Приспособиться и выжить! ДНК как летопись эволюции - Шон Кэрролл

Другие мутации препятствуют развитию малярии, предотвращая проникновение паразита внутрь эритроцитов. Наиболее тяжелую форму малярии вызывает вид Plasmodium falciparum. Другой вид, P. vivax, получил преимущественное распространение в Западной Африке. Этот паразит попадает в эритроциты, связываясь с так называемым фактором Даффи на поверхности клеток. Мутация, препятствующая экспрессии белка Даффи на поверхности эритроцитов, достигает частоты 100 % в некоторых африканских популяциях, тогда как у европейцев и азиатов она встречается крайне редко. В результате этой мутации P. vivax не может проникнуть в эритроциты человека. Очевидно, что мутация гена Даффи поддерживалась естественным отбором в тех регионах, где распространена данная форма паразита.

Жесткое давление естественного отбора, связанное с распространением малярии, влияло на генетическую эволюцию человечества разными способами. Но как долго шел этот процесс? Об этом рассказывают удивительные археологические находки. Симптомы малярии описаны в древнекитайском медицинском трактате «Нэй цзин» («Трактат о внутреннем»), относящемся к 2700-м гг. до н. э. К IV веку до н. э. малярия широко распространилась в Греции, и именно с ней связывают гибель населения нескольких городов-государств. Название болезни — mala aria («плохой воздух») — придумали римляне, которые считали, что источником болезни является влажный воздух болотистой местности. Некоторые археологи считают, что малярия сыграла немалую роль в падении Древнего Рима: углубление римлян в малярийные районы подорвало ресурсы империи.

Генетический анализ позволяет ориентировочно определить время, когда малярия начала оказывать влияние на эволюцию человека. Изучая генетические маркеры, связанные с мутациями гена G6PD, Сара Тишкофф из Университета Мэриленда и ее коллеги определили, что две конкретные мутации возникли в последние тысячелетия. Кроме того, по данным ученых из Гарварда и Оксфорда, работающих над совместным проектом по изучению геномов возбудителей малярии, возбудитель наиболее тяжелой формы малярии, Plasmodium falciparum, тоже появился сравнительно недавно — от 3200 до 7700 лет назад.

Есть ли какая-либо связь между этими датами и что из них следует?

Эти события совпадают по времени с началом широкого распространения сельского хозяйства, возникшего приблизительно 10 тыс. лет назад. Они подтверждают, что малярия начала оказывать влияние на эволюцию человека сравнительно недавно. Вырубая леса и освобождая пространство для посева, люди увеличивали площади хорошо освещаемых водоемов, где размножается малярийный комар Anopheles. Рост популяции комаров, а также увеличение плотности человеческой популяции, в том числе вокруг источников воды, облегчили распространение малярии и положили начало эволюционной гонке вооружений между паразитами, комарами и людьми. В наши дни во всем мире малярией болеет около 300–500 млн человек, и 2 млн ежегодно умирают от этой болезни.

Но малярия — не единственная болезнь, распространение которой повлияло на эволюцию человека и способствовало появлению некоторых наследственных болезней. Возбудитель брюшного тифа, Salmonella typhi, сыграл роль в распространении у белокожих людей мутаций, вызывающих кистозный фиброз (КФ, или муковисцидоз). Наличие двух копий мутантного гена приводит к развитию кистозного фиброза, от которого до недавних пор люди неизбежно умирали, не достигнув 10-летнего возраста. Однако частота таких мутаций в человеческой популяции гораздо выше, чем можно было бы ожидать от мутаций, вызывающих смертельное заболевание. Лабораторные исследования показали, что бактерия S. typhi использует белок КФ для проникновения в клетки кишечника и что в клетки мышей с наиболее распространенной мутацией проникает значительно меньше бактерий S. typhi. Таким образом, эта мутация обеспечивает определенную устойчивость против возбудителя брюшного тифа. Это значит, что частые эпидемии брюшного тифа в истории человечества вполне могли привести к отбору индивидов, несущих ген кистозного фиброза.

Все патогены проникают в клетки через специфические молекулы на поверхности этих клеток, поэтому мутации этих молекул, помогающие защититься от вируса, могут играть ключевую роль в борьбе между патогенами и человеком. Выяснилось, что некоторые люди невосприимчивы к ВИЧ, поскольку имеют мутацию в гене CCR5, который кодирует часть рецептора, используемого вирусом для проникновения в клетку. Вирус ВИЧ появился слишком недавно, чтобы стать причиной частого возникновения этой мутации. Скорее всего, мутация гена ССR5 была отобрана благодаря ее способности повышать устойчивость к другому патогену. Один из кандидатов на роль такого патогена — вирус геморрагической лихорадки, весьма распространенной в Европе в Средние века.

Обман патогена путем мутации рецептора — лишь один из способов борьбы с микробами и вирусами. Если инфекция все же проникла в организм, то главной линией защиты становится наша иммунная система, у которой есть несколько возможностей для сдерживания, захвата или непосредственного уничтожения патогенов. Патогены в свою очередь выработали множество приемов, позволяющих им избежать столкновения с иммунной системой. Например, они постоянно мутируют и меняют свое обличье, чтобы всегда быть на шаг впереди нас.

В наши дни человек сделал эту гонку вооружений бесконечной, пытаясь уничтожить патогены и их источники. Для борьбы с малярией предпринимались попытки найти способы уничтожения как самого паразита (Plasmodium), так и его переносчика (Anopheles). Глобальное искоренение малярии началось в 1950-х гг. и закончилось победой в 1951 г. на юго-востоке США и в 1979 г. в Европе. Однако в других местах этот процесс, основанный на использовании ДДТ и лекарств для уничтожения комаров и паразитов соответственно, застопорился и спровоцировал новый виток эволюционной гонки вооружений, который, как это ни печально, мы проигрываем.

Например, одним из самых безопасных, дешевых, а когда-то и самых эффективных средств для борьбы с малярией был хлорохин. Однако мутация одного гена привела к тому, что плазмодий приобрел устойчивость к хлорохину. Эта устойчивость распространилась настолько широко, что препарат стал практически бесполезен. Постепенно возникла устойчивость и к таким препаратам, как мефлохин, хинин, сульфадоксин, пириметамин и другим. Точно так же попытки уничтожить комаров с помощью ДДТ привели к появлению устойчивых к этому препарату комаров (и к катастрофическим последствиям для других животных, в частности для хищников, находящихся на вершине пищевой цепи).

Ситуация критическая, но не безнадежная. На самом деле история эволюции малярии является хорошим примером того, как применение принципов эволюции в медицине (эволюционная медицина) может помочь выйти из замкнутого круга: новое лекарство — новая устойчивость, самое новое лекарство — еще более высокая устойчивость и т. д. Основная идея состоит в использовании связи между мутациями и отбором. Нам известно, что применение практически любого лекарства, действующего на конкретный белок в организме паразита, рано или поздно вызовет невосприимчивость к этому лекарству. Если лекарство применяют достаточно широко, возникают условия отбора, при которых выживают и распространяются только устойчивые к нему формы. Сначала лекарство некоторое время действует успешно, но затем болезнь возвращается вновь и существующие средства уже не могут с ней справиться.