Азбука долгожителя
И как вам такое? Странно, что такой зверь вообще умирает. А может и не умирает вовсе? И не хочется ли тут сразу все бросить и бежать изучать только этого дивного и зверька? Фактически единственного. Да, для создания интереса к животному именно как модели для изучения старения подчеркивают удивительные свойства этого вида. Об этом тоже можно говорить долго, но только если не видеть, что природа создает и не такие удивительные конструкции.
Теперь поговорим об уникальности долголетия этого животного. На основании чего же это заявляют? Вот: «Сообщаем о новом рекорде для самого долгоживущего в мире грызуна – самца голого землекопа (Heterocephalus glaber). Когда его поймали в Кении в июле/августе 1974 года, ему был 1 год. Это животное умерло в апреле 2002 года, что свидетельствует о том, что оно прожило более 28 лет. Таким образом, продолжительность жизни этой особи превзошла предыдущий рекорд долголетия для грызунов, который принадлежал дикобразу (Hystrix brachyura), 27 лет и 4 месяца»[44].
Итак, конкретного голого землекопа поймали, перенесли в искусственные условия и сказали: «Вот продолжительность жизни этого вида». Но все не так, ведь это продолжительность жизни в искусственных условиях.
Однако с этой зверушкой не все так просто, и тут хитрость в интригах, причем все они от исследователей, а не от грызуна. Во-первых, когда землекопа сравнивают с мышкой, которая живет лишь пару лет, тем самым подсказывают вашему мозгу уникальную и вызывающую удивление разницу. Нужно сказать, что в семействе грызунов есть множество видов с продолжительностью жизни 5, 10, 15 лет, и я даже слышал о канадском животном, которое живет 25 лет. Например, показано, что палестинская голая крыса, именно так в переводе с английского звучит название этого животного (Spalax ehrenbergi), может прожить 20,2 года. Поэтому говорить об уникальности землекопа могут только несведущие люди. Да, зверушка интересна многим, но уникальной продолжительностью жизни в естественных условиях она не обладает.
Кроме того, как бы предполагается, что все представители вида «голый землекоп» уже прожили эти самые 30 лет, хотя бы и в лаборатории. Но это только предельный показатель продолжительности жизни рекордсмена в искусственных условиях, а большинство животных в колониях ученых сегодня именно молодого возраста. В сравнении с человеком эти животные, которым по 5–7 лет, вообще юные.
Хотя, как я полагаю, ученые будут и далее подкидывать цифры в топку идеи, что землекоп – уникальное животное, и находить факты, что он живет 35, потом 40 лет, но тут нет ничего необычного. Кроме того, важно понимать, что в природе не только землекопы, но и все другие животные погибают гораздо быстрее, чем в лабораторных условиях, причем в основном от внешних причин. И, скорее всего, эти млекопитающие, которые смогут прожить дольше в искусственной среде, в природе погибнут намного раньше от недостатка пищи, вирусных инфекций, драк или нападения хищников.
Поэтому анализ этого вида в неестественных для него условиях жизни ничего нам не дает. Это как с нашим лабораторным двойником, шимпанзе: он явно в условиях зоопарка и лабораторий может прожить намного дольше, чем в природе. И разве это надежный вывод, если мы берем животных, все равно кого, пусть и голого землекопа, затем помещаем в искусственные условия, и говорим: «Смотрите, они не стареют»? Мы просто убрали фактор давления среды.
Кроме того, создается впечатление, что есть какие-то масштабные эксперименты с большими колониями голых землекопов, но взяв одну из статей, вижу, что в испытание включены две размножающиеся самки 7 лет и десять не размножающихся самок и самцов того же возраста[45]. Животных заразили вирусом герпеса, и все они погибли очень быстро.
На момент написания книги в базе PubMed 857 ссылок по запросу Heterocephalus glaber и 2221 по Naked mole-rat[46]. По поисковому запросу «долголетие голого землекопа» 911 ссылок. В РИНЦ тоже 450 публикаций посвящены этому животному. Открываем одну из них[47], где сказано, что голые землекопы (Heterocephalus glaber) в отличие от других млекопитающих не соответствуют закону Гомпертца о возрастной смертности (у взрослых животных не наблюдается увеличения возрастной смертности). Смотрим материал: девять самцов голых землекопов в возрасте 2–5 лет. Название статьи «Окно в чрезвычайное долголетие; циркулирующий метаболический признак голого землекопа, млекопитающего с пренебрежимым старением».
Следующий интересный аспект – смертность любых видов в природе: если она не повышается с возрастом, то может быть как одинаково низкой, так и равномерно высокой. А длительность жизни может составлять целые столетия или пару дней. Но старение, отражением которого является рост вероятности смерти с возрастом, отсутствует. Также существуют виды с так называемым негативным старением. У них после достижения зрелости риск смерти с возрастом может даже снижаться.
По признаку «пренебрежимое старение» в базе AnAge[48] указаны 7 видов: европейский протей (102 года), американская болотная черепаха (77 лет), восточная коробчатая черепаха (138 лет), алеутский морской окунь (205 лет), красный морской еж (200 лет), океанический венус (507 лет), сосна остистая межгорная (5062 года). Однако это очень сомнительно, так как смерть от внешних причин ничуть не лучше старения. И что имеют в виду составители базы, когда указывают, что «найдено семь нестареющих видов», непонятно.
Можно еще долго обсуждать нестареющих животных и то, во что наш мозг превращает слово «нестарение», причем в каждой отдельной голове слушателя, но тема книги четко противоположна – она о долголетии совсем другого вида.
Таким образом, «нестареющие» или «пренебрежимо стареющие» животные – это не более чем виды с определенной кривой смертности, когда этот показатель не зависит от возраста. При этом жизнь таких особей может быть не только очень продолжительной или длиннее, чем у других видов, но и короткой. А реально нестареющих животных нет. Природе просто все равно, как особи и их время жизни будут участвовать в эволюции. Она занята тем, что придумывает все новые и новые игры.
«Пренебрежимое старение» – это же очень и очень приятный мне термин с большим грузом положительных эмоций, точно про меня», – вот такое письмо я получил от женщины, которая не хочет стареть. Да, но для врача-гериатра это звучит задорно и забавно, но не более. Людям нужны положительные эмоции, ученые же хорошо это понимают и играют на этом. А по сути, если такому якобы «нестареющему» организму дать нагрузку, например заставить бежать, посмотреть на время заживления раны, сроки выздоровления от инфекционных болезней, то всегда можно разделить животных на молодых и старых.
Это отражает явную проблему в самих исследованиях на модельных животных, когда в работу закладывается системная ошибка мышления самого человека, сформулированная на другом виде, с иной продолжительностью жизни, со сбитой эволюцией механизмов продолжительности жизни, а поэтому и другими механизмами старения.
Стареют ли половые клетки?
В науке о старении только часть знаний. Остальное занимает вера. И тут важны именно их пропорции.
Временами говорят, что, несмотря на то, что человек стареет, у него есть зародышевая линия, которая не стареет и передается из поколения в поколение. Такое можно иногда услышать и от биологов, причем даже с очень узнаваемыми именами. Однако давайте разбираться, как в организме могут быть клетки, хоть и половые, которые не стареют. Немецкий эволюционист Август Вейсман создал теорию, согласно которой наследственные признаки сохраняются и передаются из поколения в поколение через нестареющую зародышевую плазму[49]. Он говорил, что у многоклеточных организмов полный объем зародышевой плазмы получают только половые клетки. Согласно взглядам ученого она находится в хроматине ядра клетки. А роль самих организмов состоит лишь в том, чтобы обеспечить ее передачу потомкам. Вроде бы все четко и понятно.
Итак, половые клетки человека называются ооцитами и сперматозоидами. И тут нужно сказать, что в мужском и женском организме в этом отношении все происходит по-разному. После рождения девочки ооциты не образуются, их популяция достигает количественного пика к 5-месячному возрасту эмбриона. Затем начинается систематическое падение их численности, и к рождению остается только около 1 млн клеток. Но процесс потери ооцитов не останавливается, он продолжается, и к половой зрелости девушка подойдет с 400 тыс. ооцитов. А к завершению репродуктивного периода их останется в организме лишь около тысячи. Фактически это ноль. Для объяснения такого значимого процесса существует гипотеза нехватки ростовых факторов для их выживания и версия удаления ошибок в ходе кроссинговера[50], чтобы их не было возможно передать следующему поколению. Не исключено, что гибели могут избежать только ооциты с достаточно высокой плотностью рецепторов к ростовым факторам. И вот различие: у мужчины сперматогенез, или образование половых клеток, происходит в течение всей его жизни, а процесс, подобный потере ооцитов, просто отсутствует.
Теория Харриса и Кэрол Бернстайнов гласит, что бессмертие половых клеток обеспечивается репарацией всех накопившихся повреждений ДНК в процессе мейоза[51]. Мейоз – это последнее двукратное деление с уменьшением хромосом в два раза. Он возможен только в клетках с парным, или четным, количеством хромосом, и состоит из двух фаз: редукционной и эвакуационной.
Первому делению мейоза предшествует очень длительная профаза: если в мужском гаметогенезе она продолжается 30 дней, то в женском организме длится десятки лет. В это время гомологичные хромосомы сближаются друг с другом и в таком состоянии пребывают почти все время, то есть в профазе первого деления мейоза хромосомы удваиваются. При этом резко активируются ферменты, разрезающие и сшивающие нити ДНК.
В яйцеклетке второе мейотическое деление (на стадии ооцита II – развития женской половой клетки) не может происходить самостоятельно без помощи сперматозоида, так как клетка потеряла свои центриоли, специальные тельца, участвующие в делении. Поэтому требуется обязательное оплодотворение, чтобы сперматозоид привнес свои центриоли. В результате этого происходит второе деление мейоза и образуется зигота.
В мейозе гомологичные хромосомы конъюгируют друг с другом и вступают в кроссинговер. Такая необходимость увеличивает генетическую вариабельность вида. Действительно, «папины» и «мамины» наследственные признаки, до сих пор распределенные в каждой паре гомологичных хромосом, после кроссинговера оказываются перемешанными. Этот процесс напоминает репарацию генов, при которой, вырезая поврежденные участки, нужно разрывать и сшивать нити ДНК. То есть одновременно с кроссинговером, вероятно, осуществляется и суперрепарация генома. Если же что-то не получилось, как должно, то в клетке срабатывают датчики контроля состояния собственной ДНК и начинается процесс самоубийства, или, другими словами, апоптоза.
Первое деление заканчивается расхождением гомологичных хромосом по двум дочерним клеткам. Второе проходит быстро, без удвоения ДНК, и приводит к расхождению хроматид каждой хромосомы по двум дочерним клеткам, в результате чего последние оказываются гаплоидными, то есть содержащими одинарный набор хромосом.
В процессе мейоза получается четыре итоговые клетки: одна гаплоидная и три редукционных тельца. Значение этого процесса в том, что у организмов, размножающихся половым путем, автоматически предотвращается удвоение числа хромосом при произведении потомства. Мейоз создает возможность для возникновения новых генетических комбинаций и ограничивает размножение путем внутривидового скрещивания.
Процессы, которые восстанавливают состояние генома, конъюгация гомологичных хромосом, кроссинговер или что-то другое и пока неизвестное, могут быть полезны для запуска механизмов «долгой жизни», и именно здесь нужны модельные опыты на животных.
Самый известный в мире российский биогеронтолог А. М. Оловников ответил на мой вопрос к нему, стареет ли половая клетка, так: «Да, стареет. Вот что известно из разных работ, например по теломерам. Твердо установлено, что теломеры в сперматозоидах пожилого мужчины длиннее, чем у молодого[52]. Это вызвано «дисбалансом» белков (теломеразы и ряда других факторов), следящих за длиной теломер. Вероятная причина скрывается не внутри половой клетки (так как сопутствующих этому мутаций не было обнаружено), а заключена в среде стареющего носителя этих половых клеток. Поэтому есть основания заключить, что старение пожилого организма ведет к этому дисбалансу эпигенетически, то есть через различные модификации (ацетилирование гистонов, метилирование ДНК и тому подобное). Детали еще предстоит уточнять, но принципиальный факт изменений в сперматозоидах с возрастом (даже структурных изменениях, поскольку теломеры – это структуры) установлен».
Таким образом, на вопрос, стареют ли половые клетки, стоит ответить четко: «Да». И это означает, что нестареющих клеток в организме просто нет. Выяснение механизмов суперрепарации ДНК, которая происходит во время мейоза, возможно, решит часть проблем старения человека.
Интересная связь может быть между ростом продолжительности жизни человека как вида и более поздним зачатием. Давайте поразмышляем: сегодня среди мужчин зрелого возраста (50–55 лет) заметна тенденция рожать детей во втором или третьем браке. И женщины сейчас чаще производят ребенка на свет в более взрослом состоянии, чем еще полвека назад. Сегодня, когда давление среды в виде голода и особо опасных инфекций фактически равно нулю, это дает возможность самым здоровым из людей в возрасте, а таких очень много, завести здоровое потомство. При этом длина теломер сперматозоидов у мужчин в возрасте, как мы знаем, больше, чем у более молодых. Если это свойство более длинных защитных колпачков (а это структурное образование с временными задачами) передастся их потомству, то мы должны увидеть много людей, которые живут дольше.
Почему загадочная история Бенджамина Баттона невозможна?
Для понимания механизмов старения очень важно уметь не только слушать, но и слышать природу человека. Именно оно даст ключ к активному и здоровому долголетию.
Если, как считают сегодня геронтологи, в организме стареют все клетки, включая половые, то как тогда всегда рождается организм с нулевым возрастом и почему история, когда человек появляется на свет старым, просто невозможна. Возьмем как пример фильм 2008 года «Загадочная история Бенджамина Баттона»: главный герой родился стариком и проживает жизнь в обратном порядке. Удивительная история. Чистый Голливуд.
Так почему мы не рождаемся хоть на каплю старыми даже в том случае, если наш отец уже пожилой? И почему, когда у человека стареют все клетки, даже от самых старых родителей рождается младенец без малейших признаков возрастных изменений? И, таким образом, несмотря на возможные генетические болезни, которые могут возникнуть при рождении от «старых» родителей, он всегда рождается только с предсказуемо обнуленным возрастом.
Выдающийся геронтолог, один из основателей секции геронтологии МОИП при МГУ им. М. В. Ломоносова, Жорес Медведев опубликовал в 1981 году работу On the immortality of the germ line: genetic and biochemical mechanisms. A review (О бессмертии зародышевой линии: генетические и биохимические механизмы. Обзор)[53]. В этой статье рассматриваются механизмы «бессмертия» половых клеток, которые сводятся в основном к существованию целого ряда препятствий, фактически большого барьерного рифа, не позволяющего потомству появиться из «старых» половых клеток. Поэтому дети всегда и рождаются только с нулевым возрастом, то есть с запущенным с нуля механизмом старения.
Давайте разберемся. Для передачи генетической информации от поколения к поколению существуют специальные эмбриональные клетки. Они отделяются от прочих на достаточно ранних стадиях развития плода до формирования половых желез, куда затем и мигрируют. Из них и образуются гаметы, больше известные нам как сперматозоиды и яйцеклетки.
Но эти клетки должны сначала созреть. Это называют гаметогенезом, термином, обозначающим сумму процессов, которые приводят к созреванию половых клеток. И если яйцеклетки образуются уже в эмбриогенезе и затем находятся только в профазе I мейоза, то процесс сперматогенеза не останавливается в течение всей жизни мужчины.
У видов, для которых характерен жизненный цикл с гаметической редукцией, мейоз тесно связан с гаметогенезом, однако нельзя говорить о полной идентичности этих процессов. Так, зрелый сперматозоид, готовый к оплодотворению, формируется лишь по завершении мейоза, а ооцит созревает до его окончания. Более того, слияние гамет происходит до завершения мейоза в ооците.
Основой для успешного гаметогенеза служит мейоз, или редукционное деление клетки с уменьшением числа хромосом вдвое. Это основное условие для полового размножения и одновременно сохранения числа хромосом. В результате получаются гаплоидные гаметы, и только слияние ооцита и сперматозоида восстанавливает число хромосом до диплоидного в зиготе. Последующее деление клеток происходит только митотическим путем, что позволяет поддерживать обязательную диплоидность.
Гипотез старения, связанных с мейозом тем или иным образом, довольно много. Именно в этом процессе можно найти ответ на вопрос, почему мы рождаемся молодыми. Но не только в нем.
Заведующий сектором эволюционной цитогеронтологии биологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова Александр Николаевич Хохлов сказал мне, что существует множество механизмов, которые обеспечивают то, что из ооцитов и сперматозоидов выбираются самые соответствующие требованиям «ювенильности зародышевой плазмы». Ведь по существу любой живой организм предназначен для эффективного сохранения содержащегося в нем генетического материала с последующим распространением своих копий в окружающей среде. Тут стоят две важные задачи, причем разделить их сложно. Поэтому в процессе эволюции человека механизмы для выполнения этих целей отточились до совершенства, как, впрочем, и других видов на планете. Именно поэтому репликация ДНК, несущей возрастные повреждения, во многих случаях становится невозможной.
При сперматогенезе «сбрасываются» почти все имеющиеся повреждения, а процесс оплодотворения происходит таким образом, что даже у минимально дефектных сперматозоидов нет шансов на успех. В оогенезе происходит так же, хотя эти слова тут не очень уместны и говорят только об удалении любых ооцитов с «испорченным» геномом. Для этого существует механизм атрезии или гибели большей части фолликулов[54] до окончания их роста. Ей подвергаются фолликулы либо с генетически неполноценными ооцитами, либо с теми, у которых нарушена последовательность прохождения профазы мейоза. В яичниках женщины много больших фолликулов погибает и не достигает овуляции. Также созревшая яйцеклетка очень быстро перезревает и уже через несколько часов теряет способность к оплодотворению. Возможно, что именно постоянная гибель ооцитов в эмбриогенезе и на протяжении жизни вплоть до самого репродуктивного старения и есть основное средство отбора «на ювенильность».
В процессе гаметогенеза и раннего эмбрионального развития происходит полная реконструкция ядерного аппарата транскрипции. Если «проблемное» оплодотворение все же случилось, то развитие прекращается и происходит лизис образовавшейся структуры. При возникновении зиготы из половых клеток даже с минимальными аномалиями нарушается процесс эмбрионального развития или появляется нежизнеспособное потомство[55].
Интересный факт: поздней осенью 2020 года родилась девочка из замороженного эмбриона, и это не первый раз, когда подобное случилось. Но вот то, что эмбрион хранился 27 лет, просто удивительно, так как именно это произошло впервые. Как объяснили эмбриологи, при экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО) полученный эмбрион можно заморозить, хранить, а использовать намного позже. И в этом случае, хотя и прошло почти три десятка лет, ребенок все равно родился с обнуленным возрастом. Никаких признаков 27 лет календарного времени хранения не осталось. Поэтому этот метод можно использовать для передачи неизмененной генетической информации человека через века и даже тысячелетия.
Геронтологи должны более подробно изучить мейоз. Именно в нем видны механизмы суперрепарации ДНК, а это важная тема в вопросе долголетия человека.
Синдромы ускоренного старения
Все люди стареют с разной скоростью. И полезно посмотреть на те случаи, когда человек стареет очень быстро или мгновенно.
Если человек и все его клетки стареют, но ребенок всегда рождается с нулевым возрастом и обнуленным «счетчиком» биологического времени, то не может быть такого, чтобы природа не позволила ему сломаться. Ведь должен же быть при всем многообразии ее узоров и такой вариант!
Да, и он есть. К нему относят гетерогенную когорту больных прогерий. Это крайне редкая и одновременно неоднородная группа синдромов ускоренного старения. К ней относятся аутосомно-доминантные заболевания, синдром Хатчинсона – Гилфорда (или Гетчинсона – Гилфорда), или детская прогерия. Пару лет назад в мире было лишь 156 случаев этой болезни (официально подтвержденных). К подобным заболеваниям также относят синдром Вернера, или прогерию взрослых.
Пик интереса к данным патологиям был во всем мире в конце 1980-х. Чтобы вы почувствовали редкость подобных заболеваний, приведу следующий пример: когда я учился в аспирантуре АМН СССР, осенью 1991 года тоже решил выяснить, сколько пациентов с прогериями в нашей стране. И для этого я просмотрел все истории болезней, конечно, только главный лист, в архиве медико-генетического научного центра. Естественно, тогда архивов в виде компьютерных баз еще не было. И только на такой просмотр пыльных документов я затратил три полных дня. И как вы думаете, сколько я нашел случаев? Только одного пациента с синдромом Вернера. И это в стране, где было 296 млн человек.
Синдром Вернера, или прогерия взрослых – это очень редкое аутосомно-рецессивное заболевание. Сегодня создан международный банк данных этой патологии, который предоставляет собой центральное хранилище материалов в Вашингтоне. У таких людей наблюдается ускоренное развитие возрастзависимых заболеваний, при этом мы видим все типичные клинические признаки поздней старости: тяжелую гипертоническую болезнь, различные клинические формы атеросклероза, остеопороз, катаракту и гипогонадизм[56]. Такие люди седеют, а лицо быстро покрывается морщинами. Пациенты с взрослой формой прогерии умирают от острого инфаркта миокарда или злокачественных новообразований, и это происходит заметно раньше, чем у прочих людей.
Фото пациента с детской прогерией. Типичный внешний вид
Пациенты с синдромом Хатчинсона – Гилфорда – это совсем другая история. Такие дети внешне резко отличаются от здоровых. Они имеют очень характерный облик: большие глаза, заостренный нос и маленькую нижнюю челюсть. Ребенок перестает расти и очень резко отстает от своих сверстников по весу.
Причина детской прогерии – мутация в гене LMNA. Ген отвечает за синтез белка преламина А. Это соединение участвует в формировании внутренней оболочки ядра клетки. Если в LMNA появляется дефект, то вместо преламина А формируется его поврежденный аналог, называемый прогерином. Он не способен стать частью оболочки ядра, что ослабляет ее, и она в результате не может оказать ядру необходимую структурную поддержку, из-за чего клетки теряют способность нормально делиться. Если взять фибробласты[57] кожи больных с прогериями, то вместо 50 у молодого человека (так называемый предел Л. Хейфлика), клетки пациентов сделают до 12 делений.
Важно отметить, что при этом заболевании наблюдается аномальное укорочение концевых участков хромосом, которые защищают гены от повреждений, вызываемое концевой недорепликацией. Теломеры, колпачки, не несущие никакой важной информации, были открыты еще в 1930-х годах. Они образуются из специализированной линейной ДНК со специфическими повторами, которые состоят у человека из шести нуклеотидов TTAGGG и вместе с белками составляют единый нуклеопротеидный комплекс.
При старении теломеры человека, как и прочих видов, становятся все короче при каждом делении. Естественно, этот процесс не может продолжаться бесконечно. В какой-то момент они становятся слишком короткими, чтобы эффективно защищать ДНК от повреждений. Гипотезу концевой недорепликации при старении выдвинул Алексей Матвеевич Оловников, выдающийся российский геронтолог в 1971–1972 годах.
Вывод о теломерном механизме ограничения числа делений клетки в 1998 году подтвердили американские ученые, преодолевшие предел Хейфлика методом активации теломеразы. Оказалось, что улучшить состояние клеток с мутацией LMNA можно и после такого воздействия, причем это повлияло даже на различные маркеры клеточного старения.