ЧЯД. Глава 6. 3

                ДЮЙМ ЗА ДЮЙМОМ

Для работы системы разнообразия антител требуется несколько компонентов. Первый, конечно, это сами гены. Второй – сигнал, идентифицирующий начало и конец сегментов генов. У современных организмов каждый сегмент окружен специфическими сигналами, которые сообщают ферменту прийти и соединить части вместе. Это похоже на предложение, которое гласит: «Быстрая бркат here [fjwkw]cut hereown лиса прыгает через lacut here [Ifybnek sy] cut herezy собаку». Пока есть начало и конец, клетка знает, что нужно держать их вместе. Третий компонент — это молекулярная машина, которая специфически распознает сигналы резки и соединяет детали в правильном порядке. В отсутствие машины детали никогда не вырезаются и не соединяются. В отсутствие сигналов это все равно, что ожидать, что машина, которая случайным образом режет бумагу, сделает бумажную куклу. И, конечно, в отсутствие сообщения для самого антитела, другие компоненты были бы бессмысленны.

Потребность в минимальной функциональности усиливает неснижаемую сложность системы. Представьте, что вы дрейфуете на спасательном плоту в штормовом море, и случайно мимо проплывает ящик, в котором находится подвесной мотор. Ваша радость от надежды на избавление была бы недолгой, если бы после того, как вы прикрепили его к лодке, подвесной винт вращался бы со скоростью один оборот в день. Даже если сложная система функционирует, система является неудачной, если уровень производительности не на должном уровне.

Проблема происхождения разнообразия антител напрямую связана с требованием минимальной функции. Примитивная система с одной или несколькими молекулами антител будет подобна пропеллеру, вращающемуся со скоростью одного оборота в день: недостаточно, чтобы что-то изменить. (Более того, это было бы так, как если бы национальная база данных идентификации ФБР содержала только два набора отпечатков пальцев. Из сотен тысяч преступников ФБР могло надеяться поймать только этих двоих.)

Поскольку вероятность того, что форма одного антитела будет комплементарна форме угрожающей бактерии, настолько мала – возможно, одна на сто тысяч или около того – животное, которое потратило энергию на создание пяти или десяти генов антител, будет тратить ресурсы, которые можно было бы вложить в создание большего количества потомства, или создание более прочной кожи, или создание фермента, который  разрушал бы РНК.  Чтобы принести какую-либо пользу, система, генерирующая антитела, должна была бы генерировать очень большое количество антител с самого начала.

                НАЕМНЫЙ УБИЙЦА

Представим тысяча лет назад вы живете в большом поселении с группой людей. Поскольку оно находится недалеко от побережья, вы должны беспокоиться о мародёрах-викингах. Поселение окружено прочным, высоким деревянным забором. Во время набега горшки с кипящим маслом выливают на людей, пытающихся подняться по лестнице. Однажды странствующий волшебник стучит в дверь поселения. Открыв свою рюкзак, он предлагает продать вам оружие из будущего. Он называет его «ружьем». Когда нажимаешь на курок, говорит он, ружье стреляет снарядом в том направлении, куда вы его нацеливаете. Орудие переносное, и его можно быстро перенести с одной стороны комплекса на другую, если враг украдкой изменит свою атаку. Вы и другие члены комплекса платите волшебнику две коровы и четыре козы за оружие.

В конце концов, на ваше поселение совершается налет. Течет кипящее масло, но у атакующих есть таран. Услышав, как они бьют по воротам, вы уверенно шагаете навстречу с оружием в руке. Наконец ворота разбиты, и захватчики врываются внутрь, крича и размахивая боевыми топорами. Вы наводите ружье и стреляете в их лидера. Снаряд летит по воздуху и прилипает к носу вождя викингов. На стволе ружья, буквами, которые вы не можете прочитать, есть надпись «Acme Toy Dart Gun»*. Вождь останавливается, смотрит на вас и начинает ухмыляться. А ваша улыбка растворяется. Он и его друзья бросаются на вас. К счастью, в этот момент вы реинкарнируетесь биохимиком в двадцатом столетии.

Антитела похожи на игрушечные дротики: они никому не вредят. Подобно табличке «Аварийный дом», размещенной на старом доме, или оранжевой букве «X», нарисованной на дереве, которое нужно убрать, антитела – это всего лишь сигналы другим системам уничтожить помеченный объект. Удивительно думать, что после того, как организм приложил все усилия для разработки сложной системы для генерации разнообразия антител, и после того, как он кропотливо отобрал несколько клеток в процессе клонального отбора, он все еще практически беспомощен перед натиском захватчиков.

W Фактическое уничтожение чужеродных клеток, помеченных антителами, осуществляется системой «комплемента», которая называется так потому, что она дополняет действие антител в избавлении от захватчиков. Путь удивительно сложен и во многих отношениях похож на каскад свертывания крови, описанный в 4 главе. Система комплимента состоит примерно из 20 видов белков, которые образуют два связанных пути, называемых классическим путем и альтернативным путем. Классический путь начинается, когда большой агрегат белков, называемый C1, связывается с антителом, которое само связано с поверхностью чужеродной клетки. Крайне важно, чтобы комплекс С1 распознавал только связанное антитело. Если C1 прикрепляется к антителам, плавающим в кровотоке, то весь C1 поглощается и становится бесполезным для действий против врагов. Или, если С1 связывается с антителами, прикрепленными к мембране В-клеток, он инициирует реакции, которые в конечном итоге убивают хорошие клетки.

C1 состоит из 22 белковых цепей. Их можно разделить на три группы. Первый называется C1q. Он содержит шесть копий трех различных типов белков, всего 18. Две другие группы называются C1r и С1s. У них обоих есть по две копии разных белков. Все три различных типа белков в C1q начинаются со специальной аминокислотной последовательности, которая напоминает последовательность белка кожи коллагена. Последовательность позволяет хвостам трех типов белков C1q оборачиваться друг вокруг друга, как косы. Это расположение содержит по одному из каждого типа белка в мини-комплексе. Остальные белковые цепи затем сворачиваются в сложные, шаровидные формы в верхней части косы. Затем шесть мини-комплексов собираются вместе. Шесть косичек прилипают друг к другу вдоль, образуя центральный стебель, из которого торчат шесть головок. Снимки C1q, сделанные с помощью электронного микроскопа, показывают нечто, напоминающее монстра с головой гидры. (Другие люди сравнивают это с букетом тюльпанов, но мне нравятся более драматичные изображения.) Головки C1q прикрепляются к комплексу антитело-чужеродная клетка. По крайней мере, две головки должны быть прикреплены до начала пути. Как только они прилипают, что-то в C1q меняется, и изменение C1q заставляет C1r и С1s более плотно связываться с C1q. Когда это происходит C1r режет себя (заголовок: Собака кусает собаку!), чтобы дать C1r@. («Активированные» белки  обозначаются верхней чертой над цифрой и строчной буквой.)** Затем С1r@ режет С1s, чтобы получить С1s@.

После того, как С1 будет расщеплен, нам еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем работа по уничтожению вторгшейся клетки будет завершена. Белки С1 в совокупности называются «единицей узнавания». Следующая группа белков (названных С2, С3 и С4) называется «единицей активации». В отличие от блока распознавания, блок активации уже не собран в единое целое; его надо собрать.

Первым шагом в формировании активационной единицы является расщепление С4 при помощи  С1s@. Когда C4 разрезается, очень реактивная группа, которая находилась внутри одного куска (C4b), подвергается воздействию окружающей среды. Если группа находится близко к мембране, она может вступать с ней в химическую реакцию. Присоединение C4b необходимо для того, чтобы остальные белки в блоке активации могли иметь якорь, удерживающий их близко к захватчику. Напротив, если C4b направлен в неправильном направлении или плавает в растворе, то реакционноспособная группа быстро распадается, не прикрепляясь к нужной мембране. После того, как C4b прикрепился к мембране-мишени, совместно с С1s@ он расщепляет C2 на две части. Более крупная часть, C2a, остается прилипшей к C4b, образуя C4b,2a@, также известную как «C3-конвертаза». С3-конвертаза должна действовать быстро, иначе она развалится, а С2а уплывет. Если молекула С3 находится поблизости, С3-конвертаза расщепляет ее на две части.

C3b прилипает к C3-конвертазе с образованием C4b,2a,3b@, которую еще называют «C5-конвертаза». Конечной реакцией активационного блока является расщепление С5 на два фрагмента.

В этот момент система, наконец, готова вонзить нож в захватчика. Одна из частей C5 прилипает к C6 и C7. Эта структура обладает замечательным свойством встраиваться в клеточную мембрану.

Затем C5b,6,7@ связывается с молекулой C8, и к ней присоединяется переменное число (от одного до восемнадцати) молекул C9. Белки, однако, не образуют недифференцированный шар. Скорее, они организуются в трубчатую форму, которая пробивает отверстие в мембране вторгшейся бактериальной клетки. Поскольку внутренности клеток представляют собой очень концентрированные растворы, осмотическое давление заставляет воду устремляться внутрь. Прибывающая вода набухает бактериальную клетку до тех пор, пока она не лопнет.

Существует альтернативный путь активации мембраноатакующего комплекса, который может действовать быстро после заражения, не дожидаясь выработки специфических антител. В альтернативном пути небольшое количество C3b, которое, по-видимому, вырабатывается непрерывно в малых количествах, связывается с белком, называемым фактором B. C3b,B затем можно разрезать другим белком, фактором D, чтобы получить C3b,Bb@. Теперь она может действовать как C3-конвертаза. Когда образуется больше C3b, вторая молекула C3b может присоединиться к выходу (C3b)2 Bb@. Примечательно, что теперь это С5-конвертаза, которая продуцирует C5b, который затем начинает формирование мембрано-атакующего комплекса мембран-атаки способом, описанным выше для первого пути.

C3b – опасный белок, поскольку он может активировать деструктивный конец комплемента. Чтобы свести к минимуму случайное повреждение, два белка (факторы I и H) ищут и уничтожают C3b в растворе. Но если C3b находится на поверхности клетки, то другой белок (пропердин) связывается с C3b и защищает его от деградации, чтобы он мог выполнять свою работу. Как C3b нацелен на чужеродные клетки в отсутствие антител? C3b эффективен только в том случае, если он прилипает к поверхности клетки. Химическая реакция, с помощью которой он это делает, протекает быстрее в присутствии молекул, обычно встречающихся на поверхности многих бактерий и вирусов. W

                ПРОБЛЕМЫ, ПРОБЛЕМЫ

Как и путь свертывания крови, путь комплемента является каскадом. Неизбежно в обоих случаях мы сталкиваемся с одними и теми же проблемами, пытаясь представить себе их постепенное возникновение. Проблема не в конечной деятельности каскада. Образование отверстия в мембране не обязательно требует нескольких различных компонентов. Один белок-убийца мог бы сделать эту работу. Кроме того, образование белкового агрегата, например, при свертывании крови, не обязательно требует нескольких компонентов. При правильных условиях любой белок будет агрегироваться. И, как мы видели в 4 главе, телефонный столб сам по себе может повредить Фоггорн-Леггорна.

Проблема заключается в системах управления. В каждой контрольной точке с самого начала должны присутствовать как регуляторный белок, так и замаскированный белок, который его активирует. Если бы присутствовал C5b, остальная часть каскада немедленно бы включилась; но если бы присутствовал C5 и не было ничего, что могло бы его активировать, то весь путь был бы закрыт. Если бы C3b присутствовал, остальная часть каскада была бы немедленно запущена; но если бы С3 присутствовал без ничего, что могло бы его активировать, то весь путь был бы отключен. Даже если представить себе значительно укороченный путь (где, скажем, Cls непосредственно разрезает C5), вставка дополнительных контрольных точек в середину каскада сталкивается с той же проблемой: неупрощаемой сложностью переключателей.

W В дополнение к общим проблемам каскад комплемента имеет еще одну общую проблему с каскадом свертывания крови: прикрепление белков к мембранам, что имеет решающее значение. Сначала необходимо модифицировать несколько факторов свертывания крови, чтобы синтезировать остатки Gla, чтобы они могли прилипать к мембране. В пути комплемента и С3, и С4 имеют необычные, высокореакционноспособные внутренние группы, которые химически прикрепляются к мембране после того, как белки расщепляются другими факторами. Эти особенности должны быть доступны до того, как каскад начнет функционировать, что добавляет еще один серьезный барьер для их постепенного развития.

Многочисленные мелкие детали системы комплемента являются камнями преткновения для постепенного развития. Давайте рассмотрим некоторые тонкие характеристики системы C1. Три типа белков в C1q оплетают друг друга, но не заплетаются друг с другом. Если бы они это сделали, то соотношение различных типов цепей в комплексе было бы изменено, и было бы гораздо меньше шансов получить настоящий комплекс C1q с шестью копиями трех разных цепей. Если бы связывание C1q с антителом-чужеродной клеткой не вызывало саморасщепления C1r, то каскад был бы остановлен. И наоборот, если C1r разрезает себя до того, как C1q свяжется с комплексом антител, то каскад будет преждевременно запущен. И так далее. W

                СИЗИФ БЫ ПОСОЧУВСТВОВАЛ

Правильное функционирование иммунной системы является обязательным условием здоровья. Основные болезни, такие как рак и СПИД, имеют либо свою причину, либо свое лечение, либо и то, и другое, в капризах системы. Из-за своего влияния на здоровье населения иммунная система является предметом пристального интереса. Тысячи исследовательских лабораторий по всему миру работают над различными аспектами иммунной системы. Их усилия уже спасли много жизней и обещают спасти еще больше в будущем.

Хотя были достигнуты большие успехи в понимании того, как работает иммунная система, мы по-прежнему не знаем, как она появилась. Ни на один из вопросов, поднятых в этой главе, не ответил ни один из тысяч ученых, работающих в этой области. Мало кто даже задавал подобные вопросы. Изучение иммунологической литературы показывает, что в настоящее время ведутся работы в области сравнительной иммунологии (изучение иммунных систем у различных видов).  Но эта работа, какой бы ценной она ни была, не рассматривает в молекулярных деталях вопрос о том, как возникла иммунная система. Возможно, лучшие попытки сделать это до сих пор были предприняты в двух коротких статьях. Первая, написанная нобелевским лауреатом Дэвидом Балтимором и двумя другими выдающимися учеными, называется «Молекулярная эволюция иммунной системы позвоночных». Но трудно соответствовать такому названию всего на двух страницах. Авторы отмечают, что для любого организма, чтобы иметь иммунную систему, сходную с той, что наблюдается у млекопитающих, минимально необходимыми молекулами являются рецепторы антигена (иммуноглобулин и TCR), молекулы презентации антигена (MHC) и гены, перестраивающие белки.

(Иммуноглобулины – это антитела. Молекулы TCR*** сродни антителам.) Затем авторы утверждают, что акулы, которые очень отдаленно связаны с млекопитающими, по-видимому, имеют все три компонента. Но одно дело сказать, что у организма есть завершенная, функционирующая система, и другое – сказать, как эта система развивалась. Авторы, безусловно, понимают это. Они отмечают, что гены иммуноглобулина и TCR требуют белков RAG для перестройки. С другой стороны, белки RAG требуют специфических сигналов рекомбинации для перестройки генов иммуноглобулина и TCR.

(RAG – это компонент, который перестраивает гены)****. Они делают отважную попытку учесть компоненты, но в итоге это всего лишь прыжок в коробку с Кальвином и Гоббсом. Авторы предполагают, что ген бактерии мог бы быть удачно перенесен в животное. К счастью, белок, кодируемый геном, мог сам перестраивать гены. И к счастью, в ДНК животного были сигналы, которые находились рядом с генами антител. И так далее. В конечном счете авторы выявляют ключевые проблемы в постепенной эволюции иммунной системы, но предлагаемые ими решения на самом деле являются лишь замаскированным пожатием плеч.

Другая статья, которая храбро пытается объяснить происхождение иммунной системы, называется «Эволюция системы комплемента». Как и первая статья, она очень короткая и представляет собой статью-комментарий, а не статью-исследование. Авторы делают некоторые воображаемые предположения о том, что может быть первым и вторым, но неизбежно они присоединяются к Расселу Дулиттлу в предложении необъясненных белков, которые «высвобождаются» и «вырастают». («В какой-то момент критическое слияние генов создало протеазу с сайтом связывания для примитивного C3b»; «Эволюция других альтернативных компонентов пути еще больше улучшила амплификацию и специфичность»; и «С2, созданный дупликацией гена фактора В, позволил бы дальнейшую дивергенцию и специализацию двух путей»). Никаких количественных расчетов в статье нет. Как и признания того, что дупликации генов не приведут немедленно к созданию нового белка. Также никто не беспокоится об отсутствии контроля для регулирования пути. Но тогда было бы трудно уместить эти опасения в четыре абзаца статьи, которые касаются молекулярных механизмов.

Есть и другие статьи, и книги, в которых обсуждается эволюция иммунной системы. Большинство из них находятся на уровне клеточной биологии и, потому не имеют отношения к детальным молекулярным механизмам, или же они занимаются просто сравнением последовательностей ДНК или белков. Сравнение последовательностей может быть хорошим способом изучения родства, но результаты ничего не могут сказать нам о механизме, который впервые породил системы.

Мы можем тщательно или поверхностно копаться в книгах или журналах, результат будет один и тот же. В научной литературе нет ответов на вопрос о происхождении иммунной системы.

В этой главе я рассмотрел три особенности иммунной системы – клональный отбор, разнообразие антител и систему комплемента – и продемонстрировал, что каждая из них по отдельности создает огромные проблемы для предполагаемой пошаговой эволюции. Но демонстрация того, что некоторые структуры не могут быть построены шаг за шагом, только часть истории, потому как эти структуры еще и взаимодействуют друг с другом. Точно так же, как автомобиль без рулевого управления, или аккумулятора, или карбюратора не принесет вам много пользы, животное, у которого есть система клонального отбора, не получит от этого большой пользы, если нет способа генерировать разнообразие антител. Большой репертуар антител не принесет много пользы, если нет системы для уничтожения захватчиков. Система уничтожения захватчиков не принесет много пользы, если нет способа их идентифицировать. На каждом шагу нас останавливают не только локальные системные проблемы, но и требования интегрированной системы.

Мы рассмотрели некоторые положительные черты иммунной системы, но есть и недостатки ношения с собой заряженного оружия. Вы должны убедиться, что не выстрелите себе в ногу. Иммунная система должна различать себя и остальной мир. Когда, скажем, бактерия вторгается, почему организм вырабатывает антитела против нее, но не против красных кровяных телец, которые постоянно циркулируют в кровотоке, или против любых других тканей, с которыми постоянно сталкиваются клетки антител? Когда организм вырабатывает антитела к самому себе, это, как правило, катастрофа. Например, люди, страдающие рассеянным склерозом, вырабатывают антитела, направленные против изолирующих оболочек, окружающих нервы. Это заставляет иммунную систему разрушать изоляцию, обнажая и замыкая нервы, что приводит к параличу. При ювенильном диабете вырабатываются антитела против бета-клеток поджелудочной железы, что приводит к их разрушению. Несчастный человек не может вырабатывать инсулин умрет, если инсулин не будет поставлен искусственно. Как организм приобретает толерантность к собственным тканям, до сих пор неясно, но каким бы ни был механизм, мы знаем одно: система самотолерантности должна была присутствовать с самого начала иммунной системы.

Разнообразие, признание, разрушение, терпимость – все это и многое другое взаимодействует друг с другом. В какую бы сторону мы ни повернулись, постепенный подход к иммунной системе блокируется множеством взаимосвязанных требований. Как ученые, мы жаждем понять, как появился этот великолепный механизм, но сложность системы обрекает все дарвиновские объяснения на разочарование. Сам Сизиф пожалел бы нас.

Возможно, неудивительно, что в таких машинах, похожих на «Звездные войны», как иммунная система, обнаруживается неослабевающая сложность. Но как насчет более скромных систем? А как насчет заводов, производящих гайки и болты, из которых изготавливаются молекулярные машины? В заключительной главе с доказательствами я рассмотрю систему, которая является одним из «строительных блоков». Мы увидим, что сложность достигает самого дна клетки.

 *   Игрушечный дротик Acme.

** К сожалению, формат публикаций Проза ру не отображает такую конструкцию. Поэтому я буду ставить @, т.е.  «активированный».

***  TCR – T-cell receptor – это белковый комплекс, обнаруженный на поверхности Т-клеток или Т-лимфоцитов, который отвечает за распознавание фрагментов антигена в виде пептидов.

**** RAG - recombination-activating gene – ген, активирующий рекомбинацию, кодирует части белкового комплекса, который играет важную роль в перестройке и рекомбинации генов, кодирующих молекулы иммуноглобулина и Т-клеточных рецепторов. Существуют два активирующих рекомбинацию гена RAG1 и RAG2.

Продолжение http://proza.ru/2024/08/21/922

К началу  http://proza.ru/2024/07/09/355