Эндрю Стил - Бессмертные. Почему гидры и медузы живут вечно, и как людям перенять их секрет

Внутри клеток бродят стада из тысяч крошечных полуавтономных животных, называемых митохондриями. С их помощью клетки вырабатывают энергию, и поэтому их часто называют «энергетическим центром клетки». Так часто, что это не просто клише, а уже даже немного избито – называть митохондрии так. Учитывая центральную роль энергии в жизнедеятельности, вероятно, нет ничего удивительного в том, что митохондрии также вовлечены в процесс старения.

Митохондрии чрезвычайно странные. Их часто изображают как популяцию в значительной степени независимых бобовидных объектов, но все гораздо сложнее. Теперь мы знаем, что они часто подвергаются «слиянию» и «делению», объединяясь во что угодно: от небольших групп до иногда одной мегамитохондрии, которая висит, как паутина, на внутренней части клетки, а в других случаях распадается, чтобы идти собственным путем. Они также являются единственной частью клетки вне ядра, которая имеет собственную ДНК, хранящуюся в десяти отдельных круговых хромосомах на митохондрию.

Митохондрии с возрастом меняются весьма существенно. В клетках более старых животных их, как правило, меньше, и они производят меньше энергии. Это снижение числа митохондрий связано с риском развития заболеваний и смерти. Люди с наименьшим количеством митохондриальной ДНК в клетках (которая используется в качестве оценки числа митохондрий), скорее всего, будут дряхлыми и подвергаться риску смерти на 50 % больше, чем те, у кого их больше. Как и ДНК в ядре клетки, с возрастом у животных и людей увеличивается количество мутаций в митохондриальной ДНК. Есть также специфичный для митохондрий тип аутофагии, известный как – вы правильно догадались – митофагия. Эффективность этого процесса ухудшается с возрастом, а это означает, что становится больше поврежденных митохондрий.

Что касается специфических возрастных заболеваний, то митохондриальные отпечатки обнаруживаются в частях тела с высоким расходом энергии. Мышцы – это одна ткань, которая сжигает огромное количество калорий: повреждение митохондрий является частью процесса, который с возрастом приводит к потере мышечной массы и силы. Они также имеют решающее значение для мозга: несмотря на то, что этот орган составляет всего 2 % веса, мозг потребляет около 20 % энергии. Это означает, что его митохондрии всегда работают на полную мощность, и, соответственно, сломанные клетки этого типа играют важную роль в патогенезе таких заболеваний, как болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Митохондрия – этоэнергетический центр клетки. Именно она заставляет нас дышать, двигаться и радоваться жизни. И да, она напрямую участвует в процессе старения.

В лаборатории мышей разводили с особыми митохондриальными дефектами, которые вызывают изменения, кажущиеся, по крайней мере на первый взгляд, ускоренным старением. У мышей – «митохондриальных мутантов» ген, необходимый для копирования митохондриальной ДНК, был изменен таким образом, что больше не выполнял «коррекцию», то есть не проверял правильность сделанной копии. Так что у грызунов накапливалось множество мутаций в митохондриальной ДНК. Они испытывали преждевременное поседение и выпадение волос, потерю слуха, проблемы с сердцем и сокращение продолжительности жизни. В другом эксперименте были выведены мыши с мутацией, которая уменьшала количество митохондрий, и ее можно было включать и выключать, давая животным препарат, а затем отменяя его. Активация мутации путем введения препарата вызывала у них утолщение меха, морщинистость кожи, выпадение волос и вялость, как у старых мышей. Прекращение приема препарата и предоставление нескольких недель на восстановление приводило к исчезновению морщин и возвращало их мех к состоянию, не отличимому от того, как он выглядит у сородичей без мутации.

Первой теорией, которая непосредственно вовлекала митохондрии в процесс старения, была свободнорадикальная митохондриальная теория старения. Поскольку митохондрии вырабатывают энергию, они постоянно имеют дело с высокореактивными химическими веществами, особенно с кислородом. Если митохондрия слегка пошатнет невероятно сложную химическую реакцию, лежащую в основе безопасного производства энергии, то может создать свободный радикал. Это высокореактивное химическое вещество, способное вызвать хаос в клетке, повреждая белки, ДНК и любые другие критически важные молекулы, с которыми сталкивается. Три наиболее биологически важных свободных радикала – это OH, NO и ONOO-: с такими названиями они, несомненно, являются главными подозреваемыми в причинении клеточного ущерба.

Теперь мы знаем, что простая идея митохондриальных свободных радикалов как биохимических берсерков [38] Берсерки – воины из древнегерманской и древнескандинавской мифологии. – Примеч. науч. ред. , ускоряющих старение, является чрезмерным упрощением. Если бы старение сводилось к неправильному управлению свободными радикалами, то эффективный эксперимент состоял бы в том, чтобы увеличить у животных встроенную защиту от них и наблюдать, как удлиняется продолжительность жизни. Мыши, генетически модифицированные таким образом, чтобы иметь дополнительные копии антисвободнорадикальных генов, живут не дольше обычных особей. Хуже того, противоположное тоже не имеет никакого значения: в эксперименте с червями ученые удалили все пять антисвободнорадикальных генов, называемых генами SOD. И черви пострадали от значительного усиления повреждения свободными радикалами, но их продолжительность жизни не изменилась.

Недавние исследования показали, что свободные радикалы являются частью обширного молекулярного словаря, который клетки используют для общения и регулирования поведения. Они говорят клеткам, когда расти и останавливаться в развитии, и управляют такими процессами, как апоптоз и старение клеток. Иммунные клетки используют их как оружие, подавляя вторгающиеся бактерии атакой свободных радикалов. Жизнь имеет дело со свободными радикалами буквально миллиарды лет. Если оглянуться назад, становится очевидно: предположение, что эволюция оставит наши клетки на их милость, – это упрощение.

Новое, более тонкое понимание свободных радикалов не позволяет им получить полное оправдание. Они все еще могут повредить основные биологические молекулы, и кажется маловероятным, что это буквально не имеет никакого эффекта. Митохондрии играют центральную роль в процессах от роста до гибели клеток, и, как мы видели, их поведение меняется с возрастом. Таким образом, митохондрии играют ключевую роль в процессе старения.