Песнь клетки. Медицинские исследования и новый человек - Сиддхартха Мукерджи
Процесс включения и выключения генов жизненно важен и обеспечивает своеобразие каждой клетки. Набор включенных и выключенных генов делает нейрон нейроном, а лейкоцит – лейкоцитом. В процессе развития организма гены (точнее, кодируемые генами белки) сообщают клетке информацию о ее будущей локализации и определяют ее будущую судьбу. Гены включаются и выключаются под действием внешних стимулов, таких как гормоны, которые также передают сигналы, изменяющие поведение клетки.
При делении клетки каждая хромосома копируется – и две копии расходятся в пространстве. В человеческих клетках ядерная оболочка разбирается, и один полный набор хромосом переносится в каждую из двух новорожденных дочерних клеток, а затем вокруг него образуется новая ядерная мембрана – в результате появляется дочерняя клетка с новым ядром и упакованными в нем хромосомами.
Однако многое о ядре остается неизвестным, двери в “командный пункт” клетки все еще открыты не полностью. Как заметил один биолог, “мы можем только надеяться, что сказанное генетиком Дж. Б. С. Холдейном о космосе не окажется справедливым и для ядра: «Я подозреваю, что Вселенная не только страннее, чем мы себе представляем, но и страннее, чем мы можем предположить. Если мы осознаем, что ядро сложнее, чем мы когда-то думали, но при этом познаваемо, одно это убеждение даст силы нам, нашим ученикам и последователям, чтобы проникнуть в манящие нас глубины. Есть все основания верить в эту программу. Так что давайте будем оптимистами»”21.
Мембрана. Протоплазма. Лизосома. Пероксисома. Ядро. Эти элементы жизненно важны для клетки. Они выполняют специализированные функции, позволяющие клетке поддерживать независимое существование. Их локализация, организация и координация играют чрезвычайно важную роль. Короче говоря, автономность клетки определяется ее анатомией.
А эта анатомия, в свою очередь, обеспечивает важнейшее свойство живых систем – поддержание постоянства внутренней среды, называемое гомеостазом. Идея гомеостаза (слово происходит от греческих слов Ьотео и stasis и обозначает “относящийся к покою”) была впервые предложена французским физиологом Клодом Бернаром в 1870-е годы, а затем в 1930-е развита физиологом из Гарварда Уолтером Кенноном.
На протяжении многих поколений до Бернара и Кеннона физиологи описывали животных как конгломерат машин, как сумму подвижных частей. Мышцы – моторы, легкие – пара мехов, сердце – насос. Толкать, крутить, качать – акцент ставился на движение, на действие, на работу. Не стой просто так, делай что-нибудь.
Бернар перевернул эту логику. “Постоянство внутренней среды есть условие свободной и независимой жизни”, – писал он в 1878 году22. Сместив в физиологии акцент с действия на поддержание стабильности, Бернар изменил наше представление о том, как работает тело. Главная задача физиологической “активности” – парадоксальным образом – заключается в обеспечении стабильности. Не делай что-то просто так, стой здесь.
Бернар и Кеннон изучали гомеостаз в организмах и в органах, однако постепенно выяснялось, что гомеостаз – основополагающее свойство клеток и, следовательно, жизни. Чтобы понять клеточный гомеостаз, мы вновь начинаем с мембраны, ограждающей клетку от внешнего пространства, чтобы отделить внутренние реакции и избавить их от внешнего вмешательства. В мембране есть “насосы”, выводящие из клетки ненужные вещества – опять-таки чтобы поддерживать постоянство внутриклеточного пространства. Протоплазма содержит химические буферы, так что кислотность и щелочность внутренней среды не меняются даже при изменении химического окружения за пределами клеток. Клетке нужна энергия, и митохондрии ее вырабатывают. Протеасома уничтожает ненужные или бракованные белки. Специализированные запасающие органеллы в некоторых клетках гарантируют наличие запаса питательных веществ, который может использоваться в случае необходимости. Токсичные побочные продукты метаболизма направляются в пероксисому для уничтожения.
Вскоре мы переключим внимание с автономности и гомеостаза на другие важнейшие свойства клетки – на репродукцию, функциональную специализацию и способность делиться и формировать многоклеточный организм. Но задержимся немного и перечислим удивительные открытия, относящиеся к содержанию данной главы. Два десятилетия между 1940 и 1960 годами можно назвать наиболее плодотворным и продуктивным периодом в работе клеточных биологов, пытавшихся описать функциональную анатомию внутриклеточного пространства. Это период величия и мастерства, как примерно за сто лет до этого, когда Шванн, Шлейден, Вирхов и другие ученые заложили основы клеточной биологии. Если открытия этого периода сегодня кажутся “рутинными” (варианты фразы “Митохондрии являются клеточными электростанциями” можно встретить в любом учебнике по биологии для старшеклассников), то лишь по той причине, что мы, как это часто бывает, забываем, с каким энтузиазмом они воспринимались тогда. Мне не кажется преувеличением называть переход от открытия клетки к выявлению ее структурной анатомии и в конечном итоге ее функциональной анатомии одним из самых вдохновляющих достижений науки.
Открытие функциональной анатомии клетки способствовало более целостному ее пониманию и, как следствие, определению принципов жизни. Клетка, как отмечалось выше, это не просто система близко расположенных частей, как автомобиль – не просто карбюратор рядом с мотором. Это интегральная система, объединяющая функции отдельных элементов для обеспечения основополагающих принципов жизни. Между 1940 и 1960 годами ученые начали связывать между собой отдельные элементы клетки, чтобы понимать, как независимая живая единица может функционировать и становиться “живой”.
Неизбежным следствием этих фундаментальных открытий стало развитие новой медицины. Если развитие макроанатомии и физиологии способствовало наступлению новой эры в хирургии и медицине в XVIII и XIX столетиях, то функциональная клеточная анатомия и физиология определили новые пути борьбы с болезнями и новые терапевтические подходы в XX столетии. Мы давно знали, что нарушение функции органа влечет за собой болезнь: почечную недостаточность, слабость сердечной мышцы, перелом кости. Но что происходит при нарушении функции клеточных органелл?
Летом 2003 года одиннадцатилетний хоккеист по имени Джаред начал слепнуть на оба глаза23. Мир перед его взором медленно тускнел, и Джареду, который пытался продолжать играть, стало трудно различать линии на хоккейной площадке. Родители отвели его к офтальмологу в клинике Мейо в Рочестере, в Миннесоте, чтобы поставить диагноз.
Через неделю в клинике обнаружили причину болезни: у Джареда была так называемая наследственная оптическая нейропатия Лебера24. “Мне очень жаль, но Джаред ослепнет”, – сообщил родителям офтальмолог клиники. Обычно эта наследственная болезнь возникает в результате мутации гена mtND4, который содержится в митохондриях (этот ген был обнаружен и описан в 1988 году, всего за два года до начала проекта “Геном человека”)25. По непонятным пока причинам болезнь специфическим образом затрагивает функции ганглионарных клеток сетчатки глаза, передающих информацию от сетчатки к зрительному нерву и дальше в мозг.
У детей с этим нарушением болезнь неизбежно прогрессирует. Поначалу нервные волокна в области слепого пятна начинают разбухать. Зрительный нерв атрофируется, а нервы сетчатки ослабевают и утончаются. Джаред унаследовал наиболее распространенную форму мутации – в положении 11778 митохондриального генома, длина
