Митохондриопатии в процессе старения

Среди препятствий на пути клинической разработки медико-биологических методов борьбы со старением имеется и формальное: старение не является идентифицированной признанной болезнью, нозологической единицей, поэтому Управление по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств США (известное под сокращением FDA) не даст разрешения на испытание вмешательства, заявленного как средство для борьбы со старением.

Это, очевидно, хорошенький ушат холодной воды на головы тех обладателей денежных средств, которые иначе могли бы заинтересоваться вложением денег в разработки, касающиеся связанных с возрастом мутаций митохондриальной ДНК.

Поскольку желательно, чтобы как можно быстрее появился клинически приемлемый метод борьбы со старением, аллотопическая экспрессия имеет то преимущество, что она уже разрабатывается в качестве метода лечения признанной группы заболеваний - митохондриопатий.

Так называют заболевания, обусловленные наследственными (или, реже, приобретенными по причинам, не связанным со старением) дефектами митохондриальной ДНК. Эти мутации ведут к упадку энергопроизводства, вследствие которого нарушаются функции различных органов в зависимости от конкретного дефекта: наиболее страдают мозг, сердце и мышцы, бывают поражены также печень, почки, легкие и некоторые железы. Поскольку аллотопическая экспрессия обещает лечение митохондриопатий, на ее разработку выделяется правительственное финансирование (правда, недостаточное); когда этот метод дойдет до клинического уровня, это побудит вкладывать средства в его развитие, что откроет дорогу для проверки в одобренных FDA клинических испытаниях.

А уж когда будет доказано, что аллотопическая экспрессия безопасна и эффективна для лечения наследственных мутаций митохондриальной ДНК, будет легко приспособить ее для мутаций, приобретенных в ходе старения. Такая параллельная применимость отличает большинство направленных против старения вмешательств, включенных в концепцию SENS; и, действительно, прототипные варианты ряда предложенных вмешательств сейчас уже проходят стадию клинических испытаний.
По стопам эволюции
Другие препятствия на пути аллотопической экспрессии имеют более научный характер. К счастью, как мы увидим, в последнее десятилетие эта область быстро и успешно развивалась. И еще лучше: эволюция на протяжении тысячелетий действовала в том же направлении.

В неизмеримо далеком прошлом одноклеточные организмы, к которым восходит наша родословная, вступили в симбиоз (взаимовыгодное совместное существование) с предками нынешних митохондрий, которые были не органеллами, а самостоятельными организмами. Будучи независимыми живыми существами, эти протомитохондрии имели полный набор собственной ДНК - не менее тысячи генов.

Но именно потому, что в полном опасностей окружении митохондрии для находящихся в них генов высок риск мутаций, в ходе эволюции выработалась аллотопическая экспрессия митохондриальных генов задолго до того, как появился человек. В неторопливом, как наступление ледника, эволюционном процессе копии генов, кодирующих митохондриальные белки, переносились в клеточное ядро, после чего исходные митохондриальные гены становились лишним компонентом и мутировали до бесконечности.

Надо отдать должное матери-природе: эволюция зашла по этому пути очень далеко. Из более чем тысячи генов изначально кодировавших митохондриальные белки, все, за исключением лишь тринадцати, перекочевали в ядро.

Начиная с середины 1980-х годов ученые при помощи биотехнологических методов преуспели в аллотопической экспрессии некоторых закодированных в митохондриальной ДНК белков. Правда, поначалу это удалось только у дрожжей, но теория получила практическое доказательство.
Эволюционные и прочие помехи
Но когда мы доходим до тринадцати кодирующих митохондриальные белки генов, находящихся в митохондриях человеческих клеток, дело оказывается куда хитрее. Почему эволюционный процесс остановился на этой точке, неясно, тут есть разные предположения, но, по общему мнению, существуют какие-то удерживающие факторы. Каковы бы они ни были, задача не обещает быть легкой. Нужно выяснить, что за факторы удерживают тринадцать генов в митохондриях, и придумать, как их преодолеть.

Один фактор, действующий не у всех живых организмов, но у человека имеющий значение, состоит в том, что код митохондриальной ДНК несколько отличается от ядерного (как бы разные диалекты одного языка), и из-за этого точная копия митохондриальной ДНК окажется "нечитабельной" в ядре. Эту проблему называют несоответствием кодов.

Ситуация здесь напоминает изменения в манере написания буквы "s" в английских текстах. До XIX в. "s" в середине слова писали с длинной "шеей", так что она походила больше на современную букву "f". Постепенно, по мере того, как умеющих писать становилось все больше, рукописное начертание букв более-менее унифицировалось, и "s" стали писать с более короткой "шеей", ближе к нынешнему сильно изогнутому варианту. И современный читатель документов эпохи Просвещения может перепутать морскую команду "Sail for the enemy" ("В атаку!") с противоположной - "Fail for the enemy!" ("Сдаемся!"), а то и вообще получится бессмыслица.

Из-за разницы в генетических кодах митохондриальной и ядерной ДНК перенос в ядро митохондриальных генов, содержащих "нечитаемые" последовательности, становится неподвластным эволюционному процессу. И, действительно, во всех генах, находящихся в настоящее время в митохондриях, имеются такие оригинальные участки; уже одним этим фактом можно объяснить, почему они не перешли в ядро. Но несоответствие кодов не составляет серьезной проблемы для биотехнологии: зная, в чем коды отличаются друг от друга, можно создать новый аллотопический ген согласно "ядерному" коду (как бы заменить одни значки другими), чтобы он нормально транслировался (т.е. синтезировался соответствующий белок), как это происходит с митохондриальными генами, перенесенными в ядро природой.

Другой фактор, по-видимому, представляет менее трудное препятствие для эволюционного переноса митохондриальных генов в ядро, но создает более сложную биотехнологическую задачу.
Речь идет о гидрофобности (от греческого hydor - "вода, влага" и phobos - "страх"; по сути: это отталкивание от молекул воды) многих из митохондриальных белков, гены которых находятся в митохондриях. В этих белках есть участки, которые в силу своей химической структуры столь сильно избегают контакта с водой, что молекула белка принимает такую форму, чтобы они оказались внутри нее.

Гирофобность не создает проблемы для белков, которые синтезируются по ДНК, находящимся в митохондриях, так как конечная пространственная структура (форма) такого белка запрограммирована, и его полипептидная цепь должна свернуться определенным образом, причем этому помогают специальные ферменты. Но если такой белок будет образовываться по ДНК, находящимся в ядре, то возникает препятствие: трансляция ядерных генов осуществляется в основном компартменте клетки - в цитоплазме, синтезированный белок оказывается в водной среде вне митохондрии, а его нужно как-то перенести внутрь нее через наружную и внутреннюю митохондриальные мембраны и поместить в точку его окончательной локализации.

Белки, разумеется, не могут свободно проходить через мембраны, иначе целостность митохондрии, а стало быть, и ее способность служить резервуаром протонов будет нивелирована постоянным "протеканием" внутрь и наружу. Однако же, есть нужда в трансмембранном переносе многих белков, например тех субъединиц комплексов электронтранспортной цепи, гены которых уже попали эволюционным путем в защищенное пространство ядра. Значит, у митохондрий выработался специальный механизм транслокации (переноса) белков через митохондриальные мембраны. Этот механизм называют комплексом TIM/TOM (TIM - транслоказа внутренней митохондриальной мембраны, TOM - наружной).

Но если белок в водном окружении в силу своей гидрофобности принял свернутую конформацию, то он уже не сможет пройти через комплекс TIM/ TOM, как невозможно протащить скрученную в ком вешалку для одежды через водосточную трубу. Хуже того - он его закупорит, т.е. не только новообразованные белки, кодируемые аллотопически экспрессирующимися генами, не попадут, куда им надо, но и многие другие белки, в норме поступающие в митохондрии с помощью комплекса TIM/TOM, окажутся "за бортом".

Все тринадцать белков, кодируемых митохондриальной ДНК, очень гидрофобны. Гены некоторых из них никогда не попадали в ядро ни у одного из видов живых организмов, и это гены наиболее гидрофобных белков -значит, гидрофобность действительно создает значительное препятствие на пути аллотопической экспрессии. Есть несколько вроде бы исключений, но я опубликовал подробный их разбор, объясняющий, почему эти кажущиеся противоречащими сказанному факты на самом деле таковыми не являются, почему они возникли в ходе эволюции, несмотря на проблему гидрофобности.

medbe.ru