Новый сильный игрок: микробиома

Генетика находится в эпицентре взрыва знаний. Непрерывно поступающие данные о геноме и эпигеноме накапливаются ежедневно даже не гигабайтами, а терабайтами, то есть триллионами байт цифровой информации, в тысячу раз больше гигабайта. Такую гору данных сложно воспринимать, еще сложнее анализировать, а тут еще совершенно неожиданно добавилась гора данных размером с Гималаи о таком явлении, как микробы. Медики обычно видят в микробах захватчиков: вирусы и бактерии становятся причиной заболеваний и разрушают иммунную защиту организма. Хотя учитывают и полезных микробов, которые обитают в пищеварительном тракте и помогают переваривать пищу.

Врач со специализацией по заболеваниям желудочно-кишечного тракта очень быстро понимает, какие расстройства могут происходить в кишечнике, но большинство людей почти не знает, что за микробы живут бок о бок с нашими собственными клетками. Если вы принимаете антибиотики, цель которых – убить болезнетворных микробов, полезная микрофлора кишечника тоже пострадает. В норме через некоторое время она восстанавливается после прекращения приема антибиотиков, и максимум, что вы заметите, – это приступ диареи. Когда у путешественников случаются кишечные расстройства вроде «делийского живота» в Индии или «мести Монтесумы» в Мексике, их причина – изменение экологии кишечника. Пищеварительная микрофлора в разных частях мира отличается. Пока вы не чувствуете боли и дискомфорта и у вас не начинается вздутие живота, диарея или запор, вы не станете обращать внимания на свое пищеварение, по крайней мере на уровне микрофлоры.

Однако за последние несколько лет неожиданно открылась важность целой популяции микробов, населяющих наш организм. На причину этого мы уже успели мимоходом намекнуть, когда упомянули, что человеческий организм содержит 100 триллионов чужеродных микробных клеток. Как мы уже говорили, это значит, что 90 % клеток нашего тела, в том числе и подавляющее большинство генетического материала, – микробы. Ваш организм содержит около 23 000 генов в сравнении с миллионом генов бактерий. В глобальном плане мы просто конструкция из бактериальных колоний с небольшой примесью человеческих клеток! Понимание этого пришло, когда открылась возможность составить полную карту генома, включая геномы сотен тысяч всевозможных микроорганизмов, которые обитают в нашем теле, в основном в кишечнике, но также во рту, на коже и прочих частях тела.

Прежде чем мы сможем разобраться с собственными генами, необходимо понять генетическое значение микробиомы, как назвали целую экосистему микроорганизмов, численность которой превышает наши клетки в пропорции 10:1 (также используется синоним «микробиота»). Эти микробы не просто зашли в гости, когда появились высокоорганизованные формы жизни. Симбиоз между клетками нашего организма и триллионами микробов продолжается на протяжении долгого времени, начиная с самого появления микробов 3,5 миллиарда лет назад. Появление наших человекоподобных предков около 2,5 миллиона лет назад – лишь мгновение в сравнении с эволюционным путем бактерий, которые могут создавать гены и даже обмениваться ими. За все это время наше взаимодействие с бактериями повлияло на эволюцию каждого органа, в том числе и мозга. Неизвестно точно, сколько именно видов микробов населяет наш организм, по общим оценкам, их число превышает тысячу, что в любом случае удивительно много. Влияние микробиомы подразумевается в ее описании: второй геном человека, еще один орган, бактериальные внутренние джунгли. Клетки в кишечнике вырабатываются в огромных количествах, около 100–300 миллионов в час в толстой кишке и небольшая часть от 1 до 3 миллиардов в тонком кишечнике. Микробы поселяются в биопленке, которая покрывает стенки кишечника, то также и выходят наружу – так, образец стула по весу содержит 40 % микробов.

Термин «микробиома» ввел нобелевский лауреат биолог Джошуа Ледерберг, но впервые значение микробиомы описал хирург армии США в XIX в. Уильям Бомонт (1785–1853). Бомонт был первопроходцем в изучении физиологии пищеварения и заявлял, что гнев мешает нормально переваривать пищу. С тех пор мы узнали, что огромное количество бактерий в нашем кишечнике напрямую влияет на развитие мозга и центральной нервной системы с момента зачатия до смерти. Кроме того, микробиома ежедневно перестраивает нашу иммунную систему.

Когда естественный баланс микробиомы нарушается, мы называем это дисбиозом, но только сейчас удалось обнаружить, что это далеко не только проблема пищеварения и дисбиоз причиняет системный вред. Число обнаруженных расстройств, которые с ним связаны, постоянно растет, но уже впечатляет: от астмы и экземы до болезни Крона, различных видов склероза, аутизма, болезни Альцгеймера, ревматоидного артрита, волчанки, ожирения, сердечно-сосудистых заболеваний, атеросклероза, рака и недоедания. Пути новых видов лечения сходятся на микробиоме.

Ажиотаж вокруг микробиомы достиг такой степени, что вы наверняка слышали о ней из средств массовой информации и благодаря рекламе продуктов, известных как пробиотики (йогурты – самые популярные из них), которые способствуют росту популяции полезной микрофлоры в кишечнике. С точки зрения генетики, микробиома служит для повышения «осведомленности» иммунной системы и предотвращения заболеваний. На протяжении миллиардов лет эволюции ДНК микробов не просто сосуществовала с ДНК других живых существ, но и проникала в нее, становилась неотъемлемой частью ДНК современного человека. Мир возможных открытий строится на этой взаимной зависимости, которая продолжается на протяжении миллионов лет существования нашего вида.

Другой важный аспект – связь между микробиомой и хроническими заболеваниями – оказывает влияние на жизнь каждого из нас и может проявиться очень быстро. Существует естественная связь между кишечными расстройствами, например, синдром раздраженного кишечника. Ожирение также связано с тем, как переваривается и усваивается пища. Куда более неожиданна возможная связь между микробиомой и такими далекими от желудочно-кишечного тракта заболеваниями, как болезни сердца и сосудов, диабет первого типа, рак и психические заболевания, например шизофрения.

Теперь известно, что кишечные бактерии вырабатывают нейроактивные соединения, которые взаимодействуют с клетками мозга и даже способны контролировать экспрессию наших собственных генов на эпигенетическом уровне. Когда стало понятно, что существует сильная связь между кишечником и мозгом, барьеры между нашими собственными и чужими клетками начали рушиться. Если бактерия вашего кишечника может повлиять на ваше настроение или поспособствовать развитию психического заболевания, на горизонте появилась абсолютно новая концепция организма, которую мы объясним дальше. (Обсуждение пробиотиков и рекомендаций по питанию мы отложим до следующей главы, посвященной выбору образа жизни.)

Поскольку ваш организм населяют сотни микробов, их геномы и терабайты данных о них – одна сплошная загадка. Чтобы как-то в ней разобраться, нам нужны некие общие категории, за которые можно было бы зацепиться. Профессор Роб Найт, эксперт по микробам в человеческом организме из Колорадского университета, говорит о микробиоме: «Почти полтора килограмма микробов, которых вы носите в себе, могут оказаться куда важнее одного-единственного гена, который вы носите в вашем геноме». По весу микробиома почти равна головному мозгу. Найт упрощает популяцию микроорганизмов и группирует их по основным участкам тела, в которых они обитают; самые главные из них – кишечник, кожа, рот и влагалище. Можно назвать это отдельными микробными и генетическими ландшафтами, поскольку их экология отличается друг от друга, как Арктика отличается от тропиков. В основе этой упрощенной карты лежит проведенный Найтом анализ микробиомы 250 здоровых взрослых добровольцев, а за ним стоит огромная база данных определения геномной последовательности проекта «Микробиома человека», получившего финансовую поддержку от федерального правительства на 173 миллиона долларов.

Одна из основных загадок микробиомы состоит в том, что у всех людей она абсолютно разная. В феврале 2014 г. в телепередаче, которая набрала 300 000 просмотров, Найт очень интересно рассказывает о некоторых интригующих фактах. Некоторые люди утверждают, что их чаще, чем других, кусают комары, а другие говорят, что их почти не кусают. Причина заключается в разных микроорганизмах на их коже и в том, как они привлекают комаров. А микрофлора кишечника, предположительно, определяет, вызовет ли безрецептурное обезболивающее средство тайленол (ацетаминофен) поражение печени.

Из-за разнообразия сложно говорить об идеально здоровой микробиоме. С негативной точки зрения, кишечник современных людей можно серьезно испортить. Авторитетная работа микробиологов Эрики и Джастина Зонненбург рассказывает о потере микроорганизмов, обусловленной самыми разными факторами. Один из них заключается в том, что в рационе западных людей мало растительной клетчатки. Клетчатка – пребиотик, продукт, питаясь которым микробы размножаются (в отличие от пробиотика, который вводит новые микроорганизмы в пищеварительный тракт). Еще один губительный фактор – широкое распространение антибиотиков и их способности убивать огромное количество вирусов и бактерий. Менее материальный, но тем не менее подозрительный фактор – современный образ жизни, связанный с постоянным стрессом, поскольку гормоны стресса и эмоций в целом могут вызывать изменения микробиомы. Как и экспрессия генов, микробиома настолько динамична, что для ее описания лучше подойдет глагол, чем существительное.

Самое шокирующее предположение Зонненбургов заключается в том, что типичное западное питание сильно влияет на развитие хронических заболеваний и особенно аутоиммунных расстройств, таких как аллергии. Микробиома помогает отрегулировать иммунитет, а также вырабатывает в процессе пищеварения побочные химические соединения, которые снижают воспаление. Поступает все больше и больше доказательств связи воспалений с целым рядом заболеваний, в том числе болезнями сердца и сосудов, гипертонией и различными видами рака. Снижение разнообразия экологии кишечника стабильно губит наше здоровье. Зонненбурги говорят о риске открытым текстом: «Существует возможность, что микробиота западного человека сама по себе дисбиотична (вредна для микробов) и располагает к развитию целого ряда заболеваний».

Как и другие риски, связанные с микробиомой, этот риск невероятно сложно подтвердить или исключить наверняка. Существует лишь небольшое количество отдельных поселений людей по всему миру, чья микробиома не подвергается вредным воздействиям. Эмили Икин, обозреватель «New Yorker», написала в декабре 2014 г. об африканском племени хадза, которое изучал антрополог Джефф Лич, работавший вместе с Зонненбургами. Триста человек из племени хадза, все еще живущего охотой и собирательством в Танзании, на протяжении года принимали участие в исследованиях Лича. «Нам нужны были места, где у людей нет легкого доступа к антибиотикам, где люди пьют воду из тех же источников, что и зебры, жирафы и слоны, и до сих пор живут под открытым небом», – сказал Лич в интервью Икин. В этих условиях развивались гены Homo sapiens.