Под фонарями вирусов

Под фонарями вирусов

Неопознанные летающие объекты, снежный человек, лохнесское чудовище и вирус рака у людей.

«Медикал уорлд ньюс» о четырех всем известных «загадках», которых никто никогда не видел, 1974 г.

Биохимик Артур Корнберг однажды пошутил, что современная биология в ранние свои дни напоминала бедолагу, который искал потерянные ключи под фонарем, объясняя, что на самом деле он забыл их дома, но ищет «там, где светлее».

На заре современной биологии эксперименты на биологических организмах были трудновыполнимы, а результаты — малопредсказуемы, что приводило к жестким ограничениям при выборе экспериментальной модели. Ученые ставили опыты на самых простых организмах — плодовых мушках, морских ежах, бактериях, плесени, — в общем, «там, где светлее».

В онкологии роль такого пятна света играл вирус саркомы Рауса — редкий вирус, порождающий редкий рак у кур[27]. Он оставался самым надежным способом вызвать рак в живых организмах. Онкологи знали, что облучение, сажа, табачный дым и асбест представляют гораздо более распространенные факторы риска для образования рака у людей. Они слышали о странной бразильской семье, у которой вроде бы передавались гены ретинобластомы. Однако вирус Рауса отличался уникальной способностью манипулировать раком, а потому красовался на сцене в лучах всеобщего внимания.

Соблазн взять объектом исследования именно вирус Рауса усиливался за счет силы личности самого Пейтона Рауса. Упорный, убедительный и несгибаемый Раус проникся к своему вирусу почти родительской любовью и не желал рассматривать никакую другую теорию происхождения рака. Он признавал установленную эпидемиологами связь между экзогенными канцерогенами и раком (опубликованные в 1950 году исследования Долла и Хилла показали отчетливую связь курения и повышения частоты рака легких), однако эта корреляция не предлагала никакого объяснения механизму образования рака. По мнению Рауса, ответ мог быть только один — вирусы.

Таким образом, к началу 1950-х годов онкологи разделились на три враждующих стана. Вирусологи под предводительством Пейтона Рауса утверждали, что рак вызывается вирусами, хотя для людей ни одного такого вируса найдено не было. Эпидемиологи, в частности Долл и Хилл, стояли на том, что рак вызывается внешними факторами, хотя не могли предложить для своей теории и результатов никакого объяснения механизма действия. Третьи, последователи Теодора Бовери, заняли позицию в стороне от первых двух, имея слабые, косвенные доказательства, что рак может вызываться хранящимися в клетках генами, но не располагая ни полученными на человеческом материале данными эпидемиологов, ни изысканными экспериментальными прозрениями вирусологов. Великая наука рождается из великих противоречий… в биологии рака их было предостаточно. Вызывается ли рак вирусами? Или внешними факторами? Или причина скрыта внутри, в генах? Как вышло, что три группы исследователей, пытаясь изучить одного и того же слона, пришли к настолько противоположным вариантам ответов на самый важный вопрос о его строении?

В 1951 году молодой вирусолог по имени Говард Темин, защитив диссертацию, приехал в Калифорнийский технологический институт в Пасадене изучать там генетику дрозофил. Неуемный, наделенный богатым воображением, Темин скоро почувствовал, что мухи ему надоели, и, сменив тему, переключился на изучение вируса саркомы Рауса в лаборатории Ренато Дульбекко. Обходительный аристократ-калабриец с изысканными манерами управлял своей лабораторией в стиле отрешенного и отстраненного патриция. Темин идеально вписывался в эту атмосферу: если Дульбекко хотел дистанции, то Темин — независимости. Темин и группа молодых исследователей (среди которых был и Джон Карнс, будущий автор статьи в «Сайентифик американ» о войне с раком) в складчину сняли дом в Пасадене, где в свободное время Темин стряпал необычные блюда на всю команду и до поздней ночи рассуждал о загадках биологии.

В лаборатории он тоже решил состряпать необычный эксперимент, наверняка обреченный на неудачу. До конца 1950-х годов вирус саркомы Рауса демонстрировал способность вызывать рак исключительно у живых кур. Темин же в сотрудничестве с Гарри Рубином хотел изучить, как именно вирус преобразует нормальные клетки в раковые. Для этого им требовалась простая система, без живых кур и реальных опухолей — аналогичная бактериям в чашке Петри. Темин задумал создать рак в чашке Петри. В 1958 году, на седьмой год работы в лаборатории Дульбекко, ему это удалось. Он добавил вирус саркомы Рауса в слой растущих в чашке Петри нормальных клеток. Инфекция клеток вызвала их неконтролируемое деление, в результате чего формировалось множество бесформенных кучек, состоящих из нескольких сотен клеток. Темин предположил, что именно такие скопления — очаги — и представляют собой рак в его чистой и самой основной форме: бесконтрольно размножающиеся клетки, патологические митозы. Только необузданная сила воображения молодого ученого позволила увидеть в крохотных кучках клеток в чашке Петри воплощение сути глобального системного заболевания, убивающего тысячи людей. По убеждению Темина, в такой клетке и ее взаимодействии с вирусом содержатся все компоненты, необходимые для запуска процесса озлокачествления. Призрак изгнали из тела больного.

При помощи «рака в чашке Петри» Темин стал проводить различные эксперименты, которые было практически невозможно выполнить на животных. Один из первых таких экспериментов, поставленный в 1959 году, дал неожиданный результат. Обычно вирусы заражают клетки, образуют там новые вирусы и заражают все новые и новые клетки, но не влияют при этом на генетическую основу клеток — на ДНК. Например, вирус гриппа заражает клетки легких и вызывает в них образование новых вирусов, однако не оставляет никаких постоянных следов в наших генах — когда вирусы уходят, наша ДНК остается такой же, как прежде. Вирус саркомы Рауса вел себя совершенно иначе. Заражая клетку, он физически прикреплялся к клеточной ДНК, а значит — менял генетический состав клетки, ее геном. «Вирус становится частью генома клетки как в структурном, так и в функциональном смысле», — писал Темин[28].

ДНК-овая копия генов вируса, структурно встраивающаяся в гены клетки-хозяина, крайне заинтриговала Темина и Дульбекко. Однако это наблюдение поднимало интригующую концептуальную проблему. Иногда гены вирусов переносятся в виде промежуточной формы — РНК. Определенные вирусы утратили изначальную ДНК-овую форму генов и хранят свой геном в виде РНК, которая после проникновения вируса в клетку напрямую переводится в вирусные белки.

Из работ других исследователей Темин знал, что вирус саркомы Рауса относится как раз к числу подобных РНК-овых вирусов. Однако если гены вируса начинаются с РНК, то как копия этих генов преобразуется в ДНК? Центральная догма молекулярной биологии воспрещала такой переход. Генетическая информация, гласила догма, движется по улице с односторонним движением — от ДНК к РНК, а от РНК к белку. Как же тогда, гадал Темин, РНК совершает сальто-мортале и делает себе ДНК-овую копию, проехавшись по улице с односторонним движением в обратную сторону?

Темин отважился на отважное умопостроение. Если данные не соответствуют догме, значит, пересмотреть следует догму, а не данные. Исследователь предположил, что вирус саркомы Рауса наделен особым свойством, беспрецедентным для живых организмов: он может преобразовывать РНК обратно в ДНК. В нормальной клетке процесс преобразования ДНК в РНК называется транскрипцией. Соответственно вирус (или пораженная им клетка) обладает обратной способностью — обратной транскрипцией. «Темин понял суть, но доказательства его гипотезы были настолько косвенными и хрупкими, что он вряд ли кого-нибудь убедил, — вспоминал двадцать лет спустя вирусолог Майкл Бишоп. — Гипотеза не принесла ему ничего, кроме огорчений и насмешек».

Поначалу Темин и себя убедил с большим трудом. Он сделал смелое предположение, но теперь ему требовалось экспериментальное доказательство. В 1960 году, твердо вознамерившись найти такое доказательство, Темин перенес свои исследования в лабораторию Макардла в Висконсине. В отличие от Калифорнийского технологического института Университет Мэдисон в штате Висконсин казался тихим, заброшенным уголком, обособленным как в физическом, так и в интеллектуальном смысле. Темина это вполне устраивало. Сам того не зная, он стоял на краю молекулярной революции, однако мечтал о тишине и покое. Ежедневно прогуливаясь по заснеженным берегам озера, он обдумывал эксперименты для поиска доказательств обратного потока информации.

Превращение РНК в ДНК — сама мысль заставляла содрогнуться: молекула, способная переписывать историю в обратную сторону, обращать вспять безжалостный поток биологической информации. Чтобы доказать возможность этого процесса, Темину требовалось выделить в пробирке вирусный белок, который может проводить обратную транскрипцию, и доказать, что этот белок делает ДНК-овые копии молекул РНК. В 1960 году, охотясь за таким белком, он принял на работу Сатоси Мицутани, молодого японского ученого. Задачей Мицутани было выделить из зараженных вирусом клеток фермент обратной транскрипции.

Как выяснилось, Мицутани совершенно не обладал навыками цитолога: не умел работать стерильно, заражал клетки посторонними микроорганизмами и выращивал в чашках Петри колонии грибов вместо культуры клеток. Раздосадованный Темин перевел его на проект, не требующий работы с живыми клетками: если Мицутани не умеет обращаться с клеточными культурами, пусть выделяет нужный белок из химических экстрактов, полученных из зараженных вирусом клеток. Мицутани, необыкновенно талантливый химик, наконец оказался в своей стихии. Ему удалось обнаружить в клеточных экстрактах с вирусом саркомы Рауса слабую ферментативную активность. Добавив в такой экстракт РНК, он смог «наблюдать» в нем образование ДНК — то есть обратную транскрипцию. Темин получил желанное доказательство: вирус саркомы Рауса был не обычным вирусом, он мог переписывать генетическую информацию в обратную сторону — то есть был ретровирусом[29].

Другой молодой вирусолог из Массачусетского технологического института в Бостоне по имени Дэвид Балтимор также нашел намек на преобразование РНК в ДНК, хотя уже на примере другого ретровируса. Целеустремленный, наделенный блестящим и дерзким умом Балтимор познакомился и подружился с Говардом Темином в 1940-е годы в научном летнем лагере в штате Мэн, где Темин был помощником преподавателя, а Балтимор — учеником. Пути их разошлись почти на десять лет, однако интеллектуальные дороги постоянно пересекались. Пока Темин исследовал обратную транскрипцию у вируса саркомы Рауса в Мэдисоне, Балтимор выяснил, что его ретровирус также обладает ферментом, способным преобразовывать РНК в ДНК. Как и Темину, ему оставалось лишь несколько шагов до того, чтобы выделить этот белок.

Через несколько недель, после того как в лаборатории Темина были найдены первые доказательства существования белка, способного превращать РНК в ДНК, 27 мая 1970 года Темин вылетел в Хьюстон, чтобы представить свою работу на Десятом Международном онкологическом конгрессе. На следующее утро он вошел в огромную аудиторию хьюстонского Гражданского центра. Доклад Темина носил название «Роль ДНК в репликации РНК-содержащих вирусов» — намеренно невыразительный заголовок. Это была сессия коротких пятнадцатиминутных сообщений. В помещении собрались главным образом специалисты по опухолевым вирусам, многие из них уже начали дремать.

Однако по мере того как Темин рассказывал о своих открытиях, до публики начала доходить вся значимость его работ. Как вспоминает один исследователь, на первый взгляд «это все была сплошная сухая биохимия… Темин докладывал своим обычным высоким фальцетом, немного гундося, очень монотонно, совершенно буднично». Но из этого монотонного гудения о сухой биохимии выкристаллизовывалась идея необычайной важности. Темин не просто рассказывал о вирусах. Он систематически опровергал один из фундаментальных постулатов биологии. Слушатели взволнованно притихли. К середине доклада в зале царила потрясенная тишина. Ученые лихорадочно делали записи, заполняя страницу за страницей неразборчивыми каракулями. Темин вспоминал, что, выйдя из зала, видел «множество людей у телефонов… ученых, торопливо звонящих в свои лаборатории». Заявление Темина об идентификации давно предсказанной им ферментативной активности в пораженных вирусом клетках не оставляло простора для сомнений в истинности его теории. РНК и в самом деле способна создавать ДНК. Геном вируса, вызывающего рак, становится физической частью генома клетки-хозяина.

Вернувшись на следующее утро в Мэдисон, Темин обнаружил, что его лабораторию затопили телефонные звонки. Настойчивее всех его разыскивал Дэвид Балтимор, услышавший о выступлении Темина на конгрессе. Темин перезвонил ему.

— Между прочим, у вирусов есть ферментативная активность, — заявил Балтимор.

— Знаю, — ответил Темин.

Балтимор, проводивший свои исследования втайне, не смог сдержать удивления.

— Откуда?

— Мы ее обнаружили.

Балтимор тоже нашел у вирусовых частиц ферментативную активность, приводившую к образованию ДНК на основе РНК. Две лаборатории, работая врозь, пришли к одним и тем же результатам! Темин и Балтимор наперегонки бросились публиковать свои наблюдения. Их почти идентичные статьи опубликовали в одном номере журнала «Нейчур» летом 1970 года.

В своих статьях Темин и Балтимор выдвигали радикально новую теорию о жизненном цикле ретровирусов. Они утверждали: гены ретровирусов вне клетки существуют в виде молекул РНК. Когда же такие РНК-содержащие вирусы заражают клетку, они создают ДНК-овые копии своих генов и прикрепляют эти копии к генам клетки-хозяина. На основе этих ДНК-овых копий, называемых провирусами, создаются новые молекулы РНК, и таким образом вирус, точно феникс, возрождается во все новых и новых вирусных частицах. Он постоянно меняет состояние, восходя к клеточному геному и низвергаясь обратно: от РНК к ДНК, от ДНК к РНК — и так бесконечно.

Безусловным признаком шизофрении того времени может служить то, что ученые-онкологи мгновенно углядели в работах Темина возможное объяснение механизма возникновения рака, а вот онкологи-врачи по большей части эти работы проигнорировали. Презентация Темина в Хьюстоне входила в программу глобальной встречи специалистов, занимающихся проблемами рака. И Фарбер, и Фрей специально прилетели из Бостона, чтобы принять в ней участие. Однако эта конференция воплотила собой непреодолимый раскол между терапией и наукой. Химиотерапию и хирургию обсуждали в одном месте, а вирусный канцерогенез — в другом. Посреди мира онкологии словно воздвигли непроницаемую стену, по одну сторону от которой находились причины, а по другую — методы лечения. Немногие ученые или клинические специалисты способны были переходить из одного обособленного мирка онкологии в другой. Фрей и Фарбер вернулись в Бостон, практически не изменив своего мнения по поводу методов лечения рака.

Однако для многих ученых, присутствовавших на этой встрече, работа Темина, доведенная до своего логического завершения, предполагала новое и крайне заманчивое объяснение механизма возникновения рака, а значит, и путь к новым методам лечения. Сол Шпигельман, вирусолог из Колумбийского университета, известный неугасаемым энтузиазмом и неиссякаемой энергией, услышав доклад Темина, мгновенно создал на его основании монументальную теорию, блещущую столь неопровержимой логикой, что, казалось, реальность обязана под нее подстроиться. Темин предполагал что РНК-содержащий вирус, попав в клетку, делает свою копию в виде ДНК и уже в таком виде прикрепляется к геному клетки-хозяина. Шпигельман был уверен, что этот процесс неким неизвестным образом активирует какой-то вирусный ген, который, в свою очередь, заставляет инициированную клетку делиться — что влечет за собой патологические митозы, а значит, и рак.

Необыкновенно заманчивое объяснение увязывало вирусную теорию происхождения рака Рауса с генной теорией Бовери. Как показал Темин, вирус способен стать внутренним элементом, прикрепленным к генам клетки, а значит — причинами рака становились одновременно и внутреннее генетическое нарушение, и внешняя чужеродная инфекция. «Обращение Шпигельмана в новую веру (раковых вирусов) произошло за считанные минуты, — вспоминал Роберт Вайнберг, биолог из Массачусетского технологического института. — На следующий день он вернулся в свою лабораторию в Колумбийском университете, задавшись целью повторить работу Темина».

Шпигельману не терпелось доказать, что причиной рака у людей являются ретровирусы. «Это превратилось у него в навязчивую идею», — рассказывал Вайнберг. Навязчивая идея не замедлила принести плоды. По плану Шпигельмана, надо было доказать, что в человеческих раках скрыты гены ретровирусов. Работая быстро и упорно, Шпигельман обнаружил следы ретровирусов в человеческих лейкозных клетках, в клетках рака молочной железы, в лимфомах, саркомах, опухолях мозга и меланомах — практически во всех исследованных им раковых тканях. Специальная программа по поиску вирусов, вызывающих рак, начатая в 1950 году и два десятилетия пребывающая в глухом застое, воспряла вновь: наконец-то были обнаружены тысячи вирусов, которых она так давно дожидалась! Деньги рекой текли из ее сундуков в лабораторию Шпигельмана, создавая образцовый замкнутый круг: бесконечные фонды подогревали безграничный энтузиазм. Чем больше Шпигельман искал в раковых клетках вирусы, тем больше он их находил и тем больше фондов выделялось на его изыскания.

Однако в конце концов оказалось, что все труды Шпигельмана — сплошная методическая ошибка. В лихорадочной погоне за вызывающими рак ретровирусами Шпигельман так расширял свой метод выявления вирусов, что обнаруживал их или же их следы там, где никаких вирусов и в помине не водилось. Когда в середине 1970-х годов другие лаборатории США попытались воспроизвести его результаты, вирусов Шпигельмана нигде не обнаружилось. Как оказалось, ретровирусы вызывают лишь один человеческий рак — редкую разновидность лейкемии, эндемичную в районе Карибских островов. «Человеческий вирус ускользнул и бесшумно растаял в ночи, — писал Вайнберг. — Сотни миллионов выброшенных на ветер долларов… так ничему и не помогли. Ракета не взлетела».

Умопостроения Шпигельмана касательно человеческих ретровирусов были наполовину верны и наполовину ошибочны: он искал правильные вирусы, но в неправильных клетках. Ретровирусы оказались причиной не рака, а другой болезни. Шпигельман умер в 1983 году от рака поджелудочной железы, успев услышать о странном заболевании, вспыхнувшем в Нью-Йорке и Сан-Франциско среди гомосексуалистов и пациентов, которым делали переливание крови. Через год, после того как Сол Шпигельман скончался в Нью-Йорке, причина этого заболевания наконец была выяснена. Это оказался ретровирус человека под названием ВИЧ.