Загадка испорченного гемоглобина

В отчете Всемирной организации здравоохранения за 2011 год сказано, что в 2010 году смертность от малярии составила около 655 тысяч человек. 90 процентов умерших пришлось на долю тропической Африки, причем около 60 процентов в ее доле смертности составили дети в возрасте до пяти лет.

Малярия, вообще говоря, распространена по всему земному шару. Тем не менее основное число заболеваний сосредоточено в Африке и частично в Индии и Юго‑Восточной Азии. Причина того, что 90 процентов смертей от малярии приходится именно на Африку, состоит в том, что африканская, или тропическая, малярия вызывается самым опасным видом малярийного паразита, «плазмодиум фалципарум». В семействе паразитов Plasmodium до недавнего времени насчитывалось четыре вида паразитов: Plasmodium vivax, Plasmodium ovale, Plasmodium malarie и Plasmodium falciparum; недавно в Малайзии был обнаружен пятый вид, Plasmodium knowlese, но, как оказалось, он в основном поражает обезьян и лишь очень изредка – людей. Так вот, первые три из четырех главных видов плазмодия вызывают относительно легкие формы болезни с малым числом смертных случаев. А главный виновник почти всей малярийной смертности – это плазмодий вида «фалципарум». И распространен он в основном именно в Африке, южнее Сахары.

В то же время именно в Африке, в самых ее малярийных местах, более всего распространено другое заболевание – серповидно‑клеточная анемия, которое в некоторых случаях тоже заканчивается смертью, причем тоже в основном в детском возрасте. Изучая эту болезнь, ученые давно уже установили, что она вызвана мутацией (порчей) определенного гена, а именно – гена, связанного с гемоглобином. Но наличие этой мутации не всегда ведет к смерти. Дело осложняется тем, что каждый ген в нашем организме представлен в двух копиях. Поэтому среди людей, имеющих мутацию в гене гемоглобина, могут быть такие, у которых эта мутация поразила только одну копию гена (они называются гетерозиготными, то есть «разно‑генными»), и такие, у которых мутация присутствует в обеих копиях (они называются гомозиготными, то есть «одинаково‑генными»). Первых врачи называют «больными», а вторых – всего лишь «носителями болезни». Так вот, в детстве умирают, как правило, гомозиготные больные. А вот гетерозиготные «носители», как правило, выживают, хотя и страдают тяжелыми нарушениями кровообращения и т. п., которые сокращают длительность их жизни до 45–50 лет (при постоянной врачебной помощи они могут дожить до 53–60 лет). И, как я уже сказал, больше всего таких «носителей болезни» насчитывается в тропической Африке. Здесь они составляют более трети всего населения, а в самых малярийных районах – даже до 45 процентов.

Если вдуматься, есть некая странность в том, что именно в тропической Африке, где свирепствует смертельная малярия, так много носителей испорченной копии гемоглобинового гена. Ведь все эти носители, особенно дети, должны, казалось бы, первыми умирать от малярии, поскольку их организм ослаблен серповидно‑клеточной анемией. А это значит, что за минувшие столетия все носители этого гена должны были вымереть подчистую, причем в Африке – в первую очередь. А в действительности как раз в Африке их больше всего. Эта странность давно привлекала внимание врачей и заставила их думать, что между малярией и серповидноклеточной анемией имеется какая‑то связь. И действительно, в 1940‑х годах британский военный врач Бит, работавший в Родезии, заметил, что в крови малярийных пациентов, имеющих одну копию мутированного гена, всегда обнаруживается меньше плазмодиев, чем в крови пациентов, вообще не имеющих этой мутации. Вслед за тем заирский врач нашел, что среди «носителей болезни» наблюдается меньше случаев тяжелой малярии, чем среди людей без мутации. А в 1954 году еще один британский врач, Энтони Аллисон, работавший в Кении, обобщил эти наблюдения и выдвинул гипотезу, по которой серповидно‑клеточная анемия дает своим носителям какую‑то защиту от малярийного плазмодия. Дальнейшие исследования показали, что это действительно так и что наибольшую защиту анемия дает своим носителям в детском возрасте, до того, как у них окончательно сформируется иммунная система. Но и у взрослых носителей есть частичная защита, и потому у них малярия протекает не так тяжело и реже кончается смертельным исходом, чем у людей, совсем защиты не имеющих.

Это открытие поставило серповидно‑клеточную анемию в ряд наследственных болезней, объединенных термином «гетерозиготное преимущество». Да, медицина знает еще несколько примеров подобных болезней. Хороший пример дает другое генетическое заболевание, фенилкетонурия, при которой гомозиготность ведет к ранней смерти из‑за накопления испорченного белка в нервной системе, тогда как гетерозиготность (у женщин) защищает от выкидышей. Или вот болезнь Тея‑Сакса (открыта Уореном Теем, изучена Бернардом Саксом), тоже разрушающая нейроны головного мозга. Гомозиготность в этом случае проявляется уже в самом раннем возрасте, и ребенок обычно гибнет к четырем‑пяти годам, но гетерозиготы выживают, потому что эта мутация одновременно каким‑то образом защищает своего носителя от туберкулеза. (Видимо, именно поэтому такая гетерозиготность сохранилась почти у 11 процентов ашкеназийских евреев, которые многие века жили в условиях гетто, особенно располагавших к туберкулезу.)

Заметим, кстати, что такое «странное» на первый взгляд сохранение потенциально смертельной мутации в коллективе людей, – это, в свою очередь, частный вид еще более широко распространенного биологического явления, которое называется «сбалансированным полиморфизмом», или проще – сбалансированным многообразием. Сбалансированный полиморфизм внутри какого‑то коллектива возникает не только в случае болезнетворной, но и в случае вполне благотворной мутации, если она дает своему носителю какое‑то выживательное преимущество. Иными словами, сбалансированный полиморфизм возникает во всех тех случаях, когда гетерозиготы оказываются в тех или иных ситуациях более жизнеспособными, чем гомозиготы (будь то гомозиготы с двумя мутированными копиями или с двумя здоровыми). Во всех этих случаях в коллективе возникает и затем стабильно сохраняется определенная пропорция (баланс) между числом гетерозиготных и гомозиготных членов коллектива.

Очень хороший пример такого явления в животном мире дают сухопутные улитки с их многообразием окраски и полос на раковине. Здесь появление и сохранение многообразия диктуется требованиями среды и наличием хищников. Улитки – любимая пища дроздов, которые хорошо замечают те раковины, что своей окраской или полосами выделяются на древесной коре, а так как в разных местах цвет и текстура коры разные, то возможно множество мутаций, дающих улиткам в тех или иных местах выживательное преимущество. Таким образом, певчие дрозды и древесная кора играют для улиток ту же роль, что малярия для человека.

Раз уж мы припомнили малярию, давайте вернемся к ней и к той защите от нее, которую дает своему носителю серповидно‑клеточная анемия, то есть испорченный ген гемоглобина. Обнаружение этой защиты тотчас поставило перед учеными вопрос – чем она объясняется? Каков ее механизм? Вопрос этот долгое время оставался без ответа, выдвигались различные умозрительные гипотезы, но недавно группа немецких ученых под руководством Ланцера нашла первое убедительное объяснение, подтвержденное прямыми экспериментами. Это дает нам повод подробней рассказать о малярии, ее возбудителе, а заодно и о серповидно‑клеточной анемии.

Что касается малярии, то недавние генетические исследования ее возбудителя (плазмодия) привели к выводу, что самая первая его разновидность появилась у людей 50–100 тысяч лет назад (а может – и все 400 тысяч), а самый опасный вид, плазмодий фалципарум, перешел к людям от африканских горилл около 6 тысяч лет назад. Свое нынешнее название (от латинских слов «mala aria», то есть дурное дыхание) эта болезнь получила много позже, уже в Древнем Риме, где была так распространена, что ее даже называли «римской лихорадкой». Возбудителя ее открыл в 1880 году французский врач Шарль Лаверан, служивший в военном госпитале в Алжире; за это открытие он в 1907 году удостоился одной из первых Нобелевских премий по медицине и физиологии. В 1881 году кубинский врач Карлос Финлей нашел свидетельства того, что паразит переносится комарами вида Анофелес, а шотландский врач, работавший в Калькутте, сэр Рональд Росс впервые выявил весь цикл жизни паразита в организме комара (за что удостоился еще более ранней Нобелевской премии – в 1902 году). Открытия Финлея и Росса позволили найти первые предохранительные меры против заражения, и это спасло тысячи жизней уже во время строительства Панамского канала. Так началась борьба медицины с малярией, продолжающаяся по сей день.

Типичное течение малярии – это периодическое повторение приступов озноба и лихорадки, продолжающихся четыре – шесть часов подряд. Паразит плазмодий маларие вызывает такие приступы через каждые 72 часа, то есть каждый четвертый день («четырехдневная малярия»), паразиты плазмодий овале и плазмодий вивакс – через каждые 40–48 часов, то есть примерно каждый третий день («трехдневная малярия»). И хотя болезнь эта, как уже сказано, поддается лечению (при том, что у детей порой бывают тяжелые мозговые осложнения), она может неоднократно появляться вновь – если паразит в крови не уничтожен полностью или сохранился в «спящем» виде в печени, а также в случае заражения другой разновидностью паразита. Куда тяжелее протекает болезнь в случае плазмодия фалципарум: здесь приступы повторяются каждые 36–48 часов, порой переходя в непрерывную лихорадку, возникают тяжелые осложнения и смерть может наступить уже через несколько дней, а то и часов после начала болезни, причем смертность достигает иногда 20 процентов (больше всего среди маленьких детей и беременных женщин). Причина смерти – чаще всего поражение жизненно важных участков мозга, вызванное недостатком кислорода, что же до осложнений, то тропическая малярия часто сопровождается увеличением селезенки и печени, тяжелой головной болью, а также появлением в кровотоке свободных молекул гемоглобина (который обычно всегда спрятан в эритроцитах, но при малярии, в силу их разрушения, выходит в кровоток); этот излишний гемоглобин может вызвать нарушение работы почек и проникает в мочу, придавая ей темно‑красный цвет (гемоглобиноурия).

Главный отличительный признак малярии – периодичность приступов – связан с особенностями жизни малярийного паразита в организме человека. Впрочем, в человеческом организме плазмодий проводит лишь часть своей жизни, бесполую. Вторая половина его жизни, половая, проходит в организме комара‑переносчика. Здесь незрелые половые клетки паразита, образовавшиеся еще в организме человека, дозревают, встречаются, сливаются и дают начало потомку, который называется «ооцитом» и имеет вид микрошарика, выпучивающегося из комариного кишечника в кровоток. Со временем этот ооцит распадается и порождает до 10 тысяч крохотных червеобразных потомков‑спорозоитов, которые в конечном счете пробираются в слюнные железы комара. Здесь они «ждут своего часа», который наступает, когда комариха вонзает жало в кровеносный капилляр в нашей коже, чтобы «попить нашей кровушки» (это всегда комариха, потому что для нее наша кровь – главный источник питательных веществ, необходимых для выращивания своего потомства; не случайно она особенно любит кровь беременных женщин).

В этот момент спорозоиты попадают в кровоток человека и первым делом прячутся от его иммунной системы. Уже через каких‑нибудь полчаса их совершенно нет в крови – за это время все они успели укрыться внутри клеток печени. Здесь они в течение следующих 7–30 дней (в зависимости от вида паразита) размножаются бесполым путем, преобразуясь при этом в новую форму – мерозоитов. (При этом плазмодии типа «овале» и «вивакс» сначала порождают гипнозоиты, которые могут месяцами и даже годами «дремать» в печени и лишь затем превращаться в мерозоиты, чем объясняется возвращение болезни через длительный период времени.) Затем мерозоиты вырываются из клеток печени и возвращаются в кровоток. Им и теперь нужно укрываться от возможной атаки иммунной системы, и они, как показали недавние исследования, прибегают для этого к хитроумному маневру: выходя из печеночной клетки и разрывая при этом ее оболочку, обворачиваются лоскутами этой оболочки, чтобы иммунные клетки приняли их за «своих». В таком виде мерозоиты настигают свою главную мишень – наши красные кровяные тельца, или эритроциты.

Эритроциты, как известно, – это клетки, почти все содержимое которых составляют молекулы гемоглобина. Важность гемоглобина для жизни состоит в том, что этот белок способен соединяться с кислородом. Эритроциты запасаются кислородом в легких, потом кровоток разносит их по кровеносным сосудам в самые отдаленные уголки организма, и там кислород переходит от гемоглобина в клетки, которые используют его для различных биохимических реакций, начиная с выработки и создания запаса энергии. Мерозоиты, проникая в красные кровяные тельца, начинают размножаться – из каждого мерозоита, проникшего в эритроцит, образуется 8–10 новых. Спустя определенное время, нужное каждому виду паразита для размножения, новые мерозоиты разом вырываются из своих опустошенных эритроцитов и так же разом заражают новую, еще более многочисленную порцию эритроцитов. Так повторяется несколько раз, и каждая такая серия одновременного разрушения множества эритроцитов вызывает те явления, которые называются «приступами малярии». Понятно, что частота этих приступов у каждого вида паразита своя, заданная временем его размножения в эритроцитах. Точно так же особенностями плазмодия вивакс и плазмодия овале заданы, как уже сказано, возвращения болезни через длительное время – спорозоиты этих видов, проникнув в печень, не сразу превращаются в мерозоиты, а перед этим «дремлют» там от шести месяцев до трех лет. Ну, и следует еще добавить, что в ходе размножения мерозоитов некоторые из них дают начало незрелым половым клеткам паразита, что обеспечивает его последующее, уже половое, размножение внутри комара (если он подхватит эти клетки при укусе).

В случае «легких» форм малярии болезнь рано или поздно прекращается, потому что иммунные клетки все же обнаруживают паразитов и уничтожают их. Кроме того, кровоток периодически приносит эритроциты «на проверку» в селезенку, одной из функций которой является уничтожение отживших кровяных клеток; та же судьба постигает и зараженные мерозоитами эритроциты, и они уничтожаются селезенкой вместе с живущими в них паразитами, что прерывает дальнейшее размножение мерозоитов. Иначе обстоит дело в случае тропической малярии. Ее возбудитель, плазмодий фалципарум, «изобрел» еще один маневр, который защитил его от иммунных клеток и селезенки и одновременно сделал смертельно опасным. На поверхности зараженных им эритроцитов появляются молекулы клейкого белка (так называемого «белка мембраны эритроцита с плазмодием фалципарум», ПфЭМБ‑1), из‑за чего эти эритроциты приклеиваются к стенкам небольших кровеносных сосудов и тем самым выходят из кровотока, а потому не попадают в селезенку. Иммунные клетки тоже не эффективны в борьбе с этим паразитом, потому что он обладает чудовищным множеством самых разных белков такого клейкого типа (до шестидесяти разновидностей на одном плазмодии, не говоря уже о всевозможных комбинациях этих белков во всей массе мерозоитов).

В итоге плазмодий фалципарум получает возможность беспрепятственно размножаться, и это быстро приводит к тому, что в капиллярах образуется очень много приклеенных к стенкам эритроцитов, которые блокируют прохождение крови. Эта клейкость и вызванная ею блокировка капилляров являются главной причиной разрыва мелких сосудов, что вызывает кровоизлияния, столь характерные для тропической малярии. Зараженные эритроциты, накопившись в сосудах мозга, могут прорваться в сам мозг, и тогда малярия становится церебральной и зачастую оканчивается комой и смертью. Но и само разрушение эритроцитов в таком огромном количестве приводит к быстрому выбросу в кровь большого числа молекул гемоглобина, а также малярийного пигмента гемомеланина, возникающего при воздействии паразита на гемоглобин, и это резко нарушает работу почек и селезенки, что является второй по частоте причиной смерти от тропической малярии (кстати, проникновение пигмента в мочу придает ей тот темно‑красный и даже черный цвет, о котором мы говорили выше и по которому врачи распознают смертельно опасную форму малярии).

И вот обе эти смертельно опасные формы болезни, вызываемые видом плазмодий фалципарум, предотвращаются наличием в одной копии гена гемоглобина мутации, вызывающей серповидно‑клеточную анемию. Каким же образом это происходит? – возвращаемся мы снова к исходному вопросу. Как мы уже говорили, ответ на этот важный вопрос был найден Ланцером и его коллегами, и теперь мы уже достаточно вооружены, чтобы понять этот ответ. Для начала объясним, к чему приводит упомянутая мутация гена гемоглобина. Она состоит в мельчайшем изменении этого гена – замене одного‑единственного химического звена из десятков тысяч, но увы – заменяется при этом звено одного размера, активно вступающее в связь с молекулами воды, на звено другого, активно воды избегающее. В результате цепь молекулы гемоглобина чуть меняет свое положение, а это меняет форму всей молекулы. Конечным результатом всех этих подвижек становится изменение формы и свойств эритроцита в целом – из округлого он становится серповидным, из эластичного – твердым и хрупким. Серповидные эритроциты быстрее выходят из строя, общее число эритроцитов уменьшается, и появляется анемия. Она ведет к уменьшению доставки кислорода в различные участки организма, а это вызывает всю ту гамму нарушений, которые объединяются под названием «серповидно‑клеточная болезнь» и от которых гомозиготные больные чаще всего умирают еще в детстве.

Но гетерозиготные носители болезни, как мы уже знаем, не умирают, и заражение смертоносным плазмодием фалципарум не вызывает у них опасных для жизни осложнений. Этот факт побудил Ланцера и его коллег детально исследовать в первую очередь, чем же, собственно, отличается взаимодействие опасного плазмодия с обычным эритроцитом от его взаимодействия с эритроцитом серповидным. Как мы уже говорили, на поверхности зараженного эритроцита появляются молекулы клейкого белка ПфЭМБ‑1. Этот белок‑адгезин вырабатывается паразитом внутри эритроцита. Как же он появляется на поверхности? Исследования Ланцера показали, что паразит «выводит» свой адгезин на поверхность клетки эритроцита с помощью того же механизма, который сама клетка использует для доставки в нужные места любых других, нужных ей веществ. Молекулы таких веществ переносятся молекулами белка динеина по «рельсам», которыми служат длинные нити белка актина. При наличии паразита его белок переправляется на поверхность клетки точно таким же способом.

Но совершенно иначе, как оказалось, обстоят дела в серповидном эритроците. Особая агрегация молекул испорченного гемоглобина не позволяет небольшим отрезкам актина соединиться в длинный «мостик», ведущий изнутри клетки к ее оболочке, и молекулы адгезина не могут выйти на поверхность эритроцита. А те немногие, которые все же ухитряются выбраться наружу, почему‑то теряют по пути заметную часть своей клейкости. Иными словами, серповидные эритроциты, даже будучи заражены плазмодием фалципарум, не становятся клейкими, а это, как нам уже понятно, предотвращает самые опасные последствия заражения и уменьшает смертность.

Увы, так обстоит дело только с серповидными эритроцитами и, значит, только у гетерозиготных «носителей серповидно‑клеточной анемии». У гомозиготных людей, то есть у людей здоровых, вообще не имеющих мутации в гене гемоглобина, этой защиты нет, потому что у них эритроциты не серповидные, а обычные, округлые. Но можно надеяться, что открытие группы Ланцера, пролившее свет на давнюю загадку «несклеивания» серповидных эритроцитов, в конце концов укажет какой‑нибудь практический путь и к предотвращению склеивания, постигающего обычные эритроциты при заражении, и тем самым облегчит судьбу сотен тысяч африканцев, индусов и азиатов.