Я обязан тебе чуть большим, чем половиной всего.

Если вам больше 35 лет, вы, наверное, бегаете не так быстро, как раньше. Про себя я это знаю точно и уже не надеюсь пробежать 100 метров с барьерами с такой же скоростью, как делала это в старших классах школы. Конечно, некоторые немолодые спортсмены преодолевают эти ограничения, и сегодняшние заслуженные мастера превосходят чемпионов первых Олимпийских игр. Так, в 1896 году 21-летний Томас Берк (США) преодолел стометровку за 12 секунд, но в 2009 году 57-летний Оскар Пейтон пробежал ту же дистанцию за 11,56 секунды. А вот результаты для долгожителей: в 2015 году 105-летний Хидэкиси Миядзаки пробежал стометровку за 42,22 секунды, а 101-летняя Джулия Хокинс по прозвищу Ураган – всего за 40,12 секунды. Столетний житель Нью-Джерси Лестер Райт, чья спортивная карьера была прервана Второй мировой войной, 30 апреля 2022 года на соревнованиях Penn Relays установил рекорд для столетних бегунов, пробежав 100 метров за 26,34 секунды. Но особенно меня вдохновляет история Иды Килинг – 105-летней мировой рекордсменки по спринтерскому бегу, которую тренирует ее собственная дочь Шелли Килинг (тоже мировая рекордсменка), а также история индианки Ман Каур, которая начала бегать в возрасте 93 лет, подгоняемая своим 79-летним сыном Гурдевом Сингхом[1]. Эти замечательные истории показывают, что можно сохранять активность и бойцовский дух даже в преклонном возрасте. Активный пропагандист фитнеса Джек Лаланн работал в буквальном смысле до последнего дня жизни и умер в 96 лет. Еще один героический столетний спортсмен, французский велосипедист Робер Маршан, установил рекорд для возрастной группы от 100 до 104 лет, преодолев за час расстояние в 26,93 километра. Хотя большинство столетних атлетов показывают результаты примерно на 78 % ниже мировых рекордов, показатели Маршана снижались лишь на 8 % каждые десять лет на протяжении более чем 60 лет. И если вам кажется, что это все-таки много, знайте, что результат Маршана лишь в два раза уступал результату Бредли Уиггинса (54,53 километра)[2], и такого показателя многие из нас не смогли бы достичь даже в среднем возрасте. Хотя анаэробные показатели (спринт) обычно сильнее изменяются с возрастом (как максимальная скорость передвижения червей, см. главу 5), аэробные показатели тоже снижаются, но только позднее. (Именно поэтому вместо бега на 100 метров с препятствиями теперь я участвую в троеборье, но не попробовать ли снова?) Это явление хорошо известно, так что организаторы марафонов устанавливают разные квалификационные параметры для разных возрастных групп. В 2019 году женщинам разрешали участвовать в Бостонском марафоне, если они ранее укладывались в 3 часа 35 минут, но если им было больше 35 лет, им добавляли дополнительные пять минут, а женщин старше семидесяти допускали до марафона даже с результатом 4 часа 55 минут.

Понятно, что у большинства из нас нет цели сравниться с мировыми рекордсменами или даже пройти отбор для участия в Бостонском марафоне, важно просто оставаться здоровым и в старости. Возрастное вырождение скелетных мышц – серьезная проблема, поскольку в результате саркопении (атрофии мышц) возникает слабость, приводящая к падениям, переломам костей и дальнейшей спирали тяжелых старческих болезней. Возрастное ослабление мышц объясняется неспособностью мышечной ткани поглощать кислород и справляться с накоплением в крови молочной кислоты. Отчасти эта проблема связана с изменениями в митохондриях – клеточных органеллах, ответственных за регуляцию производства энергии. Митохондрии играют ключевую роль в поддержании клеточного гомеостаза. Они регулируют производство энергии, метаболизм углеводов (цикл трикарбоновых кислот), метаболизм липидов, чувствительность к кислороду, апоптоз (программируемую клеточную смерть) и приток в клетки кальция и других ионов. Вероятно, лучше всего исследована функция митохондрий в скелетных мышцах, но они существуют в большинстве клеток (редкое исключение – зрелые эритроциты), в том числе в печени, жировой ткани и даже в области нейронных синапсов, где их задачи – обеспечение энергии и регуляция метаболизма. В нашем понимании митохондрии всегда были тесно связаны со старением, однако постепенно наши взгляды на роль этих органелл в возрастных нарушениях значительно изменились: мы перешли от идеи о возрастном ослаблении их функции и от их восприятия как источника вредных элементов к современному представлению об их роли сенсоров стресса и активаторов защитных механизмов, действующих, по сути, как эндокринные органеллы.

Так что же происходит сначала: ослабление функции митохондрий вызывает старение или возрастные изменения вызывают ослабление функции митохондрий?

Наверное, из школьного курса биологии вы помните, что “митохондрии – это клеточные электростанции”. Я не буду обсуждать здесь этот тезис, но эти маленькие структуры гораздо интереснее, чем следует из старого определения. Митохондрии – термин происходит от греческих слов “митос” (нить) и “хондрион” (зернышко) – помогают клетке превращать продукты разложения питательных веществ в энергию более эффективным путем, чем делали бы клетки без митохондрий, поскольку в многочисленных складках их внутренней мембраны (в “кристах”) упакованы молекулы специализированных ферментов, производящие энергетически богатые молекулы АТФ. Скорее всего, около 1,8–1,45 миллиарда лет назад ядерная клетка поглотила какую-то аэробную прокариотическую клетку (мы все еще обсуждаем, какую именно, но, судя по всему, это была α-протеобактерия), что привело к взаимовыгодному симбиотическому союзу: митохондрии выиграли в эффективности, передав в ядро большую часть своего генома, что позволило им быстро реплицировать собственный маленький геном, а клетка приобрела способность к аэробному дыханию и в результате смогла более эффективно производить энергию. Для клетки, поглотившей другую клетку, это была великая победа, поскольку в процессе аэробного дыхания митохондрии производят до 38 молекул АТФ при расщеплении одной молекулы глюкозы, тогда как в анаэробном процессе из молекулы глюкозы выделяется лишь две молекулы АТФ. Такой эффективности митохондрии достигают за счет использования протонного (H⁺) градиента, нарушающего равновесие электронов, и электрон-транспортной цепи (ЭТЦ), позволяющей передавать электроны между белковыми комплексами. В конечном итоге из энергии молекул NADH и FADH₂ в составе питательных веществ образуются молекулы АТФ. По сути, в молекулах АТФ, как в батарейках, запасается энергия, которая выделяется при расщеплении связей и переносе фосфатных групп. Весь процесс в целом называют окислительным фосфорилированием (ОКФОС). В процессе ОКФОС производство энергии осуществляется при участии кислорода, вот почему аэробным организмам нужен воздух. Важнейшую роль здесь играет разница в концентрации протонов с двух сторон от митохондриальной мембраны, которая создает “давление”, заставляющее электроны перемещаться и нивелировать это различие.

Уже не менее полувека ученые знают, что митохондрии теснейшим образом связаны с регуляцией продолжительности жизни. Вспомните, что одна из самых первых теорий о причинах старения, свободно-радикальная теория Хармана (1956 год), учитывала функцию митохондрий, поскольку свободные радикалы кислорода (активные формы кислорода, АФК) – побочный продукт процесса образования АТФ[3]. На протяжении десятилетий образование АФК считалось главной причиной возрастных изменений. По мере снижения эффективности производства АТФ в стареющих митохондриях в качестве побочных продуктов начинают выделяться супероксидные радикалы. Считалось, что эти радикалы кислорода вызывают мутации в находящейся поблизости митохондриальной ДНК (мтДНК) – в кольцевом геноме митохондрий, содержащем менее 40 генов (гены тРНК, рРНК и нескольких белков из комплексов ЭТЦ). Долгое время доминировала теория, что в результате повреждений кольцевой мтРНК нарушается ее репликация, что и является причиной старения. Но, как показал количественный анализ ошибок в процессе репликации и в процессе окислительных повреждений, лишь 15 % мутаций можно объяснить воздействием АФК, что в значительной степени подрывает основы теории повреждения митохондриальной ДНК под действием АФК или как минимум не позволяет считать этот процесс единственной причиной старения. Более того, в клетках содержатся сотни или тысячи молекул мтДНК, поскольку большинство митохондрий содержат по нескольку копий, а в каждой клетке содержатся сотни митохондрий. Вероятно, именно за счет этой избыточности большинство клеток способны выдерживать появление большого количества новых мутантных молекул мтДНК (до 60–90 %) до возникновения серьезных фенотипических патологий[4]. Это правда, что мутации мтДНК служат причиной тяжелых человеческих заболеваний, обычно врожденных, а крупные делеции в мтДНК мыши (например, в гене ДНК-полимеразы гамма) приводят к “прогероидному” фенотипу преждевременного старения с такими проявлениями, как седина, остеопороз, гипертрофия сердечной мышцы и саркопения. Однако у нас все меньше уверенности в том, что мутации, вызванные влиянием АФК, являются главной причиной обычного старения.

Тем не менее потерю функции митохондрий связывают со старением и возрастными нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезни Паркинсона, Альцгеймера и боковой амиотрофический склероз. Один из способов разрешения этого кажущегося противоречия – понять, что митохондрии одновременно участвуют в разных важных клеточных процессах, и не стоит удивляться, что многие из них нарушаются с возрастом, что влечет за собой нарушение клеточной функции. Теоретически этот порочный круг может одержать верх: повреждаются компоненты ЭТЦ, снижается эффективность действия дыхательной цепи, и усиливаются окислительные повреждения под воздействием АФК, причем не только в ДНК, но также в белках и липидах. Поврежденные митохондрии производят еще больше кислородных радикалов, а они вызывают еще больше нарушений.

Конечно, свободно-радикальная теория была привлекательна еще и тем, что соответствовала гипотезе Перла о “скорости жизни” (1928), поскольку животным клеткам с быстрым метаболизмом нужно больше энергии и, следовательно, они производят больше АФК и быстрее стареют. На самом деле специализированные ферменты, которые борются с АФК, находятся как в цитоплазме, так и внутри митохондрий: супероксиддисмутаза (СОД) превращает радикалы кислорода в пероксид водорода (H₂O₂), а каталаза превращает H₂O₂ в воду и кислород (O₂). Кроме того, такие белки и пептиды, как тиоредоксины, глутатион, пероксиредоксины и глутатион-пероксидазы, тоже поглощают АФК, тем самым защищая клетку. В 1996 году Джордж Мартин, который на протяжении нескольких десятилетий был одним из ведущих специалистов в области старения (и оставался авторитетом в исследованиях продолжительности жизни даже после 95 лет), назвал окислительные повреждения одним из “общих” (в эволюционном плане) механизмов старения[5].

Как минимум некоторые аспекты свободно-радикальной теории старения имеют под собой веские основания. Многие долгоживущие организмы производят больше СОД, что, наряду с производством каталазы, часто используется как маркер индукции путей долгожительства. Высокий уровень экспрессии СОД и каталазы наблюдается у долгоживущих мутантов червей и дрозофил и даже у моллюсков, которые живут на протяжении десятилетий или столетий. Более того, судя по всему, в некоторых случаях усиленная выработка этих ферментов помогает и животным жить дольше. Например, повышение уровня экспрессии СОД и каталазы приводит к увеличению продолжительности жизни дрозофил[6]. Кроме того, СОД может защищать фибробласты, поскольку скорость старения клеток, по-видимому, обратно пропорциональна содержанию СОД: снижение уровня СОД ассоциируется с некоторыми формами старения, а высокий уровень экспрессии СОД замедляет укорочение теломер и увеличивает срок жизни фибробластов. Мыши с повышенным уровнем экспрессии человеческой митохондриальной каталазы были более здоровыми и демонстрировали более высокую чувствительность к инсулину[7]. Использование антиоксидантов N-ацетилцистеина и витамина C позволяло избежать преждевременного старения мутантов C. elegans с мутацией гена alh-6, ответственного за производство митохондриального фермента катаболизма пролина[8]. Раньше считалось, что мутант isp-1 с пониженной активностью митохондриального железо-серного белка комплекса III живет дольше из-за пониженной скорости потребления кислорода и, соответственно, более слабой выработки АФК, но теперь предполагается, что затрагиваются и другие механизмы долголетия, включая аутофагию[9]. Таким образом, еще сравнительно недавно считалось, что свободно-радикальная теория – единственно правильная теория старения и лучшее, что мы можем сделать, это следовать по стопам Лайнуса Полинга, в больших количествах потребляя витамин C и другие антиоксиданты.

Однако в этой простой модели, предполагающей, что старение происходит в результате выделения вредных АФК при быстром метаболизме, наметились трещины. Например, остаются загадкой долгоживущие летучие мыши, которые, судя по всему, вырабатывают небольшое количество АФК, несмотря на высокую скорость метаболизма, и с возрастом сохраняют эффективный протеостаз[10]. Долгоживущие мутанты C. elegans с нарушением инсулиновых сигнальных путей и животные в состоянии диапаузы отличаются повышенной экспрессией гена sod-3, и на протяжении нескольких лет бытовала гипотеза, что это и есть ключ к их долгожительству – в соответствии с антиоксидантной теорией. Однако в наших экспериментах, анализируя результаты с микрочипами для daf-2/daf-16, мы обнаружили, что отключение sod-3 и гена каталазы с помощью РНКи лишь в незначительной степени (на 15 %) уменьшает продолжительность жизни долгоживущего мутанта daf-2[11]. Тогда это казалось противоречием – как из-за популярности окислительной теории старения, так и из-за того, что несколькими месяцами ранее была опубликована статья, в которой говорилось, что потеря активности sod-3 полностью отменяет увеличение продолжительности жизни мутанта daf-2. Однако выяснилось, что данный штамм не имел мутаций ни в гене daf-2, ни в гене sod-3, так что это был просто червь дикого типа (и статья в конечном итоге была отозвана). Более поздние исследования показали, что удаление sod-2 и sod-3 или всех пяти генов супероксиддисмутаз в нормальных условиях не оказывает заметного негативного воздействия (однако удаление sod-3 и нескольких супероксиддисмутаз было губительным при избытке кислорода и в других стрессовых условиях), что говорило о том, что они не настолько незаменимы, как считалось ранее[12]. Более того, синтез MnSOD или каталазы в митохондриальном матриксе значительно укорачивал продолжительность жизни дрозофил[13]. Наконец, в лаборатории Шелли Баффенштейн было показано, что большая продолжительность жизни непостижимого Мафусаила – всеми любимого голого землекопа – не связана с пониженным уровнем окислительных повреждений, отсюда и пошли статьи с названиями типа “Умирает ли свободно-радикальная теория старения?”[14].

Когда в начале 2000-х годов стала доступна библиотека РНКи для C. elegans, созданная Джули Аринджер[15], в лабораториях Кеньон и Равкана был проведен полногеномный скрининг, и в обоих случаях было установлено, что не усиление экспрессии, а отключение митохондриальных генов способствует увеличению продолжительности жизни[16]. Выключение некоторых компонентов митохондриальной электрон-транспортной цепи и аппарата окислительного фосфорилирования (которые действуют сообща для накопления энергии в форме АТФ) приводило к продлению жизни. Аналогичным образом блокирование функции ЭТЦ с помощью ингибитора комплекса III антимицина А тоже увеличивало продолжительность жизни. Позже аналогичные результаты были воспроизведены на дрозофилах. Применение РНКи в отношении компонентов комплексов I и IV увеличивало продолжительность жизни мух, даже при отключении этих элементов исключительно в нейронах, что позволяет предположить, что у мух и червей реализуются похожие механизмы[17]. И такая картина наблюдалась не только у беспозвоночных: мыши с ослабленной функцией фактора сборки цитохром-с-оксидазы SURF1 или редокс-зависимого белка электронного транспорта p66shc тоже жили дольше[18].

На первый взгляд кажется, что эти результаты повторяют результаты для isp-1, тем самым подтверждая теорию, что замедление метаболизма ослабляет образование АФК и продлевает жизнь. Не приходится удивляться, что отключение функции ЭТЦ в митохондриях червя сопровождалось ослаблением синтеза АТФ, что опять-таки можно интерпретировать в поддержку свободно-радикальной теории старения. Однако Диллин и Кеньон обнаружили, что удлинение жизни (а это фенотип взрослого организма) достигалось только тогда, когда компоненты ЭТЦ отключались в процессе развития, а если их количество снижалось во взрослом возрасте, это не оказывало никакого влияния, даже при снижении уровня АТФ. Этот результат позволил отделить нарушение функции митохондрий (и, вероятно, снижение уровня АФК) от увеличения продолжительности жизни. Более того, восстановление экспрессии во взрослом возрасте путем блокировки механизма РНКи также восстанавливало уровень АТФ, но не снижало продолжительность жизни. Следовательно, можно отделить влияние уровня АТФ от влияния отключения митохондриальных генов на продолжительность жизни, то есть механизм продления жизни не обязательно напрямую связан со снижением уровня АТФ и АФК. Скорее это говорило о существовании “критического периода” для реализации митохондриальной функции в процессе развития, информация о котором каким-то образом воспринималась и отражалась на продолжительности жизни животного в будущем, – это радикальная (обратите внимание!) идея о разделении во времени митохондриальной функции и регуляции продолжительности жизни. Мысль о том, что не АФК могут быть причиной долгожительства червей, в то время была почти еретической для всех, кто занимался вопросами старения и так долго придерживался свободно-радикальной модели. И поэтому возникал вопрос: если повреждения, вызванные АФК в результате ослабления функции митохондрий, не являются ключом к пониманию продления жизни, где же искать этот ключ?

В 1943 году генетик и бактериолог Эвелин Уиткин из лаборатории Колд-Спринг-Харбор, занимавшаяся изучением устойчивых к облучению мутантов и реакции на повреждения, вызванные низкими дозами УФ-облучения (“чек-пойнт”), обнаружила механизм SOS-ответа[19]. (Сейчас она живет в Принстоне, выйдя на пенсию после многих лет работы в Институте Ваксмана при Ратгерском университете, а в марте 2021 года ей исполнилось 100 лет!)[67] Теперь трудно себе представить, как это возможно, но она сделала это открытие тогда, когда все еще обсуждалась природа наследственного материала; все еще считалось, что носителем наследственности является белок, поскольку ДНК казалась слишком простой, чтобы кодировать жизнь. В конце 1960-х и в начале 1970-х годов Уиткин и Сьюзен Готтсман (Национальные институты здравоохранения США) обнаружили механизм ингибирования клеточного деления с участием протеазы Lon/Sfi, ответственный за реакцию на повреждения ДНК, индуцированные ультрафиолетовым облучением. При SOS-ответе стресс не является повреждающим агентом, но выступает в роли сигнала. Низкий уровень стресса индуцирует ответ, и компоненты этого ответа выполняют работу по защите клетки.

Результаты Диллана и Кеньон по РНКи в митохондриях подтверждают, что потеря митохондриальной функции индуцирует сигнал, который в конечном итоге влияет на продолжительность жизни организма, но только в том случае, если этот сигнал поступает в критический период в процессе развития. Вместо прямого воздействия, как в случае АФК, судя по всему, митохондрии при стрессе производят некий сигнал, который, в свою очередь, активирует защитный ответ, увеличивающий срок жизни. Такой путь от митохондрий к ядру впервые был обнаружен в клетках дрожжей и млекопитающих, в которых при нарушении функционирования элементов ЭТЦ включается “ретроградный ответ”. Отключение компонентов ЭТЦ или ингибирование их активности – а не просто снижение уровня окислительных повреждений – может индуцировать аналогичное защитное действие. Чтобы получить такой эффект, организму не нужно посылать сигналы из каждой клетки, но лишь из важных клеток. Например, ослабление функции митохондрий в нейронах и кишечнике червей увеличивает продолжительность жизни независимым и неаддитивным образом, при этом также наблюдаются неавтономные эффекты[20]. Кроме того, эти манипуляции помогли отделить продолжительность жизни от других митохондриальных фенотипов, таких как маленький размер, пониженная плодовитость и двигательные нарушения, что позволяет предположить: здесь задействованы регуляторные, а не прямые механизмы воздействия. Аналогичным образом в лаборатории Сильвии Ли (Корнеллский университет) было показано, что повышенная экспрессия транскрипционного фактора CEH-23, присутствующего в нейронах и клетках кишечника C. elegans, увеличивает продолжительность жизни и необходима для проявления этого эффекта, но не для каких-либо других фенотипов с отключением элементов ЭТЦ[21]. Умеренный стресс в митохондриях нейронов червя (нейронный “митогормезис”) тоже увеличивает продолжительность жизни[22]. По-видимому, существует какой-то сигнал, который передается от митохондрий нейронов к другим тканям и регулирует продолжительность жизни.

Подходящий кандидат на роль такого межтканевого сигнала продления жизни – митохондриальный ответ на несвернутые белки (UPR^mt)[23]. При активации UPR^mt в ответ на повреждение митохондрий происходит экспрессия сотен генов, участвующих в репарации поврежденных митохондрий, в противостоянии патогенам и защите белков. Реакция UPR^mt в результате стресса приводит к сдвигу от митохондриального импорта к ядерному импорту с помощью элегантного механизма. Прежде чем я начну описывать принцип UPR^mt, позвольте сказать, что он мне напоминает. Он напоминает об эпизоде из телесериала “Мистер Робот”[68], когда главному герою, хакеру Эллиоту, угрожает наркоторговец, которого тот прогнал. Понятно, что наркоторговец попытается убить Эллиота при первой возможности. Но Эллиот умен: используя телефон брата наркодилера, он выясняет все обстоятельства сделки и устанавливает автоматическую систему для передачи этой информации в полицию в виде сообщения, которое только он сам может отключить. Каждый день Эллиот должен отвечать на это сообщение, чтобы отключать сигнал. В тот день, когда он этого не сделает, сообщение не дезактивируется, и вся информация о наркодилере будет передана в полицию. Такая простая система обеспечивает Эллиоту безопасность.

По сути, именно так работает UPR^mt, и ключевую роль в этом механизме играет транскрипционный фактор ATFS-1. Подобно автоматическому сообщению Эллиота, сигнал ATFS-1 подавляется, если все идет нормально, но в исключительной ситуации, например при нарушении функции митохондрий (смерти Эллиота), ATFS-1 не получает команды отключения и переходит к действию[24]. Пока митохондрии функционируют, ATFS-1 импортируется в митохондрии и расщепляется протеазой Lon – тем же ферментом, который у бактерий участвует в SOS-ответе (как вы помните, митохондрии образовались из похожих на бактерии безъядерных клеток). Но если митохондрии слишком сильно больны или повреждены и не могут импортировать ATFS-1, он переносится в ядро, поскольку имеет еще и метку ядерной локализации (NLS). Попадая в ядро, ATFS-1 начинает индуцировать транскрипцию генов, участвующих в реакции на стресс. В соответствии с этим механизмом митохондрии не должны быть в рабочем состоянии, чтобы запустить ответ на стресс: повреждение системы запускает цепь событий, как при убийстве Эллиота. Интересно проследить эволюцию этого механизма, учитывая, что он использует древнюю бактериальную систему (протеазу Lon бактериального SOS-ответа), но при этом опирается на действие транскрипционного фактора, функционирующего в ядре и расщепляемого в митохондриях.

Когда исследователи стали проверять возможную роль UPR^mt в системном эффекте отключения ЭТЦ в нейронах, выяснилось, что понижение уровня компонентов митохондриальной ЭТЦ действительно индуцирует экспрессию маркера активности UPR^mt[25]. Другие факторы, такие как гомеодомен-содержащий транскрипционный фактор DVE-1, убиквитиноподобный белок UBL-5, митохондриальная протеаза ClpP и митохондриальный переносчик пептидов HAF-1, тоже нуждаются в помощи UPR^mt. Потеря UPR^mt-зависимого убиквитиноподобного кофактора UBL-5 ослабляла влияние на продолжительность жизни, вызванное исчезновением компонентов ЭТЦ. Более того, отключение генов ЭТЦ в нейронах индуцировало ответ UPR^mt в клетках кишечника, что позволяет предположить существование механизма передачи сигналов между тканями. Исследователи из лаборатории Энди Диллина из Калифорнийского университета в Беркли идентифицировали пару гистоновых деметилаз (jmdj-1.2 и 3.1), которые могут оказывать более продолжительное эпигенетическое влияние на этот стрессовый сигнал[26], что, возможно, объясняет временной зазор между отключением митохондриальных генов на стадии личинки L3/4 и увеличением продолжительности жизни взрослого животного, реализуемым по эпигенетическому механизму. Поскольку у jmdj-1.2 и 3.1 есть аналоги в клетках млекопитающих, которые также связаны с генами UPR^mt, а фактор ATF5 млекопитающих действует по аналогии с ATFS-1, вполне возможно, что эпигенетический механизм ответа UPR^mt эволюционно консервативен у многих животных, от червей до млекопитающих[27].

Для описания (неизвестного) сигнала, передающего митохондриальный стресс от одной клетки остальным клеткам животного, был предложен термин “митокин”[28] – по аналогии с цитокинами в иммунной системе. Само по себе нарушение функции митохондрий не является залогом увеличения продолжительности жизни червей, но результирующий стрессовый сигнал и активация ответа на стресс позволяют животному жить дольше. Сигнал от нейронов C. elegans к клеткам кишечника (где ATFS-1 активирует UPR^mt) передается при участии нейропептида FLP-2, который, по-видимому, и отправляет сообщение[29]. (Хотя можно возразить, что FLP-2 не соответствует определению “митокина”, поскольку образуется не в тех клетках, где повреждены митохондрии, а действует на пути передачи сигнала между нейронами и клетками кишечника.) Аналогичным образом стресс в нейронах и клетках глии контролирует сигнал, интерпретируемый рецептором нейропептидов NPR-28, который, в свою очередь, регулирует UPR^mt[30]. Все эти наблюдения позволяют предположить, что само по себе нарушение функции митохондрий не может полностью отвечать за изменение продолжительности жизни червей – скорее стрессовый сигнал нейронов неавтономным образом активирует систему UPR^mt и тем самым регулирует продолжительность жизни.

Как и у червей, нарушение ЭТЦ в митохондриях мышечных клеток дрозофил предотвращает возрастное вырождение мышц (это автономный клеточный эффект, то есть происходящий в той же клетке). Активацию UPR^mt и системное снижение активности инсулина вызывали путем индукции антагонистического к инсулину пептида ImpL2[31]. Повышение активности каталазы или глутатионпероксидазы предотвращало эффект, и это означает, что у дрозофил, как и у червей, для благоприятного системного эффекта требуется повышение уровня АФК. Интересно, что это открытие позволяет связать между собой два главных пути продления жизни – митохондриальную даунрегуляцию и инсулиновый сигнальный путь, ранее считавшиеся независимыми. Исследователи также заметили, что ортолог ImpL2 у млекопитающих (IGFBP7) тоже может влиять на передачу сигнала в ответ на нарушения функции митохондрий. (В последующей работе было показано, что путь с участием TGF-β задействован в передаче сигналов между мышечной и жировой тканью при участии митохондрий[32], что также связано с инсулиновым путем.)

Судя по всему, млекопитающие тоже используют “митокины” для передачи сигналов между разными тканями. Например, гормон млекопитающих фактор роста фибробластов 21 (Fgf21) связывает между собой аутофагию, функцию митохондрий и активацию транскрипционного фактора Atf4[33]. Мыши, не имеющие гена аутофагии Atg7, в частности в скелетных мышцах, были в целом удивительно здоровыми, несмотря на нарушение функции митохондрий скелетных мышц: они были более худыми и были защищены от индуцированного питанием ожирения и от устойчивости к инсулину[34]. По-видимому, это влияние на здоровье связано с индукцией Fgf21 под действием транскрипционного фактора Atf4 в ответ на нарушение работы скелетных мышц, приводящее к усиленному окислению жиров митохондриями и “побурению” белой жировой ткани (за счет индукции митохондрий). Иными словами, недостаточность механизма аутофагии вызывала нарушение функции митохондрий в мышцах, что способствовало Atf4-зависимому усилению экспрессии Fgf21, а это, в свою очередь, давало сигнал жирам и вызывало “побурение” белого жира и сокращение массы жировой ткани. Таким образом, у млекопитающих Fgf21 выступает в роли “митокина”, и общий механизм неавтономной индукции активности митохондрий в ответ на нарушение функции митохондрий, судя по всему, является консервативным для многих организмов – от червей и дрозофил до мышей. Возможно, вы уже слышали о факторе Fgf21 и помните, что его называют “гормоном голода”, поскольку он вырабатывается в печени животных при периодическом голодании и препятствует выработке инсулиноподобного фактора роста (см. главу 7). Мыши с высоким уровнем экспрессии Fgf21 живут дольше, что коррелирует с эффектом периодического голодания и митохондриальной дисфункции у червей. Эти результаты дополнительно подтверждают важную роль коммуникации между митохондриями и периферическими тканями и связь между путями долгожительства, опосредованными функцией митохондрий и инсулиновым сигналом[35].

Дополнительная связь между митохондриями и инсулиновым сигналом была выявлена при обнаружении митохондриальных пептидов (MDP) гуманина и MOTS-c. Эти небольшие пептиды транскрибируются с небольших открытых рамок считывания (кодирующих последовательностей ДНК) внутри генов рибосомной РНК в митохондриальном геноме. MDP были обнаружены лишь недавно, поскольку они крохотные и скрыты среди других генов очень небольшого митохондриального генома. Гуманин был обнаружен в результате скрининга факторов, взаимодействующих с протеином-3, связывающимся с инсулиноподобным фактором роста (IGFBP3)[36]. Судя по всему, IGFBP3 оказывает защитное действие, поскольку его количество уменьшается с возрастом, его больше у людей с семейной историей долгожительства, а в условиях in vitro он предотвращает гибель нейронов, индуцированную болезнью Альцгеймера. Взаимодействие митохондриального пептида гуманина с IGFBP3 – еще один уровень связи между инсулиновым сигналом и митохондриальными сигналами. Пептид MOTS-c, состоящий всего из 16 аминокислот, закодирован в короткой открытой рамке считывания в последовательности митохондриальной рРНК 12S[37]. По-видимому, MOTS-c участвует в регуляции метаболизма, в частности, контролирует уровень фолата, метаболизм глюкозы, гликолитические реакции и метаболизм жирных кислот в скелетных мышцах. AMPK регулирует активность MOTS-c, связывая митохондрии с метаболизмом питательных веществ. Лечение мышей, потребляющих большое количество жиров, пептидом MOTS-c предотвращало развитие ожирения и устойчивость к инсулину; таким образом, MOTS-c может выступать в роли эндокринного сигнала и является возможным кандидатом для применения в клинической практике.

Кроме MDP и “митокиновой” активации UPR^mt существуют и другие митохондриальные сигналы, оказывающие защитное действие. Например, “молекулярные фрагменты, ассоциированные с повреждением” (DAMP) могут выступать в роли неавтономных сигналов митохондриального стресса и активировать иммунный ответ[38]. Замечательно, что существование у млекопитающих таких факторов, как “митокины”, MDP и DAMP, означает, что при системном присутствии этих молекул здоровые реакции могут возникать и без отключения функции митохондрий, а может быть, и способствовать увеличению продолжительности жизни. Эти митохондриальные элементы, посылающие сигналы бедствия, могут стать новым классом препаратов для продления жизни.

Как разрешить это кажущееся противоречие: мутации в митохондриях могут быть причиной тяжелых заболеваний человека, таких как слепота, нейродегенеративные заболевания с ранним началом и другие нарушения, но ослабление функции митохондрий продлевает жизнь дрозофил, червей и даже мышей? Не нужно полагать, что разница объясняется различиями между организмами (честно говоря, обычно это отговорка), скорее следует обратить внимание на количественные данные. Подавление активности генов с помощью РНКи и гипоморфные мутации (ослабление функции) – более слабые изменения по сравнению с нулевыми мутациями (с полным исчезновением функции). Полное отключение митохондриальных генов приводит к нежизнеспособности потомства червей и дрозофил, но умеренные мутации вызывают лишь ослабление функции. Шейн Ри и Том Джонсон из Университета Колорадо провели тщательный количественный анализ влияния отключения митохондриальных генов у C. elegans и обнаружили три фазы ингибирования, отражающиеся в виде перевернутой U-образной кривой продолжительности жизни. При слабом ингибировании компонентов ЭТЦ они не выявили изменений в продолжительности жизни, при умеренном подавлении генов продолжительность жизни увеличивалась, а при максимальном отключении генов с помощью РНКи продолжительность жизни сокращалась[39]. Таким образом, ослабление функции одного и того же гена может как продлевать жизнь, так и вызывать пагубные последствия – в зависимости от степени подавления активности гена: небольшое ослабление функции – хорошо, а сильное может быть летальным.

В основе концепции гормезиса лежит идея, что небольшие повреждения индуцируют стрессовые реакции, способные в конечном итоге увеличивать продолжительность жизни. Путем настройки ответа на стресс организм не только переживает стрессовую ситуацию, но может продлевать себе жизнь – в какой-то степени в соответствии со словами Ницше о тяжелых испытаниях. Параллельно с данными о UPR^mt формируется новая концепция митохондриального гормезиса (“митогормезиса”): умеренный митохондриальный стресс и выработка АФК индуцируют системный ответ на стресс, а эта реакция помогает животному жить дольше[40]. Таким образом, индукция небольшого окислительного стресса может увеличивать продолжительность жизни. В рамках такой модели умеренное нарушение функции митохондрий повышает выработку АФК, причем АФК служат сигналом, а не повреждающим агентом. Исследователи из лаборатории Синтии Кеньон показали, что выброс АФК и выработка сероводорода после устранения клеток зародышевой линии способствуют удлинению жизни через индукцию как UPR^mt, так и транскрипционного ответа[41], из чего следует, что пути влияния на продолжительность жизни, которые ранее считались независимыми, такие как путь через зародышевые клетки и отключение митохондриальных генов, вообще говоря, могут использовать общие и параллельные сигналы и реакции для изменения продолжительности жизни в ответ на стресс.

Несколько тревожный вывод, который следует из модели “митогормезиса”: блокировка повреждений и результирующего сигнала окислительного стресса устраняет положительный эффект стресса. На самом деле употребление молодыми мужчинами витаминов C и E до четырехнедельной серии физических упражнений препятствовало повышению чувствительности к инсулину и другим полезным результатам упражнений[42]. Да, вы правильно прочли: витамины C и E не просто не принесли пользы, они блокировали полезное влияние физических упражнений. Это наблюдение шокирует, учитывая многолетние рекомендации по приему антиоксидантов, которые помогут нам жить дольше. В действительности же они могут перекрыть тот положительный эффект, которого мы добиваемся.

Так что же поддерживает “высокое качество” митохондрий при старении организма? Учитывая, что митохондрии играют очень важную роль в гомеостазе клеток и организмов, но при этом обладают настолько высокой скоростью метаболизма, что постоянно повреждаются, они должны иметь возможность постоянно себя исправлять и обновлять. Для этого у них есть несколько механизмов, регулирующих количество и качество ДНК, белков и самих органелл.

Важная задача, которую митохондриям приходится решать постоянно, – поддержание правильной стехиометрии (соотношения белков) своих ферментативных комплексов. Поскольку митохондриальные комплексы, производящие АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, содержат субъединицы, закодированные как в ядре, так и в митохондриях, для координации содержания белков должно соблюдаться “митоядерное равновесие”. Функция митохондрий нарушается, если нарушается соотношение между компонентами, произведенными в ядре и в митохондриях, необходимое для создания функциональных комплексов, как в случае дефектов мтДНК или митохондриальных аминоацил-тРНК. Червям и мышам для здорового старения требуется соблюдать соответствие между митохондриальной и ядерной ДНК[43].

Митохондрии сообщаются с ядром и ядерной ДНК и зависят от них. Они не кодируют собственную ДНК-полимеразу или ферменты репарации и поэтому полагаются на белки, закодированные в хромосомах ядра. Митохондриальная ДНК синтезируется ДНК-полимеразой гамма, которая отвечает за репликацию мтДНК, а также имеет экзонуклеазную активность (расщепляет ДНК), что важно для предотвращения мутаций, возникающих в процессе репликации, – своего рода контрольная функция. Действительно, отключение экзонуклеазной активности полимеразы гамма приводит к накоплению мутаций в мтДНК. Кроме того, существует связь между повреждением теломерных последовательностей (концов хромосом) и биогенезом митохондрий, что подтверждает важность коммуникации между митохондриями и ядром[44].

Для поддержания качества белков митохондрии используют убиквитин-протеасомный механизм деградации, позволяющий переправлять поврежденные или лишние белки к внешней митохондриальной мембране (с помощью фермента Vms1), где с ними связывается убиквитин (с помощью убиквитинлигаз E3), извлекает их из мембраны (с помощью Cdc48p) и направляет в цитозоль – в протеасому для расщепления[45]. Эта система аналогична пути деградации через эндоплазматический ретикулум.

Для нас еще один способ избавиться от мусора – запихнуть его в чужой мусорный бак. Со временем митохондрии могут накапливать такое количество повреждений (как на уровне ДНК, так и на уровне белков), что перестают нормально работать, и приходится каким-то образом избавиться от повреждений – либо путем митофагии (расщепления), либо путем переноса в другое место. Дрожжи умеют не только оставлять поврежденные белки в материнской клетке, не передавая их в дочерние[46], но также активно отправляют в дочерние клетки более эффективно функционирующие митохондрии (что определяется по восстановительному потенциалу)[47]. Нарушение этого механизма сортировки укорачивает продолжительность репликативного срока жизни. В этом процессе важную роль играет градиент кислотности и функция лизосом[48]. Аналогичным образом стволовые клетки млекопитающих преимущественно удерживают состарившиеся митохондрии в клетках-предшественниках, так что новым дочерним клеткам достаются более молодые митохондрии[49]. Подобно тому как признаки старения Дориана Грея отражались только на его портрете на чердаке, старые митохондрии остаются только в материнских клетках, а новые дочерние клетки сохраняются истинными “стволовыми” клетками и поддерживают эту функцию лучше, чем клетки, которые не способны к несимметричному митохондриальному наследованию.

Митохондрии создаются и размножаются в процессе биогенеза, который основан главным образом на активности двух ферментов (PGC-1α и PPAR-γ), регулирующих транскрипцию в митохондриях при участии митохондриального транскрипционного фактора TFAM и ядерных респираторных факторов NRF1 и NRF2[50]. Физические упражнения на выносливость могут стимулировать репарацию до начала биогенеза митохондрий. Митохондрии поддерживают свою целостность благодаря способности к слиянию друг с другом, расщеплению на более мелкие фрагменты и последующему устранению наиболее сильно поврежденных митохондрий. По-видимому, именно возможностью слияния объясняется переносимость большого количества поврежденных мтДНК, белков и липидов. В слившихся митохондриях может находиться много копий мтДНК, так что хорошие копии дополняют активность поврежденных – своеобразная коммунистическая система обобществления функциональных митохондрий. Здоровые молодые клетки скелетных мышц C. elegans обычно содержат длинные нити митохондрий, что говорит о том, что такая сетевая форма здоровее, чем более мелкие единичные митохондрии (их называют “фрагментированными”), появляющиеся в мышечных клетках при старении. Возрастные изменения проявляются весьма отчетливо: митохондрии становятся разделенными и фрагментированными и гораздо легче повреждаются. В стареющих клетках дрозофил они приобретают “скрученную” форму[51]. Очевидно, что такие постаревшие митохондрии не подлежат репарации, но у митохондрий существует несколько уровней контроля качества, позволяющих бороться с повреждениями в процессе старения.

Если митохондриальные белки повреждаются так, что не подлежат восстановлению, они могут накапливаться в одной части органеллы и потом, при делении митохондрий путем расщепления, оказываются в той, которая позднее направляется на уничтожение. Деление митохондрий за счет расщепления длинных (слитых) митохондрий на отдельные фрагменты – необходимый этап очистки и устранения повреждений; этот процесс называют митохондриальной аутофагией, или митофагией. Если митохондрии повреждены в такой степени, что не могут поддерживать нормальный потенциал на внутренней мембране, они разрушаются с помощью специализированной системы. Подобно тому, как нарушение Lon-опосредованного расщепления ATFS-1 служит сигналом для UPR^mt, сигналом для митофагии является нарушение импорта и расщепления PINK1 – серин/треониновой киназы митохондрий; нарушение импорта PINK1 приводит к ее накоплению на поверхности органелл. PINK1 привлекает убиквитинлигазу parkin, которая помечает белки внешней мембраны, предназначенные для расщепления по механизму аутофагии. А последующее слияние с лизосомой приводит к расщеплению митохондрии. Для реализации этого процесса митохондрии должны быть маленькими (фрагментированными). (Как следует из названия, белок parkin и киназа PINK1 связаны с болезнью Паркинсона, а мтРНК имеет отношение к другим формам нейродегенеративных расстройств.) Путем мечения и расщепления поврежденных митохондрий после преимущественной изоляции поврежденных белков и деления митохондрий клетки могут устранять поврежденные митохондрии и заново использовать их компоненты. Процесс митофагии чрезвычайно важен для здорового долголетия; блокировка этого пути у C. elegans предотвращает продление жизни, опосредованное клетками зародышевой линии[52].

“Лучше” ли связанные между собой нитчатые митохондрии, чем фрагментированные формы? Долгое время было принято считать именно так, но позднее картина усложнилась. В целом нарушение нормальной морфологии и динамики митохондрий изменяет продолжительность жизни. Но в разных исследованиях приводятся противоположные результаты[53]. Удивительно, что индукция деления митохондрий у дрозофил среднего возраста за счет экспрессии митохондриального белка деления Drp-1 увеличивает общую продолжительность жизни и продолжительность здоровой жизни[54], и аналогичным образом индукция деления митохондрий увеличивает продолжительность жизни червей. Это неожиданно, учитывая, что слитые цепочки митохондрий часто встречаются у молодых здоровых животных, тогда как тенденция к фрагментации усиливается с возрастом[55] и у мутантов с измененным инсулиновым путем митохондрии находятся в слитом состоянии[56]. Результаты для дрозофил вроде бы подтверждают, что раздробленное состояние митохондрий может быть здоровее, вероятно, за счет индукции митофагии, устраняющей поврежденные органеллы. Однако слитые нитчатые формы ассоциируются с молодостью и долгожительством во многих системах, при этом ингибирование как дробления, так и слияния увеличивает продолжительность жизни червей, но укорачивает продолжительность жизни дрожжей[57]. Более того, и дробление, и слияние необходимы для продления жизни в условиях ПО и ПГ[58], и, судя по всему, оба процесса отчасти вносят вклад в продление жизни в условиях РНКи в митохондриях (cco-1), но ни один из них не нужен для продления жизни за счет изменения инсулинового сигнального пути.

По большей части эти предварительные исследования, особенно с использованием C. elegans, концентрировались вокруг изучения мутантов с измененным характером дробления и слияния митохондрий или визуализации митохондрий в скелетных мышцах. Однако при чтении статей о митохондриях скелетных мышц не всегда понятно, что большая часть (более 90 %) митохондрий C. elegans, вообще говоря, содержится в клетках зародышевой линии[59], но мы почти ничего не знаем о морфологии этих митохондрий и их роли в регуляции продолжительности жизни. (И можно с полным правом задать вопрос, не связаны ли в действительности изменения в продолжительности жизни мутантов с митохондриями клеток зародышевой линии, а не с теми, которые мы обнаруживаем в соматических клетках.) Аспирантка из нашей лаборатории Ванесса Кота недавно исследовала морфологию митохондрий из клеток зародышевой линии и обнаружила еще одну функцию митохондриальной динамики – поддержание качества ооцитов[60]. В ооцитах молодых червей дикого типа содержатся нитчатые митохондрии, и их морфология не изменяется с возрастом или при понижении качества. Напротив, ооциты мутантов daf-2 с долгим периодом репродукции всегда имеют фрагментированные митохондрии (и это полностью противоречит нашим ожиданиям, поскольку митохондрии в их скелетных мышцах нитчатые), и они остаются фрагментированными и у молодых, и у старых животных. На самом деле, по-видимому, именно такая морфология позволяет мутантам daf-2 поддерживать здоровье митохондрий в ооцитах: фрагментированные митохондрии – обязательное условие высокого качества ооцитов. Индукция слияния митохондрий мутантов daf-2 приводит к снижению качества ооцитов и сокращению репродуктивного срока жизни, а для увеличения репродуктивного срока жизни нужен белок DRP-1, стимулирующий расщепление.

По-видимому, фрагментированная морфология митохондрий в ооцитах daf-2 способствует их репарации за счет ускорения митофагии, поскольку белок митофагии PINK1 также необходим для поддержания высокого качества ооцитов daf-2 и длительного репродуктивного срока жизни. На основании этих данных для daf-2 Ванесса предположила, что индукция расщепления и митофагии может улучшать качество ооцитов при нормальном старении. Действительно, она обнаружила, что обработка червей дикого типа в среднем возрасте уролитином А, способствующим митофагии, удлиняет репродуктивный период, из чего следует вывод, что фармакологическое воздействие на митохондрии может улучшать процесс репродукции. Следовательно, общепризнанный термин “фрагментированные митохондрии” необъективен и подразумевает, что такие митохондрии повреждены. Это может быть так, если раньше они были нитчатыми или организованными в протяженные сети, а стали раздробленными, однако, судя по всему, митохондрии в ооцитах daf-2 никогда не бывают протяженными, но всегда одновременно “фрагментированные” и “высококачественные”.

Не волнуйтесь, путаница возникает не только у вас в голове: действительно, я сообщаю вам плохо согласующиеся между собой данные о морфологии митохондрий, поскольку мы пока еще не видим всю картину целиком. Как объяснить все эти конфликтующие, на первый взгляд, данные? Одно из возможных объяснений: в разных условиях (или в разных клетках) требуется разная динамика или морфология митохондрий. Увеличение продолжительности жизни за счет изменения характера питания может происходить при перестройке митохондрий, параллельно с метаболическими сдвигами в специфических тканях и клетках, а также с взаимодействиями с другими органеллами, такими как пероксисомы и лозосомы[61], тогда как ослабление активности митохондрий индуцирует защитные механизмы при участии UPR^mt. А при удлинении жизни под действием сигналов инсулина/ИФР-1 задействовано гораздо меньше механизмов с участием митохондрий, поскольку FOXO тоже регулирует многие системы поддержания функции клеток, а в инсулиновом пути реализуется лишь отчаянный процесс митофагии, который также нужен для регуляции продолжительности жизни зародышевой линии клеток. Для прояснения этих загадок даже в такой сравнительно простой системе, как C. elegans, понадобятся дополнительные исследования метаболического состояния митохондрий в разных клетках и в разных условиях. Чтобы понять, как функционируют митохондрии млекопитающих, включая человека, очень полезно изучить, как митохондрии беспозвоночных животных регулируют продолжительность жизни и изменяются с возрастом на уровне тканей и организмов в целом.

Как использовать наши нынешние знания о митохондриях для создания терапевтических средств, способствующих продлению жизни? Важно помнить одно: неразумно просто блокировать функцию митохондрий или индуцировать митохондриальный стресс, который увеличивает продолжительность жизни у беспозвоночных животных. Как сообщил мне Коул Хейнс (который открыл механизм ATFS-1), “нарушение функций митохондрий – это плохо; например, прием таблеток цианида – нехорошая стратегия для продления жизни”. Иными словами, недостаток митохондриальной активности сам по себе не является положительным фактором, даже для червей, несмотря на увеличение продолжительности жизни: митохондриальные мутанты и животные с отключенными (с помощью РНКи) митохондриальными генами менее плодовиты, плохо обучаются, плохо запоминают и, честно говоря, выглядят тоже плоховато – тощие и несчастные. Еще хуже, что для увеличения продолжительности жизни митохондриальные гены следует отключить на ранних фазах развития. Это как если бы мы останавливали рост подростков, чтобы в будущем они смогли дожить до 100 лет. В целом мутанты с нарушенной функцией митохондрий – неудачная модель для изучения продления здоровой жизни.

Кроме того, дисфункция митохондрий у человека приводит к некоторым серьезным заболеваниям. Вообще говоря, митохондриальные мутанты иллюстрируют расхождение между продолжительностью здоровой жизни и продолжительностью жизни, о которой говорилось в работе Хайди Тиссенбаум (глава 5). (Именно поэтому сообщение Тиссенбаум о том, что не все долгоживущие животные – здоровые, не вызвало удивления у большинства биологов, работающих с червями, по крайней мере у тех, кто хоть раз видел митохондриальных мутантов.) Но изучение этих мутантов помогло идентифицировать механизмы, связанные с гомеостазом митохондрий, такие как UPR^mt и митофагия, так что оно играет важную роль в обнаружении потенциально безопасных механизмов продления жизни и здорового отрезка жизни. На самом деле результаты отключения митохондриальных генов у дрозофил и млекопитающих более обнадеживающие, поскольку показывают, что умеренный митохондриальный стресс (митогормезис) способствует усилению системной устойчивости к стрессу и улучшает здоровье в целом, и это достигается даже при отключении генов во взрослом возрасте. (Понятно, что физические упражнения являются формой умеренного митогормезиса.) Хотелось бы воздействовать на такие механизмы, которые продлевают жизнь за счет активизации в здоровых митохондриях.

Однако в некоторых ситуациях правильный подход – это ослабление функции митохондрий. Мы обнаружили это почти случайно, благодаря совместному проекту с участием Рейчел Калецки из нашей лаборатории и Вики Яо из лаборатории Ольги Троянской (Принстон), когда были идентифицированы гены, которые, возможно, отвечают за развитие болезни Паркинсона у человека и действие которых мы проверили у червей[62]. Вики и Ольга разработали метод diseaseQUEST, в котором для идентификации потенциальных болезнетворных генов используют сочетание анализа тканеспецифических генных сетей (в данном случае из нейронов) и полногеномный поиск ассоциаций (в данном случае в связи с болезнью Паркинсона). Поскольку мы не знаем, как болезнь Паркинсона проявляется у червей, мы использовали простой и объективный метод проверки – анализировали, как будут вести себя стареющие черви, если у них во взрослом возрасте отключить эти потенциально болезнетворные гены. В случае нескольких наиболее интересных генов мы наблюдали странное скручивание и заторможенные движения, напоминающие спазмы. Самым главным кандидатом как в списке diseaseQUEST, так и в нашем исследовании поведения был ген митохондриального фермента BCAT-1, участвующего в метаболизме разветвленных аминокислот (лейцина, изолейцина и валина). Ослабление синтеза BCAT-1 с помощью РНКи приводило к патологическому фенотипу, что было заметно даже по фотографиям, поскольку черви скручивались в форме маленькой буквы C. Проанализировав образцы, взятые от больных людей, мы обнаружили, что при спорадических случаях болезни Паркинсона происходит снижение экспрессии гена BCAT-1 в области черной субстанции, где проявляются многие нарушения, вызванные болезнью Паркинсона. У червей снижение экспрессии bcat-1 вызывает вырождение нервных клеток, ответственных за регуляцию моторной функции, вот почему они выглядят так, как будто у них спазмы.

Но мы не знаем двух вещей: почему снижение экспрессии bcat-1 вызывает вырождение нервов и как с этим справиться. Постдокторанты из нашей лаборатории Даниэль Мор и Салман Сохраби провели скрининг лекарств для разработки новых способов лечения. Сначала они кормили червей бактериями с bcat-1 РНКи на протяжении большей части их жизни после достижения взрослого возраста, а затем в середине жизни, когда уже наблюдалось скручивание, давали им лекарства и выяснили, что некоторые препараты останавливали нейродегенеративный процесс[63]. Одним из них был противодиабетический препарат метформин (о котором мы многое узнаем в главе 17), который может выступать в роли ингибитора комплекса I (точный механизм действия метформина неизвестен и, по-видимому, связан с несколькими функциями). Самый большой сюрприз нас ждал, когда Даниэль стала проверять функцию митохондрий. Отключение bcat-1 привело к повышению активности митохондрий и последующему выделению АФК, а использование метформина снижало активность митохондрий и выделение АФК. Кроме того, другой блокатор активности митохондрий, азид, тоже “устранял” симптомы болезни Паркинсона, вызванные отключением bcat-1 (только никто не захочет воспользоваться таким лекарством!)[64]. Таким образом, как минимум в некоторых случаях активизация функции митохондрий вызывает повреждения и гибель нейронов под действием АФК, а снижение этой активности помогает устранить проблему. Мы пока не знаем, можно ли использовать метформин хотя бы при некоторых формах болезни Паркинсона, но, возможно, он будет неплохим кандидатом в тех ситуациях, когда корень проблемы кроется в усилении активности митохондрий.

Митохондрии были ядром теорий старения более 50 лет. Однако представления об их роли в старении изменились: сначала считалось, что при их функционировании выделяются АФК и вызывают окислительные повреждения, накапливающиеся с возрастом, но потом их стали воспринимать как сенсор стресса, интегратор и источник сигналов, динамическим образом регулирующий скорость старения во многих тканях. Клеточные процессы, ответственные за проведение сигналов, репарацию и устранение митохондрий, играют ключевую роль в регуляции продолжительности жизни. Поскольку не все мы обладаем генетикой долгожителей и пока еще не существует лекарств для продления жизни, нельзя ли использовать известные нам данные о митохондриях, чтобы помочь себе жить дольше?

Пищевые ограничения и фармакологические активаторы стимулируют процессы в митохондриях, но самый простой путь к продлению жизни с помощью митохондрий – увеличение физической нагрузки. Физические упражнения имитируют некоторые аспекты митогормезиса, поэтому, пока митохондрии способны реагировать на стресс, физические упражнения помогают сохранять здоровье при старении. Упражнения помогают предотвратить саркопению и возрастное угасание когнитивной функции и работы сердца, как минимум отчасти благодаря стимуляции биогенеза митохондрий и поддержанию здоровья митохондрий в головном мозге и в стволовых клетках[65]. Физические упражнения оказывают очевидное влияние на мышцы: у шестидесятилетнего троеборца проявления старости заметно замедлены по сравнению с людьми, не занимающимися спортом, и, как мы обсуждали в главе 5, хорошая физическая форма является хорошим предсказателем большой продолжительности жизни. Элайн Слегбум и Адам Антеби обнаружили, что даже краткосрочные занятия спортом сопровождаются появлением важного признака улучшения клеточных функций – маленького ядрышка[66]. Исследователи из группы Моники Дрисколл придумали, как стимулировать червей заниматься физическими упражнениями, заставив их плавать несколько раз в день, и обнаружили, что животные не только дольше жили, но и дольше сохраняли память[67].

Неудивительно, что сейчас разрабатываются препараты, имитирующие действие физической нагрузки и активирующие митохондриальные механизмы, которые мы только что обсудили (см. главу 17). Например, с возрастом в организме снижается уровень NAD+, который необходим для нормальной работы митохондрий, и есть надежда, что добавки предшественника NAD+ никотинамидрибозида смогут затормозить возрастные изменения (на самом деле никотинамидрибозид в сочетании с аналогом ресвератрола птеростильбеном входит в состав капсул Basis производства компании Elysium Леонарда Гуаренте). В качестве имитаторов физической нагрузки предлагалось использовать кетокислоту α-кетоглутарат, AMPK активатор 14, уролитин A и эллаготанины, поскольку они стимулируют те же пути, что и физические упражнения. Снятый с производства активатор PPAR-δ под названием GW501516, выпускавшийся компанией GlaxoSmithKline, теперь исследуется в лаборатории Рона Эванса в связи с его действием при мышечной дистрофии – вероятно, именно такое применение этого лекарства будет лучше и эффективнее[68]. Проблема в том, что мы пока не знаем долгосрочных эффектов применения большинства подобных имитаторов физических упражнений, так что, каким бы заманчивым ни казался прием таблетки вместо упражнений, наверное, пока лучше следовать совету компании Nike: “Just Do It”. Не все мы станем такими, как знаменитый велосипедист и долгожитель Робер Маршан, но попробовать никогда не поздно.