Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Карин Мёллинг

Вирусы: Скорее друзья, чем враги

Переводчик М. Веселкова

Научные редакторы А. Мацкевич, М. Сайфуллин

Редактор И. Тулина

Главный редактор С. Турко

Руководитель проекта А. Василенко

Корректоры Е. Аксёнова, О. Улантикова

Компьютерная верстка К. Свищёв

Художественное оформление и макет Ю. Буга

© 2017 by World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.

Russian translation arranged with World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., Singapore.

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина Паблишер», 2018

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

* * *

Предисловие

Мы стоим на плечах гигантов. Находясь среди гигантов, я за несколько десятилетий познакомилась с выдающимися учеными своего времени, слушала, наблюдала – часто с обожанием и уважением, а иногда вносила в общее дело свой посильный вклад. Исходя из этого и в определенной степени в противовес всему, что я видела, эта книга была задумана как «антивирусная». Мы привыкли считать, что вирусы – опасные и ужасные создания, которые несут в себе разрушение, угрозу – в общем, совершенно отвратительны. Тем не менее они – часть нашей жизни, окружающей нас среды, развития жизни на Земле и процесса эволюции. Они – часть наших генов! Положительные качества микроорганизмов и вирусов почти всегда остаются без внимания, а они заслуживают большего уважения, чем обычно удостаиваются. Читатели этой книги неожиданно для себя откроют совсем иной мир вирусов, и я надеюсь, что наше путешествие в этот мир окажется увлекательным, а не зловещим, не очень научным и ненапряженным, порой провокативным, современным с точки зрения науки, а иногда и футуристичным.

Каждый читатель найдет в этой книге что-нибудь удивительное для себя о вирусах: где на нашей планете они проявляют активность – в океанах, в садах и на деревьях, на кожных покровах и внутри организма, включая кишечник, головной мозг и репродуктивную систему. Вирусы влияют на наше здоровье, душу, чувство страха или бесстрашие, депрессивное состояние, ощущение свободы, способность принимать решения и, как пример, на ожирение. Представьте себе: ВИЧ-подобные вирусы давным-давно сделали откладывание яиц ненужной функцией для человека. Я надеюсь, что все, о чем я написала в книге, не единожды вызовет у вас живой интерес, а мне точно так же было очень интересно создавать эту книгу.

Более 40 лет я изучаю болезнетворные вирусы и читаю лекции о них – правда, это не является основной темой моей книги, – поэтому я знаю о ВИЧ/СПИДе, но при этом считаю, что в возникновении большинства вирусных заболеваний виноваты мы сами – все дело в нищете, антисанитарии, мобильности и наших привычках.

Читатель совершит путешествие в самые глубины того, что составляет наш мир. Современный доктор Фауст Кристофера Марло или Гёте, вполне вероятно, мог бы быть молекулярным биологом, а может быть, даже вирусологом, поскольку «виросфера» охватывает весь мир, а возможно, и Вселенную! Весьма вероятно, что Гёте отдал бы должное вирусам, если бы знал об их существовании и значении.

В самом деле, Гомункул, созданный Гёте образ, поместил Фауста в мир, близкий к молекулярному. Как началась жизнь? И как она заканчивается? Как развивается прогресс и возникают инновации – безусловно, не без участия вирусов и их всем известной «неряшливости». Есть в этом мире и «шумные лемуры, висящие вниз головой на деревьях и обитающие в норах», хотя они не очень похожи на лемуров из «Фауста» Гёте – это очень странные создания, которые 13 млн лет являются носителями ВИЧ-подобных вирусов!

Данную книгу необязательно читать подряд с начала до конца; скорее, нужно выбирать интересующие вас главы, перепрыгивать с одной на другую, переворачивать страницу за страницей, пропускать части текста, если вам кажется, что они слишком сложны и изобилуют научной терминологией. Дополнительная информация приводится в глоссарии и в библиографии. Тем не менее завершающая глава книги предназначена для всех читателей. Здесь концентрированно сведен воедино большой массив информации, как хор голосов в последнем tutti[1] фуги моего любимого Иоганна Себастьяна Баха.

Я беру на себя риск поразмышлять о развитии науки и о том, что движет учеными-исследователями в их повседневной деятельности. Я считаю себя свидетелем и наблюдателем, который может описать собственный опыт, и при этом мною движет идея и надежда, что он будет воспринят как характерный для ученого и общераспространенный, а не покажется исключительно моим личным. Некоторые мои замечания достаточно критичны, но мною движет не горечь и обида, а скорее некоторое изумление в отношении того, что произошло, что я упустила и что все еще поддерживает мой интерес. Поэтому некоторые части книги написаны как своего рода детективные истории, чтобы читателю не было скучно. Другие написаны в философском духе, чтобы у вас, дорогой читатель, было разнообразие. Коллега охарактеризовал мою книгу на немецком языке как три тома в одном: детективная история об ученых, изложенная популярным языком, анализ развития науки за несколько десятилетий и философский труд. Я не философ, но занятия наукой располагают к рассуждениям и сомнениям. Прямо противоположное мнение о моей книге высказал немецкий писатель и кинорежиссер Александр Клюге в книге «Хроника чувств»[2], назвав меня автором «сказок на ночь», подобных тем, которые ему в пятилетнем возрасте рассказывала няня. Вот такие два мнения. Поэтому вполне вероятно, что от этой книги вас будет клонить в сон, но может быть, вы найдете эти истории занимательными или вам просто будет интересно их прочитать. Моя книга предназначена не только для коллег – ученых, работающих в этой же сфере науки и смежных сферах, но и, пожалуй, главным образом для студентов и неспециалистов – читателей, которым можно пропустить некоторые очень уж узкопрофильные научные замечания. Прочтите о последствиях для новорожденных кесарева сечения и «голодной зимы»[3]. А знали ли вы, что вирусы могут «видеть»? Или взять, например, главу о тюльпанах, о первом финансовом кризисе – и то и другое обусловлено вирусами! Таким образом, экономисты тоже могут узнать кое-что интересное.

Кого я хочу поблагодарить? Всех, с кем меня свела жизнь, – и не только гигантов мысли, поскольку любой человек может стать источником вдохновения и что-нибудь дать другим. Мне всегда нравилось получать информацию отовсюду понемногу. В моей судьбе за всю жизнь принимали участие многие люди и организации, и эти эпизоды так переплелись, что их невозможно отделить друг от друга. Меня поддерживали многие – родители, школа, разные университеты, фонды, организации, предоставлявшие гранты, исследовательские организации и общество в целом. Все они поддерживали меня на пути познания, давая возможность найти себя в жизни. И, что имеет далеко не последнее значение, они финансировали мои исследования вирусов и рака – самое дорогостоящее хобби на свете.

Кроме того, мне всегда приходилось иметь дело с молодыми людьми, многих из которых я в силу своих профессиональных обязанностей мотивировала и поддерживала, что было не только долгом: я делала это с большим удовольствием, и временами мне удавалось достичь успеха. Общение с молодежью помогало мне оставаться молодой и не терять связи с изменчивым миром. И наконец, последнее, но важное замечание: сильный противник делал меня сильнее. Выяснилось, что научиться противостоять противникам сложнее, чем казалось, и были моменты, когда я не знала, как справиться с трудностями, поэтому следовала следующему совету коллеги: «Уйди в “подполье”, но старайся быть поближе к выходу и пиши хорошие статьи – это тебя спасет!»

Фонд Studienstiftung проявил величайшую щедрость и терпение, поддержав мой неожиданный переход из физики в молекулярную биологию и мое желание работать в Калифорнийском университете в Беркли (США). В то время университетский городок был охвачен студенческими волнениями. Мой переход к изучению молекулярной микробиологии стал возможен именно благодаря этому фонду. Решение окунуться в совершенно неизвестную для себя область молекулярной биологии в то время, когда никто не мог мне объяснить, что это такое, было для меня одним из самых трудных. Так я стала исследователем и ученым, несмотря на то, что все отговаривали меня от этого шага. Меня поддержал Институт молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин), поэтому я 20 лет вела независимые исследования, в ходе которых мне посчастливилось сделать несколько открытий в вирусологии и изучении рака, что проложило мне путь в будущее, но он оказался намного труднее, чем можно было предположить. Все это происходило в то время, когда женщин – членов Общества Макса Планка было так же мало, «как и женщин-музыкантов в Берлинском филармоническом оркестре под управлением Герберта фон Караяна и в иерархии Католической церкви». Как отметил в одной из публичных лекций Хайнц Шустер, позже ставший директором Общества Макса Планка, в то время в двух вышеназванных организациях было лишь по одной женщине: тогда еще очень юная кларнетистка Сабина Майер и дева Мария – мать Иисуса Христа. Мне повезло, и поддержка Общества Макса Планка пошла мне на пользу.

Я очень благодарна Цюрихскому университету за то, что он дал мне возможность много лет вести исследования и что руководство университета приняло смелое решение назначить меня, человека, не имеющего медицинского образования, деканом медицинского факультета. В то время, предшествовавшее эпохе гендерного равенства, я была единственной женщиной-деканом. «Не высказывайся публично», – совершенно серьезно посоветовал мне один друг, который очень хорошо знал ситуацию и своих коллег, – очевидно, не всех устраивало мое назначение. От меня ждали покорности.

Я благодарна Манфреду Эйгену из Института биофизической химии (Гёттинген) за то, что он неоднократно приглашал меня на свои знаменитые ежегодные зимние семинары по вопросам исследования РНК, которые проводились в Клостерсе (Швейцария); именно там появились некоторые из идей, рассматриваемых в этой книге. Там я как специалист по ретровирусам получила признание коллег, поскольку Эйген считал эти вирусы перспективной моделью эволюции. Меня восхищала широта кругозора Эйгена, его способность видеть перспективу и то, как часто его простые расчеты кинетики реакций, чисел, параметров взаимодействия приводили в замешательство некоторых докладчиков.

Кроме того, я благодарна Институту специальных исследований (Берлин) и Принстонскому университету за приглашения и поддержку, за то, что они создавали атмосферу, стимулирующую рождение новых идей в процессе обсуждения, и за фантастическую возможность наблюдать, как у тебя на глазах открываются новые горизонты мышления. У меня возникает желание выйти к доске с мелом в руках, поскольку это пробуждает в памяти воспоминания об оживленных и спонтанных обсуждениях, проходивших в Принстонском университете. Совершенно невозможно забыть, как вели себя у доски Джон Хопфилд и Фримен Дайсон. Рассуждая о нейронных сетях и квантовой механике, они задавали вопросы, которые никогда не задают зомбированные узкопрофильные специалисты. Что касается этой книги, Дайсон дал мне следующий совет: «Людей интересуют люди, они ничего не хотят знать о генетике!» В процессе написания книги я старалась следовать его совету.

Хочу выразить особую благодарность моим бывшим студентам, коллегам и соавторам по многим статьям, на которых я ссылаюсь в разных главах этой книги и благодаря которым я себя ощущала молодой и энергичной. Большинство из них с таким энтузиазмом относились к науке, что зачастую забывали о карьере и не думали о будущем. Мы провели вместе много приятных часов и значительную часть моей жизни.

Моя особая благодарность Феликсу Брекеру за критическое прочтение этой книги на немецком и английском языках с точки зрения молодого ученого, за проверку целого ряда уточненных данных, цифр, фактов, фамилий, ссылок на другие публикации. Я благодарна Ульрике Кале-Штайнвей за ее комментарии с точки зрения непрофессионала и постоянную поддержку. Кроме того, хочу высказать слова благодарности, к сожалению, ныне покойному Альфреду Пинью, он заслуживает благодарности не в последнюю очередь за то, что не разделял моего мнения. Кроме того, хочу поблагодарить Штефана Болльмана, редактора этой книги из немецкого издательства С.Н.Beck, который, несмотря на душевные страдания, все же проявил толерантность к моему стилю, и Пола Вули – за редактирование первого варианта этой книги на английском языке.

Мне пришлось дважды ограничивать рамки исследований рака в силу печальных обстоятельств. Я посвящаю эту книгу памяти Хайнца Шустера, одного из основателей Института молекулярной генетики Общества Макса Планка (Берлин). Он с большим энтузиазмом отнесся к моей работе и оказывал мне всяческую поддержку, был моим близким другом и благородным человеком. И еще я посвящаю эту книгу Паулю Гредингеру из Цюриха, который не был ученым и сожалел, что очень мало знает о науке, но был уверен, что будет учиться «в следующей жизни». Гредингер работал в аналитическом центре и имел репутацию новаторски мыслящего креативного человека. Он дал мне один незабываемый совет: «Если кто-то крадет результаты вашей работы, это честь для вас. И самое главное, не встречайтесь с равными вам людьми, только с теми, кто выше вас. Это гораздо более инновационно». Как же он был прав! Мне было позволено находиться в обществе их обоих, делиться с ними идеями и мыслями. Они вдохновляли меня, делали меня счастливой и верили в меня более, чем я сама.

Мне дважды пришлось прощаться навсегда, и я никогда этого не забуду. Попытаюсь сохранить память об этих людях, написав эту книгу.

Карин Мёллинг,Берлин – Цюрих, 2016 г.

1. Вирусы – совсем не то, что вы себе представляли

Вирусы: история успеха

Слово «вирус» у людей зачастую вызывает раздражение: «Фу, уберите это отсюда» – или «Будьте осторожны: это зараза, можно заболеть!». Однако данная книга написана с противоположных позиций: на самом деле вирусы лучше своей расхожей репутации. Гораздо лучше. Здесь изложена удивительная, иная сторона представления о вирусах. Вирусы – друзья, а не враги!

Вирусология полностью изменилась. Изменение парадигмы произошло как-то незаметно, и в настоящее время фокус сместился с восприятия вирусов как возбудителей заболеваний на их положительные качества: вирусы как фактор эволюции, вирусы и инновации, вирусы у истоков жизни на Земле или по крайней мере их присутствие на планете с момента зарождения на ней жизни. На протяжении истории развития человечества вирусы являются нашими своеобразными «бодибилдерами» или генными модуляторами. Что такое вирусы? Откуда они взялись? Являются ли вирусы живыми микроорганизмами? В силу каких причин и при каких условиях они становятся возбудителями заболеваний? Ознакомившись с этой книгой, вы, уважаемый читатель, сможете ответить на следующие вопросы: готовы ли вы, как и раньше, плавать в море; действительно ли детские соски-пустышки, произведенные в странах Восточной и Юго-Восточной Азии, могут вызывать развитие рака и нужно ли от них отказываться; надо ли бояться салата из-за наличия в нем большого количества вирусов, вызывающих вирусные заболевания растений?

Из этой книги вы немало узнаете о том, как устроена жизнь: о строении клеток и генов, о вкладе вирусов в способность организмов адаптироваться к внешним условиям, вы зададитесь вопросом, могут ли вирусы влиять на свободную волю человека, и почерпнете информацию о степени нашего «родства» с бактериями и червями и о том, как вирусы могут заменить секс. Вы узнаете, что именно вирусы «изобрели» все иммунные системы и «вооружили» клетки противовирусной защитой. Разобраться в этих вопросах гораздо проще, чем может показаться, и я это утверждаю, исходя из собственного опыта. Какова роль вирусов в развитии рака и как вирусы используются в генной терапии? Действительно ли «прыгающие» гены, которые не что иное, как «запертые в клетке вирусы», отвечают за гениальность? Известно ли вам, что вирусы способны «видеть»? На самом деле это почти так, и они воспринимают мир в голубом цвете! Из книги вы узнаете, какие меры были предприняты для спасения каштановых деревьев, откуда на тюльпанах появились полоски, а на голубых балконных петуньях белые вкрапления (все дело, конечно, в вирусах) и как вирусы вызвали первый финансовый кризис, называемый «тюльпаномания». И наконец, треть населения планеты, вероятно, хочет знать, как контролировать массу тела или бороться с ожирением. (И тут дело в вирусах? Да, конечно.) Вирусы всегда были и до сих пор причастны ко всему вышеупомянутому. А теперь давайте рассмотрим «историю успеха» вирусов.

В 2009 г., когда отмечалось двухсотлетие со дня рождения Чарлза Дарвина, я обедала с коллегами из Института специальных исследований в Берлине. Во время разговора я поинтересовалась их мнением о происхождении жизни на Земле. Среди моих собеседников были философы, историки, социологи и юристы – что они думали по этому поводу? Большой взрыв? «И уж конечно же, не Адам и Ева», – сказали они, отвергая учение о сотворении мира. Но их реакция на мой вопрос в целом вызвала ощущение растерянности и беспомощности. «Раз именно вы задаете этот вопрос, – отметил один из ученых, – значит, это имеет какое-то отношение к вирусам». Да, именно так я и думаю: вирусы были в самом начале или по крайней мере оказали влияние на жизнь вскоре после ее зарождения.

История медицины обусловила формирование одностороннего представления о вирусах как о возбудителях заболеваний. Мы узнали о вирусах именно от медиков. Большинство вирусных заболеваний неизлечимо – эффективного лечения нет, что способствовало формированию негативного мнения о вирусах. На протяжении веков люди были бессильны против вирусных инфекций. Полиомиелит, корь, ветряная оспа и грипп уничтожали культуры, решали исход войн, приводили к разрушению городов и истребляли население на огромных территориях. Люди были не в состоянии отличить вирусные инфекции от бактериальных, но, в сущности, в этом не было необходимости, поскольку, как свидетельствуют результаты самых последних исследований, бактерия Yersinia pestis, возбудитель чумы, приобрела столь выраженный смертоносный характер в силу воздействия на нее фага – вируса, обитающего в бактерии.

Во многих европейских городах есть мемориальные «чумные колонны» – так, в Вене это Pestsäule, популярное место встреч в наши дни. Собор Санта-Мария-делла-Салюте в Венеции сегодня напоминает о «черной смерти» 1347 г., о страхе перед инфекцией и о благодарности выживших. Венеция ежегодно красочным парадом гондол чтит память умерших от чумы, однако город так и не смог полностью оправиться от нанесенного чумой урона. В Мексике испанские конкистадоры одержали победу над индейцами майя в основном благодаря кори, которая местному населению была незнакома и потому оказалась для него смертельной. Майя отомстили, заразив своих завоевателей сифилисом, и так это заболевание попало в Европу. Исход Первой мировой войны по крайней мере частично был предопределен эпидемией гриппа, которая унесла около 100 млн жизней. С 1981 г. от ВИЧ/СПИДа в мире умерло около 37 млн человек, и ежегодно отмечается инфицирование еще 2 млн.

Человечество научилось отличать вирусы от бактерий лишь в последние сто лет. Самое очевидное различие – это размер. Вирусы в большинстве случаев меньше бактерий (хотя бывают и исключения из этого правила), и по крайней мере в настоящее время их репликация зависит от клеток, включая клетки животных, растений и бактерий. Бактерии, в отличие от вирусов, могут размножаться автономно. В настоящее время вирусы не обладают такой способностью, хотя, вполне возможно, в далеком прошлом они могли это делать. Как бактерии, так и вирусы являются возбудителями заболеваний. Антибиотики уничтожают бактерии, но не вирусы. Если врач все же назначает антибиотики, значит, это делается для профилактики развития у пациента бактериальной суперинфекции. Существует очень много книг о вирусах как возбудителях заболеваний. На протяжении многих лет именно этому я учила студентов-медиков в Берлинском и Цюрихском университетах. Но в этой книге я пишу совершенно о другом.

Альтернативный взгляд на проблему тоже нужен. Благодаря новым технологиям вирусология с начала века полностью изменилась. Если ранее мы воспринимали вирусы как врагов человека и животных и даже всех форм жизни, то в настоящее время осознаём, что вирусы внесли свой вклад в зарождение жизни на Земле и с тех пор по сей день оказывают положительное влияние на развитие всего живого на планете. За последние 10 лет или около того наши представления обо всех микробах – вирусах и бактериях – кардинально изменились. Новые методы, новые экспериментальные подходы и новые чувствительные методы детектирования позволили выяснить, что вирусы далеко не только патогенны. Разве не удивительно, что вирусы не распространяются быстрее, чем это происходит, учитывая, что ежегодно совершается более 3 млн авиарейсов с пассажиропотоком около 300 млн человек, и при этом воздух на борту самолета просто рециркулируется, а не очищается с помощью дорогостоящих стерилизующих фильтров. Большинство вирусов и других микроорганизмов безвредны для своих хозяев, и это нужно помнить.

Вирусы – повсюду. И как вы узнаете далее, они самые древние биологические организмы на планете и, вне всякого сомнения, самые распространенные. Человек как вид появился в мире, который существовал до нас миллиарды лет. Мы пришли в этот мир совсем недавно, населяем планету меньше нескольких сот тысяч лет. Те, кто не смог справиться с существовавшими микроорганизмами, вымерли, другие же научились сосуществовать с ними. Нам не известно, сколько популяций погибло от болезней и были ли среди них неандертальцы. Важно отметить, что заболевания развиваются при нарушении баланса, а изменение условий среды происходит при несоблюдении правил гигиены, во время путешествий, в перенаселенных городах, вследствие исчезновения лесов, водоемов, загрязнения окружающей среды и близкого контакта с другими видами – носителями неизвестных нам вирусов (зооноз). Новые для организма микробы могут вызвать заболевание, а на организм, привыкший к этим микробам, они не оказывают негативного воздействия. В большинстве случаев мы сами виноваты в том, что заболели, – довольно категоричное заявление! Приведу простой пример: человек простыл, а это значит, что при изменившейся температуре создаются более благоприятные условия для репликации некоторых вирусов, что и приводит к развитию заболевания, в частности ринита или гриппа. «Принцип простуды» – вот в чем суть вирусологии! В норме организм человека находится в хорошо выверенном балансе с окружающей средой; заболевание развивается, только если баланс нарушен или организм оказывается в необычных для себя условиях. В этом случае возникают условия для репликации вирусов, и мы заболеваем.

Новое тысячелетие началось с события, вызвавшего удивление. Две научные публикации изменили наш взгляд на мир. В одной из этих статей показано, что вирусы составляют половину всего нашего генетического материала, нашего генома, всех наших генов, а во второй речь идет о том, что микроорганизмы доминируют везде – вокруг и внутри нас. Обе эти публикации основаны на новой, появившейся в конце прошлого века технологии секвенирования – определения последовательностей крупных геномов, в частности генома человека. В первой из этих двух публикаций, которая появилась в 2001 г., описано определение последовательностей наших генов, состоящих из 3,2 млрд пар строительных блоков – нуклеотидов. Это было результатом огромных усилий и многомиллионного финансирования. Никто не представлял, из чего, собственно, состоит наш геном. Ответ – из вирусов. Геном человека почти наполовину состоит из вирусов или по крайней мере вирусных последовательностей, «недовирусов», или остатков древних вирусов, населяющих наш геном миллионы лет. Вполне возможно, что гены прочих организмов могут содержать до 85 % вирусных последовательностей. А где предел? 100 %? Далее мы вернемся к этому вопросу. Еще более удивителен тот факт, что эти вирусоподобные элементы могут перемещаться, они могут «прыгать» и наши геномы постоянно меняются. Еще один удивительный факт: все геномы всех особей на планете взаимосвязаны. На генетическом уровне мы все родственники: мухи и прочие насекомые, водоросли и планктон, черви и даже пекарские дрожжи, бактерии, растения, грибы и так далее до человека, и конечно, вирусы, поскольку они являются «поставщиками» многих генов.