В качестве примера рассмотрим 40–50-летний опыт разведения и изучения двух типов мышей — гнотобиотических (абсолютно стерильных) и лишенных части микробов. Эти мыши содержатся в стерильных условиях, едят стерильную пищу и даже рожают своих детенышей — по крайней мере на первых порах — с помощью кесарева сечения. Мыши-гнотобиоты полностью лишены бактерий, включая и нормальную микробиоту. Чтобы выжить, они должны получать особые пищевые добавки. Это связано с тем, что кишечные бактерии образуют специфические питательные вещества, необходимые животным для здоровой жизни, а клетки млекопитающих их вырабатывать не могут. К числу таких питательных веществ относится, например, жирорастворимый витамин К. Уровень образуемых бактериями витаминов и других метаболитов имеет критическое значение для выживания животных. Так, например, если мыши-гнотобиоты получают в качестве пищи стандартный сухой корм для грызунов, через три дня они заболевают и погибают. Страдают они и дефицитом тимидина, так как им недоступен образуемый бактериями тимидин. Грызуны, полностью лишенные микробиома и не получающие добавок бактериальных метаболитов, обречены на скорую гибель.
Но и это еще не все. На долю одного из отделов кишечника, слепой кишки, у грызунов обычно приходится от 6 до 10 % общей массы тела. При полном отсутствии кишечных бактерий слепая кишка сильно увеличивается в размерах и составляет от 20 до 25 % массы тела; это осложнение может привести к гибели животного. Сердце, напротив, уменьшается в размерах, что сопровождается ослаблением кровотока и снабжения тканей кислородом. Двигательная активность животных также снижается. Отмечается недостаточность иммунной системы и иммунных ответов.
Как же живут мыши, полностью или частично лишенные микробиома? Прежде всего их приходится содержать в стерильных лабораторных условиях. Оказавшись в обычных условиях, они быстро погибают от инфекций. По информации одного из производителей гнотобиотических мышей (компании Taconic), для поддержания их жизнедеятельности в корм необходимо добавлять смеси пробиотиков. В противном случае животные будут страдать от дефицита витамина К, поскольку его вырабатывает микробиом. Интересно отметить, что лечение людей антибиотиками может привести к значительному снижению уровня витамина К, поскольку антибиотики убивают и кишечных бактерий.
Как и в случае тропического дождевого леса и кораллового рифа, повреждение или разрушение «микробиомного сада» человека приводит к самым серьезным последствиям. Чтобы жизнь была здоровой и долгой, наш микробиом должен быть полноценным, а мы сами — иметь доступ к достаточному разнообразию микробных партнеров.
3. Невидимый человеческий суперорганизм
Люди состоят главным образом из микробов. Ученые подсчитали, что количество микробов, живущих внутри и на поверхности нашего тела, в 10 раз больше, чем его собственных клеток. А генетики, сравнив количество микробных и человеческих генов, обнаружили, что в еще большей степени наша «микробная природа» выражена на генетическом уровне; в наших клетках содержится примерно 22 000 генов, свойственных млекопитающим, а количество микробных генов, которые мы носим с собой, составляет приблизительно 10 млн. Всю совокупность этих микробных генов, включая гены бактерий, вирусов, грибов и паразитов, по праву можно назвать нашим вторым геномом.
Второй геном важен не только из-за его громадного численного превосходства. Изменить человеческий геном — значит изменить хромосомы в каждой клетке нашего тела. Хромосомы представляют собой нитевидные структуры, которые присутствуют во всех живых клетках, состоят из нуклеиновых кислот и белков и содержат гены. Учитывая общее количество подлежащих изменению хромосом и клеток, следует признать, что переделка человеческого генома — невероятно сложная задача. Но если человеческие гены изменить очень трудно, то замена микробных генов особых проблем не представляет. По сути дела, достаточно изменить микробную «смесь» тела, а это автоматически приведет и к изменению микробных генов. Этот факт дает в распоряжение ученых и медиков новую мощную стратегию для улучшения нашего здоровья и физического благополучия.
Другая проблема, возникающая при изменении человеческого генома, связана с тем обстоятельством, что многие гены млекопитающих работают группами. Попытка изменить один ген может запустить цепную реакцию в других генах, что приведет к неполной экспрессии некоторых генов. А это в свою очередь чревато изменением или даже утратой некоторых функций организма. Даже если подобрать «правильную смесь» генов, с большинством неинфекционных болезней ей, скорее всего, справиться не удастся. Похоже, лечение таких заболеваний, как астма, диабет, ожирение и аутизм, требует изменения многих генов и метаболических путей, связанных с иммунной системой, а также с различными органами и тканями. В любом случае основное ограничение терапии, предполагающей манипуляции с человеческими генами, состоит в том, что она нацелена лишь менее чем на 1 % нашего общего количества генов (первый плюс второй геном).
А теперь задумаемся над возможностью манипуляций с нашими микробными генами — а на их долю приходится 99 % общего количества наших генов! — путем замены кишечных и кожных микробов. И это отнюдь не научная фантастика. Ученые и клиницисты уже доказали работоспособность этой концепции. Они уже научились осуществлять такие изменения и располагают всеми необходимыми для этого методами. Описывая в этой главе человеческий суперорганизм, основное внимание я буду уделять нашим генам — как микробным, так и сугубо человеческим: какое влияние они оказали на нашу историю и современное состояние и как они могут повлиять на наше будущее и будущее наших детей.
Новые семейные отношения
Перефразируя слова популярной песни We Are the World («Мы — это мир»), написанной в 1985 г. Майклом Джексоном и Лайонелом Ричи и исполненной большой группой американских певцов, без преувеличения можно сказать, что каждый из нас — «это целый мир» живущих внутри и на поверхности тела микробов. Человек — это микрокосм, состоящий из тысяч видов живых организмов. Ты не одинок. Ты — нечто гораздо большее, чем даже можешь вообразить себе. Существа, живущие в каждом из нас, живут также в миллионах других людей в самых разных уголках мира. Даже в тех уголках планеты, где мы никогда не были. И мы связаны со всеми этими людьми «микробными» родственными узами. Потому что микробы каждого из нас — родственники микробов тех людей, которые живут на других континентах планеты сегодня и жили на Земле за многие десятилетия до нас.
В недалеком прошлом мы относились к таким микробам «общего пользования» резко отрицательно — ведь чаще всего они вызывают разгуливающие по всему свету инфекции. Именно так возникали эпидемии чумы, оспы, тифа, туберкулеза и полиомиелита. Но по миру разгуливают и живущие в нас микробы, которые обычно не вызывают никаких болезней и обеспечивают надлежащее созревание и функционирование нашего организма. Размышляя о своем родстве с жителями других континентов, мы, как правило, вспоминаем лишь общность наших предков. Но если учитывать общий «генный состав» людей, включая и микробные гены, всеобщее родство оказывается почти неизбежным.
Семейные связи всегда отличались большой прочностью и сохранялись тысячелетиями. Кровные узы составляли основу сообществ, племенных союзов и кланов во многих семейно-родовых культурах. Кровные родственники носили особые одежды или украшения, указывающие на их принадлежность к определенному роду — будь то шотландский тартан, нитка бус или татуировка на коже. Геральдические символы на щитах и доспехах, а иногда и семейные девизы обозначали родовую принадлежность воинов во время битв и сражений. В старину, когда даже многие аристократы были неграмотными, эти символы заменяли людям личную подпись в письмах и на официальных документах.
Долгое время родство составляло и основу политики, а во многих местах — от Казахстана до Кеннебанкпорта в штате Мэн — оно продолжает оставаться ее основой по сей день. Большинство из нас и сегодня воспринимает семейную принадлежность как один из неотъемлемых принципов мироустройства.
Наши предки не видели микробов и ничего не знали о них, как, например, ничего не знали о красном пигменте крови гемоглобине. До сравнительно недавнего времени ничего не знали они и о том, что означает для организма присутствие или отсутствие в нем микробов. Сегодня все больше биологов во всем мире начинают понимать, что, возможно, потеря микробов значит даже больше, чем их передача по наследству от родителей детям. Основываясь на результатах исследований, профессор Нью-Йоркского университета Мартин Блейзер в недавно опубликованной книге «Когда не хватает микробов» (Missing Microbes) высказывает мнение, что люди попросту не могут позволить себе и дальше лишаться микробного разнообразия, которое и так уже быстро сокращается — отчасти из-за злоупотребления антибиотиками. Автор этой прекрасно аргументированной книги убедительно показывает все преимущества создания и поддержания здорового «семейного» микробиома.