Благодеяние убийцы

Прежде чем лечить, нужно понять, что лечить. Но, увы, разгадать тайны той или иной болезни в большинстве случаев не просто. Вот история о том, как ученые разгадывали одну такую загадку. Это также история о том, что не только недостатки – это продолжение достоинств, но иногда и достоинства могут быть продолжением недостатков. А еще короче – это история изучения смертельного наследственного недуга – цистофиброза. Ген, ответственный за появление в организме этой болезни, был открыт в 1989 году. Если этот ген после мутации наличествует только в одной из двух нитей наследственной молекулы ДНК, он себя не проявляет. Стоит ему, однако, оказаться в обеих нитях (напомним, что одна из них унаследована от отца, другая от матери), как он включается в работу. Как всякий другой ген ДНК, он выдает инструкцию на производство в клетке определенного белка. Но в данном случае белок этот, в силу мутации гена, сам оказывается испорченным и потому не может делать в клетке свое полезное дело.

А дело это вот какое. Пока рассматриваемый нами ген здоров, белок, создаваемый по его инструкции, занимается тем, что создает мельчайшие канальцы в мембране клетки. Через эти канальцы из клетки выходят ионы хлора; они попадают в окружающую клетку среду и делают ее повышенно соленой, а это в результате физико‑химического механизма, именуемого осмосом, высасывает из клетки содержащуюся в ней жидкость (осмос действует в направлении выравнивания уровня содержания солей). В нормальных условиях эта жидкость высасывается в умеренных количествах, не нарушая жизнедеятельности клетки; более того – это позволяет удалять из легких и внутренностей попадающие туда вредные бактерии и другие нежелательные остатки. Но все это – в нормальных условиях. А в случае, если ребенок унаследовал от своих родителей испорченный мутацией ген, канальцы, образуемые белком такого гена, оказываются неспособными выводить бактерии и отходы жизнедеятельности клетки в нужных количествах, поскольку забиваются плотной слизью, которая заполняет внутренности. Мало того что это нарушает деятельность органов – слизь становится еще и питательной средой для различного рода бактерий и вирусов, что грозит болезнями и смертью. Среди белых детей один на каждые 2500 страдает наследственным цистофиброзом, и редко кто из таких детей, даже сегодня, со всеми нашими антибиотиками и прочими лекарственными препаратами, доживает до сорока лет. При этом заболевшие цистофиброзом мужчины, как правило, оказываются бесплодными.

Тут сразу же возникает вопрос: каким же образом эта мутация сохранилась в ходе эволюции? Ведь, казалось бы, если пораженные ею мужчины не дают потомства, то не должны появляться и дети с двумя испорченными нитями ДНК, и от матери, и от отца – отцы‑то бесплодны! Раньше биологи полагали, что мутация, ведущая к цистофиброзу, сохранилась просто потому, что появилась в человеческом генофонде сравнительно недавно, однако испанский генетик Хавьер Иствилл, применив методы молекулярной биологии и статистической генетики, опроверг эту гипотезу.

Выводы Иствилла были вскоре подтверждены независимыми исследованиями еще одного испанского биолога – Бертранпети из Барселонского университета. Используя новую технику изучения эволюции генов, Бертранпети исследовал образцы крови жителей различных стран Европы, в чьем роду числились случаи заболевания цистофиброзом. Из этих образцов он выделил уже известный по предыдущим исследованиям участок наследственной молекулы ДНК, который отвечает по меньшей мере за 70 процентов всех случаев цистофиброза. Участок этот называется «ген дельта‑эф 508» и, в свою очередь, состоит из множества еще меньших участочков – так называемых «микросателлитов». Бертранпети определил, чем микросателлиты имеют около 1000 различий. Иными словами, за время существования гена цистофиброза в нем накопилось около 1000 крохотных мутаций (которые, однако, не изменили летальной природы этого гена).

Зная среднюю частоту возникновения мутаций, Бертранпети подсчитал, что для образования такого многообразия различий ген должен был пройти через 2625 поколений людей. А это означает, что его возраст (с учетом того, что древние люди жили намного меньше современных) составляет более 50 тысяч лет. Иначе говоря, этот ген появился в те времена, когда, по данным археологов, предки Гомо сапиенс впервые пришли в Европу. «Этот ген невероятно старый», – заключил Бертранпети.

Дальнейшие исследования показали еще одну особенность этого гена. Оказалось, что его микросателлиты различны не только у разных людей, но и у разных европейских народов. Испорченный ген «дельта‑эф 508» у жителей Великобритании, Ирландии, Франции, Испании, Италии и Болгарии имеет один набор микросателлитов (то есть набор микромутаций), а тот же ген у жителей Словакии, Чехии, Венгрии, Германии, Дании, Швеции и Финляндии – другой. Отсюда, по мнению Бертранпети, следует, что заселение Европы первобытными людьми происходило, по всей видимости, двумя потоками, один из которых направился через Болгарию на запад континента, тогда как другой – через Венгерскую равнину – на север. Но каждый из этих потоков нес в себе свою разновидность гена, которую и передал, через тысячи поколений, современным людям.

Открытия Иствилла и Бертранпети прояснили историю «гена цистофиброза». Но ответ на поставленный выше вопрос: как этот ген сохранился в ходе эволюции? – они весьма усложнили. В самом деле, если вредный ген возник уже 50 с лишним тысяч лет назад, то за это время естественный отбор должен был бы, казалось, устранить из человеческих рядов всех его носителей – разве что они обладали каким‑то дополнительным преимуществом по сравнению с теми, у кого испорченного гена не было вообще. И американский физиолог Габриэль решил поискать, не мог ли ген цистофиброза сыграть какую‑то благодетельную роль в ходе эволюции. Иными словами, выяснить, нет ли и у этого гена каких‑либо достоинств, которые могли бы быть продолжением – и компенсацией – его недостатков.

Габриэлю помог тот факт, что цистофиброз, как мы уже сказали, влечет за собой закрытие мембранных канальцев и прекращение выхода жидкости из клетки наружу. Исследователь вспомнил, что выделение жидкости из клеток, напротив, является характерным признаком другой болезни – холеры. Когда холерный вибрион атакует организм, он выделяет сильный токсин. Пытаясь освободиться от этого токсина, клетки желудка открывают все свои канальцы и выделяют наружу огромное количество жидкости – до трех‑четырех галлонов в день. Эта жидкость предназначена для того, чтобы «смыть» токсин; но поскольку, смывая его из внутренностей, жидкость и сама выходит из организма, возникает сильнейший понос (к тому же кровавый, так как вместе с жидкостью вымываются остатки разрушенных клеток и кровяные тельца). Если вовремя не возместить потерю этой жидкости (и содержащихся в ней солей), человек умирает от дегидрации – обезвоживания организма.

Не может ли быть так, что ген цистофиброза, закрывая канальцы, выводящие жидкость из клеток, одновременно препятствует и появлению диареи? Это свое предположение Габриэль решил проверить на мышах. Он взял мышей с привитым геном цистофиброза и ввел им в желудок еще и холерный токсин. Вскрыв затем своих подопытных, он обнаружил, что те мыши, у которых ген цистофиброза наличествует в обеих нитях ДНК, материнской и отцовской, жидкости вообще не выделяли, как им и положено, – ведь у них мембранные канальцы были забиты. А вот мыши, у которых испорченный ген присутствовал только в одной из нитей ДНК, клеточную жидкость продолжали выделять, хотя и в половинном количестве, – у них была забита только половина канальцев.

Если предположить, что в человеческом организме имеет место то же самое, мы приходим к выводу, что те первобытные люди, которые были носителями скрытого гена цистофиброза (то есть имели его только в одной нити своей ДНК), заразившись холерой, выделяли половину нормального количества клеточной жидкости. Этого было вполне достаточно, чтобы избавиться от холерного токсина, и в то же время меньше, чем необходимо для возникновения кровавой диареи. Иными словами, они были защищены от холеры лучше, чем другие люди, – ведь у тех неминуемо появлялась диарея, ведущая к обезвоживанию и смерти. «В былые времена, – говорит Габриэль, – когда население Европы было куда меньше, каждая эпидемия холеры могла истреблять значительную часть европейцев, но не затрагивала людей, носивших в своих ДНК всего одну копию мутантного гена цистофиброза. А это позволяло такому гену сохраняться и размножаться в популяции».

Так‑то оно, быть может, и так, но дело в том, что первые эпидемии холеры в Европе отмечены лишь с 1817 года. А что же помогало гену цистофиброза раньше? Габриэль полагает, что этот ген помогал своим носителям справляться с другими бактериями, способными вызвать диарею, – например, с кишечной палочкой и сальмонеллой. Но если Габриэль прав и этот ген оказывает людям такие благодеяния, почему он «не прижился» в Азии? Ведь та разновидность кишечной палочки, которая вызывает диарею, распространена по всему миру и ежегодно убивает почти полтора миллиона детей. А кроме того, тот вид мутации, который изучали Иствилл и Габриэль, – отнюдь не единственная причина цистофиброза. Сегодня известны уже по меньшей мере 400 других разновидностей порчи исходного гена, ведущих к этой ужасной болезни. Это означает, что данный ген подвержен особо частым мутационным порчам. Но если его мутации происходят так часто и легко, почему они не появились за истекшие 50–100 тысяч лет (со времени ухода людей из Африки) и среди прочих рас, в остальных частях света?

На этот вопрос попытался ответить американский физиолог Поль Квинтон. По его мнению, скрытый ген цистофиброза не выжил за пределами Европы, потому что в жарком климате он проявляет другой недостаток, который перевешивает его выгоды при возникновении диареи, – он вызывает выделение слишком соленого пота. Вспомним, что этот ген, даже в скрытом состоянии (когда он находится лишь в одной нити ДНК), вызывает закупорку по меньшей мере половины мембранных канальцев. В результате осмос не может высосать из клеток достаточно жидкости, чтобы в полной мере разбавить накопившиеся снаружи, в межклеточной жидкости, соли хлора. Выделяющийся из организма пот оказывается избыточно соленым в сравнении с нормальным. Врачи и сейчас считают соленый пот первым признаком цистофиброза. Соль необходима организму для нормальной жизнедеятельности; ее выход вместе с потом ведет к понижению солевого баланса и нарушению жизнедеятельности. Особенно резко этот недостаток сказывается в жарком климате, где люди сильно потеют. И здесь шансы носителя скрытого гена цистофиброза на выживание и размножение должны были оказаться ниже, чем у других людей, – несмотря на выгоды, которые этот ген дает в борьбе с диареей. Напротив, в прохладной Европе люди сохранили этот ген для защиты от диареи – хотя и ценой наследования повышенных шансов на заболевание цистофиброзом.

Иными словами, что хорошо, а что плохо для выживания, решают в конечном счете локальные условия. Но в любом случае эволюция никогда не одаряет одним только добром – она всегда вынуждает нас принимать вместе с ним и неизбежное зло.