Ник Лэйн - Кислород. Молекула, изменившая мир

В 1987 г. Национальный институт старения в Балтиморе (Мэриленд) и Центр по изучению приматов в Мэдисоне (Висконсин) начали два типа испытаний на приматах, в которых было задействовано 200 макак резус и беличьих обезьян. В 2001 г. группа ученых из Висконсина под руководством Ричарда Вейндруха опубликовала предварительный отчет о влиянии низкокалорийного питания на экспрессию генов в организме макак резус. Ученые определяли, какие из 7000 анализируемых генов были включены, а какие выключены у животных, находящихся на низкокалорийной диете, по сравнению с нормально питавшимися животными того же возраста. Выводы оказались неожиданными и интригующими. Как и ожидалось, устойчивость к стрессу в группе животных с ограничением калорийности питания возрастала, но никаких заметных различий в уровне синтеза индуцируемых стрессом белков в двух группах животных обнаружено не было. Однако ограничение калорийности питания приводило к трем выраженным эффектам. Во-первых, усиливалась внутренняя структура клеток: скорость синтеза практически всех структурных белков увеличивалась более чем вдвое. Во-вторых, ослабевал синтез белков, вызывающих воспаление, таких как фактор некроза опухолей (ФНО-α) и фермент NО-синтаза. В-третьих, замедлялся синтез белков дыхательной цепи, особенно цитохрома с (в 23 раза по отношению к норме!). Этот последний эффект соответствовал снижению скорости метаболизма: живи медленно — умрешь старым [73] Существует и другая возможность. Высвобождение цитохрома с из митохондрий запускает программированную клеточную смерть — апоптоз. Можно себе представить, что снижение уровня цитохрома с в клетках уменьшает количество клеток, погибающих от апоптоза в стареющих органах. В результате функция opганов реализуется дольше. Это исключительно предположение, но, я думаю, Ричард Вейндрух рассмотрит эту возможность. (Результаты, полученные учеными из Национального института старения, оказались несколько иными. Продолжительность жизни животных в двух группах была одинаковой, но животные, потреблявшие меньше калорий, меньше болели (см. Mattison J. А. et al. Impact of caloric restriction on health and survival in rhesus monkeys from the NIA study // Nature. 2012. № 489. Р. 318 — 321). — Примеч. nep. ) .

Изменение экспрессии генов обезьян, находящихся на низкокалорийной диете, по-видимому, не направлено на преодоление стресса. Экспрессия индуцируемых стрессом белков у них скорее ослабевает, чем усиливается. Объяснить это можно следующим образом. Человек живет примерно вдвое дольше шимпанзе, которые, в свою очередь, живут дольше макак резус. Механизм нашего долгожительства, по всей видимости, связан с более эффективной сопротивляемостью стрессу. Как мы увидим в следующей главе, при возрастных заболеваниях тоже происходят стрессовые реакции, часто связанные с теми же генами и их продуктами. Например, с возрастом у макак резус активируется синтез как минимум 18 стрессовых белков, включая металлотионеин и различные ферменты, участвующие в репарации ДНК. Если только низкокалорийную диету не вводить с самых ранних лет жизни, трудно понять, как наложение одного стрессового ответа на другой может дополнительно продлить нашу жизнь. Однако в эксперименте с макаками резус изменение экспрессии генов, связанное с переходом на низкокалорийную диету в середине жизни, по-видимому, снижает метаболический стресс в организме. Другими словами, важным параметром является не устойчивость к стрессу как таковая, а степень стресса. Она может быть понижена путем усовершенствования стрессового ответа или посредством ослабления стресса.

Пришло время остановиться и подвести некоторые итоги. Гипотеза одноразовой сомы гласит, что продолжительность жизни определяется равновесием между ресурсами организма, направленными на размножение и на поддержание сохранности организма. Поддержание сохранности организма реализуется двумя путями — прежде всего за счет предотвращения повреждений, а также путем исправления повреждений. Эффективность предотвращения повреждений в значительной степени зависит от скорости образования и удаления свободных радикалов. Эффективность репарации обусловлена скоростью обновления поврежденных молекул ДНК, мембран и белков. Система репарации работает эффективно, если сама не подверглась повреждениям. Свободные радикалы действуют на любые молекулы, так что они способны повреждать систему репарации и кодирующие ее гены в той же степени, что и все другие молекулы. В результате недостаточная эффективность предотвращения свободнорадикальных процессов приводит к недостаточной эффективности репарации.

Скорость старения зависит от количества ресурсов организма, направленных на предотвращение и репарацию повреждений. Эти ресурсы запрограммированы на генетическом уровне, но на их распределение влияют внешние факторы, такие как количество пищи или вероятность размножения. Механизм переключения между размножением и продолжительной жизнью в общих чертах один и тот же у нематоды, дрозофилы, крысы и человека, однако реакции на переключение разные. У нематод увеличение продолжительности жизни, по-видимому, достигается путем усиления синтеза индуцируемых стрессом белков, у макак резус — подавлением метаболизма кислорода и снижением скорости метаболизма. Учитывая роль естественного отбора, ответ всегда определяется соотношением затрат и поэтому зависит от уже существующего в системе уровня стресса. Нематоды в норме вырабатывают несколько стрессовых белков в небольшой концентрации, так что могут активизировать их синтез. Напротив, макаки резус вырабатывают гораздо больше разных стрессовых белков в гораздо более высокой концентрации. Для них гораздо более эффективный путь состоит не в дополнительном повышении концентрации индуцируемых стрессом белков, а в подавлении метаболизма. Но вне зависимости от механизма результат в любом случае сводится к ослаблению стресса в системе, что позволяет животным пережить тяжелые времена и начать размножаться при нормализации условий. Таким образом, стресс можно преодолеть либо за счет активации синтеза стрессовых белков, либо за счет снижения скорости дыхания и интенсивности воспалительных реакций. В любом случае секрет долгой жизни заключается в снижении метаболического стресса.

По-видимому, аналогичные механизмы влияли на эволюцию продолжительности жизни организмов, не испытывающих давления хищников или голода. Продолжительность жизни отражает скорость накопления повреждений, которая зависит от скорости метаболизма, образования и устранения свободных радикалов и эффективности систем репарации. В таком ракурсе скорость метаболизма можно рассматривать в качестве фактора, влиявшего на эволюцию гигантизма (см. главу 5). Увеличение размера позволяет снижать скорость метаболизма и, следовательно, повышать продолжительность жизни. Высокий уровень кислорода ограничивает продолжительность жизни современных животных. Возможно, гигантизм животных каменноугольного периода позволил снизить скорость метаболизма в условиях повышения концентрации кислорода в атмосфере. В любом случае увеличение продолжительности жизни зависит от эффективности предотвращения и репарации повреждений, вызванных свободными радикалами. Поэтому логично заключить, что свободные радикалы кислорода являются одной из важнейших причин старения и что теоретически старение можно замедлить путем изменения экспрессии генов, отвечающих за поддержание сохранности тела.