Текущий ремонт
Лучший подход к исправлению признака старения – это не удаление и не замена, а ремонт. ДНК является отличным примером: клетки не продержались бы долго без ее молекулярных инструкций, и замена двух метров вещества в десятках триллионов клеток была бы и непрактичной, и невозможной. Так что мы должны найти способы исправить множество нарушений ДНК от укороченных теломер до мутаций, пока она еще находится в наших клетках.
Мы также рассмотрим восстановление баланса сигналов в крови, чтобы вернуть их на уровень, который наблюдался в молодости, и залатать поврежденные митохондрии, чтобы они могли продолжать генерировать энергию для наших клеток в старости. Начнем с теломер.
Удлинение теломер
Каждый раз, когда клетка делится, ее теломеры становятся короче. Поскольку многие из тканей для пополнения собственных рядов полагаются на делящиеся клетки, их теломеры в итоге становятся «критически короткими», что приводит к самоубийству клеток или старению. Люди с более короткими теломерами, как правило, умирают раньше, чем те, у кого они длиннее. Есть ли способ устранить поломку защитных колпачков ДНК и тем самым продлить нашу жизнь?
История теломер начинается в 1984 году, когда ученые Элизабет Блэкберн и Кэрол Грейдер исследовали их в одноклеточных прудовых существах под названием тетрахимены (Tetrahymena). Это крошечные организмы, покрытые таким количеством микроскопических волосоподобных выступов, что они выглядят пушистыми. Мой любимый факт о них заключается в том, что есть семь различных полов тетрахимен, которые они выбирают случайным образом во время спаривания, что приводит к 21 различной комбинации полов родителей, и дети затем могут снова приобрести любой из этих семи полов. Блэкберн заметила, что при определенных условиях теломеры терахимены могут удлиняться. Это казалось странным: в то время считалось, что ДНК – это постоянный, неизменный план организма, а не что-то, во что можно вмешаться. Как и почему эти крошечные существа делают из нее нечто большее?
Самая полезная особенность тетрахимен для исследования теломер заключается в том, что у них на клетку приходится около 20 000 хромосом, что дает 40 000 теломер для исследования – гораздо больше, чем ничтожные 46 хромосом и 92 теломеры в человеческой клетке. Таким образом, рассуждала Блэкберн, если бы существовал какой-то механизм, удлиняющий теломеры, эти волосатые на вид инфузории должны показать нам его. После долгих лет кропотливых исследований Грейдер и Блэкберн наконец выделили фермент, ответственный за удлинение теломер тетрахимены. Они окрестили его теломеразой, и это оказалось довольно важным открытием. Пара была удостоена Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2009 году вместе с Джеком Шостаком, который помог Блэкберн продемонстрировать защитные эффекты теломер с помощью экспериментов на дрожжах.
Теломераза, казалось, была ферментом бессмертия, по крайней мере для клеток. Отключение гена у тетрахимены привело к тому, что маленькие семиполые клетки, которые обычно бесконечно размножались, умирали в течение недели. Большинство животных клеток не имеют активной теломеразы и могут быть использованы для обратного эксперимента: добавление дополнительной копии гена теломеразы позволяет им делиться бесконечно, избегая старения. Впервые это было сделано в клетках человека в середине 1990-х годов в биотехнологической компании Geron – по иронии судьбы, использовались клетки, принадлежащие Леонарду Хейфлику. Хейфлик по счастливой случайности пожертвовал клетки кожи с ноги: он показывал телевизионщикам, снимавшим документальный фильм о его работе, как взять образец кожи для культивирования клеток, и случайно попросил у главного научного сотрудника Geron Майка Уэста скальпель. Уэст считал, что возможность измерить «истинный предел Хейфлика» – сколько раз собственные клетки Хейфлика будут делиться, прежде чем превратятся в стареющие, – слишком хороша, чтобы упустить ее. По счастливой случайности ученые из Geron недавно выделили человеческий ген теломеразы, поэтому Уэст решил, что еще лучшим экспериментом будет вставить дополнительную копию гена в клетки кожи Хейфлика и посмотреть, что произойдет. Немодифицированные клетки Хейфлика достигли своего одноименного предела, когда надо. Но те, у которых была дополнительная теломераза, просто продолжали делиться, что сделало их первыми человеческими клетками, что были «увековечены» теломеразой. Ирония усиливается тем, что Хейфлик, которому сейчас за девяносто, всю жизнь скептически относится к тому, что мы когда-нибудь сможем вмешаться в процесс старения.
Это чудесное поведение вызывает очевидный вопрос: может ли теломераза сделать для целых людей то, что делает для клеток в пробирке? Судя по статьям в популярной прессе 1990-х годов, вполне простительно так думать. Эта история о теломерах как простых часах деления клеток и теломеразе как способе их восстановления настолько проста для понимания, что размножается подобно клеткам с активной теломеразой. Тот факт, что мы пока массово не сидим на таблетках, удлиняющих теломеры, вероятно, говорит вам, что все оказалось немного сложнее.
Самая очевидная проблема – рак. Чтобы образовать опухоль, раковая клетка должна делиться снова и снова, а это значит, что она должна остановить критическое сокращение своих теломер. В результате почти 90 % раковых заболеваний реактивируют теломеразу, чтобы избежать клеточного старения. Остальные 10 % используют механизм, известный как альтернативное удлинение теломер, или ALT (от англ. alternative lengthening of telomeres) – аббревиатура, которая, как темная материя и темная энергия в астрофизике, существует прежде всего для того, чтобы скрыть тот факт, что мы очень мало знаем, что это такое и как оно работает. Активной теломеразы самой по себе недостаточно, чтобы превратить клетку в раковую, но мы бы предпочли не ставить никаких галочек в контрольном списке рака, если можно этого избежать.
Это беспокойство было подтверждено первыми экспериментами с использованием теломеразы в организмах более сложных, чем тетрахимена. Ученые добавили дополнительные копии гена теломеразы в организм мышей и, хотя заметили некоторые преимущества – в том числе более толстая кожа и быстрее растущие волосы, – также обнаружили, что повышался риск развития рака. Исследования, проводимые в противоположном направлении, в которых удаляется естественный ген теломеразы у мышей, показали, что недостаток этого фермента подавляет рост опухоли. Таким образом, казалось довольно ясным, что теломераза является прораковым ферментом, и это осознание разрушило иллюзии насчет ее применения как метода борьбы со старением.
Таким образом, теломеры, по-видимому, – ключевой компонент клеточных противоопухолевых механизмов. Помимо того, что концы хромосом не склеиваются друг с другом, а важные части ДНК не расщепляются во время деления клеток, как мы узнали в Главе 4, они также используются для защиты целых организмов от рака благодаря вмешательству эволюции. Подсчитывая, сколько раз клетка делилась, теломеры обеспечивают механизм, который позволяет найти клетки, которые делали это слишком много раз. Если клетка достигнет предела делений и в итоге станет стареющей, это может спасти вашу жизнь. Вот почему теломераза отключается в большинстве клеток взрослого человека[58]. Тем не менее фермент явно не может быть полностью удален, даже при отсутствии рака. Например, крайне важно, чтобы эмбрионы обладали способностью восстанавливать теломеры между поколениями, чтобы жизнь детей не была остановлена короткими теломерами их родителей и вид не вымер[59].
Плюрипотентные стволовые клетки, будь то эмбриональные или индуцированные, постоянно используют ее, чтобы теломеры оставались длинными, позволяя клеткам делиться бесконечно. Она также активна в некоторых взрослых стволовых клетках, таких как ГСК, вырабатывающих кровь, но только настолько, чтобы замедлить, а не полностью предотвратить укорочение теломер. И иногда в Т-клетках во время инфекции, когда им нужно быстро размножаться, чтобы противостоять конкретному врагу, на которого они нацелены.
Врожденныйдискератоз – это заболевание, при котором человек ускоренно стареет.
Эволюция, похоже, ведет искусную игру, оптимизируя использование теломеразы. Динамика теломер, как это часто бывает, является биологическим компромиссом между избеганием старения и раком. Самый крайний пример – редкое генетическое заболевание, известное как врожденный дискератоз (ВДК), которое, как мы теперь знаем, вызвано очень короткими теломерами. У пациентов возникают проблемы с быстро делящимися тканями, такими как кожа, волосы и кровь, и они испытывают что-то вроде ускоренного старения с быстрым поседением волос, легочными симптомами и остеопорозом. Есть даже мрачная ирония в том, что пациенты с ВДК более восприимчивы к определенным видам рака. Это происходит потому, что действительно короткие теломеры вызывают состояние, называемое кризисом. И, если клетка не стареет, хаос в ее ДНК может привести к вызывающим рак мутациям. А недостаток теломеразы ослабляет иммунную систему, которая в противном случае могла бы отследить его раньше.
В противоположность этому в Германии была обнаружена семья с мутацией, меняющей одну букву в 57 основаниях ДНК до начала гена теломеразы. Это увеличило количество теломеразы, вырабатываемой некоторыми из их клеток, примерно на 50 % и резко повысило риск развития рака. У четырех из пяти членов семьи, являющихся носителями этой мутации, развилась меланома, а у последнего в возрасте 36 лет было несколько тревожных родинок на коже. У одной из женщин из этой семьи в 20 лет развилась меланома, затем рак яичников, почек, мочевого пузыря, груди и, наконец, легких, который убил ее в 50 лет. Просто невероятно, сколько неприятностей может причинить одно основание ДНК из трех миллиардов.
Таким образом, теломераза – это фермент-Златовласка[60]: слишком мало – и быстро делящиеся ткани разрушаются; слишком много – и рак легко берет верх над организмом. К счастью, у большинства из нас он находится в пределах нормы. Хотя существует некоторая естественная вариация в населении, т. е. у каждого из нас немного разные уровни теломеразы, в целом это не имеет большого значения. Если вы посмотрите на человеческие популяции, то можете сравнить людей с тонкими вариациями ДНК, которые немного увеличивают или уменьшают активность теломеразы. Более активная теломераза немного увеличивает риск смерти от рака, но не имеет большого значения для риска смерти в целом, потому что вы чуть лучше защищены от других проблем, таких как сердечно-сосудистые заболевания, которые связаны с короткими теломерами.
Итак, если длина теломер и уровень теломеразы подобны хождению по канату между старением и раком, то какие практические меры могут помочь нам удержаться и не упасть? Если вы хотите проследить историю попыток превратить теломеразу в конкретный метод лечение, можно изучить карьеру молекулярного биолога Марии Бласко. В 1993 году она переехала из лаборатории в Испании, где защитила докторскую диссертацию, в США, чтобы работать в постдокторантуре[61] у Кэрол Грейдер, которую вы помните по ее открытиям теломеразы у тетрахимены.
Бласко не испугалась, когда иллюзии насчет теломеразы, казалось, испарились в начале 2000-х. Убежденная в том, что понимание теломер может привести к созданию новых лекарств от болезней, вызванных их укорачиванием, ее лаборатория продолжала эксперименты с ферментом. В 2008 году группа опубликовала статью, показывающую, что теломераза может продлить жизнь мышей – при условии, что они также генетически модифицированы, чтобы быть устойчивыми к раку. Мыши, генетически измененные так, чтобы иметь как дополнительную теломеразу, так и три дополнительных гена защиты ДНК, которые заставляют клетки умирать или стареть, если у них есть предраковые мутации, жили в среднем на 40 % дольше, чем их немодифицированные собратья. Это дает надежду – битва между раком и старением, похоже, не является игрой с нулевой суммой, где каждая победа над одним приводит к смерти от другого. В сложной биологической системе усиление двух конкурирующих эффектов может дать – и в данном случае действительно дает – синергию для получения чистой выгоды.
В последующем эксперименте на взрослых мышах был опробован другой вид генной терапии. Грызунам вводили миллиарды вирусов[62], которые, вместо того, чтобы вызывать инфекцию, доставляли в их клетки дополнительный, временный ген теломеразы. Те, кому делали инъекцию в возрасте одного года (примерный эквивалент 40 человеческих лет), жили в среднем на 20 % дольше, чем сверстники. У мышей, получавших лечение теломеразой, также наблюдалось укрепление здоровья: улучшался контроль уровня сахара в крови, повышалась плотность костной ткани, кожа становилась более плотной, улучшались результаты ходьбы по натянутому канату. Самое главное, не было никакого очевидного роста риска развития рака.
Это многообещающе и может быть осуществимо на взрослых людях, но, как говорится, мыши – это не просто крошечные люди. Одна потенциальная трудность применения на людях этого открытия, которое стало возможно благодаря мышам, заключается в том, что мыши живут значительно меньше. Там, где средняя мышь, обработанная теломеразой в этом исследовании, прожила еще полтора года после лечения, у человека, получившего лекарство в эквивалентном возрасте, впереди были бы десятилетия, когда могли бы накопиться вызывающие рак мутации. Может ли это означать, что теломераза безопасна для короткоживущих мышей, но опасна для долгоживущих людей?
Чтобы предотвратить эту критику, лаборатория Бласко опробовала ту же самую вирусную генную терапию на взрослых мышах, генетически модифицированных и имеющих значительно повышенную восприимчивость к раку. Не было никакой заметной разницы в частоте развития рака между мышами, получавшими дополнительную теломеразу, и теми, кто получал контрольную дозу вируса, не содержащего ДНК, – показатели в обеих группах были одинаково и ужасно высокими. Это говорит о том, что даже в среде с высокой склонностью к раку этот вид генной терапии теломеразой по крайней мере не ухудшает ситуацию, и наводит на мысль, что генная терапия у взрослых людей может быть не такой канцерогенной, как первоначально опасались.
Последний эксперимент лаборатории Бласко включал создание мышей с очень длинными теломерами, но совершенно нормальной теломеразой. Эти подопытные жили в среднем на 13 % дольше, чем грызуны с теломерами нормальной длины. Также наблюдался ряд преимуществ для здоровья: меньший вес, более низкий уровень холестерина, меньшее повреждение ДНК и, что особенно важно, более низкий риск развития рака. Этот эксперимент показывает, что очень длинные теломеры по сути не являются проблемой, но именно гиперактивная теломераза повышает риск развития рака, как мы видели на примере немецкой семьи. Таким образом, если бы мы могли увеличить длину теломер, не обращаясь к существующим генам теломеразы, возможно, можно было вообще обойти теломеразную дилемму – выбор между раком и дегенерацией.
Со всеми этими захватывающими доказательствами, полученными в экспериментах на мышах, сейчас необходимо провести больше испытаний, чтобы изучить теломеразу у животных, более похожих на нас. Одним из вариантов может быть переход прямо к людям. Как мы уже видели с другими признаками, существует множество случаев, когда теломеры ответственны за болезни более страшные, чем медленное старение до самой смерти. Начать можно с людей, страдающих врожденным дискератозом или несколькими сопутствующими заболеваниями, непосредственной причиной которых становится недостаток теломеразы.
Другая возможность – идиопатический легочный фиброз, заболевание легких, его вы, возможно, помните как первый вариант, на котором опробовали сенолитическую терапию. (Обнадеживает то, что короткие теломеры и чувствительные клетки оказываются в одних и тех же местах, учитывая, что одно может вызвать другое.) Эксперименты с генной терапией и теломеразой на мышах предполагают, что она может обратить вспять ИЛФ.
И учитывая, что в настоящее время у пациентов нет хороших вариантов лечения, некоторые, вероятно, захотят рискнуть и попробовать терапию теломеразой. За пациентами, включенными в эти исследования, будут очень тщательно наблюдать на предмет любого увеличения риска развития рака, и, если этого не произойдет, мы могли бы начать заранее предписывать лечение более широким группам людей. Поскольку более короткие теломеры подвергают риску сердечно-сосудистых заболеваний, на очереди могут быть пациенты из этой группы. Если люди с повышенным риском сердечных заболеваний, получающие теломерную терапию, не начнут умирать от рака, мы можем представить себе, что теломеразу начнут назначать всем нам в качестве профилактики.
Генная терапия – это не единственный вариант. Мы могли бы также искать лекарства или добавки, которые естественным образом усиливают активность генов теломеразы, уже присутствующих в наших клетках, пока их действие носит временный характер. Наиболее изучено ТА-65, химическое соединение, выделенное из травы, используемой в традиционной китайской медицине, которое может увеличивать как длину теломер, так и продолжительность здорового периода жизни (но не общую продолжительность жизни) у мышей, активируя теломеразу, но не повышая риск развития рака. И есть некоторые доказательства того, что оно может оказывать положительное влияние и на здоровье людей. Конечно, стоило бы покопаться в каталогах фармацевтов, чтобы найти для использования и какие-то другие молекулы.
Таким образом, фермент бессмертия девяностых, ставший страшным возбудителем рака в нулевых, снова завоевывает внимание общественности. Эксперименты на мышах представляют собой все более убедительный пример того, что теломераза, применяемая разумно, не должна быть палкой о двух концах, и нет никаких очевидных препятствий для того, чтобы опробовать эти методы на людях. И, если они сработают, мы сможем перейти от хождения по теломеразному канату с раком на одной стороне и дегенеративными заболеваниями на другой, к танцу по нему, защищенному от обоих.
Может ли молодая кровь научить старые клетки новым трюкам?
В биологии старения приз за эксперимент с богатейшими обертонами готического ужаса должен достаться гетерохронному парабиозу. Он каким-то образом умудряется сочетать франкенштейновское сшивание частей тела с вампирским вкусом к молодой крови. В таких исследованиях у двух животных, обычно крыс или мышей, разного возраста с одной стороны тела снимают кожу, а затем сшивают два открытых бока. Процесс заживления идет полным ходом, и крошечные кровеносные сосуды между телами срастаются, пока у искусственно соединенных близнецов не будет единой системы кровоснабжения.
Хотя это может показаться ужасным, гетерохронный парабиоз дал ученым новый способ понять и потенциально разработать методы лечения старения. Одна из многих жизненно важных функций крови состоит в том, чтобы служить телекоммуникационной сетью для тела, переправляя растворенные химические вещества, которые действуют как посредники, или мессенджеры, и влияют на поведение клеток во всем организме. Наблюдение за тем, что происходит, когда молодая мышь сталкивается со старой кровью, или старый грызун получает освежающую молодую кровь, дало нам новое понимание того, как влияние системных внутренних факторов может стимулировать старение. Это также вдохновляет на создание новых методов лечения, которые, к счастью, не будут предполагать пришивание стариков к подросткам.
Парабиоз был впервые разработан исключительно как научная новинка в девятнадцатом веке. В 1864 году физиолог Пол Бер сшил вместе двух крыс и продемонстрировал, что у них формируется общая кровеносная система, впрыснув одной из них ядовитое пасленовое растение, белладонну. То растение получило свое название от итальянского bella donna, что означает «красивая женщина», из-за того, что в эпоху Возрождения женщины использовали глазные капли, сделанные из его ягод, чтобы расширить зрачки и сделать их более привлекательными (его английское название nightshade, которое переводится как «ночная тень», должно сказать вам, почему это была ужасная идея).
Гетерохронный парабиоз – этосоздание единой системы кровоснабжения у двух разных организмов. Искусственно созданные сиамские близнецы!
После введения его одной крысе ее зрачки быстро расширились.
Через пять минут зрачки другой крысы тоже расширились, показывая, что экстракт попал в кровь другого животного, и доказывая, что их кровообращение объединилось.
Парабиоз с тех пор используется для изучения ожирения, рака и даже кариеса. Ученые могут изменить некоторые факторы для одного животного в паре, в то время как парабиоз гарантирует, что их внутренняя среда в основном будет общей, позволяя определить последствия изменений. Эксперимент с кариесом – отличный пример. Ученые в 1950-х годах хотели выяснить, что было причиной гнилых зубов: прямое воздействие сахара во рту или его косвенное влияние из-за нахождения в крови. Они обратились к парабиозу, скармливая одной крысе в парабиотической паре сладкую еду, а другой нормальную пищу. Благодаря общему кровоснабжению у обеих подопытных была одинаково сладкая кровь, но только у той, которая ела сахар, развился кариес, доказывающий, что высокий уровень глюкозы в крови не является фактором риска. Такие опыты могут ужасать, но это элегантный способ получить достоверные результаты.
Термин «парабиоз» с древнегреческого переводится, возможно, несколько эвфемистически, как «жизнь рядом». Для исследователей старения интерес представляет «гетерохронный» вариант – когда вместе сшивают животных разного возраста. Первые эксперименты такого рода также были проведены в пятидесятых годах Клайвом Маккеем, пионером исследований пищевого ограничения, которого вы помните из Главы 3. Он и его команда с разной степенью успеха объединили в общей сложности 69 пар крыс, что теперь кажется довольно примитивной процедурой. Одиннадцать пар умерли в течение нескольких недель от «парабиотической болезни», считавшейся следствием того, что иммунная система обоих тел начала войну против чужеродной ткани другого (интересно, что мы до сих пор точно не знаем, что вызывает ее – но это гораздо менее распространено в современных экспериментах, вероятно, из-за улучшения хирургических методов). Другие пары встречали свой конец, когда одна крыса отгрызала голову своему партнеру (в современных исследованиях ученые позволяют животным провести пару недель в одной клетке и привыкнуть друг к другу, прежде чем соединить их, как по практическим, так и по этическим соображениям). Результаты наводили на размышления, причем у более старых животных в гетерохронных парах наблюдалось улучшение плотности костной ткани, но эксперименты не были достаточно систематическими, чтобы быть действительно убедительными.
Опыты, проведенные в начале семидесятых годов, дали более достоверную картину. Ученые сравнили продолжительность жизни пар крыс, объединенных гетерохронно, как с изохронными (одного возраста) парами, так и с обычными животными, к которым никого не присоединяли. Одиночные животные жили около двух лет. Крысы в изохронном парабиозе жили немного меньше, подтверждая (возможно, это неудивительно), что сшивание с другой крысой является напряженной процедурой и оказывает давление на организм. Но старшая крыса в гетерохронной паре жила дольше – примерно столько же, сколько и одиночная крыса, если пара состояла из самцов (это означает, что привязанность к более молодому партнеру была достаточной, чтобы свести на нет недостатки самого парабиоза), и на три месяца дольше, чем обычно, если пара состояла из самок.
Что шокирует, так это то, что после этих ранних результатов парабиоз не пошел по пути столь многообещающих исследований раннего старения, и область была более или менее забыта в течение следующих 30 лет. Только в начале 2000-х годов ее окончательно воскресила команда, состоящая из супругов Ирины и Майкла Конбоев. Исследования 1970-х годов оставили без ответа ключевые вопросы: все это хорошо и показывает, что крысы живут дольше, когда их пришивают к более молодому партнеру, но что стоит за этим увеличением продолжительности жизни? В частности, Конбоев интересовал один аспект: как снижение функции стволовых клеток с возрастом влияет на способность тканей к регенерации. В какой степени это снижение вызвано старением среды старого тела мыши, а не какими-либо внутренними проблемами в самих клетках?
Когда мы становимся старше, нам требуется больше времени, чтобы оправиться от травм, будь то порезы и царапины или сломанные кости. Как мы уже говорили, во многом это происходит потому, что постепенно снижается функция стволовых клеток, которые обычно восстанавливают эти ткани. И меньше стволовых клеток с энтузиазмом производят меньше клеток-предшественников, способных заменить поврежденные или потерянные при травме. То же самое относится и к старым мышам, поэтому Конбои решили посмотреть, что происходит со скоростью заживления у мышей в различных парабиотических комбинациях: двух сшитых молодых особях, двух старых и молодых и старых, соединенных вместе. В трех различных тканях – мышцах, печени и мозге – результаты были ясны. Старые мыши, прикрепленные к молодым, исцелялись так же, как молодая мышь, прикрепленная к другой молодой. Чтобы доказать то, что это было как-то связано с сигналами в крови, реактивирующими клетки старой мыши, а не молодыми стволовыми клетками, услужливо переносимы кровью на спасательную миссию от младшего партнера, они генетически изменили некоторых молодых особей в эксперименте так, чтобы их клетки светились зеленым. При исследовании заживающих тканей под микроскопом только 0,1 % имели характерное зеленое свечение – в значительной степени весь лечебный эффект происходил от пробуждения спящих клеток у старых мышей[63]. В подтверждающих экспериментах ученые собрали образцы клеток у старых мышей в пробирки и окунали их в молодую плазму крови – жидкую часть крови соломенного цвета, очищенную от клеток. Результаты были примерно такими же: молодая плазма омолаживала старые клетки, восстанавливающие свой потенциал роста.
Эти результаты поистине замечательны. Старые клетки не безвозвратно обречены, повреждаясь без всякой надежды на восстановление. Вместо этого есть скрытый потенциал, что их может исправить омолаживающая сила молодого партнера. Способность старых клеток и органов оживляться при улучшении среды организма не была данностью – не было бы ничего удивительного, если бы они были внутренне изношены, неспособны процветать даже при поддержке. Вместо этого старую мышь можно омолодить, присоединив ее к более молодой, и она сможет жить дольше и здоровее, используя собственные клетки, пробужденные более молодой сигнальной средой.
Сообщение, которое пресса создала по этому поводу, было еще более убедительным: молодая кровь обладает регенеративной силой. Она не только может быть чудодейственным лекарством, но и в качестве дополнительного бонуса вносит вклад в многовековые легенды о вампирах. Внезапно пристрастие к крови девственниц перестало казаться таким уж надуманным в качестве стратегии бессмертия. Исследование, опубликованное в 2005 году, попало в заголовки газет по всему миру.
К сожалению, поскольку это биология, все не так просто. Во-первых, те, кто думает пить молодую кровь, должны знать, что ферменты в желудке быстро разрушат большую часть сигнальных молекул, которые она несет, прежде чем они попадут в вашу систему кровообращения. Это означает, что кровь из чьей-то яремной вены будет бесполезна. Однако не только традиционный вампирский способ получения крови имеет недостатки. Что также не попало в заголовки газет, так это значительный негативный эффект на молодых мышей в парабионте. Это предполагает альтернативное объяснение. Молодая кровь – это не эликсир жизни, возможно, просто старая кровь смертельна, и услуга, которую оказывает молодая мышь, – это разбавление проблемных сигналов в старой крови, что дорого обходится ее собственному здоровью. На самом деле, вероятно, здесь верно и то и другое.
Последний нюанс состоит в том, что гетерохронный парабиоз – это гораздо больше, чем просто смешение крови. Старшее животное получает преимущество молодых органов младшего. У более молодой крысы или мыши лучше работает печень и почки для фильтрации токсинов, а также хорошие легкие и более сильное сердце, чтобы обеспечить доставку большего количества кислорода в органы обеих животных, молодая иммунная система с полностью функциональным тимусом, лучше обнаруживающая и уничтожающая бактерии, вирусы и предраковые или стареющие клетки, и так далее. Есть и гораздо более повседневные факторы: например, молодые мыши больше бегают по клеткам. И старая мышь, пришитая к одной из них, выигрывает от принудительного режима упражнений. Это означает, что преимущества старой мыши в парабиотической паре существенно выходят за рамки простого добавления полезных сигнальных молекул или разбавления плохих.
При сшиваниивместе старой и молодой крыс старая выигрывает больше.
Эти неясности не потушили вспышку интереса со стороны ученых и биохакеров[64] Кремниевой долины, которые действовали с разной степенью научной строгости. Продолжающиеся эксперименты по парабиозу показали нам, что у более старой мыши в гетерохронной паре улучшаются такие аспекты, как рост клеток головного мозга и кровеносных сосудов в головном мозге, регенерация спинного мозга. А еще случается такое, что старое, слишком большое сердце уменьшается до более приемлемого размера. Это расширяет перечень органов, которые выигрывают от парабиоза и могут иметь скрытую способность к исцелению, но не приближает нас к созданию эффективной терапии.
Другие пытались ввести молодую плазму старым мышам и людям. Есть некоторое научное обоснование для того, чтобы попробовать этот метод и просто посмотреть, что произойдет. Переливание плазмы – относительно безопасная процедура, и положительный результат обеспечит доказательство принципа, на котором затем можно было бы основываться, подобно первоначальным экспериментам с парабиозом. Однако испытания на людях, по-видимому, не увенчались оглушительным успехом. Одно из них было проведено в Южной Корее: ученые надеялись использовать молодую плазму для облегчения старческой астении. Оно началось в 2015 году, но исследователи до сих пор не сообщили о каких-либо результатах, а в американском испытании делали переливание молодой плазмы пациентам с болезнью Альцгеймера, но не преуспели в лечении.
Эта область также приобрела дурную славу из-за частных фирм, пытающихся нажиться на эйфории по поводу молодой крови. Одна компания под названием Ambrosia предлагает любому человеку старше 35 лет возможность получить литр юношеской плазмы за 8 000 долларов (на момент написания этой книги промо-предложение также позволяет получить два за 12 000 долларов: купите один, второй – за полцены). Несмотря на известную популярность среди руководителей технических компаний в области Залива Сан-Франциско и венчурных капиталистов, надеющихся продлить свое пребывание на Земле[65], фирма временно прекратила лечение после того, как Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) выпустило заявление, предупреждающее, что переливание молодой крови было рискованным и не обладало доказанной эффективностью. Потратив почти год на пересмотр правил, в Ambrosia решили, что их методы технически легальны, и возобновили работу. Компания также выставляет счета за лечение как за платное участие в испытании, но на момент написания книги никаких результатов мы не увидели. Хуже того, нет контрольной группы, с которой можно было бы сравнить тех, кому сделали переливание, что очень затрудняет определение возможных эффектов лечения. Вы не можете сделать половине ваших пациентов инфузию физиологического раствора, если они заплатили за него 8000 долларов, даже если это будет справедливым испытанием.
Все это происходит, несмотря на то, что в 2014 году, за два года до того, как была создана Ambrosia, был вбит очередной гвоздь в гроб теории молодой крови. Исследование, в ходе которого мышам регулярно делали инъекции молодой плазмы, показало, что она не продлевает жизнь. Однако не исключены некоторые преимущества для конкретных условий – например, было показано, что молодая плазма улучшает функцию печени у старых мышей. Но это говорит о том, что глобальные эффекты парабиоза не могут быть воспроизведены простыми переливаниями.
Тем временем Конбои работали над массовым обменом крови между старыми и молодыми мышами, заменяя парабиоз соединением пар грызунов с крошечным насосным устройством для обмена кровью. Это довольно ловкое использование мини-инженерии само по себе: у мышей только один или два миллилитра крови[66], поэтому микрожидкостный насос забирал 150 микролитров за раз, чтобы безопасно производить обмен между старыми и молодыми животными. После нескольких раундов этой перекачки взад-вперед у двух мышей получается смесь 50:50 молодой и старой крови, и можно начать тестирование.
Этот эксперимент гораздо менее инвазивен, чем парабиоз, и рассматривает только то, что происходит в самой крови, без длительного взаимодействия органов. Даже результаты одноразового обмена были существенными и сильно отличались от парабиоза. Молодая кровь сохранила некоторые из своих омолаживающих свойств, улучшая регенерацию мышечных клеток у старой мыши, но в целом положительное влияние на старшее животное перевешивалось отрицательным воздействием старой крови на молодую. Из трех исследованных тканей – мышц, печени и мозга – последний пострадал сильнее всего. Молодая кровь не только не стимулировала рост клеток мозга у старой мыши, но и явно подавляла рост клеток мозга у молодой, хотя анализы проводились почти через неделю после обмена кровью. Опять же, простая вера в значительные плюсы молодой крови, кажется, была подорвана. Хотя, вероятно, есть некоторые преимущества, они меньше, чем негативное воздействие старой крови.
Учитывая, что массовое переливание крови маловероятно и нецелесообразно, как мы можем превратить результаты этих исследований в лечение? Следующий шаг – попытаться выяснить, какая из многочисленных граней парабиоза ответственна за его последствия. Несколько групп ученых старались установить, что меняется в организме старого животного из-за переливания молодой крови, и выяснить, как обращается вспять процесс старения. Эта работа включала каталогизацию молекулярных различий, – что улучшается, что ухудшается, а что остается неизменным? – а затем проводили тщательные эксперименты, чтобы попытаться выяснить, каковы последствия подобных процедур. Одним из выявленных возрастных нарушений является белок под названием «трансформирующий фактор роста бета» (transforming growth factor beta, TGF-beta), чей уровень повышается у старых мышей и людей и который подавляет активность стволовых клеток. Напротив, окситоцин – гормон, играющий важную роль в поведении от формирования социальных связей до секса и родов, является потенциальным благоприятным фактором в молодой крови, концентрация которого снижается с возрастом. Белок под названием GDF11 также был выделен в качестве восстанавливающего молодость фактора, но последующая работа поставила это открытие под сомнение. Подобные исследования имеют много общего, потому что в крови есть десятки веществ, уровень которых меняется с возрастом, и их позитивные или негативные эффекты могут проявляться в сочетании друг с другом.
Если эта история больше связана с необходимостью регулировать вредные факторы в старой крови, чем с необходимостью добавлять регенеративные молодые, один из вариантов – адаптировать метод лечения под названием плазмаферез; это процесс, подобный диализу. В обеих процедурах кровь откачивается из тела пациента, удаляются вредные вещества, а затем она, освеженная, снова закачивается в организм. Диализ используется в случаях почечной недостаточности для удаления избытка воды и отходов из крови, от которых обычно избавляются здоровые почки. Плазмаферез применяется именно к плазме и обычно используется для удаления антител, которые вызывают гиперактивность иммунной системы при аутоиммунных заболеваниях. Если мы сможем выделить проблемные молекулы в старой крови, то сможем перенастроить устройства для плазмафереза, чтобы удалить их. Вопрос здесь, на который можно ответить только эмпирически, заключается в том, как часто может повторяться эта процедура. Проведение плазмафереза каждые несколько месяцев будет хлопотным, но, возможно, приемлемым, если это существенно укрепит здоровье. Мучительный график четырехчасовых сеансов три раза в неделю, переносимый пациентами на диализе, будет гораздо менее приятным.
Самый простой подход – попытаться оптимизировать различные сигнальные факторы, изменяя их уровни или эффективность с помощью лекарств. Конбои попытались снизить активность TGF-бета, одного из сигнальных белков, концентрация которых, как они определили, увеличивается с возрастом, дав мышам препарат, называемый ингибитором ALK5. (ALK5 – это рецептор, который клетки используют для обнаружения и реакции на TGF-бета, поэтому его ингибирование препятствует этому.) Препарат пробуждал стволовые клетки в мозге и мышцах, вызывая рост новых нейронов и ускоряя восстановление мышц после травмы. Ученые также пробовали одновременно вводить препарат и дополнительный окситоцин, концентрация которого с возрастом снижается. Это также оказало благотворное воздействие на мозг, мышцы и печень, очень похожее на те, что наблюдались при гетерохронном парабиозе, после всего лишь недели лечения. Самым захватывающим в этом втором исследовании было то, что добавление окситоцина позволило десятикратно снизить дозу ингибитора ALK5. С практической точки зрения более низкая доза препарата снижает риск побочных эффектов у пациентов. С теоретической точки зрения это предполагает, что эти сигнальные пути взаимодействуют таким образом, что изменение нескольких сразу может иметь более выраженный эффект, чем сумма его частей. Ингибиторы ALK5 и окситоцин уже одобрены для клинического применения, благодаря чему они являются основными кандидатами для сигнально-корригирующей терапии первого поколения у людей.
Факторы, растворенные в крови, – не единственные виновники, влияющие на общетелесные изменения в сигналах, сопровождающих старение. Другим ключевым компонентом системы клеточных сигналов являются «экзосомы» – крошечные пузырьковые пакеты, которые транспортируют молекулы между клетками. Самые маленькие из них размером в десятки нанометров в диаметре – в сотни раз меньше, чем обычная клетка, и по величине похожи на вирусы. Они переносят разный груз, но передают сообщения, закодированные в микроРНК, – очень коротких отрезках молекулы, скорее похожих на ДНК, несущую информацию в виде ряда оснований (РНК использует А, С и G, с которыми мы знакомы из ДНК, но T заменяется на U). Когда экзосома прибывает в клетку назначения, она поглощается, перемещая свой груз внутрь. Там микроРНК могут выполнять свою работу, предоставляя инструкции, изменяющие поведение клетки-реципиента.
В одном исследовании изучались стволовые клетки гипоталамуса – части мозга, уже активно участвующей в регуляции сигналов, контролирующих такие фундаментальные процессы, как голод, жажда, циркадные ритмы и температура тела. Исследователи обнаружили, что гипоталамические стволовые клетки массово гибли, когда мыши в эксперименте старели. Инъекция свежих стволовых клеток из гипоталамуса новорожденных мышей не только омолодила эту конкретную область мозга – она увеличила продолжительность жизни на 10 % по сравнению с животными, получившими в качестве контроля другой тип клеток. И, как это часто бывает в экспериментах по изучению старения, мыши жили не просто дольше, но и в более здоровом состоянии, лучше справлялись с упражнениями на беговом колесе и когнитивными тестами и отличались большей мышечной выносливостью.
Это удивительно: добавление стволовых клеток только в одно место имеет настолько сильный эффект, что в результате мыши фактически живут дольше. Хотя это и звучит невероятно, возможно, это не удивительно, учитывая роль гипоталамуса как сигнального звена для столь многих разнообразных процессов. Использование стволовых клеток должно продолжать добавлять новые нейроны в эту критическую область, возвращая под гипоталамический контроль регуляцию всех фундаментальных аспектов физиологии. Однако положительный эффект от инъекции стволовых клеток проявился только через несколько месяцев. По оценкам ученых, это недостаточный срок для того, чтобы они привели к созданию новых нейронов. Они сделали вывод, что за это отвечал какой-то более быстрый процесс, заставивший их заподозрить, что сигнальные экзосомы, производимые стволовыми клетками, омолаживают клеточную популяцию. Собирая экзосомы из стволовых клеток гипоталамуса в пробирку и вводя их в одиночку, они увидели много таких же омолаживающих преимуществ.
Положительныйэффект от инъекции стволовых клеток проявляется только через несколько месяцев после введения.
Если этот результат подтвердится, его можно будет превратить в непосредственный способ лечения. Мы могли бы трансформировать некоторые клетки в иПСК и дифференцировать их в нейронные стволовые клетки, которые можно было бы ввести непосредственно в мозг.
Или мы могли бы вырастить их в лаборатории и собрать для инфузии экзосомы, которые они производят. Вероятно, эти крошечные капсулы, несущие сообщение, играют важную роль не только в обсуждаемом аспекте старения, и это не единственный способ их применения для лечения. Одно исследование показало, что предоставление экзосом из нервных стволовых клеток значительно улучшило восстановление после инсульта у свиней. А еще экзосомы обычно исследуются как способ доставки лекарств и других полезных молекул туда, где они необходимы организму. С экзосомами, похоже, хорошие вещи действительно приходят в небольших количествах.
Хотя простая, но заманчивая идея молодой крови как лекарства от всех болезней, кажется, поселилась во многих сердцах, набирает силу гипотеза о том, что старение – это отчасти феномен нарушения системы клеточных сигналов. Все эксперименты с гетерохронным парабиозом, обменом крови, сигнальными препаратами и экзосомами показывают, что некоторые аспекты старения и потери регенеративной способности не только присущи клеткам, но и отражают реакции на сигналы в окружающей клетку среде. То, что происходит при старении, – это порочный круг: по мере ухудшения состояния внутренней среды организма клетки и ткани, пораженные этими неправильными сигналами, страдают, а затем начинают испускать собственные сигналы, которые ускоряют дегенерацию организма. Это плохая новость, потому что говорит о спиралевидности траектории старения, когда плохое ведет к худшему. Но это может быть хорошей новостью для нас, поскольку положительные изменения приводят к эффективным циклам омоложения в наших телах.
Еще предстоит определить, будем ли мы время от времени посещать клинику плазмафереза для очищения крови, принимать лекарства, чтобы восстановить баланс клеточных сигналов, или наполняться экзосомами. Но исправление неправильных сигналов, вероятно, будет важной частью антивозрастного арсенала.
Питание митохондрий
Ухудшение состояния митохондрий, стада полуавтономных генераторов энергии, которые можно найти внутри клеток, отвечает за старение всего организма. В старых клетках митохондрий меньше, а те, что остались, менее эффективны в производстве энергии. Проблемы особенно остро стоят в тех местах, где клетки используют много энергии, таких как мозг, сердце и мышцы. Митохондрии почти наверняка играют определенную роль при болезни Паркинсона, и появляется все больше доказательств их влияния и на другие состояния. Таким образом, разработка методов лечения, помогающих митохондриям, может облегчить многие проблемы старости.
Как мы уже упоминали в Главе 4, первые теории об участии митохондрий в процессе старения основывались на свободных радикалах. Это семейство жадно реагирующих химических веществ, образующихся как побочный продукт высокоэнергетических реакций, используемых митохондриями для выработки энергии. И особенно вредная и направленная на митохондрии группа известна как активные формы кислорода (АФК). Бесконтрольно эти свободные радикалы могут создавать хаос вокруг клеток, реагируя со всем, что видят, повреждая белки, жиры и даже ДНК. К счастью для нас, это можно исправить с помощью антиоксидантов – молекул, которые могут стабилизировать их, не нанося значительного ущерба себе самим. Наш организм вырабатывает собственные антиоксиданты в виде белков, таких как каталаза и супероксиддисмутаза, и мы также находим их в пище в виде витаминов, таких как витамины С и Е. Таким образом, если АФК являются проблемой, то, по-видимому, есть простое решение: увеличить уровень антиоксидантов, либо приказывая организму производить больше, либо принимая витаминные добавки.
Мы уже коснулись попыток увеличить выработку антиоксидантов у мышей в Главе 4: добавление дополнительных копий генов антиоксидантов для супероксиддисмутазы и каталазы, по-видимому, не увеличивает продолжительность жизни. Кроме того, есть огромное количество доказательств того, что антиоксидантные добавки не увеличивают продолжительность жизни ни у мышей, ни у людей. В опубликованном в 2012 году Кокрановском систематическом обзоре[67] (который считается «золотым стандартом» обобщения результатов медицинских исследований) рассматривались 78 исследований с общим числом участников 300 000 человек для оценки эффективности антиоксидантных добавок. Посыл был ясен: эти добавки бессмысленны и, возможно, даже вредны. Было обнаружено, что витамины А и С наряду с селеном не влияют на продолжительность жизни. А витамин Е и бета-каротин даже увеличивают риск смерти на 3 и 5 % соответственно.
Вероятная причина неэффективности антиоксидантов заключается в том, что АФК используются для различных функций по всему организму, как сигналы для передачи инструкций внутри или между клетками, или в более специализированных местах, таких как иммунные клетки, применяющих их для уничтожения бактерий. В результате зачистка слишком большого количества свободных радикалов витаминными таблетками может привести к тому, что организм снизит выработку собственных внутренних антиоксидантных ферментов, чтобы убедиться, что у нас достаточно АФК для этих критически важных процессов. Или при высоких дозах витаминов уровень АФК может стать слишком низким, так что они не могут выполнять жизненно важные функции, активно причиняя вред. Таким образом, остановить эти неистовые химические реакции целиком – это не вариант.
Тем не менее есть один тип антиоксидантов, который все еще борется за звание продлевающего жизнь, – это препараты, нацеленные конкретно на митохондрии. Митохондрии, будучи местом большей части производства АФК в организме, также выступают одной из главных мишеней их разрушительной силы, которая повреждает внешнюю «кожу», известную как митохондриальная мембрана, производящий энергию механизм и ДНК (ДНК митохондрии, как вы помните, небольшой длины вне основного хранилища ДНК, найденного в ядрах наших клеток). Это означает, что они подвергаются непропорциональному риску со стороны свободных радикалов и что защита от этого повреждения может оказаться несоразмерно полезнее для нас, чем неразборчивое впитывание свободных радикалов по всей клетке.
В статье 2005 года сообщалось о результатах, полученных в экспериментах на мышах, которые были генетически модифицированы дополнительными копиями гена антиоксидантного фермента каталазы, но изменены таким образом, чтобы он попал в митохондрии. В результате они жили на 20 % дольше, чем обычные грызуны, со средней продолжительностью жизни 32 месяца, а не 27. Последующая работа на мышах показала, что каталаза, направленная на митохондрии, может снизить риск развития рака у старых мышей, замедлить прогрессирование возрастных проблем с сердцем, уменьшить выработку бета-амилоида и продлить жизнь мышиных моделей болезни
Альцгеймера, а также улучшить мышечную функцию у старых грызунов.
Существует также несколько антиоксидантных препаратов, направленных на митохондрии. Вероятно, наиболее продвинутым является MitoQ, который добрался до клинических испытаний на людях. Один эксперимент показал, что он может помочь уменьшить воспаление печени у пациентов с гепатитом С, другой – что он улучшает функцию кровеносных сосудов у здоровых людей старше 60 лет. Но третий продемонстрировал, что препарат не замедляет прогрессирование болезни Паркинсона, хотя это может быть связано с тем, что, как мы уже отмечали, люди с симптомами заболевания уже потеряли огромную долю дофаминергических нейронов. Интересно, что это может быть хорошим вариантом вмешательства для улучшения функции теломер: было показано, что обработка клеток с помощью MitoQ снижает скорость их укорачивания. Это подразумевает повреждение митохондриальными АФК ДНК теломер при сокращении их длины, а также количества делений клетки. В настоящее время проводятся дальнейшие клинические испытания MitoQ и подобных ему препаратов.
Другой вариант состоит в том, чтобы увеличить существующую способность организма к контролю качества митохондрий, чтобы попытаться избавиться от неэффективных «генераторов энергии» и позволить лучше функционирующим альтернативам делиться и занять их место. Выявляются препараты, способные усилить «митофагию», специфический для митохондрий тип аутофагии, о котором мы упоминали ранее. Одним из соединений является уролитин А, молекула, вырабатываемая кишечными бактериями при переваривании питательных веществ, содержащихся в нашей пище, которая, как было показано, увеличивает продолжительность жизни у червей, улучшает выносливость и мышечную силу у мышей и замедляет снижение когнитивных функций у мышиных моделей болезни Альцгеймера, а также улучшает функцию митохондрий у людей старше 60 лет. Другие претенденты на усиление митофагии – спермидин, один из миметиков ДО, которые мы обсуждали несколько глав назад, и добавки, способные увеличить концентрацию молекулы под названием НАД⁺, имеющей решающее значение для выработки клеточной энергии, важной для митофагии и, как известно, чья концентрация уменьшается с возрастом.
Однако вполне возможно, что добавление антиоксидантов или улучшение митофагии, по сути, смазывают сломанную машину – это что-то, что сгладит спад, но в итоге не сможет устранить его первопричину. К сожалению, найти фундаментальную причину ухудшения функций митохондрий с возрастом невероятно трудно. Чем больше мы узнаем о митохондриях, тем более странными и удивительными кажутся эти полуавтономные симбиотические животные в клетках и тем сложнее становятся их взаимодействия. Если существует единственная первопричина ухудшения функций митохондрий, то наиболее выраженным случаем, вероятно, являются мутации в их ДНК. Митохондрии, как вы помните, – единственная органелла наших клеток за пределами ядра, которая содержит собственную ДНК. И увеличение числа мутаций в ней достаточно, чтобы вызвать у мышей нечто, похожее на ускоренное старение. Вопрос, который нас действительно волнует, заключается в обратном: может ли уменьшение количества митохондриальных мутаций замедлить или обратить вспять процесс старения?
Как всегда, лучший способ выяснить это – исправить ситуацию и посмотреть, что произойдет. Наиболее радикальной идеей предотвращения митохондриальных мутаций является аллотропная экспрессия – размещение резервной копии митохондриальных генов в клеточном ядре вместе с остальной частью нашей ДНК. Хотя это может напоминать диковинный метод генной инженерии, на самом деле это завершение работы, которую эволюция начала, но так и не смогла закончить. История происхождения митохондрий достаточно необычна. Считается, что они впервые появились более миллиарда лет назад, когда невероятно далекий одноклеточный предок поглотил отдельный организм, после чего началось симбиотическое партнерство, которое продлится миллион тысячелетий. Эта поглощенная будущая митохондрия имела полный набор собственной ДНК, но за прошедшие эоны[68] почти все ее гены либо были потеряны, либо мигрировали в клеточное ядро. Одна из причин, по которой подобный метод кажется перспективным, заключается в том, что это более безопасное место для хранения ДНК – где она будет находиться вдали от всех неприятных свободных радикалов, которые производят митохондрии, реплицироваться гораздо реже и защищаться более эффективными механизмами репарации ядерной ДНК. Идея терапевтического перемещения митохондриальных генов в ядро не совсем нова. Впервые это было сделано в 1980-х годах, когда дрожжевые клетки, лишенные митохондриального гена ATP8, получили копию в ядре, которая была успешно перенесена в их митохондрии. С тех пор эксперимент превратился в серьезный метод лечения наследственных митохондриальных заболеваний, при которых мутации в митохондриальной ДНК могут вызвать проблемы различной степени тяжести: от истощения во время физических упражнений до внезапной смерти через несколько дней после рождения. Дальнейший шаг – основанное на этой идее лечение митохондриального заболевания глаз, называемого наследственная оптическая нейропатия Лебера. На заключительном этапе клинических испытаний появились некоторые трудности, но первоначальный успех на клетках, мышах и кроликах говорит о том, что, даже если эта специфическая формула не работает на людях, в ней по крайней мере что-то есть.
Идеяпереместить все митохондриальные гены в ядро для борьбы с мутациями в процессе старения является основной в рамках теории борьбы со старением.
Идея переместить все митохондриальные гены в ядро для борьбы с мутациями в процессе старения, а не только с одной из них, вызывающей конкретную митохондриальную болезнь, пришла от Обри ди Грея, с которым мы познакомились в Главе 4 как с отцом «Стратегий достижения пренебрежимого старения инженерными методами» (SENS). Соответственно, до сих пор именно его Исследовательский фонд SENS продвинулся дальше всех в исследовании этого вопроса. Удалось успешно восстановить функцию клеток в пробирке с митохондриями, у которых не хватает двух генов, обеспечив им резервную копию в ядре, и совсем недавно заставить все 13 митохондриально закодированных генов работать в той или иной степени в ядре, оптимизировав их генетический код.
Предстоит еще много работы, чтобы заставить метод работать должным образом, а затем доказать, что он действительно поможет, если мы добьемся успеха. Возможно, самый большой нерешенный вопрос таков: если это такая замечательная идея, почему эволюция еще не сделала этого? Из 1500 генов, необходимых для создания митохондрий, более 99 % находится в ядре у человека. Почему эволюция на этом остановилась? С одной стороны, в числе 15 нет ничего особенного: одноклеточное почвенное существо под названием андалусия[69] сохранило в своих митохондриях 38 генов, кодирующих белки, большинство из которых находится в ядре других организмов. Плазмодий, паразит, вызывающий малярию, имеет только три; а у паразита, заражающего океанические водоросли, обнаруженного в 2019 году, возможно, вообще нет митохондриальной ДНК (хотя есть различия в деталях того, как эти организмы используют свои митохондрии для выработки энергии). Также есть несколько существенных препятствий для размещения каждого гена в ядре клетки. В какой-то момент нашей эволюционной истории митохондриальные и ядерные геномы заговорили на различных «диалектах». Из-за этого в наше время, если часть митохондриальной ДНК оказалась в ядре случайно, это потребует существенных и весьма маловероятных модификации, чтобы произвести необходимый белок[70]. Если именно поэтому в митохондриях все еще есть ДНК, то на самом деле нет никакого теоретического барьера для ее перемещения, просто более высокая и толстая биологическая стена мешает этому произойти случайно. Однако, возможно, митохондрии должны сохранить этот небольшой набор генов, чтобы эффективно работать. Митохондриальная ДНК может представлять собой децентрализованное правительство, использующее местные знания для оптимизации клеточного метаболизма, несколько независимого от централизованной бюрократии ядра. Если это так, то резервная копия в другом месте может дестабилизировать деликатно делегированную клеткам метаболическую цепочку командования. Единственный способ узнать наверняка – это попробовать: как минимум мы лучше изучим биологию митохондрий. Вполне возможно, в процессе мы найдем лекарства от некоторых митохондриальных заболеваний. И в лучшем случае мы уничтожим митохондриальные мутации как причину дегенеративного старения.
Последний вариант – чинить не истощенные митохондрии, а клетки, которые они захватывают. Когда митохондриальная ДНК изменяется, большинство мутаций не вызывает значительных проблем, но в небольшом проценте клеток доминируют зомби – митохондриальные клоны, которые потеряли значительную часть ДНК, а вместе с ней и способность производить энергию. Не совсем ясно, достаточно ли таких клеток, чтобы вызвать серьезные возрастные проблемы, но, как мы видели на примере стареющих клеток, вполне возможно, что несколько паршивых овец ускорят старение. Это предполагает аналогичный подход к тому, как мы имеем дело со стареющими клетками: убиваем их, но с помощью (в настоящее время гипотетических) «митолитических», а не «сенолитических» препаратов. Этот метод по риску сравним с сенолитиками: удаление дефектных клеток может вызвать свои проблемы. Например, митолитический препарат, нацеленный на мышечное волокно, содержащее дефектные митохондрии, разрушит все волокно, что приведет к истощению мышц – именно тому процессу, который мы пытаемся предотвратить. Тем не менее, вероятно, стоит попробовать: худший сценарий состоит в том, что мы получим лучшее понимание того, к чему приводят эти внутренние зомби-апокалипсисы при старении. И самое лучшее – это то, что компромиссы стоят того и убийство этих клеток приносит пользу здоровью.
В целом у нас есть довольно много вариантов, когда речь заходит о попытке замедлить или обратить вспять воздействие митохондрий на старение, но мы не совсем уверены, какой из вариантов наилучший. Отчасти это связано с тем, что мы до сих пор не видим полной картины того, что происходит с митохондриями, когда человек становится старше. В краткосрочной перспективе лечение может включать нацеленные на митохондрии антиоксиданты, чтобы уничтожить свободные радикалы, которые они производят, или добавки, такие как уролитин А, чтобы усилить собственные механизмы организма, отвечающие за контроль качества. В долгосрочной перспективе, возможно, удастся перестроить нашу биологию, чтобы убедиться, что митохондриальные мутации больше не имеют значения, искореняя их вклад в дегенеративное старение. Для достижения этой цели стоит потратить много энергии.
Отражение атаки клонов
Повреждение ДНК и мутации, возникающие в результате этого, могут быть одними из самых тяжелых возрастных повреждений в организме, которые мы должны исправить. Первый подход, который можно было бы использовать, вероятно, самый очевидный: ремонт. Второй основан на точном понимании того, как мутации вызывают проблемы в стареющем организме, и изучении того, как последние разработки в области секвенирования ДНК могут перевернуть старые представления о том, почему мутации имеют значение.
Первым, очевидным подходом было бы улучшение механизма репарации ДНК. Наши клетки пошли на невероятные усилия, чтобы гарантировать, что повреждение ДНК можно исправить. Как мы отмечали в Главе 4, считается, что средняя клетка ежедневно получает до 100 000 ударов по своей ДНК, поэтому, если даже крошечная часть из них вызовет изменения, это может привести к катастрофе. Существует умопомрачительный набор процессов репарации ДНК, в которых участвуют сотни различных генов, чтобы обнаружить проблемы, позвать на помощь и устранить любые повреждения, показывая нам, без сомнения, что это серьезно беспокоит организм. Однако, как мы знаем благодаря пониманию эволюции старения, даже такая важная вещь, как восстановление ДНК, будет настолько хороша, насколько это необходимо, чтобы позволить нам передать наши гены. Это означает, что вдохновение можно черпать из животного мира, где многие животные кажутся более устойчивыми к мутациям, чем мы. Возьмем гренландского кита, чье исключительное долгожительство мы отмечали в Главе 2. Эти грациозные гиганты, живущие более двух столетий, могут весить до 100 тонн. Несмотря на огромную массу, клетки гренландского кита примерно такого же размера, как клетки человека или даже мыши. Таким образом, учитывая, что они весят более чем в 1000 раз больше, чем типичный человек, у них примерно в 1000 раз больше клеток, чем у нас. Из-за этого у их клеток примерно в 1000 раз больше возможностей приобрести мутации, которые привели бы к раку, а еще эти млекопитающие живут в два или три раза дольше нас, и даже больше, если учесть продолжительность жизни человека в дикой природе. Несмотря на эти недостатки, гигантских морских животных не поражают сотни опухолей. Это общее правило – что более крупные животные с большим количеством клеток и часто впечатляющим долголетием обычно не подвержены астрономическому риску развития рака – было впервые сформулировано в 1977 году медицинским статистиком Ричардом Пето и известно как парадокс Пето.
Наблюдение Пето работает только в применении между видами, а не внутри них. Есть доказательства того, что более высокие люди подвержены большему риску развития рака, чем более низкие, и крупные породы собак также сильнее подвержены раку, чем мелкие. В этих случаях большее количество клеток, но та же видоспецифическая защита от рака приводит к большей вероятности развития рака в целом. (Не паникуйте, высокие люди: статистика говорит о том, что вы подвержены меньшему риску развития сердечно-сосудистых заболеваний и деменции, чем низкорослые люди, поэтому разница в общей смертности, вероятно, стирается.) Это подкрепляет идею о том, что мы можем чему-то научиться у крупных долгоживущих животных. Она предполагает, что просто размер не дает крупным животным какого-то неизвестного преимущества в защите от рака.
Недавнее секвенирование геномов слонов и гренландских китов дает многообещающие подсказки о том, как мы можем улучшить собственную устойчивость к мутациям. Геном слона содержит двадцать копий гена под названием р53, в то время как у нас, людей, есть только один. р53 – это ген, в котором чаще всего возникают мутации при раке, и его окрестили «хранителем генома» из-за решающей защитной роли. Это ген со многими функциями, одна из которых – вызывать апоптоз или старение в клетках, чья ДНК сильно повреждена. Таким образом, возможно, эти дополнительные копии гена делают клетки слона особенно склонными к преждевременному самоубийству, что снижает вероятность развития рака. У гренландских китов нет дополнительного р53, но есть дополнительные копии или тонкие вариации генов, ответственных за репарацию ДНК, что может сделать мутации менее вероятными в первую очередь – есть более чем один способ профилактики рака.
Наивное применение этих результатов – дело рискованное: если удаление копии р53 у мышей действительно делает их более склонными к раку, то добавление дополнительной копии вызывает симптомы ускоренного старения и сокращает продолжительность жизни. Есть гипотеза, что триггерный белок клеточного самоубийства вызывает гибель слишком большого количества стволовых клеток, делая мышей устойчивыми к раку, но сильно сокращая численность стволовых клеток. Я, конечно, не встану в очередь на генную терапию, чтобы получить дополнительную копию р53, учитывая эти результаты. И вполне вероятно, что эволюция пошла на сложные компромиссы между дегенерацией и предрасположенностью к раку, которые не могут быть поняты просто путем подсчета количества генов. Как прекрасно заметил биолог Лесли Орджел, эволюция умнее вас.
Однако этот подход не лишен надежды: вы, возможно, помните из предыдущих глав, что мыши, получившие теломеразу и еще три гена, защищающих ДНК, жили дольше, чем обычные. Одним из таких защитных генов был р53. Как мы также видели в главе 2, эволюция оптимизировала не продолжительность жизни, а успех в размножении. В случае этих генетически модифицированных мышей, возможно, дополнительный р53 вызывает клеточную гибель большего количества клеток, но множество других клеток с более длинными теломерами могут делиться еще несколько раз, чтобы заменить своих потерянных сверстников. Эволюция могла бы избежать такого подхода, потому что удлинение теломер и создание дополнительных клеток требует много энергии, а наличие нормального комплемента как р53, так и теломеразы уже откладывает истощение как раковых, так и стволовых клеток до момента, когда большинство мышей в дикой природе умирают. Это означает, что мы не обязательно должны быть умнее эволюции, чтобы пожинать плоды увеличения продолжительности жизни. Вставка дополнительных копий отдельных генов может быть слишком упрощенным подходом, но вполне возможно, что добавление или изменение нескольких генов, сделанное разумно, может привести к положительным результатам задолго до того, как мы полностью поймем, как взаимодействуют многие защитные системы в наших клетках. В следующей главе мы подробнее поговорим о редактировании генома для достижения долголетия.
Генр53 – хранитель генома. Именно в нем чаще всего возникают мутации при раке. Однако если его удалить из цепочки, происходит ускоренное старение организма.
Улучшение репарации ДНК – это подход, не зависимый от того, как поврежденная ДНК и возникающие в результате мутации на самом деле влияют на наш организм: она замедляет накопление повреждений, поэтому ее последствия также должны быть отсрочены. Однако следующий класс подходов, которые мы могли бы использовать, чтобы спастись от мутаций, сильно зависит от нового понимания того, как мутации влияют на ткани в пожилом возрасте.
Первые предположения о том, что мутации могут способствовать процессу старения, были сделаны в конце 1950-х годов, всего через несколько лет после открытия двойной спиральной структуры ДНК в 1953 году. Идея состояла в том, что генетический код будет накапливать случайные ошибки на протяжении всей жизни. Поскольку этот код дает инструкции по построению белков, ошибки приведут к изменениям в структуре белков. И, как мы видели, структура белков диктует их функцию, поэтому из-за этих изменений с возрастом клеточные компоненты будут постепенно становиться менее эффективными, вполне возможно, в процессе увеличивая уровень повреждения ДНК, приводя к порочному кругу, который вызывает старение.
Современная технология секвенирования ДНК заставляет нас усомниться в верности этой простой картины. Теперь мы знаем, сколько мутаций накапливают клетки в течение жизни – данные, о которых ученые даже десять лет назад могли только догадываться, – и цифры не совсем ясны. Они показывает, что большинство клеток в теле приобретают от десяти до пятидесяти мутаций каждый год в течение вашей жизни. Почти во всех тканях мы видели поразительно одинаковые результаты – будь то клетка в выстилке кишечника, постоянно делящаяся и осаждаемая токсинами из пищи, или клетка мозга в среде, где ее холят и лелеют, которая может не делиться в течение всей жизни, – почти каждый тип клеток, который мы исследовали, попадает в этот относительно узкий диапазон.
Одно из немногих исключений – открытая кожа[71], подверженная влиянию солнца: клетки из этих областей могут накапливать в десять раз больше мутаций в год. Действительно, исследователи кожи ставят знак (почти) равенства между старением кожи и воздействием солнца. Количество ультрафиолетового света, который данный участок кожи получил за всю жизнь, является важным показателем того, насколько он биологически стар. Еще одно место, где мутации возникают с нетипичной частотой, – это выстилка легких, если вы курите, по очевидным причинам.
Эти показатели мутаций означают, что 65-летний человек может ожидать, что у него будет пара тысяч мутаций в любой клетке тела и, возможно, 10 000 в клетках кожи, открытой солнцу, или легких курильщика. Это кажется очень внушительными числами, но этого может быть недостаточно, чтобы вызвать широко распространенные проблемы с белками. Только чуть более 1 % ДНК-кодов для белков[72] и клеток используют только те специфические белки, которые имеют отношение к их конкретной функции. А это означает, что вероятность попадания какой-либо одной мутации в кодирующую белок область, важную для данной клетки, невелика. Некоторые мутации, известные как «синонимичные», все равно не изменят белок (есть несколько способов «написать» каждую аминокислоту в коде ДНК, поэтому изменение буквы не будет иметь значения, если полученное «слово» кодирует одну и ту же аминокислоту). И, наконец, поскольку большинство генов имеют две копии – по одной от каждого родителя, – даже если в одном из них возникает мутация, существует резервная копия, которая обычно может вмешаться и заполнить пробел.
Если разобраться в математике, то число клеток, в которых могли бы возникнуть нарушения в обеих копиях белка, достаточно важного, чтобы вызвать проблемы, очень невелико – возможно, одна из каждых нескольких тысяч клеток. Может быть, мутации не так уж и важны?
Было бы значительным облегчением, если бы широко распространенные случайные мутации не были одной из причин того, что состояние клеток с возрастом ухудшается, потому что это было бы почти невозможно исправить. Если бы каждая клетка содержала десятки различных мутаций, которые были бы функционально значимыми, нам нужно было бы создать какую-то технологию, которая могла бы вмешаться и исправить ошибки, и очень трудно представить ее себе. Даже если вы вообразите себе создание искусственного нанобота, устраняющего мутации, он должен будет носить в заднем кармане эталонную копию всего вашего генома, чтобы проверить каждую возможную ошибку, и создание такого научно-фантастического решения отодвинет любые надежды на лечение старения в двадцать третий век.
Однако, хотя детальное секвенирование старых геномов делает этот сценарий менее вероятным, оно выявило более тонкий способ, которым мутации могут влиять на процесс старения. Лучший способ понять, что происходит, – это взглянуть на самое известное следствие мутаций в ДНК: рак.
По сути, рак – это болезнь, возникающая из-за накопления мутаций. Раковая клетка должна приобрести определенные дефекты в геноме, чтобы превратиться в опухоль. Возможно, самое главное – то, что ей нужно отключить гены, заставляющие клетки прекращать развитие, включить гены, которые стимулируют рост, или и то и другое. Ключевой частью этого, как мы рассмотрели ранее в этой главе, является активация теломеразы или иногда какого-то другого механизма. По мере развития рака опухоли понадобятся мутации, чтобы увеличить собственное кровоснабжение и подавить иммунную систему. И на какой-то стадии большинство видов рака отключают критические механизмы репарации ДНК, позволяя генетическому хаосу упростить все эти задачи. Тот же расчет, из-за которого вы ожидаете, что очень немногие клетки будут иметь даже одну критическую мутацию в старости, говорит, что накопление достаточно специфических прораковых изменений в одной и той же клетке также крайне маловероятно в нынешней человеческой жизни.
К сожалению, у рака есть козырь в рукаве – эволюция. Когда нераковая клетка впервые приобретает то, что ученые называют драйверной мутацией, ключевой особенностью является то, что она обеспечивает клетке эволюционное преимущество. Эволюционное преимущество клетки заключается в способности становиться больше, чем ее соседи с неизмененной ДНК. Представьте себе, что нормальная клетка получает мутацию, которая отключает ген, предназначенный для остановки роста в определенных условиях. Тогда она может начать делиться, даже если все соседние клетки думают (правильно), что в этом нет необходимости. Она может произвести несколько тысяч или даже миллионов дочерних клеток, прежде чем включится какой-то другой, все еще незатронутый процесс управления ростом. Собственная эволюция всего организма снабдила нас множеством избыточных механизмов для большинства клеточных функций, не в последнюю очередь для снижения риска развития рака, – и этот период быстрого роста прекращается. Процесс быстрого, но временного роста известен как клональная экспансия, названный так потому, что это экспансия клеток, которые являются клонами друг друга и носителями одной и той же драйверной мутации.
Процесс драйверной мутации, сопровождаемый клональной экспансией, значительно повышает риск развития рака. В настоящее время существуют тысячи или миллионы клеток, которые уже содержат одну драйверную мутацию, что делает гораздо более вероятным, что одной из них может «повезти» получить вторую. Эта вторая мутация может затем вызвать еще одну клональную экспансию, то есть теперь есть миллион клеток с двумя предраковыми мутациями, готовых и ожидающих третьей… и так далее. Это эволюция путем естественного отбора, но действующая на клетки внутри организмов. Клетки с преимуществом роста размножаются, превосходя своих послушных, следующих правилам соседей, делая множество шагов в направлении развития рака.
Драйверные мутации – этомиллионократное увеличение риска развития мутации на каждой стадии. Вероятно, примерно половине населения однажды поставят диагноз «рак», учитывая продолжительность жизни.
Драйверные мутации занимают центральное место в современном понимании того, как возникает рак. Миллионократное увеличение риска на каждой стадии – это то, что делает рак возможным в течение человеческой жизни. На самом деле примерно половине из нас поставят диагноз «рак», учитывая нынешнюю продолжительность жизни. В результате рак является главным убийцей: он ответственен за более чем четверть смертей в развитых странах и каждую шестую во всем мире.
Таким образом, рак – первая причина для беспокойства по поводу накопления мутаций с возрастом. Все, что мы можем сделать, чтобы уменьшить их частоту, должно помочь нам предотвратить возникновение рака в первую очередь. Однако процесс клональной экспансии проблематичен и в другом отношении. Он также обеспечивает новый механизм для того, чтобы неприятные мутации оказывали чрезмерное влияние на стареющие тела, даже если они происходят только в сравнительно небольшом количестве клеток.
Мы только начинаем выяснять, насколько широко распространены эти клональные экспансии. Недавние исследования показали, что в некоторых тканях в пожилом возрасте едва ли можно найти нормальную клетку. Но это не мозаика из миллиона мутаций, каждая клетка отличается от другой. Это совместная работа маленьких колоний, обычно менее миллиметра в поперечнике, каждая из которых состоит из клеток с одной или двумя специфическими мутациями, которые дают им конкурентное преимущество. Впервые это было обнаружено в 2015 году в исследовании кожи четырех человек старше 50 лет, которое показало, что 20–30 % клеток содержат драйверную мутацию. Средний квадратный сантиметр кожи содержит 140 различных драйверных мутаций. Это умопомрачительный результат: прямо сейчас на вашей коже соперничают за превосходство тысячи конкурирующих клонов. Учитывая огромное количество клонов и непостижимое количество мутаций, только действие защитных механизмов, таких как гибель клеток, старение и иммунная система, удерживает нас всех от очень быстрой гибели от рака по всей загорелой коже.
Тем не менее открывать солнцу кожу всегда считалось вредным, учитывая ее постоянную бомбардировку ультрафиолетовым светом. Последующая работа по изучению пищевода (трубки, соединяющей рот с желудком и соответственно хорошо защищенной от солнечного света) обнаружила поразительно похожие результаты. Хотя в целом мутаций было гораздо меньше, отдельные клоны могли делиться и дальше. (Вполне вероятно, что снижение способности клонов делиться в коже является одним из механизмов, который защищает нас от рака кожи, но мы точно не знаем, что дает эту защиту.) К тому времени, когда вы состаритесь, ваш пищевод будет домом для около 10 000 различных клонов, покрывающих почти всю его внутреннюю часть.
Самый простой способ понять, почему это может быть проблемой, – это обратиться к примеру. Еще одно место, где распространены клональные экспансии, – это ГСК – стволовые клетки, отвечающие за образование клеток крови. Наиболее распространенной драйверной мутацией в ГСК является ген под названием DNMT3A. Белок, который он кодирует, контролирует, делится ли стволовая клетка асимметрично (образуя одну стволовую клетку и одну дифференцирующуюся дочь) или симметрично (образуя две стволовые клетки). ГСК с мутацией DNMT3A предпочитает делиться симметрично, что обеспечивает огромное конкурентное преимущество. Вместо того чтобы просто производить одну стволовую клетку после каждого деления и, следовательно, сохранять число постоянным, вы получаете две, затем четыре, затем восемь, т. е. количество, удваиваемое каждый раз. И после всего лишь 20 делений она будет превосходить по численности крошечную асимметрично делящуюся стволовую клетку на миллион к одному. Неудивительно, что эти клетки превосходят клетки без мутации DNMT3A и клонируются.
Мутанты в конце концов прекращают свое неистовство, потому что другие механизмы начинают говорить им, что на данный момент нужно остановить деление. Тем не менее у кого-то с этой мутацией большая часть ГСК может в итоге стать мутировавшими, что, в свою очередь, означает, что многие из их красных и белых кровяных телец производятся этими мутантными клонами. Наличие ГСК, появившихся в результате клональной экспансии, связано с риском развития таких раковых заболеваний, как лейкемия, – это так очевидно, учитывая, что рак становится возможным из-за последовательности клональных экспансий, – но также связано с диабетом и удвоением риска инфаркта или инсульта.
Точные механизмы, стоящие за этими наблюдениями, еще не полностью поняты, но вполне вероятно ожидать, что в крови произойдет какое-то нарушение, если значительное количество клеток крови имеет мутацию в ключевом гене. Ученые, изучающие это явление, обнаружили, что у людей с клонами в их пуле ГСК эритроциты меньшего размера, что как минимум является признаком того, что что-то не так. Мы также знаем, что атеросклеротические бляшки, вызывающие сердечно-сосудистые заболевания и некоторые виды инсультов, в основном состоят из белых кровяных телец, в частности макрофагов. Так что вполне логично, что неправильно работающие мутировавшие макрофаги могут ухудшить их прогноз. Подобные клональные экспансии по всему телу в быстро обновляющихся тканях от кожи до кишечника вполне могут вызвать собственные еле заметные проблемы, которые ускоряют развитие определенных заболеваний или аспектов процесса старения, если их не остановить.
Таким образом, последние исследования вдохнули жизнь в теорию угрозы мутаций как фактора старения посредством того же процесса эволюции и клональной экспансии, который делает рак важнейшей угрозой. Ключевой принцип как при раке, так и при старении заключается в том, что то, что хорошо для выживания отдельной клетки, не обязательно полезно для организма в целом. Многоклеточные организмы полагаются на сотрудничество между клетками, и эти эгоистичные беглые репликанты выполняют свои функции не совсем так, как должны, снижая приспособленность мыши, человека или любого другого существа, в котором оказываются.
Причина этого относительно долгого отступления состоит в том, что это новое понимание влияния мутаций должно стать основой для попыток разработать методы лечения. Первое, что следует отметить, это то, что еще не решено, достаточно ли клональных экспансий, чтобы вызвать болезнь и дисфункцию, и совсем ли ничего не значат случайные изменения в отдельных клетках, которые не приводят к атаке клонов. Первый шаг – собрать больше данных, и подобные усилия уже предпринимаются. Благодаря колоссальному снижению стоимости секвенирования ДНК ученые спешат исследовать больше тканей у большего числа людей более подробно, чем когда-либо прежде. В течение следующих десяти лет наши знания станут более полными, гораздо подробнее раскрывая, где и какие мутации происходят, и это позволит нам понять, где и как они могут вызвать проблемы. Но если, как кажется вероятным, эти клональные экспансии окажутся проблемой, что мы можем сделать?
Первая хорошая новость, которую дает картина того, как мутации способствуют старению, такова: хотя клоны очень распространены, захват территории обычно осуществляется клетками с дефектами только в нескольких генах. Мутации, инактивирующие ген NOTCH1, ответственны за появления большинства клонов как в коже, так и в пищеводе, поэтому препарат, нацеленный на эту мутацию, может значительно уменьшить количество дефектных клеток, о которых нам нужно беспокоиться. Поиск пяти или десяти самых распространенных мутаций значительно помог бы, что намного лучше, чем тысячи методов лечения, которые теория вызывающих дисфункцию случайных мутаций потребовала бы разработать. На данный момент точно непонятно, какими будут методы лечения. Но есть много вариантов: исследователи рака потратили десятилетия на поиск «таргетных» методов лечения, которые будут атаковать раковые клетки с определенными мутациями, оставляя в покое нормальные клетки тела. Так что есть много методов лечения, которые могут быть перепрофилированы для борьбы с нераковыми клонированными мутантами.
Помимо борьбы с клональной экспансией, связанной со старением, это также может быть хорошим профилактическим лекарством от рака. Исследование, изучающее мутации, присутствующие в более чем 2500 опухолях, показало, что половина самых ранних драйверных мутаций произошла всего в девяти генах и что они появляются за годы или, возможно, даже десятилетия до постановки диагноза. Это означает, в принципе, что значительное число раковых заболеваний можно было бы предотвратить, если бы мы могли найти способы убить клетки с одной из этих девяти мутаций. Хотя, опять же, мы не знаем точно, как это сделать, поиск методов лечения, нацеленных на девять генов, является существенно более сложной проблемой, чем если бы сотни или тысячи генов несли ответственность за то, чтобы поставить клетку на путь превращения в опухоль.
Другой способ, которым мы могли бы отразить атаку клонов, а не просто убить их, – это изменить окружающую среду организма в пользу нормальных клеток. В эволюции «выживание наиболее приспособленных» означает наиболее приспособленных для конкретной среды. Таким образом, если лекарства или другие методы лечения изменят среду таким образом, что обычные немутантные клетки получат конкурентное преимущество, они смогут постепенно захватить контроль и вытеснить клонов. Как именно мы это сделаем, опять же остается неясным, но есть предварительные доказательства того, что можно одержать верх над мутантами. Недавняя экспериментальная проверка концепции показала, что доза рентгеновского излучения ускоряет рост клеток в пищеводе мышей с мутациями р53 (мутация в гене р53, будучи наиболее часто встречаемой при раке, также является вторым наиболее распространенным фактором клональной экспансии в пищеводе). Но облучение рентгеновскими лучами после дозы антиоксидантов улучшает шансы нормальных клеток конкурировать с клонами. В то время как терапевтические антиоксиданты в сочетании с рентгеновскими лучами могут не прижиться в качестве лечения, эта работа действительно демонстрирует, что успех клональных экспансий зависит от окружающей среды и что ее регуляция может помочь нормальным клеткам захватить контроль. Это также поднимает интригующий вопрос, что, возможно, причина, по которой слишком сильное облучение приводит к раку, заключается не в том, что оно непосредственно вызывает мутации, а в том, что может стимулировать рост мутантных клонов, увеличивая вероятность того, что один из них сделает следующий шаг на пути к онкологическому заболеванию. Возможно, самая радикальная идея, чтобы избежать повреждения ДНК и мутаций, – это полное обновление стволовых клеток организма – подход, работающий независимо от того, кто вызывает проблемы при старении: клоны или случайные мутации в отдельных клетках (или и тот, и другой фактор). Другая хорошая новость в сфере секвенирования состоит в том, что обычно остается по крайней мере несколько клеток, чья ДНК не имеет каких-либо существенных повреждений. Если бы мы могли извлечь некоторые из этих немутировавших клеток, превратить их в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, дважды проверить, свободна ли их ДНК от случайных ошибок или мутаций, изменяющих правила игры, а затем превратить эти иПСК в стволовые клетки для кожи, пищевода, кишечника, крови и других тканей, пораженных мутациями, то могли бы использовать их для замены мутантных клеток. Получив больше знаний, мы поймем, где в наших телах обновление ДНК наиболее необходимо, и вполне может оказаться, что починка наиболее важных тканей приведет к тому, что мы сможем исправить те места, где частота мутаций ниже или клональная экспансия вызывает меньше проблем.
Мутации в ДНК, вероятно, будут одним из самых сложных признаков старения. Идеи, которые мы обсуждали, варьируют от экспериментальных подтверждений концепций в лаборатории до на данный момент чисто спекулятивных предположений. Но это проблема, с которой в конце концов нам придется иметь дело: мутации будут накапливаться, от 10 до 50 в год в каждой клетке тела, а клоны будут продолжать делиться, медленно удушая своих нормальных соседей, даже если мы полностью разберемся со всем остальным. Самым удачным решением этой проблемы было бы открытие в ходе дальнейших исследований, что мутации, не вызывающие рак, не настолько вредны для здоровья, чтобы быть существенной проблемой даже при большой продолжительности жизни, но мы должны готовиться к худшему, даже если надеемся на лучшее.
Самаярадикальная идея избежать повреждения ДНК и мутаций состоит в том, чтобы полностью обновить стволовые клетки организма.
К счастью, в ближайшем будущем понимание распространенности и типа мутаций в процессе старения значительно улучшится. Секвенирование генома сейчас дешевле, чем когда-либо, и интерес к накоплению мутаций исходит не только от научного сообщества, занимающегося проблемами старения, но и от исследователей рака. Те из нас, кто заинтересован в лечении старения, должны убедиться, что эта работа исследует вклад мутаций в разрушение организма и рак, и убедиться, что попытки действительно лечить его развиваются в тандеме с исследовательской работой. Если мы сделаем это, то первые методы лечения для укрощения безудержных клонов или генная терапия для усиления защиты ДНК могут быть достаточно близки к тому, чтобы иметь значение для многих живущих сегодня людей.