Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

К резкому снижению уровня снабжения клеток кислородом ведут нарушения в работе красных кровяных телец, и особенно негативные изменения в молекулах гемоглобина. Уже упоминалось такое заболевание, как серповидная анемия, при которой красные кровяные тельца теряют гибкость и с трудом проходят сквозь мелкие капилляры. Причина этих изменений кроется в мутации гена, ответственного за синтез гемоглобина, что ведет к изменению строения и структуры одной аминокислоты в составе гемоглобиновой молекулы. Из-за этого вся молекула приобретает совсем иную структуру, которая деформирует красные кровяные тельца. Это — один из наиболее очевидных примеров того, как мутация может оказать сильнейшее воздействие на организм, поскольку в данном случае речь идет о непосредственном и прямом влиянии мутации, а не о сложной и длительной цепочке взаимодействия между мутациями и вызываемыми ими явлениями.

Проблемы, связанные с мутациями, могут возникнуть и в системе циркуляции крови — точно так же, как они возникают в системе насосов и труб в водопроводной системе. Если система циркуляции крови в организме, включающая сердце, которое перекачивает кровь, и многочисленные кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры, дает сбой, то это может привести к серьезному ущербу — от сердечных приступов до инсультов. Впрочем, в организме действуют специальные механизмы, направленные на восстановление поврежденных сосудов.

Свертывание крови — один таких механизмов. Он жизненно необходим, когда нужно остановить кровотечение из поврежденного сосуда, однако крайне важно, чтобы свертывание не происходило в нормальных обстоятельствах. Тогда может произойти закупорка кровеносного сосуда — и вслед за этим катастрофические последствия.

Свертывание крови в поврежденном сосуде происходит благодаря тромбоцитам, которые скапливаются в поврежденной области. Они выделяют химические вещества, которые вместе с ними самими образуют своего рода «пробку», закрывающую поврежденное место и тем самым останавливающую кровотечение. Тромбоциты — это небольшие фрагменты клеток дискообразной формы, вырабатываемые в костном мозге. Их единственная функция — предотвращать потерю крови. Оказавшись на месте повреждения, они меняют форму и превращаются из дисков в сферы, которые выбрасывают длинные тонкие нити.

Но те же самые спасительные тромбоциты в иной ситуации становятся причиной инсультов — если повреждается важный кровеносный сосуд, идущий в мозг. Сгусток, созданный ими на месте повреждения, превращается в тромб, вслед за чем следует повреждение нервных клеток. Тот же эффект вызывает тромб, образовавшийся в артерии и принесенный в мозг кровотоком. Впрочем, чаще всего тромбы образуются в венах, особенно в ножных венах тех людей, которые в течение долгого времени находятся в неподвижном состоянии.

Тромбы опасны еще и тем, что могут срываться с места и двигаться в потоке крови, достигая и блокируя новые участки системы кровообращения. Так, тромб, образовавшийся в вене, способен попасть в правое предсердие или в легкие. Тромб достаточно крупного размера, атаковавший крупную легочную артерию, может привести к резкому падению кровяного давления — и к немедленной смерти. Меньшие по размерам тромбы просто повредят легкие.

Внутренняя оболочка наших сосудов постепенно зарастает фиброзно-жировыми бляшками, что сужает их стенки и повышает вероятность развития атеросклероза. Такие бляшки в основном появляются в артериях. Считается, что они являются хронической воспалительной реакцией на повреждения внутренних стенок сосуда, но точно причина атеросклероза до сих пор не установлена.

Напряженно работающая сердечная мышца очень сильно зависит от хорошего кровоснабжения — ей необходимо постоянно получать кислород и питательные вещества. Сужение же кровеносных сосудов, идущих к сердцу, приводит к перебоям в ее работе и, как следствие, к смерти человека.

Остеопороз, заболевание костей, также может быть вызван уменьшением кровоснабжения, что приводит к активизации клеток остеокластов. В обычной ситуации функция остеокластов заключается в том, чтобы модифицировать кость по мере развития эмбриона и последующего роста человека. Но если ухудшается снабжение кости кислородом, остеокласты приступают к замене «плохо работающих» костных клеток, что делает кость более хрупкой и подверженной переломам.

Мутации генов являются основной причиной многих заболеваний, от дистрофии мышц до депрессии, поскольку приводят к изменениям или недопоставкам необходимых белков либо к присутствию белков в тех клетках, где они не нужны. К сожалению, в большинстве случаев при анализе заболеваний, вызванных генными факторами, очень сложно понять, как именно те гены, которые подверглись мутациям, вызвали в клетках изменения, которые привели к болезни. Существует вероятность почти в семьдесят процентов, что по крайней мере однажды в жизни у человека произойдет расстройство здоровья, вызванное воздействием дефективного гена, — речь идет в первую очередь о заболеваниях сердечно-сосудистой системы или раке. Около пятидесяти процентов самопроизвольных выкидышей происходят из-за генетических расстройств, а у одного процента новорожденных детей имеются генетические отклонения. Замена всего лишь одного нуклеинового основания на другое из общего числа в миллионы оснований, входящих в состав нашей ДНК, может привести к изменению формулы синтезируемого клеткой белка и, возможно, к появлению какой-то аномалии. Однако при том уровне знаний, каким мы сейчас располагаем, исследование последовательности ДНК какого-то конкретного человека не дает понимания того, какие генетически обусловленные заболевания могут ему грозить.

При 30 тысячах различных генов в человеческом организме синтезируется не менее 100 тысяч различных белков. В каждом из них может произойти сбой, влекущий за собой изменение функций этого белка. При наиболее распространенной форме изменения ДНК меняется всего лишь один нуклеотид из многих миллионов, содержащихся в различных секторах этого основного элемента хромосом. Можно сказать, что в ДНК каждого из нас имеются ошибки, которые, надо надеяться, не приведут к явным негативным последствиям в виде производства ненужных белков или дефицита белков, нам необходимых.

Причинно-следственная связь между аномалиями белков и конкретной болезнью может быть весьма сложной и запутанной; обычно она весьма трудна для понимания. Еще более серьезной проблемой является то, что в возникновении большинства заболеваний повинен не один, а сразу несколько генов, порой — очень большое число генов, и в этой связи почти невозможно отследить, как именно сочетание мутировавших генов приводит к заболеванию. Тем не менее последние исследования выявили 24 генетических фактора риска возникновения таких распространенных заболеваний, как диабет, биполярное расстройство, кишечное воспаление и артрит. Эти данные получены в результате обследования 17 тысяч людей.

Есть и другие примеры генетически обусловленных заболеваний, которые наглядно демонстрируют, как изменения в генах могут повлиять на нашу жизнь. Дистрофия мышц — это наследственное заболевание, связанное с заменой мышечных волокон жировыми клетками. Возникает оно, когда поврежденный ген перестает кодировать белок, который находится вблизи оболочки мышечных клеток; впрочем, пока не ясно, почему это приводит к столь тяжелым последствиям.

Пузырьковый фиброз — это заболевание, связанное с дисфункцией клеточных оболочек. Ее вызывает мутация гена, кодирующего белок, входящий в состав клеточной оболочки и контролирующий канал, через который соли натрия пропускаются в клетку и выходят из нее. Вредоносное воздействие гена, пережившего мутацию, особенно ощутимо в поджелудочной железе и в легких. Необходимый белок синтезируется, однако ген препятствует его движению, в результате чего белок так и не попадает в клеточные оболочки. Это ведет к нарушению функций поджелудочной железы и легких.

Мутация рецептора мужского гормона тестостерона делает клетки мужчины нечувствительными к тестостерону и приводит к тому, что мужчина с хромосомами XY приобретает внешние признаки женщины. При этом у такого мужчины все равно будут развиваться яички. Синдром Кляйнфельтера, являющийся причиной мужской импотенции, обусловлен тем, что у мужчины появляется лишняя хромосома X. Синдром Тернера — отсутствие у женщины внешних женских признаков — связан с наличием лишь одной хромосомы X вместо положенных двух.

Психические заболевания — не все, но многие — также могут быть вызваны генными сбоями. Это доказывается тем, что однояйцовые близнецы, имеющие одни и те же гены, с вероятностью по крайней мере 50 процентов страдают одинаковыми душевными недомоганиями. В случае же с биполярными депрессиями вероятность возрастает до 75 процентов. Шизофрения также имеет генетическую природу; считается, что в мире ею болен 1 процент населения. Но точно определить гены, которые являются непосредственными виновниками психических заболеваний, крайне трудно. Правда, ученым удалось идентифицировать один из многих генов, связанных с возникновением депрессии, — он блокирует поступление в организм серотонина, что, как полагают, и есть одна из причин депрессии. Однако до полного прояснения ситуации еще очень далеко.