«Кровавая» работа врачей, ученых и природы. Конкурс биомолтекст
 Скачать 1.14 Mb.
|
|
системы VEL , связан один интересный случай из медицинской практики. В начале 1950-х годов у страдающей раком толстой кишки пациентки, которую в статье, описывающей этот загадочный случай, называли миссис Вел, после повторного переливания крови началась тяжелейшая реакция отторжения крови. Ученые сначала не поняли, в чем дело (ведь кровь имеет ту же группу крови и резус, что и у пациентки). В дальнейшем было установлено, что после первого переливания крови у пациентки выработались антитела против неизвестной молекулы, которую только предстояло открыть. Вызвавшее реакцию вещество никак не удавалось определить, а новую группу крови назвали Вел-отрицательной. Согласно статистике, такая группа встречается у одного человека из 5000. В 2013 году ученым из Университета Вермонта, наконец, удалось разрешить загадку 60-летней давности и идентифицировать вещество. Самым сложным в этом исследовании было то, что антитела вел-отрицательного человека при переливании ему крови вел-положительного донора вызывают реакцию отторжения лишь в самом организме пациента, а вне него их активность ничтожна. Между тем, потребность в методике, позволяющей выявлять вел-отрицательных реципиентов и вел- отрицательных доноров до того, как дело дошло до тяжелых гемотрансфузионных осложнений, весьма велика. Работать с ними в лаборатории чрезвычайно трудно, поэтому ученые прибегли к методам биоинформатики. Выяснилось, что загадочным веществом, вызывающим отторжение крови, является белок SMIM1. Результат стал неожиданностью для исследователей: «Этот белок оказался самым простым из всех, какие только можно себе представить. И он почти целиком погружен в мембрану, так что наружу выглядывает лишь кончик молекулы. Тут мы имеем дело с эффектом бабочки: сущая, казалось бы, мелочь может вызвать весьма серьезные последствия». Вскоре французско-американская группа ученых разработала два экспресс-теста, способных за считанные часы выявлять вел-отрицательную кровь на основе анализа ДНК. А значит, вскоре донорскую кровь вел-отрицательной группы будут выявлять непосредственно при сдаче и сразу же маркировать. Тогда в случае необходимости она будет наготове, и пациентам не придется с трепетом ждать, успеют ли биохимики найти спасительную для них порцию подходящей крови. А это довольно актуально — ведь вел-отрицательных людей всего 0,04%, и найти подходящего донора для такого человека катастрофически трудно [27] Группы крови с точки зрения биохимика А как устроены антигены групп крови и антитела к ним? Какие у них свойства? Давайте взглянем на все эти антигены и антитела чуть подробнее и обратим внимание на биохимическую сторону этого вопроса... Рассмотрим эти антигены мы на примере наиболее часто учитываемых при переливаниях крови систем AB0 и резус, так как они обладают наиболее выраженными свойствами, из-за чего и вызывают посттрансфузионные осложнения настолько часто. В ходе плотных исследований структуры мембраны эритроцитов, продолжающихся с середины XX века, выяснилось, что агглютиногены, антигены AB0, — это длинные цепочки углеводов, прицепленные к белкам и жирам в мембране. Их структура (рис. 13) и определяет, будут ли они связываться специфическими антителами, и если да, то какими. Рисунок 13. Строение антигенов групповой системы AB0. У людей I (0) группы крови на мембране эритроцитов есть только H-антигены, состоящие из самых разных сахаров. Ген A кодирует фермент, добавляющий к H-антигену N-ацетилгалактозамин, в результате чего он превращается в антиген A. Аналогичным образом ген B превращает антиген H в антиген B. Именно эти небольшие различия между антигенами A, B и H (каждый характерен только для определенной группы крови) и определяют специфичность связывания с антителами. « Википедия » Антигенная дифференцировка наблюдается в большинстве тканей человека на самых ранних стадиях эмбриогенеза — антигены А и Н, например, можно найти в крови плода уже в возрасте пяти недель! Существуют разные подвиды агглютиногенов — A 1 , A 2 , A 3 , B 1 , B 2 , B 3 и так далее, но они различаются совсем незначительно и лишь по тому, насколько охотно агглютинируют с несовместимыми антителами, однако на эти различия можно закрыть глаза, переливая, например, человеку с антигеном A 1 кровь с антигеном A 2 Оба типа антигена (и A, и B) происходят от одного-единственного предшественника — антигена H . Антиген H превращается в A и B при помощи специальных ферментов гликозилтрансфераз A и B (GTA и/или GTB, то есть glycosyltransferase A или B). Гены соответствующих гликозилтрансфераз — это те самые аллели A и B, которые отвечают за то, какой именно группы крови будет человек. Третий вариант этого гена, отвечающий за первую группу, не кодирует никаких функциональных белков. Так вот, если у человека ген ABO кодирует белок GTA, то этот белок добавляет на конец всех Н-антигенов в мембране еще один углевод — N-ацетилгалактозамин , в результате чего получается A-антиген. Аналогично если этот ген кодирует GTB, этот фермент добавляет к H-антигенам другой углевод, галактозу , образуя B-антиген. Если же у человека нет ни аллеля A, ни аллеля B, то, ясное дело, никакие белки ничего к H-антигену не добавляют, и это значит, что у людей первой группы крови он так и остается H- антигеном. Эта небольшая разница меняет форму антигенов, из-за чего антитела могут узнавать свои антигены (рис. 13) [28] , [29] . У людей же четвертой группы крови, у которых есть как вариант A, так и вариант B гена АВ0, примерно половина всех H-антигенов на мембране превращается в A, а остальные — в B. Сам антиген H создается на мембране эритроцитов тремя другими белками, фукозил- и гликозилтрансферазами, которые последовательно включают в полисахаридную цепь некоторых гликопротеинов поверхности эритроцитов все новые и новые моносахариды И еще одно важное замечание: после синтеза антигены A и B могут меняться путем незначительной модификации его углеводной цепи с образованием подвидов антигенов A и B (A 1 , A 2 , A 3 , B 1 , B 2 , B 3 и др.). Но ведь H-антиген тоже собирается определенными белками. Часто ли бывает так, что какой-то из этих белков оказывается сломан (как гликозилтрансферазы у людей первой группы крови), и H-антиген не собирается? Удивительно, но нет — естественный отбор почему-то не стремится закреплять эти мутации. Феномен из Бомбея Такую ситуацию, когда H-антиген синтезируется не полностью, называют бомбейским феноменом (рис. 14). У таких людей гликозилтрансферазам буквально некуда добавлять еще один сахар, превращающий H-антиген в A или B, и поэтому антигены групп крови AB0 отсутствуют на эритроцитах вне зависимости от наличия генов ферментов- модификаторов. Носители такого типа крови — универсальные доноры, а вот им самим может переливаться исключительно кровь людей с таким же феноменом (так как у них мало того, что есть антитела анти-A и анти-B, так еще у них есть антитела анти-H), иначе может возникнуть посттрансфузионный шок. А еще у «небомбейских» детей «бомбейских» матерей может развиться гемолитическая желтуха, по аналогии с резус-конфликтом. По этим двум причинам даже выделяют систему групп крови H, и важно перед переливаниями диагностировать бомбейский феномен, так как стандартные лабораторные тесты показывают «бомбейские» эритроциты как эритроциты первой группы крови. Люди с бомбейским феноменом в экстренных ситуациях рискуют получить донорскую кровь слишком поздно, так как таких людей всего 0,0004%, и иногда даже приходится завозить бомбейскую кровь из других стран. Рисунок 14. Строение поверхностного антигена эритроцитов с бомбейским феноменом по сравнению со строением антигенов AB0. Бомбейский антиген (h) отличается от антигена H (0) отсутствием на конце фукозы и вызван мутацией гена фукозилтрансферазы, которая навешивает эту фукозу на антиген. Без этой фукозы, которую распознают ферменты синтеза антигенов A и B, невозможен дальнейший синтез антигенов AB0, и поэтому люди с такой мутацией не носят антигены A, B и H (0) даже если имеют соответствующие гены. « Википедия » Открытие этого феномена было совершено в 1952 году во время исследований, связанных со случаями массовой малярии в Индии (в районе города Бомбей (Мумбаи) — отсюда и название), после того, как у трех пациентов установили отсутствие антигенов, по которым определяют принадлежность крови к той или иной группе. Есть предположение, что распространение такого феномена (а в Индии бомбейский феномен имеет уже 0,01% людей) связано с частыми близкородственными браками, разносящими рецессивную мутацию по всей популяции, которые в этой части земного шара традиционны [25] Групповая система резус состоит из большого числа разных антигенов, самым активным из которых является Rho(D). Интересный факт: антиген Rho(D) является самым иммуногенным антигеном групп крови. Сам антиген Rho(D), как и остальные 50 резус- антигенов, является белком (а именно трансмембранным ионным каналом ) и состоит из нескольких субъединиц: RhA, RhB, RhC, RhD. При определении резус-фактора доноров, кроме Rho(D) определяют наличие еще двух антигенов — rh'(C) и rh"(E). Rh– донором считаются только те, у кого отсутствуют и эти антигены, так как они хоть в менее выраженной степени, но тоже способны вызывать посттрансфузионные осложнения [31] Антигены других групповых систем имеют совершенно разнообразное строение. Они могут быть белками, липопротеинами, углеводами и гликопротеинами. Подробнее со строением и функциями каждого конкретного типа антигена можно ознакомиться в статье Blood groups systems 2014 года [31] Хорошо, с антигенами примерно все понятно. А что можно сказать об антителах к ним? Они по строению ничем не отличаются от обычных антител. Они, как и обычные антитела, которые синтезируются в ответ на попадание в организм чужеродных антигенов, представляют собой относительно крупные белки-иммуноглобулины (Ig). Обычные иммуноглобулины бывают пяти типов, тогда как антитела, определяющие принадлежность к той или иной группе крови (их называют агглютинины ), представлены только двумя типами — либо IgM , либо IgG . Антитела IgM появляются первыми при иммунизации (например, при переливании несовместимой крови или при резус- конфликтной беременности) и нужны для обороны «здесь и сейчас». Затем вместо них или одновременно с ними начинают синтезироваться осуществляющие постоянную защиту IgG, которые отличаются тем, что из-за несколько меньших размеров могут переходить сквозь плацентарный барьер из матери в плод и вызывать резус-конфликт. Конфликт крови матери и ребенка Во введении мы уже коснулись того, что в естественных условиях кровь разных людей никогда не смешивается, так что природе проблема совместимости ее групп в принципе не знакома. Кроме одного случая — резус-конфликта плода и матери. Резус-конфликтная беременность представляет собой особую проблему, с которой столкнулись еще лекари XVII века (разумеется, не понимая ни причины этого состояния, ни последствий). Нет, естественно, кровеносные системы матери и растущего в ее утробе плода разделены плацентой и ни о каком смешении крови говорить нельзя. Однако во время родов некоторое — пусть и небольшое — количество крови плода может попасть в материнскую и наоборот. Изредка такой сценарий разворачивается и при несовпадении групп матери и плода по системе АВ0. Но гораздо чаще он сопровождает конфликт по резус-фактору. Если мать резус-отрицательна, а будущий ребенок резус-положителен, материнская иммунная система распознает его резус как чужеродный антиген и начнет выработку антител к нему. Даже небольшая доза эритроцитов такого плода может стать достаточной для иммунизации матери. Ей (и, как правило, первому ребенку) это ничем не грозит, но для следующих детей может оказаться опасным, если они тоже будут резус- положительными, уже «опытный» иммунитет будет им вредить — антитела, проходя через плаценту, будут атаковать эритроциты плода. Облепленные материнскими антителами эритроциты плода начнут уничтожаться клетками уже его иммунной системы (это явление называется гемолизом), что в итоге приводит к очень неприятным последствиям, а иногда даже к смерти плода. Мало того, продукты распада эритроцитов плода остаются в организме и окрашивают его кожу в желтоватый цвет [32] . Сегодня гемолитическую желтуху новорожденных (так называется это состояние) можно предотвратить путем введения женщине в роддоме сразу же после первых (и каждых последующих) родов специального препарата, содержащего антирезус-антитела и быстро разрушающего попавшие в ее организм резус-положительные эритроциты плода (рис. 15 и 16). Тем самым предотвращается выработка антирезус-антител у матери, что спасает жизнь и здоровье ее будущих детей [33] Рисунок 15. Ребенок с такой же желтухой, как и у загадочного пациента Филиппа Левина Hemolytic disease and associated diseases Рисунок 16. Возникновение резус-конфликта. Когда резус-отрицательный человек в первый раз сталкивается с резус-антигенами (например, при переливаниях несовместимой крови или резус-конфликтной беременности), у него начинают вырабатываться анти-резус антитела. Поэтому при следующей встрече с такими антигенами начинается реакция отторжения. Maternal rhesus isoimmunization: Rh incompatibility Антигены и антитела групп крови выполняют, в основном, четыре биохимические функции [31] : 1. Защитная функция заключается в предупреждении вымирания популяции из-за различных болезней и рассматривается в следующей главе. Именно для выполнения защитной их функции антитела и нужны, и именно антигены, выполняющие защитную функцию, вызывают реакции несовместимости при переливаниях. 2. Транспортная функция части белковых антигенов (например, резус-антигенов, а также антигенов Колтон и Диего ) выражается в их роли в качестве трансмембранных транспортеров, переносящих через мембрану эритроцита молекулы воды, мочевины, неорганических анионов и многих других молекул. Помимо всего прочего, это бывает нужно, к примеру, для выведения всякого мусора из клетки, поддержания ее характерной формы кураги и осмотического давления (когда давление воды внутри и снаружи клетки одинаково). В подтверждение этой космической роли резуса говорит тот факт, что, если красные клетки лишены всех антигенов Rh, это приводит к отсутствию мембранных белков, и как следствие — к нарушениям формы эритроцитов и транспорта ионов [34] 3. Рецепторной функцией обладают некоторые антигены групп крови. Например, они участвуют в передаче сигналов клеток, распознавании клеток друг другом и клеточной адгезии и, следовательно, могут играть роль в развитии рака и метастазировании. Так, люди с группами крови A, B и AB чаще заболевают раком поджелудочной железы [35] , а люди с 0 группой аж на целых 20% чаще заболевают раком желудка [36] . По части межклеточных взаимодействий преуспели и антигены групповой системы Кромер 4. Особую функцию выполняют белки- гликофорины — антигены MNSs . Эти белки способствуют тому, что эритроциты становятся отрицательно заряженными, и благодаря отталкиванию одноименных зарядов они не могут самопроизвольно безо всякой причины слипаться [37] Помимо этого, антигены групп крови могут выполнять и другие, пока что неизвестные науке функции. Например, разнообразие групп крови порождает различия в выживаемости разных людей от сердечно-сосудистых заболеваний (механизм этого явления пока непонятен). Так, бóльшую предрасположенность к тромбозу, согласно результатам исследований 2012 года, имеют люди, у которых группа крови любая, кроме первой, — оказалось, что кровь первой группы свертывается хуже, чем кровь других групп [38] Защита от инфекций. Почему групп крови несколько? Ну а зачем же нам целых 36 систем групп крови, несовместимость по которым регулярно вызывает осложнения? Природе ведь не знакомы переливание крови и проблемы совместимости ее групп, поэтому кажется, что их пестрое многообразие не имеет значения для выживания и могло появиться по вине случайности. Однако недавние исследования показали, что все же у групп крови есть смысл, причем они важны не только на уровне организма, но и на уровне популяции. Проводимые с начала прошлого века исследования показали, что разные группы крови встречаются во всех популяциях, но неравномерно распределены по всему миру (рис. 17). Так, I группа распространена повсеместно, но особенно широко — у африканцев и южноамериканцев, а антигены A и B распространены в Европе и Азии соответственно [39] . Феномен Бомбея редок везде, но чаще встречается в Индии, где распространяется исключительно благодаря родственным бракам. Следовательно, организму невыгодно, чтобы у него не было даже H-антигена. Другие групповые системы тоже отличаются разнородным распределением по миру — так, китайцы вовсе не проводят анализы на резус-фактор при переливаниях, так как они почти все резус-положительные, зато у них трансфузионное значение имеет система MNSs, которая не учитывается, в свою очередь, в Европе [40] Рисунок 17а. Частота встречаемости аллеля A. Разными цветами показано процентное распределение аллеля по территории планеты. « Википедия » Рисунок 17б. Частота встречаемости аллеля В. Разными цветами показано процентное распределение аллеля по территории планеты. « Википедия » Рисунок 17в. Частота встречаемости аллеля 0. Разными цветами показано процентное распределение аллеля по территории планеты. « Википедия » Эта привязка к географии говорит о том, что существуют своеобразные изолированные популяции, которые размножаются на своей территории и тем самым закрепляют возникшие тысячи лет назад мутации, приведшие к созданию тех или иных групп крови. А такое неравномерное распределение, наверняка, имеет под собой причину, заключающуюся в разной выживаемости людей той или иной группы крови на той или иной территории. Антигенный состав эритроцитов — это маленькая толика во всем разнообразии людей, как, например, цвет глаз или рост — нельзя найти двух одинаковых людей. Это разнообразие предопределено природой и поддерживается эволюцией — чем разнообразнее представители вида, тем сам вид более живуч. Разные люди лучше адаптированы к разным условиям, и в условиях, непригодных для одного человека, хорошо другому. То есть человечество явно что-то выигрывает благодаря тому, что групп крови несколько. Современные исследования приоткрыли завесу тайны, показав, что же именно является движущей силой эволюции групп крови. Согласно этим исследованиям, существование нескольких групп крови, скорее всего, могло привести к следующим преимуществам: 1) повышение устойчивости популяции к различным заболеваниям; 2) регуляция взаимодействия с симбиотическими организмами, населяющими наше тело. Это подкрепляет и тот факт, что антигены AB0 чаще всего встречаются в частях организма, либо занятых симбиотическими микроорганизмами, либо считающимися «входными воротами» всех инфекций. Местонахождение этих антигенов не ограничивается одними лишь эритроцитами, и эволюционировали они сначала в других тканях организма — слюнных железах, желудочно-кишечном тракте (и там их |