Пружины тикающих часов организма
Возможно ли управляемое вмешательство в процессы клеточного старения
Алексей Оловников: «Ход пожизненных часов организма есть причина его возрастных изменений, а развитие, созревание и старение есть следствие». Фото с сайта www.eigapharma.blogspot.ru
В начале 60-х годов прошлого века американский биолог Леонард Хейфлик открыл, что деление клеток живого организма может происходить лишь определенное количество раз. Во время экспериментов он обнаружил, что даже в самых благоприятных условиях выделенные из организма клетки делились лишь 50-55 раз, а затем погибали. Впоследствии этот клеточный предел делений был назван в честь первооткрывателя лимитом Хейфлика. Целых 10 лет после этого революционного открытия мировое научное сообщество пребывало в недоумении, не зная, как объяснить данный феномен. И так продолжалось до тех пор, пока этим вопросом не занялся один из самых выдающихся биологов-теоретиков Алексей Оловников.
Молодой ученый-биолог из Института эпидемиологии и микробиологии имени Гамалеи Алексей Оловников выдвинул смелую гипотезу, что фермент ДНК-полимераза, с помощью которой снимается копия с ДНК перед делением клетки, подобно поезду, движется по спирали ДНК и при каждом делении не может копировать небольшую часть концевого участка хромосомы. Этот концевой участок, открытый еще в конце 30-х годов, получил название «теломера» (в переводе с греческого «концевая часть»). Оловников связал наличие этих самых теломер с лимитом клеточных делений и первым в мире прямо заявил, что именно они укорачиваются при каждом делении клетки. Оловников логично предположил, что в таком случае для защиты половых клеток должен существовать какой-то особый механизм, компенсирующий длину ДНК, который пока не обнаружен и не известен науке.
В 1985 году его предположение полностью подтвердилось. В США Кэрол Грейдер и Элизабет Блэкберн сумели выявить у равноресничной инфузории Tetrahymena thermophila фермент, защищавший хромосомы от укорачивания. Он получил название теломераза, и обе исследовательницы вполне справедливо получили за это открытие Нобелевскую премию.
Но и это еще не все. Алексей Оловников первым объяснил секрет бесконечного деления раковых клеток, связанный, как оказалось, все с той же теломеразой. Современные исследования в этом направлении подтвердили, что большинство опухолевых клеток характеризуется высокой активностью теломеразы.
В 2003 году Оловников выдвигает новую, еще более революционную редусомную теорию, согласно которой старение организма связано напрямую с укорочением не теломер, как считалось до этого, а акромер - концевых участков еще не обнаруженных молекул ДНК. Эти загадочные, неизвестные пока науке молекулы ДНК Оловников назвал «редумеры» (от слова «редуцировать», то есть уменьшать). Редумеры подразделяются на два вида. Первые - это принтомеры, которые работают в делящихся клетках и активно участвуют в начальном развитии организма. И второй вид - хрономеры. Именно хрономеры, предположительное место нахождения которых - отдел мозга под названием «гипоталамус», и являются тем самым загадочным «счетчиком», который отсчитывает каждому из нас количество прожитых дней.
Некоторые вопросы теломерной и редусомной теорий в беседе с журналистом Алексеем РЖЕШЕВСКИМ комментирует научный сотрудник Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН Алексей ОЛОВНИКОВ.
- Алексей Матвеевич, интересно было узнать о вашей первой встрече с Леонардом Хейфликом в Киеве на Геронтологическом конгрессе в 1972 году. Встречались ли вы с ним потом, когда уже появились первые экспериментальные подтверждения вашей гипотезы?
- Да, в Америке. И мы с ним иногда переписываемся. Хейфлик даже как-то написал статью в Science в защиту истины против журналиста, исказившего историю изучения концевой недорепликации ДНК.
- Ваша статья, объяснявшая причины лимита клеточных делений, вышла в Journal Theoretical Biology в 1973 году. Почему понадобилось почти три десятилетия, чтобы экспериментально подтвердились ваши предположения? Коллеги-биологи не сразу восприняли всерьез вашу теорию, думали, что это - нереальные фантазии?
- Именно так. Лучшее, что я слышал, - «всем же известно, что геном неизменяем, как же в нем может что-то укорачиваться?» Другие высказывания повторять не берусь. Вместе с этим были и объективные трудности. Многие подходящие экспериментальные методы появились позже.
- Все ли ваши теоретические предположения по концевой недорепликации ДНК получили экспериментальное подтверждение?
- Основное подтвердилось: 1) укорочение концов хромосом по мере клеточных удвоений; 2) существование особой компенсирующей этот процесс ДНК-полимеразы (которую потом в литературе назвали теломеразой); 3) присутствие этой новой полимеразы и в половых клетках, и в раковых; 4) и заодно там было еще и объяснение, почему же у бактерий геном кольцевой - чтобы не было уязвимых для маргинотомии (как я называл концевую недорепликацию линейной молекулы ДНК) свободных концов ДНК. Все это ключевое, и все это подтвердилось.
- В конце 90-х годов в западной прессе много шума наделали статьи, рассказывавшие о работах американских биологов В. Райта и Д. Шейя, которым вроде бы удалось преодолеть лимит Хейфлика в культуре клеток, увеличив в них активность теломеразы. Тогда считалось, что это прорыв в борьбе со старением клеток…
- Не только им. Еще и Вазири, иранец, переехавший работать в США, он, как и они, ввел тогда в клетки ген, кодирующий теломеразную активность и иммортализовал (то есть сделал долгоживущими. - А.Р.) клетки соединительной ткани, фибробласты. Сейчас это рутинная операция, которую может сделать хороший студент.
- Как вам видятся перспективы работ с теломеразой? Возможно ли в ближайшем будущем успешно бороться со старением и опухолями, научившись управлять ее активностью?
- Управляемая активация теломеразы может быть очень интересна как доступное вмешательство в процессы клеточного старения. Что касается опухолей, то давно разрабатываются ингибиторы теломеразы как противораковое средство. Пока это дело, к сожалению, не завершилось общепризнанным успехом.
- Складывается впечатление, что теломеры - очень чувствительные маркеры любых угрожающих организму процессов…
- Это так и есть.
- Они подвергаются негативному воздействию и свободных радикалов, и стресса, и разных факторов, связанных с сердечно-сосудистыми и инфекционными патологиями. Можно ли считать теломеры главными «хранителями генома», призванными прерывать человеческую жизнь во избежание генетических поломок, то есть совместить их чувствительность к повреждениям с теорией запрограммированного самоуничтожения организма, феноптозом?
- Прерывать человеческую жизнь во избежание генетических поломок? Оборвать жизнь, чтобы было все хорошо? Это звучит как черный юмор. Вы, наверно, хотели сказать - оборвать жизнь отдельной клетки ради спасения жизни человека. Так - да, но не иначе.
Что же касается программы запрограммированного самоуничтожения, есть программа развития, и для нее существуют особые пожизненные часы. Старение - следствие неостанавливающейся - после уже достигнутого физиологического созревания организма - работы этих самых часов. А вовсе не следствие некой отдельной самостоятельной программы самоуничтожения организма, у меня такое мнение. Ход пожизненных часов организма есть причина его возрастных изменений, а развитие, созревание и старение есть следствие. Следствие не нуждается в отдельной программе.
 |
| Самое уязвимое место ДНК - концевые участки. Фото Dreamstime |
- Создав основательную теломерную теорию, вы неожиданно для всех вдруг решили отказаться от нее и выдвинули новую, еще более революционную гипотезу. Почему теломеры не могут быть ключевым звеном в процессе старения?
- Самое наглядное пояснение дает вот что: мыши дикие и лабораторные живут примерно один срок, около двух лет. Один год живут особые, усиленно стареющие японские мыши, а долгоживущие линии лабораторных мышей - примерно два с половиной года. Между тем у лабораторных мышей длина теломер примерно в 10 раз больше, чем у диких мышей. Это подсказывает, что вовсе не теломеры, как таковые, определяют средний срок жизни. В то же время исследования теломер и связанных с этим вопросов сильно продвинули клеточную биологию и продолжают приносить плоды.
- Готовясь к нашей беседе, я нашел статью под названием Telomere-dependent senescence, написанную в 1999 году большой группой очень авторитетных американских и европейских ученых-биологов, всего 23 человека. Эта статья как бы подводила итоги тридцатилетнего изучения теломер. Вы также принимали в качестве соавтора участие в этой большой работе. Как вы со своими коллегами объединились в такую большую группу? Ведь это редкий случай коллективного творчества?
- Ну, это было не совсем коллективное творчество, а скорее краткий коллективный ответ, в котором меня попросили принять участие, тем людям, кто тогда необоснованно игнорировал роль теломерной биологии.
- Из ваших работ известно, что проблему концевой недорепликации ДНК вы смогли решить после того, как увидели в метро прибывающий поезд и сравнили ДНК-полимеразу с таким поездом, которая как по рельсам движется по двойной спирали ДНК. Было ли что-нибудь подобное, какое-нибудь озарение в случае с вашей редусомной теорией?
- Нет, там просто хрустела логика.
- Как восприняли ваши коллеги редусомную теорию? Ведь вы в ней повели широкомасштабное «наступление» на устоявшиеся взгляды: не только объясняете механизмы старения, но и то, как организм развивается в самом начале.
- Некоторые не верят, другие не знают, третьи ждут, что получится.
- Можно ли объяснить в свете редусомной теории две самые популярные гипотезы старения - свободно-радикальную и митохондриальную?
- Во-первых, это не две разные гипотезы, а одна, поскольку митохондрии и есть основные производители свободных радикалов. Во-вторых, не самые, поскольку делят популярность с теломерной гипотезой, которая тоже далеко не все объясняет. Что касается редусомной гипотезы, то она приписывает старение делящихся клеток укорочению редумер - они уменьшаются параллельно с укорочением теломер. Укорочение же самих теломер - это просто невинный свидетель укорочения редумерной ДНК.
Однако даже укорочением редумер, которое объясняет старение именно многократно делящихся нестволовых клеток, нельзя полностью истолковать старение всего организма. Каждая гипотеза, как и каждый механизм, всегда отвечает только за свою «нишу». Не все клетки в стареющем организме исчерпывают свой лимит удвоений. А нейроны - те вообще в подавляющей своей массе не делятся в зрелом организме. Но организм тем не менее все же стареет. Нельзя все сводить к одной простой схеме. Организм - это вселенная, а не лукошко с редумерами и митохондриями.
Поэтому на уровне делящихся клеток ответ на вопрос о радикалах и редумерах выглядит примерно так. Падение активности укорачивающихся редумер ведет к дисбалансу в работе зависящих от них ядерных генов. Возникающий при этом ядерный дисбаланс ведет, в свою очередь, к расстройству в функционировании митохондрий (поскольку большинство белков для этих «энергетических фабрик» клетки производится под контролем именно ядерных, а не митохондриальных генов). В свой черед возникающая разбалансировка активности митохондрий чревата избыточностью выработки свободных радикалов, способных крушить клеточные структуры.
О буйстве свободных радикалов написано немало - в популярном виде, например, в недавней книжке биоэнергетиков «Жизнь без старости». То есть потеря митохондрией контроля над оптимальным производством биохимически нужных свободных радикалов есть следствие потери управления на более высоком уровне. Для делящихся клеток таким уровнем является редусомный. Еще более высокий уровень регуляции для всех клеток - делящихся и неделящихся - это уровень общеорганизменных часов, контролирующих течение биологического времени и определяющих физиологический (не паспортный!) возраст организма.
- Сегодня известно, что низкокалорийная диета и мягкие стрессы могут способствовать продлению жизни. Можно ли с точки зрения редусомной теории объяснить этот феномен?
- И то и другое - вне прямого контроля со стороны редумерного механизма. Мягкий клеточный стресс просто тренирует клетку. А вот сильное, до полутора раз, увеличение продолжительности жизни пока дает только низкокалорийная диета. Полноценная по белку и прочему, но ограниченная по калориям. Она известна для грызунов и мух с начала минувшего века. На обезьянах она пока дала несколько противоречивые результаты, а в применении к человеку, к сожалению, настолько строга, что лимитирует повседневную деятельность. Механизм ее действия выясняется только теперь и весьма постепенно.
Оказалось, что в центре событий - подавление секреции инсулина в мозге и что параллельно этому происходит полезная клеткам аутофагия поврежденных белков, то есть очистка клеток от балласта. Инсулин, лептин и ряд других гормонов, несомненно, сопряжены с работой пожизненно тикающих часов организма. Именно эти часы контролируют для организма ход его эндогенного биологического времени. Их не надо путать с часами, определяющими суточную активность организма. Об этих часах я написал пару американских статей, предсказав, что их тиканье сопряжено с периодически меняющимся (каждый лунный месяц) гравитационным воздействием на нас со стороны Луны.
- В своей теории вы предположили, что выброс гормонов эпифизом, после которого начинается биохимический каскад, ведущий каждый раз к укорочению хрономер, связан с нашим спутником, Луной. Каким образом, эпифиз может реагировать на новолуние? Что его побуждает к усиленному выбросу гормонов?
- В роли грависенсора, или, как я его назвал - лунасенсора, выступает шишковидная железа мозга, несущая в себе микропесчинки. Песчинки эти, к слову, известны уже 400 лет и всегда оставались загадкой. Я нашел им место в пейсмекерной (от англ. pacemaker, то есть задающий темп. - А.Р.) части пожизненных часов организма. Периодически смещаясь относительно клеточных структур эпифиза мозга, они участвуют в генерации периодически повторяющихся изменений активности определенных клеток мозга и вместе с ними обеспечивают ритмический ход этих часов организма, контролирующих сначала его развитие и созревание, а затем, продолжая тикать, увы, влекут в пучину старения.
- Разобравшись со старением, вы круто поменяли направление и вплотную занялись противоположными старению явлениями - эволюцией организмов. Ваша совсем новая теория, являющаяся альтернативой теории Дарвина, касается именно этих вопросов. Почему вы решили после старения заняться эволюцией?
- Со старением пока никто не разобрался. Старение - это все еще не взятая наукой крепость неприятеля. Удалось пока только сделать пробоины в крепостной стене.
Недавно сооснователь фирмы Google Ларри Пейдж выделил 100 миллионов долларов для исследовательской организации Calico - с тем, чтобы они осуществили вековую мечту человечества. Увы, они уже, как пишут, пошли по традиционному пути - определять гены у столетних. Идти надо иначе - надо исследовать работу пожизненных часов организма. Не сомневаюсь, что эти часы есть в каждом из нас, и над деталями их устройства следует работать не только теоретически. Нужен соответствующий, возможно, даже международный институт на эту тему.
Я обращался к некоторым нашим олигархам, не вняли. Тут нужен не столько бизнесмен, сколько меценат. У пост-бизнесменов, то есть у меценатов, думаю, и приоритеты иные. Но с меценатами я не знаком. А без соответствующего экспериментального института биологии старения, где проверялись бы новые идеи в таком ключе, мои дальнейшие усилия в этой области кажутся мне напрасными. Это одна из причин обращения к новой области науки.
- В каком направлении, вы полагаете, будут развиваться научные исследования в поисках эффективного «эликсира молодости», лекарств против возрастных болезней?
- В каком направлении пойдут - не ведаю. Знаю только, в каком направлении они должны развиваться, чтобы принести настоящий успех. Придет он только на пути расшифровки деталей устройства пожизненных часов организма, тех часов, которые «тикают» в каждом из нас.