Количество мутаций на пути к старению

Ученые уверены: количество накапливающихся с возрастом мутаций, по-видимому, невелико - слишком мало для серьезного влияния на старение тканей, в которых они возникают.

Это стало известно в значительной мере благодаря группе, возглавляемой профессором физиологии Яном Виджем, работающим сейчас в Ваковском институте геронтологических исследований (США).

Он придумал остроумный способ получения репрезентативных выборок, позволяющих судить как о количестве мутаций, накапливающихся с возрастом в разных тканях, так и об общем характере наносимого ими ущерба.

Открытие группы Виджа стало сюрпризом для него самого и для множества других исследователей. Во-первых, оказалось, что точечных мутаций (изменений отдельных "букв" в "словах" или "фразах" генетической информации) для ухудшения тканевых функций или старения организма в целом далеко недостаточно.

Более того, в типичных клетках самой важной для нас ткани (головного мозга) количество мутаций за период между ранней и поздней зрелостью вообще не увеличивается, а их общий груз в любой ткани возрастает всего в два-три раза даже в пожилом возрасте. Вам кажется, это много? Вспомните, сколько генов содержит каждая клетка и как мало мутаций свойственно молодым людям.

Удвоение и даже утроение их числа все равно не приведет к существенной порче ДНК, а если учесть, какой низкий процент генов экспрессируется в каждой клетке, как мало их дефектов ведет действительно к утрате (а не просто ухудшению) какой-либо ее важной функции, как слабо утрата определенной активности одной клетки сказывается на общей работе ткани, органа и целого организма, станет ясно: такие темпы возрастного накопления мутаций - скорее небольшое неудобство, чем сокрушительный удар по нашему телу.

Однако Видж сразу понял, что это отнюдь не означает полного отсутствия связи ядерных мутаций со старением. Его группа обнаружила другие типы повреждений ДНК, гораздо более чувствительные, чем порча или даже полное отключение единственного гена. Некоторые из них относятся к делециям, т.е. утратам длинных участков ДНК, т.е. одновременно многих генов, в результате, строго говоря, одного мутационного события.

Речь идет о синхронном разрыве хромосомы в двух далеких друг от друга местах, и данные Виджа показывают, что существенная доля накапливающихся с возрастом мутаций - как бы ни мало было их общее количество - относится именно к такому типу дефектов. А это подразумевает гораздо более тяжкие последствия, чем порча каждой их них отдельного гена.

К счастью, как выяснилось, в большинстве случаев два синхронных разрыва ДНК не ведут к делеции. Половина таких ситуаций относится к одиночным разрывам в двух разных хромосомах, физически между собой не связанных и не теряющих при этом своих участков. Представьте для наглядности, что в одном случае вы режете пополам две веревки и снова соединяете их половинки (пусть даже заставив их "сменить партнерш"), а в другом - в двух местах одну веревку и выбрасываете ее оказавшийся между разрезами участок.

Итог, разумеется, разный. Причем даже при двух синхронных разрывах в одной хромосоме, зачастую ничего страшного не происходит: средний участок разворачивается на 180 градусов и снова соединяется с концевыми. Этот тип мутаций, называемый инверсией, обычно оставляет хромосому функциональной.

По этой и другим причинам не многие повреждения, грозящие, на первый взгляд, делециями, должны, по-видимому, наносить генетической информации намного более серьезный ущерб, чем точечные мутации.

Если обратиться к эпимутациям, имеющиеся на сегодняшний день данные ведут к такому же выводу. Самый изученный их тип - изменение картины метилирования, т.е. химического изменения генов, препятствующего их экспрессии. Действительно, у мышей и людей среднего возраста такое изменение выражено сильнее, чем у неполовозрелых особей, однако усугубляется ли оно в дальнейшем, с переходом к собственно старению (как в случае настоящих мутаций и других стойких форм молекулярного повреждения), неясно. Возможно, в солидном возрасте число связанных с метилированием эпимутаций перестает возрастать в организме, а то и уменьшается.

Не исключено, например, что такие изменения происходят в раннем возрасте, а потом удерживаются на приемлемом уровне репаративными механизмами или даже путем устранения недопустимо аберрантных клеток, т.е. не накапливаются с годами подобно КПГ-сшивкам или митохондриальным мутациям. Не менее важно, с нашей биоинженерной точки зрения, и отсутствие данных о причинно-следственной связи наблюдаемых изменений в метилировании с какими-либо возникающими на протяжении всей жизни функциональными проблемами.

Общий вывод таков: с возрастом в любой клетке накапливается удивительно мало мутаций, а среди тех, которые все же возникают, очень немногие существенно сказываются на ее функциях.
Меняются условия, а не гены
Работы Виджа и некоторых его предшественников оценивали влияние мутаций на старение, путем измерения частоты возрастных структурных изменений генов. Однако, чтобы доказать наличие такого влияния, часто привлекаются другие данные - полученные в ходе изучения генной экспрессии. Начиная с конца 1990-х, ученые используют изобретение, неофициально известное как "генный чип". Оно позволяет оценивать не структуру, а активность почти всех наших генов, что очень ценно для сравнения старых и молодых животных, в том числе нашего с вами вида.

Полученные этим способом результаты четко демонстрируют весьма существенные возрастные изменения генной экспрессии. Их часто - и некорректно интерпретировали как доказательство "старящей" роли мутаций, поскольку активность генов считали непосредственно связанной с их структурой. Такое мнение, казалось бы, подтверждалась наблюдаемой корреляцией между изменениями экспрессии и появлением маркеров "домутагенных" повреждений ДНК свободными радикалами, т.е. дефектов, которые еще могут быть исправлены, но, если этого не происходит, становятся классическими мутациями.

Однако у сдвигов в генной активности есть и другое, более простое объяснение. Она по определению то и дело меняется, причем не только с возрастом. Наши клетки постоянно находятся в состоянии динамической адаптации к своей среде, т.к. приспосабливают свою генную экспрессию к существующим на данный момент условиям, которые, очевидно, тоже не постоянны.

Поскольку клетки и ткани так или иначе накапливают возрастные дефекты, ухудшающие их нормальное ("молодое") функционирование, организм параллельно адаптируется и к этим изменениям. Например, по мере усиления окислительного стресса с ростом числа клеток, захваченных мутантными митохондриями, повышается активность генов, вырабатывающих защитные антиоксиданты и факторы теплового шока, которые помогают устранять некоторые возникающие в такой ситуации белковые дефекты.

Когда сильный окислительный стресс ведет к инфильтрации артериальных стенок ЛПНП, поврежденными свободными радикалами, окружающие клетки выделяют больше воспалительных агентов для привлечения поглощающих этот токсичный жир макрофагов. Когда сердечная мышца теряет эластичность из-за множества межбелковых сшивок, мы синтезируем дополнительные количества ремоделирующих ферментов, которые способствуют рассасыванию деградировавшей ткани, т.е. расчистке места для потенциального замещения ее свежим материалом.

Кроме того, возрастное изменение среды, окружающей клетку, может нарушать в ней нормальную генную активность. В некоторых случаях этот эффект легко прослеживается. Например, окислительный стресс непосредственно подавляет экспрессию ряда генов. Существуют и более сложные механизмы такого влияния. В частности, как уже говорилось, свободные радикалы являются не только побочным продуктом нормального метаболизма, но и вырабатываются специально как сигнальные агенты различных систем внутри и вне клеток.

По мере возрастного повышения уровня свободных радикалов чрезмерный окислительный стресс начинает искажать данные сигнальные механизмы - вносить в них своего рода "шум". Это, в свою очередь, может приводить к неадекватным сдвигам в метаболизме и генной экспрессии, т.е. к неверным реакциям клетки, которые вызываются "нерасслышанными", "непонятыми" ею или попросту "контрафактными" сигналами.

Известны и другие примеры. Важно одно: наблюдаемые в тканевых исследованиях возрастные сдвиги в генной активности - не причины старения, а адаптивные (порой контрадаптивные) реакции на него. В частности, такие изменения в клетках, подвергающихся свободнорадикальной атаке, могут происходить не из-за повреждения ею генов, а потому, что усиление окислительного стресса требует приспособления метаболизма к новой ситуации, а значит, не такой, как прежде, картины генной экспрессии.

Изменения генной экспрессии могут быть компенсаторными реакциями на старение, а не его причинами, но как будто забыл о резонном вопросе: действительно ли такие изменения являются преимущественно реакциями, а не причинами? Ответ достаточно прост. Речь идет именно о реакциях, поскольку изменения скоординированы.

Единственная причина, позволившая упомянутым мною исследованиям обнаруживать определенные сдвиги в экспрессии того или иного гена - их одновременное появление во всей массе клеток анализируемой ткани. В противоположность этому, мутации и эпимутации, скорее всего, меняли бы в каждой клетке активность не того же самого гена, что и во всех прочих.

Такой скоординированный сдвиг генной экспрессии в ответ на старение наиболее очевиден в сравнительных исследованиях (с применением генных чипов) нормально стареющих животных и их сверстников с ограничением калорий (ОК) в рационе, которое, как уже говорилось, является единственным доступным на сегодняшний день способом замедлить старение млекопитающих, если не возиться с их генами.

Эти исследования показывают, что возрастные изменения активности наблюдаются главным образом у генов, кодирующих антиоксидантные, воспалительные, ремоделирующие и связанные с тепловым шоком белки, т.е. именно агенты, необходимые для реакции на возрастную деградацию организма. Как выяснилось, начатое в старости ограничение калорий не только замедляет, но и обращает вспять многие из названных изменений.

Следовательно, они не могут быть результатом мутаций: если ОК и тормозит накопление дефектов ДНК (и других возрастных повреждений), оно никак не может устранять уже возникшие структурные аномалии. Зато оно ослабляет воздействия, ведущие к изменению генной экспрессии: сокращает выработку свободных радикалов в митохондриях, замедляет накопление клеток с митохондриальными мутациями, снижает в крови уровень глюкозы, замедляя гликирование белков и т.п. Иными словами, стоит устранить способствующие старению условия, и активность генов снова "помолодеет".

Подобная логика заставила некоторых специалистов, в том числе и группу Виджа, провести гораздо более тонкие исследования - с оценкой генной экспрессии отдельных клеток у пожилых и молодых животных. Оказалось, что с возрастом резко возрастает разброс этой активности. Очевидно, его трудно связать с адаптацией, объясняющей общую тенденцию возрастного изменения генной экспрессии, о которой говорилось в предыдущем абзаце, поскольку приводящие к ней условия более или менее одинаковы для всех клеток данной ткани, и те должны сходным образом на них реагировать.

Однако перед тем как сделать вывод о том, что возрастное увеличение межклеточной разницы в генной активности является результатом мутаций (или эпимутаций), стоит рассмотреть и альтернативные гипотезы, а их хватает. Возможно, например, что разброс повышается каким-то иным связанным с возрастом стрессором. Группа Виджа сумела воспроизвести аналогичное расширение диапазона экспрессии, подвергая культуру клеток окислительному стрессу.

Как уже говорилось, он нарушает их реакцию на сигнальные молекулы, как локальные, поступающие из непосредственного клеточного окружения, так и на "общие" типа гормонов или других факторов. Очевидно, эти нарушения в разных клетках неодинаковы, поскольку вытекают из хаотического внутреннего и внешнего "шума". Значит, если ослабить окислительный стресс, возросшая изменчивость могла бы вернуться к своему исходному уровню.

Разброс в реакциях объясним также другими типами повреждений, которые накапливаются случайно, т.е. с неодинаковой скоростью в разных клетках: одни быстрее утрачивают теломеры, в других возникает больше конечных продуктов гликирования (КПГ) или митохондриальных (но не ядерных) мутаций. Очевидно, сдвиги генной экспрессии, необходимые для усиления деградации КПГ на поверхности кардиоцитов отличны от тех, которые происходят в ответ на избыток "мусора" внутри них.

Разные масштабы разных типов молекулярного поражения вызывают в соседних клетках разные адаптивные изменения генной активности - как для компенсации нарушений метаболизма, так и - во многих случаях - для их потенциального устранения. Такая картина наблюдалась у круглых червей и, судя по предварительным исследованиям, сходным образом вполне объяснимо также возрастное увеличение межклеточной изменчивости генной экспрессии у крыс и человека.

Такие повреждения могли бы генерировать за пределами клетки, в которой происходят, своего рода "ударные волны", изменяющие генную активность в соседних клетках, старающихся адаптироваться к этому воздействию. Активация программы клеточного старения, естественно, изменяет экспрессию генов стареющей клетки - по сравнению с соседями. Однако и в них активность генов меняется в ответ на выделяемые ею ростовые факторы, воспалительные сигналы и ремоделирующие белки. И чем ближе клетки к стареющей, тем выраженнее в них эти адаптации.

Важный момент: они отличают соседей стареющей клетки как от нее самой, так и от других клеток, не испытывающих ее непосредственного влияния. Самый наглядный пример: секретируемые ею ростовые факторы запускают программу размножения в соседних клетках, соответственно изменяя экспрессию их генов. Эта же самая программа навсегда отключена в самой стареющей клетке и остается инактивированной в клетках, достаточно удаленных от нее, чтобы не испытывать такого влияния.

Аналогичные рассуждения применимы к клеткам, страдающим от любых проблем. Причем возникающий разброс активности может действовать и в противоположном направлении. Иными словами, поврежденные клетки способны не только "портить" окружающих собственной секрецией, но и принимать от здоровых соседей нормализующие сигналы, по мере сил на них реагируя. Лучше всего изученный случай такого рода - рак.

Некая клетка содержит мутации, чреватые злокачественным ростом, но контролируется соседями, которые могут оказывать на нее разнообразнейшее воздействие - от подавления аномальной пролиферации (так называемое контактное ингибирование) до индукции апоптоза. Как и в случае любых адаптивных изменений, такой контроль требует изменения у бдительных соседей генной экспрессии, а в результате она будет отличаться от наблюдаемой и в самой потенциально раковой клетке, и в удаленных от нее здоровых клетках той же ткани.

Следовательно, увеличение с возрастом внутритканевого разброса генной активности клеток вовсе не обязательно связано с ядерными мутациями. Более того, наблюдаемый рост экспрессивного разнообразия в значительной мере полезен: оно свидетельствует о множестве способов, которыми клетки стараются (пусть даже тщетно) сохранить свою функциональную ценность, сталкиваясь с уникальными для каждой из них возрастными проблемами.

Итак, если возрастные изменения генной экспрессии не вытекают из существенного увеличения количества ядерных мутаций, а являются результатом других типов повреждений (и попыток клеток, успешных и неудачных, противостоять им), значит, нам, биоинженерам, можно не обращать на ядерные мутации внимания, сосредоточившись на реальных причинах возрастной генной дисфункции, т.е. нарушениях, заставляющих наши клетки предпринимать все более отчаянные, бестолковые, панические усилия удержаться на поверхности затягивающего их водоворота старения.

Если освободить их от этих проблем (митохондриальных мутаций, КПГ-сшивок, накопления внутренностного жира и т.п.), т.е. вернуть к норме (соответствующей молодому здоровому организму) внутреннюю и окружающую среду клеток, логично ожидать и нормализации генной экспрессии.

По иронии судьбы, вполне возможно, что как раз после устранения всех прочих возрастных повреждений ядерные мутации, в конце концов, начнут вносить свой вклад в приближение нашей смерти. Судя по имеющимся данным, клетки накапливают сравнительно мало таких мутаций, и эти мутации слабо влияют на функции организма в течение нормальной продолжительности жизни. Что будет, когда этот срок растянется на столетия при сохранении прежних темпов мутирования ДНК и не более совершенных, чем сейчас, механизмов ее репликации и репарации? Вполне возможно, эффекты, которые не накапливаются до патологического уровня, скажем, лет за 90, станут представлять реальную угрозу в следующие десятилетия.

Впрочем, сейчас волноваться об этом рано. Один из главных принципов инженерного подхода к разработке противовозрастной биотехнологии в том, что нет необходимости решать все проблемы одновременно. Сначала надо заниматься устранением причин, вызывающих процесс старения в рамках нынешней средней продолжительности жизни. Когда мы от них избавимся и будем оставаться молодыми и здоровыми до преклонного, по современным меркам, возраста, другие формы молекулярных дефектов, сейчас нам практически не вредящие, рано или поздно станут достигать пороговых уровней, соответствующих ощутимому угасанию тех или иных функций.

Тогда встанет вопрос о следующем поколении SENS-методик - для устранения других (возможно, сейчас еще не известных) источников возрастных патологий. К счастью, заметно удлинившаяся жизнь даст нам достаточно времени для изучения таких типов повреждений - в собственном организме и в опытах с менее долговечными животными, на которых мы будем испытывать очередные противовозрастные подходы, приводящие к желаемому омоложению. Это позволяет надеяться, что мы успешно справимся со всеми возникающими проблемами. Главное - преодолеть барьеры, которые мешают нам жить сейчас, а об остальном, как говаривала Скарлет О'Хара, можно подумать и завтра. Исходя из всего, что известно науке, ядерные мутации к числу таких барьеров - пока - не относятся.
Исключение, создающее правило
До сих пор настаивалось на практической безобидности ядерных мутаций, поскольку, даже если они и вредят клетке, то обычно несущественно, а редкие случаи тяжелого ущерба ограничиваются небольшим числом клеток, дисфункция которых вполне компенсируется остальными клетками той же ткани. Однако, как вы догадываетесь, из этого правила существует ужасное исключение - рак. Эта болезнь вызывается именно ядерными мутациями (хотя, как уже говорилось, для превращения аберрантной клетки в собственно злокачественную только их обычно недостаточно). А распространенность ее явно увеличивается с возрастом.

Ди Грей Обри

medbe.ru