Может быть, это правда, что жизнь в пятьдесят только начинается. Но все остальное начинает изнашиваться, отпадать или распадаться.

Старость – главный фактор риска развития многих хронических и неврологических нарушений, удлиняющих период пониженного качества жизни. Поэтому недостаточно узнать, как продлевать жизнь, нужно еще и научиться сохранять качество жизни по мере старения. Все мы видим, как происходит старение, но для лучшего понимания этого процесса нужны аналитические стандарты и количественные параметры. Измерение показателей “здорового периода жизни” поможет определить, позволяют ли меры по продлению жизни одновременно повысить и ее качество или они только продлевают фазу пониженного качества жизни. Модельные животные пригодны для определения характеристик качества жизни человека, в том числе таких аспектов, как угасание когнитивной функции (возрастная потеря памяти и способности обучаться), и поэтому являют собой мощный инструмент для изучения старения человека.

Приглядитесь к окружающим. Обычно мы легко с первого взгляда определяем возраст человека. Мы замечаем морщины на лице и седеющие волосы, мы замечаем походку и гибкость тела – и по себе знаем, как времяпрепровождение в выходные дни сказывается по понедельникам. Как член Верховного суда Поттер Стюарт умел распознавать непристойность[24], так все мы узнаем стариков, когда их видим. И если признаки старости столь очевидны для нас, кажется, мы должны уметь измерять их на количественном уровне – но как?

Для измерения параметров старения отдельно от параметров заболеваний было предпринято несколько масштабных лонгитюдных[25] исследований, например длительное Фрамингемское исследование состояния сердца. Некоторые из таких исследований финансировались Национальным институтом старения. Например, Натан Шок, который возглавлял Центр геронтологических исследований и одним из первых понял важность изучения старения как отдельного научного направления, предпринял Балтиморское лонгитюдное исследование старения (BLSA). В 1958 году Шок, Уильям Питер и Артур Норрис начали это исследование (после 1978 года в него включили женщин) для наблюдения за состоянием здоровых людей на протяжении многих лет. Они хотели “наблюдать и документировать физические, ментальные и эмоциональные эффекты старения у здоровых и активных людей”[26]. Логика исследования была такова, что наблюдение за людьми на протяжении времени, а не сравнение людей из разных возрастных групп поможет учесть роль факторов внешней среды, поскольку жизненный опыт и среда могут оказывать заметное влияние на здоровье человека. В исследовании рассматривались не только физические возрастные изменения, но и когнитивные изменения и развитие хронических заболеваний, которые являются важнейшими факторами старения[1]. Также отмечались поведенческие и внешние факторы.

Еще одно лонгитюдное исследование, предпринятое Университетом Раша с привлечением представителей религиозных орденов, началось в 1993 году с целью проанализировать возрастные изменения памяти и двигательных способностей[2]. Анализ когнитивных способностей и посмертного состояния тканей мозга более тысячи монахинь, монахов и священников со всей территории Соединенных Штатов позволит получить полезную информацию о возрастных изменениях когнитивных способностей. В таких исследованиях, как InCHIANTI[3], в рамках которого проводят наблюдение за пожилыми жителями Тосканы, или в долгосрочных эпидемиологических наблюдениях за здоровьем медицинских сестер ставятся другие задачи, но любое лонгитюдное исследование полезно для понимания связи между старением и заболеваниями.

Некоторые лонгитюдные исследования проводились таким образом или на таких группах населения, чтобы выявлять специфическую информацию именно в отношении старения. Например, в исследовании семей долгожителей (LLFS) наблюдали примерно за 5 тысячами американцев и датчан из семей, представители которых прожили очень долгую жизнь[4]. Участие принимали люди разного возраста (от 25 до 110 лет) обоих полов, но больше пожилых людей, чем во многих других исследованиях. В основном упор делался на анализ состояния “здоровых стариков”, чтобы понять, что помогает людям жить долго и при этом избегать болезней. Задача подобных исследований – собрать как можно больше данных для долгожителей и потенциальных долгожителей (людей из семей долгожителей), чтобы выявить общие закономерности и корреляции[5]. Важно, что исследователи не только наблюдали за поведением и состоянием здоровья людей, но и брали образцы крови для идентификации биологических маркеров возраста[6]. Наконец, в результатах обширных исследований и в базах данных, включая данные Биобанка Великобритании, содержится большой объем генетической и медицинской информации, не классифицированной по параметрам долголетия или каким-то другим характеристикам. Анализируя генетические и медицинские данные участников исследований и их семейную историю (например, возраст их родителей на момент смерти), можно вывести некоторые корреляции. Чем больше у нас информации, такой как генетическое строение и биомаркеры крови, характеризующие состояние сердечно-сосудистой системы, когнитивных способностей и наличие разных заболеваний, тем с большей вероятностью нам удастся понять суть процесса старения на генетическом и поведенческом уровне.

Многие люди в беседах со мной выражают беспокойство, что в погоне за увеличением продолжительности жизни мы просто удлиним фазу болезней, что, конечно же, было бы полнейшей катастрофой. Вообще говоря, когда я выступаю с публичными лекциями, вопрос на эту тему звучит одним из первых; и если я забываю показать видеозапись активных мутантных червей-долгожителей, находящихся в том возрасте, когда их нормальные сверстники уже умерли, кто-нибудь из присутствующих обязательно скажет, что мы боремся лишь за несколько дополнительных лет жизни плохого качества. Действительно стоит задуматься: долгожители дольше живут хорошо или просто живут дольше? Пытаясь ответить на этот важный вопрос, Измаил и его коллеги в 2016 году проанализировали данные для здоровых долгожителей, обращая внимание на наличие возрастных заболеваний (рака, сердечно-сосудистых заболеваний, гипертензии, остеопороза и инсульта) и пользуясь информацией для двух групп людей (участников исследования столетних людей из Новой Англии и проекта по изучению генов долголетия), по сравнению с данными для людей из контрольной группы с нормальной продолжительностью жизни[7]. Откладывая на графике “продолжительность жизни без болезней”, они обнаружили, что у долгожителей возрастные заболевания начинаются значительно позже. Иными словами, у них удлиняется здоровая часть жизни, а не просто дряхлое старческое существование. Это очень важное наблюдение; оно противоречит мрачному предположению, что более долгая жизнь – это всегда жизнь более низкого качества. У долгожителей наблюдается “сокращение фазы болезней”, которое Джим Фрайс и другие исследователи считают оптимальным способом продления жизни. По крайней мере, для людей, достигших или почти достигших столетнего возраста, продление жизни происходит не в ущерб хорошему здоровью. Итак, результат исследований людей с чрезвычайно большой продолжительностью жизни понятен, но его следует сформулировать более строго: долгожители живут дольше, поскольку дольше сохраняют здоровье. Наверное, это кажется очевидным, но все же для скептиков это следует подчеркнуть еще раз, поскольку слишком часто повторяют, что, продлевая человеческую жизнь, мы продлеваем старческий период. Если вы оптимистично настроены в отношении значимости исследований долгожительства, наверное, именно такого результата вы и ожидаете, но его следует подтвердить, а не просто с ним соглашаться. И если мы способны понять, почему у долгожителей такая долгая жизнь, использование этих знаний в отношении других людей не просто удлинит их жизнь, но удлинит ее здоровую часть, не отягченную болезнями. В этом и заключается цель исследований долголетия и старения.

Вспоминая, как старели наши родственники, мы учитываем потерю когнитивной функции, подвижности и автономности (для описания этой возрастной потери прочности в клинической практике используется термин “хрупкость”). Способность удерживать равновесие, сила и выносливость ослабевают с возрастом, внося свой вклад в повышение хрупкости организма. Как я уже отмечала, с возрастом изменяется и походка[8], что само по себе может значительно влиять на качество жизни, поскольку подвижность – ключ к независимости. Походка меняется потому, что зависит от активности мышц и нервов. Старые люди часто не просто медленнее ходят, но и шире расставляют ноги, стараясь удержать равновесие, вот почему мы так легко распознаем “старческую походку”. Геронтологи отмечают, что скорость передвижения – хороший метрический критерий общего состояния здоровья. Поэтому клиницисты разработали простую серию тестов физического функционирования SPPB (Short Physical Performance Battery)[9]. В этой серии тестов человека просят много раз подняться со стула, удерживать равновесие при разной постановке ног, а также измеряют время прохождения короткого расстояния (в разных исследованиях от 8 футов до 4 метров). Хотя тест очень прост, он позволяет предсказать, как долго пациент сможет жить самостоятельно (не в доме престарелых), а также обнаружить ослабление функций организма[10]. Применение SPPB для оценки состояния участников исследования InCHIANTI позволило точно предсказать потерю подвижности и дееспособности в течение трех лет[11]. В более позднем исследовании BLSA были использованы трехмерные параметры походки, что подтвердило предыдущие наблюдения о снижении скорости передвижения и общей подвижности тела с возрастом.

Следующий важный вопрос: какие системные параметры изменяются с возрастом человека? Изменения, строго коррелирующие с возрастом, могут рассматриваться как биомаркеры старения. В рамках проведения LLFS Паола Себастиани и ее коллеги проверили 38 факторов, циркулирующих в крови здоровых людей, чтобы найти хорошие биомаркеры старения[12]. Выбор этих факторов обоснован тем, что, по данным предыдущих исследований и клинической практики, они могли быть связаны с возрастными заболеваниями. (Важно отметить, что в анализе такого рода не учитываются факторы, которые ранее не ассоциировались со старением, поскольку выбор факторов для проверки делается заранее на основании обычных клинических измерений; в этом отличие, например, от методов объективного полногеномного или протеомного анализа, которые позволяют выявить новые биомаркеры при условии, что белок присутствует в крови и его можно измерить.) Оказалось, что большинство проанализированных циркулирующих факторов (34 из 38) каким-то образом изменялись с возрастом, а некоторые очень сильно зависели от возраста. Например, сильнейшая корреляция с возрастом была обнаружена для так называемого N-концевого прогормона мозгового натрийуретического пептида (NT-proBNP), уровень которого коррелирует с застойной сердечной недостаточностью. Среди других потенциальных маркеров старения можно назвать цистатин, дегидроэпиандростерон (DHEA) и растворимый рецептор конечных продуктов гликозилирования (sRAGE). В будущем эти маркеры могут оказаться полезными для изучения возрастных заболеваний, но в исследовании не был выявлен какой-либо уникальный биомаркер, который мог бы служить мерой возрастных изменений. Для выявления качественных биомаркеров нужны более объективные исследования, но еще для этого потребуются более специфические данные, чем обычные, повсеместно измеряемые клинические показатели.

А что можно сказать об очевидных и заметных возрастных изменениях? Кроме анализа походки обычно мы хорошо умеем определять возраст других людей (или скорость их старения) просто по лицу. Как все мы знаем (или уже пережили на собственном опыте), лица очень сильно меняются с годами. Почему лица так прискорбно хороши для определения возраста? Лица стареют под влиянием как внутренних, так и внешних факторов. К внешним относятся избыток солнечной радиации (УФ-повреждения) и курение, которые, как все мы знаем, пагубно влияют на состояние кожи. Стресс тоже ускоряет старение лица. Возможно, вы помните пронзительный взгляд зеленых глаз двенадцатилетней афганской беженки Шарбат Гулы, фотография которой была напечатана на обложке журнала National Geographic в 1985 году. В 2002 году тот же фотограф, Стив Маккари, сфотографировал ее еще раз. Большую часть жизни женщина прожила в бедности и в состоянии стресса[27]. Хотя второй снимок был сделан всего через 17 лет после первого, женщина сильно постарела и выглядит гораздо старше своих тридцати. Жизнь ее была тяжелой, и это отразилось на лице.

Внутренние факторы мы все еще продолжаем идентифицировать, но известно, что к их числу относятся основные метаболические функции организма. С возрастом на наших лицах не только появляются морщины, но и исчезает подкожный слой жировой ткани, который перераспределяется, приводя к темным кругам под глазами и обвислым щекам. В сумме эти внешние и внутренние факторы способствуют возникновению морщин и темных пятен (образованных возрастным пигментом липофусцином и конечными продуктами гликозилирования, AGE); жировая ткань уходит оттуда, где она нужна (под глазами), и переползает туда, где мы ее видеть не хотим (к нижней челюсти). Если вам больше тридцати, вы наверняка уже пытались определить чей-нибудь возраст по лицу (детей спрашивать не нужно – для них мы все старики). В результате таких изменений одного взгляда бывает достаточно, чтобы определить истинный возраст человека. Мы обучаемся этому на протяжении всей жизни, подспудно собирая информацию о том, как выглядят старые люди, и сохраняя ее в головном мозге – проект с участием истинного (не искусственного) интеллекта длительностью в целую жизнь.

Но можно ли определить, как долго будет жить человек, исходя из того, как он выглядит на данный момент? Участников одного замечательного психологического исследования просили взглянуть на фотографии 100 мужчин из ежегодника Университета Торонто за 1923 год и оценить, сколько прожили эти люди[13]. (Фотографии женщин и представителей национальных меньшинств не рассматривались, поскольку их в ежегоднике было слишком мало, что отражает университетскую среду той эпохи, так что эксперимент нужно повторить!) Фотографии сортировали и по другим параметрам, таким как предполагаемый уровень благосостояния и здоровья, а также привлекательность, симметрия, лишний вес, зрелость и оптимистичность. (Один из моих любимых комментариев в методическом разделе этой статьи: исследователи тщательно подмечали наличие усов и очков и тип стрижки – в нашей лаборатории при работе с червями мы это не учитываем!) Замечательно, что людям удавалось предсказать срок жизни мужчин на фотографии с достаточно высокой точностью: “Модель показала, что предполагаемый возраст на момент смерти хорошо соответствует реальному возрасту на момент смерти”. Вас может удивить, что лучшим предсказательным фактором были не здоровье, привлекательность или сила. Лучше всего с прогнозируемым возрастом на момент смерти коррелировал “предполагаемый уровень благосостояния”, что, возможно, выносит обвинительный приговор нашей системе здравоохранения убедительнее любых других доказательств. Таким образом, сочетание факторов, определяющих социально-экономический статус человека, служило самым надежным прогностическим параметром для определения возраста на момент смерти. Полнота не очень хорошо коррелировала с продолжительностью жизни, несмотря на то что в других исследованиях была выявлена связь между ожирением и вероятностью смерти от болезней сердца. Однако авторы статьи замечают, что мужчины на фотографиях имели не очень большой избыток массы тела, а фактором риска более ранней смерти является более высокая степень ожирения, чем у людей на фотографиях. Такой признак, как привлекательность, который обычно оценивается по улыбке, плохо коррелировал с продолжительностью жизни, хотя авторы подчеркивают, что в данной группе “подавляющее большинство людей не выглядели очень счастливыми”! (Кроме того, улыбка оказывает странное действие: она делает молодых людей старше, а пожилых – чуть моложе[14].) В любом случае исследование подтвердило то, что мы уже подозревали, а именно: что благополучие коррелирует с продолжительностью жизни, вероятно, за счет доступа к более высококачественной медицинской помощи и меньшего уровня внешнего стресса. И все же интересно, как можно предсказывать продолжительность жизни в столь ранний период, как студенческие годы.

А что, если использовать возрастные изменения и другую информацию, отражающуюся на наших лицах, для предсказания скорости старения, фактически как биомаркер здоровья? Группа Цзин-Дун Джеки Хан использовала трехмерные изображения лиц для создания “фенома лиц”, то есть набора лицевых фенотипов, различающихся по расстоянию между носом и ртом, разрезу глаз, асимметрии глаз, толщине губ и т. д., для описания лиц и их возрастных изменений[15]. Исследователи создали профили лиц более чем для 300 человек китайского происхождения, усредненные для десятилетнего промежутка времени. Используя 17 реперных точек, они проанализировали лица и получили количественные показатели. Далее они сравнили фенотипы для разных возрастов и сопоставили их с биомаркерами крови тех же людей. Исследователи обнаружили удивительную вещь: черты лица коррелировали с хронологическим возрастом в большей степени, чем биомаркеры крови!

Далее исследователи использовали прием машинного обучения для предсказаний возраста. Интересно, что на основании наиболее информативных характеристик они угадывали возраст неизвестного человека по трехмерному изображению лица с довольно высокой точностью (корреляция 0,85, со средним отклонением шесть лет). Далее они распределили лица в группы быстро стареющих, медленно стареющих и наиболее точно предсказанных образцов (и следует заметить, что в старых образцах было больше лиц из двух первых групп) и проанализировали соответствующие данные крови. Выяснилось, что биомаркеры крови, связанные со старением, такие как альбумин, ЛПНП и общий холестерин, коррелировали с параметрами быстро и медленно стареющих лиц. Предсказанный по фотографиям возраст лучше коррелировал с показателями крови, чем с хронологическим возрастом. По крайней мере, для лиц китайского типа параметры лица являются более универсальным показателем, чем биомаркеры крови, которые в какой-то степени специфичны для каждого пола. Это вдохновляющая область исследований, поскольку теоретически трехмерное изображение лица позволяет сразу же определить возрастные параметры здоровья, которые можно использовать для мониторинга эффективности манипуляций по замедлению старения, и это будет гораздо быстрее, чем просто ждать изменений продолжительности жизни.

В идеале все эти данные (походка, факторы крови, характеристики лица) применимы для изучения скорости старения людей. Эти биомаркеры возраста человека помогут анализировать эффективность методов торможения старения, например, с помощью диеты или физических упражнений. Однако генетические эксперименты, такие как проверка связи какого-то гена со скоростью старения или химический скрининг потенциальных лекарств нельзя проводить на людях – как по практическим, так и по этическим соображениям. Но как применить наши знания о человеческих биомаркерах к модельным системам, например к генетической модели червей или дрозофил?

Один подход – изучать характеристики (биомаркеры) старения у каждого животного. В начале 2000-х годов, вскоре после открытия нескольких сигнальных путей, связанных с продолжительностью жизни, ученые живо заинтересовались определением фенотипов старения C. elegans. В 2002 году в лабораториях Моники Дрисколл (Ратгерский университет) и Синтии Кеньон (Калифорнийский университет в Сан-Франциско) были проведены микроскопические исследования характеристик старения C. elegans, в том числе были проанализированы морфологические параметры[16]. Делия Гариган из лаборатории Кеньон с помощью флуоресцентной и световой микроскопии описала такие возрастные изменения, как распад тканей (например, клеток зародышевой линии), накопление бактерий в кишечнике и глотке червя, а также накопление маслянистых (жировых) капель. В теле старых червей накапливается возрастной пигмент липофусцин, как в человеческой коже. С учетом этих факторов Гариган и Кеньон рассортировали червей по группам, а затем сравнили скорость старения у нормальных червей (дикого типа) и долго- и короткоживущих мутантов. По результатам этого непараметрического анализа был сделан вывод, что долгоживущие мутанты daf-2 даже на двадцатый день жизни выглядят так, как двухдневные или пятидневные черви дикого типа, а короткоживущие мутанты напоминают постаревших червей дикого типа. Аналогичным образом Лаура Херндон и Моника Дрисколл при участии Дэвида Холла (Медицинский колледж Эйнштейна) использовали флуоресцентную и электронную микроскопию, чтобы проанализировать старение тканей C. elegans по локомоторному поведению. Замечательные фотографии, полученные с помощью электронной микроскопии и флуоресцентных методов визуализации, демонстрируют наличие у червей саркопении (распада мышц), что очень сильно напоминает ситуацию в человеческих тканях, а также образование возрастных морщин. (Удивительно, что целостность нервной системы, как минимум в отношении тактильных и моторных нейронов, не пострадала, но в более поздних работах было показано, что нейроны с возрастом все же подвергаются физическому вырождению[17].) Херндон также проанализировала количественные параметры поведения и показала, что все черви стареют с разной скоростью, но при этом у долгоживущих мутантов проявляются лишь некоторые признаки старения (саркопения, но не накопление липофусцина).

В работе Херндон подчеркивалось, что старение – это вероятностный процесс: иными словами, хотя в эксперименте изучались изогенные черви (с одинаковым генотипом), старели они с разной скоростью. Хотя такая картина кажется очевидной при анализе ступенчатых кривых выживания, построенных по методу Каплана – Майера[28] (в противном случае все черви умирали бы в один и тот же день), авторы этой работы были первыми, кто подробно описал переход животных от здорового состояния к умиранию. Позднее этот процесс был изучен на количественном уровне еще более подробно и в более широком масштабе, что позволило идентифицировать факторы, связанные с большой продолжительностью жизни, такие как сохранение размера тела[18]. Спектрофлуориметрический анализ липофусцина (того же вещества, что вы видите в “старческих пятнах” на своих руках) и AGE не только показал, что у долгоживущих мутантов замедляется процесс накопления пигмента, но и подтвердил ранее предложенную классификацию двигательного поведения[19]. Следовательно, накопление возрастных пигментов является хорошим маркером биологического возраста. Возможно, это справедливо и для людей, поскольку мы на своей коже видим такие же изменения, возникающие под действием солнечных лучей.

Идея о вероятностной природе процесса старения согласуется с пониманием, что изогенную популяцию можно разделить на быстро и медленно стареющих особей, и при наличии биомаркера, позволяющего различить их в раннем возрасте, мы смогли бы предсказывать продолжительность жизни отдельных особей. Такой биомаркер был бы очень полезен всем нам, поскольку позволял бы предвидеть, как долго мы проживем. Для кого-то это неприятная информация, но она подсказывает, следует ли нам использовать появляющиеся теперь возможности предотвращения старения (см. главу 17). В лаборатории Тома Джонсона в Университете Колорадо эту идею проверили на червях, наблюдая за уровнем небольшого белка теплового шока (hsp16.2::gfp), помеченного флуоресцентной меткой, синтез которого индуцировали краткосрочным нагреванием в первый день взрослой жизни червей[20]. Исследователи установили, что черви, усилившие выработку белка теплового шока, лучше переживали эксперимент по тепловыносливости и жили дольше. Понятно, что этот результат отчасти предсказуем, поскольку черви с активированными шаперонами[29] теплового шока должны лучше справляться с тепловыми повреждениями. Но идея подтверждается: на основании вариаций, уже имеющихся в изогенной популяции среди молодых особей, можно предсказать продолжительность жизни этих особей. Дело в том, что уровень экспрессии hsp16.2 отражает способность организма противостоять стрессу, вероятно, в связи с различиями в концентрации и активации факторов, отвечающих за реакцию на стресс. Таким образом, индукция hsp16.2, как и уровень содержания возрастного пигмента, может служить маркером старения, позволяющим предсказывать продолжительность жизни.

Возможно, вы задаете себе вопрос: мы многое знаем о том, как умирают люди, а эти морфологические исследования показывают, как стареют черви, но как умирают черви? Мы часто шутим относительно вскрытия умерших червей, однако Дэвид Джемс из Университетского колледжа Лондона стал настоящим коронером, расследующим смерть червей. В его лаборатории была проведена серия исследований червей в момент их смерти с целью понять, как именно они умирают, и были идентифицированы два типа смертей с характерной патологией глотки[21]. У некоторых червей глотка и верхняя часть кишечника раздувались из-за бактериальной инфекции[30], что напоминало ситуацию, описанную Гариган с коллегами[22]. Такая смерть обычно случается в среднем возрасте и может коррелировать со скоростью засасывания пищи, поскольку мутанты eat, медленно заглатывающие пищу, реже страдают от отека глотки и, убивая бактерий, снижают вероятность смерти этого типа. Еще интереснее, что исследователи из лаборатории Джемса зафиксировали флуоресцентное свечение в кишечнике червя, “синюю волну смерти”. Удивительно, что синий цвет объяснялся присутствием не липофусцина, а производных триптофана – глюкозидов антраниловой кислоты, высвобождающихся в кишечнике в ответ на сигнал кальция, который вызывает некротическую гибель клеток за счет изменения кислотности лизосом большинства клеток верхней части кишечника. По сути, это можно сравнить с тем, что у червя произошел инфаркт или разрыв аневризмы (или внутренний фейерверк), от которого он не смог оправиться. Вариант смерти в другом временном диапазоне был описан Ником Страуструпом, Уолтером Фонтаной и их коллегами в 2013 году. Они производили количественный анализ продолжительности жизни с помощью планшетного сканера и обнаружили, что примерно за день до смерти черви потихоньку съеживаются, а сразу после смерти увеличиваются в размере[23]. Это напоминает наши данные о съеживании тела червей после спаривания и об устойчивости кутикулы к осмотическому шоку, так что, возможно, в момент смерти черви теряют способность регулировать осмотические характеристики тела[24].

В исследованиях Херндон – Дрисколл и Гариган – Кеньон были прекрасно описаны возрастные морфологические изменения, а в лабораториях Джемса и Страуструпа и их коллег был проанализирован сам момент смерти[25]. Из их данных следует, что долгоживущие мутанты стареют медленнее и дольше сохраняют здоровье, однако это были мутанты с измененным инсулиновым сигнальным путем, в том числе с мутантным рецептором инсулина/ИФР-1 (DAF-2) и фосфоинозитид-3-киназы продуктов гликозилирования (AGE-1 PI3), которая действует непосредственно после DAF-2; мутанты age-1 тоже были здоровее и жили дольше. Были идентифицированы и другие мутанты, чья продолжительность жизни увеличивалась совсем по другим механизмам: в частности, это мутанты с нарушением пищевого поведения (eat-2) и животные с ослабленной митохондриальной функцией (clk-1, atp-3, cco-1). Все эти черви – долгожители и, казалось бы, должны хорошо переживать старость. Однако это не так, как известно всем, кто работал и с мутантами daf-2, и с митохондриальными мутантами. Обычно митохондриальные мутанты мелкие, болезненные и плохо размножаются, тогда как черви с мутациями инсулиновых сигнальных путей (daf-2 и age-1) похожи на супергероев – молодые и не подверженные стрессу. Однако эти различия редко обсуждаются в статьях о большой продолжительности жизни митохондриальных мутантов, так что многие читатели могут подумать, будто все эти мутанты очень здоровые.

Чтобы понять, как продление жизни у разных мутантных форм влияет на другие особенности поведения, исследователи из лаборатории Керри Корнфельда в Университете Вашингтона провели в 2004 году систематический анализ нескольких мутантов с разной продолжительностью жизни – daf-2, daf-16 (этот короткоживущий мутант “избавлен” от всех преимуществ мутанта daf-2), eat-2 и clk-1 – в поисках других специфических фенотипов, включая накачивание пищи глоткой, подвижность и воспроизводство[26]. Сравнивая эти функции у мутантных червей и животных дикого типа, исследователи смогли показать, что у одних мутантов-долгожителей усиливаются все эти функции, а у других – лишь некоторые из них. Используя в качестве критерия двигательную активность, они охарактеризовали разные фазы жизни червей (от I до IV) и, сопоставив с общей продолжительностью жизни, определили, какую часть жизни каждый мутант оставался в каждой фазе. Из результатов анализа следует, что мутанты с пищевыми ограничениями (eat-2) имели самый длинный репродуктивный период (фаза I) по отношению к общей продолжительности жизни, а мутанты с ослабленной системой передачи инсулинового сигнала имели самую длинную фазу IV. Напротив, короткоживущий мутант daf-16, по данным этого анализа, оказался “здоровее”. Это было неожиданно, поскольку черви daf-16 выглядят слабее и умирают раньше, но именно по той причине, что они умирают раньше, пропорционально здоровая часть их жизни оказывается длиннее. Иными словами, если вы мутант daf-16, вы умрете рано, но вам не придется умирать долго и мучительно. В лаборатории Хайди Тиссенбаум из Университета Массачусетса десятью годами позднее была проведена аналогичная серия экспериментов, приведшая к похожему заключению: не все мутанты-долгожители ведут себя одинаково[27]. Этот вывод кажется очевидным для тех, кто работает с такими мутантами и анализирует их поведение на количественном уровне, но его стоит подтвердить, поскольку общепринятое мнение почему-то гласит, что все долгоживущие мутанты более здоровые.

В работе Тиссенбаум ситуация была представлена несколько иначе: подчеркивалось, что долгая жизнь не всегда более высокого качества. Иными словами, понятие общей продолжительности жизни было отделено от понятия продолжительности здоровой жизни. Хотя этот аспект обсуждался и раньше, особенно когда исследователи обращали внимание не просто на продолжительность жизни, но и на параметры старения, Тиссенбаум отметила то, чего не отмечали другие, а именно – что некоторые долгоживущие мутанты подвержены болезням, и как раз этот вопрос беспокоит многих людей в отношении продления жизни. Например, в нашей лаборатории было установлено, что черви могут учиться и усваивать ассоциативные сигналы (как собаки Павлова, у которых при виде мяса начинала течь слюна), но эта способность теряется с возрастом[28]. Мутанты daf-2 сохраняют эту способность и память длительное время, мутанты eat-2 обучаются медленнее и имеют плохую краткосрочную память, но с возрастом начинают обучаться и запоминать лучше, а вот митохондриальные мутанты отличаются как плохой способностью к обучению, так и плохой памятью в целом, так что нельзя сказать, что если животные живут дольше, то и память у них обязательно должна быть лучше. Мы также обнаружили, что некоторые долгоживущие животные имеют более длительный репродуктивный период, а некоторые нет (глава 8), и наоборот[29]. Таким образом, хотя уже было показано, что не все мутанты-долгожители отличаются более высоким качеством жизни, все же в области изучения долгожительства широко распространено мнение, что животные с большей продолжительностью жизни должны быть здоровее, но с этим не следует соглашаться.

Однако ситуация еще сложнее. В непрофессиональной литературе наблюдения Тиссенбаум быстро переросли в идею, будто мутанты daf-2 отличаются болезненностью. Это сильно удивило исследователей, работающих с C. elegans, поскольку мутанты daf-2 сохраняют силу и здоровье очень долгое время, даже когда черви дикого типа начинают умирать. Мутанты daf-2 не только живут дольше обычных червей, но и лучше переносят разнообразные неблагоприятные условия, такие как высокая температура, окислительный стресс, гипоксия, воздействие тяжелых металлов, инфекции; черви daf-2 переносят все эти условия легче, и их единственный недостаток – чуть более ослабленное и отсроченное воспроизводство (подробнее об этом мы поговорим в главе 8). Так что непрофессиональное мнение об ослабленном здоровье мутантов daf-2 звучало странно. Основанием для этого тезиса послужило то, что черви daf-2 живут настолько долго, что в пропорциональном плане фазы их жизни сравнимы только с фазами жизни червей дикого типа. Возможно, тезис о слабом здоровье мутантов daf-2 был злорадно выдвинут исследователями, которые работали с млекопитающими. Наверное, дело в том, что концепция продолжительности здорового отрезка жизни распространилась в сфере исследований млекопитающих лишь недавно, примерно в середине 2010-х годов (тогда как исследователи, занимающиеся червями, такие как Том Джонсон и Майкл Класс, учитывали это уже в 1980-е годы и использовали термин “продолжительность здоровой жизни”), или их просто раздражало, что мутанты daf-2 привлекли к себе всеобщее внимание. Для проверки данных Роуз Дилорето из нашей лаборатории заново проанализировала результаты Бансал – Тиссенбаум (2014 год) и Хуана – Корнфельда (2004 год) и обнаружила, что в пропорциональном отношении мутанты daf-2 сохраняют свои способности так же хорошо, как и животные дикого типа, или даже лучше[30]. Результаты Хуан и Бансал (митохондриальные мутанты в целом обладают более слабым здоровьем) Дилорето тоже подтвердила, так что основной вывод работы Тиссенбаум о возможности разделения понятий продолжительности жизни и продолжительности здоровой жизни остается в силе[31].

Но почему нас должны интересовать специфические признаки червей? Я утверждаю, что нам следует при любой возможности использовать модель червей для определения параметров старения у человека. Мы с удивительной легкостью определяем возраст человека по походке, поскольку походка передает информацию о тонусе мышц (скорость передвижения) и равновесии. Помните метод SPPB (измерение скорости ходьбы, устойчивости и равновесия), которым геронтологи пользуются для быстрого определения состояния здоровья человека и необходимости его направления в реабилитационный центр? Учитывая возможности этого метода, Нам Хон Гиль (Институт науки и технологии Кёнбук в Тэгу, Южная Корея) задался вопросом, имеющим более непосредственное отношение к человеку: можно ли с помощью модели червей проанализировать физическое старение человека? Черви не могут многократно вставать со стула и удерживать равновесие, но они могут двигаться. Исследователи из лаборатории Нама на протяжении 30 секунд снимали на видео червей, ползающих по чашке без еды, а затем просматривали видео, анализируя не только среднюю, но и максимальную скорость перемещения за этот промежуток времени. Стоит обратить внимание, что эксперимент Нама немного отличается от всех других экспериментов, о которых я рассказывала раньше. Во-первых, черви перемещались по чашке с агаром, не содержавшим их обычной бактериальной пищи. Это важное отличие, которое я вскоре разъясню. Во-вторых, большинство исследователей определяют либо среднюю скорость перемещения, либо, как в работе Бансал 2014 года, длину пути, проделанного червями на чашке с бактериями. В работе Нама впервые были проведены измерения как средней, так и максимальной скорости движения. В-третьих, на протяжении всей жизни червей после ежедневных съемок исследователи возвращали животных на чашки с едой, и это позволило зарегистрировать параметры подвижности каждого животного на протяжении всей жизни. Наконец, в эксперименте ежедневно регистрировали перемещение примерно 200 червей, и для каждого были получены поведенческие данные на протяжении всей жизни – это чрезвычайно трудоемкое исследование[31].

В работе Нама было обнаружено несколько интересных элементов. Во-первых, на протяжении жизни максимальная скорость передвижения изменяется сильнее, чем средняя скорость. Это вполне логично: я не могу бегать так же быстро, как бегала в школе, но я по-прежнему могу перемещаться с той же средней скоростью – и подозреваю, что это справедливо для многих людей, и поэтому максимальная скорость передвижения несет в себе больше информации о моем возрасте. Во-вторых, когда исследователи разделили червей среднего возраста (девятый день стадии взрослого червя) на две группы в соответствии с максимальной скоростью передвижения, выяснилось, что черви с более высокой максимальной скоростью передвижения жили на 30 % дольше, чем черви с низкой максимальной скоростью передвижения. Таким образом, максимальная скорость передвижения – не только биомаркер возраста, но и предсказательный фактор продолжительности жизни. Исследования Нама также показали, что другие параметры, такие как всасывание пищи глоткой или средняя скорость передвижения, являются более слабыми предсказательными факторами, и это важно отметить: не все возрастные параметры в одинаковой степени информативны и обладают предсказательной силой. Максимальная скорость передвижения хорошо коррелировала с целостностью митохондрий, и это говорит о важности быстрых движений. Замечательно, что исследователи из лаборатории Нама использовали максимальную скорость передвижения в середине жизни для предсказания продолжительности жизни особи. Это сравнимо с использованием результатов забега на стометровку пятидесятилетних людей для предсказания их продолжительности жизни. Это может сработать! В Индиане было проведено испытание среди 1562 действующих пожарных в возрасте от 21 года до 66 лет, которое позволило прийти к аналогичным выводам: была выявлена обратная корреляция между способностью отжиматься на руках и риском сердечно-сосудистых заболеваний на протяжении десяти последующих лет[32]. Авторы работы признавали, что это была специфическая группа испытуемых и данный показатель нельзя применять для всех, но принцип ясен. Мне по-прежнему нравится идея стометровки.

Исследователи из группы Нама провели эксперименты не только на червях дикого типа, но и на долгоживущих мутантах daf-2 (с мутацией инсулиновой сигнализации) и на короткоживущих мутантах daf-16; daf-2. Выяснилось, что максимальная скорость передвижения в целом хорошо коррелировала с продолжительностью жизни мутантов: максимальная скорость передвижения мутантов каждого типа была пропорциональна продолжительности их жизни. Измерения показали, что продолжительность здоровой жизни мутантов daf-2 намного больше продолжительности здоровой жизни червей дикого типа и даже пропорционально чуть больше после соотнесения с общей продолжительностью жизни. Так в чем же различие между этими измерениями и результатами знаменитого исследования Тиссенбаум?

Дело как раз в том, что в экспериментах Нама скорость перемещения червей измеряли в среде, в которой не было пищи. Главная жизненная задача любого червя – произвести на свет как можно больше маленьких червячков. Ради этого червь должен искать пищу, обеспечивая себя необходимыми ресурсами для воспроизводства. Когда вы помещаете червя на чашку с бактериями, он какое-то время ползает, но потом, поняв, что вокруг него еда, останавливается и начинает есть. Судя по всему, мутанты daf-2 понимают это гораздо быстрее остальных (я же говорила, что они умнее?), так что на чашке с бактериями они почти сразу останавливаются и принимаются за еду, поэтому оставляют за собой более короткий след – отсюда идея, что они не очень активны. Но на чашке без еды, как в экспериментах Нама, они понимали, что еду нужно найти, и продолжали двигаться. Мы предположили, что черви daf-2 лучше чувствуют еду, поскольку у них больше чувствительных рецепторов пищи ODR-10, и если уменьшить количество этих рецепторов, они будут вести себя как черви дикого типа, то есть продолжат искать еду. Наше предположение основывалось на результатах работы лаборатории Дугласа Портмана из Университета Рочестера, в которой было показано, что самцы имеют меньше рецепторов ODR-10 и поэтому активнее ищут, что одновременно повышает вероятность найти полового партнера (“предпочитают секс пище”, как было сказано в заголовках статей). Увеличение количества рецепторов ODR-10 заставляло самцов принимать неудачное решение: замедлять поиски пищи, что снижало вероятность спаривания[33]. Как оказалось, функция пищевого рецептора ODR-10 правильно объясняла разницу в скорости перемещения червей. Мы показали, что черви daf-2 имеют примерно в 20 раз больше таких рецепторов и поэтому гораздо быстрее чувствуют пищу и немедленно останавливаются на чашках с бактериями, как и сообщали исследователи из группы Тиссенбаум. Мы проверили эту гипотезу, задавшись вопросом, что произойдет, если черви не будут чувствовать пищу, но сохранят способность двигаться так быстро, как захотят. Для ответа на этот вопрос мы кормили червей daf-2 бактериями с РНКи, в которых синтезируется двунитевая РНК гена odr-10, в результате чего этот ген отключается. Черви с отключенным геном odr-10 продолжали ползать по чашке с бактериями на протяжении как минимум десяти минут (потом мы прекращали съемку): они просто “не понимали”, что ползают по еде. Но двигались они быстро и непрерывно, и это доказывало, что они сохранили способность двигаться. Таким образом, измеряя максимальную скорость перемещения червей на чашках без еды, исследователи из лаборатории Нама установили истинную способность червей двигаться, а не их желание найти еду, и этого различия вполне достаточно, чтобы доказать ошибочность заключения об ущербности мутантов daf-2. Это заключение – все равно как посмотреть на изображения Усэйна Болта, прогуливающегося по беговой дорожке, и сделать вывод, что он неторопливый парень. Не нужно объяснять, что умение различать среднюю и максимальную скорость передвижения позволит получить очень важную информацию.

Вообще говоря, мы уже обладаем достаточным объемом данных о том, насколько эффективны мутанты daf-2 по сравнению с червями дикого типа, особенно в отношении функции нейронов. Нейромышечные связи у мутантов daf-2 сохраняются дольше[34], что позволяет им дольше сохранять способность двигаться, и как минимум отчасти эта способность опосредована моторным белком кинезином UNC-104. Кинезины переносят к нейронам везикулы с нейромедиаторами. Ген unc-104 активнее экспрессируется в молодых червях и мутантных червях daf-2[35]. Мутация daf-2 также предотвращает развитие морфологических дефектов нейронов (пузырей, волн и нерегулируемых отростков), которые с возрастом накапливаются в телах червей дикого типа[36]. Мы обнаружили, что черви daf-2 с возрастом лучше сохраняют память[37] и поддерживают способность к регенерации аксонов[38] по сравнению с червями дикого типа. Все эти показатели говорят о том, что мутанты daf-2 не только дольше живут, но и сохраняют многие функции, которые важны и для людей, в частности способность мыслить, помнить и двигаться[39].

Конечно же, ученые исследуют продолжительность здоровой жизни не только людей или червей. Дрозофил в лаборатории содержат в пробирках, и очевидным признаком их здоровья служит их способность подниматься по стенке пробирки[40]. В лаборатории Линды Партридж было показано, что при ограничении калорийности питания дрозофилы не только дольше живут, но и при старении лучше сохраняют подвижность[41]. Группа Дэвида Уокера разработала метод определения целостности кишечного барьера дрозофилы с помощью синего красителя, который они заглатывают и который выходит наружу при повреждении кишечного барьера (тест “Smurf”)[42]. Пользуясь тем же методом, исследователи установили, что другие маркеры здоровья, такие как изменения метаболизма и признаки воспаления, включая наличие антимикробных пептидов, коррелируют с этим наглядным показателем и могут использоваться для прогнозирования продолжительности жизни. У дрозофил есть полноценные органы, в том числе мозг и сердце, и можно оценить их функцию. Например, группа Рольфа Бодмера исследовала сердечную функцию дрозофилы и ее изменения с возрастом[43]. И у червей, и у дрозофил ученые обнаружили молекулярные маркеры, такие как конечные продукты гликирования (AGE), уровень которых коррелирует со старением и ухудшением здоровья, но их накопление можно отсрочить путем ограничений в питании[44].

В лаборатории Джошуа Шевица в Принстоне был разработан объективный метод слежения за поведением дрозофил и его изменениями с возрастом. Исследователи снимали на видео самок и самцов мух и с помощью технологии машинного зрения отображали их активность в виде набора положений[45]. Группируя эти положения, они выявили несколько типов поведения мух, таких как передвижение, груминг и др., и создали “поведенческую карту”. Повторяя эту процедуру по мере старения мух, они зафиксировали изменения поведения в виде модификаций “поведенческой карты”. Как и ожидалось, с возрастом наблюдалась тенденция к снижению подвижности, но, что удивительно, после всплеска активности в среднем возрасте. Тот же метод исследователи из группы Шевица применили для изучения моделей нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера. Удивительно, что поведение модельных животных в более молодом возрасте лучше соответствовало поведению пожилых дрозофил дикого типа – а значит, вырождение нейронов не только вызывает патологию, но и ускоряет многие параметры нормального старения. Пока мы не знаем, можно ли соотнести эти изменения поведения с какими-либо специфическими молекулярными маркерами, но объективный метод визуализации и измерения возрастных процессов дает нам мощный инструмент, который можно использовать для определения эффективности лечения. Аналогичный анализ был бы полезен для предсказания развития нейродегенеративных нарушений у человека.

Понятно, что экстраполяция от беспозвоночных животных, таких как черви и мухи, к человеку проходит через проверку в экспериментах с мелкими млекопитающими, главным образом с мышами. У мышей здоровый отрезок жизни определить довольно легко, и для оценки их здоровья разработано много методик – от анализа поведения до показателей функции тканей и биомаркеров в крови. Совсем недавно, в 2021 году, было начато лонгитюдное исследование старения у мышей (SLAM)[46] – аналог Балтиморского лонгитюдного исследования старения у человека. В исследовании SLAM использовали мышей обоих полов линии C57BL/6J (это очень распространенный вариант), а также один вид беспородных мышей – с целью выявления различных фенотипов старения; также запланирован сбор образцов тканей. Подобные измерения у мышей и у нечеловекообразных приматов позволяют провести очевидные параллели с состоянием здоровья человека, и их гораздо легче экстраполировать, но они длятся гораздо дольше, чем эксперименты на беспозвоночных животных. Для заполнения этого временнóго пробела могут пригодиться метрические исследования голубых рыбок киллифиш.

Поиск биомаркеров старения и продолжительности здоровой жизни – одна из основных задач современных исследований не только на людях, но и на модельных системах. В главе 7 я расскажу о клеточных биомаркерах, таких как размер ядрышка[47], которые хорошо коррелируют с продолжительностью жизни. Размер ядрышка, связанный с трансляцией белка, обратно пропорционален продолжительности жизни. Пищевые ограничения и физические упражнения коррелируют с уменьшением размера ядрышка у всех организмов – от червей и мух до мышей и человека, так что этот маркер кажется универсальным. Клеточные и молекулярные маркеры помогут нам быстрее оценивать эффективность терапевтических методов как в модельных системах, так и у человека и, возможно, в один прекрасный день начнут применяться в диагностических целях. Разработка новых методов анализа для модельных организмов, которые наилучшим образом отражают параметры дегенеративных процессов у человека, поможет найти способы поддерживать высокое качество жизни даже в старости.