«Старение — это более сложный процесс, чем сама жизнь!»

Противоречивые сигналы

Первым с лекцией о воспалительных процессах и гомеостазе (в организме так называют поддержание постоянных условий внутренней среды) выступил Руслан Меджитов, профессор Школы медицины Йельского университета. Ученый попросил слушателей представить состояние гомеостаза как шарик внутри параболической «ямки» нормы. Когда какие-то факторы пытаются вывести систему из равновесия, то под действием регулирующих сил гомеостаз будет «скатываться» обратно — как шарик под действием гравитации. Но слишком сильный разгон шарика (даже ради его стабилизации «на дне») приведет к тому, что тот вывалится за пределы кривой и система уже не сможет вернуться в нормальное состояние. «Так и с воспалительным ответом: он нужен для того, чтобы восстановить равновесие. Но при сильной патологии он только толкнет систему дальше от нормы или приведет к ее стабилизации в состоянии хронической патологии», — отметил биолог.

Воспаление может развиться в ответ на аллергены и яды, поражение тканей, стрессовые для организма условия (факторы окружающей среды, нездоровый образ жизни) и, конечно, инфекцию. Во всех этих случаях такая реакция эволюционно и физиологически имеет смысл (кроме, разве что, воспаления в ответ на неблагоприятные условия): она защищает организм, избавляясь от вредных веществ, воздействий или «завоевателей», восстанавливает повреждения. Но стоит переборщить — и начинаются проблемы: из-за чрезмерной враждебности к незнакомым (пусть и безобидным) чужеродным веществам появляется аллергия, непримиримая борьба с инфекциями доводит до аутоиммунных реакций и даже сепсиса, патология заживления тканей влечет за собой фиброз и рак.

Меджитов рассказал о четырех компонентах процесса: то, что вызывает, то, что засекает, регулятор воспалительного ответа и то, что действует. «Для воспаления эти компоненты не уникальны. Даже в термостате принцип работы такой же: есть сенсоры и то, что меняет значение переменной. Концентрация глюкозы в крови, другие процессы гомеостаза тоже так регулируются, все это системы управления», — привел примеры Меджитов. Ученый предложил смотреть на гомеостаз одновременно с перспективы динамических систем и системы управления. В любой управляемой системе есть количественный параметр, а также процессы, которые его увеличивают и уменьшают. В динамической системе множество элементов меняют свое положение в зависимости от времени, и все целое принимает одно из допустимых состояний. Некоторые сигналы, которые не связаны с параметром, могут приходить извне. Известно также, что если две команды противоречат друг другу, то «зеленый свет» воспалению будет в приоритете. Есть у нас и механизмы негативной обратной связи, когда система будет активно сопротивляться изменению параметров среды. Некоторые компоненты на значение переменных не влияют, но помогают адаптироваться к новым значениям.

Голодная жизнь и сытая смерть

«Это приводит к очень разнообразным вариациям в биологии. При воспалительной реакции сенсоры производят цитокины, но они действуют и на компоненты системы, которые в защите прямой роли не играют. Это нужно для адаптации системы. Существование двух типов эффектов (устранение патогенов и адаптация к ним), приводит к разным стратегиям защиты — сопротивление или привыкание (resistance vs tolerance). Например, наш организм толерантен к огромному количеству бактерий в кишечнике и на коже, но при болезни будет с микроорганизмами бороться», — пояснил ученый. С чрезмерным воспалительным ответом происходит то же самое: организм снижает его силу или адаптируется. Однако для больного второе означает, что процесс может перейти в хроническую форму и доставить немало проблем.

Здесь работает несколько курьезная биология выживания: с эволюционной точки зрения система стабильна при превышении выгоды над затратами. То, что для пациента или доктора выглядит как болезнь, на поверку оказывается стабильной системой, но с гигантскими затратами. Поведение нездоровых животных отклоняется от нормы: возникают потеря аппетита, необщительность, усталость и летаргия, нежелание ухаживать за собой, подавление либидо. Но, как ни парадоксально, ценой этих страданий может быть куплена жизнь.

Изучая эти особенности, Меджитов обнаружил, что мыши с сепсисом переставали есть, чтобы выжить, но погибали, если кормить их насильно (в том числе просто от введения глюкозы). Это происходило даже при «стерильном» воспалении, экспериментально вызванном полисахаридами бактерий. «Когда мыши не ели, они меняли метаболизм: поглощали жиры и производили кетоновые кислоты. Это необходимо при сепсисе от липополисахаридов, — сообщил Меджитов. — За 30 секунд до смерти у мышей были конвульсии — это может быть объяснением, почему при некоторых заболеваниях можно снизить риск конвульсий кетогенными диетами. Также мы установили, что вальпоровая кислота приводит к выживанию».

«Вирусы заражают все»

Поговорили на секции не только о реакциях на заражение, но и о самих инфекционных агентах — вторую лекцию посвятили самым вездесущим из них. Мир вирусов населен удивительными существами (или объектами — в зависимости от того, считать ли живыми эти порции наследственного материала в симметричной белковой коробочке-капсиде). «На Земле в 10 миллионов раз больше вирусных частиц, чем звезд в наблюдаемой Вселенной: если бактерий на Земле 5*10³⁰, то вирусов — 10³¹. Во всех местообитаниях в 10–100 раз больше вирусов на каждую клетку. Вирусы заражают все, и они удивительно разнообразны», — начал Евгений Кунин, ведущий научный сотрудник Национальной медицинской библиотеки при Национальных институтах здравоохранения США. У всех организмов одна и та же схема репликации (воспроизводства) генетического материала. Но у одних только вирусов существует сразу несколько способов, которыми не пользуется больше никто. РНК или ДНК, одноцепочечные или двуцепочечные, да еще и в разных полярностях — все формы нуклеиновых кислот у них стали генетическим материалом. Только один из классов вирусов по Балтимору (в зависимости от типа наследственного материала) практикует репликацию, как у всех нормальных людей.

Знание, откуда взялись вирусы и как они стали такими необычными, вывело бы науку на новый уровень понимания эволюции и происхождения жизни. Трем предполагаемым схемам происхождения вирусов около 100 лет. Вирусы могли бы быть первыми генетическими системами в природе, появившимися из самовоспроизводящихся элементов-репликонов. Возможно, на них были опробованы все варианты генетических циклов, а затем победил (и достался нам) самый надежный и эффективный, который позволяет создавать более сложные организмы. Вторая группа гипотез — ранние идеи, где вирусы представлялись редуцированными клетками (regression). Действительно, перейдя к паразитическому образу жизни, организмы нередко отбрасывают необходимые для существования на свободе функции как ненужный балласт, чтобы не тратить на них ресурсы. Наконец, третья группа гипотез гласит, что вирусы — это «взбесившиеся» сбежавшие гены, которые обрели автономию. «Все это может представляться пустой спекуляцией, проверить которую нет никакой возможности. И в первые десятилетия так и было», — отмечает Кунин.

Понять, кто здесь прав, очень непросто (если вообще возможно решить этот вопрос окончательно). В отличие от клеточных организмов, которые точно имеют общее происхождение и у которых сохранились гены, принадлежавшие их общему предку, у вирусов за схожими процессами не нашлось древних гомологичных генов, по которым удалось бы построить однозначное родственное древо. Хотя вирусы не имеют универсальных генов, у них есть консервативные гены, которые встречаются очень широко и кодируют основные белки, нужные для репликации или постройки симметричных оболочек-капсидов. Попытка Кунина и его коллег разобраться в этой теме привела их к необычным выводам. По данным ученых, самые разные полимеразы происходят из одного и того же типа доменов и могут иметь доклеточное происхождение. А вот «родственники» генов, кодирующих белки капсида, нашлись в клетках. Возможно, вирусы украли «хозяйские» гены. Эти данные — аргумент в пользу «химерного» сценария происхождения вируса, согласно которому доклеточная репликативная машина объединилась со «взбесившимися генами».

«Коронавирус отличается от гриппа больше, чем мы от бактерий»

Любопытно, что представители разных классов вирусов по Балтимору по-разному выбирают хозяев: у бактерий и архей доминируют вирусы с двуцепочечной ДНК, на животных и растения чаще нападают РНК-вирусы. Но старыми методами все разнообразие организмов (и населяющих их вирусов) изучить невозможно: среди известных нам бактерий и архей один из тысяч штаммов способен расти в культуре. Решением этой проблемы стали подходы метавиромики и метагеномики в целом, которые привели к «тектоническому сдвигу в понимании эволюции вирусов». Эти методы позволяют выделить генетический материал из образцов окружающей среды, читать генетические последовательности и узнавать о новых объектах, ни разу не увидев их «вживую». «Этот сдвиг в науке признан официально. Сегодня можно регистрировать новые семейства, группы вирусов, секвенированных только метагеномикой. Больше половины последовательностей РНК-вирусов сегодня известны по метавиромике», — подчеркнул Кунин.

Благодаря изучению консервативного гена РНК-зависимой РНК-полимеразы удалось построить древо для РНК-вирусов. Как отметил вирусолог, связи в нем выглядят довольно необычно: «Родственники SARS-CoV-2 — простые РНК-вирусы, поражающие растения. Вирусы гриппа и лихорадки Эбола тоже имеют негативную полярность, и симптомы заболевания могут напоминать COVID-19. Но они находятся вообще на разных континентах мира вирусов и больше отличаются друг от друга, чем мы от бактерий. Интересно то, что коронавирусы имеют одни из самых больших и сложных РНК-геномов: их размер достигает 30–40 тысяч нуклеотидов». Предковыми ветвями оказались вирусы с одноцепочечной РНК с положительной полярностью. Из них возникли и двунитевые, из двунитевых — РНК-вирусы с негативной полярностью. «Мы проанализировали один образец воды из устья Янцзы и в результате удвоили разнообразие известных РНК-вирусов. Было известно около 5000 последовательностей, стало 10 000. И большая часть этого разнообразия в выделенные нами группы в принципе попадают», — заявил Кунин.

ДНК-вирусы, которые недавно объединили в империю Duplodnaviria, тоже приготовили исследователям немало сюрпризов. Самой большой ее частью оказались представители с привычным нам двуцепочечным ДНК-геномом. У них общих консервативных генов не нашлось, но сети общих генов позволили выделить две огромные группы родственников: к первой относятся бактериофаги с «хвостами» и родственники герпеса, ко второй — бактериофаги без «хвостов» и вирусы-гиганты, нападающие на эукариот (как оспа или мимивирус). Споры вокруг происхождения гигантских вирусов, кажется, разрешены не в пользу редуцированных клеток: родословная огромных вирусов прослеживается до более мелких предков, приобретая гены от хозяина. Ну а маленькие вирусы с одноцепочечными ДНК-геномами, судя по всему, несколько раз происходили из реплицирующихся агентов-плазмид — одноцепочечных кольцевых ДНК.

К настоящему моменту ученым удалось получить четкую и не слишком сложную мегатаксономию вирусного мира с четырьмя империями, каждая из которых включает отдельные царства и типы. Такое предложение исследователей было официально принято Международным комитетом по таксономии вирусов, и более свежие находки в эту схему вписываются. Но перипетий в эволюционной истории этих созданий осталось очень много — изучать и изучать. Эта информация, конечно, помогает не только ответить на экзистенциальные вопросы, но и искать новые способы борьбы с инфекциями и использования вирусов для своих целей.

Победить то, не знаю что

Однако жизни и здоровью человека угрожает не только опасность извне: как рассказал Вадим Гладышев, профессор медицины Гарвардской медицинской школы, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В. Ломоносова, нередко основным фактором риска смерти (и неинфекционных болезней тоже) становится возраст. Столетиями человечество бьется над тем, чтобы победить старение, однако до сих пор нет даже общего мнения, что это такое. «В прошлом году мы проводили дебаты с Обри Де Греем в Берлине на эту тему. А когда на конференции геронтологов в Канаде 35 профессионалов в конце опросили, все дали разные определения», — вспомнил Гладышев.

Нельзя пожаловаться на недостаток попыток объяснить этот механизм. Так, идея о программируемом старении Вейсмана (родом из XIX века) гласит, что старение изначально заложено где-то в организме, возможно, закодировано в генах. «Но нет такой ситуации, чтобы обладатели какой-то мутации вдруг перестали стареть, — отмечает Гладышев. Согласно эволюционным теориям Медавара и Вильямса, в организме происходит накопление мутаций и антагонистическая плейотропия. Сначала гены хорошо себя ведут, потом накапливаются повреждения. Но сколько таких генов, как велика их роль? Никто не знает». По Харману, старение случается из-за свободных радикалов, этот подход не учитывает всех других причин повреждений. Лесли Оргел считал причиной транскрипционные и трансляционные ошибки при многократном копировании генов в процессе деления клеток. Но опять же — почему они важнее остальных ошибок? Список можно продолжать. Сам лектор определил старение как накопление вредных изменений. «Во время реакций внутри организма фермент переводит субстрат в продукт, но есть ненулевая вероятность, что фермент будет и побочный продукт создавать (повреждение). Оно не случайно, и его можно назвать запрограммированным, но цели оно не имеет». Главной проблемой различных подходов к изучению старения пока остается односторонность. Нет основного повреждения, основного гена, который можно было бы отключить, чтобы радоваться вечной жизни: в старении участвует весь организм. Пресловутые теломеры — один маленький элемент, и их удлинения недостаточно: нужно изучать все элементы вместе.

Таким образом, отключить процесс насовсем, скорее всего, не выйдет. Но, с точки зрения Гладышева, необязательно удалять все повреждения из клетки: можно их просто разбавлять. «Это должна была быть ключевая стратегия для всей жизни с ее начала. Но тогда старение — это более сложный процесс, чем сама жизнь! Если разбавление невозможно, когда есть невозобновляемые клетки, то старение неизбежно. Но его можно замедлить, омолодить клетки или структуры», — считает ученый. Гладышев и его коллеги исследовали генетические изменения, происходящие в раковых клетках, в качестве модели старения, и выяснили несколько интересных особенностей. Например, если опухоль возникла у ребенка, то у нее было меньше возможностей накопить мутации, у старика — больше времени. При этом скорость накопления у разных раков разная. Каждые восемь лет происходит удвоение вероятности смертности (от зависимости уходят раки репродуктивных органов, так как эти функции организм теряет быстрее других). Разница наблюдалась и между представителями разного пола — и это соответствует тому, что мужчины живут меньше и стареют быстрее.

«Нет ни одной известной интервенции, которая увеличивает продолжительность жизни»

Важно понимать и то, что мутации не только накапливаются с возрастом, но и присутствуют у исходного организма. Для некоторых ультраредких мутаций они могут быть ассоциированы с продолжительностью жизни или здоровой жизни. Также ученые обнаружили связь с возрастом смерти матери (но не отца — хотя отцы могли умереть раньше из-за рискованного поведения или войн, а не по естественным причинам). «У каждого человека вредных мутаций в среднем изначально около шести. Даже если следить на протяжении десяти лет, обладатели дополнительных мутаций умирают быстрее. Каждая подобная мутация в среднем укорачивает жизнь на шесть месяцев. Итак, некоторые приводят к долгой жизни, другие наоборот. В будущем редактирование генома могло бы изменить ситуацию», — предположил Гладышев.

На других организмах возможны и более многообещающие исследования. Но животные используют разные стратегии, и далеко не все они в принципе применимы на человеке. Работа на 33 видах млекопитающих показала, что у «долгожителей» некоторые гены центрального метаболизма в печени сильно подавлены (в почках — меньше, в мозге их работа не меняется). Некоторые исследования на животных выявляют связь продолжительности жизни и питания. В одном из них дрожжи, растущие на среде с добавлением «молодых» дрожжей, жили дольше дрожжей, растущих на среде с добавлением старых. В другом мыши, которым в корм добавляли мясо старого оленя, жили дольше тех, кто ел молодого.

На людях, увы, не все так просто, и подобные закономерности не доказаны. Пока не удалось найти вещество, которое сразу бы меняло все эти показатели в разных органах «как надо» (если предположить, что мы знаем, как надо). Нокаут рецептора гормона роста, еда через день, метформин, рапамицин, ограничение метионина и даже гипоксия — все эти и другие интервенции продолжают изучаться, но дальше модельных организмов успехи не идут. «Для человека нет ни одной известной интервенции, которая увеличивает продолжительность жизни. Мы только знаем, как ее сократить», — резюмировал Гладышев. Однако новые подходы уже позволяют количественно оценивать старение. Возможно, они укажут исследователям направление, в котором стоит двигаться.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.