Внутриклеточные паразиты и симбионты многоклеточных организмов

Недооценка эпидемиологами сложности мира микроорганизмов распространяется ими и на мир одноклеточных животных (Protozoa). Естественный отбор действует на основе «принципа экономии генов». Поэтому «пропущенные» и «оптимизированные» им «простые структуры» входят в состав «более сложных» на последующих этапах эволюции. Они как кирпичи, сооружения из которых можно разбирать и строить уже по другому замыслу. Для нас, как биологического вида, пытающегося приспособить окружающую среду «под себя», должно быть весьма интересным то обстоятельство, что появившиеся 500–600 млн. лет назад многоклеточные формы жизни имели за собой не менее 3,9 млрд. лет эволюции одноклеточных организмов и уже сложившиеся взаимоотношения между существовавшими в этом мире хозяевами и паразитами. И эти «взаимоотношения» не исчезли, а стали более сложными при увеличении разнообразия форм жизни на Земле.

Паразиты простейших.О гораздо более глубокой связи микроорганизмов, вызывающих болезни у человека с простейшими, чем думали раньше, свидетельствует открытие феномена «некультивируемости бактерий» (исследователи обнаруживают микроорганизм в простейших методами молекулярной диагностики, но не могут подтвердить его наличие культивированием на искусственной питательной среде). С антропоцентристской точки зрения феномен объяснялся просто — микроорганизм попал в неблагоприятную для него среду (благоприятная среда, разумеется, питательный бульон, приготовленный в лаборатории этих исследователей). Однако границы этого феномена оказались значительно более широкими. Выяснилось, что существует много самых разных микроорганизмов — внутриклеточных паразитов, не растущих на искусственных питательных средах, но являющихся патогенными для человека. Например, T.J. Marrie et al.⁶ обнаружили, что такие микроорганизмы как LLAPs (Legionella-like amoebal pathogens — возбудители пневмоний), Parachlamydia acanthamoeba BN9 (болезнь Кавасаки) и Afipia felis (болезнь кошачьей царапины), паразитирующие в почвенных амебах, очень хорошо размножаются в человеческих моноцитах, но не растут на искусственных питательных средах. Если пойти в обратную сторону, т.е. проверить способность уже выявленных на искусственных питательных средах патогенных для человека микроорганизмов паразитировать внутри макрофагов, непрофессиональных фагоцитов и, даже, в нефагоцитирующих клетках (фибробластах, эпителиоцитах), то выясняется, что все они способны к такому паразитизму. Подготовленный О.В. Бухариным⁷ ретроспективный обзор таких экспериментов включает не менее 20 патогенных для человека видов.

Экспериментальные данные также свидетельствуют о другом феномене паразитизма патогенных для человека микроорганизмов у простейших — упрощении генома паразита при специализации его к своему хозяину. Например, сравнение геномов Yersinia pseudotuberculosis и Y. pestis для ученого, привыкшего считать, что патогенность микроорганизмов обусловлена приобретением генов факторов патогенности (т. е. усложнением генома), требует преодоления некоторого психологического барьера. Возбудитель чумы, более патогенный для человека и большинства модельных животных, чем возбудитель псевдотуберкулеза, утрачивает значительную часть генов, которые традиционно относят к генам вирулентности и патогенности. По данным, приведенным А.П. Анисимовым⁸, по сравнению с псевдотуберкулезным микробом, Y. pestis утрачивает гены адгезинов, уреазы (сдвиг рамки считывания), инвазинов Inv и Ail (вставка IS-элементов), подвижности, способности к синтезу О-боковых цепей ЛПС (не установленные механизмы образования мутаций) и ряд других. Из 17 «биосинтетических» генов, выявленных у псевдотуберкулезного микроба, 5 в геноме Y. pestis инактивированны за счет вставок и делеций. Компьютерный анализ полного генома чумного микроба (штамм CO92, биовар Orientalis; выделен от человека, погибшего от легочной чумы) показал наличие 149 псевдогенов.

Но если сравнить экологию обоих микробов, то выясняется, что у псевдотуберкулезного микроба очень широкий круг хозяев, в основном среди гидробионтов. Он является комменсалом для зоопланктона (дафнии, циклопы), бентосных животных (кольчатые черви, моллюски, личинки насекомых и др.) и высших растений. Возбудитель же чумы специализирован на узком круге почвенных простейших⁹. Следовательно, упрощение его генома является следствием дегенеративной эволюции, характерной для видовой специализации любого паразита¹⁰.

Истинными паразитами почвенных простейших кроме возбудителя чумы, видимо являются возбудители сибирской язвы, сапа, мелиоидоза, туляремии и многие другие, опасные для человека микроорганизмы. В пользу такого предположения свидетельствует «привязанность» вызываемых ими вспышек болезней к конкретным местностям; отсутствие у них резистентности детоксикационного типа к антибиотикам (ненужной для внутриклеточного паразитизма); вовлечение в инфекционный процесс лимфатических узлов и фагоцитирующих клеток крови; а также «запутанность» вопроса об их факторах патогенности и токсинах. Ни один из обнаруженных у них таких «факторов» не может однозначно объяснить клинику вызываемой у людей болезни, больше похожую на реакцию организма на суперантигенный раздражитель. Не обладают они и контагиозностью, т.е. способностью передаваться от одного теплокровного организма к другому при контакте, что обычно предполагает воздушно-капельный механизм передачи возбудителя болезни непосредственно от одного заболевшего к другому. Редкие случаи «перехода» бубонной чумы во вторично-легочную лишь исключения, подтверждающее выше приведенные наблюдения. Ни больные с такой формой чумы, ни появившиеся через инфицирование от них больные с первично-легочной чумой, не способны поддерживать возбудитель чумы в природе, так как в 100% известных случаев (без лечения антибиотиками) они погибают. Преададаптация к одноклеточным животным позволяет таким бактериям эффективно проникать в фагоцитирующие клетки белой крови человека и там размножаться. Однако для них любой теплокровный хозяин является биологическим тупиком. Его «выживание» не обязательно для поддержания в природе паразитов почвенных простейших. Поэтому многие из них включены в перечни потенциальных агентов биологического оружия.

Паразиты одноклеточных животных не исчерпываются бактериями. Недавно в амебах Acanthamoeba polyphaga обнаружен крупный ДНК-вирус (800 т.п.н. с диаметром зрелых частиц 400 нм), названный мимивирусом (т.е. «имитирующий бактерию»), так как его сначала приняли за бактерию¹¹. Таксономически он занимает положение между Poxviridae (к этому таксону относится возбудитель натуральной оспы), Iridoviridae (к ним относятся вирус африканской лихорадки свиней — African swine fever и многие вирусы земноводных, рыб и насекомых) и Phycodnaviridae. По сути, мы ничего не знаем о патогенных для людей вирусах одноклеточных животных, так как это направление исследований еще не было предметом пристального внимания ученых. Хотя возможно именно простейшие являются первичным резервуаром не только возбудителей бактериальных инфекций людей и животных, но самых распространенных вирусных, включая возбудители геморрагических лихорадок, гриппа, да и сам ВИЧ.

Теперь нам надо обозначить хотя бы контуры эволюции хозяев таких микроорганизмов — простейших, вошедших в качестве симбионтов в первые многоклеточные организмы.

Простейшие — симбионты многоклеточных.Простейшие (например, амебы) способны узнавать свои и чужие псевдоподии (отростки протоплазмы), однако ряд бесполезных для них веществ (частицы туши и пр.) и отдельные микроорганизмы они поглощают без всяких предосторожностей, как свою потенциальную пищу. Самые примитивные многоклеточные животные (Metazoa) — губки (Spongiae s. Porifera), имеют до пяти типов клеток, способных фагоцитировать чужеродные частицы. Их взаимоотношения с хозяином, видимо, являются крайним вариантом мутуалистического симбиоза, когда оба партнера получают выигрыш от совместного проживания. Целомическая жидкость кольчатых червей уже напоминает кровь позвоночных с ее иммунными клетками, в качестве которых выступают целомоноциты (лейкоциты) и лимфоциты (о примитивном клеточном иммунитете см. работе¹²). Тем не менее, при усложнении многоклеточных организмов сложившиеся за миллиарды лет отношения между клетками, способными к фагоцитозу и их паразитами, продолжали оставаться прежними, доказательства чему можно найти и сегодня.

Например, легионеллы проникают в организм человека через легочные макрофаги¹³. Эти же макрофаги «спасают» возбудитель сибирской язвы, попавший в альвеолы легких в составе мелкодисперсного аэрозоля, и переносят его в более благоприятные условия медиастинальных лимфатических узлов, где он размножается, а затем вызывает генерализованную инфекцию¹⁴. Возбудители брюшного тифа, дизентерии, патогенные иерсинии (Y. enterocolitica и Y. pseudotuberculosis) используют для этого посредничество М-клеток пейеровых бляшек (Agmina s. insulae Peyeri) подвздошной кишки. Дальнейшая их диссеминация происходит исключительно благодаря выживанию внутри макрофагов, которые мигрируют через лимфатическую систему^15,16. Возбудитель туляремии проникает в макрофаги и в течение нескольких дней инфицирует все ретикулоэндотелиальные ткани¹⁷. Возбудитель бруцеллеза инфицирует как фагоцитарные клетки — макрофаги, так и нефагоцитарные — трофобласты беременных животных¹⁸.

Сходные данные мы находим и по вирусам. Например, ВНО, обычно передающийся воздушно-капельным путем, предварительно накапливается в альвеолярных макрофагах, затем он по лимфатическим путям проникает в лимфатические узлы, где происходит его репликация, после чего он обнаруживается в свободных макрофагах иммунной системы и в крови (первичная виремия). Дальнейшее его распространение происходит по лимфатической системе и только накопившись в фагоцитах, он в больших количествах попадает в кровоток (вторичная виремия). Даже если ВНО попадает в организм человека нехарактерным для него путем, например, через порез в коже, его накопление осуществляется фагоцитирующими клетками. Сначала он проникает в макрофаги, ими заносится в лимфатические узлы, там размножается и затем распространяется по организму¹⁹.

Почти все перечисленные патогены нуждаются в кислых значениях рН в качестве сигнала для внутриклеточной репликации. Но получают они его только в фаголизосомах макрофагов и фагоцитов¹⁶. За столь «точечным» проникновением микроорганизмов в конкретную фаголизосому, разумеется, стоит естественный отбор, закрепивший тот механизм лиганд-рецепторного узнавания, благодаря которому и происходят в определенной последовательности все эти события. Но когда мог произойти этот «отбор»?

Реликтовая иммунная система. Видимо гораздо раньше оформления таксона (типа) позвоночных, иначе бы не было необходимости в формировании гуморальной составляющей системы иммунитета (см. ниже). Кроме того, для большинства перечисленных выше внутриклеточных паразитов (за исключением ВНО), человек и другие позвоночные не являются первичными резервуаром и не поддерживают их существование в природе. Поэтому коэволюционные взаимодействия между ними не могли зайти настолько далеко, что бы взаимно «согласовать» детали своей молекулярной организации. Следовательно, эти «детали» были согласованны на значительно более ранних этапах эволюции жизни. Но тогда возникает другой вопрос — зачем естественный отбор поддерживает у многоклеточных организмов рецепторные структуры, которые «открывают ворота» для внутриклеточных паразитов?

Дело в том, что как перечисленные выше внутриклеточные паразиты, так и многие неупомянутые (например, возбудители геморрагической лихорадки с почечным синдромом, чумы, коклюша и др.) эффективно присоединяются к распространенным и разнообразно представленным у многоклеточных организмов белкам семейства интегринов. Это адгезивные гетеродимерные белки клеточной поверхности, принимающие участие в межклеточных взаимодействиях и взаимодействии клеток с внеклеточным матриксом. Иными словами, они «скрепляют» клетки в многоклеточные структуры. Поэтому естественный отбор ради предотвращения проникновения в эти клетки паразитов, не может не только не поддерживать интегрины, но и выйти за рамки организации межклеточных взаимодействий, сложившейся в ходе эволюции. Следовательно, для усложняющихся многоклеточных организмов уже было не достаточно контроля их внутренней среды, осуществляемого фагоцитирующими симбионтами-простейшими (назовем их совокупность реликтовой иммунной системой), требовались дополнительные системы контроля, но уже за самими такими симбионтами, «обманутыми» паразитами.

Гуморальная и клеточная системы иммунитета. Для этого у позвоночных естественным отбором закрепляется еще одна система иммунитета, которую ученые условно делят на гуморальную и клеточную (подробнее о ее эволюции см. в работе²⁰). Механизм ее функционирования весьма затратен. Он предполагает участие специфических белков (антитела, белки главного комплекса гистосовместимости — HLA, комплемент, рецепторы Т-клеток, цитокины и др.), органов (тимус, селезенка, костный мозг, аппендикс, пейеровые бляшки, фабрициева сумка у птиц) и специализированных клеток (Т- и В-лимфоциты и др.). За интегринами естественных отбор, следуя «принципу экономии генов», «закрепил» основную роль в контактной связи лимфоцитов с антигенпрезентирующими клетками и при миграции лимфоцитов и лейкоцитов в ткани.

Паразит (микопалазма, бактерия или вирус), попав в организм позвоночного животного, встречает уже не только своих «знакомых» по архейской эре — фагоцитирующие клетки, но и неизвестные ему узкоспециализированные В-лимфоциты, запускающие синтез антител, специфичных к его антигенам. Сам по себе В-лимфоцит для такого паразита абсолютно безвреден, но связанный синтезированным им антителом он легко становится «добычей» тех, кого за миллиарды лет совместной эволюции привык использовать для собственного обитания, питания и размножения. Другой трагический вариант завершения его паразитической жизни в организме позвоночного животного — лизис с помощью специализированных белков плазмы (система комплемента). Эту часть иммунных реакций исследователи традиционно относят к гуморальному иммунитету.

Паразит, сумевший «непомеченным» проникнуть в фагоцитирующую клетку (обычно это вирус) становится слишком заметным иммунной системе, начав размножаться. Синтезирующиеся вирусные белки образуют комплексы с поверхностными антигенами клетки (антигены гистосовместимости или трансплантационные антигены), а те распознаются Т-лимфоцитами, еще называемыми киллерными. Активировавшиеся Т-лимфоциты связываются с инфицированной фагоцитирующей клеткой своими рецепторами и убивают ее посредством апоптоза и особых литических белков — перфоринов и цитолизинов, поэтому такое звено иммунитета называют клеточным²¹. Общим для генетических систем, кодирующих антитела и трансплантационные антигены является сложная интрон-экзонная организация и выраженная полигенность. Репертуар антител ученые затрудняются определить, считая, что он «насчитывает миллионы специфичностей»¹. Ни одна другая генетическая система организма не имеет такого количества аллельных форм определенного гена, как трансплантационные антигены²². В систему входят около 400 генов, обнаружено 3,6 млн. строительных блоков ДНК, общее число фенотипов HLA составляет около 20 млрд. Причем обе системы не дублируют друг друга по специфичности распознавания антигенов²³. Следовательно, мы вновь сталкиваемся с последствиями эволюционного процесса, инструментами которого являются ретроэлементы. Одни паразиты/симбионты (генома многоклеточных организмов) «создавали» механизмы для противодействия другим паразитам/симбионтам (фагоцитирующим клеткам и их паразитам). Проверим наше предположение.