Каждый из нас знает семьи, в которых есть долгожители. Но насколько долголетие зависит от генов? В исследовании, в котором приняли участие 2700 датских близнецов[229], было показано, что наследуемость продолжительности жизни человека (количественный показатель, отражающий, насколько различия в генах определяют разницу в продолжительности жизни) составляет всего около 25 %. Более того, считалось, что эти генетические факторы обусловлены суммой незначительных эффектов, заданных множеством разных генов, и, таким образом, их трудно отследить на уровне отдельного гена. К моменту проведения датского исследования (1996) один скромный червячок уже помог опровергнуть эту гипотезу.
Этим червячком была почвенная нематода Caenorhabditis elegans, которая стала любимым объектом исследования у современных биологов с легкой руки Сиднея Бреннера, выдающегося ученого и человека, славящегося своим язвительным остроумием. Сидней родился и получил начальное образование в Южной Африке, но бо́льшую часть созидательной жизни провел в английском Кембридже, а затем основал лаборатории по всему миру, от Калифорнии до Сингапура, дав некоторым коллегам повод шутить, что над империей Бреннера никогда не заходит солнце. Впервые известность ему принесло открытие мРНК. В основном же Бреннер в тесном сотрудничестве с Фрэнсисом Криком занимался изучением природы генетического кода и механизма его считывания при синтезе белков. Как только коллеги решили[230], что разобрались с этой фундаментальной проблемой, Бреннер заинтересовался процессами развития сложного организма из единственной клетки, а также работой мозга и нервной системы.
Бреннер обнаружил, что червь C. elegans – идеальный организм для изучения, потому что его легко выращивать, у него относительно короткий жизненный цикл и он прозрачен, так что можно увидеть все клетки, из которых состоит организм этого червя. В лаборатории молекулярной биологии Центра медицинских исследований в Кембридже Бреннер подготовил немало специалистов и создал всемирное сообщество ученых, изучающих на примере C. elegans все что угодно – от развития организма до поведения. Среди его коллег был и Джон Салстон, о котором я уже рассказывал в главе 5. Одним из наиболее значительных проектов Салстона стало тщательное отслеживание развития каждой из приблизительно 900 клеток взрослой нематоды начиная с единственной исходной клетки, что привело к неожиданному открытию: оказалось, что некоторые клетки запрограммированы умереть на определенном этапе своего развития. Ученые продолжили эти исследования, намереваясь установить[231] гены, которые отдают приказ таким клеткам совершить самоубийство в нужный момент, чтобы организм смог продолжить правильно развиваться.
Для животного, состоящего всего из 900 клеток, эти черви – поразительно сложные существа. У них имеются некоторые органы, присущие более крупным животным, только проще устроенные: рот, кишечник, мускулы и мозг с нервной системой. Они не обладают ни кровеносной, ни дыхательной системой. И хотя они едва заметны – всего около миллиметра в длину, – в микроскоп легко увидеть, как они извиваются. Эти нематоды – гермафродиты и производят как сперматозоиды, так и яйцеклетки, но при определенных условиях способны и к бесполому размножению. В норме они социальны, но ученые обнаружили мутации, которые могут сделать их асоциальными. Пищей им служат бактерии, и точно так же, как бактерий, ученые культивируют нематод в чашках Петри. Культуру этих червей можно на любой срок заморозить жидким азотом в пробирке и, когда понадобится, оживить, просто дав им оттаять.
Обычно C. elegans живет пару недель. Однако, если приходится голодать, нематода способна впадать в некое подобие спячки – в этом состоянии под названием «дауэр»[232] она может прожить до двух месяцев и просыпается, когда еды снова будет вдоволь. В масштабе человеческого века это равнялось бы 300 годам. Каким-то способом эти червячки научились останавливать обычный процесс старения. Есть, правда, одна оговорка: в такую спячку могут впадать только молодые особи. Достигнув половой зрелости и став взрослыми, они этой возможности лишаются.
Дэвид Хирш заинтересовался нематодой C. elegans, когда работал в команде Бреннера в Кембридже, и продолжил ее изучение уже в Университете Колорадо. Там к нему присоединился постдокторант Майкл Класс, который хотел заниматься проблемой старения. В те времена старение считалось естественным и неизбежным процессом изнашивания организма и традиционные биологи смотрели на исследования в этой области немного свысока. Однако ситуация начала понемногу меняться, отчасти потому, что правительство США обеспокоилось старением населения. Как вспоминал Хирш[233], Национальные институты здравоохранения (NIH) незадолго до этого учредили Национальный институт США по проблемам старения (NIA), и по меньшей мере одним из стимулов работать в этой области для них с Классом была высокая вероятность получить финансирование из федерального бюджета.
Сначала Хирш и Класс обнаружили, что по многим показателям нематоды в состоянии дауэра стареют незначительно, если вообще стареют. Затем Класс решил проверить, можно ли выявить нематод-мутантов, которые живут дольше, но при этом не обязательно впадают в спячку. Это помогло бы ему определить, какие гены влияют на продолжительность жизни. Чтобы ускорить появление мутантов, среди которых он сможет найти долгожителей, Класс обработал червей мутагенными химикатами. Так в его распоряжении оказались тысячи чашек Петри с нематодами, которых он продолжил изучать уже после открытия собственной лаборатории в Техасе. В 1983 г. Класс опубликовал статью о нескольких долгоживущих нематодах-мутантах, но вскоре закрыл лабораторию и перешел в чикагскую компанию Abbott Laboratories. Однако перед отъездом он послал партию замороженных мутантов бывшему коллеге по Колорадскому университету Тому Джонсону, который к тому моменту работал в Калифорнийском университете в Ирвине.
Получив с помощью инбридинга линии червей-мутантов, Джонсон установил, что средняя продолжительность жизни у них варьирует между 10 и 31 днем, из чего сделал вывод, что по крайней мере у нематод время жизни в значительной мере задается генетически. Оставалось неясным, какое число генов влияет на продолжительность жизни, но в 1988 г. Джонсон, работая вместе с увлеченным этой темой студентом Дэвидом Фридманом, пришел к поразительному заключению, которое полностью расходилось с установившимся представлением о том, что на продолжительность жизни влияют множество генов, каждый из которых вносит свой небольшой вклад. Вместо этого оказалось[234], что мутация всего в одном гене, который Джонсон и Фридман назвали age–1, продлевает жизнь червей. Затем Джонсон обнаружил[235], что у червей с мутацией гена age–1 смертность в любом возрасте ниже, а максимальная продолжительность жизни более чем вдвое превышает продолжительность жизни обычных червей. Максимальная продолжительность жизни, которая определяется как продолжительность жизни 10 % самых долгоживущих особей в популяции, считается более точным показателем старения, поскольку на среднюю продолжительность могут влиять самые разные посторонние факторы, не всегда связанные со старением, например вредные воздействия окружающей среды или устойчивость к болезням.
В тот момент Том Джонсон не был знаменитым ученым, а его гипотеза о том, что единственный ген может до такой степени влиять на старение, противоречила общепринятой точке зрения. И потому его статья ждала публикации почти два года. Даже когда она наконец вышла в престижном журнале Science (1990)[236], научное сообщество отнеслось к работе Джонсона с некоторым недоверием.
Однако спустя несколько лет появились сообщения о втором черве-мутанте. Этим исследованием руководила Синтия Кеньон, уже считавшаяся восходящей звездой в области изучения C. elegans. Карьера Синтии складывалась блестяще: диссертация в Массачусетском технологическом институте; исследовательская работа у Сиднея Бреннера в лаборатории молекулярной биологии Центра медицинских исследований в Кембридже, где и началось изучение генома нематоды; работа в Калифорнийском университете Сан-Франциско – еще одном мировом центре молекулярной биологии и медицины. Кеньон заслужила репутацию ведущего специалиста по развитию нематоды и формированию ее организма в процессе роста. Проблема старения тоже ее интересовала, но, поскольку сама тема тогда считалась не слишком перспективной, Синтии не удавалось привлечь студентов к этой работе. Однако доклад о гене age–1, представленный Джонсоном на конференции в Лейк-Эрроухед (пригороде Лос-Анджелеса), вдохновил исследовательницу[237], и она приступила к генетическому скринингу на новые мутации.
Вслед за Хиршем, Классом и Джонсоном Кеньон сосредоточилась на изучении механизма дауэра. За предшествующее десятилетие ученые установили много генов, влияющих на это состояние, обычно обозначая их как daf. Название гена традиционно пишут курсивом: те же буквы, но написанные прямым шрифтом, означают белок, кодируемый этим геном. В обычных условиях мутации в этих генах предрасполагают нематоду к переходу в состояние дауэра. Но Кеньон предположила, что те же гены влияют на максимальную продолжительность жизни даже без дауэра. Она пошла на хитрость, использовав червей-мутантов, чувствительных к температуре: при относительной прохладе (20 ℃) они не могли впадать в спячку. В этих условиях нематоды развивались до той стадии, когда дауэр уже невозможен. И тогда температуру повышали до 25 ℃, давая червям достигнуть половой зрелости, чтобы потом определить продолжительность их жизни. Эти эксперименты позволили группе Кеньон обнаружить мутацию в гене daf–2, которая позволяла червям прожить вдвое дольше среднего. Не встретив и малой доли того скептицизма, с которым столкнулся Джонсон, Кеньон беспрепятственно опубликовала результаты своей работы: в 1993 г. ее статья[238] в Nature была принята с огромным энтузиазмом. Помимо блестящей научной карьеры[239] и выдающихся способностей, Кеньон отличалась также трезвым умом и обаянием, так что СМИ к ней благоволили. К сожалению, ни в самой статье Кеньон, ни в сопровождавших ее комментариях не было сказано ни слова о более ранней работе Джонсона, посвященной age–1, поэтому большинство сообщений о результатах работ Кеньон оставляет впечатление, что она первая обнаружила мутацию, увеличивающую продолжительность жизни нематоды.
На том этапе исследований никто не имел реального представления о том, как работают гены, обнаруженные Джонсоном и Кеньон. И тут появляется Гэри Равкан. Сегодня этот ученый известен прежде всего тем, что впервые описал, как небольшие молекулы РНК (микроРНК) регулируют экспрессию генов, однако и личная, и научная жизнь у него была весьма яркая и разнообразная. Я познакомился с ним около десяти лет назад на острове Крит, на конференции; после нескольких рюмок он становился необыкновенно общительным. Живо помню его в бандане и с сигаретой, которую он на самом деле не курил, постоянно подливающим себе крепкий греческий напиток, – со своими пышными, но ухоженными усами он был очень похож на матроса в греческой таверне, только что сошедшего с корабля. И все это время Гэри без устали и совершенно не к месту рассуждал о биологии РНК. В середине 1990-х гг. он тоже работал с нематодами-мутантами, в том числе с мутацией гена daf–2, влияющей на стадию дауэра, но тема его работы не была связана со старением. Судя по его же словам, Равкан не придавал особой важности этому направлению научного поиска, и, прочитав только что вышедшую статью Кеньон, он подумал: «Боже мой, оказывается, я теперь тоже занимаюсь проблемами старения! А ведь у этих геронтологов IQ с каждым годом снижается вдвое»[240].
Большой прорыв случился, когда Равкан выделил и секвенировал ген daf–2. Этот ген кодирует рецептор, который находится на поверхности клетки и реагирует на молекулу, очень похожую на инсулин: ИФР–1 (инсулиноподобный фактор роста 1). ИФР–1 и инсулин – гормоны, связывающиеся со своими рецепторами в клетке. Оба рецептора также относятся к киназам, которые активируют следующие молекулы каскада, что, в свою очередь, влияет на метаболические пути, имеющие отношение к долголетию. Эти гормоны или их аналоги присутствуют почти во всех живых организмах, значит, они возникли еще на заре эволюции. И то, что эти древние гормоны управляют старением, стало поразительным открытием.
Упомянутые открытия помогли понять в целом, как работает этот сигнальный путь. ИФР–1 связывается с рецептором daf–2, который так же является киназой, и активирует ее. Таким образом, запускается каскад событий, в ходе которого одна киназа воздействует на другую, пока белок под названием daf–16 не фосфорилируется. По сути, это эффект домино. Последнее звено в этой цепочке, daf–16, является фактором транскрипции, и его роль заключается в активации генов. Фосфорилированный белок не может транспортироваться в ядро, где гены находятся в хромосомах, и, следовательно, не может воздействовать на гены-мишени. Но, если прервать сигнальный путь, например посредством мутации в любом из генов этого каскада, daf–16 сможет попасть в ядро и включить множество генов, которые позволят червю, пребывающему в состоянии дауэра, пережить период стресса или голода, продлив таким образом срок его жизни. Как выяснилось, age–1[241], открытый Томом Джонсоном, находится где-то в середине этой цепочки, начинающейся с daf–2 и оканчивающейся daf–16.
Daf–16 активирует гены, участвующие в преодолении стресса, вызванного голодом или повышенной температурой, а также гены, кодирующие белки-шапероны, которые помогают белковым цепочкам правильно сворачиваться и исправляют несвернутые или свернутые неверно белки, прежде чем те станут для клетки проблемой. В обзоре 2010 г. Кеньон писала, что эти гены – «настоящая сокровищница для будущего»[242]. Описанный выше сигнальный путь объясняет один загадочный парадокс. Старение или долголетие считали следствием работы огромного множества генов, каждый из которых вносит какой-то небольшой вклад. Почему же мутация одного гена, например age–1 или daf–2, практически удваивает продолжительность жизни червя? Очевидно, причина кроется в том, что этот ген входит в цепочку, завершающуюся активацией daf–16, который, в свою очередь, активирует серию генов, и они в совокупности оказывают кумулятивный эффект на продолжительность жизни.
Идея о том, что сигнальный путь гормона роста может иметь отношение к долголетию, объясняет еще один интересный факт. Крупные животные, как правило, живут дольше мелких, потому что у них более медленный обмен веществ и они менее уязвимы для хищников. Но в пределах одного биологического вида мелкие породы живут дольше крупных. Например, маленькие собаки живут в два раза дольше больших. Возможно, отчасти это объясняется количеством вырабатываемого гормона роста.
Вспомним, что муравьиная царица живет в несколько раз дольше, чем рабочий муравей. Среди многих причин этого феномена[243] – вырабатываемый организмом царицы белок, который связывает инсулиноподобные молекулы и перекрывает сигнальные пути инсулиноподобного фактора роста ИФР–1.
А как у червей-долгожителей обстоят дела с качеством жизни? Может, они ослаблены и жизнь в них едва теплится? На самом деле нет. Эти мутанты не только живут дольше, они выглядят и ведут себя как гораздо более молодые нематоды. Мы все слышали про такое ужасное возрастное заболевание, как болезнь Альцгеймера. Ученые смоделировали эту болезнь, создав генетически линию червей, производящих в мышечных клетках бета-амилоидный белок, который вызывает паралич. Однако, если опыт повторить, но взять линию[244] червей-долгожителей с мутацией сигнального пути ИФР–1, паралич будет неполным или отсроченным. Значит, те же мутации, которые продлевают жизнь, могут защитить нас от болезни Альцгеймера и других возрастных недугов, вызванных неправильной укладкой белков и образованием беспорядочных клубков. На самом деле, эти мутации продлевают жизнь, скорее всего, именно благодаря тому, что защищают от некоторых проблем старости.
Это прекрасно, что нематоды, таким образом, могут жить дольше в здоровом состоянии, но как насчет других биологических видов? Данные, полученные при изучении самых разных групп царства животных, подтверждают, что существует прочная связь между сигнальным путем ИФР и продолжительностью жизни. У мух удаление гена, кодирующего белок[245] CHICO, который активирует сигнальный путь ИФР–1, увеличивает продолжительность жизни на 40–50 %. Мухи с такой мутацией значительно мельче, но в остальном выглядят вполне здоровыми. Рецептор ИФР–1 исключительно важен[246], но у мышей, как и у людей, он представлен двумя копиями (из материнской и из отцовской хромосом), и при отключении одной из них мышь живет дольше без всяких заметных вредных последствий.
Разумеется, ученые ведут всю эту работу не затем, чтобы помочь мышам. Мы хотим знать, что происходит в человеческом организме, но специально вызывать мутации у людей недопустимо. Однако иногда мутации в гене рецептора инсулина происходят естественным путем. Некоторые из носителей таких мутаций страдают от синдрома Донохью (лепрехаунизм), при котором замедляется рост; такие люди редко доживают до зрелого возраста. Изучение пациентов[247] с этим диагнозом показывает, что одна и та же мутация в гене daf–2 влияет на состояние дауэра у червей, но вызывает совершенно иные последствия у человека. И все же имеются свидетельства, что этот сигнальный путь связан с долголетием. По данным одного исследования, мутации, нарушающие работу ИФР–1[248], широко представлены у евреев-ашкеназов, перешагнувших столетний рубеж, а варианты гена инсулинового рецептора[249] связаны с долголетием у японцев. Мутации в белках, идентифицируемых как часть каскада ИФР–1, также, как выяснилось, имеют отношение к долголетию. Может возникнуть соблазн использовать ИФР–1 и сигнальный путь инсулина для решения проблемы старения. Однако сама сложность этого процесса и огромный спектр последствий, которые он вызывает, показывают, что мы имеем дело с тонко настроенной системой и вмешиваться в ее работу, не вызывая непредвиденных отрицательных последствий, – задача, по всей видимости, крайне сложная.
При ограничении потребления пищи уровни инсулина и инсулиноподобного фактора роста (ИФР–1) снижаются. Если сигнальный путь ИФР–1 уже ингибирован, не стоит ожидать от снижения калорийности рациона заметного дополнительного эффекта. И, как вы уже можете предположить[250], ОК не способствовало увеличению продолжительности жизни у червей с мутацией в daf–2; более того, этот эффект полностью зависел от daf–16. Удивительно, что ограничение калорий влияет также и на другой, совершенно отличный от этого сигнальный путь мишени рапамицина (TOR). И если даже сигнальный путь ИФР–1 нарушен, не окажет ли сокращение калорий хотя бы незначительное воздействие через сигнальный путь TOR? Выяснилось, что два этих пути не являются полностью независимыми. Они представляют собой крупные узлы одной большой сети, но между ними постоянно возникают перекрестные связи. Иными словами, белки, активируемые как часть одного пути, активируют белки из другого, так что они взаимосвязаны. В частности, TOR активируется не только поступлением питательных веществ, но и элементами ИФР–1 сигнального пути.
Эти два пути в высшей степени скоординированы, но они не отражают все эффекты от ограничения калорийности. Двое ученых обнаружили мутацию, которая вызывает частичное голодание червя, нарушая работу его глотки. Мутация гена eat–1 может увеличить продолжительность жизни нематоды на 50 % и не требует активации daf–16. К тому же особи с мутациями и в daf–2, и в eat–1 живут даже дольше, чем особи с мутацией только в daf–2. А это значит, что ограничение калорий[251] затрагивает и другие сигнальные пути, помимо TOR и ИФР–1.
Мутации, существенно влияющие на продолжительность жизни, могут свидетельствовать о том, что старение контролируется генетической программой. Может показаться, что эта идея противоречит эволюционным теориям старения, но на самом деле это не так. В ходе опытов с чередованием недостатка и избытка пищи[252] выяснилось, что мутанты-долгожители просто не могут соперничать в репродуктивном плане с обычными червями, имеющими короткую продолжительность жизни. Пути, которые затрагивают эти мутации, позволяют особи иметь больше потомства ценой последующего сокращения продолжительности жизни, точно так, как и следует из эволюционных теорий старения: теории антагонистической плейотропии и теории расходуемой (одноразовой) сомы.
Мы рассмотрели, как работает рапамицин, но нет ли препарата, который может воздействовать на другие процессы, например на сигнальный путь ИФР–1? В этой связи большой интерес вызывает метформин – лекарство от диабета. Разумеется, диабет скорее связан с недостаточной секрецией инсулина или нарушением ее регуляции, чем с ИФР–1, пусть даже две эти молекулы похожи как по структуре, так и по функции. Чтобы уяснить разницу[253] между этими двумя гормонами, я совершил небольшую прогулку от своей лаборатории до расположенного по соседству Института метаболизма (Wellcome-MRC Institute of Metabolic Science) – на территории Кембриджского биомедицинского кампуса, где находится и клиника Адденбрук, – чтобы встретиться со Стивом О'Рахилли, одним из крупнейших в мире специалистов по метаболизму инсулина и его влиянию на развитие диабета и ожирения.
Несмотря на всю свою известность и занимаемый пост директора важнейшего института, Стив лишен даже намека на самодовольство. Это весельчак, который, выступая на публике, любит пошутить, что он, с его телосложением, очень подходит для изучения ожирения и его причин, и, хотя до ожирения Стиву далеко, его, несомненно, не назовешь худым. Однако при всей своей жизнерадостности это проницательный ученый с критическим складом ума, сумевший продвинуть и развить достаточно запутанную область исследований, придав ей научную строгость. Среди многочисленных достижений Стива – открытие роли генов аппетита в развитии ожирения. И здесь у него тоже был сильный личный мотив: по словам Стива, аппетит зачастую имеет столь неодолимую власть над ним, что когда он голоден, то просто не может думать ни о чем, кроме еды.
Стив напомнил мне о том, что, хотя инсулин и ИФР–1 схожи по структуре и действию на клетку, между ними есть существенные различия. Инсулин должен действовать быстро и в нужных количествах. Неправильное регулирование уровня инсулина может привести к смерти. Глюкоза нужна мозгу в качестве топлива, и гипогликемия – падение уровня сахара в крови, вызванное избыточным количеством инсулина, – крайне опасна, даже если длится всего несколько минут.
Рецепторов инсулина особенно много в печени, мышечной и жировой ткани. Если мы едим мало, уровень инсулина относительно невысок и печень производит необходимую мозгу глюкозу из запасенных углеводов и другого сырья. Но даже такой низкий уровень инсулина необходим для того, чтобы печень не производила слишком много глюкозы или кетоновых тел (продукта метаболизма жиров). После еды уровень инсулина повышается в 10–15 раз, чтобы мышечные клетки могли усваивать глюкозу, а в печени синтезировались липиды (жир) и жировые клетки эти липиды запасали.
Только что выделенный инсулин недолго удерживается в крови: период его полураспада всего около четырех минут. И если инсулин сравнить с гоночным катером, мчащимся к финишу, то ИФР–1 больше напоминает танкер. Его действие гораздо более продолжительно, и в крови он часто находится в неактивном состоянии, связанный другими белками. Чтобы начать действовать, ему нужно освободиться от них – и как именно это происходит, до сих пор не ясно, но, скорее всего, этот процесс тоже регулируется гормонами. Рецепторы ИФР–1 распределены гораздо шире, чем инсулиновые, – они есть во всех клетках организма, и в период формирования и роста организма их количество увеличивается.
ИФР–1 производится в ответ на секрецию гормона роста, и именно он по сложному пути обратной связи регулирует, сколько этого гормона произвести. Если содержание ИФР–1 низкое или в этом белке имеется дефект, организм отвечает усиленной выработкой гормона роста. Беда в том, что гормон роста помимо запуска секреции ИФР–1 имеет и другие функции. Важнейшая из них – высвобождение жира из жировых клеток. Жир, не хранящийся в жировых клетках, угрожает организму многими патологиями, например закупоркой сосудов, расстройством метаболизма в печени и мышцах. Неудивительно, что мутации инсулинового рецептора или ИФР–1 могут вызывать диабет. С другой стороны, если вы потребляете минимум калорий, то жировой запас у вас будет меньше, так как калории сжигаются для получения энергии. Таким образом, эффект от ограничения рациона иной, нежели от снижения уровня ИФР–1, когда лишний жир высвобождается и наносит организму вред. Именно из-за этого коренного различия препараты, имитирующие ограничение калорий за счет воздействия на сигнальный путь ИФР–1, будет особенно сложно создать. Тонко настроенную систему организма обмануть непросто.
Именно этим объясняется нынешний интерес к метформину. Этот препарат уже принимают миллионы людей по всему миру, страдающих диабетом, так что он прошел серию всевозможных клинических испытаний на безопасность. А фактически его применение берет начало еще в средневековой Европе, где симптомы диабета купировали экстрактом растения галега лекарственная (Galega officinalis), известного также под названиями «козлятник лекарственный» и «козья рута». Одно из веществ, содержащихся в этом экстракте, галегин, снижает уровень сахара в крови, но слишком токсично. В итоге синтезировали и протестировали его производное – метформин, и теперь это препарат первой линии для лечения диабета 2 типа, который чаще развивается в поздние годы жизни и вызывается не дефицитом инсулина, а нарушением связи инсулина с инсулиновым рецептором.
Каким образом метформин помогает при диабете 2 типа, понятно не до конца. Большинство схем взаимодействия метформина напоминают сложные и запутанные электрические схемы. Благодаря недавним достижениям[254] в методах визуализации биомолекул, сегодня мы можем увидеть в деталях, как метформин связывает и ингибирует свой белок-мишень.
Этот белок-мишень – ключевой компонент процесса дыхания, в ходе которого кислород используется для «сжигания» глюкозы, обеспечивающего клетки энергией. Помехи в утилизации глюкозы[255] отражаются на энергетическом обмене и влияют на компоненты сигнального пути ИФР, в том числе на фермент, регулирующий ее усвоение. И хотя некоторые исследования показывают[256], что метформин снижает выработку глюкозы в печени, в результате других экспериментов ученые приходят к выводу, что этот препарат, напротив, повышает ее у здоровых людей и у пациентов с легкой формой диабета. Согласно еще одному исследованию, метформин изменяет[257] кишечный микробиом, и этим, по крайней мере отчасти, объясняется действие препарата. Работа Стива О'Рахилли демонстрирует[258], что метформин помимо всего прочего повышает уровень гормона, подавляющего аппетит.
Может показаться странным, что препарат, механизм действия которого настолько сложен и так плохо изучен, тем не менее широко назначается больным диабетом, но в медицине такое в порядке вещей. В течение почти ста лет мы не знали, как действует аспирин, а люди за это время выпили миллиарды таблеток, сбивая жар и утоляя боль. И все же довольно странно, что метформин, принцип действия которого до конца неясен, вызывает сегодня интерес как потенциальное лекарство от старения. Отчасти это связано с двумя ранними исследованиями. В первом, проведенном Национальным институтом по проблемам старения, долговременный[259] прием метформина улучшил здоровье и увеличил продолжительность жизни у мышей. Второй опыт, с участием людей[260], показал, что больные диабетом на метформине живут дольше не только диабетиков, получающих другие препараты, но и людей, не страдающих этим заболеванием, – это очень важный вывод, поскольку сам по себе диабет – это фактор риска старения и смерти.
Столь многообещающие результаты, безусловно, породили надежды на применение метформина для продления здоровой жизни у людей без диабета, однако последующие исследования поставили эти результаты под сомнение. Сначала в 2016 г. группа ученых пришла к выводу, что метформин[261] просто лучше других лекарств помогает больным диабетом и потому у тех, кто его принимает, коэффициент выживаемости примерно такой же, как у населения в целом. И смертность, особенно у пациентов с сердечно-сосудистыми расстройствами, радикально снижает в первую очередь не метформин, а так называемые статины – препараты, блокирующие синтез холестерина. Метформин продлевал жизнь нематод, если они начинали его получать в раннем возрасте, но оказывался чрезвычайно токсичным и только сокращал жизнь червей, получавших его позже. Любопытно, что в какой-то степени токсичность[262] метформина ослаблялась рапамицином, если черви получали их одновременно. Кроме того, метформин нивелирует[263] пользу от физической активности – одного из лучших, по общему признанию, способов борьбы с болезнями старости. А в одной работе даже утверждалось, что у диабетиков[264], принимающих метформин, повышается риск развития деменции, в том числе болезни Альцгеймера.
Геронтолог Нир Бразилай из Медицинского колледжа им. Альберта Эйнштейна в Нью-Йорке, несомненно, учитывает всю эту неопределенность в исследованиях метформина – в настоящее время он руководит масштабным клиническим исследованием, в котором приняли участие около 3000 добровольцев в возрасте 65–79 лет. Называется это исследование «Борьба со старением с помощью метформина» (Targeting Aging with Metformin, TAME); его цель – установить[265], задерживает ли метформин развитие возрастных хронических заболеваний, например сердечно-сосудистых, онкологических, а также деменции, и выявить вредные побочные эффекты этого препарата.
Однако пока, несмотря на значительные усилия ученых, данные о влиянии метформина на продолжительность жизни остаются весьма неоднозначными. Действие препарата далеко не так выражено и не настолько хорошо изучено, как действие рапамицина, ингибирующего сигнальный путь TOR. Одна из причин повышенного внимания к метформину заключается в том, что его безопасность для диабетиков при длительном употреблении безусловно доказана. Пациенты с диабетом охотно принимают этот препарат, поскольку без лечения риск ухудшения здоровья или смерти от осложнений значительно возрастает. Однако совсем иное дело – сегодня рекомендовать долговременный прием метформина здоровым людям, особенно учитывая упомянутые нами возможные недостатки.
МЫ ПРОДЕЛАЛИ БОЛЬШОЙ ПУТЬ, начав со старой идеи, что умеренность за столом полезна для здоровья, а обжорство дорого обходится нашему организму. Прежде всего появились научные доказательства того, что ограничение калорий может увеличить продолжительность здоровой жизни по сравнению с той, которая возможна при питании ad libitum. Затем в последние несколько десятилетий мы узнали, что два ранее неизвестных сигнальных пути, TOR и ИФР–1, являются основными процессами в клетке, которые реагируют на ограничение потребления калорий. Это, в свою очередь, открыло возможность продлить здоровую жизнь и даже продолжительность жизни путем воздействия на эти пути. Ученые во всем мире провели огромное количество исследований, изучая влияние метформина, рапамицина и родственных им препаратов на процесс старения и продолжительность жизни; одними из наиболее перспективных средств борьбы со старением являются рапамицин и его химические аналоги. Вместе с тем надо иметь в виду, что ингибирование этих сигнальных путей по отдельности не то же самое, что ограничение калорий, и ученым еще предстоит много сделать, чтобы выяснить эффективность и безопасность этих подходов.
Меня поразили несколько моментов в истории открытия сигнальных путей TOR и ИФР–1. Во-первых, само их существование оказалось полной неожиданностью. Во-вторых, по крайней мере в случае с TOR, ученые сначала даже не думали о его связи с ограничением калорий, тем более – со старением. Они лишь по чистой случайности открыли важнейшие процессы в клетке, влияющие не только на старение, но и на многие болезни. В-третьих, они исследовали организмы, которые могут показаться не самыми подходящими для изучения старения, такие как черви и дрожжи. И наконец, открытие того, что один-единственный ген может настолько сильно влиять на продолжительность жизни, оказалось настоящим сюрпризом.
И прежде чем мы оставим такую запутанную тему, как ограничение калорий и связанные с этим сигнальные пути, давайте рассмотрим третью историю, которая, как и в случае с геном TOR, начинается с хлебных дрожжей. Однако в отличие от первооткрывателей TOR, которые даже не собирались исследовать ничего имеющего отношение к процессу старения, ученые в данном случае целенаправленно использовали дрожжи, чтобы выявить гены, связанные со старением. Клетки дрожжей делятся путем почкования, при этом от материнской клетки отделяется некоторое количество более мелких дочерних клеток. С каждым почкованием на поверхности материнской клетки остается шрам, и ей отпущено лишь ограниченное число делений. Эта неспособность к дальнейшему делению называется репликативным старением. Вы, конечно, вправе усомниться, что изучение этого довольно специфического свойства одноклеточных организмов, таких как дрожжи, может иметь какое-либо отношение к столь сложному явлению, как старение человеческого организма. Именно с таким скептицизмом[266] встретили коллеги из Массачусетского технологического института (МТИ) заявление Леонарда Гуаренте о том, что с помощью дрожжей он собирается бороться со старением.
Подобно многим молекулярным биологам, Гуаренте использовал дрожжи как удобный объект для изучения того, как включение и выключение генов контролирует транскрипцию ДНК в мРНК. В 1991 г., спустя три года после выхода отчета Джонсона о результатах исследования червей-долгожителей с мутацией в гене age–1, Гуаренте работал в МТИ. И когда два его студента, Брайан Кеннеди и Никанор Остриако, сообщили, что решили изучать проблемы старения, этот уважаемый ученый, уже завоевавший прочную репутацию в научных кругах, охотно согласился заняться совершенно новой для себя областью и тем самым кардинально изменить направление своей научной карьеры.
Сначала Гуаренте и его студенты обнаружили триаду генов из так называемого семейства SIR-генов (silent information regulator – гены регуляторов молчащей информации). Это семейство, в свою очередь, управляет генами, определяющими тип спаривания, или «пол», дрожжей. (Половое размножение дрожжей устроено сложно, и они умеют переключать собственный «пол» с одного типа на другой.) В итоге группа Гуаренте обнаружила, что наибольшее влияние на продолжительность жизни дрожжей оказывает один из этой триады генов, а именно Sir2. При увеличении количества белка Sir2[267] в клетках увеличивалась продолжительность жизни дрожжей, а мутация гена Sir2, напротив, ее сокращала. Эффект был не столь значительным, как двукратный рост, описанный у червей с мутацией в генах age–1 и daf–2. Но ученые точно установили ген, определяющий, сколько раз может разделиться материнская клетка, прежде чем иссякнет ее способность делиться. Это было тем более интересно, что Sir2 – высококонсервативный ген, и его аналоги были найдены у других биологических видов, включая мух, червей и людей. Вскоре группа ученых, к своему восторгу, обнаружила[268], что увеличение количества белка Sir2 у мух и червей тоже продлевало жизнь.
Но каков механизм, лежащий в основе этого эффекта? Вспомним, что геном человека можно перекодировать с помощью эпигенетических маркеров – химических меток, – прикрепленных к самой ДНК или к тесно связанным с ней белкам-гистонам. В общем случае добавление ацетильных групп к гистонам активирует соответствующие участки хроматина, а удаление – инактивирует. Оказалось, что Sir2 – это деацетилаза[269], то есть, как вы, должно быть, помните, фермент, который удаляет ацетильные группы с белков, таких как гистоны, и имеются данные, что эти действия отключают гены вблизи границ теломер и влияют на продолжительность жизни. Для функционирования Sir2 также необходима молекула никотинамид-аденин-динуклеотида (НАД), которая участвует в энергетическом обмене. Из этого следовало, что при недостатке питательных веществ в клетке для активации Sir2 ей не хватает свободных НАД. Неожиданно ученым удалось установить вероятную связь между Sir2 и ограниченным потреблением калорий, которая давно просматривалась в картине старения многих организмов, включая дрожжи. Очевидно, что и у мух, и у дрожжей[270] мутация в гене Sir2 сводила на нет преимущества ограничения потребления калорий для продления жизни, а у червей эффект Sir2 требовал присутствия daf–16 – того же самого транскрипционного фактора, который уже был описан у них как мишень сигнального пути ИФР–1. Внезапно все детали сложились воедино: мутация, влияющая на продолжительность жизни у дрожжей, оказалась связана с сигнальным путем, влияющим на старение червей, который, в свою очередь, задействован в процессах, возникающих при ограничении калорий.
Открытие мутаций, способствующих долголетию как у дрожжей, так и у червей, побудило Гуаренте и Кеньон опубликовать в журнале Nature восторженную статью о прекрасных перспективах решения проблемы старения. «При изменениях всего в нескольких генах, – писали они, – существа, которые должны были состариться, остаются молодыми. Человеческим аналогом таких мутантов были бы 90-летние люди, которые выглядят и чувствуют себя как 45-летние. На основании этого мы готовы рассматривать старение как болезнь, которую можно вылечить или, по крайней мере, отсрочить»[271]. Чуть позже они основали в Кембридже (штат Массачусетс) компанию со столь же оптимистичным названием – Elixir Pharmaceuticals.
Вскоре после своего первого успеха Гуаренте читал лекцию в Сиднее (Австралия). В зале сидел Дэвид Синклер, бойкий молодой аспирант, работавший над диссертацией в Университете Нового Южного Уэльса. Синклер был настолько впечатлен и воодушевлен идеями Гуаренте, что сумел убедить мэтра принять его в МТИ в качестве научного сотрудника. По завершении стажировки Синклер организовал собственную лабораторию в Гарвардской медицинской школе, на другом берегу реки в том же Бостоне, и продолжил работать над старением и Sir2, в сущности соперничая со своим бывшим наставником. Вскоре Синклер основал и собственную компанию, выбрав более информативное и менее амбициозное название – Sirtris Pharmaceuticals.
В те дни ученым не терпелось узнать, оказывают ли гены, соответствующие Sir2 у млекопитающих и человека, такой же благотворный эффект на продолжительность жизни и здоровье. У млекопитающих имеется 7 генов из этого семейства, обозначенных буквами и цифрами от SIRT1 до SIRT7. Эти белки, как и белки, аналогичные Sir2 у других организмов, получили общее название «сиртуины». (Белкам, активирующим другие белки, часто дают названия, оканчивающиеся на – ин: в данном случае сиртуины – Sir2–in.) Ген SIRT1 казался больше других похожим на Sir2, поэтому сразу привлек к себе внимание. Цель состояла в том, чтобы создать таблетку – или волшебный эликсир, – которая активировала бы сиртуины полезным для человека способом.
С этого момента история принимает несколько странный оборот – вполне во французском духе. Долгое время считалось, что распространенность сердечно-сосудистых заболеваний во Франции, несмотря на традиционно высокую калорийность пищи, относительно низкая именно потому, что французы пьют много красного вина. Синклер в сотрудничестве с биотехнологической компанией из Бостона установил, что в список веществ, стимулирующих SIRT1, входит ресвератрол. Энофилы по всему миру ликовали, ведь ресвератрол содержится в красном вине. Наконец-то появилось научное доказательство[272] преимуществ французского образа жизни! Их энтузиазм, по-видимому, не мог умерить даже тот факт, что для получения всего одной дозы ресвератрола, которая использовалась в этом исследовании, надо было бы выпить примерно тысячу бутылок вина.
Группа Синклера и их конкуренты, как им казалось, окончательно решили проблему, когда стали давать ресвератрол мышам, рацион которых был богат сахарами и жирами. Хотя лишний вес у подопытных животных сохранялся[273] и максимальная продолжительность жизни не увеличивалась, они оказались не подвержены болезням, связанным с перееданием: большинство из них доживали до старости, и их внутренние органы не были поражены, как у мышей, страдающих типичным ожирением.
Казалось, это именно то, чего так ждали заложники диеты из капусты и шпината: возможность есть нездоровую пищу в любых количествах без всяких вредных последствий. Синклер, никогда не стеснявшийся лишний раз напомнить о себе, в 2008 г. опять замелькал во всех новостях, когда фармацевтический концерн GlaxoSmithKline приобрел Sirtris за астрономическую сумму в 720 млн долларов. Синклер выиграл джекпот и в науке, и в бизнесе – по крайней мере, так это выглядело. Но уже в то время многие представители фарминдустрии сомневались в разумности этой покупки.
Сторонники использования сиртуинов столкнулись со значительным противодействием, в том числе, как ни удивительно, со стороны двух бывших коллег Синклера по лаборатории Гуаренте: Брайана Кеннеди и Мэтта Кэберлейна. Результаты их исследований, помимо прочего[274], показали, что, вопреки ранее полученным данным, ограничение калорий еще больше увеличивало продолжительность жизни у тех клеток дрожжей, в которых белок Sir2 отсутствует, так что эти два фактора, возможно, не связаны. Скорее всего, Sir2 мог действовать иначе, модифицируя программу экспрессии генов путем деацетилирования гистонов ДНК. Далее двое ученых объявили, что активность ресвератрола в SIRT1 объясняется присутствием флуоресцирующей молекулы, которая использовалась в качестве индикатора активации. Без этой дополнительной молекулы никакого роста активности не наблюдалось, так что даже нельзя было сказать, оказывает ли вообще ресвератрол какое-либо действие на SIRT1. Более того, Кеннеди и Кэберлейн не обнаружили никакого[275] воздействия ресвератрола как на активность Sir2 в дрожжах, так и на продолжительность их жизни. Фармацевтические компании обычно не тратят время[276] на то, чтобы обвинять друг друга в ошибках, однако ученые из Pfizer пошли на необычный шаг, опубликовав статью, в которой говорилось, что ряд других соединений, выявленных в лабораториях Sirtris, тоже не активируют SIRT1 напрямую.
Вмешиваясь в устройство какого-либо механизма, вы, скорее, выведете его из строя, чем улучшите его работу. То же самое с разработкой лекарств: многие из них действуют за счет ингибирования ферментов, и выпуск нового препарата, который повышает эффективность фермента, – более сложная и относительно редкая задача. Поэтому Glaxo своей покупкой Sirtris по заоблачной цене вызвала удивление в фармацевтических кругах. В конце концов корпорация прекратила работу над соединениями-лидерами (структурными прототипами будущих лекарственных средств), купленными у Sirtris, и закрыла это направление. Спустя пять лет после той сделки[277] в журнале Forbes вышла статья, в которой подводился итог этой истории и было высказано мнение, что лучший способ получить пользу от красного вина – это пить его, соблюдая меру.
Разумеется, в подтверждение высказывания немецкого физика Макса Планка о том, что доказательства неправоты обычно не заставляют ученых изменить точку зрения, Синклер и его коллеги не собирались сдавать позиции. Они попытались опровергнуть представленные оппонентами данные, заявив, что ресвератрол действовал в клетке вместе со вспомогательными соединениями, которые обладают такими же свойствами, что и флуоресцентные молекулы, использующиеся для мониторинга активности Sir2 в пробирке. За этим последовали новые комментарии[278], на сей раз в журнале Science, озаглавленные «И снова в центре внимания – красное вино».
Так или иначе, эти оптимистичные оценки стоит сверить с данными систематического исследования Национального института по проблемам старения, проведенного в 2013 г., в ходе которого было проверено несколько соединений, предположительно продлевающих здоровую жизнь или жизнь вообще, в том числе ресвератрол. Ни одно из этих веществ не оказало заметного воздействия на продолжительность жизни у мышей[279]. В списке были также куркумин, содержащийся в растении Curcuma longa, и экстракт зеленого чая – впрочем, не думаю, что какие-либо магазины здорового питания пострадали из-за публикации результатов этого исследования.
Надо сказать, что скептики усомнились не только в полезности ресвератрола, но и в самой идее использования сиртуинов. Sir2 увеличивает репликативную продолжительность жизни клетки дрожжей, но утрата способности к делению – это лишь один из видов старения у дрожжей. Существует еще хронологическая продолжительность жизни, показывающая, как долго дрожжи могут выживать в полуспящем (неделящемся) состоянии – например, когда заканчиваются питательные вещества. Активация Sir2 фактически сокращает хронологическую продолжительность жизни[280]. Что касается нас, людей, то за исключением, пожалуй, горстки сверхбогатых стариков мы больше обеспокоены не способностью размножаться в старости, а продлением жизни и сохранением здоровья.
Более поздние исследования также опровергают некоторые прежние выводы о влиянии Sir2 на продолжительность жизни. Если некий эффект объясняется мутацией, нужно убедиться, что, создавая модельный организм с этой мутацией, вы не изменили ни один из тысяч других его генов. Ученые выяснили, что перепроизводство Sir2 у червей и мух никак не сказывается на продолжительности их жизни, если только они не подвергаются еще каким-то манипуляциям, меняющим их геном. Этот факт заметно снизил интерес к сиртуинам как к потенциальному средству продления жизни, о чем свидетельствуют такие статьи в научных журналах, как «Кризис среднего возраста у сиртуинов» и «Старение: долголетие зашло в тупик»[281]. Стремясь защитить свою позицию, Гуаренте повторил эксперимент с червями, увеличив выработку Sir2, но не затронув при этом другие гены, и в результате был вынужден пересмотреть прежнюю оценку увеличения продолжительности жизни (на 50 %) и признать, что оно составляет всего около 15 %.
Вполне возможно, что сиртуином с наиболее выраженным действием окажется SIRT6: у мышей с дефицитом этого белка в течение двух-трех недель развиваются серьезные нарушения, а примерно через месяц такие мыши умирают. Этот белок тоже представляет собой гистондеацетилазу[282], которая способна влиять на экспрессию генов в теломерном хроматине, и некоторые исследователи предполагают, что он увеличивает продолжительность жизни мышей, причем в одном из исследований высказывалось предположение, что это происходит в результате активации репарации ДНК.
Показательно и то, что двое пионеров исследования сиртуина из лаборатории самого Гуаренте – Кеннеди и Кэберлейн, по-настоящему заслуженные и авторитетные ученые, – отказались от изучения сиртуинов и полностью сосредоточились на других аспектах геронтологических исследований, таких как сигнальный путь TOR и влияние на него рапамицина. Сиртуины, с их воздействием на гистоны, возможно, участвуют в механизмах экспрессии генов и генетической устойчивости и играют важную роль в физиологических процессах человека, которую нам еще предстоит понять. Но ажиотаж вокруг их роли в старении сошел на нет, если не считать самых убежденных апологетов. В геронтологическом сообществе многие[283] считают в высшей степени сомнительным, чтобы сиртуины были напрямую связаны с процессами, происходящими при ограничении калорийности пищи, или с увеличением продолжительности жизни.
Существует молекула, которая избежала судьбы сиртуинов, сохранив свою широкую известность, – это никотинамидадениндинуклеотид (НАД), который выполняет в клетке множество важных функций, в том числе связанных с сиртуинами. Организм производит это вещество[284] из никотиновой кислоты (ниацина) или никотинамида, которые представляют собой несколько различающиеся формы витамина B3; хотя наши клетки могут синтезировать НАД и из аминокислоты триптофана или в результате реутилизации некоторых распавшихся молекул.
В клетке НАД постоянно переходит из окисленной в восстановленную форму и обратно, помогая нашим клеткам «сжигать» глюкозу, которая преобразуется в разные виды энергии. Этот процесс называется клеточным дыханием, и без него мы не могли бы использовать глюкозу как источник энергии; впрочем, НАД в результате расходуется не слишком быстро, поскольку просто переключается между двумя своими формами. Однако НАД выполняет и другие важные функции, например участвует в репарации ДНК и переключении экспрессии генов через сиртуины, – и вот эти функции уже истощают его запас. Поэтому с возрастом уровень НАД у нас падает. Мозг является крупнейшим в организме потребителем глюкозы как топлива, и можно представить, насколько истощение запаса НАД может ухудшить его работу. Чревато это и многими другими[285] бедами, от воспалений до нейродегенеративных заболеваний. Вам может показаться, что как-то уж слишком много последствий от недостатка всего одного соединения, но это лишь говорит о том, насколько важен НАД для нашего метаболизма.
Клетки человека не могут получать НАД непосредственно из пищи. Но мы можем использовать соединения, которые являются прямыми предшественниками НАД, – из них наиболее распространены NR (никотинамидрибозид) и NMN (никотинамидмононуклеотид). Поищите информацию о них в интернете, и поиск выдаст огромное число сайтов, на которых утверждается, что либо тот, либо другой лучше всего подходит как биодобавка, замедляющая процессы старения, – в зависимости от того, что именно на этом сайте продается. Результаты одного научного исследования показывают, что у мышей повышение уровня НАД[286] путем введения в рацион NR или NMN замедляет убыль стволовых клеток и защищает животных от мышечной дегенерации и других симптомов старения; согласно результатам другого исследования, высокое содержание НАД дает увеличение продолжительности жизни. Впрочем, поскольку НАД играет центральную роль во всей биохимии нашего организма, его положительный эффект может быть вообще никак не связан с долголетием. Например, много лет изучающий метаболизм НАД Чарльз Бреннер отмечает: «Я прямо говорю людям[287], что NR не является лекарством, продлевающим жизнь, и что основания для его применения никак не связаны с сиртуинами, а связаны с острым или хроническим снижением редокса[288] и с его восстановительными функциями в условиях, когда система НАД оказывается под ударом. Меня, например, больше всего интересует его способность ускорять заживление царапин и ожогов». На сегодня у нас нет точных данных о действии NR и NMN[289] на организм человека, и до сих пор не проводилось долгосрочных исследований их пользы и побочных эффектов на людях. Что, впрочем, никак не мешает активно продавать эти вещества в качестве омолаживающих пищевых добавок (или БАДов), обладающих реальной или мнимой пользой для здоровья, но не подлежащих сертификации государственными органами, такими как Управление по контролю качества продуктов питания и лекарственных средств (FDA). Ежегодно в мире продается[290] добавок с NMN на сумму приблизительно 280 млн долларов, и, по прогнозам, к 2028 г. эта цифра приблизится к миллиарду.
Мы рассмотрели, как наши клетки управляют тонко настроенной программой синтеза белков – и как с возрастом эта программа начинает давать сбои. Простые меры – ограничение потребления калорий и разумная диета – могут существенно уменьшить ошибки программы, воздействуя на сложно переплетенные сигнальные пути. У исследователей старения большой интерес вызывает перспектива создания препаратов, которые будут ингибировать эти пути, достигая того же эффекта, что и ОК, но без диеты.
Однако клетка – это не просто мешок с белками. Она содержит крупные структуры и целые органеллы, которые должны слаженно работать, взаимодействуя друг с другом. Почему и когда эти связи нарушаются – актуальный вопрос, стоящий сегодня перед исследователями старения. А началось все, как ни странно, с одного очень древнего паразита. Мы привыкли думать, что паразиты вредны, но в этом случае все оказалось не так однозначно. С одной стороны, он помог нам эволюционировать и из одноклеточных микроорганизмов превратиться в сложных существ, какими мы сегодня являемся. С другой стороны, в нем заключается одна из главных причин нашего старения.