Сенсоры питательных веществ
История сенсора питательных веществ, известного как «мишень рапамицина у млекопитающих», или mTOR, началась в 1964 году, когда микробиолог Жорж Ногради собрал образцы почвы на далеком острове Рапа-Нуи (также известном как остров Пасхи) и передал их для анализа доктору Сурену Сегалу из Ayerst Laboratories. В 1972 году Сегал изолировал бактерию Streptomyces hygroscopicus, которая вырабатывала мощное противогрибковое вещество, названное им рапамицином – в честь острова происхождения. Он надеялся разработать на основе этого вещества противогрибковый крем для лечения грибка стопы, но это открытие имело намного более далеко идущие последствия[319].
Когда доктор Сегал перешел на работу в другую лабораторию, он завернул несколько пробирок с рапамицином в тяжелую пластиковую упаковку, отнес их домой и убрал в морозилку, на полку рядом с мороженым. Он сохранил эти образцы, чтобы позже продолжить работу над этим интересным новым лекарством; из-за других приоритетов в исследованиях ее пришлось отложить до 1987 года. Когда Сегал все же продолжил работу, обнаружилось, что рапамицин как противогрибковое средство ничем не замечателен, но он оказывает мощное подавляющее действие на иммунную систему. Тем не менее механизм его действия оказался совершенно неизвестным.
В 1994 году ученые обнаружили белок, являвшийся мишенью для рапамицина, и дали ему весьма прозаическое название «мишень рапамицина у млекопитающих» (mTOR). Открытие этого белка затем привело к открытию ранее неизвестного и совершенно неожиданного химического сигнального пути человеческого питания и метаболизма.
Это стало потрясающим откровением для биологов – примерно как если бы мы сейчас внезапно открыли новый континент посреди Атлантического океана. Медицинская наука развивалась сотни лет, но каким-то образом все ученые проглядели этот фундаментальный сигнальный путь обнаружения питательных веществ, который является настолько неотъемлемой частью жизни на Земле, что присутствует у всех живых существ, начиная от дрожжей и до людей. В эволюционном смысле mTOR даже древнее, чем намного более известный сенсор питательных веществ, инсулин. Сигнальный путь mTOR есть практически у всех живых существ, а не только у млекопитающих, так что английский термин изменили на «механистическую мишень рапамицина», сохранив красивую аббревиатуру mTOR.
Но что он делает? Сигнальный путь mTOR функционирует подобно главному командному центру, оценивая многочисленные источники информации, прежде чем определить, отдавать ли сигнал для роста клеток. mTOR рассматривает несколько ключевых источников информации, в том числе количество белков в пище[320], уровни инсулина, кислорода и клеточного стресса. Он одновременно сам является сенсором питательных веществ (для белковой пищи) и интегратором информации, предоставляемой другими сенсорами вроде того же инсулина. Когда mTOR активируется, он значительно увеличивает рост клеток.
Рост и пролиферация клеток
Рапамицин блокирует mTOR, что, в свою очередь, останавливает рост клеток – именно поэтому он работает и как противогрибковое средство, и как иммунодепрессант. Бактерия Streptomyces hygroscopicus вырабатывает рапамицин, чтобы убивать окружающие грибки, останавливая их рост. А еще рапамицин блокирует деление человеческих иммунных клеток, тем самым действуя как иммунодепрессант[321]. К 1999 году рапамицин стали широко применять при пересадке печени и почек, чтобы предотвратить отторжение органов иммунной системой пациента.
До этого момента большинство иммунодепрессантов, назначаемых пациентам при пересадке печени, имели прискорбный побочный эффект: они увеличивали риск рака, причем намного. По данным Национальных институтов здравоохранения (NIH), пересадка органов повышает риск 32 видов рака[322]. Обычно клетки иммунной системы патрулируют организм и убивают найденные раковые клетки. Когда иммунную систему приходится сильно подавлять, чтобы предотвратить отторжение органа, раковые клетки ускользают от иммунного наблюдения.
Но рапамицин работал совсем иначе. Он подавлял иммунную систему и при этом снижал риск рака. Беспрецедентное явление! В конце концов выяснилось, что рапамицин эффективно действует против рака груди, простаты и легких[323]. Это стало большим прорывом в терапии рака – появился целый новый класс химиотерапевтических препаратов.
С помощью рапамицина удалось найти доселе неизвестный сигнальный путь роста. Сигнальный путь mTOR настолько тесно связан с принятием здоровыми клетками «решений» о росте, что нарушения работы mTOR наблюдаются – вы не поверите – в 70 % всех случаев рака у людей. Мутации в важных «раковых» генах – PI3K, AKT, RAS, RAF PTEN, NF1, ACP, – работают благодаря воздействию на mTOR[324]. Когда уровень сенсора питательных веществ mTOR повышается, увеличивается рост клеток, а вместе с ними – и риск рака.
Инсулин и mTOR – не единственные сенсоры питательных веществ в человеческом организме. Существует также сенсор под названием АМФ-активируемая протеинкиназа (АМФК).
Сенсоры питательных веществ инсулин и mTOR в основном реагируют на употребление в пищу углеводов и белков. А вот сенсор АМФК оценивает общий уровень доступной клеточной энергии. Когда клетки вырабатывают энергию, вне зависимости от источника (будь то углеводы, белки или жиры), АМФ (аденозинмонофосфат) перерабатывается в аденозинтрифосфат (АТФ), который, как вы помните, является хранилищем энергии. Когда необходима энергия, АТФ выделяет ее и снова превращается в АМФ.
Когда у клетки мало энергии, она содержит много АМФ и мало АТФ, и тогда активируется АМФК. Этому сенсору питательных веществ все равно, что именно вы съели: он ведет себя скорее как измеритель общего уровня топлива в клетке.
• Большие запасы энергии = низкий уровень АМФК
• Малые запасы энергии = высокий уровень АМФК
Как и другие сенсоры питательных веществ, mTOR и инсулин, АМФК неразрывно связан с ростом. Высокий уровень АМФК снижает активность mTOR, замедляя рост. АМФК увеличивает производство новых митохондрий, клеточных энергостанций, чтобы усилить способность клетки сжигать жир. Кроме того, АМФК усиливает аутофагию, важный процесс самоочищения и переработки внутриклеточного материала.
Лекарства, активирующие АМФК (имитирующие малые запасы энергии в клетках), полезны для здоровья. Вот лишь некоторые примеры: противодиабетическое средство метформин; ресвератрол, содержащийся в винограде и красном вине; галлат эпигаллокатехина (EGCG) из зеленого чая и шоколада; капсаицин, содержащийся в перцах; куркумин, содержащийся в куркуме, чесноке и традиционном китайском растении барбарисе. Ограничение калорий тоже активирует АМФК – возможно, именно этим отчасти объясняется его антивозрастное действие.
Сенсоры питательных веществ
Большинство всеядных животных, в том числе и люди, едят тогда, когда пища доступна. Традиционно мы наслаждались обильными урожаями летом и осенью – еды много, и нам удается употребить много энергии. Но до появления продуктовых магазинов, когда люди добывали себе пропитание земледелием, в холодные месяцы доступность пищи заметно снижалась. Люди переживали голодное время, потому что у нас есть хорошо развитые системы запасания энергии (жир в теле), а также сохранившиеся с давних времен сенсоры питательных веществ, которые дают нашим клеткам сигнал расти, когда пища доступна, и не расти, когда она недоступна.
Три самых важных сигнальных пути обнаружения питательных веществ у людей – инсулин, mTOR и АМФК. Каждый из этих сигнальных путей дает разную, но дополняющую друг друга информацию. Уровень инсулина растет в основном при употреблении в пищу углеводов и белков, причем делает это через несколько минут. mTOR реагирует на белковую пищу и срабатывает в течение 18–30 часов. АМФК реагирует на общий уровень энергии в клетках, который обеспечивается употреблением в пищу всех макронутриентов. Его общий эффект проявляется на более долгих сроках – от нескольких дней до нескольких недель.
Используя три разных сенсора питательных веществ, клетка получает отличную информацию и о доступных типах пищи, и о том, как долго они доступны. Каких питательных веществ больше: жиров, углеводов или белков? Долго сохраняется к ним доступ или нет? Биохимическая магия наших сенсоров питательных веществ, развившихся за миллионы лет эволюции, просто насмехается над нашим мозгом, который по сравнению с ними примитивен, как пещерный человек, и может только сказать что-нибудь вроде «Грок вроде видеть еда. Грок есть».
Все три сенсора питательных веществ взаимосвязаны, а еще напрямую связаны с пролиферацией клеток. Когда питательные вещества доступны, клетки растут. Среда, богатая питательными веществами и сигналами роста, становится плодотворной почвой для рака. Когда питательные вещества недоступны, клетки не растут. Но когда еды не хватает, клеточной популяции недостаточно «просто» не расти: ей приходится активно уменьшаться. Клетки и субклеточные структуры уничтожаются – для этого используются соответственно апоптоз и аутофагия. Если эти важные системы перестают работать нормально, повышается вероятность избыточного роста, а затем и рака.
Апоптоз
Рост – это, по сути, разница между двумя противостоящими друг другу силами: скорости роста клеток и скорости клеточной смерти. Рост происходит, когда слишком много клеток размножаются или, наоборот, слишком мало клеток отмирают. Инсулин/ИФР-1 стимулирует пролиферацию клеток, но играет не менее важную роль и в предотвращении клеточной смерти, или апоптоза (см. главу 3). Выживание вида зависит от того, насколько точно скорость роста соответствует количеству доступных ресурсов. Недостаток питания для слишком большого количества клеток приводит к смерти. Когда питательных веществ не хватает, логичным действием будет избавиться от ненужных клеток. Лишние рты нужно прогонять – как того троюродного дядюшку, который приехал «на пару дней» и сидит у вас дома уже полгода, плюя в потолок.
Основополагающая директива одноклеточных организмов – выживать и размножаться любой ценой. Если их смерть вызовет большую суматоху… ну, это уже не их проблема. Многоклеточным же организмам требуется тщательная координация и при создании новых клеток, и при удалении старых. Умирающие и мертвые клетки вредят своим соседям – одно гнилое яблоко портит всю бочку, как говорит пословица. Многоклеточным организмам необходим контролируемый метод устранения этих «гнилых яблок».
В обычном человеческом организме каждый день появляется около 10 млрд новых клеток. Это значит, что каждый день 10 млрд других клеток должны умереть, после чего их аккуратно уберут подальше[325]. Апоптоз устраняет эти клетки упорядоченным, не токсичным образом. Клетка, помеченная для уничтожения, переживает контролируемые изменения и в конце концов распадается на мелкие частицы (апоптозные тела), которые затем безопасным образом устраняются. Содержимое клетки не просто беспорядочно расплескивается, как при некрозе.
Апоптоз должен очень тщательно регулироваться, потому что недостаточный или избыточный апоптоз – это патология. Если клетка сопротивляется апоптозу (это отличительная особенность рака), шаткое равновесие сдвигается в пользу роста – что опять-таки благоприятно для рака. Таким образом, апоптоз – это ключевой механизм защиты от поврежденных или опасных (раковых) клеток. Как он контролируется?
Апоптоз активируется двумя основными сигнальными путями: внешним (так называемые рецепторы смерти) и внутренним (митохондриальный путь). Запущенный апоптоз остановить невозможно. Для нужд нашей дискуссии о раке я сосредоточусь на митохондриальном сигнальном пути, который контролируется и позитивными, и негативными стимулами. Позитивные стимулы – это факторы, которые запускают апоптоз, в том числе повреждение клеток токсинами, вирусами, излучением, теплом или из-за недостатка кислорода. Организму не нужны поврежденные клетки, так что апоптоз эффективно вычищает их, не устраивая беспорядка. То, что позитивные стимулы апоптоза одновременно являются и канцерогенами, вовсе не случайно. Поврежденные клетки должны умереть. А если они не умрут, то могут стать раковыми.
Негативные стимулы – это сигнальные пути, которые автоматически активируются, если отсутствуют необходимые сигналы. Например, вы можете подписаться на бесплатный пробный период Amazon Prime, и если вы не свяжетесь с ними в конце этого пробного периода, автоматически будет оформлена платная подписка. Точно так же работает и апоптоз. Если сигнал (фактор роста) не запускать апоптоз не поступает, то в клетке непроизвольно запускается апоптоз. Эта структура двойного контроля, где используются и позитивные, и негативные стимулы, очень стойкая; именно поэтому апоптоз – настолько эффективная противораковая стратегия.
Какие факторы роста предотвращают апоптоз? Самый хорошо изученный противоапоптозный фактор – инсулин/ИФР1, действующий через сигнальный путь PI3K[326]. Высокий уровень инсулина/ИФР-1, что видно при ожирении и диабете 2-го типа, не только стимулирует рост клеток, но и блокирует естественный запуск программы апоптоза, значительно усиливая тем самым сигналы к росту. Таким образом, высокий уровень инсулина/ИФР-1 – это часть той плодородной почвы, на которой всходит семя рака.
При раке баланс между пролиферацией и разрушением переживает фатальный перекос в сторону пролиферации. Дефекты апоптозного сигнального пути помогают поврежденным клеткам выжить, хотя на самом деле они должны были быть помечены для смерти. Но правильная работа митохондриального сигнального пути апоптоза зависит от одной ключевой органеллы – самих митохондрий. Если митохондрии плохо функционируют, митохондриальный сигнальный путь апоптоза тоже не будет работать, и баланс окажется перекошен в сторону роста и ракового преображения.
Митохондрии
В далеком эволюционном прошлом митохондрии существовали как отдельные организмы. Примерно 2–3 млрд лет назад они оказались окружены примитивной клеткой, и у них сложились взаимовыгодные отношения. Клетка дает митохондриям укрытие и питательные вещества, а митохондрии за это выполняют различные задачи – вырабатывают энергию, а потом и запускают апоптоз.
Митохондрии очень уязвимы для повреждений и, чтобы остаться здоровыми, постоянно занимаются саморемонтом. Чтобы поддерживать высококачественные митохондрии, способные запустить апоптоз, необходимы две вещи: старые или поврежденные митохондрии нужно удалять с помощью процесса, называемого митофагией, а затем эти митохондрии нужно заменить новыми.
Митофагия тесно связана с клеточным процессом аутофагии, за открытие которого доктор Ёсинори Осуми получил Нобелевскую премию. Слово аутофагия происходит от греческих слов ауто (приставка «само-») и фагейн («есть»), то есть буквально оно означает «самопоедание». Аутофагия – это регулярный, упорядоченный процесс разрушения клеточных компонентов для переработки их в новые. Аутофагия выступает в роли клеточного «уборщика» и контролируется в основном с помощью сенсора питательных веществ mTOR. Когда питательных веществ доступно много, уровень mTOR высокий, и клетка переходит в режим «роста», отключая аутофагию и митофагию. Как и всегда, процессы роста/деградации клетки и доступности питательных веществ неразрывно связаны. Без митофагии и уничтожения старых митохондрий невозможно создать новые.
Важный сигнал к производству новых митохондрий – сенсор питательных веществ АМФК[327]. Когда общий уровень доступной энергии низок, уровень АМФК растет, стимулируя рост новых митохондрий. У животных-моделей ограничение АМФК и ограничение пищи поддерживают здоровые митохондриальные сети и продлевают жизнь[328]. Интервальное голодание у животных приносит большую пользу их митохондриям.
С одной стороны, избыточная доступность питательных веществ, о которой сигнализируют сенсоры – инсулин, mTOR и АМФК, – ослабляет митофагию и формирование новых митохондрий. Чтобы поддерживать здоровье митохондрий, вам не нужно больше питательных веществ: периодически нужно, чтобы их было меньше. Дефектные митохондрии нарушают процесс апоптоза, что приводит к нарушению тонкого баланса между ростом и отмиранием клеток. Поврежденные клетки, которым позволяют не умирать, могут превратиться в раковые из-за давления отбора, требующего от них выжить любой ценой. Эти клетки должны были быть уничтожены, но этого не произошло. Периодическое устранение старых или поврежденных клеток – один из главных наших механизмов противораковой защиты.
С другой стороны, недостаток питательных веществ – особенно белков – снижает уровень mTOR и активирует аутофагию. Она переводит клетку из режима роста в режим ремонта и технического обслуживания. Старые дефективные клетки и органеллы уничтожаются. Если питательных веществ недостаточно, клетке незачем обслуживать лишние компоненты. Когда доступ к питательным веществам восстанавливается, аутофагия отключается, и клетка снова переходит в режим роста.
Любое сочетание повышенного уровня факторов роста и сниженного уровня клеточной смерти (апоптоза) обеспечивает рост раковой клетки. Недавние исследования показывают, что факторы роста и сенсоры питательных веществ неотделимы друг от друга. Сенсоры питательных веществ одновременно являются факторами роста. Следовательно, болезни роста – это всегда болезни метаболизма; именно этим объясняется важность инсулина для развития рака. Возможно, не случайно и то, что митохондрии – это ключевая точка и энергетического метаболизма, и апоптоза.
Повышенный уровень инсулина в крови (гиперинсулинемия) вызывает метаболические заболевания – ожирение и диабет 2-го типа, а с помощью сигнальных путей PI3K и ИФР-1 поддерживает рак, болезнь избыточного роста. Но сама идея того, что клеточный метаболизм важен для рака, не нова. Более 100 лет назад один из величайших биохимиков в истории, нобелевский лауреат Отто Варбург предположил: для того чтобы понять происхождение рака, нужно изучить его метаболизм.