Путешествие наших генов

 
Вирусы и бактерии
 
 
Вирусы и бактерии делают людей и животных больными. На этом общие черты этих столь разных возбудителей болезней заканчиваются. Бактерии — это живые создания, которые кишат там, где находят наиболее питательную среду и предпосылки для размножения. А вирусы — это просто пачки молекул без собственного метаболизма. Вирусы можно назвать зомби среди возбудителей: они не живые, но при контакте с организмом наносят ему страшный вред, заставляя тело работать на себя. Вирусы могут поразить не только людей, но и, к примеру, бактерии. А в обратном порядке это не работает.
 
Вирусы, как правило, представляют собой небольшой свернутый участок генетического материала в виде ДНК или РНК, который при первой же возможности связывается с человеческими клетками. Даже если его просто вдохнуть, он прикрепляется к клеткам слизистых оболочек, проникает внутрь и привносит в клетки свой генетический материал, изменяя наследственную информацию. Клетки теперь продуцируют вирусные частицы. Вирусы распространяются по всему телу и, если их распознает иммунная система, уничтожаются вместе с пораженными клетками. Если антибиотики — это в первую очередь оружие против бактерий, то прививки защищают от вирусов. Иммунная система тренируется, когда ей дают ослабленные вирусы или субъединицы вирусов (характерные для вируса белки), и потом может их мгновенно распознавать и побеждать. Без прививки телу требуется больше времени, чтобы дать ответ, — иногда настолько больше, что уже все тело поражено вирусами и вынуждено вступать с ними в коллаборацию.
 
Бедная блоха
Чтобы устроить людям катастрофы вроде юстинианской чумы или «черной смерти», чумная бактерия сначала должна была использовать в качестве инструмента другой организм, который при передаче болезни мучительно умирает. Этот организм — блоха. Ко времени больших чумных эпидемий люди в Европе жили в весьма негигиеничных условиях. Канализация по большей части отсутствовала, поселения были густо населены, концепция гигиены как профилактики болезней была еще не известна. В деревнях и городах зерно зачастую хранилось на чердаках, по улицам плавали фекалии, и все кишмя кишело крысами. Они и были животными-хозяевами возбудителя чумы — он уже с успехом атаковал грызунов. С грызунов чума могла перейти на людей, когда они ели животных, получали от них укус или вступали в контакт с их выделениями. Фатальными стали только первые мутации возбудителя чумы, которые позволили ему гораздо эффективнее перебираться с крысы на человека — через крысиную блоху. Последняя, когда у нее не было выбора, кусала и людей тоже.
Для распространения бубонной чумы блоха была просто необходима. Чтобы перейти с одного млекопитающего на другое, например с крысы на человека или с человека на человека, бактерия должна была сперва попасть в блоху, а уже с ее помощью — в другой организм, через его систему кровообращения. И вот тут возникала проблема: по своей природе блоха кровь не выделяет, а только всасывает. Но бактерия бубонной чумы смогла преодолеть это препятствие. Помогли ей мутации в так называемых генах вирулентности, которые, помимо прочего, обеспечивают выживание бактерии в желудке блохи. Бактерии, возбужденные генами вирулентности, начинают активно делиться и образуют в зобе (утолщение пищевода перед самым желудком) животного биопленку. Эта биопленка — своего рода сгусток чумных бактерий, который забивает зоб блохи, не давая крови попасть в желудок, и одновременно инфицирует бактериями любую жидкость вокруг него. Мучение для блохи начинается, когда, будучи инфицированной, она кусает снова и снова. Кровь, которую она при этом всасывает, не находит пути в желудок и снова выплескивается. Тот, кого укусили, при этом инфицируется.
Если здоровая блоха ежедневно кусает считаные разы, блоха с чумной бактерией делает это сотни раз. Медленно умирая от голода, а потому кусая все более агрессивно, насекомое теряет над собой всякий контроль и обеспечивает при этом массовое заражение людей и животных. В организмах зараженных бактерии размножаются, чтобы в конце концов распространиться с помощью новой блохи или легочной чумы. Умирающие люди для бактерий — средство достичь своей цели: принятая от блохи кровь должна содержать в себе много бактерий, чтобы передача состоялась, а это возможно только в случае смертельного отравления крови. Бактерии извлекают выгоду даже из того, что им приходится умирать вместе со своим хозяином: сепсис, который у него развивается, позволяет поразить новых хозяев.
 
Только с помощью такого способа передачи обычная чума стала пресловутой бубонной чумой, при которой после укуса блохи чумные бактерии размножаются в лимфатических узлах, а те набухают до хорошо заметных шишек. В течение десяти дней бактерии распространяются по телу, что приводит к отказу органов и смертельному отравлению крови. Конечности, как правило, окрашиваются при этом в черный цвет — отсюда и «черная смерть». Легочная чума, другая форма чумы, — это побочный эффект, она передается напрямую от человека к человеку. При этом легкие инфицированного разлагаются, а мелкие частички органа выпускаются в воздух вместе с дыханием. Если эти капельки находят путь в другое легкое, его обладатель или обладательница через один или два дня уже мертвы.
Помощь от Пентагона
Мутации, которые были важны для отвратительного повсеместного распространения и течения чумы, использовали как возбудители «черной смерти», так и возбудители первой исторически задокументированной чумной пандемии. Юстинианская чума бушевала в Европе с VI века, спровоцировала десятки миллионов жертв и считается одной из возможных первопричин длительного заката Западной Римской империи. В 2016 году мы смогли реконструировать возбудителя бубонной чумы из этого времени. Он нашелся на кладбище вблизи Мюнхена, где в VI столетии обрела покой умершая примерно в то же время молодая пара. Это добавило к нашим представлениям о юстинианской чуме важное знание: вопреки устоявшимся историческим представлениям, заразная болезнь встречалась не только на Средиземноморских землях, но и в регионах к северу от Альп. Искать геном чумы на лондонском кладбище было естественно, ведь черная смерть, как широко известно, бушевала в этом регионе, здесь в массовых захоронениях лежали ее многочисленные жертвы. Чтобы отследить юстинианскую чуму под Мюнхеном, требовалось уже побольше исследовательской удачи. Полностью открытым долго оставался вопрос о том, где в доисторическое время, о котором не осталось письменных свидетельств, люди умирали от болезни. Это хуже, чем искать иголку в стоге сена — тут даже не знаешь, в каком стоге рыться. Понятно, где находится ДНК умерших людей — в их костях, но в случае со старыми возбудителями болезни нужно еще знать, в каких скелетах искать, то есть какие мертвецы страдали от определенных болезней. Установить нахождение чумного генома в человеческих останках из времени, о котором не знаешь, была ли уже тогда чума, — предприятие с неизвестным исходом. К тому же невероятно дорогое. Искать возбудителя чумы в каждом секвенированном скелете, полагаясь на удачу, было бы слишком дорого. Во всяком случае, так оно было до недавних пор. За то, что сегодня столь широкий поиск возможен, мы благодарны американскому министерству обороны.
В 2012 году Пентагон учредил премию в миллион долларов ученым, которые смогут разработать компьютерную программу для быстрого обнаружения и упорядочивания наследственного материала бактерий и вирусов — чтобы лучше подготовиться к использованию биологического оружия. Больше сотни объединений ученых участвовали в конкурсе, и только три дошли до финала. Состязание называлось Defense Threat Reduction Agency’s Algorithm Challenge. Осенью 2013 года была определена команда победителей, в составе которой оказался мой коллега из Тюбингена, биоинформатик Даниэль Хусон. Чтобы алгоритм можно было использовать и в археогенетике, Хусон вместе с нашим Йенским институтом позднее разработал встраиваемый алгоритм, который позволяет за 24 часа соотнести миллиарды секвенций ДНК с их источником. Программа показывает, какая часть ДНК из скелета человеческая, а какая принадлежит микробам, бактериям или вирусам, и каким именно. Этот новый алгоритм в 200 раз быстрее старых методов. Вместо почти года, как прежде, теперь результатов приходится ждать всего один день. Алгоритм распознает, содержит ли исследуемая ДНК также ДНК бактерий и вирусов, известных как возбудители человеческих болезней. Естественно, срабатывает это только тогда, когда они похожи на широко известных возбудителей и их последовательности хранятся в базе данных. Неизвестные, вымершие болезни так и остаются необнаруженными. До сих пор микробы были продуктом жизнедеятельности, обнаруживаемым при секвенировании человеческой ДНК, а теперь, благодаря новой технологии, стали самоцелью. Многие тысячи скелетов были таким образом исследованы в нашем институте, при этом обнаружили мы не только чуму, но и возбудителей целого ряда других болезней.