Экологическая генетика в области продолжитель- ности жизни

На вопросы Фонда «Наука за продление жизни» отвечает российский радиобилог Алексей Москалев.

- Алексей, Вы представляете одно из новых направлений в генетике - экологическую генетику. Что Вы изучаете?

- Моя научная группа занимается экологической генетикой продолжительности жизни. Мы изучаем влияние факторов внешней среды, таких как, малые дозы ионизирующей радиации, световые режимы, тепловой шок - на продолжительность жизни на фоне различных генотипов, пытаясь понять, какие гены отвечают за нашу стрессоустойчивость. 
Исследования ведутся на модельных генетических объектах: плодовой мушке дрозофиле, мышах, полевках, крысах.

- У человека генов в 2 раза больше, чем нематоды. А с дрозофилой и мышами насколько мы «родственны»? 

- Дрозофила (Drosophila melanogaster) - излюбленный объект генетиков. Благодаря исследованиям на дрозофиле была сформулирована хромосомная теория наследственности, теория мутагенеза. 
Позже выяснилось, что такие гены есть и у млекопитающих, и у человека, в частности. Если быть точным, у плодовой мушки и человека 39% одинаковых генов.
Недавно, в процессе экспериментов на дрозофиле были выявлены ключевые гены развития, отвечающие за стадии эмбриогенеза. Поэтому есть уверенность, что генетические механизмы старения, которые мы на ней изучаем, схожи с механизмами старения человека. 

В 1916 году на дрозофиле была обоснована теория интенсивности жизнедеятельности, согласно которой, чем интенсивнее метаболизм, тем быстрее старение. А в 70-80 гг. были проведены первые эксперименты, доказавшие наличие генетической компоненты старения - длительная направленная селекция позволила создать долгоживущую линию мух. 

Все, что показано на простых животных, должно выдержать проверку на мышах. Мыши - самый близкий человеку вид из всех относительно короткоживущих, и удобных в исследовании, лабораторных животных. Достаточно сказать, что 79 % генов у мышей и человека - общие. Эти грызуны, не только генетически, но и анатомически, и физиологически более близки человеку, чем другие распространенные генетические модели.

- Над чем сейчас работает Ваша научная группа? 

- Генетика в области продолжительности жизни - хоть и молодое направление в геронтологии, но имеет определенные успехи.Совсем недавно, в феврале, в журнале Aging Cell (#1) опубликованы результаты исследований научной группы Роберта Шмуклера Райса (Robert Shmookler Reis) из медицинского университета Арканзаса(США), в которых было показано, что червячку нематоде, в результате мутации всего одного гена удалось продлить жизнь в десять раз . В обычных условиях нематоды живут двадцать дней. А в условиях эксперимента жили несколько месяцев. 

Наша группа внесла свой вклад в понимание влияния факторов среды на старение. Мы выявили, что рецессивный ген, на Х -хромосоме дрозофил, у самок - гетерозигот приводит к увеличению максимальной продолжительности жизни на 25% , в сравнении с линией дикого типа. По-видимому, речь идет о новом гене долгожительства. 

Анализ мутантов дрозофил по супероксиддисмутазе и ферментам репарации ДНК при разных режимах освещения показал, что увеличение продолжительности жизни в темноте происходит за счет снижения выделения свободных радикалов и, как следствие, уменьшения повреждения ДНК. 

Так же, нами было показано, что облучение дрозофил малыми дозами радиации на ранних этапах развития организма способно продлевать их жизнь. Это происходит через селекцию - избирательную гибель клеток, неспособных справиться с повреждением (в дальнейшем они бы старели быстрее других). На их место в ткани приходят потомки клеток, оказавшихся более устойчивыми. 

Кроме того, мы показали, что малые дозы облучения активируют белок теплового шока (heat-shock proteins (Hsp70)) благодаря которому мухи более устойчивы к облучению большими дозами. Напротив, сверхмалые дозы облучения, как и большие, снижают продолжительность жизни.

В нашей группе разработан новый фармакологический подход к замедлению процессов старения модельных животных, который сейчас проходит тщательную экспериментальную проверку.
Недавно мы начали работать с мышами. Максимальная продолжительность жизни у мышей - 3 года. Соответственно, каких-то результатов можно ожидать года через два. Альтернативный подход - использовать биохимические маркеры старения. Мы можем взять разновозрастные группы мышей и посмотреть по маркерам возраста, что с ними происходит на молекулярном и клеточном уровнях. По динамике маркеров через полгода можно будет сказать: ожидать долгожительство или нет. 

-  Во сколько обходится такой эксперимент?

- Для эксперимента необходимы оборудование, реактивы, расходы на содержание животных. Стоимость одного миллиграмма реагента может достигать 600-800 долларов. 
Сегодня, чтобы начать смотреть активность генов - нам нужен миллион рублей. 

- Как финансируются подобные исследования? 

- Молекулярная биология, молекулярная генетика у нас в стране финансируются по остаточному принципу. В базовом финансировании вообще не заложены средства на реактивы и новое оборудование. Все покупается на небольшие грантовые деньги, достающиеся нам с огромным трудом.
На Западе другой подход к финансированию науки. Там государство и венчурные фонды считают необходимым выделять средства на фундаментальные исследования, особенно в нашей области. 
Главное, чтобы исследуемая проблема и пути ее решения были научно обоснованы. 

- В издательстве «Наука», вышла Ваша монография «Старение и гены». Это первое исследование на русском языке полностью посвященное генетике старения. Какие вопросы в ней актуализированы?

- Рассматривая эту тему, невозможно обойти фундаментальные эволюционные аспекты долгожительства: почему все мы различаемся по продолжительности жизни; от чего зависят ее видовые особенности; зачем это нужно с эволюционной точки зрения; какова в этом роль генов? Сейчас считается, что гены определяют продолжительность жизни человека на 30%, а все остальное зависит от социальной среды и физиологии. Но 30 % - это тоже немало. 

Целый раздел в книге посвящен многообразию генов долгожительства. Там я привожу классификацию «геронтогенов»; рассматриваю генетические механизмы регуляции продолжительности жизни. 
Кроме того, в работе подробно рассмотрены известные механизмы старения. На уровне клеток и тканей их три - возрастзависимая нестабильность генома, клеточное старение и апоптоз.

Одна из глав специально отведена для разбора влияния экологических факторов, таких как: тепловой шок; окислительные стрессы; влияние инфекций; облучение; световой режим. Думаю, мне впервые удалось обобщить всю имеющуюся, на сегодняшний день, информацию по этой тематике. 
В заключительной части книги рассмотрены взаимосвязь репродукции и старения с точки зрения генетика. 

- Кто из ученых был приглашен в качестве экспертов? 

- Доктор медицинских наук, профессор Владимир Анисимов, руководитель отдела канцерогенеза и онкогеронтологии НИИ онкологии им. Н.Н. Петрова, Президент Геронтологического общества РАН, выступил в качестве ответственного редактора монографии. 
Доктор медицинских наук, профессор Владислав Баранов - руководитель лаборатории пренатальной диагностики наследственных и врожденных болезней ГУ НИИ акушерства и гинекологии им. Д. О. Отта, главный специалист Санкт-Петербурга по генетике - в качестве рецензента. 

- К каким выводам Вы пришли, работая над монографией?

- В геронтологии были определенные парадигмы: свободно-радикальная гипотеза  (повреждение митохондрий и ядерной ДНК активными формами кислорода); гипотеза соматического мутагенеза (старение - результат накопления клетками тела мутаций с возрастом); катастрофы ошибок (ошибки при биосинтезе белков, необходимых для репликации, транскрипции и трансляции). 
Все они рассматривают лишь частные аспекты старения. Но возрастные изменения, происходящие с нами, воспроизводятся, с поправкой на биологический возраст, от индивидуума к индивидууму. Кто-то стареет быстрее, кто-то медленнее, но возрастные изменения есть у всех. Видимо, это происходит в силу более глубоких, регуляторных, эпигенетических сдвигов - изменения уровня метилирования ДНК и гистоновых белков и, как следствие - тканеспецифического изменения активности генов. 
Случайные повреждения действительно возникают постоянно, но у клетки и организма достаточно механизмов, чтобы с ними справляться. Поэтому, главной задачей является поиск способов повысить их эффективность восстановления от повреждений - научиться стимулировать активность генов стрессоустойчивости, а значит, и долгожительства. 

-  Расскажите об этом подробнее.

- Определенные гены, в силу случайных причин с возрастом теряют чувствительность к «регуляторам» и перестают активно функционировать. Например, очень активные гены, регуляторные области которых богаты GC-последовательностями. Эти последовательности наиболее восприимчивы к действию свободных радикалов и труднее всего восстанавливаются. 
Продукты других генов в свою очередь предпринимают активные попытки справиться с поломками и активируют следующие гены. Так возникает хронический стресс-ответ и генетическая дестабилизация, приводящая к клеточному старению, а иногда и к гибели клетки, то есть к апоптозу. 
В этом случае важно восстановить норму, пока не поздно. Соответственно, на каком-то этапе жизни можно попытаться влиять, например, фармакологически, на системы защиты и регуляции этих процессов. 

- От чего зависит продолжительность жизни? 

- Причина в полиморфизме - в многообразии вариантов одних и тех же генов. Набор вариантов генов, отвечающих за восстановление, у каждого из нас - индивидуален. Например, какой-то ген, отвечающий за восстановление поврежденных ДНК, белков, мембран может отличаться у нас на одну букву. Соответственно, у одного человека он может быть более активен, у другого - менее.
Поэтому мы справляемся с неполадками по-разному, наши реакции на одно и тоже - различаются. Отсюда и этот разброс в продолжительности жизни. 

- Что подразумевается под неполадками? 

- Клетка - универсальная элементарная единица всего живого. Ей присущи все свойства живых организмов: высокоупорядоченное строение, обмен веществ, рост, реакция на раздражения, развитие, размножение, хранение и передача генетической информации, регенерация, адаптация. 
Поломки ей тоже присущи. Мутации в ДНК, окисление белков под действием свободных радикалов, окисление клеточных мембран - происходят постоянно. Но в организме есть достаточно мощные системы, восстанавливающие его от повреждений. 
Важнейшая роль в этих процессах принадлежит белкам. Ферменты - биологические катализаторы, увеличивающие скорость химических реакций в клетке - являются белками. Есть ферменты, восстанавливающие ДНК и мембраны, убирающие поврежденные структуры клетки. Есть целый белковый комплекс, переваривающий поврежденные белки. Благодаря ему, на место поврежденных, приходят синтезированные заново. 
И есть гены, отвечающие за то, как мы справляемся с этими повреждениями в определенных условиях. Например, когда мы подвергаемся внешним неблагоприятным воздействиям: тепловому стрессу, действиям солнечного света, излучению, другим факторам, в организме запускаются механизмы, распознающие эти повреждения. А дальше сигнальные пути индуцируют восстановление клетки, приводят ее в нормальное состояние. 

- Одно время пытались возложить «вину» за старение на «гормон смерти», потом на гены старения. Так почему, все-таки, человек стареет? 

- До сих пор специализированных генов, отвечающих за старение, обнаружено не было. Думаю, их поиск - маргинальное направление. 

Но получить финансирование под научные исследования без определенного упрощения терминологии невозможно. Отсюда - «гены старения» или «геронтогены». Да, мутации в этих генах увеличивают жизнь, но лишь потому что, нормальные процессы, которые ими контролируются, косвенно влияют на скорость старения организма. 
Гены не программируют наше старение. Они программируют нашу жизнь. 

- Какие, на сегодняшний день, известны механизмы старения?

- Старение можно рассматривать на разных уровнях организации жизни. На молекулярно-клеточном уровне - это баланс между спонтанно возникающими повреждениями биоструктур и противодействующими им системами детоксификации и стрессоустойчивости. На тканевом уровне - клеточное старение и невосполнимая убыль поврежденных клеток. На системном уровне - гормональные и иммунные сдвиги, ведущие к возрастным патологиям. Роль генетической предрасположенности в этих явлениях является существенной и достигает 30%. 
Большое внимание сейчас уделяется репликативному старению клеток. 

Вот, Алексей Матвеевич Оловников отказался от своей «теломерной» теории старения в пользу «хрономерной» , предположив, что животные и человек обладают биохимическим устройством для измерения продолжительности жизни, и что, ключевую роль в этом устройстве играют короткие ДНК - хрономеры, находящиеся в гипоталамусе. 

...Но ведь, действительно, почему-то оказалось, что у человека, в отличие, даже от близких видов, например, приматов, не говоря уж о мышах, изначально очень короткие теломеры. Укорочение теломер в делящихся клетках играет определенную роль в клеточном старении человека. 

- Зачем это нужно с точки зрения эволюции? 

- Думаю, потому что, мы очень долго живем. Значит, риск заболеть раком, у нас, в сравнении с другими млекопитающими, выше. Короткие  теломеры  нужны на случай, если в клетке возникла мутация, приводящая к раку. Тогда теломера, укорачивающаяся с каждым делением клетки, выполняет роль противоопухолевого барьера. Быстро делящиеся предраковые клетки быстрее теряют теломеры и погибают. Но после 40 лет такой противораковый барьер начинает мешать необходимой регенерации тканей.

У мышки теломеры длинные, потому что ей такой барьер не нужен. Она быстро размножается. А что с ней станет после окончания репродуктивного периода, уже не важно. Лиса ли ее съест, или сова, - какая разница. В природе она долго все равно, не проживет. А в лабораторных условиях мы видим, что, спустя два года, у многих мышей возникает рак.
Другой механизм старения клетки - стресс-индуцированный. Это, когда под действием стрессов из окружающей среды (тепло, кислород) клетки, даже стволовые, стареют. Длинные теломеры, короткие теломеры - здесь уже без разницы. 

Когда стрессорные факторы действуют на организм постоянно - он начинает усиленно стареть. Такое напряжение снижает порог, отделяющий норму от патологии. В этом случае, встречаясь с новыми стрессами, организм все хуже им противостоит. И в конце концов не справляется. 
Академик Владимир Петрович Скулачев считает, что основной механизм старения организма - запуск клеточной гибели в ответ на действия свободных радикалов. 

Действительно, трудно не согласиться, если речь идет о гибели клеток в тех тканях, которые у человека практически не регенерируют: мозг, сердечная мышца.

Но, на мой взгляд, не менее страшна дестабилизация, подавляющая апоптоз. Например, в кишечнике, и не только, есть клетки теряющие с возрастом чувствительность к апоптозу. Это приводит к не менее плачевным последствиям - к возникновению рака, к аутоиммунным заболеваниям, например, к ревматоидному артриту. 

Клеточное старение страшно вовсе не апоптозом. Хуже, что стареющие клетки, в силу разрегулировки, начинают вырабатывать определенные белки, например, металлопротеиназы, которые разрушают межклеточный матрикс (коллаген) - ткань, в которой находятся. Кроме того, такие клетки могут бесконтрольно выделять ростовые факторы, стимулирующие соседние клетки делиться. И возникают опухоли. Как известно, 70 % всех опухолей возникает после 40-50 лет. 

- А зачем эволюции нужен рак?

- Скорее всего, он и не нужен, но является результатом старения клетки, нарушения тех процессов восстановления, о которых мы говорили. 
Когда клетка в норме и на своем месте, она чутко реагирует на окружение, регулирующее ее поведение. 
Попадая в неродственную среду, клетка не получает нужного ростового фактора и переходит к апоптозу - самоликвидируется. 
Раковая клетка ведет себя иначе. Став злокачественной, она начинает бесконтрольно делиться и перемещаться, куда ей вздумается. Так появляются опухоли и метастазы. 

- У раковой клетки еще остались загадки для ученых?

- Конечно. Считается, что здоровую клетку от превращения в злокачественную отделяют 5 -7 степеней защиты.
Пятидесяти клеточных делений, заложенных в геноме человека, никак не должно хватить, чтобы прорвать эту защиту. Даже, если предположить, что от мамы - папы, случайно, достались мутации каких-то генов, все равно, раковые клетки появляться так быстро: для этого нужна тысяча циклов деления.
Поэтому, проблема здесь не только в мутациях, а в эпигенетических изменениях, которые могут ускорить процесс перерождения клетки. 

- Можно ли противостоять факторам, ускоряющим старение? 

- На VI Европейском конгрессе Международной ассоциации геронтологии и гериатрии (МАГГ), проходившим прошлым летом в Санкт-Петербурге, главный редактор журнала «Biogerontology», профессор Суреш Раттан (Suresh Rattan) из Дании, предположил, что можно противостоять темпам старения тренировкой организма малыми стрессами. 

- Если организм получает умеренные стрессы - его системы лучше справляются со случайными повреждениями?

- Да. Я разработал функциональную классификацию «геронтогенов», выделив шесть групп. Самые важные из них - это гены - «регуляторы». В зависимости от качества внешней среды, они переключают организм либо на устойчивость к стрессам, либо на альтернативные процессы - рост и размножение. 
«Регуляторы» управляют генами - «медиаторами», которые решают, какие гены « включить» для восстановления от поломок в определенный момент. 

Тренировка малыми стрессами повышает уровень активности генов - «эффекторов». С помощью теплового шока можно тренировать белки, нормализующие структуру клетки. При повышении концентрации кислорода тренируется выработка антиокислительных ферментов. Если использовать малые дозы радиации или ультрафиолет, будут тренироваться белки, отвечающий за восстановление ДНК. Но работать гены - «эффекторы» должны коммулятивно, все вместе . 

Поэтому нельзя сказать, что только антиоксидантная система обеспечит долгожительство, или гены теплового шока, или гены репарации. Это лишь отдельные составные части механизмов защиты организма. 
Регулировать эти процессы в комплексе можно лишь на уровне генов- «медиаторов» , и есть идеи, как это делать фармакологически. 

- Они «включают» сразу несколько генов?

- «Медиаторы» включают кластеры - объединения генов, отвечающие за восстановление. Тогда активируется блок генов, в который входят и белки антиаксидантной защиты, и белки теплового шока, и белки репарации ДНК. Если найти фармацевтический подход к регуляции на уровне геных «медиаторов», можно будет устранить проблему в целом, а не только отдельные симптомы. 

Конечно, было бы очень заманчиво поэкспериментировать на уровне генов -»регуляторов». Ведь именно они регулируют физиологическое состояние организма. Но воздействие на этот уровень может привести к самым неожиданным результатам. 

Сейчас мы ищем способы воздействия на «медиаторы» с помощью малых доз определенных химических реагентов. Наша задача: посмотреть, как будет меняться продолжительности жизни модельных объектов. Продолжительность жизни, увеличенная на 5%, никого не устроит. 
Но если эффект окажется значительным, тогда можно думать, в каких дозах, на каких стадиях развития лучше это делать, и как уменьшить токсичность. 

- Насколько Вашей группе удавалось продлить жизнь модельным объектам? 

- В нашей группе максимально увеличивали продолжительность жизни дрозофиле генетическими методами на 25 %. Это уже хороший эффект. Но, увеличив продолжительность жизни, очень важно посмотреть ее качество. 

Если модельные животные будут менее активны, менее плодовиты, если у них функциональные показатели будут ниже нормы - тогда зачем такая жизнь? 

- На Ваш взгляд, возможно ли «улучшить» заложенную в генах программу продолжительности жизни? 

- Мы предполагаем, что можно сделать организм человека более устойчивым к внутренним поломкам. 
Этого можно добиться двумя способами: либо, при помощи тренировки умеренными стрессами. Либо, с помощью фармакологической регуляции генов - «медиаторов» долголетия. 
Но это - перспектива. 
Вот этим мы сейчас и занимаемся.