Старение и метаболизм

Есть веские основания считать, что нынешние попытки изменить метаболизм так, чтобы уменьшить повреждения митохондрий (и, следовательно, вред для всего организма) в большинстве своем представляют собой неэффективное использование реальных возможностей.

К счастью, имеется лучший путь, обещающий более значительные результаты при тех же затратах времени и средств.

Реально возможно и оправданно предотвратить распространение вреда от митохондрий на весь организм с возрастом.

И уже ведутся научные исследования различных вариантов первых шагов на этом пути.

У каждого свои взгляды на сложный механизм, делающий делеции в митохондриальной ДНК основной движущей силой старения. На самом деле не имеет значения, верна эта гипотеза или нет.

Сие замечание в равной степени применимо и к другим промежуточным положениям SENS, и оно так важно для инженерного подхода к медицинской борьбе со старением и так вопиюще противоречит интуитивному здравому смыслу. Но в размышлениях над проблемами борьбы со старением нам следует постоянно иметь его в виду. Если ставится задача лишь понять старение, то рассмотрение по отдельности специфических путей накопления возрастных нарушений действительно совершенно обязательно. Но у нас иная цель - мы хотим положить конец последствиям процесса старения, прекратить неуклонное погружение десятков тысяч людей в немощь с неизбежной смертью.

Старение - это пандемия смертельной болезни, и понимание его механизмов, пусть и все еще несовершенное, в настоящее время достаточно, чтобы вмешаться в него. Нужно только установить природу нарушения - природу накапливающихся повреждений, становящихся причиной связанной с возрастом потери функциональности организма - а затем ликвидировать нарушение либо исключить его последствия, угрожающие здоровью и сокращающие продолжительность жизни. На этой задаче и должна быть сосредоточена биогеронтология, эта задача должна быть в числе важнейших целей медицинской биологии в целом.

Проблема мутантных митохондрий - подходящий пример. Мутации митохондриальной ДНК являются одним из нарушений на молекулярном уровне, отличающих биологически молодой организм от старого; имеются веские свидетельства их вредоносности. Суть нашей задачи не меняется от того, занимают ли мутантные митохондрии клетку путем "выживания худших" или каким-либо иным путем, оказывают ли клетки с мутантными митохондриями вредное воздействие на остальной организм посредством экспорта электронов или совершенно другим образом. Цель терапевтического вмешательства ясна: прекратить возникновение мутаций или нивелировать их влияние.
Движущийся поезд не остановить
Превентивный подход к борьбе со старением, предпочитаемый многими биогеронтологами, называется геронтологическим. Вообще, когда ученые берутся всерьез подумать о том, как что-либо сделать, а не просто оттачивают свое понимание происходящего, они в первую очередь стремятся найти способ заставить процессы обмена веществ происходить "чище", исходя из того, что старение есть следствие накопления вредных и побочных продуктов метаболизма, и если как-то исключить или ослабить такие побочные реакции, то уменьшится скорость накопления с возрастом в клетках и тканях микроскопических нарушений, тем самым замедлится постепенное "сползание" организма в состояние связанной с возрастом немощи, дряхлости и уязвимости вплоть до смертельного исхода.

В этом подходе заключена мощная привлекательность на интуитивном уровне, усиливаемая нескончаемым потоком поощрений и рекламы со стороны производителей биологически активных добавок к пище и общественных организаций, занимающихся здоровьем населения. Нас постоянно призывают оздоровлять образ жизни и проводить профилактические мероприятия; и людям, разумеется, кажется, что разумнее затратить усилия на борьбу с причинами старения и возрастных заболеваний, чем пытаться ликвидировать уже возникшие помехи на молекулярном уровне. Причины старения заключены в самой химии жизни, а наши возможности (и способность) полезного вмешательства в эту химию ограничены биологическими закономерностями и природой химических процессов.

А теперь рассмотрим более конкретный случай вмешательства в проблему мутаций митохондриальной ДНК. Очевидный подход "старой школы" состоял бы в том, чтобы попытаться ослабить возникновение мутаций, воспрепятствовав свободнорадикальной атаке митохондриальной ДНК. Этот подход был с некоторым успехом применен в экспериментах на мышах, которым вводили ген антиоксидантного фермента каталазы, специфически нацеленного на митохондрии. Каталаза расщепляет обладающие свойствами свободных радикалов молекулы перекиси водорода, превращая их в безвредную воду прежде, чем они успевают причинить существенный ущерб на молекулярном уровне. У животных, получавших целенаправленный ген каталазы, наблюдалось 50-кратное возрастание активности этого фермента в митохондриях, что в значительной степени предотвращало повреждение митохондриальной ДНК, включая некоторые мутации, обусловливающие тот деструктивный процесс.

Эти результаты достаточно впечатляющи в сравнении с неоднократными напрасными стараниями продлить жизнь при помощи антиоксидантов в составе пищи или с неоднозначными либо отрицательными результатами попыток сдержать свободнорадикальную атаку (у мышей) путем генетических манипуляций. У мышей, которым вводили нацеленную на митохондрии каталазу, на 20% возрастала не только средняя, но и максимальная продолжительность жизни, а последний показатель очень важен для оценки данных, касающихся старения. Подробного исследования возрастных патологических изменений у этих животных не публиковалось, но известно, что у них отмечалось меньше связанных с возрастом дегенеративных изменений сердца и меньше случаев катаракты.

Коли так, почему мы не бросаемся разрабатывать прицельный каталазный метод для человека? Отчасти потому, что применительно к людям непременно требуется надежный метод тестирования разрабатываемого вмешательства для его клинических испытаний. А на этом фронте успехи слабые, как и во всех превентивных подходах в борьбе со старением. Начать с того, что, поскольку неизвестно никакого быстро развивающегося заболевания, от которого помогало бы введение каталазы, официальные органы здравоохранения не дадут ни разрешения на ее клинические испытания, ни одобрения ее медицинскому применению.

Кроме того, для доказательства эффективности каталазы как средства против старения нужно относительно много времени, а значит, и денег, что оставляет мало шансов на привлечение финансирования. Скорее всего, никакой энтузиазм ученых или общественности не доведет каталазный метод до врачебной практики, чтобы спасать молодость, здоровье и самую жизнь: интересы тех, в чьей власти финансирование научных разработок, противоположны прогрессу.

Но, даже если бы не было этих препятствий, все равно считается, что для поисков способа справиться с мутациями митохондриальной ДНК есть более благодарные возможности вложения наших ограниченных средств. У мышей увеличение содержания каталазы приводило к уменьшению частоты мутаций митохондриальной ДНК, но он их не исключало и не позволяло избежать. Иначе говоря, это вмешательство замедляет, но не лечит растущее накопление данной формы возрастных нарушений.

Есть подходы и перспективней этого. Не стоит умственных и физических трудов, равно как и денег, метод, дающий 20%-ное увеличение продолжительности жизни (20% означают, что в развитых странах средний человек будет жить около 100 лет); те же силы и средства можно вложить в разработки, которые позволят не предотвращать нарушение, а делать его безвредным. Такого рода вмешательство сможет не только резко сократить скорость развития возрастного нарушения, первичной причиной которого являются и другие механизмы, но также - в сочетании с рядом сходных методов - в конечном счете, обеспечить бесконечную продолжительность полной сил жизни.

Вообще-то, если бы исключить одно за другим иные молекулярные нарушения, которые ведут к одряхлению и смерти, но "только" замедлить частоту мутаций митохондриальной ДНК настолько, насколько это наблюдалось у мышей, получавших нацеленную на митохондрии каталазу, мы оказались бы засевшими на мели в одном шаге от будущего, простирающегося за пределы обозримого. Когда с помощью лекарств, расщепляющих конечные продукты гликозилирования, удастся возвращать структуру утратившим ее белкам, когда благодаря продуманному стимулированию иммунной системы мы сможем вычищать клеточный "мусор", мешающий функционированию клеток, когда будут удалены "спящие" клетки, вызывающие упадок иммунной системы - тогда, располагая всеми прочими ключевыми вмешательствами на базе концепции SENS, мы все еще будем перед проблемой митохондрий, играющих в русскую рулетку со своей ДНК.

Однако, как бы медленно они не захватывали пространство, все равно эти органеллы останутся слабым звеном в цепи событий, которая иначе привела бы нас к бесконечной молодой жизни.

Те же возражения можно выдвинуть против любого медико-биологического пути борьбы со старением, основанному на предотвращении ключевого нарушения, а не на его истинном излечении. А к каталазному методу есть еще и особое возражение. Дополнительные количества каталазы, вводимые против мутаций митохондриальной ДНК, могут на деле оказаться во многих важных аспектах вредными для организма, уже очищенного или ставшего невосприимчивым ко всем другим известным нарушениям, ведущим к старению.

Каталаза уничтожает перекись водорода, которая может причинять ущерб, когда она появляется в результате изъянов процесса окислительного фосфорилирования (а именно так она в основном и образуется). Но эволюция в долгосрочном масштабе действует очень остроумно, находя способы извлечь выгоду из плохого; в данном случае используется перекись водорода. Случайный выброс этого вещества из клеточных энергостанций ничего хорошего не несет, но в клетках некоторое количество перекиси водорода образуется с определенной целью: она служит химическим сигналом в регуляции многих клеточных процессов - от метаболизма глюкозы до клеточного роста и деления. В связи с этим следует ожидать, что понижение уровня перекиси водорода в клетке - даже если воздействие сосредоточено на митохондриях - помешает функционированию сложных внутриклеточных механизмов.

Один из наиболее ярких примеров этой потенциальной опасности - участие перекиси водорода в захватывающем митохондрии сигнальном каскаде, которым приводится в действие механизм апоптоза - запрограммированной смерти клетки. Апоптоз важен в ходе эмбрионального развития для ликвидации тех клеток, которые нужны организму лишь на определенной стадии его роста.

Главная же роль процесса апоптоза подобна механизму саморазрушения в космическом корабле "Энтерпрайз" или в автомобиле "Астон Мартин" Джеймса Бонда: он придает клетке способность к саморазрушению в тех случаях, когда она, "захваченная врагом", становится опасной для организма в целом, например, зараженная вирусом или ставшая злокачественной. Когда клетки иммунной системы обнаруживают такую клетку, они связываются с ее поверхностью, подавая сигнал митохондриям "выйти из себя" и разрушить клетку. Перекись водорода - один из элементов этой сигнальной системы; показано, что антиоксиданты, включая каталазу, блокируют адекватную активацию программы апоптоза.

Таким образом, значительное увеличение активности каталазы, требующееся для частичной защиты от повреждения ДНК, имеет нехорошую оборотную сторону. И хотя ясно, что итоговый эффект положительный (увеличение продолжительности жизни, уменьшение возрастных патологических изменений), общий баланс выгод и недостатков будет, по всей вероятности, совершенно перевернут в организме, в котором все другие возрастные нарушения ликвидированы: хронический сбой регуляции клеточных сигнальных путей окажется слишком высокой платой за снижение оксидативного стресса.

Наконец, есть основания полагать, что всплеск каталазной активности, которого в экспериментах на мышах добивались в эмбриональный период жизни, вовсе не получится во взрослом организме. Гены каталазы экспрессируются (т.е. синтезируется этот фермент) в клетках только определенных типов. Предположительно, это обусловлено своего рода естественным отбором во время внутриутробного развития: лишняя каталаза может быть полезна одним клеткам, но вредна другим, и те клетки, в которых уровень экспрессии высокий и которым вредна лишняя ее активность, вымирают.

А тем временем другие клетки того же типа, в которых новый ген не экспрессировался, выживают, размножаются и становятся доминирующими. Но осуществление того же во взрослом организме сорвет этот внутренний эволюционный процесс: новый ген получат клетки всех типов без разбору и в некоторых из них негативные эффекты перевесят выгоды каталазной генной терапии. Значит, людям, имевшим несчастье уже родиться, такое лечение никакой пользы не принесет; нечего и предлагать вводить ген каталазы нормально развивающимся детям, не говоря уж о плоде в утробе матери - никто не даст на это разрешения по этическим соображениям.

Но все это недолжно нас обескураживать - просто надо сосредоточить усилия на чем-то другом. Принципиально иной подход к борьбе с возрастными нарушениями на молекулярном уровне. Вместо того, чтобы вмешиваться в метаболизм, пытаясь предотвратить возрастное нарушение (как делеции митохондриальной ДНК), предлагается разрабатывать медико-биологический методы, репарирующие или обезвреживающие мутации митохондриальной ДНК.

В то время как большинство людей - будь то профессиональные ученые или неспециалисты - склонны считать, что такой цели достичь гораздо труднее, чем следуя превентивному подходу, уже имеется (в теории) несколько перспективных методов, для которых нужны технологии не более совершенные, чем для введения каталазы в митохондрии, а именно генная терапия. Значит, оба подхода могут дойти до клинической стадии примерно одновременно. А по изложенным выше прагматическим и административным соображениям лечащий (репарационный, обезвреживающий) подход на деле дойдет до страдающих от старения людей раньше, чем превентивный.
На спор: голова против бомбоубежища!
Основной причиной необычной подверженности митохондриальной ДНК оксидативному стрессу является его локализация: находиться рядом с протекающим ядерным реактором (митохондриальной цепью переноса электронов) - верный способ увеличить риск мутаций хоть для растущего ребенка, хоть для крохотной биологической машинки. В рамках подхода, ставящего во главу угла "очистку" метаболизма, следует заставить этот реактор работать чище (так, чтобы он производил меньше вредоносных отходов) или же установить оборудование, контролирующее загрязненность, которое улавливало бы побочные продукты прежде, чем они причинят вред (клеточный механизм типа газоочистительных установок на трубах угольных электростанций).

Есть совершенно иной подход: создать в клетке такую ситуацию, когда мутации митохондриальной ДНК никак не используются и не причиняют вреда. Этого можно добиться, поместив дублирующие копии генов, в норме находящихся в митохондриях, в защищенное пространство клеточного ядра, подальше от постоянной бомбардировки свободными радикалами, образующимися в самих митохондриях. Этот метод называется аллотопической экспрессией, т.е. гены транслируются с образованием белков не в том месте, где им "положено", а в другом (от греческого allos - другой, иной и topos - место).

Давайте внесем здесь полную ясность. Аллоттопическая экспрессия ничего не даст для предотвращения мутаций естественных митохондриальных генов: свободные радикалы будут, как и прежде, атаковать уязвимые митохондрии, и мутации будут возникать с такой же, как и прежде, частотой. Но наличие в ядре дублирующих полноценных копий генов, подвергшихся повреждению, сведет на нет проявление этих мутаций, потому что в клетке сохранится производство белков, кодировавшихся мутировавшими генами.

Таким образом, в митохондриях сохранится функциональная цепь переноса электронов со всеми ее насосами, и эти митохондрии будут действовать в точности так же, как митохондрии с интактной ДНК, словно в их ДНК не происходило никаких мутаций. Электроны будут непрерывным потоком поступать с NADH в цепь переноса электронов, протоны будут перекачиваться, свободные электроны будут случайным образом "вытекать".

И еще: поскольку в таких митохондриях будет продолжаться повреждение мембран, клеточная система уничтожения отходов (лизосомы) распознают их, когда они состарятся, и заберет "в расход". Таким образом, механизм выживания худших, ведущий к преобладанию мутантных митохондрий в клетке, не реализуется, и клетки не переходят в аномальное состояние, которое нужно клеткам с мутантной митохондриальной ДНК, чтобы справиться с дисбалансом NADH|NAD+. В результате клетки с мутациями митохондриальной ДНК не будут сбрасывать избыток электронов на LDL, оксидативный стресс не будет распространяться по организму, и вклад этих клеток в старение всего организма в целом будет не больше, чем у клеток с совершенно интактными митохондриями.

"Но, - спросите вы, - что если одни из дублирующих генов сам мутирует?" К счастью, это очень маловероятно. Фактически нет никакого риска функционально значимых сбоев дублирующей системы, даже на протяжении существенно продленной полным комплексом SENS-терапии жизни.

Чтобы разобраться, почему это так, рассмотрим, что требуется для сбоя. В первую очередь для перехода клетки с аллотопической копией митохондриального гена на путь выживания худших нужно, чтобы мутации произошли в обеих копиях гена - и в митохондриальной, и в помещенном в ядро дубликате.

Это гораздо менее вероятно, чем может показаться поначалу. Для находящейся в митохондриях ДНК достаточно необычно претерпевать постоянные повреждения (вспомним, что мутантные митохондрии преобладают у менее, чем 1% клеток), а вероятность мутирования дублирующей копии, находящейся в ядре, гораздо меньше. Помимо того, что в ядре ДНК лучше защищена от свободных радикалов (ядерная ДНК во много раз менее подвержена мутациям, чем митохондриальная), в ядерной ДНК закодировано гораздо больше белков - десятки тысяч против всего тринадцати в митохондриальной ДНК.

И даже если свободные радикалы проникнут к ядерной ДНК, вероятность повреждения именно аллотопических митохондриальных генов во много раз меньше, чем прочих генов. Кроме того, вовсе не обязательно, что свободный радикал поразит именно смысловую часть гена (несущую информацию о структуре белка) - скорее, его жертвой могут оказаться многочисленные некодирующие последовательности ДНК. Таким образом, вероятность мутаций одновременно в обеих копиях гена - в митохондриальной и в дублирующей, находящейся в ядре - исчезающе мала.

Более того, из-за особенностей конструкции митохондриальной ДНК крупные делеции лишают митохондрии способности к синтезу всех кодируемых ею белков, тогда как при мутациях в ядерной ДНК страдает синтез только одного белка, ген которого мутировал. Итак, митохондрия не может, разумеется, функционировать безо всех своих тринадцати белков, но мы можем снизить риск "выключения" окислительного фосфорилирования (и обусловленной этим клональной экспансии мутантных митохондрий), создав двойной или даже тройной набор функционирующих дублирующих копий.

medbe.ru