Льюис Уолперт - Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем
Большинство из нас предпочло бы избежать смерти, однако старение и сопровождающие его недуги также вряд ли могут рассматриваться в качестве предпочтительного варианта. Но если клетки такие умные, почему же тогда они — и мы с ними — стареют? Ведь к шестидесяти годам мы проживаем не более четверти срока, отпущенного нам с точки зрения генетики. Виной всему следует признать эволюцию, которая заинтересована в том, чтобы мы обеспечивали свое воспроизводство, но не в том, чтобы мы оставались здоровыми после выполнения этой задачи.
Любая действующая механическая система стареет из-за того, что подвергается износу, и то же самое происходит с клетками в биологических системах. После того как мы переходим шестидесятилетний рубеж, признаки старения становятся более чем очевидными. Наша память уже не такая, какой была прежде, мы двигаемся не так быстро, наши колени начинают болеть — этот список можно продолжать до бесконечности.
Неизвестно, почему у разных животных столь разная продолжительность жизни: мыши живут всего три с половиной года, в то время как киты могут дожить до восьмидесяти лет. Однако все доступные нам данные свидетельствуют о том, что старение не является основным фактором, приводящим к смерти диких животных, поскольку другие факторы — такие, как нападения хищников и болезни, — вызывают их гибель значительно раньше. Более 90 процентов мышей, живущих в природных условиях, погибают уже в первый год своего существования.
Старение не является элементом нашей программы развития, и не существует таких генов, которые способствовали бы старению. Напротив, в ходе эволюции выработаны клеточные механизмы, которые препятствуют старению. Однако эти механизмы действуют лишь до той поры, пока воспроизводство остается важной составляющей частью жизнедеятельности организма.
Воздействие процессов эволюции становится очевидным, если сравнить мышь двухлетнего возраста со слоненком такого же возраста. К этому моменту мышь уже стара, тогда как слон еще детеныш. Эволюция выработала механизмы, которые препятствуют старению слона до той поры, пока у него не появится потомство.
Природа разработала особые механизмы, которые позволяют затормозить начало процесса старения до того, пока не вырастет следующее поколение. Но затем процесс идет по нарастающей. В этом состоит суть теории «выбрасываемых после употребления тел», согласно которой люди и животные становятся ненужными после того, как взращивают свое потомство.
Но если старение не запрограммировано нашими генами, то отчего же оно тогда случается? Ответ прост: по той же причине, по какой стареют и выходят из строя автомобили и стиральные машины, — по причине износа. Старение происходит вследствие накопления невосполнимых повреждений клеток и молекул в организме, а также из-за достижения предела возможностей организма поддерживать в работоспособном состоянии клетки, ДНК и белки.
Сохранение целостности ДНК является основной задачей для любой клетки, поскольку повреждение цепочки ДНК приводит, с одной стороны, к исчезновению в клетке жизненно важных белков, а с другой — к появлению ненужных белков и белков, способных принести вред. Подобные негативные явления накапливаются в организме с того самого момента, когда начинают образовываться клетки и ткани. Повреждения накапливаются также в митохондриях и в клеточных оболочках. То, как долго сможет жить организм, определяется прежде всего его способностью исправлять различные возникающие по разным причинам повреждения.
То, что наши клетки стареют, показывает простой с точки зрения биологии опыт. Если взять клетки из соединительной ткани молодого человека и поместить в искусственную питательную среду, то количество их делений составит около 50 циклов. Если же проделать аналогичный эксперимент с клетками шестидесятилетнего человека, то их размножение ограничится примерно 30 циклами. Меньшее число циклов деления как раз и отражает эффект старения. Однако при этом в теле человека существуют клетки, которые старению на первый взгляд не подвержены и продолжают активно размножаться на протяжении длительных периодов времени. Речь идет прежде всего о стволовых клетках.
Старение также хорошо иллюстрирует поведение клеток человека, страдающего от синдрома Вернера, который выражается в преждевременном старении, — такие клетки делятся в искусственной питательной среде намного меньшее число раз, нежели клетки, взятые у здорового человека. Люди, пораженные синдромом Вернера, имеют характерный невысокий рост и к сорока годам выглядят заметно состарившимися. Обычно они умирают ближе к пятидесяти годам от рака и болезней сердца. При этом развитие синдрома Вернера вызывается повреждением всего лишь одного гена, однако этот ген необходим для репликации и починки ДНК.
Одно из объяснений снижения способности клеток к делению кроется в том, что при каждой репликации утрачивается часть находящихся на концах генов теломер. Это происходит из-за отсутствия энзима теломеразы, при участии которого теломеры восстанавливаются после каждого деления клетки. Этот энзим присутствует в репродуктивных клетках, находящихся в яичках и в яичниках, а также в некоторых взрослых стволовых клетках, где отвечает за предотвращение их старения. Возможно, путем укорачивания теломер накладывается определенное ограничение на количество делений каждой клетки и ведется своеобразный подсчет числа этих делений. Подобный механизм может действовать для того, чтобы защитить организм от неконтролируемого размножения клеток, характерного, например, для рака, и тогда старение является той платой, которую мы платим за предотвращение появления раковой опухоли.
Во время заболеваний, которые ведут к преждевременному старению, теломеры укорачиваются ускоренными темпами. Так, например, происходит при синдроме Вернера и прогерии, которую называют еще детской старостью. Прогерия вызвана крошечным дефектом в одном из белков ребенка. Большинство детей, рожденных с этой болезнью, умирают к тринадцати годам и к этому моменту выглядят как старики.
Труднее всего сохранить целостность на протяжении срока своего существования хромосомам. ДНК в каждой хромосоме ежедневно подвергается тысячам химических преобразований. Несколько из ключевых биологических механизмов, вызывающих старение, негативно воздействуют на ДНК, и поэтому существует связь между продолжительностью жизни и способностью ДНК к восстановлению. Клетки стараются предотвратить тот ущерб, который может быть нанесен ДНК, оборачивая ДНК вокруг особых белковых нитей, и чем плотнее свернута спираль ДНК, тем лучше она защищена — однако это может привести к тому, что транскрипция гена будет затруднена и возникнут трудности с синтезом белков.
На возникновение опасных повреждений ДНК, которые ведут к неправильному синтезу белков, клетки отвечают совершением апоптоза, то есть самоубийства. Это своего рода шлагбаум на пути их превращения в злокачественные. Гораздо чаще апоптоз происходит в старых тканях, в которых выше уровень различных повреждений, накопленных за годы жизни организма; потеря клеток, вызванная апоптозом, также ускоряет процесс старения.
Ряд организмов тратит весьма серьезные усилия на поддержание ДНК в неприкосновенности. Благодаря этому достигается стабильность в состоянии генов, следствием чего, во-первых, становится более позднее старение и, во-вторых, уменьшается риск возникновения рака. Люди куда реже болеют раком, нежели мыши, поскольку в человеческом организме заложены более серьезные механизмы восстановления и починки поврежденных ДНК. Впрочем, несмотря на то, что механизмы поддержания целостности клеток в долгоживущих организмах достаточно мощные, они со временем, рано или поздно, все равно приходят в упадок.
Природа и эволюция тонко посмеялись над людьми, сделав так, что наша жизнь сильно зависит от кислорода, который, с одной стороны, жизненно необходим для выработки энергии, а с другой стороны, является главным фактором старения и последующей смерти. Одна из возможных причин повреждений ДНК и других молекул — именно видоизмененные агрессивные молекулы кислорода. Они образуются при выработке митохондриями АТФ; эти молекулы потенциально способны причинить вред многим клеточным образованиям, включая ДНК. Они также способны повреждать митохондрии, что ведет к сниженному уровню производства энергии, что само по себе является признаком старения.
Ключевой фактор сохранения жизнеспособности клетки — устойчивый уровень оборота в ней белков, предусматривающий, что поврежденные либо лишние белки своевременно выводятся наружу. Связанный со старением упадок этой функции приводит к тому, что в клетке накапливаются дефективные белки. Существуют данные, указывающие на то, что накопление в клетке поврежденных или видоизмененных белков приводит к возникновению целого ряда характерных для старческого возраста заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера.
