Вы совершили путь от червя к человеку, но многое в вас еще осталось от червя[20].
Один из замечательных результатов эволюции с точки зрения ученого заключается в том, что часто у разных животных имеются одинаковые гены, влияющие на продолжительность жизни и старение. Как заметил Жак Моно: “Что верно для E. coli, верно и для слона”. Этот факт позволяет использовать быстро развивающиеся организмы для обнаружения и детального анализа механизмов долголетия, чтобы потом быстрее проверить наши гипотезы на так называемых высших организмах (медленнее развивающихся, более сложных и дорогих, работа с которыми накладывает более строгие этические рамки), которые труднее использовать для объективных научных наблюдений. Вообще говоря, исследования старения чрезвычайно сильно выигрывают от использования короткоживущих модельных организмов просто по причине большой длительности исследований долгожительства у мышей или приматов – в отличие от таких научных направлений, как биология развития, поскольку формирование эмбриона у млекопитающих происходит не так уж долго. Когда мы понимаем, как действуют эти механизмы, нам проще понять их функционирование в наших собственных клетках.
Как изучают гены, контролирующие скорость старения? Один подход основан на стремлении понять, чем чрезвычайно долго живущие люди, например дожившие до 100 лет (глава 3), или долгоживущие виды, такие как гренландский кит и голый землекоп, отличаются от короткоживущих аналогов (илл. 2).
Илл. 2. Шкала продолжительности жизни от часов до дней для одноклеточных бактерий и дрожжей до нескольких сотен лет для гигантских черепах, китов, акул и моллюсков. Долгоживущие животные вызывают изумление, но исследовать их в экспериментальных условиях трудно. Проще работать с животными на другом конце спектра (от рыбки данио и назад). Все представленные здесь виды относятся к эукариотам, за исключением бактерий (они прокариоты); C. Elegans и все последующие организмы – многоклеточные.
Хотя полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) и секвенирование всего человеческого генома помогли идентифицировать гены, которые могут коррелировать с продолжительностью человеческой жизни, невозможно экспериментальным путем проверить роль этих генов у человека и долгоживущих животных (и даже если бы это было возможно, такие эксперименты были бы чрезвычайно длительными). Поэтому более мощный инструмент для изучения долголетия – идентификация генетических мутаций, увеличивающих продолжительность жизни, у короткоживущих животных. Революционные исследования долгожительства, проведенные на дрожжах, C. elegans, дрозофилах и мышах, сыграли важнейшую роль в формировании этого научного направления и положили начало современным исследованиям в области старения.
Человек не относится к разряду самых долгоживущих организмов на Земле, нам есть чему поучиться у некоторых природных мафусаилов. Организмы с очень большой продолжительностью жизни можно разделить на две категории: на тех, кто живет намного дольше человека, и тех, кто живет долго для своего размера, то есть имеет очень высокий коэффициент долголетия (LQ)[1]. В этом разделе мы сосредоточимся на животных, но следует отметить, что самые долгоживущие существа на Земле – деревья. В их числе колония осин возрастом около 80 тысяч лет и несколько других видов деревьев (главным образом голосеменных), возраст которых оценивается в 4 или 5 тысяч лет: остистые сосны из Большого бассейна, кипарис Абаркуха и Ллангернивский тис.
Многие наиболее долгоживущие животные на нашей планете обитают в море. Кроме нескольких видов китов есть и другие морские животные, не относящиеся к млекопитающим, с чрезвычайно большой продолжительностью жизни; среди них встречаются как очень крупные (например, акулы), так и сравнительно небольшие (моллюски и морские ежи). Скажем, океанический венус Arctica islandica живет несколько столетий. Одного такого моллюска, обнаруженного на исландском берегу в 2006 году, назвали Мин, поскольку сначала думали, что он появился на свет в эту эпоху[2]. Позднее с помощью радиоуглеродного метода анализа было показано, что Мин родился в 1499 году и чудесным образом прожил 507 лет, пока его не нашли и не заморозили, а потом открыли, чтобы подсчитать кольца (вот ведь…). Мы не знаем, сколько еще прожил бы Мин, не постигни его такая печальная участь, поскольку в его сердце не было обнаружено значительных окислительных повреждений белков или других признаков старения.
Морские позвоночные тоже могут жить очень долго: в 2016 году было показано, что гренландские акулы Somniosus microcephalus живут до 500 лет – это самая большая продолжительность жизни среди позвоночных животных[3]. Белки хрусталика глаза акулы формируются, пока акула все еще находится в икринке, и никогда не заменяются новыми, поэтому с помощью радиоизотопного датирования по этим тканям можно с большой точностью определить, когда именно сформировался глаз (отчасти исследователи ориентируются на “бомбовый пик”, связанный с накоплением в тканях радиоактивного углерода после ядерных испытаний в 1950-е и 1960-е годы). Анализ белков хрусталика 28 самок акул позволил оценить время рождения каждого животного; их возраст варьировал в диапазоне от 272 до 512 лет. Это довольно крупные акулы, поэтому на них никто не охотится, и живут они в очень холодной воде (2–5 °C), что, вероятно, замедляет их метаболизм. И оба фактора могут вносить вклад в их необыкновенное долголетие.
Приспособленность к холодной воде – не единственный способ прожить несколько столетий. Гигантская сухопутная черепаха Джонатан вылупилась в 1832 году на Сейшельских островах, а ныне живет на острове Святой Елены (и запечатлена на пятицентовой монете страны)[21]. Когда Джонатану было пятьдесят, его отправили с Сейшельских островов в подарок правительству острова Святой Елены. Сейчас ему 190, и на сегодняшний день это самое старое сухопутное животное. В январе 2022 года Джонатан побил предыдущий рекорд, принадлежавший черепахе Туи Малиле, дожившей до 189 лет. Известны примеры и других долгоживущих черепах. Говорят, что черепахи с Галапагосских островов могут жить примерно столько же, сколько Джонатан (однако я не уверена в справедливости слов моего гида Марио с острова Санта-Крус, который уверял, что галапагосской черепахе Луису 220 лет). Мы не знаем, почему черепахи живут так долго, однако маловероятно, что мы когда-нибудь будем ставить опыты на этих редких животных (поскольку это неразумно и неэтично).
Долгоживущие животные могут сообщать важную информацию, касающуюся также и людей, но вместе с тем они подчеркивают необходимость использования короткоживущих организмов в качестве модельных систем. Например, в 2015 году был прочитан геном гренландского кита[5]. Известно, что гренландские киты живут свыше 200 лет (как минимум один кит точно прожил больше 100 лет, что установлено благодаря анализу раны от гарпуна) и являются самыми долгоживущими млекопитающими. Для выявления генов, ответственных за долгую жизнь китов, были использованы разные экспериментальные и компьютерные методы; наилучшие результаты были получены при сравнении последовательности генома гренландского кита и малого полосатика (кита Минке) – родственного животного с продолжительностью жизни всего 50 лет, а также дельфина, коровы и других млекопитающих. Исследователи искали похожие гены с небольшими различиями в последовательности, рассудив, что эти малые различия могут иметь значение для больших различий в продолжительности жизни. Наверное, никого не удивит, что в этой работе были выявлены гены уже известных белков: супрессоров развития опухолей, таких как FOXO3; белков системы репарации ДНК (ERCC3); и белков сигнальных путей, контролирующих рост, развитие и продолжительность жизни (TOR, FGF и инсулин/ИФР-1; подробнее об этих генах мы поговорим в последующих главах). Интересно, что в исследовании был идентифицирован никотиновый рецептор альфа-10 (CHRNA10) – вспомним человеческий ген рецептора CHRNA3/5, обнаруженный методом GWAS (может быть, гренландские киты живут так долго, потому что не курят?). Изучая этих долгоживущих млекопитающих, ученые надеялись выявить новые гены, но обнаружили мало новых кандидатов – впрочем, требуется еще дополнительная работа. Самая большая трудность в идентификации “генов долгожительства” у долгоживущих организмов, как и в случае интерпретации результатов GWAS при анализе человеческого генома, заключается в проверке роли генов или SNP, поскольку такие эксперименты нельзя провести на китах. Проверить влияние каждого нового гена можно только с помощью короткоживущего модельного организма или культуры тканей. Но сочетание анализа аллелей-кандидатов и короткоживущих модельных организмов может дать полезный результат. Ученые надеются, что в последовательностях ДНК долгоживущих животных в конце концов будут обнаружены новые гены – помимо тех, что уже известны благодаря GWAS или исследованиям в модельных системах.
В целом с увеличением размеров животных увеличивается и их продолжительность жизни (вспомните о слонах и китах), но внутри вида иногда наблюдается обратная зависимость продолжительности жизни от размера. Например, как я уже упоминала, маленькие собаки обычно живут дольше больших; их продолжительность жизни имеет обратную корреляцию с уровнем ИФР-1, от которого зависит размер. В этом просматривается некая аналогия с увеличением продолжительности жизни людей в результате генетических вариаций, подавляющих рост. Например, синдром Ларона – это форма карликовости, при которой также наблюдается нарушение сигнальных путей с участием ИФР-1[6]. (Мы вновь замечаем, что инсулиноподобный фактор роста играет важную роль в связи между ростом и продолжительностью жизни.) Люди с синдромом Ларона имеют маленький рост, но у них ниже риск развития рака и диабета, а возможно, и других возрастных заболеваний. Эндокринологи изучают этих людей с целью понять столь интересное сочетание характеристик. Поначалу синдром Ларона был выявлен у нескольких пациентов в Израиле, но такие люди встречаются по всему миру, в том числе в некоторых южноамериканских странах, например в отдаленных районах Эквадора[7]. Интересно, что у некоторых эквадорских пациентов с синдромом Ларона среди предков были евреи из группы сефардов, эмигрировавшие из Испании в постинквизиторский период испанской колонизации Америки.
Возможно, самый интересный объект для изучения долгожительства – животные, которые живут дольше, чем следовало бы ожидать на основании их размера: это животные с высоким коэффициентом долголетия, LQ[8]. Значение LQ = 1 означает, что животное живет столько, сколько в среднем ожидается для животного такого размера, а у животных с очень большой для их размера продолжительностью жизни этот показатель намного выше единицы. Например, маленькая коричневая летучая мышь живет больше 30 лет, а Стив Аустад сообщил об обнаружении долгожителя среди летучих мышей – самца в возрасте 41 года. При этом размер тела летучей мыши сравним с размером тела обычной мыши, которая живет около двух лет. Следовательно, показатель LQ для летучей мыши чрезвычайно высок, почти 10. А сумчатые животные, такие как опоссум, и землеройки находятся на другом краю спектра значений LQ: они живут намного меньше, чем ожидается на основании их размера. Считается, что некоторые животные умирают вскоре после спаривания в результате гормональных всплесков, как лосось.
Большая продолжительность жизни летучих мышей по-прежнему остается загадкой, хотя новые технологии секвенирования помогают ее разгадывать. Как я упоминала в предыдущей главе, можно предположить, что их долгая жизнь связана просто с метаболической перестройкой при зимней спячке, однако некоторые летучие мыши, не впадающие в спячку, тоже живут долго. Возможно, отчасти их долгожительство связано со способностью ускользать от хищников благодаря умению летать, и положительный эффект зимней спячки тоже может объясняться отсутствием хищников. (Сама по себе зимовка тоже дает некоторые преимущества в связи с замедлением жизненных процессов.) Но до сих пор непонятно, как возможность ускользать от хищников изменяет животное на генетическом и молекулярном уровне, обеспечивая чрезвычайно долгую жизнь[9]. По-видимому, теломеры (концы хромосом, укорачивающиеся при каждом клеточном делении) летучих мышей с течением времени продолжают оставаться длинными[10], но мы не знаем, восстанавливаются ли теломеры летучих мышей эффективнее, чем у обычных мышей (за счет активности фермента теломеразной обратной транскриптазы, TERT). Возможно, сопоставление геномов и SNP мышей и летучих мышей, как при изучении гренландских китов, позволит определить новые гены, которые обеспечивают летучим мышам такую удивительную продолжительность жизни. Полногеномный анализ ДНК ночницы Брандта позволил выявить уникальное изменение генов сигнального пути инсулина и инсулиноподобного фактора роста 1[11], и это показывает, что хотя бы отчасти высокий показатель LQ для этой летучей мыши связан с ослаблением сигнальных путей ИФР-1 – наряду с низкой скоростью размножения, зимней спячкой, пещерным образом жизни и умением летать. Изучение экспрессии генов (мРНК) в специфических тканях также позволяет выявлять отличия, которые могут иметь значение для продолжительности жизни летучих мышей, и следует проанализировать эти гены и SNP, встроив их в обычных мышей и определив продолжительность жизни.
Если вас когда-нибудь интересовали исследования продолжительности жизни, вы могли слышать о голых землекопах – некрасивых маленьких грызунах, представляющих собой чудо долгожительства. Эти животные размером с крысу живут 30 лет и более, так что их показатель LQ равен как минимум четырем. Они не имеют шерсти, обитают в глубоких норах, ведут эусоциальный (общественный) образ жизни (у них есть королева и рабочие особи) и выживают в почве в токсичных условиях и при низком содержании кислорода. Короче говоря, это необычные и удивительные существа, которые еще и живут больше трех десятков лет. Кроме того, в отличие от своих родственников среди мышей, они редко болеют раком, и их здоровье, метаболизм и физиология клеток, судя по всему, очень слабо изменяются с возрастом – иными словами, это пример сокращения фазы болезней, которое и является целью исследований продления жизни. Голых землекопов изучают именно ради того, чтобы понять, как им удается жить так невероятно долго. Возможно, жизнь под землей предохраняет животных от нападения хищников и, следовательно, сокращает внешние факторы риска, как способность к полету позволяет летучим мышам жить дольше. Кроме того, они, конечно же, в меньшей степени подвержены влиянию ультрафиолетового излучения. Однако при этом они выживают в условиях недостатка кислорода и избытка углекислого газа, что требует специфических метаболических адаптаций. Наперекор теории старения под влиянием активных форм кислорода, судя по всему, голые землекопы живут долго не благодаря способности противостоять окислительному стрессу, поскольку в их белках наблюдаются значительные окислительные повреждения[12] и у них обычный уровень антиоксидантных белков.
В лаборатории Рошель (Шелли) Баффенштейн было показано, что голые землекопы характеризуются “незначительным старением”, то есть их смертность как бы не увеличивается с возрастом, что не наблюдается ни у каких других млекопитающих[13]. При этом в клетках голых землекопов выявлены многие характерные признаки старения[14], включая старческий секреторный фенотип (SASP), который ассоциируется с усилением воспаления и другими опасными возрастными изменениями. Это означает, что животные справляются со старением не за счет устранения SASP, и сохранение признаков стареющих клеток не противоречит слабой подверженности раку на протяжении всей их долгой жизни. Однако у животных усилены механизмы репарации ДНК, поддержания протеома, аутофагии и активности протеасом. Возможно, отчасти их усиленная сопротивляемость стрессу объясняется сохранением сплайсинга РНК[15], который у других организмов с возрастом изменяется (подробнее о сплайсинге РНК я расскажу в главе 8). Сравнительные геномные исследования показывают, что голые землекопы справляются со старением за счет регуляции процессов репарации ДНК и белков, сигнальных путей инсулина и TOR, сохранения теломерных повторов и подавления роста опухолей[16], а также за счет изменений митохондриального разобщения, влияющего на процесс термогенеза[17].
Удивительно простой и неожиданный (по крайней мере, для меня) механизм сопротивляемости раку у голых землекопов заключается в синтезе длинных высокомолекулярных цепей сахара, называемого гиалуроновой кислотой (ГК), с помощью гена синтазы гиалуроновой кислоты Has2[18]. Судя по всему, высокое содержание гиалуроновой кислоты позволяет животным сохранять эластичность кожи, необходимую для проскальзывания по узким подземным туннелям. В лаборатории Веры Горбуновой и Андрея Селуянова было показано, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота способствует устойчивости клеток к злокачественному перерождению. Чтобы проверить, не является ли эта способность к долголетию и нечувствительности к раку исключительной особенностью голого землекопа, следует проанализировать мышей с версией гена Has2 голого землекопа, на основании которого синтезируется высокомолекулярная версия ГК: может быть, это приведет к такому же фенотипу раннего контактного ингибирования, который голые землекопы используют для предотвращения рака. Это простой подход, так что экспрессия гена Has2 может стать полезным решением для других организмов и систем.
Как и голые землекопы, другие эусоциальные животные (у которых при одинаковом геноме существуют касты рабочих особей и королев) тоже имеют интересные особенности продолжительности жизни. У муравьев и пчел (например, Apis mellifera) есть королевы и социальная иерархия, при этом особи с разными общественными функциями имеют разную продолжительность жизни. Эусоциальные насекомые представляют собой наиболее досадный пример, противоречащий концепции компромисса между репродукцией и продолжительностью жизни, поскольку королевы этих видов живут очень долго и вместе с тем чрезвычайно плодовиты. Возможно, это достигается за счет разделения функций и регуляции инсулиновых сигнальных путей (глава 6) и метаболизма липидов[19], а молекулярные механизмы поддерживают экспрессию генов, характерную для каждой касты. (Об этих “эпигенетических” механизмах регуляции старения мы поговорим в последующих главах.) Модельные эусоциальные животные помогают в изучении таких аспектов долгожительства, которые могут быть интересны и для человека.
Изучение долгоживущих животных вызывает огромный интерес, но такие исследования продвигались медленнее, чем исследования с использованием традиционных модельных систем, поскольку нам не хватало генетических инструментов и генетических данных. Однако ситуация довольно быстро меняется благодаря появлению новых методов геномного анализа, техники с применением антисмысловой РНК и РНК-интерференции, а также редактирования генома (CRISPR). Возможность отключать, заменять и помечать гены эусоциальных животных позволит понять не только как активность генов воздействует на продолжительность жизни, но также как социальные структуры и кооперация могут влиять на продолжительность жизни отдельных особей и групп, что, в свою очередь, будет способствовать пониманию влияния этих же факторов на продолжительность жизни человека.
Каждый год в моем курсе о старении я прошу студентов предложить новую “модельную систему” и написать короткое сообщение, обратив внимание на следующие аспекты: 1) на какие вопросы в исследованиях старения помогла бы ответить данная система; 2) что нужно сделать, чтобы превратить эту систему в реальную лабораторную модель. Меня приятно удивил спектр организмов, предложенных студентами; среди них были лосось, черепаха Блендинга, новозеландский белый кролик, серый мышиный лемур (короткоживущий примат), бутылконосый дельфин, мармозетка (Callithrix jacchus), медоносная пчела (Apis mellifera), тихоходка (Ramazzottius varieornatus), асцидия (Ciona intestinalis), планария и коричневая сумчатая мышь (Antechinus stuartii). Любое из этих животных было бы полезным для изучения какого-то аспекта регуляции продолжительности жизни: истинная причина смерти семельпарных видов (лосось, сумчатая мышь), близкая гомология с человеком для изучения угасания когнитивной функции (лемур, мармозетка), исключительная устойчивость к стрессу (тихоходка), исключительная продолжительность жизни (черепаха), сон (белый кролик) и регенерация (асцидия, планария). Благодаря появлению новых генетических инструментов есть основания полагать, что такие организмы вскоре могут стать реальными модельными системами, и меня восхитило воображение студентов, предложивших новые модели для изучения старения.
Как я упоминала выше, одно из ограничений в исследованиях продолжительности жизни человека заключается в том, что на самом человеке невозможно проверить функцию генов, выявленных в ходе полногеномного поиска ассоциаций, так что это приходится делать на основании других данных. Такая же проблема возникает при изучении потенциальных генов долгожительства других долгоживущих животных, и в случае многих из этих интересных созданий либо не существует генетических инструментов для изучения новых генов, либо они живут настолько долго, что невозможно завершить эксперимент за разумное время. Так как же проверить функцию человеческих генов, обнаруженных с помощью GWAS или в ходе сравнительного анализа геномов?
Один подход: искусственным путем повысить или понизить активность этих генов в человеческих клетках in vitro (в клеточной культуре) и посмотреть, как долго клетки смогут жить или делиться. Клетки делятся только ограниченное число раз, а затем заболевают и умирают. Этот предел был установлен Леонардом Хейфликом из Института Вистара в Филадельфии в начале 1960-х годов и назван пределом Хейфлика. Клетки теряют способность делиться, поскольку стареют, что сопровождается характерными метаболическими и клеточными изменениями, включая укорочение теломер и секрецию токсичных метаболитов, отравляющих другие клетки (подробнее в главе 10). В клеточной культуре мы можем манипулировать интересующими нас генами с помощью молекулярных методов, а затем проверять влияние генов на старение клеток и другие параметры. Понятно, что это позволяет анализировать картину на клеточном уровне, но не отражает развитие событий в организме в целом.
Гораздо более трудоемкий, но потенциально более информативный подход к анализу функции генов, выявленных с помощью GWAS, – имитация изменений человеческих генов в организме мыши (иными словами, в изменении мышиной версии конкретного человеческого гена) с последующим анализом продолжительности жизни мыши и других параметров, связанных со здоровьем и возрастом. Однако проверка влияния гена на продолжительность жизни мыши занимает несколько лет, так что до начала подобных экспериментов хорошо бы получить более полную информацию о соответствующих генах. Оба подхода выигрывают от внедрения новых методов редактирования генома с применением системы CRISPR, позволяющей производить гораздо более тонкие модификации, чем удаление гена или усиление его экспрессии. Еще одна возможность – забежать вперед и заняться поиском лекарств, которые влияют на метаболические пути, выявленные генетическими методами. В случае APOE, CETP и других кандидатов, про влияние которых на уровень ЛПВП/ЛПНП нам уже известно, у нас достаточно экспериментальных данных, и мы можем двигаться этим путем, в частности по той причине, что сердечно-сосудистые заболевания – важное проявление возрастных изменений, которые можно изучать вместо продолжительности жизни.
Наконец, еще один подход к изучению старения – использовать для проверки роли потенциально важных генов и метаболических путей организмы, с которыми проще экспериментировать. В одном из первых экспериментов по изучению продолжительности жизни с применением “модельных систем”, выполненном в 1935 году, было сделано удивительное открытие об увеличении продолжительности жизни за счет ограничения калорийности питания (глава 7). Для изучения эффектов голодания в военное время Клив Маккей подвергал крыс разным диетическим ограничениям. Предполагалось, что хуже всего придется крысам, получавшим наименьшее количество калорий, но, ко всеобщему удивлению, оказалось, что именно они были наиболее здоровыми и моложавыми. Это открытие положило начало новому направлению исследований влияния пищевых ограничений на продолжительность жизни. Мыши стали для генетиков главной моделью среди млекопитающих (из-за их небольшого размера и легкости содержания, и поэтому для мышиных моделей разработано много генетических инструментов), хотя некоторые исследования роли питания до сих пор проводятся на крысах.
Наилучшими генетическими модельными системами служат короткоживущие организмы, поскольку они позволяют быстро проделывать много манипуляций и анализировать аспекты старения, имеющие отношение к человеку, а уже потом манипулировать генами старых животных для проверки влияния на продолжительность жизни. Для анализа такого рода мы применяем небольших беспозвоночных животных – рабочих лошадок в науке о долгожительстве. Хотя кажется, что черви и дрозофилы совсем на нас не похожи, на самом деле большинство генов у нас одинаковые. Благодаря этому можно изучать процессы, происходящие в человеческом организме, на модельных короткоживущих организмах и гораздо больше узнавать о генах и их взаимодействиях. Крохотные организмы помогли нам установить роль “генов старения”, о которой в противном случае нам пришлось бы только догадываться. И с помощью этих моделей мы можем не только считать, сколько раз делятся клетки, а за несколько недель проанализировать поведение животного и протяженность здорового периода его жизни.
Трудно переоценить пользу от применения модельных беспозвоночных животных в исследованиях долгожительства. Вполне вероятно, что без этих крохотных короткоживущих и доступных для генетических манипуляций существ мы бы сегодня знали о старении лишь немногим больше, чем в 1985 году. Возможность изменять уровень синтеза продукта гена (мРНК и белка) или визуализировать белки в живом организме, наблюдая за его старением (или отсутствием старения), полностью изменила наши представления обо всех элементах старения. Теперь мы видим, что происходит в реальности, а не просто теоретизируем или отслеживаем возрастные изменения, не понимая, какие из них сопутствующие, а какие причинные.
Фундаментальные исследования, проведенные на C. elegans и дрозофилах, проложили путь к пониманию возможностей регуляции продолжительности жизни у млекопитающих. Часто гены идентифицируют методом полногеномного анализа, проверяя их влияние на продолжительность жизни или на реакцию на стресс в этих модельных организмах, а потом подтверждают данные в экспериментах с мышами. Это логично, поскольку содержание мелких модельных организмов обходится дешевле и срок их жизни короче, и благодаря этому ученые разработали целый арсенал инструментов для манипуляций с генами и их анализа. Короче говоря, мы с гораздо большей вероятностью получим результат и проанализируем гораздо больше генов, работая с дешевыми короткоживущими существами. При работе с животными, изучение которых занимает годы, мы вынуждены подходить к отключению генов намного более избирательно, и содержание этих животных на протяжении нескольких лет обходится гораздо дороже. Если при анализе генома человека или долгоживущего животного обнаружен интересный ген, полезно переключиться на работу с каким-то мелким короткоживущим животным и проверить, каким образом функция этого гена связана с продолжительностью жизни. Можно отключить этот ген в червях или дрозофилах, усилить или ослабить его экспрессию или пометить его продукт флуоресцентной меткой, чтобы следить за его клеточной и субклеточной локализацией, но это также можно делать и в культуре тканей. Однако в живом организме видно, кроме того, как гены функционируют в специфических тканях и как это влияет на поведение животного и другие характеристики организма в целом, такие как продолжительность жизни и здоровье. Полезно также провести генетический скрининг для выявления других генов, взаимодействующих с изучаемым геном. В результате удается многое узнать о новом гене всего за несколько недель, не проводя двух- или четырехлетних экспериментов на мышах. Это полезно не только для расширения наших знаний, но и для выбора генов мыши, которые надлежит изучить впоследствии.
Исторически сложилось так, что первой модельной системой для генетического анализа стала плодовая мушка Drosophila melanogaster. Система была разработана генетиком Томасом Хантом Морганом и его коллегами еще столетие назад. Нет ничего удивительного, что именно на дрозофилах были проведены некоторые самые ранние эксперименты по изучению продолжительности жизни. Например, в одном длительном эксперименте, начатом в 1981 году, Майкл Роуз отбирал последнее потомство в каждом поколении мух. Через много поколений он установил, что потомки имели большую продолжительность жизни, чем исходные особи[20]. Удивительно, что эти мухи, кроме того, за всю свою жизнь откладывали и большее количество яиц (впрочем, они имели какие-то фенотипические нарушения). Эксперимент был проведен до начала современной эры полногеномного секвенирования, так что генетическая причина этих различий осталась неизвестной – возможно, они определялись совместным влиянием генов и окружающей среды, но было бы чрезвычайно заманчиво узнать, какие гены сыграли такую роль, в четыре раза увеличив продолжительность жизни мух по сравнению с их предками.
Линда Партридж открыла новую эру в изучении долгожительства на модели дрозофилы: сначала она исследовала влияние спаривания на продолжительность жизни[21], а затем перешла к рассмотрению роли генетики и питания[22], внеся заметный вклад в изучение продолжительности жизни дрозофил. По сравнению с мышами дрозофилы живут недолго, всего 40–50 дней, но у них богатая история участия в исследованиях развития, поведения и нервной активности в связи с проблемой старения. На протяжении десятилетий дрозофила была звездой генетических исследований, для работы с генами дрозофил было разработано много генетических инструментов, и это очень удобная система. Несмотря на малый размер, у дрозофил есть такие органы, как сердце, кишечник и сложный мозг, поэтому открытия, сделанные на этом организме, часто имеют очевидные корреляции с биологией человека.
Однако моя любимая модельная система для изучения продолжительности жизни – нематода Caenorhabditis elegans, и скоро вы поймете почему. В конце 1960-х годов генетик Сидней Бреннер, прочтя работы Элсворта Догерти, Виктора Найгона, Маргарет Бриггс и других авторов о свободноживущих нематодах, превратил C. elegans в модельную систему для изучения развития нервной системы, поскольку хороший компромисс между сложностью и простотой обеспечивал возможность для генетических манипуляций. Этот маленький червь помог открыть и изучить многие важнейшие клеточные процессы, лежащие в основе современной молекулярной биологии. За открытие “генетической регуляции развития органов и программируемой клеточной смерти” у C elegans Бреннер, Роберт Горовиц и Джон Салстон в 2002 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине, а родственная нематода C. brenneri была названа в честь Сиднея Бреннера.
Червей в лаборатории разводить несложно, поскольку они питаются бактериями, на одной чашке Петри могут жить сотни особей, а развитие от яйца до взрослой формы происходит за два дня (их также можно замораживать, что дает им преимущество перед дрозофилами для использования в лабораторной практике). В теле взрослого гермафродита C. elegans всего 959 клеток, и эти клетки не меняются и не заменяются новыми. То есть если организм живет дольше, это происходит потому, что все его клетки дольше остаются здоровыми, – и это важно отметить в свете нашего дальнейшего рассказа. Из 959 клеток сформировано лишь несколько тканей (нервная ткань, кишечник, гиподерма и мышцы), и во взрослом организме делятся только стволовые клетки зародышевой линии. Тело животного развивается стереотипным образом (каждый раз одинаково), что указывает на существование генетической программы клеточной смерти. Простая нервная система животного состоит всего из 302 нейронов, и с помощью техники электронной микроскопии удалось построить карту связей между этими нейронами и получить первый “коннектом” мозга животного.
Но самое главное достоинство C. elegans для исследований старения и долгожительства – это их короткий жизненный цикл. Продолжительность жизни взрослого животного составляет около трех недель – достаточно долго, чтобы проследить за его старением (и оценить его на количественном уровне), но и достаточно коротко, чтобы быстро проводить эксперименты. В 1980-е годы Майкл Класс обнаружил ряд долгоживущих мутантов, и это открытие предвосхитило все дальнейшие исследования в области долгожительства[23], поскольку определило канонические категории долгоживущих мутантов, о которых мы далее поговорим подробнее: мутанты с изменением инсулиновых сигнальных путей (с нарушением перехода к состоянию диапаузы и отсутствием возможности регулировать остановку развития на личиночной стадии), мутанты с ограничениями потребления калорий (мутанты eat, не способные переваривать бактериальную пищу), мутанты с нарушением циркадных ритмов (очень медленно растущие мутанты clk) и даже мутанты с потерей чувствительности и с увеличенной продолжительностью жизни (об этом подробнее в главе 13). (Диапауза – это длительная, но обратимая альтернатива личиночной стадии, в которую черви переходят, когда условия внешней среды не способствуют росту и размножению; Класс исследовал эту стадию.) Интересно взглянуть на статью Класса, поскольку в этом простом генетическом скрининге долгоживущих животных уже были выявлены главные пути, отвечающие за продолжительность жизни, причем это было до того, как мы научились быстро секвенировать и идентифицировать гены на молекулярном уровне.
В последующие годы изучение долгожительства как научное направление изменилось благодаря экспериментам с C. elegans. В 1988 году Том Джонсон из Университета Колорадо обнаружил долгоживущего мутанта, которого назвал age-1[24]. Позднее в лаборатории Гэри Равкана в Гарварде его клонировали и обнаружили ген фермента фосфоинозитид-3-киназы (киназы PI3)[25], действующего после рецептора инсулина/ИФР-1 и играющего важную роль в развитии рака. Однако еще до клонирования этого гена был идентифицирован другой “ген долгожительства”, что и произвело революцию в этой области исследований. Готовясь к проведению скрининга долгоживущих мутантов в 1993 году, профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско Синтия Кеньон обнаружила мутанта daf-2 с удвоенной продолжительностью жизни, хотя действующий ниже на том же пути ген daf-16 препятствовал удлинению жизни[26]. (Daf означает dauer formation defective, то есть нарушение фазы диапаузы; при умеренном повышении температуры мутанты daf-2 переходят в диапаузу в тот момент, когда не должны этого делать, а мутанты daf-16 не переходят в диапаузу, когда должны это делать.) Когда в 1997 году в лаборатории Равкана был клонирован ген daf-2[27], выяснилось, что он кодирует единственный рецептор червя, напоминающий рецептор инсулина/ИФР-1, а так как об инсулине знают все, это было чрезвычайно интересно, поскольку позволяло предположить, что аналогичные изменения могут повлиять и на продолжительность жизни человека. В результате клонирования гена daf-16[28] выяснилось, что он кодирует единственный транскрипционный фактор FOXO червя, который, как вы помните, позднее был идентифицирован с помощью GWAS в исследованиях долгожительства у человека. Постепенно один за другим были клонированы и другие гены инсулинового сигнального пути (от рецептора, регуляторных киназ и фосфатаз[29] до медиаторов транслокации FOXO в ядро и из ядра[30]) и была установлена их роль в регуляции продолжительности жизни червей, а позднее и других организмов. Эти открытия положили начало современной эре исследований долгожительства, показав, что мутации единичных генов могут увеличивать продолжительность жизни – а это полностью опровергало предположение Уильямса о том, что невозможно увеличить срок жизни за счет единичных изменений ДНК. (Вскоре я объясню проблему этой концепции “одного гена”.) И все же были скептики, считавшие, что увеличение продолжительности жизни достигается за счет специфического для червей перехода в диапаузу – обратимой остановки развития на личиночной стадии до достижения репродуктивной фазы[31]. В более поздних работах было показано, что эти события могут быть разделены во времени[32]. Как я отмечала выше, отключение гена daf-2 у взрослых особей все равно увеличивает продолжительность жизни, а это означает, что животным не обязательно проходить через диапаузу или сокращать рождаемость, чтобы жить дольше. Эхом ранней работы Класса стали эксперименты Зигфрида Хекими, который идентифицировал мутантов, имитировавших ограниченное потребление калорий (мутанты eat), и замедлил их развитие (clk и другие митохондриальные мутации)[33], расширив список долгоживущих мутантов, обнаруженных Классом.
Вскоре после волны публикаций о червях-долгожителях было установлено, что инсулиновые пути передачи сигнала связаны с регуляцией продолжительности жизни и у дрозофил тоже. Это произошло, когда в лабораториях Линды Партридж и Марка Тейтара было показано, что у долгоживущего мутанта chico изменен ген инсулинового сигнального пути, расположенный сразу за геном рецептора инсулина/ИФР-1[34], и что мушиный гомолог FOXO действует после инсулинового сигнального пути и тоже контролирует продолжительность жизни[35]. Поскольку у дрозофил нет состояния диапаузы, мы начали понимать, что можем узнавать кое-что о продолжительности жизни человека, используя в качестве модельных систем беспозвоночных животных, даже червей. Постепенно выяснилось, что все гены, связывающие сигнальный путь инсулина/ИФР-1 с активностью FOXO как у червей, так и у дрозофил, участвуют в регуляции продолжительности жизни. Позднее было показано, что эти гены влияют и на продолжительность жизни мышей, хотя понятно, что в организме млекопитающих ситуация сложнее.
Когда в 1990-е годы Крейг Мелло и Эндрю Файр описали принцип интерференции РНК (РНКи; за это открытие оба были удостоены Нобелевской премии)[36], стало проще проводить генетические манипуляции с червями. РНК вводят в тело червя, либо вымачивают его в растворе РНК, либо, еще лучше, кормят бактериями, которые синтезируют двунитевую РНК искомого гена, и в результате получается мутантное животное. Открытие РНКи создало возможности для широкомасштабного внедрения методов “прямой” генетики, под которыми понимают продвижение от отключения гена с известной функцией к определению характеристик организма (его фенотипа). В 2002 году в лаборатории Джули Аринджер была составлена полногеномная библиотека РНКи (варианты бактерий, в каждом из которых изменен один ген, для кормления червей)[37], что позволило проводить целенаправленный геномный скрининг в поисках любого интересующего фенотипа, включая долгожительство. Выращивание червей на бактериях с РНКи хотя и имеет некоторые недостатки, но осуществляется настолько просто и быстро (не нужно клонировать мутантов), что произвело взрыв в исследованиях долгожительства. Полногеномный скрининг с применением РНКи позволил обнаружить как уже известные, так и новые “гены долгожительства”, способствовав исследованиям митохондриальных генов, аутофагии, белков теплового шока, белковых трансляционных факторов и многого другого[38]. (В последующих главах я подробнее расскажу, как все эти процессы связаны с продолжительностью жизни.) Использование мутантов в сочетании со скринингом супрессоров РНКи позволило описать и упорядочить новые пути исследований. Создание червей, в которых РНКи происходит только в определенных типах клеток, а также получение трансгенных животных с экспрессией конкретных генов только в одной ткани помогло установить, где именно активны гены, а также изучить тканевую специфичность и клеточную автономию, которые трудно изучать традиционными генетическими методами, требующими манипуляций на уровне всего организма. Типичный путь исследования стал выглядеть так: 1) проведение генетического или РНКи-скрининга в червях с подробным описанием генетических механизмов; 2) проверка на дрозофилах с анализом более детальной органной специфичности; 3) проверка на мышах[22]. Появление автоматизированных инструментов для анализа долголетия дополнительно повысило эффективность и воспроизводимость анализа продолжительности жизни C. elegans[39].
Таким образом, возможность быстрого скрининга в модельных системах беспозвоночных животных сильно ускорила открытие генов, участвующих в регуляции продолжительности жизни. Современные методы позволяют свободно переключаться от GWAS и анализа генных сетей при скрининге C. elegans на изучение уровня экспрессии генов у пациентов[40], как мы это делали недавно в случае болезни Паркинсона. Возможность экспериментировать с разными системами повышает вероятность, что идентифицированные гены и пути имеют отношение и к человеку тоже.
Здесь, в книге, я в основном рассказываю о червях и дрозофилах, поскольку именно эти исследования внесли значительный вклад в наше понимание регуляции старения, особенно ее генетических механизмов. Возможно, вы заметили, что я не обсуждала экстремальные значения продолжительности жизни – у наиболее долгоживущих организмов (приматов) и наиболее короткоживущих одноклеточных организмов, однако обе группы также сыграли важную роль в исследованиях долгожительства.
Исследования самой большой продолжительности жизни проводились на приматах. Очевидное преимущество изучения приматов в том, что они очень близкие родственники человека; если какой-то фактор увеличивает продолжительность жизни макак-резусов, скорее всего, он увеличивает продолжительность и нашей жизни. Недостаток – слишком долгая жизнь (в среднем 25 лет), так что исследования могут тянуться десятилетиями, что непозволительно много для аспиранта, постдокторанта или даже ожидающего назначения профессора. Но и это было бы не критично, если бы в какой-то момент в ходе эксперимента вы не понимали, что экспериментальные условия уже не совсем такие, как в начале. Исследовательские группы из Национального института США по проблемам старения (NIA) и из Университета Висконсина в Мэдисоне предприняли долгосрочные исследования влияния потребления калорий и в конце эксперимента (через 30 лет) сравнили свои результаты[41]. Группа из NIA не обнаружила статистически значимого влияния диеты на продолжительность жизни, тогда как группа из Университета Висконсина заметила разницу. Замечательно, что обе группы совместными усилиями постарались найти причину расхождения результатов. Возможно, группа из Университета Висконсина кормила контрольную группу менее здоровой пищей (с более высокой калорийностью), чем группа из NIA, в результате чего животные из контрольной группы Университета Висконсина жили меньше, чем животные в исследованиях в NIA, что и привело к более значительному отличию от животных, питавшихся менее калорийной пищей. Несмотря на эти расхождения, исследователи продолжают собирать ценные данные о состоянии тканей обезьян; в любом случае избыток калорий в рационе питания теперь вполне типичное явление для западных людей.
Поскольку макаки-резусы живут долго, резонно задать вопрос, не стоит ли использовать каких-то других, более короткоживущих приматов не из разряда человекообразных обезьян, например лемуров, мармозеток или других небольших приматов. Южноамериканская мармозетка, или обыкновенная игрунка (Callithrix jacchus), в среднем живет от пяти до семи лет[42], гораздо быстрее достигает половой зрелости (к полутора годам по сравнению с тремя или четырьмя годами в случае макаки-резуса), рождает больше детенышей, меньше весит (всего 300–500 граммов по сравнению с 6–8 килограммами макаки-резуса) и страдает от некоторых возрастных изменений, аналогичных человеческим. Кроме того, благодаря маленькому размеру таких обезьян легче содержать. Эта модель используется не очень часто, но перечисленные преимущества, а также возможность применения нового метода редактирования генома CRISPR позволяют предположить, что мармозетки и, возможно, другие небольшие приматы будут полезны для исследований старения.
На другом краю спектра продолжительности жизни находятся самые короткоживущие организмы, такие как дрожжи и бактерии. Возможно, вас удивляет, что бактерии “стареют”, но, исходя из логики, как только появляется какая-либо клеточная асимметрия (когда клетки делятся не строго пополам), имеет место старение: исходная клетка старше той, которая от нее отделилась. В одном элегантном эксперименте было показано, что бактерия Escherichia coli (E. coli) с более старыми полюсами (концами) прекращает делиться раньше, чем бактерия с более новыми полюсами – что является некоей формой репликативного старения. Это означает, что одна из дочерних клеток всегда имеет более сильно поврежденные составляющие элементы (белки и ДНК), чем другая, что и приводит к асимметрии. Такая асимметрия еще ярче проявляется в клетках Caulobacter crescentus, которая живет в проточной воде и одним концом связывается с поверхностью камня, а другой конец использует для почкования. В результате прикрепленная клетка перестает делиться, тогда как новые отпочковывающиеся клетки продолжают размножаться.
Понятное дело, бактерии меньше похожи на нас, поскольку это одноклеточные прокариоты, а не эукариоты. Эукариоты, в том числе мы, имеют в клетках истинное ядро и некоторые другие общие структуры, такие как органеллы. (Скорее всего, эукариоты возникли в результате поглощения одним прокариотом другого прокариота, что привело к симбиотической связи между двумя клетками и эволюции наших современных митохондрий.) В качестве генетической модельной системы очень часто используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae – это простой эукариот, у которого меньше 6 тысяч генов и очень простая генетика, что позволяет, например, проводить гомологичную рекомбинацию и получать специфических мутантов. Поскольку это одноклеточный организм, с его помощью нельзя проанализировать все интересующие нас вопросы, но дрожжи помогли нам многое узнать об основах клеточной биологии, генетики и метаболизма.
Продолжительность жизни дрожжей определяют двумя способами. Можно измерить продолжительность жизни популяции, в частности после периода голодания; этот показатель называют хронологическим сроком жизни. В поисках генов, которые могли бы увеличивать период выживания дрожжей после наступления “стационарной фазы”, следующей за экспоненциальным ростом, было обнаружено несколько кандидатов, например ген SCH9 – гомолог гена протеинкиназы инсулинового сигнального пути млекопитающих (Akt). В свою очередь, SCH9 регулирует активность супероксиддисмутазы – одного из белков, помогающих справляться с окислительным стрессом. Ограничение калорийности питания тоже увеличивает продолжительность жизни дрожжей, как и животных. После первого полногеномного скрининга продолжительности жизни с применением РНКи у C. elegans[43] был проведен полногеномный скрининг делеционной библиотеки дрожжей (набора штаммов дрожжей с отключением отдельных генов) и были идентифицированы факторы, имеющие отношение к хронологической продолжительности жизни, а также исследовано влияние недостатка аминокислот и ингибирования белка TOR (target of rapamycin, мишень рапамицина)[44]. Выяснилось, что TOR – главный фактор хронологической продолжительности жизни. Но продолжительность жизни также зависит от таких белков, как протеинкиназа AMPK, которая реагирует на уровень энергетических запасов и играет роль в увеличении продолжительности жизни при ограничении калорийности питания у других организмов (подробнее о влиянии диеты на продолжительность жизни мы поговорим в главе 6).
Второй способ определения продолжительности жизни дрожжей основан на подсчете количества делений; этот параметр называют репликативным сроком жизни. Определяют его либо путем наблюдения за делением одной материнской клетки, либо путем подсчета “шрамов почкования”, остающихся после каждого деления. При отделении дочерней клетки от материнской поврежденные белки остаются в материнской клетке[45], а новые оказываются в дочерней: это великолепный механизм, гарантирующий постоянное возобновление лучшей версии организма. При анализе репликативного срока жизни дрожжей было обнаружено, что активация белка Sir2 оказывает положительное влияние на продолжительность жизни и что этот белок участвует в регуляции энергетического метаболизма NAD+/NADH, связанного с продолжительностью жизни (подробнее об этом – в следующих главах). Если судить по популярной прессе, известность дрожжам принесло открытие Дэвида Синклера об увеличении продолжительности жизни под действием химического вещества ресвератрола. Ресвератрол содержится в кожице винограда, и поэтому вино называют источником долголетия (впрочем, чтобы ресвератрол из вина повлиял на продолжительность жизни, нужно выпить столько, что это вызовет гораздо более сильный токсичный эффект). Идентификация дрожжевой энергетической сигнальной системы TOR и изучение ее роли в регуляции продолжительности жизни оказались чрезвычайно важны для понимания не только продолжительности жизни, но и регуляции клеточного роста. Тот факт, что дрожжи умеют передавать новые белки дочерним клеткам, оставляя старые и поврежденные белки в материнских клетках, указывает на наличие достаточно сложной системы, позволяющей сохранять “чистую” версию клеток и гарантирующей выживание последующих поколений. В этом механизме принимает участие белок Sir2, но позднее в лаборатории Угу Агиланью было показано, что аналогичный процесс омоложения белков в ооцитах C. elegans происходит без активации Sir2.
Один из недостатков исследований продолжительности жизни на модели дрожжей заключается в том, что эксперименты по репликации в этой системе довольно трудоемки: в частности, они требуют гораздо больших усилий, чем ежедневный перенос червей на новые чашки. Ученые разработали приемы для облегчения экспериментов (например, клетки охлаждают, чтобы замедлить процессы в ночное время, или окрашивают “шрамы почкования” вместо подсчета дочерних клеток), но эти сложности на протяжении многих лет тормозили прогресс в данной области, хотя было обнаружено несколько важных генов, таких как Sir2 и другие элементы пути с участием NAD+/NADH. Вообще говоря, полногеномный скрининг генетических элементов, связанных с репликативным сроком жизни дрожжей, был завершен только в 2015 году, через десять с лишним лет после того, как аналогичный скрининг был проведен в намного более “сложных” организмах, таких как C. elegans. И эта ситуация отличается от общей закономерности в других областях генетики и клеточной биологии, где обычно все начинается с опытов с дрожжами, поскольку с ними легче работать. Дрожжи прекрасно подходят для большинства генетических экспериментов и служат проверенной рабочей лошадкой в генетике, геномике и клеточной биологии, и без них не были бы созданы никакие модельные системы. Мы всегда сначала используем дрожжи для проверки новых методов, а уже затем переходим к работе с более сложными системами, такими как черви.
И тем не менее при всех своих преимуществах в настоящее время дрожжи – довольно сложная модель для изучения продолжительности жизни (когда я это пишу, я рискую потерять друзей и, возможно, будущее финансирование). К этому пониманию я пришла непростым путем. Я уже несколько лет работала с червями, когда Дэвид Ботштейн попросил меня провести в Принстонском университете курс лабораторных работ и использовать для этого дрожжи, поскольку у нас много реактивов для работы с дрожжами и другие участники проекта были специалистами по дрожжам. Я решила, что могу поучаствовать в этом деле, поскольку сама в нем заинтересована, и предложила нескольким студентам попытаться использовать мутантов дрожжей для изучения репликативного срока жизни, чего раньше никогда не делала. Мои студенты и я быстро осознали, что это, мягко говоря, бесполезный эксперимент. Вы либо раз в несколько часов отделяете дочерние клетки от материнских, либо замедляете процесс, поместив чашки в холодильник, – что не очень хорошо, поскольку на выполнение каждого эксперимента у нас было лишь несколько недель. Студенты были обескуражены тем, что изучать продолжительность жизни на модели дрожжей оказалось сложнее и дольше (смысл использования дрожжей как раз заключается в простоте и скорости экспериментов!), и поэтому мы переключились на более простой объект для этой работы – на червей, и я порадовалась, что в нашей лаборатории работают с червями (и для обучения студентов в будущем мы предпочитали червей).
Впрочем, высокоэффективные методы (быстрое параллельное тестирование), такие как “программа обогащения материнских клеток” и “программа обогащения дочерних клеток” Дэна Готтшлинга[46], а также микрофлюидные устройства для автоматического наблюдения за делящимися клетками облегчают проведение экспериментов по измерению репликативного срока жизни, что позволяет делать новые открытия и более точные измерения. Для клеточной биологии, геномики и эпигеномики особенно ценна возможность разделять популяции молодых и старых клеток. Например, в лаборатории Готтшлинга было установлено, что по мере старения в материнских дрожжевых клетках ослабевает функция лизосом, что приводит к изменению кислотности внутри клетки[47]. Лизосомы нужны для эффективного “отмывания” клетки от ненужных белков по механизму аутофагии, и нарушение функции лизосом приводит к потере клеткой способности делиться.
Возможность разделять старые и молодые клетки также позволяет изучать эпигенетические различия (глава 15). Например, коллекции дрожжей разного возраста позволяют идентифицировать связанные с возрастом эпигенетические факторы. Хотя дрожжи – маленькие одноклеточные организмы, они служат мощной модельной системой для изучения старения, особенно если учитывать их преимущества для исследований в области генетики и клеточной биологии.
Наконец, в последние годы в исследованиях старения появилась сравнительно новая модель – африканская голубая рыбка киллифиш (Nothobranchius furzeri). Киллифиш обитает в Зимбабве и Мозамбике во временных водоемах, образующихся в сезон дождей. В период засухи рыбки переходят в стадию диапаузы, но затем, всего через несколько недель, опять способны воспроизводиться. Их жизненный цикл должен укладываться в сезон дождей, и поэтому они живут всего три или четыре месяца. Это одно из самых подходящих существ для изучения долгожительства: это позвоночное животное, так что большинство процессов в его организме аналогичны процессам в организме человека; киллифиш можно выращивать в лаборатории, как полосатых данио; для манипуляций с киллифиш пригодны генетические инструменты, применяющиеся для работы с данио, включая CRISPR; наконец, это короткоживущая рыбка, так что эксперименты длятся недолго, даже более разумное время, чем эксперименты с мышами (от двух до четырех лет).
Впервые киллифиш стали активно применяться в исследованиях долголетия в лаборатории Анн Брюне в Стэнфорде: постдокторант Дарио Валенцано, который ловил и изучал этих рыб во время аспирантуры, занялся разработкой модели для исследования старения[48]. В лаборатории Брюне прочли геном рыбы, что помогло всему сообществу ученых[49]. Также там провели сравнительный анализ старения двух групп рыб, выловленных в двух водоемах и различающихся по продолжительности жизни из-за разницы в длительности диапаузы в сезон засухи. Наверное, вас не удивит, что ученые обнаружили несколько новых генов, но также подтвердили, что элементы сигнального пути с участием инсулина/ИФР-1 влияют на продолжительность жизни киллифиш. У рыб есть нервная система, и их можно использовать для изучения нейродегенеративных расстройств и поведения, в том числе в новых методах анализа способности к обучению[50]. Изучению генетики киллифиш способствовало развитие метода редактирования генома CRISPR[51]. В разных областях Зимбабве и Мозамбика обитают разные популяции рыб[52], что позволяет изучать зависимость продолжительности жизни от экологии и генетики. Замечательно, что в лаборатории Валенцано было показано, что перенос кишечной микробиоты от молодых рыб рыбам среднего возраста увеличивает срок жизни последних[53], и это интересное наблюдение подтверждает, что микробиота играет важную роль в долголетии. Этот метод исследования продолжительности жизни только начинает развиваться, но ввиду многочисленных преимуществ киллифиш мы можем получить идеальную модель как для объединения данных по позвоночным и беспозвоночным животным, так и для независимых исследований.
Если после прочтения моей книги у вас в голове останется хоть что-то, я бы хотела, чтобы это было понимание важной роли модельных систем и пользы фундаментальных исследований в биологии. Часто общественность узнает о научных открытиях только тогда, когда функция какого-то гена проверяется на человеке или на млекопитающих, однако до этого не менее десяти лет исследования ведутся на каких-то других, не столь заметных организмах вроде червей, мух, дрожжей или рыб. Не существует единственной модели, которая позволяла бы ответить на все вопросы, связанные со старением; разные системы дополняют друг друга. Такие исследования в модельных системах помогли узнать то, что нам сегодня известно о механизмах старения, и в последующих главах я расскажу об экспериментах, которые нас к этому привели.