобиле. Оказывается, мутации в нескольких десятках других онкогенов, связанные со множеством других видов рака, по-видимому, также дают подобный общий эффект; поэтому причины рака связаны с регуляцией.

Хотя открытие онкогенов и того, как они действуют, стало прорывом в понимании механизмов рака, это была всего лишь половина генетической истории онкологии. Возможно, дочитав книгу до этого места и учитывая все, что было сказано о логике регуляции, вы уже догадываетесь, какова вторая половина этой истории. Разумеется, машина может потерять управление не только из-за заклинившего акселератора. Каков второй механизм? (Подсказка: вспомните об отрицательной регуляции и регуляторном законе двойного отрицания.)

Такой же эффект возможен, если нога соскользнет с тормоза либо если перерезать тормозной контур. Исследователи выяснили, что, действительно, отказ генетических «тормозов» – очень распространенный механизм развития рака.

 

Супрессоры опухолей

Первый генетический «тормоз», который удалось открыть, был связан с редким глазным раком, который называется ретинобластома. Это заболевание обычно развивается у маленьких детей, а иногда является семейным. Важнейшим ключом к генетической тайне ретинобластомы было то, что в некоторых случаях теряется участок обеих копий 13-й хромосомы; это означает, что утрата обеих копий какого-то гена – основной фактор образования ретинобластомы. Ситуация отличается от случаев с онкогенами, когда толчком к развитию рака становится изменение одной копии гена (например, bcr/abl).

На языке генетики можно сказать, что онкогенные мутации являются доминантными, так как они действуют, даже если нормальный протоонкоген не поврежден. Напротив, мутация при ретинобластоме является рецессивной – чтобы началась болезнь, должны измениться обе копии гена. По-видимому, исправная работа недостающего гена – необходимое условие для предотвращения или подавления опухоли, поэтому такой ген был назван опухолевым супрессором.

В результате подробного изучения той части ДНК, которой не хватало у больных ретинобластомой, удалось идентифицировать ген ретинобластомы (под названием Rb). Разумеется, функциональный Rb не вызывает рак, онкология – это следствие потери или изменения данного гена. Детальное исследование белка Rb показало, что в нормальном виде от него зависит важнейшая регуляция клеточного жизненного цикла. Чтобы разделиться, клетка должна скопировать свою ДНК, а потом превратиться в две клетки. Этот процесс жестко регулируется, а протекает в несколько этапов. Rb играет в начале этого цикла роль важной контрольной точки, блокируя репликацию ДНК. В таком случае при утрате обеих копий гена Rb репликация клеток может продолжаться бесконтрольно.

Rb – не единственный опухолевый супрессор, уже выявлено около 70 таких генов. Кроме того, мутации Rb связаны не только с ретинобластомой, они встречаются и при других видах рака, например при остеосаркоме и раке легких.

Более того, Rb может выключаться не только в результате мутаций. Работа белка Rb регулируется добавлением фосфатных групп, за что отвечают протеинкиназы. Rb тем активнее, чем меньше он фосфорилирован, а при высокой фосфорилированности он перестает работать. Прямое или косвенное воздействие многих онкогенных белков, в том числе bcr/abl, заключается в усилении фосфорилизации Rb, из-за этого активность Rb ингибируется, и клетки могут постоянно делиться. На самом деле Rb отключается при многих, а возможно, и при всех видах рака у человека.

Здесь мы вновь сталкиваемся с определенной отрицательной регуляцией и уже знакомым нам регуляторным законом двойного отрицания. В приницпе, Rb тормозит деление клеток. Таким образом, рост клеток возможен лишь при ингибировании этого репрессора. Но при выключении (слева) или утрате (справа) гена Rb клетки могут постоянно де литься.

Роль Rb замечательно согласуется с размышлениями Моно и Жакоба, которые десятилетиями ранее полагали, что причиной рака может быть отключение репрессора деления клеток (см. главу 3).

Теперь, зная, как мутации определенных генов нарушают законы регуляции клеточного роста, мы сталкиваемся с вызовом: как (если это возможно) затормозить деление раковых клеток.

 

Логическая терапия и рациональные лекарства

Десятилетиями рак пытались лечить хирургически, облучением и смесями препаратов, убивающих делящиеся клетки. Химиотерапия является неизбирательным инструментом, она не нацелена на раковые клетки как таковые, поэтому эффективность химиотерапии не гарантирована, а еще такая терапия чревата многочисленными опасными побочными эффектами. Давняя надежда, связываемая с онкологическими исследованиями, – разработать более эффективные и безопасные варианты лечения, нацеленные против конкретного вида рака, которым страдает человек. Эта надежда уже становится реальностью. Один из первых препаратов этого нового класса называется иматиниб. Он борется с той самой мутацией, которую Джанет Роули заметила, разложив снимки перед собой на обеденном столе.

Как и многие первопроходцы, иматиниб несколько раз чуть не сгинул на пути к цели. Действительно, прослеживаются поразительные параллели между историей иматиниба и разработкой первого статина. Но вновь благодаря врачам, видевшим необходимость в препарате и неустанно стимулировавшим работу над ним, эти исследования завершились головокружительным клиническим успехом, изменившим историю медицины.

При транслокации bcr/abl возникает гиперактивная протеинкиназа, вызывающая отключение репрессора Rb, что в свою очередь приводит к неконтролируемому делению клеток. Требовалось лекарство, которое бы справилось с законом двойного отрицания ХМЛ, то есть ингибировало бы bcr/abl и не позволяло ферменту-предателю творить свое черное дело.

Ник Лайдон и Алекс Маттер, двое ученых из фармацевтической компании Ciba-Geigy, расположенной в швейцарском Базеле, определили, что, поскольку многие гены кодируют измененные киназы, ингибиторы ферментов могут блокировать рост раковых клеток. В отличие от Эндо, они не стали искать такое средство в природе, не стали действовать и принятым в фармакологической индустрии методом проб и ошибок, а воспользовались методом «рационального проектирования» и стали разрабатывать такие молекулы, которые входили бы в активный центр киназы, как ключ в замок, и блокировали его, закрывая доступ для настоящего «ключа». Потратив годы на химический синтез и опыты, они получили несколько перспективных соединений, в том числе и такую молекулу, которая ингибировала нормальную киназу c-abl.

Чтобы выяснить, будут ли какие-либо из этих соединений действовать на клетки ХМЛ, Лайдон показал их знакомому врачу. Этот врач, Брайан Дракер из Орегонского университета медицинских наук в Портленде, не только очень интересовался потенциальными ингибиторами киназы bcr/abl, но и (что очень важно) имел доступ к клеткам ХМЛ-пациентов. Дракер обнаружил, что одно из соединений, полученных от Лайдона, в очень низких концентрациях убивало лишь клетки ХМЛ, а обычные клетки не затрагивало.

Дракер, Лайдон и Маттер были воодушевлены результатами, однако фармкомпания полагала, что рыночные перспективы ХМЛ-специфичного препарата сомнительны. Ученым потребовалось более года, чтобы убедить руководство продолжить испытания на животных. Затем первые токсикологические опыты на собаках вызвали подозрение, что препарат небезопасен для людей при внутривенном введении. Вскоре после этого произошло слияние Ciba-Geigy с фармацевтической компанией Sandoz, и возникла новая компания Novartis. После слияния компаний разработка препарата приостановилась, и Лайдон уволился.

В конце концов ученые Novartis опробовали на животных пероральную форму лекарства, но результаты вновь получились противоречивыми. Один токсиколог сказал Маттеру: «Если вы собираетесь колоть это человеку, то только через мой труп».

Однако Дракер не отступил. Прогноз у его пациентов был суровый – от четверти до половины всех больных умирали в течение года после постановки диагноза, а те терапевтические возможности, которыми он располагал, позволяли по крайней мере выиграть время. Дракер полагал, что любые проблемы с токсичностью решаемы, если тщательно наблюдать пациентов и контролировать дозировку. Он уговорил Маттера «не губить лекарство». Маттер продолжал убеждать руководство в необходимости препарата. Наконец Даниэль Васелла, новый исполнительный директор Novartis, санкционировал клинические испытания на людях. Исследование началось в июне 1998 г., спустя почти пять лет после того, как Дракер впервые опробовал препарат на клетках ХМЛ в лаборатории.

Дракер и два других врача стали давать малые дозы препарата небольшой группе пациентов с ХМЛ, постепенно увеличивая дозировку и отслеживая как ход болезни, так и потенциальные побочные эффекты. Основным индикатором полезности было бы снижение количества лейкоцитов: как правило, в микролитре крови должно быть 4000–10 000 лейкоцитов, а у пациентов с ХМЛ этот показатель достигал 100 000–500 000 клеток. Низкие дозы не действовали. Затем, когда доза была увеличена, у некоторых пациентов уровень лейкоцитов снизился до нормального. Анализ крови показал, что также уменьшилась доля клеток с филадельфийской хромосомой. Препарат попадал в цель.

Novartis бросила все силы на разработку препарата. Испытания были расширены, дозы увеличены, а пациентов наблюдали в течение девяти месяцев. У 97 % пациентов, получавших максимальную дозу препарата, уровень лейкоцитов нормализовался, обычно на это требовалось от одного до полутора месяцев. Три четверти пациентов избавились от раковых клеток, содержавших филадельфийскую хромосому. Эти результаты были не просто хорошими, а грандиозными, беспрецедентными в истории химиотерапии. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) рассмотрело препарат вне очереди и менее чем через три месяца, в мае 2001 г., одобрило его.

Благодаря иматинибу прогноз при лечении ХМЛ-пациентов радикально улучшился. Долгосрочная выживаемость (более восьми лет) была достигнута для 90 % пациентов – до появления препарата этот показатель составлял около 45 %. Несмотря на опасения компании, лекарство стало для Novartis золотой жилой в течение 10 лет выручка от продажи препарата составила почти 28 млрд долл. В 2012 г. Лайдон, Дракер и Роули были удостоены престижной Японской премии за свой вклад в изучение и лечение ХМЛ.

Рациональный подход к лечению ХМЛ привел к впечатляющему успеху. Но «Гливек» – всего одно лекарство, bcr/abl – всего один онкоген, а ХМЛ – конкретная разновидность рака. Что делать и как быть с остальными онкологическими заболеваниями?

 

Знай врага в лицо

Тело взрослого человека состоит примерно из 37 трлн клеток, которые подразделяются более чем на 200 типов. Для производства таких разнообразных клеток и для того, чтобы все они существовали в нужном количестве, требуется серьезная регуляция. Кроме того, при этом должны копироваться триллионы длинных молекул ДНК. При копировании ДНК случаются ошибки. Большинство таких мутаций безвредны, но некоторые могут обернуться катастрофой. Понимание того, почему при том или ином виде рака возникают конкретные мутации, – ключ к более точной диагностике и целевой терапии.

Технология анализа рака шагнула далеко вперед с тех пор, как Джанет Роули вырезала снимки отдельных хромосом и раскладывала их на столе. Благодаря прогрессу, позволившему ускорить и удешевить секвенирование ДНК, врач может заглянуть в любую опухоль и оценить целостность каждого гена. Изучая тысячи опухолей во всевозможных тканях, исследователи составили каталог генетических мутаций. При поиске генов, которые часто мутируют (или утрачиваются) при каждом виде рака, удалось идентифицировать большинство генов, обычно способствующих возникновению рака.

Важнейший вывод, сделанный на основании этих исследований, – лишь малая толика человеческих генов связана с раком. Человеческий геном состоит примерно из 20 000 генов, и всего 140 из них часто мутируют; причем эта группа примерно поровну состоит из онкогенов и опухолевых супрессоров. В принципе, такая цифра выглядит оптимистичной для исследователей, врачей и пациентов, поскольку сужает количество тех «врагов», с которыми нам нужно разобраться. Тем лучше, что нам многое известно о том, какую полезную функцию выполняет каждый из этих генов – практически все они относятся примерно к десяти хорошо изученным «релейным системам» или к биохимическим «путям», регулирующим дифференцирование или выживаемость клеток.

Исследования также показывают, что при большинстве видов рака мутации возникают в двух – восьми из этих 140 генов. Зная, какие гены изменяются при конкретных опухолях, мы можем заново классифицировать их по генетическому строению, соотнести мутации с течением рака и целенаправленно разрабатывать лекарства против этих мутаций. В 1997 г. не было ни одного официально утвержденного препарата, специально нацеленного на лечение раковых мутаций; в 2015 г. было уже более 30 таких лекарств, а еще несколько находились на этапе исследования. Мы укрепляем позиции, но объявлять о победе еще очень рано.

В 2010 г. у Джанет Роули диагностировали рак яичников. В ходе лечения она отправляла коллегам для изучения результаты биопсии и другие образцы своей опухоли. Но 17 декабря 2013 г. она умерла от осложнений. Роули заранее распорядилась о своей аутопсии, чтобы исследователи могли изучить, как прогрессировала ее болезнь.

В эпиграфе к этой главе я поставил цитату из Герберта Уэллса о том, что поможет нам победить рак. Но я пропустил предыдущее предложение из диалога, который присутствует в его романе «Накануне»: «Рак будет искоренен спокойными, неторопливыми, настойчивыми мужчинами и женщинами, которые, зажав в кулак все чувства и эмоции, будут работать в больницах и лабораториях».

Ученых, сделавших важнейшие шаги в борьбе с раком, не назовешь неторопливыми, кроме того, они не обуздывали и не подавляли в себе сострадание и прекрасно понимали неотложность действий…