Перепрограммирование старения
После удаления, замены и починки всего, что возможно, заключительная стадия реального лечения биологического старения почти наверняка потребует от нас перепрограммировать собственную биологию, взломать то, что дала нам природа, чтобы предотвратить возникновение проблемных процессов в первую очередь. Поскольку «программа» для биологии написана в генах, это будет включать в себя их редактирование, чтобы оптимизировать положительные аспекты, минимизировать влияние отрицательных и создать новые возможности для наших клеток и органов.
Хотя это может показаться футуристичным, в обозримом будущем мы сможем многое сделать в области медицинского обслуживания. Пройдет совсем немного времени, и мы сможем использовать генное редактирование, чтобы усовершенствовать руку, которую нам дала эволюция, и даже сможем выполнить клеточное перепрограммирование, – другое название процесса создания индуцированных плюрипотентных стволовых клеток – чтобы повернуть время вспять в клетках не только в пробирке, но и во всем теле.
Эти идеи дают нам представление о последнем шаге в биогеронтологии и, возможно, во всей медицине. Объединение всего, что мы узнали до сих пор, в сложные компьютерные модели человеческой биологии, сделают все, что мы обсуждали, пережитками каменного века. Достигнув этой цели, мы станем действительно нестареющими – и, поскольку «старение» постепенно потеряет свой смысл, люди, вероятно, вообще перестанут называть эти методы лечения «антивозрастными».
Усовершенствование генов
ДНК – это чертеж тел, от крупномасштабной компоновки до мельчайших компонентов, которые управляют взаимодействиями внутри и между клетками. По мере того как мы все больше узнаем о человеческом геноме, в прессе появляется все больше историй о «гене» того или иного типа. И может возникнуть соблазн впасть в «генетический детерминизм», полагая, что все биологическое будущее, риск развития заболеваний, продолжительность жизни и даже большая часть личности человека определяются генетическим кодом.
Жизнь, конечно, сложнее. Очевидно, что ДНК действительно влияет на продолжительность жизни: в конце концов, люди могут жить более 100 лет, а червь-нематода – только несколько недель, и эта разница закодирована в нашей ДНК. Мы также видели, что мутации в отдельных генах могут резко изменить продолжительность жизни червей и мышей в лаборатории. Можем ли мы применить это знание на практике, чтобы продлить здоровый период жизни людей?
Первый вопрос заключается в том, в какой степени гены определяют наше нормальное долголетие. Изощренные исследования с однояцевыми и разнояйцевыми близнецами и анализ больших когорт позволяют оценить степень «наследуемости» долголетия – меру, в которой можно унаследовать долгую или короткую жизнь. Этот эффект оказывается на удивление небольшим – где-то около 25 %. Однако более поздние работы пересмотрели даже эту низкую оценку. К несчастью для статистиков, люди обычно не выбирают себе партнера совершенно случайно – они склонны объединяться в пары с людьми, чьи характеристики больше похожи на их собственные, чем можно было бы ожидать при случайном выборе, – тенденция, известная как ассортативное спаривание. Исследование 2018 года, в котором использовались тысячи записей актов о рождении и смерти с сайта генеалогии, математически скорректировало этот эффект. И было обнаружено, что наследуемость долголетия снизилась до менее чем 10 процентов. Исследователи действительно выяснили, что продолжительность жизни супругов была более схожей, чем этот же показатель их детей противоположного пола.
Это обнадеживающая новость для многих из нас: продолжительность жизни не записана в ДНК, и не нужно рассматривать возраст ваших родителей как предел того, как долго вы можете прожить. При правильном питании, физических упражнениях, здоровом образе жизни и некоторой удаче судьба находится в наших собственных руках в большей степени, чем кажется при упрощенном генетическом детерминизме.
Тем не менее это обескураживающая новость для любых биологов, надеющихся прочесать популяцию в поисках генетических основ долголетия. Генетические эффекты сложны, и мы не должны ожидать обнаружения удивительных мутаций долголетия, если будем наивно искать их в общей популяции без тщательного учета таких факторов, как ассортативное спаривание. К счастью, задачу можно сильно упростить, если взглянуть на более необычные случаи. Первым делом нужно исследовать исключительно старых людей.
Есть что-то определенно странное (в хорошем смысле) в людях, доживших до 100 лет. Исследования показывают, что нет существенных отличий в том, сколько они курят и употребляют алкоголя, занимаются спортом, чем питаются и сколько весят по сравнению с населением в целом. Несмотря на это, они не только живут дольше, но и, похоже, откладывают развитие возрастных заболеваний на более поздний срок. Исследование долгожителей США показало, что они проводят значительно меньше времени в состоянии болезней: 9 % для долгожителей против 18 % в более широкой популяции. Они также дольше сохраняют независимость, и средний долгожитель в исследовании все еще способен выполнять повседневные задачи вплоть до своего 100-летия.
По мере того как мы переходим от обычного старческого возраста к исключительному долголетию, наследуемость долгой жизни кажется более очевидной. Дожили ли ваши мама или папа до 70 или 80 лет, не имеет большого значения с точки зрения вашей собственной вероятной продолжительности жизни. Но если кто-то из ваших родителей дожил до 100 лет или даже больше, возможно, пришло время остановиться и обратить на это внимание. Наверное, вы сами заметили это – вероятно, семья вашего друга или, если вам очень повезет, ваша собственная, может проследить в своем роду целый ряд долгоживущих женщин (по статистике, это обычно именно представительницы прекрасного пола: женщин-долгожителей в пять раз больше, чем мужчин). Одно анекдотическое наблюдение действительно выдерживает статистическую проверку: если один из ваших братьев и сестер доживает до 100 лет, у вас примерно в десять раз больше шансов на это, чем у кого-то из общей популяции.
В результате исследователи генетики отправились на поиски версий генов, которые чрезмерно представлены у людей, достигших 100 лет. Это оказалось на удивление трудным делом, но два гена действительно появляются у долгожителей довольно последовательно: APOE и FOXO3.
Ген APOE кодирует белок под названием Apo-E, который отвечает за транспортировку холестерина по всему организму. И то, какая версия присутствует у вас, оказывает огромное влияние на риск развития как сердечно-сосудистых патологий, так и деменции. Он поставляется в трех вариантах – APOE2, APOE3 и APOE4. Наиболее распространенным вариантом является E3. Около двух третей людей во всем мире имеют обыкновенный генотип E3/E3, то есть одна копия E3 от матери и одна от отца, и это дает им 20-процентный шанс развития деменции в течение жизни. Вариант Е4 встречается реже, но это плохая новость: наличие одной копии, присутствующей примерно у 25 % людей, увеличивает риск развития болезни Альцгеймера почти до 50:50. У людей с двумя копиями (к счастью, их всего 2 % населения) почти наверняка развивается болезнь Альцгеймера, и диагноз ставят в среднем в возрасте 68 лет – примерно на десять лет раньше, чем у людей с генами Е3/Е3. С другой стороны, E2, по-видимому, защищает организм, примерно вдвое уменьшая риск развития деменции, если у вас есть копия от одного родителя, и, возможно, уменьшая риск в четыре раза, если у вас две копии. Аналогичная история с сердечно-сосудистыми заболеваниями: носители Е4 снова подвергаются более высокому риску.
Поэтому неудивительно, что гены APOE могут оказать значительное влияние на шансы достичь 100 лет. Вариант Е4 значительно реже обнаруживается у долгожителей по сравнению с общей популяцией – потому что многие из тех, кто является обладателем варианта APOE4, умерли от сердечно-сосудистых заболеваний, деменции и так далее, не дожив до 100-летия. Это не гарантированный смертный приговор – есть горстка долгожителей даже с самым неудачливым генотипом Е4/Е4. Но если вы собираетесь установить рекорд долголетия, придется преодолеть это дополнительное препятствие. Исследования показывают, что люди с двумя генами Е4 живут в среднем немного меньше, чем люди с Е3/Е3, в то время как наличие двух генов Е2 может немного продлить жизнь.
FOXO3 —ген долголетия, который находят у супердолгожителей. Сегодня его изучению посвящены работы самых разных центров.
Следующий наиболее перспективный ген долголетия – FOXO3. Мало того, что его варианты связаны с экстремальным долголетием у людей-долгожителей; есть также доказательства его важности, полученные в экспериментах на модельных организмах. Благодаря эволюционной консервативности мы разделяем многие из генов с организмами, такими же далекими, как мухи и черви-нематоды. FOXO3 очень похож на ген нематод daf-16, который, как daf-2 и age-1, которые вы помните из Главы 3, влияет на продолжительность жизни червей через сигнальный путь инсулина. Как и наши собратья-черви, люди с благоприятным вариантом FOXO3, вероятно, испытывают мягкую генетическую симуляцию, похожую на диетическое ограничение, наслаждаясь такими эффектами, как повышенная аутофагия, которая замедляет старение ровно настолько, чтобы эти вариации FOXO3 были заметно более распространены у людей, доживших до глубокой старости.
Другое необычное место для поиска генов долголетия – изолированные популяции. Представьте, что вы носитель мутации долголетия, которая добавит вам пять лет жизни. Когда вы умрете в 91 год, а не в 86, до которого вы дожили бы без мутации, это вряд ли привлечет внимание научного или медицинского сообщества. 91 год – это, конечно, хорошо, но далеко не неслыханно. Если у вас есть пара детей, вы можете передать мутацию одному из них, а они могут передать ее одному из своих отпрысков и так далее. Если мутация не заставит ваших потомков рожать в среднем больше детей, то не распространится по популяции, а просто будет дрейфовать со случайным увеличением или уменьшением частоты.
Однако в изолированных сообществах мутации могут сохраняться. Если нет огромной популяции, в которой их можно было бы потерять, они могут появиться у значительной части гораздо меньшего сообщества чисто случайно. Мутация может распространиться на разные семьи, и через несколько поколений два человека, потомки первоначального носителя, могут встретиться, полюбить друг друга и завести собственных детей. Именно этот феномен лежит в основе опасности рождения детей у братьев с сестрами или двоюродными родственниками. Если оба родителя являются носителями редкой «рецессивной» версии гена, вызывающего заболевание (что хорошо, если у вас только одна копия), есть один шанс из четырех, что у их ребенка будет две копии, которые приведут к развитию проблемы со здоровьем, вызванной мутацией.
Именно эта цепочка событий привела трехлетнюю девочку из общины амишей Старого обряда[73] в Берне, штат Индиана, в больницу в середине 1980-х годов – путешествие, которое в итоге привело к открытию нового гена человеческого долголетия. После удара головой у девочки образовалось скопление крови под кожей головы, и операция по его удалению только усугубила ситуацию – пациентка чуть не истекла кровью до смерти. Несколько лет спустя операция, которая понадобилась из-за зубного абсцесса, чуть не заставила ее утонуть в собственной крови. Существует набор «нарушений свёртываемости крови», которые могут быть ответственны за то, что кровь не сворачивается, чтобы запечатать рану, но один за другим врачи устраняют их. Состояние этой девочки было чем-то, что в то время было неизвестно медицинской науке. Только благодаря настойчивости врача и специалиста по свертыванию крови по имени Эми Шапиро была обнаружена основная причина кровотечений пациентки.
Просматривая литературу в поисках подсказок, Шапиро прочитала о белке под названием PAI-1, который участвует в свертывании крови. В конце концов ей удалось уговорить коллегу проверить последовательность гена, кодирующего его, SERPINE1, в ДНК девочки. Они обнаружили ошибку в двух буквах – процесс копирования ДНК заикался, превращая «ТА» в «ТАТА». Из-за этого крошечного изменения пациентке сильно не хватало рабочего PAI-1, что вызывало у нее проблемы со свертываемостью крови, но в остальном она казалась совершенно здоровой. Дальнейшее тестирование показало, что у ее родителей было по одной копии мутировавшего SERPINE1, из-за чего выделялось меньше PAI-1, чем обычно, но они, казалось, были совершенно не затронуты болезнью, даже их кровь свертывалась, как у вполне здоровых людей.
Другие исследования показали, что люди с более высоким уровнем PAI-1, вызванным другой мутацией, подвергаются более высокому риску развития сердечно-сосудистых заболеваний. Это приводит к естественному вопросу: если больше PAI-1 – это плохо, то меньше – лучше? Сообщество амишей в Берне предоставило идеальный тестовый случай, и Шапиро обратилась в Национальные институты здравоохранения (National Institutes of Health, NIH) за финансированием для проведения исследования. Ее заявка на грант была отклонена: в NIH не думали, что 100 испытуемых будет достаточно, чтобы обнаружить статистически достоверный эффект. Как же они ошибались! В 2015 году почти двести амишей добровольно прошли серию медицинских тестов, изучающих состояние их крови и сердца. У тех, у кого была одна копия мутировавшего гена SERPINE1, сердечно-сосудистое здоровье было несколько лучше, чем у тех, у кого было две копии обычного гена, а еще у этих счастливчиков были более длинные теломеры. У них также было гораздо меньше шансов заболеть диабетом – у 8 из 127 человек без мутации был диабет, против нуля из 43 амишей с мутацией. Самое поразительное, что, используя генетическое тестирование и построение генеалогического древа, чтобы узнать генотип родственников, которые уже умерли, исследование показало, что люди с мутацией жили в среднем на десять лет дольше, чем те, у кого было две копии нормального гена. Это увеличило среднюю продолжительность жизни с 75 до 85 лет. Как такое возможно?
Так вот, за прошедшие десятилетия с момента его открытия мы узнали, что PAI-1 – это белок, который отвечает не только за свертывание крови. Как и большинство генов, он задействован в ряде различных процессов в организме. Возможно, наиболее важно, когда речь заходит о старении, что PAI-1 связан с клеточным старением. Он одновременно участвует во внутреннем принятии решений, когда клетка рассматривает вопрос о старении, и является компонентом секреторного фенотипа, связанного со старением, с помощью которого стареющие клетки сеют хаос по всему телу. Снижение вероятности старения и потенции SASP – два вероятных способа продлить продолжительность жизни. В то время как у носителей единственной копии мутации, по-видимому, нет никаких проблем со свертыванием крови, также возможно, что немного менее энергичная система свертывания может принести пользу, когда вы становитесь старше, уменьшая вероятность таких проблем, как инсульт.
Мы все еще должны быть немного осторожны в отношении удаления PAI-1. Хотя эффект впечатляет, он был обнаружен в небольшой популяции, и результат все еще может быть случайностью или чем-то очень специфичным для амишей. Как бы то ни было, это удивительное увеличение продолжительности жизни должно заставить нас пересмотреть наши ожидания относительно того, насколько сильное влияние могут оказывать отдельные гены на продолжительность жизни людей. Как мы видели в главе 3, те биологи-эволюционисты 1970-х годов, которые считали, что мутации в отдельных генах могут оказывать лишь очень незначительное влияние на продолжительность жизни, были совершенно не правы. И PAI-1 доказывает, что они ошибались не только в отношении червей, но и людей.
Помимо амишей, существует много других изолированных сообществ, заслуживающих изучения. Мы уже встречали эквадорцев с мутацией рецептора гормона роста, приводящей к синдрому Ларона (из-за которого низкий рост сочетается со значительным снижением заболеваемости раком и диабетом). Евреи-ашкеназы также были объектом многих исследований, которые показали, что мутации, связанные с гормоном роста, менее экстремальные, чем те, что стоят за синдромом Ларона, также связаны с долгой жизнью. Женщина из огромной семьи в Колумбии, многие из членов которой предрасположены к развитию болезни Альцгеймера в возрасте сорока лет, попала в заголовки газет в 2019 году, потому что ей удалось избегать этого заболевания на десятилетия дольше, чем ее родственникам, по-видимому, из-за исключительно редкой мутации в обоих генах APOE. Популяции с ограниченным генофондом, несомненно, будут продолжать давать интригующие результаты как для биогеронтологов, так и для ученых, исследующих многие другие аспекты биологии человека.
Поиск генов, способствующих долголетию, также может быть основан на понимании того, что на самом деле делают гены, основано на работе в лаборатории. Существует длинный список генов, которые, будучи отключены или снабжены дополнительными копиями, продлевают жизнь модельных организмов, таких как черви, мухи и мыши. Мы уже встречались с некоторыми из них, такими как age-1 и теломераза, но есть еще много вариантов на выбор. Например, у мышей, получивших дополнительную копию гена под названием Atg5, наблюдается повышенная активность аутофагии, и они живут на 17 % дольше. Есть множество генов, связанных с гормоном роста, таких как мутация, обнаруженная у рекордсменов долголетия – ларонских мышей. А также ген под названием FGF21, который имитирует эффект пищевого ограничения и может увеличить продолжительность жизни мыши на треть.
Итак, изучив геномы модельных организмов, изолированных популяций и чрезвычайно старых людей в поисках намеков на способы прожить дольше, как мы могли бы использовать эти знания? Традиционный способ заключается в разработке лекарств, имитирующих эффект благотворного генетического изменения. В случае с PAI-1, например, из рассказа об амишах старого обряда кажется, что нам не нужно такое большое количество этого гена в нашем теле, как обычно. Таким образом, ученые ищут препараты, которые ингибируют PAI-1, молекулы, которые будут склеивать белок и мешать ему выполнять свои функции. Один препарат, разрабатываемый в настоящее время, улучшает течение диабета и жировой болезни печени у мышей с избыточным весом, а также снижает уровень холестерина в крови, и прошел предварительные испытания на безопасность при применении на людях.
Создание лекарств, которые препятствуют действию определенных белков, является классическим способом использования открытий в генетике и стало основой многих медицинских прорывов за последние несколько десятилетий. Однако есть и более радикальный подход – генная терапия. Генная терапия – это идея, что мы можем пойти и изменить ДНК: напрямую добавить новые гены, удалить те, которые нам не нужны, или заменить дефектные лучшими альтернативами.
Генная терапия может иметь более постоянный эффект, чем лекарства: если ДНК «интегрирована» в геном, она будет оставаться там бесконечно долго, и нет необходимости принимать лекарство каждый день. Она также имеет потенциал для уменьшения количества побочных эффектов. Лекарства часто будут иметь «нецелевые» эффекты в дополнение к целевым, вмешиваясь в работу белков или процессы, для которых они не предназначены. Генная терапия для одного гена по определению будет влиять только на сам ген. И, хотя изменения одного гена, конечно, способны вызвать более серьезные побочные эффекты, этот метод вполне может нанести меньший ущерб, чем лекарство, поражающее несколько белков и сигнальных путей одновременно.
К сожалению, генная терапия в применении к взрослым организма – затруднительное дело. Первая проблема заключается в том, чтобы поместить новые гены и механизмы редактирования в потенциально триллионы клеток. У нас еще нет инструментов для надежного редактирования каждой клетки человеческого тела, так что, если предложенный метод опирается на универсальность, это плохая новость. Наиболее распространенными «векторами» для вставки ДНК являются вирусы, чей способ действия заключается во внедрении собственной генетической информации в наши клетки для получения копий самих себя. Если вы удалите вирусные гены и замените их тем, который хотели бы вставить, вирус любезно доставит его вместо своего. Однако наша иммунная система всегда находится в поиске вторгающихся вирусов и иногда может слишком остро реагировать. К смерти Джесси Гелсинджера в 1999 году привел именно неадекватный иммунный ответ на вирусный вектор, а не сама генная терапия. Джесси был 18-летним подростком, который участвовал в одном из первых испытаний генной терапии на людях, но умер через четыре дня. Эта трагедия нанесла огромный ущерб репутации всей отрасли. Существует также вероятность изменения неправильного фрагмента ДНК и, как всегда, риск развития рака, если в каком-то аспекте редактирования генома что-то не задастся.
Однако в редактировании генов делаются огромные успехи как потому, что это очень полезно для ученых, проводящих эксперименты в лаборатории, так и потому, что оно обладает огромным терапевтическим потенциалом. Технология под названием CRISPR попала в заголовки газет. И Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна получили за ее разработку Нобелевскую премию в 2020 году в области химии, потому что она делает редактирование генов более точным и гораздо более дешевым и уже нашла свой путь в испытаниях на людях для лечения болезней. До сих пор она ограничивалась внесением изменений вне тела, что означает, что модифицированные клетки можно проверить на безопасность, прежде чем поместить обратно в пациентов. Также научное сообщество оптимистично смотрит на применение аденоассоциированного вируса, который использовался для доставки теломеразы взрослым мышам (мы говорили об этом в предыдущей главе), благодаря его способности уклоняться от иммунной системы и обеспечивать полезную нагрузку на ДНК, которая не «интегрируется» в геном, снижая риск развития рака. Существует несколько одобренных методов лечения ААВ, и еще сотни сейчас испытываются на людях.
Заразработку технологии редактирования генов CRISPR Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Даудна получили в 2020 году Нобелевскую премию.
Исследование, опубликованное в 2019 году, сделало первый шаг в использовании генной терапии аденоассоциированным вирусом для лечения нескольких возрастных заболеваний у взрослых мышей. После применения трех различных генов, обнаруженных в исследованиях старения, как по отдельности, так и в комбинации, наиболее успешная формула объединила ген, снижающий уровень TGF-бета, одного из негативных факторов, выявленных в старой крови, который мы обсуждали в предыдущей главе, и FGF21, который, как мы упомянули, является геном, имитирующим ПО. Мыши, получавшие эту двойную генную терапию, теряли вес независимо от того, были ли они молоды и сидели на диете с высоким содержанием жиров или страдали ожирением из-за более старшего возраста, и у них наблюдалось улучшение течения диабета. А также они быстрее выздоравливали, когда у них вызывали почечную или сердечную недостаточность.
Авторы исследования основали в США компанию под названием Rejuvenate Bio с намерением коммерциализировать комбинированную генную терапию против старения. И следующим шагом будет ее испытание на собаках – в частности, на кавалер кинг-чарльз-спаниелях, у которых наблюдается высокий уровень возрастных проблем с сердцем. Если испытания будут успешными, планируется запустить терапию на домашних животных, чему способствует упрощенное одобрение регулирующих органов и более короткая продолжительность жизни питомцев, позволяющая быстрее получать результаты. Ожидается, что рынок этих методов лечения животных будет стоить миллиарды долларов, а вырученные средства можно будет использовать для разработки человеческих версий терапии.
Помимо добавления дополнительных копий полезных генов, существует также возможность уменьшить влияние вредных. Одним из примеров является PCSK9, ген, ответственный за контроль количества холестерина в крови. Исследование, проведенное в 2005 году в Далласе, штат Техас, показало, что у некоторых афроамериканцев был очень низкий уровень «плохого» холестерина ЛПНП, вызванный мутацией, отключившей этот ген. Дальнейшие испытания продемонстрировали, что эта мутация, которая встречается примерно у 3 % афроамериканцев, но менее чем у одного из 1000 американцев европейского происхождения, привела к ошеломляющему снижению риска развития сердечных заболеваний на 88 %. Так началась гонка за разработкой лекарств для снижения его активности у остальных из нас. И ингибиторы PCSK9 теперь считаются «золотым стандартом» в снижении уровня холестерина, используемым у людей с высоким уровнем этого вещества, который не может контролироваться статинами, включая людей с одной из нескольких мутаций PCSK9, которые увеличивают, а не уменьшают его активность. Испытания начались с технологии РНК-интерференции PCSK9, перехватывающей молекулы РНК, которые являются посредниками, позволяющими ДНК превращаться в белки. Это может снизить уровень PCSK9 в течение нескольких месяцев с помощью одной дозы. Если они могут снизить уровень холестерина и риск сердечных заболеваний без проблемных побочных эффектов, следующим шагом может стать полное уничтожение гена. Это уже было показано на мышах с использованием CRISPR, и компания под названием Verve Therapeutics разрабатывает версию подобной терапии для испытаний на людях.
Наконец, есть возможность модифицировать существующие гены, чтобы оптимизировать их для достижения долголетия. Один из вариантов небольших изменений – модифицированная версия CRISPR, известная как редактирование оснований, которая позволяет изменить одну букву ДНК в определенной точке генома. Одной из многообещающих мишеней для этой терапии в недалеком будущем будет APOE: вариант Е3 отличается от Е2 и Е4 всего одной буквой ДНК. Мы также уже знаем, что различные варианты могут сосуществовать у одного и того же человека без катастрофических последствий и, что еще лучше, Е4 оказывает негативное влияние (а Е2 – позитивное) дозозависимым образом – две копии хуже (или лучше), чем одна, которая хуже (или лучше), чем ноль. Таким образом, даже если не удалось отредактировать каждую копию APOE, вполне вероятно, что положительный эффект все равно будет.
Если мы хотим осознать силу генной терапии старения, нужно проделать большую работу, чтобы понять, как эти гены работают по отдельности и в сочетании. В исследовании 2019 года, посвященном лечению возрастных заболеваний у мышей, также рассматривался третий ген, Klotho, дополнительная копия которого может увеличить продолжительность жизни мыши примерно на 25 процентов (он получил свое название от Клото, одной из трех мойр в греческой мифологии, которые прядут, отмеряют и отрезают нити судьбы, чтобы определить продолжительность человеческой жизни). Однако совместное использование всех трех генов фактически снизило эффективность лечения: исследование показало, что Klotho и FGF21 плохо сочетаются друг с другом. В биологии целое часто не то же самое, что сумма его частей, – оно может быть либо больше, либо, как в данном случае, меньше, по причинам, которые редко очевидны с самого начала.
В долгосрочной перспективе генная терапия, вероятно, будет играть огромную роль в медицине. Возможность более целенаправленного лечения, которое не зависит от того, не забывают ли люди принимать таблетки каждый день, достаточно значительна, прежде чем мы рассмотрим возможность изменить биологию человека, добавив дополнительные полезные функции, недоступные в естественном геноме. Хорошая новость для тех из нас, кто надеется лечить старение с помощью генной терапии, заключается в том, что эта область в целом продолжает развиваться с поразительной скоростью и о новых клинических испытаниях объявляют очень часто. Как теперь известно, новые методы начнут применяться на людях с высоким риском развития заболевания. Например, с использованием CRISPR для модификации PCSK9 у пациентов с таким высоким уровнем холестерина, что есть высокий риск сердечного приступа в возрасте тридцати или сорока лет. Если эти больные избегут побочных эффектов, в том числе риска развития рака из-за неправильных модификаций, мы могли бы постепенно расширить их использование, чтобы охватить людей с менее серьезными проблемами со здоровьем, такими как возраст или высокий уровень холестерина, связанный с питанием. И в итоге, возможно, все мы получим метод терапии, модифицирующий PCSK9, в качестве профилактической «вакцины» от высокого уровня холестерина.
В будущем генная терапия может быть использована для радикальной перестройки человеческой биологии. В предыдущих главах мы уже видели, как это может дать нашим клеткам копии генов, которых нет ни в одной человеческой ДНК. Например, новые ферменты для расщепления неразлагаемых отходов в лизосомах или резервные копии митохондриальных генов, подверженных повышенному риску. Даже эти предположения примитивны по сравнению с тем, что мы могли бы в итоге надеяться сделать с генами, действительно перепрограммируя нашу биологию. Мы могли бы создать совершенно новые генетические «цепи», которые, вместо того, чтобы просто откачивать белок, могли бы реагировать на изменения в организме и стабилизировать биологию перед лицом разрушительных эффектов старения. Хотя продолжительность жизни в настоящее время не в значительной степени определяется естественной генетикой, генные модификации, перепрограммирующие возможности клеток, вероятно, будут важным компонентом того, как мы в итоге будем лечить старение. Мы обсудим это более подробно в заключительной части этой главы. Во-первых, мы изучим радикальный эффект всего четырех генов, способных обратить вспять старение клеток… а может быть, и всего организма.
Повернуть вспять эпигенетические часы
Из этой книги мы узнали, что процесс старения удивительно податлив. С помощью ограничения калорийности рациона, генетического изменения или пришивания мыши к более молодой особи скорость старения можно замедлить. Мы можем обратить его вспять с помощью сенолитических препаратов, теломеразы и других методов лечения, которые пока находятся в процессе разработки. Это невероятно волнующая новость, и я надеюсь, что она уже изменила ваш взгляд как на старение, так и на медицину в целом. Но, возможно, пластичность старения не должна быть столь удивительной. В конце концов, старение – это решенная проблема: даже если родители стары, дети рождаются молодыми.
Независимо от того, были ли родители подростками или сорокалетними, ребенок рождается с нулевым возрастом, с совершенно новыми органами и кожей, гладкой, как… ну, как у младенца. Дети наследуют ДНК родителей, но не их хронологический возраст. Это ключевая часть теории одноразовой сомы из Главы 2. В то время как наши тела служат расходным материалом, «зародышевые» клетки, участвующие в размножении, не могут стареть, если ваш вид хочет выжить. Зародышевая линия бессмертна: то, что вы читаете это, значит, что ваши родители, их родители до них и непрерывное и непостижимое количество долгих линий пра-пра-пра-пра-бабушек и дедушек, и даже одноклеточные организмы на ранней Земле – все они успешно размножались и должны были быть биологически достаточно молодыми, чтобы завести потомство. Эффективное сохранение зародышевой линии в течение нескольких миллиардов лет технически не является бессмертием, но это неплохое начало.
Детинаследуют ДНК родителей, но не их хронологический возраст. Клетки взрослой особи стареют, но у зародышевых клеток нет возраста.
С одной стороны, это сводит с ума. У всех нас есть инструменты, записанные в ДНК, чтобы построить совершенно новую, свежую жизнь, и все же у нас явно нет механизмов, чтобы выполнить то, что кажется гораздо более простой задачей, – поддерживать в рабочем состоянии то, что уже построено. Очень хорошо, что мать-природа может делать это с новорожденными, но можем ли мы раскрыть загадку ее инструментов и использовать их в медицине?
На самом деле мы уже обсуждали один из методов, с помощью которого наука могла бы сделать эту захватывающую идею возможной. В Главе 6 мы познакомились с процессом получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (иПСК), невероятных клеток-предшественников с большим количеством талантов, которые мы можем сделать из обычных дифференцированных клеток организма. С тех пор как этот процесс был открыт, мы обнаружили, что индуцирование плюрипотентности, по-видимому, омолаживает клетки таким образом, что имитирует магические трюки, которые природа использует, чтобы подарить детям молодость. Процесс создания иПСК называется перепрограммированием клеток, и поэтому эта идея известна как омоложение путем перепрограммирования.
Первая линия доказательств этого омоложения – эпигенетические часы, причудливо точный предиктор биологического возраста, основанный на эпигенетических отметках в ДНК, с которыми мы познакомились в Главе 4. Стив Хорват придумал их в 2013 году. Установив, что они работают на многих различных типах тканей, он сделал последний тест их предсказательной силы. Ученый использовал их для расчета эпигенетического возраста как эмбриональных стволовых клеток – «естественно» молодых клеток, выделенных из человеческого эмбриона всего через несколько дней после того, как сперматозоид встретил яйцеклетку, – так и иПСК, полученных из клеток взрослых людей. Эпигенетический возраст эмбриональных клеток близок к нулю, что вполне логично. Взрослые клетки, используемые для создания иПСК, имели нормальный эпигенетический возраст, соответствующий возрасту их донора, что также вполне оправданно. Но сами иПСК были эпигенетически нулевого возраста: их биологические часы были в самом начале, что делало их неотличимыми от эмбриональных аналогов.
Благодаря экспериментам ученые с тех пор получили еще более многообещающий вывод. Полностью функциональные иПСК были успешно получены от людей в возрасте 114 лет, и клетки имели эпигенетический возраст, равный нулю, независимо от того, был ли донор молодым взрослым или сверхдолгожителем. Более того, дифференцировка этих иПСК в определенные типы клеток оставляет их неизменно молодыми с эпигенетической точки зрения. Это означает, что вы можете взять клетки кожи 90-летнего человека, сделать иПСК и снова дифференцировать их в клетки кожи – и эти новые клетки кожи сами будут молодыми. Это уже блестящая новость: она может повысить эффективность всех запланированных нами методов лечения стволовыми клетками, если мы сможем использовать иПСК в качестве источника донорских клеток. Новые клетки мозга, глаз, стволовые клетки крови или что бы мы ни произвели из них, снова будут молодыми, готовыми к еще нескольким десятилетиям использования.
Более того, оказывается, что снижение эпигенетического возраста происходит не изолированно, а сопровождается другими омолаживающими эффектами. У иПСК также более красивые митохондрии и более низкие уровни митохондриальных активных форм кислорода. У них более длинные теломеры, сравнимые с теми, что находятся в эмбриональных стволовых клетках. Это почти подозрительно хорошая новость: вставив дополнительные копии всего лишь четырех генов – «факторов Яманаки», известных как O, K, S и M, открытие которых принесло Яманаке[74] Нобелевскую премию, – мы, похоже, сможем возобновить процесс молекулярной глубокой очистки, аналогичный тому, который устраняет разрушительные последствия воздействия времени в зародыше.
Есть некоторые оговорки: например, существует слабая эпигенетическая тень, позволяющая различать иПСК, полученные от молодых и старых доноров, хотя она, кажется, исчезает, если вы позволите иПСК разделиться несколько раз. Однако, даже если детали все еще уточняются, процесс индуцирования плюрипотентности, по-видимому, надежно обращает вспять процесс старения в клетках. Это захватывающе, но можно ли достигнуть этого на целых организмах?
Первая хорошая новость – это то, о чем мы упоминали в Главе 6: вы можете ввести иПСК в эмбрион мыши и произвести полностью функциональную особь. Это довольно убедительное доказательство того, что они ведут себя точно так же, как обычные эмбриональные клетки и, в частности, не стареют преждевременно каким-то образом, который мешает новорожденным мышам нормально жить или заставляет их умирать молодыми. Мы также можем исследовать продолжительность жизни клонированных животных. Овца Долли была клоном своей «матери»: ученые взяли ядро из взрослой клетки, а затем вставили его в яйцеклетку, ядро которой было разрушено. Рождение Долли привело к размышлениям о жизни клонов в целом. Рожденная из старой ДНК, даже пересаженной в молодую яйцеклетку, могла ли она иметь нормальную жизнь с достойной продолжительностью?
Шесть с половиной лет спустя ответ казался ясным: Долли пришлось усыпить после того, как у нее развился кашель, а последующий рентген выявил множественные опухоли в легких. Это необычайно короткая жизнь для финн-дорсетской овцы, породы, которая часто доживает до девяти и более лет. Ей также поставили диагноз «артрит», когда ей было пять лет, – опять же, необычайно рано – и измерение ее теломер, когда ей был всего год, показало, что они были короче, чем у других молодых овец. Все это вместе привело ученых к предположению, что, появившись из ядра взрослой клетки от шестилетней матери, возможно, Долли начала жизнь с биологическим недостатком, что в итоге привело к преждевременному старению и снижению продолжительности жизни.
Однако последующая работа опровергла это предположение. Более тщательное исследование 13 клонированных овец, четыре из которых были генетически идентичными сестрами Долли, полученными из одних и тех же клеток, показало, что все они чувствовали себя нормально в старческом возрасте. При тщательном медицинском осмотре овец в возрасте от семи до девяти лет на момент исследования обнаружили, что их сердечно-сосудистое здоровье, результаты анализа крови и состояние суставов похожи на те, что и у неклонированных овец того же возраста. Вполне возможно, что Долли просто не повезло: в возрасте четырех лет овца подхватила респираторный вирус, который, как известно, вызывает рак легких, охвативший стадо в Рослинском институте, где она жила. Вполне вероятно, что это было причиной ее опухолей, а значит, они не были признаком преждевременного старения. Учитывая это простое объяснение, которое было известно в момент ее смерти, настойчивое использование этого примера в качестве доказательства того, что клоны умирают молодыми, кажется довольно странным.
Эксперименты с мышами пошли дальше: сначала животное клонировали, а затем брали ядро из клетки клона и помещая его снова в яйцеклетку, чтобы сделать клон клона… и так далее. Ранние исследования, казалось, показали, что уровень успеха снижается с каждым «поколением», поэтому клонирование клона было сложнее, чем просто клонирование «нормальной» мыши, а клонирование клона клона было еще более затруднительной задачей. Пытаясь понять это, ученые в конце концов дошли до шестого поколения, и им потребовалось сделать невероятно разочаровывающую тысячу попыток, чтобы получить одного живого мышонка – только для того, чтобы приемная мать быстро съела его, положив конец эксперименту. Трудно себе представить, каково это – скрупулезно вводить 1000 ядер в яйцеклетку, наконец успешно имплантировать ее в мышиную утробу, наблюдать беременность… чтобы потом стать свидетелем того, как мать проглотит этот крошечный кусочек научной истории, прежде чем у тебя будет возможность провести какие-либо тесты.
Однако с тех пор методы клонирования значительно улучшились, и это снижение эффективности с каждым поколением исчезало. Группа под руководством того же ученого, который был свидетелем этого ужасного акта мышиного каннибализма, опубликовала в 2013 году статью, документирующую успех повторного клонирования на протяжении 25 поколений без явного увеличения сложности с течением времени. Самое главное, с нашей точки зрения, что пра-пра-…правнуки клонов были здоровыми и имели нормальную продолжительность жизни. И снова магия клеточного перепрограммирования с каждым поколением переводит в начало часы старения. (Эксперимент продолжается, и, на момент написания книги ученые добрались уже до 43-го поколения.)
Последнее доказательство омоложения с помощью перепрограммирования пришло не из лаборатории, а из океана. Медуза Turritopsis dohrnii – это полусантиметровое морское существо с 90 щупальцами, также известное как бессмертная медуза. Ее бессмертие обеспечивается двусторонним жизненным циклом, в котором взрослая особь (известная как фаза «медузы») может превратиться в Бенджамина Баттона[75] и омолодиться до младшей, «полиповой» стадии. По-видимому, это происходит в процессе обратной клеточной дифференцировки. Затем полип может снова вырасти, стать медузой с щупальцами, готовой повернуть процесс старения в обратном направлении, когда в организме накопится слишком много повреждений. Этот желеобразный феникс показывает нам, что рождение ребенка – не единственный найденный биологией способ повернуть время вспять – это можно сделать и с целым взрослым телом из старых клеток.
Существует очевидная проблема, заключающаяся в том, что мы, люди, просто так не можем воспользоваться стратегиями медузы. Перепрограммирование клеток живого человека приведет к тому, что клетки всех жизненно важных органов – легких, сердца, печени, почек – утратят свои функции и превратятся в плюрипотентные стволовые клетки. Стволовые клетки могут быть мощным инструментом с точки зрения их потенциала, но они бесполезны на практических ролях, таких как перекачка крови по всему телу. Генерация недифференцированных клеток волей-неволей приведет к катастрофической полиорганной недостаточности и быстрой смерти. Другой риск, если вас не настигнет полиорганная недостаточность, – это полное превращение в тератому – отвратительные опухоли со спутанными волосами, глазами и зубами, образованные плюрипотентными клетками. Даже одна иПСК в живом организме может быть смертельной, поэтому намеренное индуцирование их по всему телу было бы катастрофой.
Шестоймалыш – клон шестого клона мыши – был съеден матерью сразу после рождения. Ученые так и не смогли его изучить.
Это не просто мрачное теоретическое предсказание – мы испробовали этот метод на мышах, и именно с такими результатами. Множественный рак и органная недостаточность испортили два эксперимента, в которых пытались сделать пересадку иПСК in vivo[76] и результаты которых были опубликованы в 2013 и 2014 годах соответственно. Однако спустя пару лет успешным оказался более осторожный подход. Ученые взяли генетически модифицированных мышей с расстройством преждевременного старения и дополнительными копиями факторов Яманаки в клетках, которые включались бы только в том случае, если бы животные принимали определенный препарат. Препарат ввели после того, как они нормально развились и начали проявлять признаки преждевременного старения. При непрерывном введении лекарства бедным мышам удавалось продержаться всего несколько дней, прежде чем их захлестывала органная недостаточность. Он непрерывно включал гены и фактически был повторением предыдущих попыток. Это не было бессмысленным жестоким повтором эксперимента с известным результатом, у ученых действительно имелся план. На этот раз они хотели выяснить безопасную продолжительность активации факторов Яманаки, которая немного повернула бы процесс старения вспять, не посылая их по пути медуз. Когда они вводили препарат по два дня, затем делая перерыв на пять, все выглядело совсем по-другому. Эта циклическая активация факторов Яманаки улучшила сердечную функцию, ускорила восстановление мышц и поджелудочной железы после травмы, сделала их моложе и добавила 30 % к общей продолжительности жизни.
Как мы уже говорили, мыши, страдающие преждевременным старением, не идеальная модель для такого рода исследований, потому что, возможно, легче исправить то, что сломали, чем совершить тот же подвиг в замедленном хаосе нормального старения. Тем не менее это многообещающий результат: это кажущееся нелепым лечение, активирующее кучу генов, открытых для совершенно другой цели почти десять лет назад, кажется, играет важную роль в процессе старения.
Волнение, вызванное предварительным выводом, означает, что работа будет продолжена и заполнит пробелы в наших знаниях. Мы показали, что этот механизм не ограничивается мышами. В человеческих клетках в пробирке, подвергшихся временной активации факторов Яманаки и нескольких других генов, происходит массовый перевод биологических часов назад, но, что важно, они не теряют своей клеточной идентичности. Процесс перевел эпигенетические часы на несколько лет назад, активировал митохондрии, повысил уровень аутофагии… Единственное, что не изменилось, – это длина теломер, что, вероятно, на самом деле хорошо, потому что означает, что клетки не были перепрограммированы в иПСК с активной теломеразой. Эта работа также показала, что стволовые клетки мышц человека, извлеченные из организма, временно перепрограммированные и затем введенные мышам, могут помочь старым мышцам регенерироваться. Было показано, что временное перепрограммирование улучшает заживление повреждений глаз у мышей среднего возраста. Мы также теперь знаем, что перепрограммирование может быть безопасно внедрено и активировано у взрослых мышей в среднесрочной перспективе. Пятимесячные грызуны, получившие генную терапию OKS (без М), прожили более года без явных побочных эффектов. С перепрограммированием дела идут так быстро, что к тому времени, как вы прочтете это, возможно, появятся новые открытия. Эти результаты обнадеживают, но они лишь предварительные. Так что вы не можете пойти к врачу и потребовать рецепт на OKSM, не говоря уже о том, что на вас будут подозрительно смотреть, потому что пока нет способа ввести их людям. Ключ к тому, чтобы превратить этот метод в лечение, будет заключаться в том, чтобы выяснить, что на самом деле происходит, когда мы индуцируем плюрипотентность и в каком порядке. Эксперименты на клетках в пробирке показывают, что это многоступенчатый процесс. На первой стадии, кажется, удаляются эпигенетические признаки старения, и только после того как она в значительной степени завершена, клетка начинает путь обратной дифференцировки собственно от взрослой клетки к стволовой. Это не обязательно должно быть именно так – процесс обращения эпигенетических часов вспять может легко протекать одновременно с обратной дифференцировкой. Или может быть так, что клетка должна пройти весь путь до того, чтобы стать иПСК, прежде чем начнет генеральную уборку. К счастью для нас, применение факторов Яманаки к плюрипотентности, по-видимому, показало благоприятные результаты в тех контрольно-проверочных экспериментах на мышах, которые мы только что рассмотрели. Это означает, что два дня терапии могут повернуть часы старения вспять, но из-за остановки применения препарата после этого у клеток недостаточно времени, чтобы дифференцироваться обратно и убить мышей множеством неприятных способов.
Тот факт, что эти вещи происходят последовательно, а не все сразу, также предполагает, что они, по крайней мере, несколько независимы. Так что мы могли бы представить себе гены или лекарства, влияющие на старение клетки, не меняя сам ее тип. Идеальным результатом могла бы стать таблетка, которая обнуляет все возрастные изменения, но оставляет клетку в том виде, в каком она была изначально, выполняя свою работу в организме.
На самом деле мы уже можем сделать обратное – повлиять на идентичность клетки без изменения ее биологического возраста – с помощью процесса, называемого трансдифференцировкой, или прямым перепрограммированием. Эта процедура очень похожа на генерацию иПСК, но другой коктейль генов превращает один тип клеток тела в другой – клетку кожи в нейрон, например, – без промежуточной трансформации в иПСК. Это может быть очень полезно с медицинской точки зрения, позволяя врачам превращать клетки из одного распространенного типа в другой, который необходим организму. Так можно миновать этап иПСК и не подвергать пациента риску развития рака. Это исследование проводится для получения новых инсулин-продуцирующих клеток из других клеток поджелудочной железы для пациентов с диабетом, а также новых клеток сердечной мышцы и нейронов. Они потенциально могут быть полезными, но, что более интересно для нас в этом контексте, способность изменять идентичность клетки, не меняя ее возраста, дает еще одно доказательство того, что эти две опции можно использовать независимо.
Есть несколько идей, чтобы заставить метод работать на людях, которые сейчас активно исследуются. Классический подход состоял бы в том, чтобы попытаться найти лекарство, имитирующее эффекты OKSM или пробуждает эти гены ото сна в дифференцированных клетках организма. Это не только традиционный способ превратить силу лабораторных открытий в лекарство, но и значительное преимущество, заключающееся в том, что нам не нужно вводить в клетки несколько очень мощных генов. Вы всегда можете перестать принимать лекарство; гораздо труднее отменить изменения в вашем генетическом коде. Особое беспокойство вызывает M в OKSM, также известный как c-Myc, потому что это онкоген, часто ошибочно активируемый при раке. В лаборатории изучается несколько подходов к химически индуцированному перепрограммированию, и ученые успешно сделали иПСК, нейронные стволовые клетки и нейроны из взрослых клеток без необходимости вставлять в них какие-либо гены. По мере их более подробного исследования, вполне возможно, что эти соединения превратятся в омолаживающие препараты.
Существует также большой интерес к вариациям генной терапии. Для тех, кто оправданно осторожен в отношении c-Myc, хорошая новость заключается в том, что он, похоже, не нужен для перепрограммирования. Как мы упоминали несколько абзацев назад, OKS, похоже, тоже работает и безопасно используется у мышей уже более года. Исследователи пытаются отделить эффекты O, K, S и M, чтобы определить, какие из них действуют на конкретных стадиях перепрограммирования, что они делают и можно ли использовать еще меньшее их количества. Существует и противоположный подход, использующий дополнительные гены, которые, как было показано, повышают эффективность перепрограммирования клеток в пробирке. Исследователи добавляют в алфавитный суп такие комбинации, как OKSMLN (L для LIN28 и N для NANOG, гена, используемого эмбриональными стволовыми клетками, название которого происходит от Tír na nÓg, это земля вечной молодости в ирландской и шотландской мифологии), чтобы выяснить, как они воздействуют на животных. Есть даже повод для того, чтобы вообще отказаться от исследования OKSM. С момента открытия индуцированной плюрипотентности иПСК поклонялись, словно тотемам. Создание этих богоподобных клеток, способных образовывать любой другой тип клеток, было неизменной целью многих исследований стволовых клеток. Однако иПСК не обязательно самые полезные. На самом деле нет никакой необходимости в универсальных клетках, учитывая, что в конечном счете мы хотим, чтобы нормально работали именно клетки взрослого организма. Возможно, нам не следует полагаться на факторы Яманаки, а искать новые гены, которые повернут время вспять к менее отдаленной стадии клеточного развития. Одним из предполагаемых временных моментов является так называемый эмбрионально-плодный[77] переход, который у людей происходит около восьмой недели с момента зачатия. До этого любые травмы развивающегося ребенка отлично заживают. После этого они заживают не до конца, оставляя шрамы, подобные тем, с которыми мы все знакомы после пореза или царапины. Возвращение часов на эту стадию жизни могло бы дать клеткам улучшенные регенеративные способности, но, как надеются сторонники этой идеи, без риска случайно перескочить в плюрипотентность, развитие рака и хаос.
Наконец, есть варианты, которые исходят от идеи имитировать перепрограммирование. Тот факт, что первой частью перепрограммирования, по-видимому, является обращение вспять возрастных эпигенетических изменений, добавляет веса идее о том, что эпигенетика служит причинным механизмом, стоящим за процессом старения, а не просто циферблатом часов, показывающим наш точный возраст. Если это так, то, возможно, нам лучше держаться подальше от «черной магии» факторов Яманаки и сосредоточиться на перепрограммировании эпигенетики напрямую. В настоящее время есть модифицированные версии CRISPR, которые могут изменять эпигенетические метки в нескольких местах ДНК одновременно, и ученые работают над технологиями редактирования сотен или даже тысяч отрезков.
До 8 неделиразвития любые травмы эмбриона заживают полностью. После этого тоже заживают, но не до конца, оставляя шрамы.
Это означало бы, что мы могли бы подумать о точных подходах к воспроизведению того, что делает ОKSM грубой силой. Тем не менее подход с использованием «черной магии» сохраняет определенную привлекательность. Если мы позволим собственным инструментам природы восстановить эпигенетический порядок в наших клетках, то сможем избежать неприятностей – хлопотного процесса определения того, что именно нужно изменить, чтобы сделать это самостоятельно.
Еще предстоит выяснить, как именно мы придем к пониманию различных видов эпигенетических и других изменений, происходящих в ходе широкого процесса индуцированной плюрипотентности и трансдифференцировки. Несомненно, впереди нас ждут годы упорной научной работы, прежде чем мы полностью поймем детали. Но то, как легко, кажется, было наткнуться на эти явления почти случайно, дает мне надежду на возможность увидеть реальные методы лечения через годы или десятилетия, а не столетия. Яманака не искал источник клеточной молодости, когда обнаружил четыре фактора, названные его именем, и создал первые в мире иПСК: он хотел найти что-то, что возродило бы их способность дифференцироваться во что угодно. Нам повезло, что его факторы OKSM, похоже, делают и то и другое. Но до этого открытия по счастливой случайности было бы очень трудно убедить скептически настроенного ученого в том, что мы можем повернуть клеточные часы вспять, активировав всего несколько генов. Тот факт, что метод работает, вдохновляет на поиски генов или лекарств, специально предназначенных для того, чтобы они могли повернуть вспять эпигенетические часы, оживить митохондрии, удлинить теломеры и т. д.
Методы лечения, основанные на тщательном использовании этих перепрограммирующих факторов, или умные лекарства, или другие варианты лечения, способные имитировать их эффекты, могут быть не просто делом далекого будущего. Они могут появиться даже раньше, чем некоторые из более простых методов, рассмотренных в предыдущих главах, отчасти из-за внезапного интенсивного интереса к терапевтическому перепрограммированию благодаря этим многообещающим ранним результатам. Использование временного перепрограммирования для обращения вспять часов старения – одна из самых захватывающих идей в биогеронтологии: поначалу это кажется абсолютно безумным, но пока что есть основания полагать, что это может сработать.
Перепрограммирование биологии и лечение старения
Старение – феноменально сложный процесс. Тем не менее, как мы видели в предыдущих главах, у нас есть хорошие идеи относительно того, как мы могли бы относиться к этому. Все эти идеи как минимум сработали в лаборатории, и большинство из них не просто спекулятивные методы лечения, основанные на теории или экспериментах на клетках в пробирке.
Если бы мы могли заставить несколько, большинство или даже все эти методы лечения работать как профилактические средства для людей, это стало бы огромным достижением. Весьма вероятно, что это значительно улучшит здоровье в пожилом возрасте и, несомненно, внесет огромный вклад в понимание того, какие факторы сильнее всего влияют на старение и как эти различные явления взаимодействуют. Однако, каким бы впечатляющим все это ни было, я не думаю, что такой подход сам по себе излечит старение.
Как вы уже заметили, читая эту книгу, многие изменения, вызванные старением, связаны между собой. Стареющие клетки имеют широкий спектр эффектов благодаря провоспалительному SASP, влиянию на сигнальные пути, иммунную систему и риск развития рака. И все это вызвано факторами, с которыми мы встречались в других местах, – короткими теломерами, повреждениями ДНК и мутациями, – непосредственное лечение которых мы также могли бы себе представить. Стволовые клетки появляются на этих страницах постоянно: как лечение, как то, что мы могли бы использовать их сигналы для улучшения функций организма в старости и, как раз сейчас, как вдохновение для клеточного перепрограммирования. Хроническое воспаление – это одновременно причина и следствие клеточного и иммунного старения и так далее. Отличительными признаками старения являются названия ключевых развязок в биологической сети, больше напоминающей карту лондонского метро, чем маркированный список. И потребуется некоторая работа, чтобы установить точный маршрут каждой линии метро и понять, где находится каждая станция.
Чтобы по-настоящему излечить старение, мы должны использовать более целостный подход системной биологии. Нужно понять, что клетки и тела состоят не из набора изолированных явлений, каждое из которых можно исправить по отдельности, а из сложной системы компонентов, взаимодействующих в запутанных сетях друг с другом и даже с самими собой.
Терапевтические идеи, которые мы обсуждали, затрагивают отдельные признаки процесса старения, устраняя один вид клеток или возвращая нечто, что меняется с возрастом, на более молодой уровень. Даже если они полезны в целом, эти методы лечения, скорее всего, будут иметь побочные эффекты на другие аспекты нашей биологии. Возможно, сенолитические препараты заставят нас жить дольше, но попытки первого поколения нацелиться на них будут несколько чрезмерно усердными в удалении клеток и в итоге могут привести к истощению стволовых клеток. Мы могли бы компенсировать это, добавив больше стволовых клеток или используя теломеразу, измененные сигналы или эпигенетическое перепрограммирование, чтобы побудить существующие клетки делиться еще несколько раз, что может привести к нарушению работы митохондрий или почечным или мозговым нарушениям. У всех методов лечения есть непредвиденные последствия, и врачи это прекрасно понимают.
Нам придется научиться перепрограммировать человеческую биологию. Начиная понимать, как взаимодействуют ее различные компоненты, мы постепенно находим более разумные способы вмешательства. Наша биология включает в себя взаимодействие молекул в отдельных клетках, внутри и между целыми популяциями клеток, с внеклеточным матриксом, на котором они находятся, с иммунной системой, мозгом, генами, окружающей средой и так далее. Корректировка одной части этой системы вызовет нарушения в других. Мы должны убедиться, что вмешательства стабилизируют систему в целом: нельзя просто сосредоточиться на успехе, измеряемом по сравнению с тем, на что они непосредственно были нацелены.
Другая причина, по которой мы должны рассматривать человеческую биологию таким целостным образом, заключается в том, что люди совершенно разные. Мыши в лаборатории часто генетически идентичны и выращиваются в одной и той же среде, из-за чего у двух любых подобных животных будет гораздо более схожий профиль возрастных изменений, чем у двух любых людей. Нам понадобятся более продвинутые способы, чтобы понять, предрасположили ли вас генетика, образ жизни, окружающая среда или просто неудача к, скажем, митохондриальным мутациям в легких, оставляя вас с уровнем модифицированного сахаром коллагена в артериях ниже среднего. И, чтобы затем прописать какие-либо методы лечения, которые мы разрабатываем в соответствии с вашим личным спектром возрастных изменений, с тем, как вы будете реагировать на лечение и будете ли особенно восприимчивы к любому конкретному побочному эффекту.
Клеточное перепрограммирование – это намек на то, как может выглядеть системный подход к лечению старения, хотя и очень простой, с которым мы столкнулись почти случайно. Четыре фактора Яманаки названы так потому, что это «факторы транскрипции». Этот биологический термин означает, что они являются генами, функция которых заключается во влиянии на поведение многих других генов. Они не рабочие на заводе, а менеджеры высшего звена, чей приказ имеет далеко идущие клеточные последствия – как это и должно быть, учитывая, что вы можете полностью изменить личность клетки, активировав их. В результате всего четыре гена могут выполнять монументально сложную задачу, детали которой мы до сих пор не до конца понимаем, используя существующие биологические схемы внутри клеток.
Факторы Яманаки были найдены методом проб и ошибок, но, если бы мы поняли эту клеточную схему, то смогли бы перестроить ее гораздо более целенаправленным образом. Если бы мы могли понять, как цепивнутри клеток посылают и принимают межклеточные сигналы, перепрограммирование стало бы более продуманным, тогда мы начали бы осознавать последствия изменений, которые вызываем по всему телу. Как только мы сможем совместить эти более обширные знания с пониманием того, как возрастные изменения влияют на эти системы, мы сможем разработать разумные методы лечения с максимальной пользой и минимумом побочных эффектов.
Четырефактора Яманаки – это гены, функция которых заключается во влиянии на поведение многих других генов.
Возможно, мы активируем два фактора Яманаки в печени, сердце и кишечнике, уменьшим активность трех совершенно разных генов в некоторых типах клеток мозга и добавим новый ген, который специально создали для выполнения конкретной задачи в иммунной системе. Вероятно, позже мы сможем вставить небольшой пакет искусственной ДНК с собственной программируемой логикой, делая x, если он находится в клетке, где высок показатель y, и, если нет, z и a пропорционально уровням чего-то еще. Эти виды программ – это то, как уже работают наши клетки, с факторами транскрипции, регулирующими, какие гены включаются и выключаются в зависимости от окружающей среды, сигналов и других факторов транскрипции. Поэтому это не является неправдоподобным – даже если получить понимание и технологическое мастерство, сделать это самостоятельно будет непросто. Если мы действительно овладеем системным подходом к биологии, то, возможно, будет очень трудно описать сложные методы лечения, которые мы разрабатываем, кроме как на каком-то языке программирования системной биологии. Естественный язык не предназначен для выражения колоссальной сложности явлений, возникающих между огромным количеством взаимодействующих акторов, но это можно сделать с помощью математики. Растущая математизация биологии расширит способность описывать, а затем и предсказывать ее сложность, а слова обычного языка для этого просто не годятся.
Биология будет преобразована, как только мы получим модели, которые позволят нам предсказать эти результаты. Первоначальные исследования будут проводиться уже не in vitro (буквально «в стекле» – это означает клетки или молекулы в пробирке) или in vivo (в живых существах, таких как черви, мухи и мыши), а in silico – в компьютере. Мы уже делаем первые робкие шаги в направлении силико-биомедицины. И передовые модели и симуляции в итоге позволят нам проверять все виды теорий гораздо быстрее и с большей воспроизводимостью, чем в неточной лабораторной биологии. И только самые перспективные методы лечения будут оцениваться в медленных, дорогостоящих испытаниях на мышах или людях.
Если подобное звучит футуристично, то это потому, что так оно и есть. Мы только начинаем понимать, как сети генов взаимодействуют внутри клеток и как сигналы передаются по всему телу. Мы в некотором роде отстаем от построения детальных прогностических моделей человеческой биологии. Тем не менее важно представить потенциальные временные рамки в перспективе. Даже если вы думаете, что первые действенные предсказания этих компьютерных моделей могут быть сделаны через 50 лет, все равно важно заложить основу сейчас. 50 лет – это все еще небольшой срок, так что все это может принести пользу миллиардам людей, живущих сегодня. Особенно если мы можем добавить годы к ожидаемой продолжительности жизни в состоянии здоровья с помощью некоторых методов лечения, уже находящихся в разработке. И хотя полноценная модель всей человеческой биологии может быть делом еще более далекого будущего, также вполне вероятно, что первые, хотя и несовершенные, попытки, которые создают и улучшают нынешнюю медицину, будут осуществлены довольно скоро.
В 2012 году ученые создали компьютерную модель бактерии под названием Mycoplasma genitalium. Это, как следует из названия, микроб, передающийся половым путем, который также носит название самой маленькой известной самовоспроизводящейся бактерии. Как отдельная клетка, имеющая всего 525 генов (у нас, людей, около 20 000), это самый простой организм, который можно смоделировать. Но, помимо объяснения существующих экспериментальных наблюдений, модель была способна предсказать поведение, которое никогда не наблюдалось раньше, что затем было подтверждено в лаборатории. Это маленький шаг, но также начало, доказывающее принцип, что компьютеры могут моделировать биологические системы. Моделирование C. elegans, о котором мы упоминали в Главе 3, возможно, является следующим шагом, хотя переход от одной клетки бактерии к 959 клеткам червя и десяткам триллионов клеток человека, несомненно, будет сложной задачей.
Есть несколько примеров простых вычислительных и системных медицинских подходов, используемых на людях. Один из них – лечение ВИЧ, при котором математические модели позволили ученым установить, как быстро прогрессируют различные стадии жизненного цикла вируса. И, как только эти модели показали, как быстро вирус реплицируется и мутирует, стало ясно, что можно использовать несколько лекарств одновременно, чтобы остановить быстро развивающуюся устойчивость вируса к одному препарату. Хотя лекарство от ВИЧ остается мечтой, современные комбинированные методы лечения, вдохновленные этим пониманием, могут снижать концентрацию вируса в организме пациентов достаточно, чтобы они могли вести относительно нормальную жизнь, в том числе безопасно заниматься сексом без презерватива, не подвергая своего партнера риску заражения. Есть и другие примеры на более ранней стадии, когда исследователи начали использовать модели машинного обучения для поиска новых способов применения существующих лекарств, изучая, на какие белки они влияют, молекулярные структуры лекарств и т. д., и предсказывая другие виды применения как одного препарата, так и в комбинации с другими. В одном недавнем исследовании этот подход использовался для обучения компьютерной модели распознавать характеристики ряда известных миметиков ПО, а затем использовать эти знания для идентификации других лекарств, которые могут аналогично продлевать жизнь.
Технологии, лежащие в основе этих моделей, развиваются очень быстро. Во-первых, наша способность собирать необходимые данные растет с невероятной скоростью. Секвенирование генома – это образцовый пример сбора биологических данных, и оно быстро дешевеет. В 2001 году, сразу после завершения проекта «Геном человека», секвенирование генома человека стоило около 100 000 000 долларов. К 2008 году цена упала в сто раз до 1 000 000 долларов, а в 2019 году расшифровка последовательности всего генома стоила менее 1000 долларов. Секвенирование генома и связанные с ним методы известны как геномика. Эти методы называются объективными, потому что вам не нужно заранее определять, что искать. Вместо секвенирования одного гена, который, как считается, участвует в процессе, или измерения уровня конкретного белка, как делали бы в прошлом, мы можем посмотреть на весь геном (с помощью геномики) или все белки в данной популяции клеток (науки, известной как протеомика) и т. д. Это открывает гораздо большие возможности для поиска неожиданного и для того, чтобы увидеть, что клетки и организмы ведут себя как взаимосвязанные биологические системы.
Также экспоненциально растет способность обрабатывать такого рода данные. По закону Мура, вычислительная мощность удваивалась каждые два года с 1960-х годов. Аналогичная, хотя и менее плавная тенденция привела к резкому улучшению компьютерной памяти еще более быстрыми темпами. Было бы ошибкой экстраполировать эти тенденции в неопределенное будущее, поскольку мы, вероятно, столкнемся с физическими ограничениями относительно скоро. Последние полвека рост вычислительной мощности был вызван уменьшением компонентов микрочипов, и мы приближаемся к минимальному размеру, разрешенному законами физики. Но мы должны быть в состоянии поддерживать рост скорости обработки данных, делая алгоритмы более эффективными, создавая чипы, оптимизированные для конкретных задач, таких как машинное обучение, и используя новые технологии, например квантовые вычисления.
Хотя прошлые результаты не являются гарантией будущего успеха, тенденции, подобные этим, делают вполне вероятным то, что у нас будут как огромные объемы данных, так и вычислительные ресурсы для их обработки, необходимые для создания детальных моделей человеческой биологии. Учитывая, как далеко мы продвинулись за последние 50 лет, было бы глупо ставить на то, что в следующие полвека мы не достигнем системного понимания биологии, которое нам понадобится для лечения старения.
Идея клеточного перепрограммирования увлекательна. Это заставляет меня сильно колебаться между тем, что нам просто невероятно повезло и благодаря Яманаке мы получили чит-код для клеточной биологии, или же что его очевидный успех в лаборатории – это жестокая шутка природы, предвещающая череду разочаровывающих неудачных попыток превратить это открытие в практическое лечение. Однако, хотя на самом деле это не подход системной биологии, он показывает нам путь: казалось бы, это косвенное вмешательство в группу генов, которые не играют очевидной роли в процессе старения, но их комбинация позволяет существенно повернуть время вспять.
Независимо от того, приведет ли эта первая стадия перепрограммирования к созданию эффективного лечения, я считаю, что весь подход к биомедицине в итоге будет лучше всего описан как перепрограммирование. Нам нужно будет количественно оценить и использовать взаимодействия между бесчисленными элементами биологии, добавить новые функции там, где собственные гены еще не имеют инструментов, и сделать все это с помощью технологий, пользуясь для достижения этой непостижимо сложной задачи масштабными компьютерными моделями. Кстати, именно поэтому некоторые технофутуристы считают, что излечить старение получится скорее, если сосредоточиться на достижениях вычислительной техники и искусственного интеллекта, а не на биологии. На самом деле нам почти наверняка придется обращаться и к тому, и к другому. Даже самые продвинутые технологии машинного обучения, которые мы можем себе представить, работающие на невероятно мощных компьютерах, нуждаются в реальных данных, на которых основываются эти модели.
Логической конечной точкой этого процесса будет постепенный отказ от идеи лечения «старения» и начало восприятия всех человеческих дисфункций и болезней как «нарушения гомеостаза». Гомеостаз – это собирательный термин для мириадов процессов, которые удерживают аспекты нашей физиологии – от температуры и уровня сахара в крови до количества белков и определенного вида клеток – в удивительно узких пределах, необходимых для поддержания жизни. 20– или 30-летний человек находится в состоянии почти полного гомеостаза, и ежегодная вероятность того, что его система выйдет из равновесия и он умрет, меньше, чем 1:1000. Если бы мы могли просто вернуть физиологические параметры на уровень, на котором они находятся в молодом возрасте, то могли бы полагаться на существующие гомеостатические системы организма, чтобы поддерживать жизнь.
Процессы, которые мы в настоящее время называем старением, представляют собой постепенное нарушение гомеостаза – гораздо более медленное, чем, например, настоятельная необходимость начать дрожать на холоде, чтобы поддерживать температуру тела в безопасном диапазоне. Но они отражают тот факт, что эволюция не нуждается в том, чтобы поддерживать равновесие в наших телах до шестого или седьмого десятилетия. Почти незаметное нарушение баланса, которым мы все наслаждаемся в юности, является причиной того, что мы становимся слабыми, забывчивыми и подверженными болезням. Лучшие методы лечения старения мягко подтолкнули бы сеть процессов, заставляющих гомеостаз постоянно нарушаться, обратно к стабильному состоянию, сохраняя нашу безопасность и здоровье на десятилетия дольше, чем сегодня. Вмешательство в хитроумные способы восстановления порядка во всей системе, несомненно, является конечным будущим медицины.
Разгадка системной биологии старения потребует непостижимых объемов данных, огромных вычислительных мощностей и умных биологов, работающих в тандеме со специалистами из лаборатории. Замена языка числовым представлением в прошлом произвела революцию во всех областях науки, а революция в области данных и вычислений в биологии только началась.
Как только мы сможем детально смоделировать нашу биологию, появится возможность перепрограммировать ее, чтобы остановить постепенное ухудшение здоровья и рост риска смерти со временем. Человеческие существа в конце концов станут пренебрежимо стареющими, биологически бессмертными – нестареющими. Лечение, которое приведет к этому, положит конец огромным экономическим издержкам и человеческим потерям, небрежности естественного отбора, а также боли и страданиям в старости, которые были неизбежны для большинства живых существ в течение миллионов лет. Это смелая миссия, но не невыполнимая: человеческая биология невероятно сложна, но она также конечна. Когда-нибудь данные и мощные компьютерные модели позволят нам редактировать сам код, на котором мы работаем. Перепрограммирование старения будет нашим величайшим достижением как вида. Это должна быть наша совместная миссия как биологов, врачей и людей.