Однако такое уверенное отношение стало распространяться только в течение последних двух десятилетий. Эволюционные теории старения были разработаны в середине двадцатого века и, несмотря на значительные успехи в нашем понимании, имели ироничный и неприятный побочный эффект. Старение долгое время в значительной степени игнорировалось биологами, рассматривалось как явление постепенного ухудшения жизнеспособности, не поддающееся изучению. Эволюционные теории подчеркивают эту безнадежность: они предполагают, что многие процессы, вероятно, будут способствовать старению, без очевидного ограничения их числа. Могут существовать сотни или даже тысячи различных факторов, взаимодействующих мириадами различных способов, и все они сговорились покончить с нами. Эволюционная теория усложняет представление о старении как о процессе настолько запутанном и многогранном, что оно вряд ли когда-либо окажется понятым, не говоря уже о том, чтобы лечиться.
Если мы хотим быть уверенными в понимании старения и в конечном счете в его излечении, то должны быть убеждены в том, что с ним можно справиться в иных, не в эволюционных временных рамках. Открытия, которые позволяют нам вообразить это, являются предметом следующей главы.
3Рождение биогеронтологии
Современные исследования старения – они часто называются «биогеронтология» – биологическое подмножество геронтологии, которое охватывает все: от медицинской помощи пожилым людям до социальных аспектов старения. Безрассудно выбирать точную дату зарождения научной области. Но формирование биогеронтологии как отдельной важной дисциплины, возможно, началось в 1990-х годах – шокирующе недавно для области, которая занимается одним из самых значительных, почти универсальных явлений, поражающих живых существ.
Трудно точно определить, почему исследования старения так долго оставались в тени биологии. Существовавший ранее скептицизм в отношении того, что старение слишком сложно для серьезного изучения, подчеркиваемый эволюционным пониманием этого явления, предполагающим, что этому способствует почти бесконечное число процессов, безусловно, сыграл свою роль. Кроме того, существуют социально-научные факторы: ни у кого из ученых или политиков, финансирующих их, нет родителей или бабушек и дедушек, которые умерли от старости как таковой, поэтому исследования таких заболеваний, как рак, которые непосредственно ответственны за смерть, как правило, привлекают больше внимания. Ученые также склонны группироваться по темам исследований: в науке есть тенденции и причуды, так же как в музыке и моде. Возможно, исследования старения имели невысокий статус отчасти потому, что по какой-то причине они так и не достигли научной критической массы?
Оглядываясь назад, можно сказать, что ученым, прежде чем приступить к работе над старением, требовалось хотя бы какое-то доказательство: доказательство того, что старение можно изменить, и того, что это можно сделать с научной точки зрения интересным и приемлемым способом в лаборатории. Два ряда экспериментов, которые дали это доказательство, служат основой современной биологии старения. Таким образом, эта глава разделена на две части: мы начнем с долгоживущих крыс на диете, которые предоставили первые прямые доказательства того, что можно повлиять на процесс старения, а затем перейдем к долгоживущим генетически модифицированным червям, которые продемонстрировали, что его не только можно изменить, но и что можно сделать это удивительно простыми способами – фактически заменив одну букву ДНК.
Живи быстро, умри старым
Еда очень вкусная. В этом нет ничего удивительного. В течение миллиардов лет, начиная с наших самых далеких эволюционных предков, вся жизнь была сосредоточена на борьбе за получение достаточного количества пищи, чтобы жить и размножаться, иначе людей ждала верная смерть. Гены, наделяющие существо желанием искать и потреблять пищу, дают ему огромное преимущество в выживании. Следовательно, мозг запрограммирован на то, чтобы получать удовольствие от еды и дико отвлекаться на голод, пока потребность в пище не будет удовлетворена. Однако эволюция не была так осторожна, когда дело доходило до установления верхнего предела того, сколько мы должны есть. Когда вы не знаете, сколько времени пройдет до следующего приема пищи, имеет смысл наесться досыта, если представится такая возможность.
В начале двадцатого века люди наконец начали массово выходить за пределы этого естественного состояния простого существования. И теперь, когда у людей наконец появился выбор относительно того, что и сколько есть, ученые начали интересоваться влиянием питания на здоровье. Именно из этой зарождающейся области появились первые достоверные результаты в биологии старения.
Ученые, экспериментировавшие с влиянием питания на рост, заметили, что недокормленные животные достигали меньших общих размеров – до сих пор это было весьма очевидно, – но также, казалось, жили дольше. Эти ранние результаты наводили на размышления, но не были окончательными – количество животных в каждом эксперименте было небольшим, и их рацион не контролировали очень тщательно в отношении калорий, белков, витаминов и минералов. Однако открытий оказалось достаточно, чтобы заинтриговать американского ученого Клайва Маккея, доцента кафедры животноводства в Корнеллском университете. Он приступил к проведению первого тщательного эксперимента, который также был достаточно грандиозным, чтобы дать убедительные результаты.
Маккей взял 106 крыс и разделил их на три группы: одна группа ела то, что ей нравилось, вторая была на ограниченной диете, которая начиналась сразу после отлучения от груди, а третья наслаждалась двумя неделями бесплатного питания, прежде чем их рацион сократили, причем критически. И в отличие от предыдущей работы Маккей придерживался постоянства, чтобы убедиться, что сидящие на диете крысы получают все витамины и минералы, в которых нуждаются, – единственным различием в потреблении пищи было количество калорий.
Исследование установило рекорды долголетия для крыс. На обычной диете самый долгоживущий самец крысы прожил 927 дней. Многие из его сородичей, которые по-прежнему сидели на ограничительных диетах, сильно пережили эту особь. Последний из них умер в возрасте 1321 день – 40-процентное увеличение максимальной продолжительности жизни. Средняя продолжительность жизни самцов крыс с ограниченным рационом почти удвоилась – с 483 дней в группе, не ограниченной в питании, до 894 дней[17].
Мало того, что они жили дольше, крысы, ограниченные в питании, также были здоровее. Когда грызуны умирали, им сделали вскрытие, и выяснили, что у тех, кто получал меньше калорий, легкие и почки выглядели гораздо лучше. Уже было известно, что ограничение потребления пищи может снизить уровень распространенности рака у грызунов, и результаты Маккея это подтвердили. Ни у одной из крыс с ограниченным потреблением пищи не развились опухоли, пока их не посадили на нормальную диету ближе к концу эксперимента. И, что еще более показательно, подопытные просто выглядели здоровее: «Шерсть животных, отстающих в росте, оставалась тонкой и шелковистой в течение многих месяцев после того, как шерсть быстро растущих особей стала грубой», – писал он в статье 1934 года. Эти результаты очень ясно показали то, о чем мечтали тысячи лет человеческой истории: процесс старения можно замедлить.
Современного читателя поистине шокирует, что известие об этих находках не разнеслось по всему миру и не привело к широкому, гораздо более глубокому исследованию этого феномена – впервые в истории процесс старения был замедлен! К сожалению, по каким-то социологическим или научным причинам этого не произошло. Возможно, в 1930-е годы старение не являлось главной проблемой, в то время как рост и развитие были таковыми. Ожидаемая продолжительность жизни в США в то время только-только достигла 60 лет, и призрак детской смертности вырисовывался в недавнем прошлом. Основное внимание уделялось обеспечению здорового детства, а не здоровой старости: статья Маккея 1935 года говорит о стольких же перспективах влияния на рост и развитие крыс, сколько и на их продолжительность жизни. В течение следующих нескольких десятилетий множество исследователей продолжало изучать связь между питанием, здоровьем и долголетием, не в последнюю очередь сам Маккей. Но прошло 50 лет, прежде чем пищевые ограничения (ПО) наконец начали должным образом исследовать[18].
Последующие исследования показали, что этот феномен, отнюдь не являющийся причудой физиологии крыс, – один из самых универсальных в биологии. Количество видов, для которых пищевое ограничение оказалась эффективным, невероятно. Мы успешно испробовали его на дрожжах, микроскопических одноклеточных грибах, используемых для выпечки хлеба и варки пива;
крошечных червях-нематодах; мухах, пауках и кузнечиках; гуппи и форели; мышах, крысах, хомяках, собаках и, возможно, макаках-резусах. (Почему только «возможно»? К этому мы еще вернемся.) Некоторые методы, используемые для ограничения питания у других организмов, необычны. Вы должны быть изобретательны, когда сокращаете их рацион, особенно с маленькими существами. Черви-нематоды поглощают бактерии, когда те оказываются рядом, поэтому вы должны проредить «бактериальный газон», на котором они пасутся, и добавить ровно столько антибиотиков, чтобы остановить размножение микроорганизмов и превратить голод в пир. Моя любимая методика была применена к водяным блохам: она включала использование прудовой воды для разбавления вкусной «навозной инфузионной среды», в которой они обычно питаются, что увеличивало продолжительность жизни на 69 %.
Пищевыеограничения доказанно увеличивают продолжительность жизни любых животных на 69 %.
Невероятная универсальность этого эффекта, от отдельных клеток до сложных млекопитающих, является примером того, что известно как эволюционная консервативность. Термин подразумевает, что реакция на снижение количества пищи – древняя часть биологии, настолько фундаментальная, что сохранялась в каждом виде существ, даже когда древо жизни расцвело бесконечными формами, самыми прекрасными. И его последствия дразнят – если все, от водяных блох в разбавленном навозе до собак на нормированном питании, живут дольше и отличаются более крепким здоровьем, может ли это работать и для людей?
Есть одна загвоздка: несмотря на эволюционную консервативность, сила эффекта ПО сильно варьирует у разных организмов. Пятидневная продолжительность жизни одноклеточных дрожжей может увеличиться на 300 %; червь-нематода C. elegans живет на 85 % дольше при ПО; плодовые мушки – на 66 %; мыши – на 65 %; мышиные лемуры (они являются приматами, как и люди, но довольно отдаленными родственниками и весят всего 50 граммов) могут продлить свою шестилетнюю продолжительность жизни на 50 %; крысы – на 85 % (как мы видели); в то время как лучшие усилия добиться того же у собак приводят к увеличению продолжительности жизни всего на 16 %. Из-за высокой стоимости и ограниченной практичности таких экспериментов мы не изучали много крупных долгоживущих животных, что делает экстраполяцию любой тенденции, скрытой в этих статистических данных, на людей, которые, по сути, большие и долгоживущие, довольно сложной задачей.
Эта дискуссия могла бы быть разрешена недавним объединением двух исследований, проведенных на наших близких эволюционных родственниках – макаках-резусах, разновидности обезьян с максимальной продолжительностью жизни около 40 лет. Хорошая новость заключается в том, что ПО, по-видимому, увеличил продолжительность жизни в обоих исследованиях. Плохая состоит в том, что влияние на продолжительность жизни было более неоднозначным и, конечно, исключало результаты, столь же впечатляющие, как у червей, крыс или лемуров. Исследования на людях были слишком короткими, чтобы дать какие-либо окончательные ответы о продолжительности жизни или здоровой ее части, хотя маркеры для оценки здоровья в краткосрочной перспективе, такие как артериальное давление, уровень холестерина и воспаления, по-видимому, улучшаются.
Мы вернемся к макакам-резусам и к вопросу о том, следует ли нам всем вводить ПО, в главе 10. Однако пока достаточно сказать, что это не что-то, чего легко достичь. Если есть тенденция, то она, вероятно, показывает, что эффект ослабевает по мере приближения организмов к людям по размеру, продолжительности жизни и сложности. Совершенно независимо от любой продвинутой биологической аргументации, учитывая разнообразие питания во всем мире, мы, несомненно, заметили бы к настоящему времени, если бы ПО удвоили продолжительность жизни человека. Была бы какая-то аскетическая религиозная секта, живущая в два раза дольше, чем остальные, и даже скромные различия в питании оказали бы гораздо большее влияние на здоровье и долголетие, чем мы на самом деле наблюдаем.
Однако, хотя споры о питании обезьян и людей не ослабевают, ПО имеет огромное значение в истории биогеронтологии. Его основополагающий вклад, полученный благодаря экспериментам Маккея и других ученых, – это то, что старение можно замедлить – недвусмысленная демонстрация критического факта, без которого было бы очень трудно убедить скептически настроенных ученых в том, что исследования старения заслуживают продолжения. В более поздние времена они также сыграли ключевую роль в начале изучения того, что происходит за кулисами старения.
Возобновившийся в последние несколько десятилетий интерес к исследованиям в области ПО наряду с усовершенствованными инструментами молекулярной биологии позволил нам исследовать, что происходит, когда пищи не хватает. Результаты этих исследований дают основание надеяться, что реакция на ПО может быть действительно универсальной: молекулярный механизм ее реализации, общий для всех видов, которые мы изучали, от дрожжей до людей. Когда любой из этих организмов что-то ест, почти идентичная система молекулярных детекторов и сигналов предупреждает клетки о поступающих питательных веществах и начинает использовать их: сохраняет некоторые для последующего применения, заставляет другие немедленно работать, создает новые клеточные компоненты и так далее. В отсутствие питательных веществ система направляет эти процессы в обратном направлении, приказывая клеткам обуздать их производство и перейти в режим ожидания, в то время как пищи стало меньше.
Почему эта реакция на недостаточное количество пищи так тщательно сохранялась эволюцией? Самая популярная идея основана на теории одноразовой сомы и сосредоточена на том, как животные взвешивают конкурирующие энергетические потребности соматического поддержания и размножения. Если вы ограничены в количестве калорий и можете выбрать только одну задачу, поддержание тела – очевидный вариант. Вместо того чтобы тратить свой бюджет калорий, производя на свет потомство в последний раз в отчаянии, вы можете жить, чтобы протянуть еще один день. И это также означает, что ваши новорожденные дети не появятся на свет во время голода и не умрут быстро сами. Таким образом, эволюция выбрала животных, выделяющих больше ресурсов на тщательное поддержание тела в трудные времена, замедляя постепенное разрушение, которое является процессом старения. Когда пищи снова много, размножение становится приоритетной задачей и старение возвращается к первоначальному темпу.
Мы познакомимся с некоторыми из молекулярных протагонистов[19] позже в книге. Они варьируют от инсулина, о котором вы, возможно, слышали как о гормоне, поддерживающем уровень сахара в крови и производство или воздействие которого нарушается при диабете, до более экзотических, о которых вы могли и не слышать, таких как mTOR. Наличие лечения, надежно замедляющего скорость старения, также помогло осветить его процессы, указав на биологические изменения, которые протекают медленнее под его влиянием. Если бы не бесчисленные голодные мыши, мухи и черви в лабораториях по всему миру, мы бы знали о старении гораздо меньше, чем сейчас.
Что бы еще ни показали эксперименты с ПО, они ясно говорят нам, что старение – это не какой-то неизбежный, неизменный, непреклонный процесс. Скорость старения животного можно изменить (возможно, обманчиво) простым вмешательством. Почему это не привело к биогеронтологической революции до сих пор – вопрос научный. ПО наряду со многими другими потенциальными методами лечения, о которых мы поговорим в этой книге, дает неопровержимое доказательство того, что старением можно управлять. Мы должны ценить пищевое ограничение за то, что оно помогает нам с крысами – олицетворением антивозрастной медицины.
Оставалась одна проблема: ПО показали нам, что старением можно управлять без необходимости ждать, пока ваши потомки эволюционируют в какой-то другой, более медленно стареющий вид, но понять это было все еще нелегко. Старение все еще страдало от своего образа как непостижимо сложного процесса изнашивания организма. Тот факт, что вы можете заставить животных стареть медленнее, не сильно уменьшает эту сложность и не позволяет предположить, что его лечение более правдоподобно. Ограничение рациона сыграло решающую роль в развитии биогеронтологии, но прежде чем она сможет утвердиться как самостоятельная научная дисциплина, потребуется еще один прорыв.
Червю исполнилось 150 дней
Одна из самых важных историй в биологии старения начинается в довольно зловещем месте: в компостной куче в Бристоле, Великобритания, в 1951 году. В грязи копошилась популяция нематод, которые, возможно, являются наиболее значимым организмом биогеронтологии, ответственным за превращение этой области в серьезную научную дисциплину. Без этих червей из Старого Света мы могли бы на десятилетия отстать от того, что имеем сегодня.
Спустя десять лет после этого компостного начала биолог, а позже нобелевский лауреат Сидней Бреннер искал животное, у которого можно было бы изучать развитие нервной системы, достаточно простое, чтобы иметь надежду понять ее. Первые эксперименты были проведены с типом нематод, найденных им в почве в своем саду за домом в Кембридже, и ученый назвал их N1 – нематода 1. Тем не менее он стремился найти лучшего червя для этой работы и хотел рассмотреть других кандидатов, прежде чем продолжить эксперименты. Бристольские черви в итоге стали победителями, и их окрестили N2, и это проще запомнить, чем их полное биологическое название Caenorhabditis elegans (или сокращенно C. elegans). Эти нематоды, крошечные, миллиметровые черви, прозрачные, скромные и едва видные невооруженным глазом, в настоящее время являются одним из самых успешных модельных организмов на планете.
Модельные организмы – один из ключевых инструментов современной биологии. Это существа, которые используются в качестве испытуемых для всего – от отдельных лекарств до фундаментальных биологических теорий. Идея использования модельного организма состоит в том, чтобы упростить проблему как концептуально, так и экспериментально, и позволить нам получить идеи, которые затем могут быть применены к более развитым, сложным организмам, таким как люди. Классический квартет в биологии старения и во многих других областях тоже – это дрожжи, черви, плодовые мушки и мыши, в порядке возрастания биологического сходства с нами.
Ключевое различие между нематодами и мышами или людьми очевидно: это гораздо меньшее по размеру животное. Состоящие не из триллионов, а из тысячи клеток, их тела достаточно малы, чтобы мы могли управлять поведением каждой отдельной клетки. Есть даже проект под названием OpenWorm («Открытый червь»), пытающийся создать компьютерную симуляцию C. elegans на клеточном уровне – то, о чем мы пока можем только мечтать для людей.
Экспериментальные преимущества также значительны. C. elegans приходит на помощь, когда исследования человека были бы слишком неудобными, чересчур длительными или настоящим кошмаром с этической точки зрения. Эти черви растут, размножаются и умирают всего за пару недель, значительно ускоряя эксперименты. Можно вырастить десятки особей в одинаковых условиях в маленькой лабораторной посуде – люди бы на такое никогда не согласились. И у нас также меньше сомнений с червями, когда дело доходит до генетической модификации, к которой прибегают, чтобы просто посмотреть, что произойдет.
Первые эксперименты с червями кажутся бессистемными и примитивными по сравнению с современной наукой с ее точным редактированием генов и секвенированием. Старый метод состоял в том, чтобы взять несколько червей N2 (N2 до сих пор используется для обозначения «стандартного» штамма[20], карандаша HB[21] среди C. elegans) и подвергнуть их воздействию неприятного химического вещества, которое индуцирует случайные мутации в ДНК. Затем берут тысячи мутировавших яиц, которые они производят, и выращивают их по отдельности во взрослых особей. Потом размножают десятки идентичных копий от каждой из них и, наконец, проверяют, делает ли какой-либо из случайно мутировавших червей что-нибудь интересное. В этом случае за ним наблюдают в течение нескольких недель, чтобы увидеть, как долго он живет. Если один из этих мутантов живет дольше, чем обычно, то какие бы изменения ни происходили в ДНК, они могут помочь нам понять генетическую основу долголетия.
В 1983 году ученый Майкл Класс начал терять веру в это после нескольких лет тестирования ошеломляющих восьми тысяч штаммов на долголетие. Он обнаружил только восемь, которые жили дольше, чем обычно, и нашел причины отмахнуться от всех них как от неинтересных. Двое спонтанно вошли в специфическую для червя форму анабиоза, называемую состоянием спящей личинки (dauer[22] state), что, вероятно, нам никак не поможет (даже если люди могли бы сделать что-то подобное, жить дольше, проводя десятилетия в странной ограниченной среде, – это вероятно, не то, к чему стремится большинство людей). У одного был дефект, который, казалось, мешал ему чувствовать еду и двигаться к пище. А остальные пять были очень вялыми, как оказалось, когда на них взглянули под микроскопом. Класс подозревал, что эти последние шесть штаммов ели меньше, чем их N2-аналоги, либо из-за нарушения обоняния, либо из-за общей вялости. К этому времени уже было общеизвестно, что меньшее количество пищи продлевает жизнь животных. Так что все, что он сделал, это заново открыл эффективность пищевого ограничения с помощью невероятно трудоемкого и окольного генетического пути.
Червибыстро растут, недолго живут и легко размножаются. Поэтому именно на них проводят самые разные эксперименты. Даже генную модификацию – просто чтобы посмотреть, что получится.
Неспособность Класса обнаружить мутацию долголетия вполне соответствовала предрассудкам того времени. Старение, как мы видели, связано со многими различными генами, которые приводят к ужасным последствиям в конце жизни и накапливаются в ДНК либо случайно, либо потому, что давали преимущество в молодости. Считалось, что таких генов должно быть несколько десятков или даже сотен и каждый из них сводит на нет жизненные шансы старого организма. Если один-единственный ген долголетия может что-то изменить, почему бы эволюции просто не увеличить его количество до одиннадцати и не поразиться его долгоживущим творениям? И разве мы не ожидали встретить особей со случайными мутациями, которые живут намного дольше, чем все остальные?
Результаты Класса, казалось, подтверждали эту мысль: мутация нескольких генов у червя не могла продлить его жизнь, кроме как окольным путем, лишая его пищи. В конце концов он в отчаянии бросил академическую науку, но его коллега Том Джонсон взялся за поиски с поразительным упорством. Джонсон надеялся, что продление жизни червей было реальным и что он мог бы использовать его, чтобы доказать, что старение контролируется многими различными генами. Он знал, что эти вызывающие мутации химические вещества обычно вносят около двадцати ошибок в ДНК каждого червя. Так что вполне возможно, что долгоживущие особи обладали цепочкой генетических изменений, некоторые положительные, некоторые отрицательные, и все они были готовы для исследования.
Первый шаг состоял в том, чтобы выяснить, имеет ли значение нарушение рациона червей. Ученый начал с того, что скрестил мутантов с червями N2, что стало первым шагом кропотливого процесса выделения генов, каким он был до секвенирования генома. Исследователю удалось вывести несколько червей, которые ели столько же, сколько обычно, но все еще имели большую продолжительность жизни. Затем он скрестил некоторых из этих долгоживущих и сытых нематод с N2. К его удивлению, у потомства этого союза была нормальная продолжительность жизни.
Самым простым объяснением этого наблюдения было то, что один ген отвечал за наблюдаемое продление жизни[23]. Если бы было задействовано много генов, было бы крайне маловероятно, что эффект полностью исчезнет в первом поколении. Вы ожидали бы, что продолжительность жизни червей, полученных в результате этого скрещивания, будет где-то между N2 и долгоживущими мутантами. Затем скрещивание долгоживущих мутантов друг с другом не увеличивало продолжительность жизни, предполагая, что все они имели либо одну и ту же либо очень похожую генетическую мутацию.
В конце концов Джонсон убедился, что действительно единственный ген отвечает за долгую жизнь этих червей. Ученый опубликовал результаты в 1988 году, назвав ген age-1. Прогресс был впечатляющим: продолжительность жизни червей увеличилась на 50 %, с двух недель до трех. Это эквивалентно обнаружению единственной мутации, которая означает, что люди обычно могут жить до 120, а не до 80 лет.
К сожалению, ему не удалось убедить в своей правоте остальную часть биологического сообщества. Многие биологи считали, что эти результаты могут быть ошибочными или, если нет, просто указывать на странную причуду нематод, имеющую ограниченное отношение к другим видам.
Даже если бы это было правдой, имелись основания сомневаться в ее более глубоком значении. Мутанты с геном age-1 были не только долгожителями, у них существенно снижалась плодовитость. Отнюдь не ставя под сомнение эволюционные теории старения, Джонсон только подтвердил их на прекрасном примере теории одноразовой сомы – единственного гена, который продлевает жизнь, но перенаправляет ресурсы с воспроизводства на соматическое поддержание.
Хотя сначала это не вызвало сенсации, открытие age-1 действительно запустило развитие биогеронтологии. Это вдохновило другого биолога, изучавшего червей, Синтию Кеньон, на поиски новых генов долголетия. В 1993 году она обнаружила еще одну мутацию, отвечающую за долгожительство, на этот раз в гене под названием daf-2, который уже был хорошо известен биологам, изучавшим червей. Он был обнаружен в другом из тех случайных мутационных экспериментов, и черви с мутациями daf-2 особенно стремились войти в состоянии «спящей личинки». Эксперименты Кеньон показали, что, если их растить в прохладной температуре, чтобы они не впали в анабиоз, эти черви живут дольше, чем обычные. Какие бы механизмы ни позволяли им воздержаться от спячки в течение нескольких месяцев в ожидании более благоприятных условий, они работают и у взрослых червей, продлевая их жизнь. И результаты оказались впечатляющими: особи с мутацией в гене daf-2 жили вдвое дольше обычных червей.
Дальнейшая работа над age-1 и daf-2 показала, что они действительно задерживают процесс старения. В то время как двухнедельные N2 проводят свои последние дни, выглядя изможденными и едва двигаясь, их ровесники с мутацией age-1 казались молодыми и бодрыми и быстро передвигались. Старческая дряхлость – она обычно настолько сильна, что ее можно увидеть в микроскоп даже у этих непохожих на нас существ, – проявилась лишь незадолго до их кончины, через пару недель. Эти мутации не просто продлевают жизнь – они замедляют сам процесс старения.
Там, где age-1 можно было бы отбросить как причуду биологии червя, второй ген с правдоподобным механизмом действия и еще более впечатляющим увеличением продолжительности жизни червя сделал многое, чтобы рассеять эти сомнения. Научная значимость этого открытия очевидна: эксперименты с ПО уже показали, что старением можно управлять, но изменить его, модифицировав один-единственный ген, – это просто поразительный результат. Как только один ген может оказывать такое сильное воздействие на, казалось бы, весь спектр возрастных изменений?
Но, возможно, более важный эффект носил культурный характер. Эта находка открыла изучение старения для точных методов современной генетики и молекулярной биологии. Старение больше не было процессом настолько запутанным, что его нельзя было изучать. Так как можно контролировать его с помощью точечных изменений отдельных генов, этот процесс внезапно открылся для методической обработки, которая могла бы позволить ученым расшифровать его. Это открытие стало значимой вехой, показав, что старение не только податливо, но и понятно. Исследования старения, ранее рассматривавшиеся как научный тупик, теперь оказались в центре внимания. Зародилось современное научное исследование старения.
История age-1 и daf-2 на этом не заканчивается. Золотая лихорадка генетики червей обнаружила еще много мутаций, влияющих на старение. Черви-носители различных мутаций в разных генах неоднократно ставили новые рекорды по продолжительности жизни. С поэтической симметрией нынешний действующий чемпион – age-1 – тот же ген, но другая мутация по сравнению с 80 мутировавшими особями Класса. Черви, которые были носителями мутации, живут в среднем 150 дней – ошеломляющее десятикратное продление жизни по сравнению с червями N2. В итоге подтверждающий эксперимент длился почти девять месяцев, причем червь с окончательным вариантом гена age-1 (mg44) умер через 270 дней. Хотя, возможно, это несколько поверхностное сравнение, но это примерно эквивалентно человеку, живущему 1500 лет.
И, поскольку этот эксперимент был проведен в середине 2000-х годов – в эпоху секвенирования ДНК, – мы теперь знаем нечто еще более удивительное об age-1 (mg44). Мутация, которая приводит к этому невероятному долголетию, является результатом изменения одной буквы ДНК – 1161-го основания в гене age-1, в котором A заменяет обычную G. Это превращает последовательность TGG в TGA, что на языке ДНК означает «вы закончили, прекратите чтение». В результате белок AGE-1[24] составляет около трети своего обычного размера и не содержит важнейших компонентов. Этот усеченный белок настолько бесполезен, словно первая треть автомобиля, с одним небольшим колесом и несколькими случайными частями двигателя, его вполне может не быть вообще. Предыдущие мутации age-1 просто сделали белок менее эффективным в своей работе и, следовательно, имели менее впечатляющие эффекты, но его полное отсутствие значительно продлевает жизнь.
Что это за ужасный яд – AGE-1, если его присутствие сокращает продолжительность жизни червя в десять раз? И почему, черт возьми, черви производят это смертельное вещество внутри своих клеток? Синтия Кеньон рассматривает daf-2 как «смерть с косой» – что делает age-1 Терминатором, скрещенным с Чингисханом.
Оказывается, и age-1, и daf-2 являются частью механизма, позволяющего червям реагировать на изменения доступности пищи в окружающей среде. Это важнейшая часть системы, опосредующая эволюционную реакцию на ограничение питания. DAF-2 – это рецептор инсулина, молекула, которая торчит из поверхности клетки, высматривая инсулин, за который можно ухватиться. Помните, что инсулин – это гормон, отвечающий у людей за контроль уровня сахара в крови и приказывающий клеткам организма использовать или хранить питательные вещества, проходящие через кровоток после еды? Семейство из 40 инсулиноподобных молекул выполняет в основном ту же работу у червей, приказывая клеткам изменять поведение, когда вокруг есть питательные вещества, которые нужно использовать.
Мутация всегов одном гене ДНК червей увеличила их продолжительность жизни в 10 раз.
Если рецептор DAF-2 обнаруживает инсулин, это говорит ему, что пищи много, и он может привести в движение такие процессы, как рост и размножение, чтобы дать потомство. Если он не обнаруживает инсулин, значит, времена тяжелые. Если червь молодой, возможно, ему стоит взять тайм-аут и впасть в спячку. У взрослого червя рецептор запускает процессы, чтобы поддерживать тело и, по возможности, пережить голод. Рецептор DAF-2 распознает инсулин, а затем белок AGE-1 распространяет хорошие новости и запускает процесс быстрого размножения и стремительного старения. Если представить, что DAF2 – это педаль газа, которую инсулин может нажимать, чтобы ускорить рост, размножение и старение, то AGE-1 соединяет педаль с дросселем, который подает топливо в двигатель. Уберите педаль или соединение, и инсулин не сможет давить на газ, а старение замедляется независимо от того, есть ли у вас мутация – или и то и другое.
Конечным результатом этого генетического изменения является то, что клетки червей в итоге ведут себя так, как будто находятся в состоянии голода, когда на самом деле пищи может быть много. Так что в некотором смысле Класс был прав: эти генетические изменения были связаны с обходным путем, дающим многие из преимуществ употребления значительно меньшего количества пищи, которые мы обсуждали ранее в этой главе. Разница в том, что это удивительный молекулярный «черный ход», который дает представление о том, как старение работает на клеточном уровне, а не неуклюжий окольный путь к фактическому сокращению потребления пищи червями.
Черви заслуживают свое место в истории за то, что разожгли интерес научного сообщества к теме старения. Но вас простят за то, что вы не слишком верите в актуальность этих червей-Мафусалов[25] для человеческой медицины. Тем не менее есть причина следить за результатами в изучении модельных организмов, например в вопросе эволюционной консервативности. Хотя очевидно, что дрожжи, черви, мухи и мыши отличаются от нас во многих отношениях, они разделяют очень много принципов фундаментальной биологии друг с другом – и с нами.
Гены, ответственные за невероятное долгожительство этих червей, – одна из таких общих черт. Мутации в сигнальном пути инсулина и гормонах роста также обнаруживаются у долгоживущих штаммов дрожжей, плодовых мушек и мышей. К ним относится ларонская мышь, у которой есть мутация в гене рецептора гормона роста – и самая долгоживущая из них умерла всего за неделю до своего пятого дня рождения. Поскольку эта мутация влияет на гормон роста, ее носители достигают зрелости медленнее и в итоге становятся намного меньше, чем мыши без мутации, но и продолжают жить дольше и в лучшем состоянии здоровья.
На самом деле ларонские мыши были генетически модифицированы, чтобы имитировать человеческое состояние, известное как синдром Ларона. Обнаруженная в основном у людей, живущих в отдаленных деревнях Эквадора, эта генетическая мутация приводит к тому, что жители деревни очень низкие – обычно около метра ростом. Но также это, по-видимому, почти полностью избавляет их от рака и диабета. К сожалению, очень трудно понять, дает ли эта мутация такое же преимущество долголетия, которым пользуются черви и мыши, и что предполагает свобода от рака и диабета. Исследование показало, что ожидаемая продолжительность жизни людей с синдромом Ларона в значительной степени нормальна, и 70 % смертей в этой группе были вызваны не возрастными причинами, включая 13 % из-за алкоголя и 20 % от несчастных случаев. Неясно, будет ли их жизнь длиннее в отсутствие этих значительных задержек в ожидаемой продолжительности жизни.
Эти мутации в генах сигнального пути инсулина и гормона роста немного похожи на генетические версии пищевого ограничения, но обходят необходимость фактического ограничения рациона. Они обманывают клетки, заставляя их думать, что холодильник пуст, когда на самом деле это может быть не так. Таким образом, хотя это запоминающееся описание, два рассматриваемых гена на самом деле не являются мрачным жнецом или Чингисханом. Это критически важный механизм выживания, который позволяет червям, мышам и людям менять метаболизм в ответ на изменения условий в дикой природе.
Мы знаем, насколько это важно, благодаря масштабным экспериментам с червями: если вы ставите мутантных червей в конкуренцию с дикими, то быстро выясняете, зачем нужен ген мрачного жнеца. В лабораторных условиях в чашках Петри как с червями N2, так и с особями с мутацией в гене age-1, если уровень пищи варьировал, чтобы имитировать условия излишка и голода, которые вы могли бы найти в естественной среде обитания C. elegans, N2 (с их нетронутым геном мрачного жнеца) быстро вытесняют своих мутантных сожителей. Аналогичный эксперимент, в котором носители мутации daf-2 противопоставлялись N2, проведенный в почве, а не в обычной бесплодной среде агаровой пластины в лаборатории, показал, что немутировавшие черви на самом деле жили дольше в естественных условиях. Эволюция, как всегда, сводится к компромиссам: в этом случае естественные черви N2 соглашаются на более короткую жизнь в раю в обмен на более надежную продолжительность жизни и лучший потенциал к размножению в реальном мире.
Бережно полученные в лаборатории и распространенные в чашке Петри среди генетически идентичных червей, живущих в условиях без конкуренции, эти мутации долголетия дают червям продолжительность жизни, которая была бы удивительной в природе. Этот факт обычно используется для того, чтобы предположить, что ряд мер, продлевающих жизнь и укрепляющих здоровье, которые мы обсудим в этой книге, несовместимы с жизнью в реальном мире, потому что требуют компромиссов, делающих существа более хрупкими незаметными способами, которые не проявляются в лаборатории. Однако есть гораздо более оптимистичный взгляд. Благодаря гигиене, здравоохранению, разнообразному питанию для человеческого мира, по крайней мере для развитых стран, верно то, что наша избалованная жизнь гораздо больше похожа на жизнь червей в чашке Петри, изолированных от природных опасностей, чем на жизнь диких животных, будь то черви в почве или доисторические люди. Мы фактически живем в гигантской лабораторной среде, созданной нами самими, для которой гены, усовершенствованные естественным отбором для среды, где мы эволюционировали, не всегда оптимизированы. Это может означать, что мы, подобно C. elegans на лабораторном столе, сможем извлечь выгоду из существенных изменений в скорости старения.
Хотя кажется маловероятным, что конкретные гены, обнаруженные у червей, приведут к каким-то прямым улучшениям в развитии человека, их важность для рождения биогеронтологии трудно переоценить. То, что в течение десятилетий считалось невероятно сложным процессом, недоступным лабораторной биологии, можно было существенно изменить, отредактировав один ген – фактически одну букву ДНК. Таким образом, старение прочно вошло в сферу лабораторной биологии.
Подвергнуть мутации тот или иной ген модельного организма – один из любимых способов биологов разобраться в проблеме. Вы можете думать об этом как об изменении или полном удалении одного компонента двигателя и наблюдении за тем, что происходит. Последствия могут начать говорить вам, для чего предназначен этот компонент и как он влияет на детали, с которыми связан, предоставляя данные, с помощью которых вы в итоге сможете понять, как работает двигатель. Что касается машины, сконструированной человеком, это крайне неэффективный путь к пониманию явлений. Результатом, вероятно, будет просто то, что она перестанет работать, не дав никакого знания о функции компонента. В биологических системах, которые беспорядочны, взаимосвязаны и эволюционировали с несколькими уровнями резервирования[26], что часто делает их устойчивыми перед лицом небольших изменений, результаты несильной модификации могут быть гораздо более удивительными, например массовое увеличение продолжительности жизни.
Если вы можете так резко увеличить продолжительность жизни с изменением одного гена, это дает нам возможность задать огромный спектр новых вопросов. Что делает этот ген долголетия? С какими генами он связан? Если вы измените эти гены, эффект станет больше, меньше или вообще исчезает? Потянув за эти нити, биологи смогли начать исследовать процессы, которые приводят к старению, гораздо более систематически, чем тогда, когда не знали, с чего начать. В настоящее время известно более 1000 генов, способных увеличить продолжительность жизни различных организмов, в том числе 600 генов C. elegans.
Вот почему эти события ознаменовали зарождение новой области исследований. Старение стало теперь чем-то, во что можно вмешаться, что можно пощупать, потыкать и изучить. Изучение этого феномена больше не было странным времяпрепровождением, в значительной степени игнорируемым основной биологией, и не приводило к карьерному самоубийству в случае интереса к нему. Мы могли бы наконец ответить на извечный вопрос о том, что такое старение, не только в общем эволюционном смысле, когда оно представляет собой совокупность процессов, связанных с ухудшением состояния, но и в мельчайших клеточных и молекулярных схемах того, что может быть причиной или следствием. Это захватывающе с научной точки зрения, но также очень важно, если мы хотим иметь хоть какую-то надежду на лечение. Далее мы обратимся к тому, что открыла эта потрясающая новая наука.