Отступление: можно ли сравнивать иммунную систему с современными компьютерными антивирусными программами?

Нам кажется уместной следующая, связанная с компьютерами, аналогия. Одна из множества опасностей, перед лицом которых мы стоим в век Интернета, соединяющего миллионы персональных компьютеров, — это электронные «вирусы» — детище нашей кибернетической культуры. Многие компьютерные вирусы по своему поведению очень похожи на биологические. При заражении жесткого диска они могут уничтожать или портить и файлы, и программы. Если мы нечаянно посылаем зараженное сообщение коллегам и друзьям, то тем самым мы производим новые копии вируса, обеспечивающие его выживание. Сейчас доступны антивирусные пакеты программ, которые автоматически проверяют входящие файлы на наличие известных компьютерных вирусов. А что же абсолютно новые электронные вирусы? Как нам защитить от них свои-компьютеры? Насколько современные антивирусные компьютерные программы сравнимы с биологической стратегией иммунного ответа? Что, если кибернетики были бы в состоянии создать новые электронные вирусы со всеми врожденными эффективными стратегиями нашей собственной иммунной системы? Смогут ли интернетовские или телефонные линии и коммутирующие концентраторы начать страдать от болезней, подобньк СПИДу? Произойдет ли это до того, как программисты создадут антивирусные программы, которые способны эффективно отвечать на неожиданное? Это захватывающие вопросы. IBM в настоящий момент создает «иммунную систему» для борьбы с вирусами в киберпространстве [8]. Антивирусные программы живут в хозяине-компьютере и контролируют системные функции, изменения в программах или семействах сигнатур для того, чтобы распознавать и уничтожать вирусы. У компьютерной иммунной системы, создаваемой IBM, любой набор данных, подозреваемых на зараженность, автоматически посылается в аппарат вирусного анализа. Программа, действующая как подсадная утка, «соблазняет» вирус заразить ее, так что код вируса выявляется для дальнейшего анализа. Затем аппарат вирусного анализа обновляет свои файлы прежде, чем посылать эту новую информацию назад в инфицированную машину и в любой другой потенциально инфицированный узел в сети (иммунный ответ). Таким образом, новые антивирусные программные технологии основаны на элементарных моделях иммунной системы позвоночных. «Эволюция» уже действует на компьютерном поле боя. Дальнейшее развитие антивирусных технологий, возможно, будет изменяться параллельно знаниям о биологической эволюции.

В этой главе было описано много примеров эффективности и логики иммунной системы, которые, возможно, помогут тем, кто интересуется «биологическим» дизайном компьютерных программ, обнаружить некоторые фундаментальные принципы. Анализ того, почему самолеты не похожи на птиц, дает нам важные уроки. Птицы имеют более высоко развитые факторы стабильности и маневренности, чем самолеты, однако, самолеты летают быстрее. Создания природы, как правило, оказываются более гибкими и легкими, нежели сконструированные людьми аппараты. Веками природа служила источником вдохновения для разработчиков новых технологий. Однако нам еще далеко до уровня эффективности системы приобретенного иммунитета. Как заметил Ричард Фейнман (Feynman), говоря об эффективности природы в квантовом масштабе и размышляя о том, может ли эффективно обрабатываться информация на этом уровне: «Внизу еще много места...».

В физике твердого тела и ядерной физике ученые только сейчас открывают детали некоторых законов природы, описывающих поведение субатомных частиц. Со временем откроется возможность создать нанокомпьютерную технологию (порядка 10^-9 метра, или 10^-3 микрона). Вполне вероятно, создание компьютерной технологии, действующей с той же эффективностью, что и живая клетка, со всем набором врожденных разумных функций, размещенных и внутренне управляемых на площади примерно в 5—10 микрон (приблизительный диаметр клеточного ядра равен 10^-5 метра). В ближайшем будущем, используя современные промышленные технологии, достижения ультрафиолетовых лазеров, роботов и линз, необходимых для гравировки микросхем на силиконовых чипах, люди могли бы породить новое поколение микропроцессоров с размерами не больше 0,13 микрон в поперечнике. Правда, есть ряд технических и физических преград, которые пока делают дальнейшую миниатюризацию невозможной. Возможно также, что программисты смогут имитировать некоторые природные стратегии обработки информации для повышения эффективности своих программ. Конечно, наше схематичное сравнение иммунной системы с современными сканирующими антивирусными программами далеко от реальности. Когда мы сравниваем стратегии антивирусных программ со стратегиями нашей иммунной системы, оказывается, что компьютерщикам надо еще многому научиться. Информационным технологиям придется сделать существенный скачок для того, чтобы достичь совершенства иммунной системы позвоночных, приобретенного ею за время эволюции.

Глава 5

СОМАТИЧЕСКИЕ МУТАЦИИ

В гл. 4 мы высказали предположение, что соматические мутации V-генов играли важную роль в эволюции иммунной системы позвоночных. Сформулируем теперь несколько вопросов и постараемся ответить на них. Вопрос первый: каким образом создается картина не-случайности мутаций в ДНК-последовательности, при том, что мутации возникают в результате случайных ошибок? Ответ: по-видимому, существует отбор мутантных ДНК-последовательностей, или их белковых (или РНК) продуктов, сохраняющий только те мутантные гены, которые удовлетворяют селекционному критерию, остальные отбрасываются.

Вопрос второй: каким может быть механизм, предотвращающий появление лишних мутаций, т. е. тех, которые превращают последовательность, уже отобранную как успешную, в плохую? Ответ: по-видимому, существует такой обратный сигнал, который гарантирует, что ген с успешной мутацией не будет мутировать дальше.

И последний вопрос: как обеспечивается мутирование только одного гена? (Большинство генов должно сохраняться неизменным для выполнения надлежащих функций.) Ответ: созданием уникального молекулярного стыковочного устройства, обеспечивающего связывание мутационной машины исключительно с ло-кусом гена-мишени, в котором должны возникать мутации.

С позиций современного неодарвинизма все эти вопросы кажутся вызывающими. Генетики утверждают, что почти все новые мутации вредны. Сейчас эта традиционная точка зрения нуждается в уточнении, так как стал известен особый класс мутаций, которые дают селективные преимущества. Эти мутации возникают в V(D)J-reHax, экспрессирующихся в зрелых В-лимфоцитах. Они обнаруживаются в антителах высокой аффинности, которые образуются примерно через неделю иммунного ответа (табл. 5.1). Такие антитела свойственны долгоживущим В-лимфоцитам памяти. Значит, в результате соматических мутаций появляются антитела, способные более эффективно защищать организм от инфекционного агента. На самом деле описанные выше механизмы «работали» в течение миллионов лет и были результатом биологического процесса «проб и ошибок» во взаимодействии молекул.

Таблица 5.1. Основные понятия, относящиеся к процессам соматического гипермутирования и обратной связи генов сомы и зародышевой линии

• RT-мутаторсома (RT-mutatorsome)

Гипотетическая молекулярная органелла в ядре В-клетки, ответственная за соматическое гипермугирование (RT = обратная транскриптаза, reverse transcriptase). См. рис. 5.6

• Апоптоз

Биологически запрограммированная гибель клеток

• Гибридома

Продукт слияния нормальной В-клетки с непрерывно делящейся опухолевой В-клет-кой. Такая клетка ведет себя как раковая и может независимо расти в культуре ткани. Она секретирует антитела только одной специфичности (исходной В-клетки)

• Гистоны

В клетках эукариот очень длинные нити ДНК имеют вид упорядоченных петель, связа-ных с белками гистонами, что обеспечивает упаковку ДНК в небольшом пространстве ядра

• Конфигурация зародышевой линии

Структура ДНК-последовательности вариабельных, или V-элементов генов зародышевой линии. которые не подверглись перестройке с J или D/J элементами. Генетический символ V(D)J

• Локус-специфическое устройство

Термин используется для обозначения участка стыковки (связывания) RТ-мутаторсомы. Он позволяет ограничить соматические гипермутации только V(D)J и ближайшими ДНК-последовательностями

• Матричная молекула

Любая одноцепочечная ДНК- или РНК-последовательность, которая служит матрицей для создания копии с помощью репликазы

• мРНК

Информационная РНК, которая транскрибируется (копируется) с ДНК-последовательности гена

• Мутагены

Химические вещества или проникающая электромагнитная радиация, способные вызывать мутации

• Обратная связь сомы и зародышевой линии

Процесс, в ходе которого соматически мутированные V(D)J-reны обратно транскрибируются в кДНК, и эти копии рекомбинируют с гомологичной последовательностью V-гена половой клетки так, что замещают ее

• Обратная транскриптаза

Фермент, который копирует РНК-последовательность в ДНК-последовательность

• Перестроенный ген варибельной области

Сокращенное обозначение V(D)J, применимое к перестроенным генам вариабельных областей Н-цепи (VDJ) и L-цепи (VJ)

• Репликаза/полимераза

Общее название ферментов, которые создают дочерние копии ДНК- или РНК-последовательностей. К ним относятся ДНК-полимераза (осуществляет репликацию ДНК), РНК-полимераза (осуществляет транскрипцию) и обратная транскриптаза (создает ДНК-последовательность по матрице РНК)

• РНК-посредник

Этот термин отражает тот факт, что копия гена (ДНК-последовательность), превращенная (в процессе транскрипции) в РНК, может обратно транскрибироваться в кДНК, или ретротранскрипт

• Созревание аффинности

Мутантные антитела, продуцируемые В-клетками памяти, которые возникают в центрах размножения, имеют более высокую аффинность (сродство) к антигену, чем антитела на ранних стадиях иммунного ответа

• Соматическая конфигурация

Перестроенный V-ген вариабельной области, который обнаруживается только в зрелых В- и Т-лимфоцитах. Генетический символ V(D)J

• Соматическое гипермугирование

Мутационный процесс, вызванный стимуляцией В-клетки антигеном, затрагивающий перестроенный ген вариабельной области антитела V(D)J зрелой В-клетки в центре размножения

• Точковая мутация

Замена одного основания. Например, замена основания G на любое из трех других основанийТ, А и С (рис. 2.5)

• Центр размножения

Особая область в лимфатических узлах или селезенке, в которой обнаруживается интенсивная пролиферация (деление) и гибель (апоптоз) клеток. Большинство клеток в таком центре - это В-лимфоциты. Центры размножения являются местами соматического гипермутирования и созревания аффинности, вызываемых антигеном

25 лет назад словосочетание «соматическая мутация» вызывало горячий спор среди иммунологов. В последующие годы споры стали менее оживленными, а многочисленные молекулярные исследования, показали реальность высокого уровня вызываемых антигеном соматических мутаций. Теперь этот процесс называется «соматическим гипермутированием» генов вариабельной области антитела, V(D)J.

Интересно, что в недавних экспериментах, выполненных под руководством Нобелевского лауреата Ролфа Цинкернагеля, было показано, что при иммунном ответе на некоторые вирусные белки не обнаруживается созревания аффинности, основанного на соматическом гипермутировании. Кроме того, оказалось, что антитела высокой аффинности не лучше освобождают организм от вирусной инфекции, чем антитела низкой аффинности. Между тем сейчас считается, что соматическое гипермутирование необходимо для создания антител высокой аффинности, которые лучше защищают от инфекции. Если результаты группы Цинкернагеля подтвердятся для более широкого спектра инфекций и для других позвоночных, это будет означать, что оптимально функционирующие антитела могут быть отобраны из предсуществующего репертуара, и нет необходимости в мутациях. То есть, для ныне живущих позвоночных соматическое гипермутирование и созревание аффинности, возможно, излишни.

Однако в начале эволюционного развития системы приобретенного иммунитета, когда репертуар V-генов клеток зародышевой линии был много меньше, чем у срвременньис позвоночных (он должен был стартовать с одного гена), соматическое гипермутирование могло давать огромное селективное преимущество. Этот процесс мог обеспечивать формирование чрезвычайно широкого репертуара антител, экспрессирующихся в В-лимфоцитах в течение жизни одного животного. Далее, при существовании обратной связи сомы и зародышевой линии соматические мутации генов вариабельной области антител могли бы стать решающим инструментом эволюции, ускоряющим построение репертуара V-генов половых клеток. Все доступные данные согласуются с этим предположением. Соматическое гипермутирование обнаруживается у всех челюстных позвоночных, имеющих систему приобретенного иммунитета, включая наиболее примитивных — хрящевых рыб.

Явление соматического гипермутирования наиболее ярко продемонстрировано для В-лимфоцитов мыши, аналогичный процесс имеет место и у человека. У других позвоночных (кур, кроликов и овец) также наблюдается гипермутирование в В-лимфоцитах, хотя и несколько иное. Эксперименты по изучению механизма соматического гипермутирования проводились в основном на генетически модифицированных (трансгенных) мышах, в частности, в лаборатории Кембриджского университета под руководством Нобелевского лауреата Цезара Мильштейна (Milstein) и его сотрудника Майкла Нойбергера (Neuberger). Эти методы еще не применялись к другим видам.

В этой главе мы сначала рассмотрим, как возникают генные мутации вообще, а затем остановимся на процессе соматического гипермутирования генов V(D)J. Мы покажем, что это строго регулируемый процесс, в нем участвует «локус-специ-фичное устройство», которое ограничивает мутирование ДНК-последовательностью перестроенного V(D)J-yчастка, защищая гены константной области (С) и все другие гены в гено-ме от вредного влияния случайных мутаций.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: