— Бессмертные клетки существуют
— Запрограммированная гибель
— Часовой механизм старения
— Болезни быстрого старения
— Как стать бессмертным?
Смертность не изначальна
Как-то известного режиссера Алексея Германа спросили, как он относится к финансовому расслоению нашего общества. Он ответил, что пока смерть всех уравнивает, особенно беспокоиться не приходится. Однако если ученые решат, в копие концов, проблему бесконечного продления жизни человека, и реализация такой возможности будет доступна только людям богатым, вот тогда станет по-настоящему обидно.
Можно ли, изучая гены человека, найти такие из них, что отвечают за процесс старения? Да и существуют ли такие? Теорий старения очень много, и одна из наиболее популярных из них утверждала, что старость является следствием постепенного накопления всевозможных «поломок» в нашем теле. В основном, имелись в виду дефекты на молекулярном и клеточном уровнях. Такая точка зрения выглядит логично, ведь именно так стареют созданные человеком механизмы — они ржавеют, у них отказывают со временем отдельные блоки, пока, наконец, накопившиеся дефекты совсем не прекратят их функционирование. Взгляните на старую, видавшую виды автомашину «копейку», стоящую на вечном приколе во дворе дома. Она будет прекрасной иллюстрацией гипотезы старения путем накопления дефектов.
Однако все не так просто. «Как ни глубоки причины смерти — смертность не изначальна, она не представляет безусловной необходимости: слепая сила, в зависимости от которой находится разумное существо, сама может быть управляема разумом», — прозорливо писал по этому поводу еще в XIX веке философ Николай Федоров.
Похоже усилия молекулярных биологов в конце XX века подтвердили это предположение. Они нащупали механизм, благодаря которому клетки нашего тела отмеряют свой жизненный срок. А раз так, значит, появилась возможность в этом механизм вмешаться.
Бессмертные клетки
Рождение и смерть часто воспринимаются нами как две стороны одной медали. Одно явление якобы неотделимо от другого. Появление на свет неизбежно влечет за собой старение и кончину. Между тем это не совсем так. Живая клетка, как своеобразная молекулярная фабрика, способна работать и воспроизводиться без всяких признаков усталости или старения бесконечно долго. Хороший тому пример — одноклеточные существа, размножающиеся исключительно бесполым способом. Разумеется, амебу из учебника зоологии за седьмой класс без труда можно лишить жизни — отравить, сварить, высушить, раздавить, наконец. Однако если регулярно менять воду и добавлять пищу, то она будет без устали делиться и никогда не состарится. В этом смысле амеба бессмертна. Если бы наше тело состояло из подобных амеб, о пенсионном возрасте речь бы, возможно, не заходила.
В первой четверти XX века из водоема была выловлена крошечная инфузория тетрахимена (Tetrahymena pyriformis штамм GL), которая, в силу некоторых отклонений от нормы, не могла вступать в половой процесс с такими же инфузориями. Она размножалась исключительно за счет обычных делений пополам. Так вот, потомки той клетки до сих пор прекрасно чувствуют себя во многих лабораториях мира, хотя по самым скромным оценкам их отделяет от клетки-прародительницы уже более двухсот тысяч делений-поколений. Иначе говоря, клон этих инфузорий практически бессмертен.
Никто и никогда не видел пожилых бактерий. При их темпах и способах воспроизводства себе подобных говорить в данном случае о старении совершенно бессмысленно. Смерть в преклонном возрасте становится по-настоящему актуальным и обсуждаемым феноменом только у многоклеточных организмов, размножающихся половым путем. В самом деле: если жизненная программа выполнена — репродуктивный период закончился, потомство оставлено и тем самым опробован доставшийся от предков набор генов — то что же теперь делать с продолжающими жить родителями? Оставить их наслаждаться жизнью? Но они ведь только мешают новому поколению испытывать свою приспособленность к вечно меняющейся среде обитания…
Правильно! Надо активно прекратить неоправданное расходование ресурсов и отправить пожилых родственников в расход. Другими словами, на определенном этапе эволюции запрограммированная гибель «пожилых» многострочных стала феноменом, выгодным для процветания вида в целом. Раз так, то неизбежно должны были возникнуть и четкие механизмы, эту гибель обеспечивающие.
Прекрасный в этом плане пример демонстрирует совсем просто устроенное многоклеточное существо — крошечная нематода ценорабдитис (Caenorabditis elegans). Длина этого круглого червя едва достигает одного миллиметра, а общее количество слагающих его клеток абсолютно постоянно у всех взрослых особей — около трех тысяч (для сравнения: новорожденный крысенок состоит примерно из трех миллиардов клеток). Количество ДНК в каждой клетке ценорабдитиса всего лишь в двадцать раз больше, чем у средней бактерии. Время жизни этой нематоды поразительно скоротечно и составляет всего трое с половиной суток, что лишь в двести пятьдесят раз больше жизни кишечной палочки, которая при благоприятных условиях делится через каждые двадцать минут.
Однако палочка именно делится, то есть ее молекулярная фабрика продолжает успешно работать, регулярно удваивая свое клеточное хозяйство, а вот отложившая яйца нематода совершенно неизбежно умирает в конце своей коротенькой жизни. Ясно, что ни о каком старении за счет накопления возможных дефектов и повреждений в клетках в этом случае говорить не приходится.
К роковой черте ее подводит неизбежная, четкая и смертельная, как взгляд Азазелло, работа генов, семейство которых биологи называют «генами смерти». Продукт одного такого гена запускает работу второго, тот активирует третий, седьмой… а в конце хлоп! Дружная гибель всех клеток, и в результате кончина организма в целом. Такую запрограммированную клеточную смерть биологи и медики называют апоптозом. Собственно о старении говорить здесь не приходится. Какая уж тут дряхлость, когда тебе роду не более трех суток!
Американские ученые в 1988 г. сообщили, что им удалось обнаружить нематод с мутацией в гене age-l, которая удлиняла жизнь этих червей на 70 %. Выяснилось, что у мутантных особей повышен уровень антиоксидантов — веществ, активно уничтожающих свободные кислородные радикалы. Эти радикалы способны связываться практически с любыми химическими соединениями клеток и активно разрушать их. Однако этот механизм, влияющий на продолжительность жизни, не отменял, а лишь отсрочивал действие генов запрограммированной смерти нематод.
Если бы подобный четкий механизм ухода из жизни работал у высших позвоночных, программа нашего пенсионного обеспечения оказалась бы совершенно не нужной. Действительно, к чему откладывать на старость, если, к примеру, после сорока семи с половиной лет неизбежно последует быстрая и безболезненная смерть. Слава богу, этого не происходит, и может, действительно правы те геронтологи, которые говорят о феномене старости как о результате накопления всевозможных ошибок в работе клеток, из которых мы состоим? Существуют ли у человека вообще какие-либо генетические программы ограничения времени жизни его клеток?
Опыты Хайфлика
Еще в начале XX века нобелевскому лауреат у биологу Алексису Каррелю удалось выделить клетки человека из организма и культивировать их в стеклянных флаконах на питательной среде в течение 27 лет. Его опыты, вроде бы, свидетельствовали о том, что человеческие клетки потенциально бессмертны. Однако позже возникло подозрение, что с каждой новой порцией среды для культивирования во флаконы Карреля попадали новые, молодые клетки, и культура тем самым постоянно обновлялась за их счет.
Разобраться в этой запутанной ситуаций в начале 60-х годах решил профессор Стенфордского университета Леонард Хапфлик. Он выделил из легкого человеческого эмбриона клетки соединительной ткани — фибробласты. Точно так же, как Каррель, он поместил их в сосуды с питательной средой. На этот раз все предосторожности были тщательно соблюдены, и новые клетки попасть в сосуды не могли. Первое время дела шли успешно, и клетки прекрасно размножались в непривычных для них условиях «Для меня эти клетки все равно, что собственные дети», — говорил он интересовавшимся его опытами журналистам.
Однако, пройдя определеннее число делений, фибробласты прекращали свой дальнейший рост. Причем число этих делений зависело от возраста донора. Фибробласты зародыша человека проделывали около 50 делений. Подобные клетки новорожденного способны были разделиться уже всего 20–30 раз. Взятые от взрослых пожилых людей едва осиливали несколько клеточных циклов. В «разновозрастных» смесях более молодые клетки всегда жили дольше, чем их «пожилые» соседи. Следовательно, списать все различия на неодинаковость условий при культивировании не удавалось. В опытах на мышах было показано, что «старые» клетки, пересаженные в тело молодой особи, омолодиться не способны и через некоторое время гибнут.
Создалось впечатление, что в клетках человека и высших позвоночных тикает своеобразный хронометр, отсчитывающий ход нашей жизни. Пока завод не кончился, клетка способна к делению. Как только деления прекращаются, наступает так называемое репликативное старение (то есть связанное с неспособностью клеток делиться). Количество же делений наших клеток, в принципе, может быть практически таким же бесконечным, как и у одноклеточных амеб. В этом убеждают постоянно размножающиеся раковые клетки, у которых подобный хронометр, возможно, сломан или отсутствует вообще. Они регулярно и бодро делятся в лабораториях в течение десятков лет и феномен старения просто игнорируют. Показательный в этом плане случай — раковые клетки HeLa, которые были получены от африканки Генриетты Ламберт (Henrietta Lambert). Она скончалась в тридцатых годах XX века в США от раковой опухоли шейки матки. С тех пор вплоть до наших дней клетки HeLa успешно продолжают делиться в десятках биологических и медицинских институтов мира.
Другой яркий пример огромных возможностей клеток противостоять бегу времени демонстрируют генеративные клетки. В самом деле: все мы происходим из одной яйцеклетки, которая образовалась в теле матери. Наши родители, в свою очередь, тоже были когда-то одной клеткой. Таким образом, можно протянуть своеобразный «генеративный вектор» назад в прошлое на два с половиной миллиарда лет назад — практически до Протерозоя. Ведь и наши рыбообразные предки рождались из чьей-то икры.
Польский писатель фантаст Станислав Лем в «Звездных дневниках Ийона Тихого» так писал по поводу феномена бессмертия половых клеток: «Как известно, умираем мы, потому что стареем, то есть телесно расшатываемся из-за потери необходимой информации: клетки со временем забывают, что надо делать, чтобы не распасться. Природа постоянно снабжает такой информацией только генеративные, то бишь родительские клетки, потому что на остальные ей начхать».
Болезни быстрого старения
Порой время работы «хронометра жизни» может резко укорачиваться. Так происходит при врожденных заболеваниях быстрого старения — прогериях (греч. pro — раньше, gerontos — старец). Наиболее трагично протекает прогерия детей, которую называют еще синдромом Хатчинсона-Гилфорда. Ребятишки с этим страшным диагнозом стремительно стареют. В среднем они едва дотягивают до 12 лет и чаще всего умирают в том, казалось бы, юном возрасте от банальных старческих инфарктов. К этому времени они и выглядят как глубокие старики — лысеют, страдают от атеросклероза и фиброза миокарда, практически полностью лишаются подкожного жирового слоя, теряют зубы… Картина мрачная. К счастью, рождаются такие дети чрезвычайно редко — с частотой один на миллион, что, Кстати, затрудняет генетический анализ причин заболевания.
Главной диагностической особенностью клеток больных с синдромом Хатчинсона-Гилфорда является резко сниженное по сравнению с нормой число Хайфлика, то есть количество удвоений, которое способны пройти клетки в культуре. При этом продолжительность времени от деления до деления их фибробластов достоверно не отличается от контроля. Другими словами, их «хронометр жизни» идет с обычной скоростью, но он заведен только на пол-оборота пружины и быстро останавливается.
Другой характерный в этом плане пример — прогерия взрослых, или синдром Вернера, описанный впервые еще в 1904 г. Страдающие им люди сначала развиваются с нормальной скоростью лет до 17–18, а потом начинают стремительно стареть. Лишь немногие дотягивают до пятидесяти, уходя из жизни глубокими стариками. У них быстро развивается широкий спектр всевозможных патологий, обычно связываемых с возрастными изменениями: атеросклероз, диабет, катаракта, различные типы доброкачественных и злокачественных опухолей.
В Японии частота этого заболевания существенно выше, чем в других станах, и достигает одного случая на сорок тысяч. В результате генетического анализа удалось выяснить, что прогерия взрослых является аутосомным рецессивным заболеванием. Это означает, что страдающий от прогерии человек является гомозиготой по рецессивному «гену старения», а его родители были гетерозиготами по этому гену. Соответственно, вероятность рождения «быстро стареющих людей» от таких пар составляет 25 %. К сожалению, быстрых и доступных тестов, способных обнаружить такой мутантный ген, пока не разработано.
Клетки больных с синдром Вернера перестают делиться в культуре обычно после 10–20 удвоений, что также указывает на некое нарушение у них нормального хода «хронометра жизни». Однако как же клетка умудряется измерять число делений, которое она уже совершила?
Блестящее предсказание
Впервые на возможный механизм работы подобного «хронометра» указал в 1971 г. в чисто теоретической статье наш соотечественник, кандидат биологических наук, сотрудник Института эпидемиологии и микробиологии Академии наук СССР Алексей Матвеевич Оловников. Его идея, в двух словах, сводилась к следующему. Еще до деления клетки все ее хромосомы удваиваются. Каждая хромосома представляет собой туго смотанную длиннющую нить ДНК. Копирование ДНК осуществляется еще до ее «сматывания» в хромосому с помощью специального фермента ДНК-полимеразы.
Если несколько вольно сравнить ДНК с рельсовым путем, то этот фермент будет напоминать рельсоукладчик, который ездит по рельсам, которые сам же рядом с собой и укладывает. Пока ДНК-полимераза трудится на всем протяжении пути — все в порядке. Никаких проблем. Но как только она «доезжает» до своеобразного «тупика» — то есть, одного из двух концов молекулы ДНК, тут-то и возникает сбой. ДНК-полимераза просто не способна построить копию этих кончиков. Следовательно, при каждом делении клетки нити ее ДНК должны становиться чуть короче.
Позже это красивое открытие, сделанное, как говорят «на кончике пера» блестяще подтвердилось. Теперь предсказанное А. М. Оловниковым явление биологи называют концевой недорепликацией хромосом. В процессе образования похожей на сосиску хромосомы укороченные концы ДНК довольно логично оказываются расположенными на ее краях — теломерах (от греч. telos — конец и meros — часть). Укорачивание теломер как раз и является теми молекулярными часами, которые отсчитывают число клеточных делений. Выяснилось, что при каждом делении клетки теряют от 50 до 200 азотистых оснований на концах нитей ДНК — своеобразных «букв», из которых состоит эта макромолекула.
По счастью, в теломерах не закодированы важные для клетки белки. Теломеры состоят из одинаковых уныло повторяющихся последовательностей нуклеотидов. Причем последовательности эти практически одинаковы у самых разных организмов: инфузорий, земноводных, пресмыкающихся и птиц. Длина теломер указывает на количество делений, которые еще может осуществить клетка. Как только теломеры в результате пройденных циклов копирования хромосом достигают некой критической длины, клетка перестает делиться — наступает репликативное старение.
Клетки детей, страдающих прогерией Хатчинсона-Гилфорда, имеют укороченные теломеры. Именно этим объясняется раннее наступление старости у этих больных. Теломеры же их родителей нормальной длины. Это означает, что синдром Хатчинсона-Гилфорда является результатом какой-то редкой мутации, возникающей в одной из самых первых клеток зародыша. Теломеры хромосом у больных с синдромом Вернера обычные, но, судя по всему, «точка остановки клеточного деления» у них находится, в среднем, ближе к краю хромосомы, чем у здоровых людей.
Теломераза
Что же происходит с теломерами у потенциально бессмертных одноклеточных организмов, половых и раковых клеток? В 1985 г. у инфузорий тетрахимен был обнаружен фермент, активно достраивающий концы теломер, с которыми не справлялась ДНК полимераза. Тем самым клеткам обеспечивалась возможность воспроизводиться бесконечно. Фермент назвали теломеразой и вскоре обнаружили его у большинства клеток, с которыми обычно экспериментируют биологи: у дрожжей, у некоторых насекомых, червей и растений. Выяснилось, что теломеразы работают в зародышевых и половых клетках человека. Присутствуют они и в так называемых стволовых клетках — то есть таких, постоянное деление которых лежит в основе обновления крови и некоторых тканей (например, кожи и внутренней выстилки кишечника). До 90 % опухолей человека обладают теломеразной активностью, а вот в нормальных клетках тела, наоборот, эти ферменты найти не удается. Таким образом, можно напрямую связать активность теломеразы и способность клеток к бесконечному делению. Клетки, в которых теломераза регулярно не достраивает кончики хромосом, через некоторое время перестают делиться. Из этих замечательных наблюдений следует ряд интригующих выводов и предположений.
Мечта о бессмертии
Во-первых, не исключено, что подавление активности теломеразы в опухолевых клетках поможет борьбе с раком. В Институте молекулярной биологии РАН было показано, что введение в клетки меланомы и промиелоцитарной лейкемии человека вещества, угнетающего работу теломеразы (азидотимидина) приводит к укорачивании их теломер и торможению роста опухоли. Правда, бить в литавры еще рано, поскольку, судя по всему, клетки различных опухолей по-разному обходят барьер запрограммированной смерти, и с каждым конкретным случаем надо разбираться отдельно.
Во-вторых, наоборот, увеличение активности теломеразы может увеличить способность к делению обычных, смертных клеток, и, тем самым, продлить срок их нормальней работы. Например, недавно с помощью методов молекулярной инженерии в клетки эпителия сетчатки глаза был введен кусочек ДНК, кодирующий человеческую теломеразу. В результате их хромосомы начали наращивать свои теломеры, а количество делений этих эпителиальных клеток превысило обычный лимит минимум на 20 удвоений! А что если ввести такой ген теломеразы в клетки зародыша человека? Предположим, он встроится в одну из 46 хромосом и будет постоянно воспроизводиться при каждом делении. Тогда мы получим младенца, все соматические клетки которого будут игнорировать лимит Хайфлика! Это означает, что срок его жизни по сравнению с естественными пределами будет существенно увеличен. На горизонте научных достижений начинает брезжить заря потенциального человеческого бессмертия, о котором мечтали десятки поколений мыслителей и естествоиспытателей! Разумеется, такая возможность является пока чисто теоретической, и путь к ее реализации наверняка окажется не таким простым, как здесь изложено. Более того, этичность проведения подобных экспериментов на людях наверняка вызовет не менее бурную дискуссию, чем спор о возможности и допустимости клонирования отдельных личностей. Однако мечта о бессмертии столь привлекательна, что наверняка вызовет попытки ее реализовать на практике. Вот тут-то и возникает вопрос, не приведет ли «взламывание печати Хайфлика» (запрет на бесконечное деление соматических клеток) к непредвиденным и нежелательным последствиям, на которые природа мудро наложила запрет).
Одним из неизбежных зол, с которыми сталкиваются любые клетки, является возникновение случайных мутаций. Частота их появления у единичного гена оценивается как один случай на миллион клеток и на одно ее деление. Вроде бы немного. Однако число клеток в теле человека оценивается десятками, если не сотнями, миллиардов, а общее количество делений, которые они совершают в нашем теле, достигает 1016 (часть отработавших клеток постоянно гибнет и выводится из организма). Следовательно, при таких порядках величин даже столь редкие события, коммутации, должны постоянно накапливаться в клетках тела в изрядных количествах. Считается, что для превращения обычной клетки я раковую в среднем она должна приобрести от трех до семи независимых мутаций. При таком раскладе для неизбежного возникновения опухоли требуется в среднем от 60 до 140 клеточных делений. Лимит же Хайфлика для клеток человека, как вы помните, составляет около 50 делений! Это означает, что он является просто заслоном лавинообразному появлению опухолей в суперпожилом возрасте.
В истории науки уже не раз применение того или иного открытия оборачивалось совсем нежелательными последствиями. Возможность значительного продления жизни человека за счет манипуляций с его клетками и теломеразами грозит еще большим всплеском онкологических заболеваний и еще более существенным накоплением груза генетических мутаций, который и так уже несет на себе людской род благодаря успехам биологии и медицины. Не надо, впрочем, впадать в пессимизм и думать, что этот груз, в конечном счете, раздавит вкусившее от древа познания человечество. Просто надо разрабатывать методы генетической терапии, способные противостоять всем этим негативным явлениям. А это серьезное испытание для науки XXI века.