Старение: ядерные мутации

Если не считать небольшого количества ДНК в митохондриях, практически вся она содержится в ядре наших клеток, как передает Интернет-издание для девушек и женщин от 14 до 35 лет Pannochka.net

Ядерная ДНК, как и митохондриальная, с годами накапливает повреждения, которые теоретически чреваты бесчисленными проблемами со здоровьем.

Однако, лишь одна из этих проблем - рак - возникает в течение периода, который мы сейчас считаем нормальной продолжительностью человеческой жизни.

Следовательно, для окончательной победы над раком необходимо обезвредить ядерные мутации. И именно это составляет самый амбициозный компонент SENS - поиск путей к полному избавлению людей от злокачественного роста.

"Инженерный" подход к борьбе со старением принципиально отличается от традиционных взглядов на возрастные процессы и на то, что с ними делать. Он уделяет основное внимание конкретным повреждениям, которые накапливаются в стареющем организме, а не метаболическим механизмам, ведущим к его деградации.

Такой прагматичный подход делает проблему решаемой. Геронтологи старой школы занимались потенциальными причинами старения, имя которым легион. В результате одна лишь мысль о необходимости контролировать все эти процессы парализовала волю к конкретным действиям. Они требовали детального понимания огромного количества сложнейших взаимодействий, вмешательство в любое из которых, с одной стороны, затруднительно, а с другой, чревато нежелательными побочными эффектами.

Противовозрастная биоинженерия во многом освобождает нас от таких сложностей. Мы даем метаболизму делать свое необходимое, хотя и грязное дело, а сами ищем пути устранения или обезвреживания сравнительно небольшого количества возникающих в результате обменных процессов конкретных изменений - иными словами, молекулярных повреждений - структуры стареющего организма.

Речь идет всего о семи классах таких проблем, решение которых вполне возможно и само по себе вряд ли способно привести к каким-либо отрицательным эффектам. Все, с чем мы боремся - изначально инертные, но потенциально патогенные особенности постаревшего организма, абсолютно не нужные нам в молодости, а значит, и вообще никогда в жизни.

Однако в этой логике есть слабое место и масштабы его поистине раблезианские. Речь идет о возрастных повреждениях ядерной ДНК. Если митохондриальная ДНК отвечает только за работу "энергетических станций" клетки, внутри которых находится, то ядерная представляет собой общую инструкцию по построению и функционированию всего нашего организма.

Белки, которые ею кодируются, являются не только важнейшими структурными компонентами человеческого тела, из которых состоит все - от хрусталика глаза до сердечной мышцы и километров кровеносных сосудов - но и ферментами, т.е., крошечными машинками, обеспечивающими практически все жизненно необходимые процессы - от обезвреживания токсинов до синтеза клеточных мембран и передачи химических сигналов между клетками.

Повреждение ДНК означает порчу нашей генетической программы: ее безупречные инструкции становятся "нечитабельными" для ферментов, которые в норме превращают (транскрибируют) эту информацию в конкретные распоряжения, передаваемые на клеточные "фабрики" по производству белков.

Причем дефекты генов с возрастом накапливаются. Ядерная ДНК непрерывно атакуется повреждающими факторами. В каждой нашей клетке она ежедневно получает около миллиона "ударов", наносимых самыми разнообразными агентами, от ультрафиолетового излучения и средовых токсинов до свободнорадикальных побочных продуктов нормального метаболизма. Причем, даже только что синтезированная ДНК не всегда свободна от изъянов: при размножении клеток копирующие их генетическую информацию механизмы могут допускать ошибки, способные привести к более ли менее серьезным последствиям для нашего здоровья.

Многие такие дефекты: быстро исправляются специальной клеточной системой контроля за качеством ДНК, однако некоторые по самой своей природе, так сказать, не подлежат ремонту. Другие повреждения потенциально устранимы, но сохраняются, поскольку на это не хватает времени из-за слишком быстрого клеточного деления, ведущего к их копированию. Такие стойкие изменения генетического материала называются мутациями. Если они отсутствуют в яйцеклетках и сперматозоидах, то не наследуются нашими потомками, однако сохраняются в многочисленном "потомстве" других клеток нашего организма, то и дело становящихся первоисточниками неустранимых генных дефектов.

Повреждается не только собственно ядерная ДНК, но и так называемые эпигенетические структуры хромосом - связанная с ДНК ее белковая обкладка. Она играет важную роль в экспрессии наследственной информации, определяя, какие гены будут считываться, а какие оставаться отключенными. В результате, обладая одинаковой по составу ДНК, одни клетки дифференцируются в гепатоциты, другие в мышечные волокна, третьи в нейроны и т.п. Следовательно, повреждения эпигенетических структур хромосом потенциально чреваты: не менее широким диапазоном функциональных клеточных аномалий, чем генные мутации. Включая или выключая, усиливая или ослабляя "не то, что надо", такие эпимутации нарушают состав и работу клетки.

Поскольку такие дефекты возникают случайно и не исправляются, со временем происходит их накопление. Следовательно, по определению, в рамках которого действует наша биоинженерная стратегия, речь идет именно о "возрастной" деградации нашего организма. Отсюда следует, что наша задача - либо устранять, либо обезвреживать эти повреждения, не давая им постепенно развиваться в клинические патологии.
Не подлежит ремонту
Даже если дефектные гены не работают, простое избавление от них проблемы не решает: клетка, лишенная связанной с ними функциональной генетической информации, все равно останется неполноценной. И в этом главная трудность - фактически она настолько серьезна, что мутации будут оставаться подводными скалами, способными пустить ко дну любой ковчег, какой бы запас прочности мы ни заложили в него, надеясь спастись от метаболического потопа и доплыть до безвозрастного будущего.

Возникает логичный вопрос: если нельзя уничтожать дефектные гены, нельзя ли их ремонтировать? К сожалению, в обозримом будущем это технически неосуществимо - хотя бы потому, что таких генов в ядерной ДНК слишком много. В нашем ядре почти все они представлены двумя копиями. Общий размер одной их них ("гаплоидного генома") - около 3 млрд. "букв" ДНК.

Сколько из них фактически соответствует инструкциям по формированию и функционированию организма, вопрос спорный, однако можно быть уверенным: существует множество мест, где изменения таких "букв" могут привести к неправильному прочтению "слов", т.е. к искажению информации, необходимой для работы клеток. Соответственно, столько же потенциальных дефектов потребует нашего исправления.

Как же чинить такое количество разных генов? Теоретически пригодный для такого ремонта механизм должен как-то отличать интактный ген от дефектного. Верно, организм сам умеет это делать, сравнивая комплементарные цепочки ДНК в ее двойной спирали (а иногда и гомологичные хромосомы, т.е. копии ДНК: если помните, большинство генов представлено в каждой клетке двумя копиями), однако не похоже, чтобы такая способность особенно нам помогала. И трудно представить себе, как улучшить уже созданный эволюцией механизм починки генов, который, несмотря на не все свое несовершенство, все-таки удивительно эффективен.

В принципе можно было бы решить данную проблему, если бы такой ремонтный механизм ориентировался на "эталон", независимый от генетической информации, находящейся внутри клетки. Это подразумевает молекулярный инструмент, содержащий интактные копии всех наших генов, которых десятки тысяч - обычно по тысяче с лишним "букв" ДНК в каждом. Теоретически высокоразвитая нанотехнология могла бы привести к созданию такой сложной машины, но разве что в очень отдаленном будущем: увы, пока человеческая цивилизация находится на слишком низком уровне.

Фактически же все изложенное выше даже преуменьшает сложность проблемы, связанной с поочередным исправлением всех мутантных участков. Может быть, вам кажется, что речь идет о хорошо заметных разрывах двойной спирали. Иногда это, действительно, так, но в других случаях исходное повреждение или его неправильный "ремонт" приводит к разделенным десятками правильных "букв" дефектам в разных цепочках. Значит, даже располагая их эталонными копиями, потребовалось бы сначала расплести двойную спираль, потом по отдельности проанализировать обе комплементарных цепочки, исправить их и, наконец, снова сплести в единую структуру.

Если нельзя просто выбросить поврежденную ДНК и не существует реальных способов исправления всех форм ее стойких, накапливающихся с годами дефектов, не идет ли речь о механизме старения, который в принципе нам неподвластен - и, следовательно, сравнительно быстро погубит нас, несмотря на устранение всех прочих молекулярных и клеточных возрастных изменений?

Кто боится страшных мутаций?
То или иное молекулярное или клеточное изменение (повреждение) ведет к развитию возрастной патологии. Однако гораздо чаще связь конкретных дефектов с типичными признаками биологического старения, т.е. утратой функций, повышением риска болезней и экспоненциальным ростом смертности, остается не вполне понятной. Однако во всех обсуждавшихся выше случаях этот момент не имел для нас особого значения. Возрастное повреждение, по определению, отсутствует в молодом здоровом теле, поэтому его устранение, очевидно, для нас не только безвредно, но и - насколько мы можем судить - почти всегда приносит существенную пользу.

Стоит ли нам так серьезно беспокоиться по поводу данного конкретного типа возрастных изменений?

Естественно, такой вопрос казался многим ученым, мягко говоря, провокационным. Если ядерная ДНК определяет структуру и функции нашего организма, любое повреждение ее молекулы, казалось бы, так или иначе, способствует старению. Эта концепция была впервые сформулирована еще в конце 1950-х, когда никто толком не знал, даже как устроены гены, но впоследствии получила почти всеобщее признание среди ученых, не говоря уже о неспециалистах.

Однако, несмотря на всю свою логичность, она никогда не получала прямого (или хотя бы косвенного, коррелятивного) подтверждения. Чтобы доказать отсутствие связи со старением какого-либо процесса, надо его ускорить или замедлить. Если это никак не отразится на продолжительности жизни или количестве возрастных патологий, значит, связи нет. Первый вариант такой проверки в случае ядерных мутаций проводился, но для окончательных выводов данных недостаточно.

У мышей делеция (выпадение участка) гена, который в норме обеспечивает устранение свободнорадикальных повреждений ДНК, не давая им превращаться в стойкие мутации, заметно увеличивает количество такого рода ее дефектов. Однако это, похоже, не ведет к накоплению у животных патологий и не сокращает их продолжительности жизни. Тем не менее, данные результаты не слишком информативны, поскольку темпы мутирования мышиной ДНК возрастают все-таки незначительно.

Аналогичным образом, не приводит к четким выводам и недавнее исследование четырех линий мутантных мышей, в каждой из которых "нокаутирован" свой особый отвечающий за ремонт (репарацию) ДНК ген. У одной из этих линий накопилось больше, чем в норме, мутаций, однако их влияние на продолжительность жизни осталось неясным.

Противоположная проверка, т.е. выяснение, приводит ли замедление накопления изменений ДНК или его полная остановка к противовозрастному эффекту, т.е. продлению "нормальной" продолжительности жизни и необычно долгому сохранению юношеского здоровья, по понятным причинам не проводилась ни для ядерных мутаций, ни для каких-либо иных конкретных механизмов старения. К сожалению (для науки), все известные нам эффективные способы борьбы со старением млекопитающих изменяют сразу множество параметров организма, включая активность антиоксидантных ферментов, сохранность белков и эффективность лизосомной системы "очистки".

Поэтому мы не можем ни приписать одному конкретному изменению основного противовозрастного действия, ни соответственно, назвать главной причиной возрастной деградации определенный тип молекулярных или клеточных дефектов. Например, низкокалорийная диета продлевает подопытным животным молодость и одновременно ведет к существенной потере ими костной массы, но никому не приходит в голову искать причинно-следственную связь между этими эффектами.

Однако пару лет назад были опубликованы результаты близкого по форме теста. Мышам вводили гены, обеспечивающие выработку дополнительных количеств антиоксидантного фермента каталазы, специфически нацеленного на разные части их организма. Каталаза обезвреживает сильный окислитель, перекись водорода, а в результате потенциально защищает жизненно важные молекулы, по крайней мере, от одного типа повреждений.

Добавка каталазы в митохондрии существенно замедляла накопление мутаций (делеций) митохондриальной ДНК, снижала уязвимость мышей для возрастных патологий и примерно на 20% увеличивала их максимальную продолжительность жизни - первое бесспорное доказательство генетического влияния антиоксиданта на этот ключевой параметр старения. Однако добавка каталазы, нацеленной на ядро клетки, хотя и уменьшала количество ядерных мутаций, жизни животных не продлевала.

Для доказательства связи генетического поражения с возрастными дегенеративными процессами часто используют так называемое "ускоренное старение" подопытных животных, симптомы которого вызываются повышенными темпами накопления ядерных мутаций. Эти особи либо рождаются с множеством дефектов ДНК, либо подвергаются внешнему воздействию (токсичных химикатов или рентгеновского излучения), ускоряющему возрастное накопление ее дефектов за счет необычно частого мутирования или отключения механизмов репарации. К конкретным проявлениям "ускоренного старения" относятся такие известные и у человека генетические аномалии, как синдром Гетчинсона-Гилфорда (прогерия) и синдром Вернера.

Их жертвы, как четвероногие, так и двуногие, действительно, часто выглядят не по возрасту дряхлыми и страдают патологиями, напоминающими характерные для пожилого организма, от костных заболеваний и сердечной недостаточности до плешивости и катаракты. Однако сходство симптомов генетической аномалии и "нормального" старения еще не означает одинаковых механизмов их появления - как мокрый газон не говорит об одних и тех же причинах выпадения дождя и работы дождевальной установки.

Почти все, что нарушает функционирование организма, но не сразу его убивает, дает картину, напоминающую "преждевременное старение". Вопрос в том, связано ли то или иное патологическое изменение с возрастной дегенерацией обычного человека.

Занимающийся эволюционной биологией генетик Майкл Роз из Калифорнийского университета, лично выведший удивительно медленно стареющую и долгоживущую линию плодовых мушек (дрозофил), сформулировал это лаконично: "Множество вещей могут убить человека раньше времени, нарушив различные жизненно важные механизмы, но для меня это все равно, что убивать мышей молотком: это не значит, что молоток связан с их старением".

Если прямых доказательств связи какого-либо феномена с возрастными процессами нет, обычно пользуются косвенными, коррелятивными свидетельствами. Можно, например, сравнить скорости накопления тех или иных дефектов и темпы старения у разных видов животных. Практически для этого сопоставляют хронологический возраст "натуральной" смерти "самых старых" особей после постепенной утраты ими юношеской функциональности. У всех животных с возрастом накапливаются мутации ядерной ДНК, однако темпы ее свободнорадикального поражения не демонстрируют четкой корреляции с максимальным долголетием (хотя в случае митохондриальной ДНК такая связь наблюдается).

Какое разочарование, верно? Однако хорошая новость, по крайней мере, для меня, следующая: собранные данные позволяют нам достаточно обоснованно утверждать, что случайные повреждения ядерной ДНК не вносят существенного вклада в старение.

Идея о причинно-следственной связи ядерных мутаций со старением основана главным образом на вреде для здоровья известных мутантных генов, т.е. на передаваемой в поколениях генетической предрасположенности к разнообразным заболеваниям, включая возрастные патологии от рака до инфаркта миокарда и альцгеймеровское слабоумие. То же самое порой относится к мутациям, происходящим на очень ранних стадиях развития, когда эмбрион представлен комочком из нескольких клеток. Тогда повреждение ядерной ДНК всего в одной из них распространяется в ходе ее размножения на значительную часть развивающегося организма.

Однако после нашего рождения ситуация в корне меняется. Именно с этого момента логично вести отсчет новых ядерных мутаций и оценивать их связь с возрастной деградацией (в противоположность врожденной предрасположенности к возрастным патологиям). Это связано с тем, что возникшие мутации распространяются по организму только в ходе деления клеток, в которых возникли.

Значит, в отличие от наследственных генетических аномалий, присутствующих во всех клетках взрослой особи (поскольку все они происходят от единственной оплодотворенной мутантной яйцеклетки), возрастные мутации появляются по очереди в отдельных ее клетках под действием случайных факторов типа космического излучения, проникающего на большой высоте в самолеты, или токсинов, выделяемых в нашу еду невидимыми спорами плесени. Очевидно, такие дефекты ДНК влияют лишь на крошечные фрагменты тела - единичные клетки или их потомство.

Это существенно ограничивает патогенный потенциал возрастных мутаций - их способность нарушать функции организма. Многие наши клетки, в том числе зрелых тканей, заметнее всего страдающих от возрастной дегенерации (например, в головном мозгу и сердце), вообще не делятся, так что мутации там не выходят за пределы отдельных немногочисленных клеток. Даже если мутантные клетки размножаются (скажем, в коже или слизистой кишечника), скорость этого процесса уравновешивается короткой жизнью их потомков. В результате такие мутации в каждый момент времени присутствуют лишь в нескольких клетках тела и их шансы на широкомасштабное "старящее" влияние ничтожны.

Кроме того, еще до углубленного изучения данного вопроса было известно, что мутации, полностью "нокаутирующие" гены, возникают сравнительно редко. Во-первых, большинство дефектов ДНК, нарушая состав кодируемых белков, если и отражается на их функции, приводит лишь к ее ухудшению, а отнюдь не к полной утрате. Во-вторых, даже если ген поврежден так сильно, что вообще перестает служить матрицей для белкового синтеза или начинает кодировать бесполезные, а то и токсичные продукты, все равно заметного вреда это, как правило, не приносит, поскольку обычно речь идет об утрате наследственной информации, не используемой данной клеткой.

Каждая клетка содержит ДНК, необходимую не только для ее конкретной работы, но и для всех функций организма. Клеточная специализация (с образованием кардиомиоцитов, нейронов, гепатоцитов и т.п.) подразумевает отключение большей части ДНК с оставлением ограниченного количества генов, необходимых для вполне конкретной работы. В типичной клетке активна примерно десятая часть их общего набора. Следовательно, около 90% ее генов может поражаться мутациями, и это никак не отразиться ни на ней, ни на организме в целом.

Есть и еще одна хорошая новость. Хотя эволюция и слишком прижимиста, чтобы позволить клеткам расточать ресурсы на синтез ненужных белков, наши клетки все-таки способны переживать утрату многих из них, не становясь врагами организму в целом и даже продолжая по мере сил участвовать в его работе.

Многие люди рождаются с наследственными мутациями, поражающими все клетки тела, включая те, в которых эти дефекты серьезно сказываются на важных для организма функциях, и, тем не менее, живут десятилетиями. Если аналогичные - действительно, вредные - мутации проявятся лишь в отдельных клетках, они вряд ли отразятся на нашем здоровье и долголетии, поскольку прочие, гораздо более многочисленные клетки той же ткани останутся полностью функциональными.

Ди Грей Обри

medbe.ru