Жизнь без старости (Скулачёв, Скулачев)

В квадратных скобках дана ссылка на научную статью Федора Северина и Энтони Хаймана, в которой, собственно и описан этот феномен. Полные данные статьи выглядят так: Severin, F.F., Hyman, A.A. (2002) Pheromone induces programmed cell death in S. cerevisiae. Current Biol 12, 7, R233-R235. То есть, приведены авторы, год публикации, название, курсивом — название научного журнала, в котором вышла эта статья, далее номер тома и номера страниц в этом журнале. В эпоху интернета любой желающий может найти сайт этого журнала и прочитать там эту статью, найдя ее по году и номерам страниц. Приводить полные данные в тексте книги неудобно, поэтому все ссылки пронумерованы и приведены единым списком в конце этой книги. Первая работа Северина и Хаймана стоит в нем под номером [300]

Дрожжи, как и все остальные грибы, а также растения и животные (и люди) относятся к эукариотам — организмам, в клетках которых есть ядро и другие органеллы. Органеллы — это как бы «органы клетки», то есть, структуры, специализирующихся на выполнении тех или иных физиологических задач, важных для жизни клетки. Одноклеточные организмы, клетки которых не имеют органелл, называются прокариотами.

Помимо чисто технических трудностей, в вопросах совершенствования природы человека есть еще этические и культурные аспекты: в настоящее время даже работы над генно-модифицированными растениями вызывают серьезную негативную реакцию в обществе, а эксперименты с человеческими эмбрионами попросту запрещены во многих странах. Поэтому есть все основания полагать, что даже если технические трудности через несколько десятилетий будут решены, проекты по «улучшению человеческой природы на генетическом уровне» не будут реализованы попросту потому, что они окажутся все еще законодательно запрещеными.

Старение иммунной системы начинается где-то между 10 и 15 годами. Тогда же начинает замедляться заживление ран и аккомодация зрительного аппарате. Саркопения (уменьшение с возрастом мышечных волокон в скелетных мышцах) — развивается после 20 лет, ослабление остроты зрения — с 30 лет, уменьшение объема легких с 35 лет, а эластичности кожи — с 45 лет [60].

Забавные результаты мы получили, проведя среди российских старшеклассников и студентов конкурс творческих работ «Земля без старости». Мы предложили им представить, как изменится наш мир, если ученые сумеют-таки победить старость. К нашему удивлению, в подавляющем большинстве случаев молодые люди не увидели в этом ничего привлекательного. В работах превалировала мысль, что коль скоро старение — это естественный процесс, то лишить человека старения это значит отобрать у него что-то принадлежащее ему по праву. При этом многие авторы признавали, что средство от старения будет пользоваться популярностью за счет эксплуатации природного страха человека перед смертью. Однако, по их мнению, ничего хорошего из этой затеи получиться не должно.

В чем-то такое отношение отражает представление молодого человека о том, что у него еще уйма времени впереди и где-то там, очень не скоро, когда ему самому уже надоест жить, его ждет старость и смерть. Если бы мы были голыми землекопами, так оно и было бы. Но мы несем в себе, как говорил Вейсман, «семена смерти», и даже у тех 16–21 летних ребят, которые прислали нам свои работы, программа медленного феноптоза уже запущена. Они не почувствуют этого, будем надеяться, лет до 5060 (если конечно они не выберут карьеру профессиональных спортсменов, которые уже к 30 годам страдают от саркопении — возрастного уменьшения толщины мышечных волокон). Мы видим свою задачу в том, чтобы ребята-участники нашего конкурса лет до 80–90 не знали, что такое старение.

Интересно, что этим «кто-то» не обязательно должен быть человек. Например, согласно статистике наличие домашнего животного продлевает жизнь его хозяину, перенесшему инфаркт. Религиозные люди живут дольше атеистов. Наше объяснение этому феномену двояко: с одной стороны, большинство религий предполагают периодическое ограничение питания — посты, что полезно. С другой стороны, религия частично решает проблему «нужности» — что бы ни происходило, верующий нужен Богу, а Бог не оставит его в беде.

Недавно это достаточно спекулятивное соображение получило экспериментальное подтверждение — в июле 2013 года в престижном журнале PNAS была опубликована статья Барбары Фредриксон и соавторов [96]. В этой работе изучались физиологические аспекты получения удовольствия двух типов — гедонического, т. е. связанного с кратковременным, простым получением положительных эмоций, и эвдемонического, получаемого от служения каким-то большим целям, обретению смысла собственной жизни, осознания собственной нужности для чего-то большего. Оказалось, что реакция иммунной системы организма в случаях гедонизма или эвдемонизма совершенно разная. В первом случае краткосрочное простое удовольствие оказывает негативное действие на иммунитет, провоцирует воспаление и снижает выработку антител. То есть, скорее напоминает стресс, чем разрешение стрессовой ситуации. Получение же «истинного» удовольствия от работы, служения высшим целям и т. д., наоборот, обладает мягким противовоспалительным действием и стимулирует выработку антител. Заметим, что по всем признакам иммунная система играет важнейшую роль в процессе феноптоза. Так, по данным К. Франчески и сотрудников [95,43,243], старение организма начинается с ослабления иммунитета, иммунная система убивает нас в случаях острого феноптоза, связанных с системным воспалением и т. п.

Кстати, есть неожиданное статистическое подтверждение того, что такое состояние «гуру», то есть относительное (но не абсолютное!) высокое положение в любом сообществе, реально продлевает жизнь. Подтверждение пришло, как это часто бывает в геронтологии, из страхового бизнеса, а точнее от актуариев — страхователей жизни. Для них «жизненно» важно уметь предсказать, сколько же проживет их клиент, чтобы правильно рассчитать стоимость страховки. Одноклассник (и очень талантливый математик) одного из авторов этой книги работает аналитиком в таком лондонском страховом агентстве. Его команда проанализировала кучу параметров и выяснила, что у британцев лучше всего предсказывать продолжительность жизни по… почтовому индексу. Вообще-то в Британии очень много чего можно сказать по почтовому индексу человека, потому что там на каждые три дома заводится отдельный индекс. В результате бывают дорогие индексы (престижные кварталы), дешевые, приморские, заводские, университетские и т. п. Исходное предположение аналитиков состояло в том, что обладатели «дорогих» индексов будут жить дольше «дешевых». В принципе, это подтвердилось, но такой уж существенной разницы, интересной для актуариев, не было. Однако дотошные математики продолжили работу и выяснили, что есть мощнейшая корреляция с продолжительностью жизни у людей, для которых выполняется следующее правило: если его индекс ощутимо «дороже» окружающих. При этом абсолютная стоимость индекса (т. е. жилья, на самом деле) особого значения не имела. То есть владелец небольшого магазинчика в окружении работяг — шахтеров живет так же долго, как миллиардер в окружении неудачников — миллионеров. Видимо, и тот и другой ощущают себя успешными, чего-то достигшими (гуру — см. выше), и за счет этого программа старения дает им дополнительные шансы принести пользу виду, несколько продлевая жизнь (М. Богуславский, неопуликованные данные)

У римлян научным языком был греческий. Поэтому термин «апоптоз» — греческий (от «από» — прочь, из и «πτωσις» — опадание)

Краткая жизнь A. thaliana может дать этому виду еще одно преимущество. Эта трава появляется в открытой почве и умирает так быстро, что другие растения просто не успевают достаточно развиться, чтобы конкурировать с резушкой. Поэтому она проводит всю свою короткую жизнь и дает семена в сравнительно комфортных условиях. Поразительно, что случай с A. thaliana буквально подтверждает мысль первого исследователя старения как программы Августа Вейсмана о том, что высокоорганизованные существа «носят в себе семена смерти» (см. выше эпиграф к этому разделу).

Т. Мальдонадо и сотрудники [211–213] обнаружили в мозгу горбуши пептиды амилоидных бляшек, которые возникают с возрастом у людей, страдающих болезнью Альцгеймера (об общности закономерностей прогерии человека и его «нормального» старения см. [154]).

Интригующий вопрос, что за сахар мог бы служить источником AGE в «больших часах». Скорее всего, это просто глюкоза, уровень которой в крови в течение суток поддерживается в основном на одном и том же уровне (подъемы этого уровня при использовании богатой глюкозой пищи — не в счёт из-за их кратковременности). Интересно, что эволюция выбрала именно глюкозу в качестве основного моносахарида живых существ. Среди всех природных моносахаридов глюкоза характеризуется равновесием альдегидной и циклической изоформы, наиболее сдвинутым в пользу циклической (только 0.2 % глюкозы находится в форме альдегида, способного быть предшественником AGE, и, стало быть, участвовать в гликировании белков). В случае галактозы альдегидной формы во много раз больше, чем в случае глюкозы [80]. Гликирование кристаллинов и сывороточного альбумина за счет галактозы идет гораздо быстрее, чем за счет глюкозы и фруктозы [350,178]. Более того, показано, что добавление галактозы в рацион вызывает типичную прогерию [341,187,74], в которой свою роль играет митохондриальный путь апоптоза, связанный с выходом цитохрома с из митохондрий [203]. Развитие прогерии тормозится салидрозидом, ингибитором рецепторов типа RAGE [214]. Метфомин, тормозящий образование AGE из моносахаридов [35], известен как геропротектор [407]. По данным А.И. Яшина и др. [393], долгожительство коррелирует у людей с пониженным уровнем сахара в крови. В свою очередь, количество в крови продукта гликирования белков С-гликозилтриптофана прямо пропорционально возрасту человека [223].

В этой борьбе микроб заинтересован лишь в сдерживании защитных систем животного, а не в его гибели [155,156].

Далеко не очевидно, что нам уже известны все механизмы биологической эволюции. В частности, никто не исключил участие в ней гениального биоинженера, экспериментировавшего с механизмом эволюции где-то на далекой планете. Семена этой неземной жизни, сконструированные разумным существом, могли быть затем занесены с метеоритом на Землю. К великому сожалению, подобная гипотеза все объясняет, но ничего не предсказывает и поэтому не может считаться рабочей гипотезой, не говоря уже о мудрой максиме Бертрана Рассела, вынесенной эпиграфом этого раздела нашей книги. Что же касается гипотезы, то, как говорил великий Френсис Крик, «биолог должен руководствоваться хорошим рабочим правилом, что эволюция гораздо умнее его». По Дж. Миттельдорфу [228], гены старения могут быть в значительной степени защищены от мутаций наподобие тому, как это произошло с генами, кодирующими ключевые ферменты метаболизма [386,334,14,349]. (О неравномерности накопления мутаций в различных генах см. также [388]). Другим механизмом, способствующим сохранению программ, контрпродуктивных для организма, могло бы быть наличие параллельных путей их реализации. Тогда мутация в одном из путей не приводила бы к полному выключению программы [228].

По данным Лекомте и др [177], великовозрастные альбатросы (живут более 50 лет), гнездующиеся на островах Индийского океана, залетают в поисках пищи в воды Антарктики, в то время как особи молодых и средних лет никогда не пересекают Южный полярный круг. Наблюдение велось с помощью спутника и укрепленных на теле животного датчиков радиосигналов. Авторы искали какие-нибудь признаки старения альбатросов, чего раньше никогда не находили у этих птиц, растущих всю жизнь и внезапно умирающих в урочный час по неизвестной причине [228]. Увеличение дальности полетов Лекомте и сотрудники оценили как найденный, наконец, признак старения, что, конечно же, противоречит самому определению старения как возрастного ослабления жизненных функций, а не их усиления.

Этим землекоп отличается от большинства живых существ, включая человека. Для 10-летнего ребенка вероятность умереть в течении следующего года 1 к 3000, у 25-летнего мужчины — 1 к 1500. Каждые следующие 15 лет эта вероятность вновь удваивается (в 40 лет — 1 к 750 и т. д.) [228].

В дикой природе (экваториальная Африка) солдаты-землекопы живут всего около трех лет, погибая в борьбе со змеями или полчищами землекопов из соседних общин. Поскольку они не размножаются, их участие в эволюции оказывается практически невозможным, а стиль жизни хорошо описывается эпиграфом к этой главе.

Не исключено, что загадочное выбрасывание китового стада на берег связано с тем, что наиболее старый (а значит и самый крупный) кит-вожак заболел катарактой и, чтобы видеть, нуждается в хирургической операции по замене своего хрусталика с уже негодным кристаллином на искусственный. А пока у китов это еще не практикуется, вожак ведет стадо из океана на берег, который он уже не видит, давая повод для остряков шутить, что только те киты выбрасываются из воды, которые уже накупались.

Как было недавно показано Т. Нистремом и сотрудниками [97], старение мушки дрозофилы сопровождается уменьшением активности протеасом — ключевого механизма контроля качества белков и увеличением содержания испорченных (карбонилированых или присоединивших оксиноненаль) белков. Подобный эффект описан и у высших животных (млекопитающих) [240,161], а также у человека in vivo [98,311] и человеческих клеток в культуре [313]. В определенных тканях животных показано уменьшение с возрастом концентрации полипептида убиквитина [134], а также ферментов, участвующих в присоединении убиквитина к белку-жертве [289,125]. Кроме того, оказалось, что у старых животных появляются неактивные мутантные формы убиквитина, мешающие нормальным выполнять свою функцию контролера качества белков [362].

В данном отношении летучая мышь напоминает североамериканскую белоногую мышь Peromuscus leucopus. Этот родственник лабораторной белой мыши (они обе относятся к надсемейству Muridae), близкий к ней по размерам и физическому сложению, имеет сниженную скорость образования АФК в митохондриях, повышенные активности антиоксидантных ферментов (глутатионпероксидазы, каталазы

Интересно, что выключение гена белка p66shc снижает окислительное повреждение как митохондриальной, так и ядерной ДНК in vivo в легких, печени, селезенке, коже, скелетных мышцах и почках, но не влияет на этот показатель в мозге и сердце [361]. Подобная тканевая специфика полностью соответствует содержанию p66shc, которое минимально в мозге и сердце. Можно полагать, что эти два органа в значительной степени выведены из-под действия программы старения, по крайней мере, в той её части, которая реализуется достаточно рано и опосредована белком p66shc.

Сказанное не исключает участие мелатонина (см. ниже), если ключевым параметром была бы не почасовая кинетика концентраций этого гормона в крови, а, например, его средний уровень в течение суток.

Р. Харделанд обнаружил в митохондриях мозга место связывания мелатонина с очень высоким сродством к этому гормону (константа диссоциации 1,5 х 10"^>10 М). Это место расположено, по-видимому, в амфифильной части комплекса I дыхательной цепи [122,121]. В то же время, Н. Драгичевич и др. [78] описали терапевтический эффект мелатонина (0,5 мг в день с питьевой водой в течении месяца) на уровень β-амилойда в митохондриях мозга у особого типа трансгенных мышей, моделирующих болезнь Альцгеймера, причем лечебное действие гормона прекращалось ингибиторами рецепторов мелатонина на внешней поверхности клеточной мембраны (у трансгенных мышей наблюдали резкое увеличение количества β-амилойда в мозгу и снижение скорости дыхания, синтеза АТФ, мембранного потенциала и генерации АФК при прямом переносе электронов по дыхательной цепи митохондрий; все эти эффекты полностью снимались добавкой мелатонина в питьевую воду. Прямое добавление мелатонина к митохондриям имело гораздо меньшее действие). Ф. Радонья и др. [272] обнаружили, что добавление мелатонина к культуре раковых клеток человека предотвращает апоптоз, вызванный ингибитором белкового синтеза, причем его действие локализовано на уровне митохондрий. Мелатонин тормозил димеризацию белка Bax на поверхности митохондрий (по-видимому, путем стимуляции связывания с ними антиапоптозного белка Bcl-2). Ингибитор мелатонинового рецептора на плазматической поверхности блокировал этот эффект мелатонина.

Все закономерности, описанные для генерации АФК при обратном переносе электронов, применимы также к прямому переносу электронов на стадии bL→ bH [318,164].

Как образно выразились С. Патаи и сотрудники, «глаз… это окно в остальные части нашего тела. Он может быть ценной моделью для проверки биомаркеров старения на молекулярном, эпигенетическом, клеточном и клиническом уровнях».

Доклинические испытания SkQ1 в США, проведенные в 2012 г. фирмой Ora (Эндовер) на мышах с имитацией синдрома «сухого глаза», подтвердили лечебный эффект наших капель, обнаруженный в опытах с крысами.

Как показали наши опыты, в живой клетке митохондрия — единственная органелла, внутренность которой заряжена отрицательно по отношению к цитозолю. Поэтому любые проникающие катионы автоматически оказываются адресованными в митохондрии [190,189].

Инволюция тимуса — один из ярких примеров запрограммированности старения. Этот орган образует Т-лимфоциты, один из главных типов клеток, участвующих в иммунитете. Его размер у человека достигает максимума перед половым созреванием и уменьшается примерно в пять раз к 75 годам, что сопровождается резким ослаблением иммунных ответов организма. Подобный эффект наблюдается и на мышах, причем у старых животных омоложение тимуса введением эмбриональных стволовых клеток приводило к усилению иммунитета к наиболее распространенным инфекциям [131,228]. Тот факт, что SkQ замедляет инволюцию тимуса, прямо указывает на ингибирование программы старения нашим веществом.

SkQ1 не влияет на рак молочной железы у самок старых мышей. Такой рак служит главной причиной смерти этих животных в стерильном виварии [328,451,2] (подробнее см. раздел II.7.4).

Данные по увеиту уже подтверждены независимым исследованием в лабораториях фирмы Toxion (Минеаполис, США) и Comparative Biosciences Inc. (Санни Вейл, США).

Вообще глазные болезни, развивающиеся по мере старения организма, безусловно должны быть в списке недугов, которые надо пытаться лечить антиоксидантами, адресованными в митохондрии. Ведь первая болезнь, причиной которой, как оказалось, является мутация в митохондриальной ДНК, — это наследственная оптическая нейропатия Лебера. В 1988 г., исследуя пациентов, страдающих этой болезнью, Д. Уоллес обнаружил мутации в генах, кодирующих комплекс I дыхательной цепи [375]. Недавно в лаборатории Уоллеса было установлено повышенное образование АФК при тех же мутациях, введенных в митохондриальную ДНК мышей [193].

Один из авторов (В.П.С.), будучи директором института, подумывает о том, чтобы в будущем использовать потенциальную способность SkQ1 возвращать пожилым сотрудникам исследовательский рефлекс, добавляя SkQ1 в компот в институтской столовой.

Существенно, что высокая эффективность SkQ1 сочетается с их коротким временем жизни в организме. За пару дней концентрация SkQ в крови и тканях падает до неизмеримо низкого уровня после введения крысе терапевтических доз этого вещества. Его расщепление in vivo происходит по хиноновому кольцу. Что же касается децилтрифенилфосфониевой части, то, как показал Мерфи и сотрудники применительно к MitoQ, она выводится с мочой в неизменном виде [332].

Интересно в этой связи упомянуть, что ограничение питания не имеет геропротекторного действия на матку пчелиного улья, у которой, по-видимому, программа старения просто отменена [277].

Существует ряд наблюдений, что ограничение питания действительно снижает окислительный стресс [348,99,117,255].

Возможно, что религиозные посты — это способ продления жизни путем кратковременных периодов ограничения питания. Известно, что люди, соблюдающие религиозные обряды, в среднем живут дольше [85].

Клавдий Гален, тот самый древнеримский врач, что ввел в научный язык слово «апоптоз», часто прописывал своим пациентам копать землю и косить сено. Новейший обзор по замедлению старения мозга путем физической нагрузки см. [215].

В этой связи можно упомянуть наблюдение Дж. Мацузаки и др.[218] о том, что ограничение питания не только замедляет старение мышей (т. е. медленный феноптоз), но и препятствует развитию септического шока под действием бактериального липополисахарида (острый феноптоз). Острый феноптоз может быть вызван, помимо липополисахарида, еще и формилметионином — аминокислотой, расположенной на N-конце бактериальных белков. Поскольку ряд митохондриальных белков устроен по тому же принципу, что и бактериальные, обломки митохондрий, попадающие в кровь при обширных ранах мягких тканей, вызывают септический шок [400]. Так же действует и вирус гриппа, причем его инактивация кипячением не убирает смертоносную активность. Механизм включения каскада септического шока во всех этих случаях оказывается общим, причем ключевым компонентом служит продукт перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов [133,310].

Есть ряд экспериментальных указаний на то, что митохондриальные АФК играют важную роль в развитии этой, пока что неизлечимой, болезни (обзор см. [429]). В частности, Х. Ду и соавторы [79] показали, что β-амилойд, взаимодействуя с циклофилином D (компонентом поры внутренней мембраны митохондрий), облегчает открытие поры (напомним, что митохондриальные АФК — важнейший индуктор этой поры, а её открытие вызывает разрыв внешней мембраны митохондрий и выход из митохондрий в цитозоль цитохрома с, что запускает цепь событий, заканчивающихся смертью клетки). Оказалось, что митохондрии мозга, лишенные циклофилина D, генерируют меньше АФК и не набухают при добавлении β-амилойда. Мыши без циклофилина D в мозгу в меньшей степени страдали от потери памяти и не теряли способность к длительной потенциации в клетках срезов гиппокампа при повышении in vivo уровня β-амилойда.

Вторая часть слова от латинского vita (жизнь), а первая — от термина «митохондрия», что должно подчеркнуть историю вопроса: ведь первые митовитаны, для которых был выявлен механизм их действия — это антиоксиданты, адресованные именно в митохондрии (катионные производные хинонов и каталаза, снабженная митохондриальным «адресом»). Вполне вероятно, что в будущем будут найдены и другие вещества или воздействия, блокирующие феноптоз (и, стало быть, относящиеся к классу митовитанов), но действующие не на митохондрии, а на другие звенья феноптозных каскадов. Название «митовитан» предложено К.В. Скулачевым.