Конкурс «био/мол/текст»-2015

Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» конкурса «био/мол/текст»-2015.

---

Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.

---

Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Старение: запрограммированный процесс, который можно прервать, или неизбежность?

Новость о том, что в Москву прилетел Мартин Макфлай — герой ставшего легендарным сериала «Назад в будущее» — взорвала все социальные сети, а у многих навернулись ностальгические слезы, потому что с этого года все события, описанные в фильме, происходят в прошлом. «Время не повернуть вспять» — расхожее выражение, но мечты об осуществлении этой идеи не оставляют в покое лучшие умы человечества. Течение времени подразумевает, увы, старение, и ученые пытаются направить стрелки «биологических часов» вспять или хотя бы замедлить их ход.

На страницах истории нередко встречаются попытки создания эликсира молодости. Ходили слухи о том, что, например, Казанова принимал это зелье и на протяжении многих лет сохранял молодость и красоту. Сейчас проблема старения рассматривается намного шире: речь идет не только о старении внешнем (морщины, физическая слабость), а о причинах и молекулярных механизмах, связанных с этим процессом; ведутся горячие споры между двумя лагерями ученых, которые удачно названы В.П. Скулачёвым «пессимистами» и «оптимистами». Первые говорят о том, что старение неизбежно, этот процесс подобен тому, как изнашиваются механизмы машины, и ничего не остается, как выкинуть ее на свалку. «Оптимисты» же говорят нам о том, что старение вполне можно остановить, потому что это программа, работу которой можно нарушить .

Оптимисты из оптимистов, в частности, трансгуманисты, вообще настаивают на том, что старение — это болезнь, и что за ее лечение всерьез необходимо взяться всем миром. — Ред.

Предполагаемые «часы» старения

Говоря о возможных механизмах старения, часто упоминают так называемые «часы» старения. Не утихают споры о том, по каким же из них нам нужно сверять время. В таблице ниже приведено множество кандидатов на роль «часов» старения.

Есть идея о существовании общего прообраза «биологических часов» — группы ферментов под названием пероксиредоксины, которые участвуют в утилизации токсичной перекиси водорода — побочного продукта кислородного дыхания. Как оказалось, пероксиредоксин в эритроцитах человека и в морских водорослях переходит из окисленной в восстановленную форму каждые 24 часа. Это наводит на мысль, что он имеет отношение к циркадным ритмам, которые у человека регулируются эпифизом, одним из кандидатов на роль «часов» старения. Так вот, есть предположение, что пероксиредоксин — это «прапрадедушка» всех биологических «часов». Эта система появилась 2,5 млрд лет назад, когда на планете зародились фотосинтезирующие организмы, изменившие характер атмосферы с восстановительного на окислительный (это событие известно под названием «кислородной катастрофы») [1]. Но пока это гипотетические часы, которые нужно тщательно разобрать на все винтики и шестеренки.

Другой вопрос: а можно ли ход подобных «часов» повернуть вспять? Есть несколько идей, как можно это сделать — пока на животных и культурах клеток:

1. Создать «молодое окружение» (опыты по гетерохроническому парабиозу — например, сшиванию боками молодой и старой крысы, при котором старое животное «омолаживается»).
2. Воздействовать на работу определенных генов (например, NF-κB — транскрипционного фактора, регулирующего гены иммунного ответа, клеточного цикла и апоптоза).
3. Воздействовать фармакологическими препаратами на клетки (например, рапамицином — ингибитором mTOR, ферментом — сенсором уровня питательных веществ в клетке, регулирующим синтез белков. При введении рапамицина старым мышам продолжительность их жизни возрастала, увеличивалась и пролиферация стволовых клеток) [2].

Гены старения и долголетия

Ладно, скажете вы, ну а что же с генами-то? Терпение, дорогой читатель! Воистину чудотворный эксперимент с продлением жизни растения резушки (на профессиональном языке — арабидопсиса) был проведен научной группой Зигберта Мельцера. Но сначала хочется сказать пару слов об этом замечательном растении. Дело в том, что оно является излюбленным объектом генетиков (как кишечная палочка у молекулярных биологов или крыса у физиологов), так как жизненный цикл арабидопсиса настолько короток, что его можно пронаблюдать целиком за время одного чемпионата по футболу. Это наводит на мысль о том, что существует программа, которая запускает гибель арабидопсиса после его цветения и размножения. Так вот, Мельцеру и соавторам удалось «сломать» эту программу, но, как это часто происходит в науке, случайно. Был создан генетически модифицированный арабидопсис с двумя «выключенными» генами, что привело к увеличению продолжительности жизни растения в девять раз [3]!

Теперь поговорим о «генах старения» у червей. Ген age-1 был найден у еще одного любимого объекта биологов — нематоды Caenorhabditis elegans. Оказалось, что при нокауте age-1, отвечающего за работу фермента PI3-киназы, продолжительность жизни этого прозрачного червячка возрастает в 2 раза! Интересно, что у нематоды был найден ген daf-2, гомологичный гену рецептора инсулина, и уменьшение его активности тоже приводит к двукратному продлению жизни. Считается, что одна из причин замедления старения Caenorhabditis elegans при выключении описанных выше генов — это замедление основного обмена нематоды. Удивительно то, что здесь можно провести параллель и с нами: предполагается, что старение можно замедлить, сократив потребление калорийной пищи — то есть опять-таки снизив уровень метаболизма [3], [4]. Вот и задумаешься: может, не ходить на работу, впасть в анабиоз и поменьше есть?..

А вот плодовая мушка Drosophila melanogaster, именем которой с легкой руки советского генетика Тимофеева-Ресовского когда-то был назван научный кружок генетиков — «Совместный ор дрозофиле» (Дрозсоор). Чем же интересна эта мушка? Оказалось, что на дрозофиле тоже удобно изучать процессы старения и долголетия. Была получена линия мух с мутацией в гене Сu,Zn-супероксиддисмутазы (СОД) — фермента, который уменьшает количество свободных радикалов в клетке. У таких дрозофил продолжительность жизни заметно падала по сравнению с диким типом, и была отмечена повышенная чувствительность к веществам, продуцирующим свободные радикалы. С другой стороны, у мух с увеличенным числом копий генов Сu,Zn-СОД и каталазы (фермента, запускающего реакцию разложения перекиси водорода на молекулярный кислород и водород) продолжительность жизни возрастала, но только в том случае, если умножалось число копий генов обоих ферментов. И снова вспомним о системе передачи сигнала от инсулина и инсулинопободного фактора роста 1 (ИФР-1), которые, как и у нематоды, регулируют продолжительность жизни. Мутации в регуляторном участке гомолога гена рецептора инсулина (chiko) продлевают плодовым мушкам жизнь на 45% [4].

Найдены «гены старения» и у млекопитающих — например, у карликовых мышей Эймса с мутацией в гене транскрипционного фактора Prophet of Pit-1 (Prop-1). Живут такие мыши на 50% дольше своих диких сородичей, но, увы, им приходится расплачиваться за это нарушением гормонального фона (у них снижены уровни тиреотропного гормона (ТТГ), пролактина, ИФР-1) и карликовостью. У линии мышей Snell c мутацией в гене Pit-1 (транскрипционного фактора, регулирующего дифференцировку тех клеток гипофиза, которые выделяют пролактин и гормон роста) продолжительность жизни тоже выше, чем у обычных мышей. Однако, как и мыши Эймса, они карликовые — из-за недостаточного выделения гормона роста [3], [4].

Говоря о генах старения и долголетия, автор неоднократно упоминает об инсулине, и это неспроста: этот гормон является очень важным регулятором метаболизма и, как выяснилось, долголетия у дрозофилы, нематоды и мыши (и не только у них), которые друг другу «седьмая вода на киселе» в эволюционном смысле этих слов. На рисунке 1 представлено сравнение сигнальных путей инсулина и ИФР-1 у этих организмов.

«Ну и что? Черви, мушки, мыши... А что же с нами?» — спросите вы, дорогие читатели. Что касается нас, то многие геронтологи подчеркивают особое значение для долголетия гена аполипопротеина Е (ApoE) — белка, играющего важную роль в транспорте и метаболизме жиров. У людей распространены три аллеля этого гена — ε2, ε3, и ε4, различающиеся всего парой нуклеотидных замен. Бόльшая часть населения имеет «нейтральный» аллель ε3, который не связывают с развитием каких-то патологий. Но интересно, что в популяции долгожителей (80-100-летних людей) повышается доля аллеля APOE ε2, а ε4, наоборот, значительно сокращается. Это может свидетельствовать о благоприятном влиянии первого варианта на здоровье и продолжительность жизни и о тенденции к ранней гибели носителей второго варианта (ε4 раньше элиминируется из популяции). Подкрепляет такое предположение ряд исследований, выявивших, что аллель ε4 увеличивает риск раннего развития атеросклероза и ишемической болезни сердца, а также болезни Альцгеймера [4].

«Я вся такая противоречивая!» Про белки апоптоза и активные формы кислорода

«Лучше меньше, да лучше», «Семь раз отмерь — один раз отрежь» — все эти пословицы говорят о том, что нужно работать вдумчиво и внимательно, лучше сделать меньше, но качественнее. Но... не все следуют народным мудростям, тем более -ферменты. В наших клетках есть энергетические станции — митохондрии, которые работают не покладая рук, а точнее, белков-ферментов дыхательной цепи — бравых молодцов, которые без устали окисляют жиры и углеводы, добывая энергию. Но работают они, скажем так, не совсем «чисто»: в процессе окисления образуются довольно вредные соединения — активные формы кислорода (АФК), которые окисляют липиды клеточных мембран и белки. Повышенное содержание АФК может спровоцировать перерождение нормальной клетки в раковую.

Чтобы не дожидаться такого печального события, клетка может сама себе сделать «харакири», то есть запустить процесс апоптоза. Но неужели АФК настолько плохие и приносят нам только вред? Нет! Не зря Маяковский писал: «Послушайте! Если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно?» Нужно! Если совсем убрать АФК, это тоже не приведет ни к чему хорошему. Показано, что небольшие их концентрации необходимы для процессов дифференцировки стволовых клеток в специализированные клетки соответствующих тканей. А высокие концентрации АФК используются фагоцитами как «биологическое оружие» для борьбы с патогенами [3]. Еще один совсем недавно открытый эффект — участие АФК в регуляции процессов, лежащих в основе обучения и памяти. Как известно, основная функция нервных клеток — получать и передавать электрические сигналы посредством межклеточных контактов — синапсов. Именно здесь определяется, будет ли входящий с другого нейрона электрический сигнал передан дальше следующим нейронам, или же он пропадет бесследно. При этом мозг — динамичная структура, и проводимость самих синапсов может меняться. На клеточных культурах, а потом и в исследованиях на модельных животных было показано, что активные формы кислорода просто необходимы для регулирования проводимости синапсов [5]. Так что АФК — это коварный двуликий Янус.

Вопрос жизни и смерти. Бифункциональные белки

Теперь вернемся к вопросу об апоптозе. На первый взгляд кажется, что белки, запускающие апоптоз, исключительно вредны — ну какая от них может быть польза, если они запускают клеточную смерть? Но это не совсем так. Есть так называемые бифункциональные белки, которые, как понятно из их названия, выполняют разные функции в клетке, связанные с ее жизнью и смертью (рис. 2). Например, цитохром с участвует в запуске апоптоза: он выходит из митохондрии и взаимодействует с белком Apaf-1 в цитоплазме. С другой стороны, он участвует в переносе электронов по дыхательной цепи митохондрий, что, несомненно, является его положительной функцией. Найдена альтернативная, «хорошая» функция и белка Apaf-1: он участвует в процессах остановки клеточного деления в случае повреждения ДНК. При этом белок перемещается из цитоплазмы в ядро и взаимодействует с чекпойнт-киназой 1 (Chk1). Однако и апоптоз иногда — событие желательное, поэтому однозначно неприятельскими действия его стимуляторов тоже нельзя назвать.

А вот другой интересный бифункциональный белок — Cdc6. Он препятствует сборке апоптосомы — структуры, необходимой для начала апоптоза, — взаимодействуя с Apaf-1. Другая функция Cdc6 — участие в репликации хромосом и стимуляции пролиферации клеток. Парадокс заключается в том, что и ген APAF1, и ген CDC6 активируются одним и тем же транскрипционным фактором, E2F [6]. Еще один белок апоптотического каскада — каспаза-9. Помимо участия в программируемой клеточной смерти, она необходима для дифференцировки стволовых клеток в мышечные [3].

У растений тоже похожая ситуация с вопросами жизни и смерти: фитогормон абсцизовая кислота, вызывающий гибель однолетних растений, еще и регулирует развитие зародыша, размножение, деление клеток и защиту от стресса [3].

Лекарство от старости

Говорим о лекарстве от старости — подразумеваем ион Скулачёва (см. врезку ниже) [7]. Остановимся на этом подробнее. SkQ1 — это молекула-«электровоз» с «прицепом» в виде антиоксиданта, которая идет по маршруту до конечной станции «митохондрия». Было показано, что SkQ1 способен проникать через биологические и искусственные мембраны, доставляя антиоксидант именно в митохондрии, и при этом ион спасал клетки от апоптоза, вызываемого свободными радикалами. В итоге SkQ1 стал основой для создания лекарств от старости. Первым препаратом стал «Визомитин» — глазные капли, которые лечат синдром «сухого глаза». А начиналось всё с того, что в ходе серий экспериментов удалось вернуть зрение кошкам, собакам, лошадям, ослепшим из-за старости. Конечно же, лечение синдрома «сухого глаза» — это не предел, и хочется верить в то, что позже будут созданы и другие препараты, лечащие заболевания, связанные с патологией митохондрий.

«Главное, ребята, митохондриями не стареть!» Нестареющие животные

Пожалуй, в свете свободнорадикальной теории старения, именно так стόит петь слова из известной песни. Одним из выдающихся примеров незначительно стареющих животных является голый землекоп, Heterocephalus glaber. Разгадать секрет долголетия этого животного пока не удалось. Как выяснилось, землекопы обычно погибают от причин, не связанных со старением: в первые месяцы жизни, критичные для «младенцев» большинства животных, или в результате стычек с родственниками и соседними кланами землекопов. А «царица» и ее «мужья» — у землекопов матриархат — вообще изолированы от внешних опасностей, и в естественных условиях продолжительность их жизни по сравнению с другими членами популяции самая высокая. Но вот создается впечатление, что старение митохондрий — это вообще не про землекопа! В лаборатории Рошель Баффенстайн было показано, что при добавлении АФК к культуре клеток землекопа клетки... не уходят в апоптоз! То есть, если считать, что АФК реализуют программу старения , у землекопа эта программа отключена за ненадобностью [3].

А если так не считать, всё может встать на свои места. Старая добрая свободнорадикальная теория, особенно в исходном виде и «единолично», вряд ли может объяснить феномен старения (и особенно старения пренебрежимого). Тем более что землекопы — великие мастера апоптоза, просто это с АФК у них не связано: их клетки организованно самоуничтожаются в нужный момент, предотвращая этим гибель целого организма. Детально мы рассмотрим причудливые защитные механизмы голого землекопа в одной из статей цикла, посвященного старению и борьбе с ним. В цикле вскользь будут затронуты и основные теории старения, уже сейчас можно познакомиться с эпигенетической концепцией («Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны») [8] и поразмыслить над связью клеточного старения с организменным («Зачем клетки стареют») [9]. В обеих статьях есть информация по АФК, а в последней — и по землекопу. — Ред.

Другое нестареющее млекопитающее — это гренландский кит. Известно, что эти киты выбрасываются на берег и из-за этого, увы, погибают. Сейчас появилось предположение, почему же они это делают. Возможно, киты... слепнут: у них развивается катаракта. Здесь речь идет об исключительно химическом старении. Дело в том, что в хрусталике кита идет спонтанная L→D-изомеризация белка кристаллина. В итоге получается, что у 200-летнего животного 40% L-аспартата превращается в D-изомер, что может вызывать помутнение хрусталика [3].

Антиоксиданты и молекулярная косметология

...что есть красота
И почему ее обожествляют люди?
Сосуд она, в котором пустота,
Или огонь, мерцающий в сосуде?
Н. Заболоцкий. Некрасивая девочка

Всем хочется быть красивыми и не стареть. Лет 20 назад начался настоящий бум на рынке косметических средств, рекламирующих антиоксиданты как панацею в борьбе со всеми проявлениями старения. Известно огромное количество антиоксидантов, которые борются с АФК, в том числе и природных: это витамины Е и С, коэнзим Q, флавоноиды зеленого чая. К синтетическим относятся N-ацетилцистеин, идебенон, тролокс и другие. До сих пор мы сталкиваемся с тем, что полки магазинов завалены косметическими чудо-средствами, которые напичканы спасительными антиоксидантами. Часть из этих мифов приходится развеивать, но, к счастью, некоторые их них при внимательном рассмотрении из мифов превращаются в реальность. Например, тот факт, что антиоксиданты могут замедлять старение кожи (рис. 3), — правда. Вопрос только в том, как их туда (под верхние слои эпидермиса) правильно доставить. Есть интересное исследование, проведенное на культуре кератиноцитов — основных клеток эпидермиса. При обработке этих клеток коктейлем из антиоксидантов (коэнзим Q, масло криля, липоевая кислота, масло виноградной косточки, α-токоферол) в присутствии фактора некроза опухоли альфа (ФНО-α) в них значительно снижалось содержание NF-κB. То есть, проще говоря, клетки, обработанные этими антиоксидантами, были больше защищены от запрограммированной клеточной гибели, чем контрольные кератиноциты, не обработанные ими. Эта работа подтверждает тот факт, что антиоксиданты действительно можно и нужно использовать в косметических средствах, направленных на борьбу с возрастными изменениями кожи [10]. Но повторимся: другой вопрос — как их туда доставить?

Что же касается мифов, то перед покупкой очередного чудо-средства стόит задуматься над следующими вещами:

• условиями хранения таких косметических средств;
• концентрацией активного вещества;
• а пройдут ли эти активные вещества вообще через кожный покров?

После этого постоять, подумать возле витрины, покрутить в руках чудо-баночку... и, увы, в большинстве случаев поставить ее обратно на полочку.

Заключение

Выясняя работу часов старения, ученым порой приходится быть слепыми часовщиками: сложно понять механизм вслепую, но при желании шаг за шагом можно нащупать новые детали и понять, как они взаимодействуют друг с другом.

Литература

1. Прообраз биологических часов;
2. Часы старения: обнулить, замедлить, обратить вспять?;
3. Скулачёв В., Скулачёв М., Фенюк Б. Жизнь без старости. М.: ЭКСМО, 2013. — 256 с.;
4. Анисимов В.Н. Молекулярные и физиологические механизмы старения. СПб: Наука, 2003. — 468 с.;
5. Активный кислород: друг или враг, или О пользе и вреде антиоксидантов;
6. Shinichiro Niimi, Shiho Arakawa-Takeuchi, Baasanjav Uranbileg, Jung-ha Park, Shigeki Jinno, Hiroto Okayama. (2015). Cdc6 protein obstructs apoptosome assembly and consequent cell death by forming stable complexes with activated Apaf-1 molecules.. J. Biol. Chem.. 290, 4130-4130;
7. Антиоксиданты против пиелонефрита;
8. Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны;
9. Зачем клетки стареют;
10. Elena Fasano, Simona Serini, Nadia Mondella, Sonia Trombino, Leonardo Celleno, et. al.. (2014). Antioxidant and Anti-Inflammatory Effects of Selected Natural Compounds Contained in a Dietary Supplement on Two Human Immortalized Keratinocyte Lines. BioMed Research International. 2014, 1-11.