Read the book: «Как мы стареем»

Name: Как мы стареем
Author: Coleen T. Murphy
ISBN: 978-5-17-165120-6

Font::

All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher

Издательство CORPUS ®

* * *

Посвящается моим родителям

Вступление

Часто там, где есть несоответствие, кроется нечто особенно интересное!
Эвелин Уиткин, американский генетик, отпраздновавшая столетний юбилей 9 марта 2021 г.

В конце 1990-х годов я была аспиранткой в лаборатории Джима Спудича на биохимическом факультете Стэнфордского университета. Я изучала функцию двигательного белка миозина – молекулярного мотора, обеспечивающего движение наших мышц и насосную функцию сердца: меняла местами фрагменты миозина из “медленных” и “быстрых” организмов и проверяла, как это влияет на их активность. Мне нравился этот белок; в то время меня больше всего интересовало, как правильно организованная последовательность аминокислот позволяет получать энергию и превращать ее в движение, потихоньку перемещая “плечо рычага”. Но когда на вечеринках меня спрашивали, чем я занимаюсь, и я объясняла суть моих исследований, мне в ответ кивали и вежливо улыбались, а потом интересовались, когда я закончу учебу. На этом разговор заканчивался.

Все изменилось через несколько месяцев, когда я услышала потрясающий доклад профессора Синтии Кеньон из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Синтия живо и увлеченно рассказывала об исследованиях старения и продолжительности жизни маленького червя – нематоды Caenorhabditis elegans. В ее лаборатории установили, что замена одного-единственного гена может удвоить продолжительность жизни этого животного[1], и она показала видеозапись ползающих мутантных червей такого возраста, в котором нормальные черви уже дряхлеют и умирают. Это было просто потрясающе, и было ясно, что речь идет не о продлении старости, а скорее об удлинении молодой и здоровой части жизни, о чем мечтает каждый из нас. Этот ген, названный daf-2, кодирует рецептор инсулина/инсулиноподобного фактора роста 1 (ИФР-1) и, следовательно, может иметь значение и для человека, поскольку в нашем теле тоже вырабатывается инсулин. Выслушав доклад, я поняла, чем хочу заниматься: меня интересовало, почему этот мутантный червь был таким здоровым. Вскоре я спросила у Синтии, нельзя ли мне устроиться на работу в ее лабораторию после защиты диссертации[2], и она разрешила. С этого момента, когда меня спрашивали, чем я занимаюсь, все было совсем иначе. Выяснилось, что тема старения интересует буквально всех, и у каждого на этот счет есть личное мнение. Вскоре я поняла: вероятность, что человек поддерживает идею исследований старения, коррелирует с его возрастом, – и меня неоднократно призывали “работать побыстрее”.

Книгу я решила написать после того, как составила для Принстонского университета курс “Молекулярные механизмы долгожительства: генетика, геномика и клеточная биология старения”, чтобы рассказывать студентам о моей области исследований. Подготавливая материал для лекций, я осознала, что за последние двадцать лет мы (королевское “Мы” с заглавной буквы – исследователи в области старения и долгожительства) открыли много молекулярных механизмов, которые неплохо было бы разъяснить широкому кругу людей. Рынок популярных книг о долгожительстве перенасыщен (было выпущено несколько отличных вводных изданий, а мнение очередной знаменитости по вопросам старения или еще одна книга о правильном питании никому не требуется), но вот понять смысл современных достижений в этой области на молекулярном уровне кому-то может быть интересно. Как я расскажу далее, за последние двадцать лет мы МНОГОЕ узнали о регуляции продолжительности жизни, и это может подсказать нам, как замедлить приближение старости. Теперь нам больше известно о генетических путях и клеточных процессах, регулирующих межклеточную коммуникацию, которая определяет скорость старения, и мы стали лучше понимать, почему старение вообще подвергается регуляции. Новые открытия помогли придумать, как замедлить возрастные изменения, и у нас наметилось несколько хороших мишеней для медикаментозного воздействия. Некоторые из этих новых открытий недавно вылились в серьезные биотехнологические разработки, и за последние годы появилось много компаний, занятых вопросами старения и продолжительности жизни.

Мне повезло, и я оказалась в центре этих исследований в 2000-е годы, как раз когда были открыты новые гены, контролирующие продолжительность жизни. Начало нового тысячелетия стало поистине поворотным моментом: вслед за бактериями и дрожжами был прочитан геном первого многоклеточного организма, C. elegans, а вскоре пришла очередь дрозофилы. Эти крупномасштабные программы – прямое следствие разработки технологий, способствовавших реализации проекта по секвенированию генома человека, – помогли биологам проводить невозможные ранее эксперименты на уровне целых геномов. Механизм РНК-интерференции (РНКи), вызывающий разрушение матричной РНК (мРНК) конкретного гена, впервые был подробно описан для C. elegans Крейгом Мелло и Эндрю Файром в 1998 году[3] и вскоре начал применяться в экспериментах с червями для проверки всех генов генома в поисках любых интересных признаков (включая старение) с помощью новых методов отключения экспрессии генов[4]. Возможность быстро анализировать большое количество генов червей привела к революции в функциональной геномике (теперь можно проверять связь всех генов генома с конкретной функцией), и с тех пор эта область исследований расширяется по многим направлениям.

Я стала заниматься старением, поскольку меня увлек вопрос, каким образом продолжительность жизни и старение контролируются на генетическом и биохимическом уровне. В это время появились новые инструменты, такие как микрочипы для анализа экспрессии генома и РНКи, которые обеспечили не существовавшую ранее возможность изучать долгоживущих мутантов (животных с изменениями в ДНК, затрагивающими какой-то конкретный ген) и понимать, что происходит у них внутри. Определение полных геномных последовательностей всех этих организмов ускорило развитие новых геномных технологий (микрочипы ДНК и позднее секвенирование нового поколения), что позволило одновременно анализировать все гены организма и изучать внутреннюю работу клеток по мере их старения. С тех пор объем доступных для исследователей данных неимоверно расширился. Генетические и геномные методы анализа проникли в область исследований продолжительности жизни, и крупномасштабные исследования метаболизма тоже способствовали расширению наших знаний. Кроме того, новые молекулярные инструменты, например редактирование генома CRISPR и стволовые клетки, раскрыли удивительные перспективы для изменения человека с целью улучшения его здоровья[5].

Тематика направления – изучение механизмов старения – такова, что это чрезвычайно обширная область исследований. Рассматривать проблемы старения можно в самых разных аспектах: демография, популяционная генетика, эволюция, генетика модельных систем, молекулярная биология, клеточная биология, диетология и фармакология. Все эти аспекты помогают понять, как происходит старение и как можно его замедлить. Я расскажу о том, как продвигается работа в моей лаборатории (и постараюсь говорить не только о нашей лаборатории), а также о последних достижениях в этой области исследований в целом. Направление быстро развивается, постоянно совершаются новые открытия, и поэтому неизбежно какие-то вопросы останутся незатронутыми, но я попытаюсь объяснить не только что мы знаем, но и как мы это узнаем, – расскажу, как работают ученые, чтобы разобраться в проблеме.

В книге вы не найдете описания того, что я ем, или что едят другие ученые, или сколько мы весим, или как часто занимаемся спортом, – здесь нет такой информации, которая фактически стала нормой в научно-популярных книгах и статьях о старении и об исследователях, изучающих эту проблему. Я занимаюсь наукой и не хочу читать все эти непонятные результаты, полученные для одного пациента, поэтому о подобных вещах говорить не буду: это плохо сделанная наука. Кроме того, я заметила странный “культ личности” вокруг некоторых книг о старении, в результате которого на вклад женщин-ученых часто не обращают внимания. И еще я не отношусь к числу проповедников долгожительства, так что не стану пытаться вам что-либо продать – никаких биологических добавок, лекарств или растительных диет. Я хочу только рассказать, что мы знаем о старении и как мы это узнали.

Наконец, я постараюсь избегать выражений типа “…по крайней мере, у червей и дрозофил”, которые столь часто встречаются в книгах о старении. Я активная сторонница использования модельных систем по одной простой причине: почти все, что нам известно о механизмах контроля (регуляции) продолжительности жизни на молекулярном уровне, изначально было установлено на модели беспозвоночных животных, а затем проверено на более крупных организмах (на таких млекопитающих, как мыши), но об этом часто забывают. Кроме того, все инструменты, позволяющие нам делать эту работу и продвигаться к человеческим клеткам, поначалу были идентифицированы, охарактеризованы и проверены на простых модельных системах, и лишь потом их адаптировали для работы с млекопитающими (возможно, самый яркий пример – система CRISPR, впервые обнаруженная у бактерий). Вообще говоря, без модельных систем наше понимание регуляции продолжительности жизни было бы весьма ограниченным. И по этой причине я буду рассказывать не только об исследованиях на людях и о какой-то предварительной проверке на мышах, но попытаюсь описать, как на самом деле мы установили молекулярные закономерности процессов внутри всех наших клеток – а это было сделано в результате исследований на модельных системах маленьких беспозвоночных животных. Наверное, Сару Пэйлин, которая не признает вклад фундаментальных (“базовых”) исследований в медицину¹, это бы шокировало, но всем остальным, надеюсь, это даст возможность лучше понять, как ученые постигают устройство мира и как мы можем применить наши знания, чтобы помочь людям жить лучше, – и, как сказала бы Пэйлин, я не шучу.

Надеюсь, эта книга даст вам представление о том, что мы узнали о долгожительстве за последние годы. Но прежде чем погрузиться в научные рассуждения, хочу объяснить, почему нужно изучать старение: возможно, это понятно не сразу, но изучение старения полезно нашему обществу в долгосрочном плане, в том числе в экономическом (первая глава), поскольку долгожительство – прерогатива не только миллионеров. Есть много эволюционных теорий, объясняющих, почему мы стареем (вторая глава), но современные молекулярные методы помогают лучше понять этот процесс и соответствующие теории. В третьей главе мы начнем обсуждать, каким образом современная генетика и геномика способны раскрыть секреты долгожительства людей, перешагнувших столетний рубеж. Но для экспериментальной проверки гипотез нам нужны модельные организмы, то есть хорошо изученные животные, которых можно выращивать в лаборатории и с которыми можно производить генетические манипуляции (четвертая глава). Чтобы понимать, о чем идет речь при изучении старения и как анализируют возрастные изменения, нам придется ввести несколько определений (пятая глава). В последующих главах я подробно расскажу о том, что нам сегодня известно о механизмах долгожительства и о возможностях воздействия на эти механизмы (главы с шестой по десятую), и вы узнаете о некоторых молекулах, которые служат мишенями в клинической практике (семнадцатая глава). Взаимоотношения полов и репродукция неразрывно связаны с продолжительностью жизни, и об этом мы поговорим в одиннадцатой и двенадцатой главе. Наши чувства тоже определяют продолжительность нашей жизни (тринадцатая глава), а старение изменяет наши чувства и когнитивную функцию (четырнадцатая глава). Некоторые самые новые концепции показывают, что мы наследуем от наших предков какие-то факторы, которые влияют на старение (пятнадцатая глава); также немаловажную роль играют наша пища и микробы у нас в кишечнике (шестнадцатая глава). Наконец, обсудим современное состояние биотехнологических исследований в области долгожительства и поиски лечения для борьбы с возрастными изменениями (семнадцатая глава).

Исследования процессов регуляции старения находятся на подъеме, и это замечательный период, поскольку мы все еще продолжаем делать открытия. Я не хочу сказать, что мы знаем ответы на все вопросы. Но надеюсь передать вам то, что мы действительно знаем, и, что еще важнее, откуда мы это знаем, и что мы можем сделать со всеми этими данными. С такими знаниями нам проще будет принимать мудрые решения относительно продолжительности собственной жизни.

Глава 1
Этика и экономика долгожительства.
Нужно ли изучать старение?

Удивительно, что мысль о долгой жизни нравится всем, но мысль о старении не нравится никому.
Энди Руни, тележурналист

Поисками бессмертия занимались представители всех культур во все времена. Древние тексты повествовали о долгой жизни вождей, переживших много поколений: в Ветхом Завете сказано, что Мафусаил прожил 969 лет, в соответствии с индийским эпосом Бхишме было 128 лет, в поэме о Гильгамеше утверждается, что царь Месопотамии правил 126 лет, гунн Аттила якобы прожил 124 года, и поговаривали, что Александр Великий дошел до райской реки. (Считалось, что Хуан Понсе-де-Лион прибыл во Флориду в поисках источника вечной молодости, однако скорее им двигало желание найти золото, дешевую рабочую силу и землю для испанской короны.) Даже сегодня в племенах, не регистрирующих рождения, нередко встречаются люди, якобы давно преодолевшие столетний рубеж, хотя их возраст кажется изрядно преувеличенным (например, я почти уверена, что старой женщине, с которой мы познакомились в деревне племени масаев, было не 105 лет, но кто я такая, чтобы это утверждать?). Поиски секрета долголетия продолжают занимать наше воображение. Однако вместе с тем они подпитывают наши страхи, отображенные Оскаром Уайльдом в “Портрете Дориана Грея”. Да и тот факт, что Голлум прожил 598 лет благодаря свойствам своего кольца, вряд ли может послужить рекламой здорового увеличения срока жизни. Следует спросить самих себя: разумно ли стремиться к долголетию?

На сегодняшний день мы применяем немыслимые диеты, сомнительные методы лечения, препараты и крионику², а в Кремниевой долине развиваются многочисленные проекты, направленные на поиски возможных путей борьбы со старением. Эти поиски способов “излечения от старости” дополнительно ускорились с новыми научными достижениями, в свете которых перспектива менять свою судьбу выглядит все более заманчивой. Однако перспектива эта требует от нас умения отличать реальные возможности замедлить старение от шарлатанства. Прежде чем обсудить, как мы узнаем о механизмах, контролирующих продолжительность жизни, нам следует рассмотреть плюсы и минусы самих этих изысканий.

То, от чего мы умираем, зависит от того, кто мы такие

В XX веке произошло, по-видимому, самое значительное в истории США увеличение средней продолжительности жизни: от 48 до 74 лет для мужчин и от 51 до 80 лет для женщин[1]. Слыша выражение “продолжительность жизни”, мы обычно думаем о преклонном возрасте, однако по большей части этот невероятный скачок был достигнут благодаря улучшению бытовых условий и медицинской помощи, снизившему уровень смертности детей и младенцев, а не благодаря повышению качества лечения в старости. В целом это продление произошло за счет устранения факторов, укорачивавших жизнь молодых и здоровых людей. Например, один из самых ощутимых ударов по средней продолжительности жизни в недавней истории был нанесен в 1918 году вирусом гриппа, который в основном поражал молодых людей³.

Усовершенствования в сфере общественного здравоохранения, снизившие смертность среди молодых людей и людей среднего возраста, такие как общие санитарные нормы (мытье рук, очистка воды, туалеты) и доступность антибиотиков, уменьшили и общие показатели смертности. Медицинская помощь в ранний период жизни, особенно прививки против детских болезней, в значительной степени снизила детскую смертность. В целом эти изменения санитарных норм, возможностей общественного здравоохранения и вакцинации намного повысили вероятность долгой жизни. С увеличением продолжительности жизни умножились и возрастные заболевания, снижающие качество жизни в преклонном возрасте. И только недавно мы смогли увеличить продолжительность жизни за счет повышения качества лечения пожилых людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями и раком.

Также приходится признать, что, хотя продолжительность жизни неуклонно возрастает, происходит это неравномерно. Улучшения пока касаются не всех – помимо развивающихся стран, “за бортом” остаются и некоторые группы населения Соединенных Штатов, исторически дискриминируемые[2]. К примеру, вопиющее исключение из общей тенденции к увеличению продолжительности жизни – показатель для чернокожих мужчин. Эпидемиолог Шерман Джеймс описывает эффект Джона Генри, при котором борьба человека с бытовыми трудностями сопровождается постоянным стрессом, приводящим к ускоренному накоплению возрастных заболеваний (болезней сердца, диабета и гипертензии) и преждевременной смерти[3]. Неравенство усугубилось во время пандемии COVID-19, когда национальные меньшинства (коренные американцы, латиноамериканцы и афроамериканцы) становились жертвой первой волны пандемии непропорционально чаще остальных[4], причем особенно часто умирали чернокожие мужчины, что привело к снижению показателя средней продолжительности жизни на два с половиной года.

В других демографических группах средняя продолжительность жизни, возможно, уже достигла максимального значения и теперь будет снижаться. Экономист и лауреат Нобелевской премии сэр Ангус Дитон и экономист Энн Кейс из Принстона в 2015 году показали, что в последние годы употребление алкоголя и наркотиков белыми американцами среднего возраста привело к увеличению числа случаев передозировки и самоубийств (“смертей от отчаяния”) и это стало причиной остановки роста средней продолжительности жизни и тенденции к ее снижению. В 2015 году Центр по контролю заболеваемости (CDC) объявил, что впервые за 22 года средняя продолжительность жизни американцев начала сокращаться, что связано с ростом смертности среди людей, не достигших 65 лет. Эйлин Кримминс из Университета Южной Калифорнии установила, что продолжительность жизни американцев коррелирует с их доходами[5]: в частности, в штатах с преобладающим влиянием демократов продолжительность жизни выше, что связано с более высокими доходами, менее выраженным неравенством и более эффективным здравоохранением, тогда как в республиканских штатах чаще встречаются случаи ожирения и нарушений обмена веществ, что снижает продолжительность жизни. Анализ результатов голосования и здоровья, проведенный в 2017 году, продемонстрировал, что показатели слабого здоровья (диабет, избыточное употребление спиртного, ожирение, недостаток физической активности) характерны для 43 % людей, голосовавших за Трампа[6].

Таким образом, мы уже знаем, как увеличить продолжительность жизни: улучшение профилактической медицины, прививки против детских заболеваний, сокращение неравенства, снижение распространения курения и ожирения, снижение уровня стресса и улучшение других аспектов образа жизни могут повысить современный показатель продолжительности жизни… однако эти изменения требуют не только индивидуальных действий, но и политических решений и инвестиций в социально-экономическую сферу в дополнение к таким основополагающим вещам, как равенство в доступности питания и наличие работы. К числу подобных инвестиций относятся усилия системы здравоохранения, направленные на всеобщую вакцинацию, воспитательные программы с разъяснением факторов риска и прекращение распространения наркотиков. В отношении последнего пункта наконец появились хорошие новости: попытки отслеживать употребление наркотических препаратов и ограничение их предписаний привели к снижению числа смертей, связанных с приемом опиоидов. Мы могли бы увеличить продолжительность жизни в США, если бы направляли больше усилий на сокращение неравенства.

В среднем женщины живут дольше мужчин, но одна опасность в жизни женщин, которой не существует для мужчин, заключается в рождении детей⁴. Беременность и роды несут в себе самый большой риск для здоровья женщин, что отражается в показателе материнской смертности, который определяется как смерть в результате беременности, наступившая в течение 42 дней после окончания беременности. Этот риск в значительной степени зависит от места проживания и частично от этнического происхождения. В целом материнская смертность сильно сократилась после 1950-х годов и в некоторых странах стала редкостью. Например, в Финляндии, Греции, Исландии и Польше этот показатель составляет 3 смерти на 100 тысяч родов, но в некоторых частях Африки он достигает нескольких сотен, и лидирует в этом списке Сьерра-Леоне – 1360 смертей на 100 тысяч родов[7]. Впрочем, материнская смертность остается проблемой не только в развивающихся странах. Соединенные Штаты отличаются весьма неприятным показателем материнской смертности[8] – таким же, как в Катаре, и выше, чем повсюду в Европе и других развитых странах. Более того, этот показатель вырос за последнее время от 7,2 смерти на 100 тысяч родов в 1987 году до 18 смертей в 2014-м.

Риск материнской смертности зависит от возраста женщины и описывается U-образной кривой: он минимален в двадцатилетнем возрасте. Во всем мире в группу максимального риска попадают молодые женщины, забеременевшие в возрасте от 10 до 14 лет, что в странах с “хрупкой системой здравоохранения” (по определению ВОЗ) связано еще и с другими медицинскими проблемами. Однако в США риск для этой возрастной группы может повышаться в связи с увеличением числа жертв изнасилований и запретом на аборты в некоторых штатах после принятия Верховным судом кошмарного решения об отмене постановления по делу “Роу против Уэйда” (постановление закрепляло право женщины на прерывание беременности). Конечно же, другие страны признают, что легальное прерывание беременности должно быть частью системы здравоохранения, и теперь аборты легализованы в Ирландии, Гибралтаре и Сан-Марино в Европе, а также в Мексике, Аргентине, Уругвае, Колумбии и Чили в Северной и Южной Америке, что привело к соответствующему снижению показателей материнской смертности[9]. В развитых странах главный фактор риска материнской смертности – старение: риск максимален для женщин старше 35 лет[10]. “Старородящие” (этот неприятный термин я услышала, когда была беременна первым ребенком в 38 лет) вносят значительный вклад в повышение показателя материнской смертности. Анализ, проведенный в округе Колумбия с 2008 по 2014 год, показал, что в группу самого высокого риска попадают женщины старше 40 лет: показатель материнской смертности для них составляет 142 смерти на 100 тысяч родов.

В значительной степени плохая статистика в США объясняется шокирующе высоким показателем материнской смертности среди чернокожих женщин: он в четыре раза выше соответствующего показателя для белых женщин, и часто смерти в таких случаях предшествует преэклампсия⁵. Данная проблема не объясняется только социально-экономическими факторами: сообщалось, что даже Серена Уильямс, одна из ведущих теннисисток мира, осталась без должного внимания врачей и чуть не умерла после родов; семикратная олимпийская чемпионка спринтер Эллисон Феликс тоже страдала от преэклампсии и вынуждена была родить ребенка на 32-й неделе беременности. Младенческая смертность и смертность чернокожих детей после хирургических операций соответствуют той же тенденции (обычно мужчины лучше восстанавливаются после операций, чем женщины). Хотя отчасти это может быть связано с различиями в некоторых факторах риска (повышенное артериальное давление, диабет, ожирение, возраст) и отчасти с различиями в пренатальной медицинской помощи, все же в какой-то степени тенденция объясняется недостаточным вниманием медицинского персонала к состоянию чернокожих женщин, разницей в количестве времени, уделяемого докторами чернокожим и белым пациентам, а также качеством медицинской помощи в больницах, которые по большей части обслуживают чернокожих пациентов. В некоторых штатах, таких как Калифорния, показатели материнской смертности улучшились благодаря более тщательному постродовому мониторингу, но для улучшения показателей в Соединенных Штатах в целом такие меры, а также высококачественное пренатальное медицинское обслуживание должны внедряться равномерно по всей стране.

Короче говоря, увеличение продолжительности жизни по-прежнему не сводится только к продлению жизни пожилых людей – здесь важно и улучшение показателей выживаемости детей и подростков, а в отношении женщин еще и обеспечение безопасной беременности и родов⁶.

Достигли ли мы плато на кривой средней продолжительности жизни?

Поскольку мы уже знаем кое-что о том, как жить дольше, резонно задать вопрос: не достигли ли мы предела возможной продолжительности жизни? В 2016 году биолог Ян Вейг из Медицинского колледжа Альберта Эйнштейна и его коллеги вызвали горячие споры, заявив, что все больше людей доживают до ста, но мало кто живет дольше 115 лет, значит, видимо, 115 лет – предельный возраст человека[11]. Однако некоторые демографы быстро заметили, что эта оценка держится на единственном показателе: в модели учитывалась исключительная продолжительность жизни знаменитой французской сверхдолгожительницы Жанны Кальман, достигшей рекордного возраста 122 года[12]. Этот пример показывает, что иногда в печати появляются сомнительные и непроверенные научные данные, но еще – до какой степени людей интересует, сколько же может жить человек как биологический вид. Вскоре после заявления Вейга демограф Джеймс Ваупел с коллегами предположили, что смертность, то есть вероятность умереть в любой момент времени, на самом деле после 105 лет снижается[13]. Смысл такой, что после этого порога трудно предсказать момент смерти. И если учесть эти данные, непонятно, каков же максимальный предел долголетия.

Из рассуждений о “максимальной продолжительности жизни” выпадает один очень важный аспект: нынешние долгожители не пользовались современными возможностями влияния на молекулярные механизмы долгожительства, так что гипотетическая вероятность прожить “всего 115 лет”, реальна она или нет, не учитывает преимуществ антивозрастной медицины. Главная задача изучения молекулярных механизмов старения – создание препаратов для борьбы с возрастными заболеваниями. Исследования в области старения и долголетия нацелены на продление здорового существования, что приведет к превышению порога максимальной продолжительности жизни, о котором говорят современные демографы. И даже если мы достигли максимального значения, возможного при современном уровне терапевтических методов и лекарств, специалисты надеются сдвинуть этот показатель или хотя бы продолжительность здорового отрезка жизни в правильном направлении.

Этично ли изучать старение?

Люди проявляют огромный интерес к изучению старения и возможностям его замедления. Когда я начала проводить исследования в этой области, большинство людей, слышавших о моей работе, невероятно возбуждались и сразу понимали суть проблемы. Однако время от времени встречался кто-нибудь, кого идея изучения механизмов старения отталкивала по той причине, что манипулировать скоростью старения “неэтично”. Дискуссия на эту тему разгорается вновь и вновь (как минимум в социальных сетях) каждый раз, когда выясняется, что какой-то миллиардер из Кремниевой долины создал очередную компанию, занимающуюся проблемами долголетия, а иногда и специалисты в других областях науки говорят, что финансирование исследований старения – напрасная трата денег.

С одной стороны, заявления критиков понятны: в экстраполяции можно представить себе общество, в котором состоятельные люди никогда не стареют, поскольку могут пользоваться дорогими лекарствами “против смерти”, тогда как менее обеспеченные заболевают и умирают рано. Но давайте взглянем правде в глаза: в Соединенных Штатах эта проблема в какой-то степени существует уже сейчас из-за неравного доступа к медицинской помощи и медицинской страховке, что дает богатым более высокие шансы преодолеть почти любую болезнь и в результате жить дольше, как подтверждает работа Кримминс. Эту социально-экономическую проблему мы должны решить вне связи с возможностями увеличения продолжительности жизни.

Еще один довод против исследований старения предполагает дополнительный вклад в избыточный рост населения. Однако такое следствие кажется маловероятным, ведь рост продолжительности жизни не будет сопровождаться ростом рождаемости, так как коснется населения пострепродуктивного возраста (если только не ставится задача удлинения репродуктивного периода, см. главу 8, но и это не должно вызвать масштабного роста численности населения). Если бы мы научились излечивать всех больных раком, болезнями сердца и диабетом, это тоже привело бы к росту численности населения, однако большинству из нас показалось бы нелепым прекращать изучение этих болезней.

Наконец, существуют экономические проблемы, связанные с поддержкой стареющего населения, – в частности, рост числа пенсионеров. Однако задача большинства серьезных исследований в области старения – продлить здоровую жизнь[14]. В книге “Старение: преимущества долгожительства” Джей Ольшански и его коллеги утверждают, что удлинение здоровой жизни позволит сохранить средства, а не потратить[15]. Они полагают, что поддержание более долгой здоровой жизни уменьшит, а не увеличит нагрузку пожилого населения на экономику. В той же книге экономист Дана Голдштейн отмечает, что для учета такого демографического сдвига, возможно, потребуется изменить структуру нашей сегодняшней системы социального обеспечения[16], – то есть рассматривать экономические вопросы действительно придется. В любом случае бороться с неравенством в доступности медицинской помощи в современном мире необходимо, но это не научная проблема – мы уже знаем, как с ней бороться, теперь нужны политические решения.

Мы знаем, как жить дольше

Если задуматься об увеличении продолжительности жизни, придется признать, что мы уже знаем способы достижения полного жизненного потенциала. Большинство решений связаны со здоровым образом жизни: здоровое питание, достаточное количество физических упражнений и сна, профилактика и решение медицинских проблем, предотвращение избыточного стресса. И в этом отношении нам уже известен простой способ жить дольше: нужно быть богатым. Это неравенство часто выражается в том, что называют “выбором образа жизни” (и иногда морали), тогда как на самом деле выбор определяется экономическими факторами. К примеру, питание: всем известно, что для сохранения здоровья нужно есть больше овощей и фруктов, но они часто стоят дорого и не всегда доступны в “продовольственной пустыне” городов. Кроме того, богатые люди не меняют рацион питания в зависимости от месячной зарплаты. Физические упражнения – тоже роскошь: богатые люди могут хвастаться, сколько часов в неделю они уделяют спорту, как пробежали последний марафон или позанимались на велотренажере, но им не приходится заботиться о том, чтобы накормить детей. В социальных сетях они могут жаловаться на стресс, но, скорее всего, они не боятся, что на них нападут возле собственного дома. Им вряд ли приходится испытывать ежедневный стресс по поводу своих прав на работе и в школе и расспросов со стороны властей, в том числе полиции. Наконец, богатые люди часто проходят профилактические медицинские осмотры, имеют возможность решить медицинские проблемы до обращения в скорую помощь, и им не приходится выбирать, лечиться или нет. Это неравенство в доступности медицинской помощи оказывает долгосрочное влияние на продолжительность жизни. (Единственный неправильный выбор, который в последнее время делают некоторые состоятельные люди, – недоверие к преимуществам вакцинации, но при этом они эгоистично полагаются на популяционный иммунитет, так что вряд ли будут страдать от последствий своего решения.)

Кроме генетики, все эти элементы – питание, физические упражнения, сон, стресс и надлежащее медицинское обслуживание – являются главными факторами, определяющими продолжительность жизни. В дополнение к влиянию образа жизни так называемое взаимодействие генов и окружающей среды определяет, каким образом наше генетическое строение позволяет нашей биологии справляться с различными видами внешнего стресса, что тоже сказывается на продолжительности жизни. В лабораторных условиях с помощью модельных организмов мы обычно пытаемся воспроизвести оптимальные условия и поэтому часто не учитываем влияние стресса, вызванного экстремальным социально-экономическим неравенством. Но нужно признать, что наилучший способ для реализации максимального жизненного потенциала – быть богатым и находиться в привилегированном положении, имея возможность выбирать оптимальный для долголетия образ жизни.

Продление здорового отрезка жизни: снижение уровня заболеваемости

Нас часто спрашивают: “Не приведет ли удлинение жизни к тому, что люди будут дольше болеть?” Это возможно, но только если действовать неправильно. Вообще говоря, можно допустить, что сейчас мы как раз движемся неверным путем: пытаемся победить одну болезнь за другой, даем лекарства от одной болезни, потом от другой, вместо того чтобы повлиять на причину возрастных заболеваний, а именно – на старение. И поскольку пока мы не знаем, как предотвратить нейродегенеративные заболевания, мы поддерживаем здоровье тела, но не поддерживаем когнитивные функции, что ведет к потенциально катастрофическому увеличению числа людей с болезнью Альцгеймера и другими видами возрастной деменции. Неспособность фармацевтических компаний преодолеть эту проблему (мы видим, что они так и не находят средства от болезни Альцгеймера, сколько ни проводят клинических испытаний) означает, что решить задачу на сегодняшний день могут только академические лаборатории.

Одна из самых больших ошибок в восприятии исследований старения – полагать, будто мы пытаемся продлить только последний отрезок жизни, что, понятное дело, большинству людей не кажется привлекательным. Если я, рассказывая о своей работе, не показываю видео невероятно долго живущих маленьких червячков, большинство людей считают, что мы просто продлеваем последние этапы их жизни, но на записи видно, что червячки-долгожители – молодые и здоровые, а не дряхлые. Это долгоживущие мутанты с удлиненным здоровым отрезком жизни. Именно этого мы хотели бы добиться для людей – увеличить продолжительность здорового отрезка жизни. Главная задача исследований старения заключается, как выразился Джим Фрайс, в сокращении фазы болезней[17]. Идея в том, чтобы максимально продлить здоровый отрезок жизни, а затем быстро состариться, максимально укоротив “хрупкую” фазу. Полагаю, большинство людей признают, что это достойная цель исследований, поскольку все согласны, что от продления жизни без улучшения здоровья пользы мало. Действительно, в последнее время исследования в этой области сдвинулись от курса на достижение максимальной продолжительности жизни к развитию новых способов анализа здорового отрезка жизни – различных аспектов качества жизни, изменяющихся с возрастом. Изучение этой фазы здоровой жизни поможет нам одновременно увеличить продолжительность жизни и сократить фазу болезней и угасания[18]. В конечном итоге при исследовании старения нам следует изменить определение долгой жизни таким образом, чтобы включить в него условие высокого качества жизни. Вполне вероятно, что в результате этой работы мы продлим отрезок здоровой жизни, причем не только для самых богатых или для тех, кто озабочен долголетием, но и для всего населения в целом.

Как же мы будем это делать? Сначала нужно понять механизмы регуляции старения и долгожительства, а затем найти способы активации этих механизмов в организме человека. И в основном в этой книге я буду рассказывать о механизмах, которые не только увеличивают продолжительность жизни, но и улучшают здоровье.

Глава 2
Почему мы стареем?

Мы воспринимаем старение как естественную часть жизни, но, вообще говоря, почему мы должны стареть? Обязательно ли это? В этой главе я представлю старые и новые теории старения. На фундаментальном уровне старение представляет собой нарушение гомеостаза – неспособность устранять повреждения с такой скоростью, чтобы организм не изменялся со временем. Одна простая модель постулирует, что в процессе развития и в молодые годы организм затрачивает энергию, чтобы устранять повреждения для сохранения возможности воспроизводства; однако после завершения репродуктивного периода уже нет или почти нет эволюционного давления, предотвращающего ухудшение здоровья в результате повреждений, поэтому на репарацию расходуется меньше энергии, что ведет к накоплению повреждений, – это и есть старость. Необходимость реагировать на изменяющиеся внешние условия приводит к снижению скорости воспроизводства и параллельно к появлению механизмов удлинения жизни, что в определенных условиях обеспечивает более позднее воспроизводство. Следовательно, старение можно рассматривать не как результат отбора, а скорее как побочный продукт от прекращения поддержания здоровья организма после завершения репродукции. При обсуждении подходов к исследованиям старения полезно принимать во внимание представление о старении как о прекращении поддержания здоровья при потере репродуктивной способности, которое можно предотвратить или замедлить.

В конце 1990-х мне представилась возможность побывать на Кубе, и одним из самых удивительных впечатлений в Гаване для меня стало изобилие старых, ярко раскрашенных американских автомобилей. Эти реликвии 1950-х годов как будто остановили ход времени, по крайней мере на вид (после революции 1959-го Фидель Кастро запретил ввоз иностранной продукции). Забавно, что так много старых машин все еще бегали по дорогам, переживая починку и смену ценных деталей на протяжении многих лет. Судя по состоянию машин, их поддержание требовало времени и сил.

В отношении старения наши тела часто сравнивают со старыми машинами, постепенно разваливающимися со временем. Но это сравнение теряет смысл, когда вы понимаете, что мы затрачиваем энергию на репарацию наших клеток и способны регулировать скорость увядания посредством генетических механизмов. Наши клетки постоянно исправляют и заменяют поврежденные части, используя для этого энергию. При наличии соответствующей технологии мы можем научиться делать то же самое за счет активации естественных механизмов организма, с помощью лекарств, индуцирующих репарацию, или, быть может, путем замены клеток. В нескольких потрясающих работах последних лет было показано, что нам под силу замедлить или даже обратить некоторые аспекты старения. Например, ооциты червей “омолаживают” все свои белки непосредственно перед оплодотворением[1], так что новая яйцеклетка всегда свежая, вне зависимости от того, сколько времени она провела в материнской матке. Исследователи, изучающие старение, надеются, что в будущем мы сможем инженерным путем создавать новые части клеток для замены старых, что позволит восстанавливать функциональное тело – возможно, путем соединения и подгонки деталей, как в ярко раскрашенных старых американских машинах на Кубе.

Многих людей в отношении старения больше всего интересует вопрос, почему мы вообще должны стареть. Прежде всего замечу: наука хорошо умеет объяснять, как что-то происходит, но ответить на вопрос, почему что-то происходит, труднее: для установления причины нам нужно восстановить прошлое на основании экспериментально наблюдаемого настоящего, и такие выводы имеют естественные ограничения. По этой причине на протяжении многих лет разные теории старения появлялись, а затем исчезали по мере накопления новых данных⁷. Хотя моя книга скорее посвящена обсуждению наших современных знаний о молекулярных механизмах регуляции старения и продолжительности жизни, чем изложению эволюционных теорий старения, быстрый обзор этих теорий поможет понять, как такие механизмы могли развиваться.

Вместо того чтобы задавать вопрос, почему мы стареем, возможно, полезнее вывернуть вопрос наизнанку и спросить: а почему мы не должны стареть? Животные, как и все, что существует во вселенной, подчиняются второму началу термодинамики: общая энтропия изолированной системы со временем только увеличивается. Как поддержание чистоты в доме, так и сохранение здоровых функциональных клеток и генома требует работы. Без постоянной работы энтропия берет верх, а дальше, как вам известно, все приходит в беспорядок, и никто не знает, где что лежит (как у нас дома). Клетки потребляют энергию и используют ее для исправления повреждений и очистки, но им постоянно приходится бороться за поддержание порядка. Тот факт, что ограничение потребления калорий увеличивает продолжительность жизни, казалось бы, в таком контексте противоречит здравому смыслу, но дело в том, что клетки способны регулировать интенсивность своей функции (особенно синтез белка), снижая уровень повреждений и расход энергии на репарацию. Так же и мой дом оставался бы в чистоте, если бы остальные члены семьи отсутствовали и я неделю пробыла в доме одна.

Одна из наиболее понятных и давних теорий старения – простая модель “физического износа”. В таком ключе рассуждают о старой машине: чем больше ее используют и чем она старее, тем больше она изнашивается и тем чаще требуется ремонт. Известный физиолог Уолтер Кеннон, который во время Первой мировой войны спасал солдат, находившихся в состоянии шока (он добавлял им в кровь бикарбонат натрия для снижения кислотности), впервые выдвинул концепцию гомеостаза для описания своих наблюдений о механизмах поддержания функций и равновесия в организме. В упрощенном виде старение – это такое состояние, когда клетки не могут достаточно быстро исправлять повреждения. Потеря “клеточного гомеостаза” приводит к накоплению повреждений и – в конечном итоге – к клеточной дисфункции. На молекулярном уровне этот процесс проявляется, например, в окислительном повреждении белков и в мутациях ДНК.

Однако мы, в отличие от машин, не начинаем “терять стоимость” от активного использования и “стареть от момента рождения”, как принято утверждать. Я часто слушаю доклады на тему старения, и меня раздражает один слайд, который регулярно используют в начале доклада: изображение головы ребенка, потом взрослого человека, человека среднего возраста и старика. Этот рисунок подразумевает, что старение – непрерывный нисходящий процесс, начинающийся от рождения, и он не учитывает наших знаний из области биологии: клетки и ткани молодых людей прекрасно исправляют и заменяют сами себя для поддержания своей функции. Мы проходим несколько жизненных этапов, и, хотя трудно точно определить дату, когда мы “начинаем стереть”, мы не считаем, что подростки “старее”, чем дети в начальной школе. Генетические программы направляют развитие человека от подросткового до репродуктивного возраста. Мы развиваемся до взрослого возраста и только потом в какой-то момент начинаем стареть. (Если вам больше сорока, вы уже могли это заметить.) Повреждения накапливаются, но, судя по всему, накапливаются с разной скоростью у разных организмов и даже в одном и том же организме в разном возрасте. Следовательно, скорость старения регулируется каким-то более сложным образом.

Разные механизмы должны обеспечивать замену клеток молодого организма и репарацию существующих клеток, и умение управлять этими механизмами открыло бы перед нами большие возможности. Вообще говоря, на свете мало бессмертных организмов. Многие организмы, которые кажутся бессмертными, постоянно обновляют свои клетки. Можно сказать, что некоторые морские животные, плоские черви типа планарий и некоторые деревья “почти не стареют”, поскольку их клетки постоянно заменяются новыми. Эти организмы обновляют себя за счет активности стволовых клеток – “материнских” клеток, которые в результате деления могут дать начало клеткам любого типа. Разрежьте планарию на множество фрагментов, и из них вырастут целые новые животные, поскольку их стволовые клетки распределены по всему телу. Под влиянием стресса японская “бессмертная медуза” (Turritopsis dohrnii), по сути, обращает вспять процесс развития (как Бенджамин Баттон, Макс Тиволи⁸ или Мерлин) и возвращается к ювенильному состоянию полипа в процессе “трансдифференцировки”. Это означает, что такие животные не являются поистине бессмертными, а поддерживают постоянство функций за счет производства новых клеток для замены старых. Давайте уточним: сохранение стволовых клеток является важнейшим условием и нашего с вами здоровья, они нужны нам для поддержания иммунной системы, мышц, кожи и даже головного мозга. Поиск возможностей использования стволовых клеток для предотвращения возрастных проблем – одно из главных направлений в исследованиях старения. Мы никогда не станем бессмертными, но можем попытаться понять и использовать приемы, с помощью которых сохраняются “бессмертные” животные.

Одним из первых, кто всерьез занялся изучением старения, был русский ученый Илья Мечников. Он был удостоен Нобелевской премии (в 1908 году) за открытие макрофагов и другие выдающиеся исследования в области иммунологии и микробиологии, и он же предложил термины “геронтология” и “танатология” (изучение смерти, а не персонажа комиксов Marvel). Он продемонстрировал роль иммунной системы и микробиоты в старении и возможность замедлять старение с помощью пробиотиков (см. главу 16). С его именем также связывают идею гормезиса (“Мой общий вывод из этих данных заключается в существовании логичного принципа, в соответствии с которым высшие элементы нашего тела могут усиливаться под воздействием малых доз подходящих цитотоксических сывороток”[2])⁹, и его исследования стали одним из источников для формулировки теории программируемой смерти, которая на первый взгляд напоминает идею Августа Вейцмана о программируемости старения (но они по-разному отвечали на вопрос, является ли естественная смерть эволюционным преимуществом). По сути, Мечников был твердым сторонником борьбы со старением, поскольку полагал, что многие факторы, включая плохое питание, болезни и инфекции, способны укорачивать потенциальную продолжительность жизни человека. По этой причине его можно считать одним из основателей геронтологии и “науки о долголетии”, задача которых заключается в поиске практических методов замедления старения.

В 1928 году Раймонд Перл выдвинул теорию о скорости жизни, в основе которой лежит предположение, что конечность ресурсов является лимитирующим фактором продолжительности жизни: в таком ключе чем быстрее животное перерабатывает энергию, тем короче его жизнь. Эта идея соответствует общему наблюдению, что мыши живут меньше слонов, однако существуют животные такого же размера, как мыши, которые живут очень долго (например, летучие мыши или голые землекопы). Таким образом, летучие мыши и голый землекоп имеют очень высокий “коэффициент долголетия”[3], поскольку их продолжительность жизни намного больше, чем предсказывает их размер. Кроме того, эта теория не согласуется с наблюдением, что маленькие суетливые собачонки обычно живут дольше крупных собак.

Еще одна из ранних теорий старения, теория накопления мутаций, была предложена в 1952 году Питером Медаваром; она напоминает модель старения автомобиля и предполагает случайное накопление повреждений после завершения репродуктивного периода. На первый взгляд теория кажется разумной: большинство людей среднего возраста согласятся, что с какого-то момента системы организма начинают рассыпаться. Теория накопления мутаций предполагает, что после завершения репродуктивного периода уже не происходит отбора против возрастных проблем, в частности вызванных случайными мутациями, и поэтому они могут разрушать организм и вызывать старение. Медавар использовал аналогию со старыми пробирками: даже если пробирки не выглядят старыми, по прошествии достаточно длительного времени они разваливаются и распадаются случайным образом – как древний свадебный фарфоровый сервиз или машины на Кубе.

Теория антагонистической плейотропии была предложена Джорджем Уильямсом в 1957 году; она учитывает различие между ранними и поздними фазами жизни[4]. Уильямс предположил, что некоторые гены на ранних фазах жизни могут обеспечивать организму определенные преимущества (например, быстрое развитие и большое количество потомков), однако активность тех же генов в поздней фазе оказывает пагубное влияние и способствует возрастным изменениям. К числу таких факторов может относиться механизм, связывающий количество питательных веществ и скорость старения. (В ходе нашего обсуждения я приведу несколько примеров подобных моделей.) Теория антагонистической плейотропии лучше согласуется с наблюдением, что животные с меньшей продолжительностью жизни часто созревают быстрее и активнее воспроизводятся.

Заметим, Уильямс считал маловероятным, что мы “справимся со старением” и найдем отдельные причины или отдельные гены, влияющие на продолжительность жизни; “этот вывод говорит о том, что существование «источника молодости» невозможно с научной точки зрения”[5]. Конечно, как я расскажу позднее, открытие мутаций отдельных генов, приводящих к удвоению продолжительности жизни червей, а позднее и дрозофил, опровергает утверждение Уильямса о невозможности продления жизни¹⁰[6]. Идея, что отдельные гены не способны влиять на продолжительность жизни, была настолько широко распространена, что на годы затормозила исследования процессов старения и ограничила понимание некоторых экспериментальных результатов (до сих пор часто повторяют, что отдельные гены не могут влиять на продолжительность жизни, хотя за 30 лет накопилось большое количество данных, опровергающих эту теорию). Как мы обсудим в последующих главах, есть особые мастер-гены, управляющие целыми каскадами нижестоящих генов и поэтому одновременно контролирующие работу сотен других генов, ни один из которых сам по себе не оказывает значительного влияния, – что соответствует теории Уильямса. Но все же отдельные гены могут быть важнейшими регуляторами продолжительности жизни. Теории, которые не принимают в расчет этот факт, устарели, и это следует разъяснять.

Шон Каррен, Гэри Равкан и другие исследователи решили проверить один из аспектов теории антагонистической плейотропии путем отключения генов после завершения фазы развития с помощью РНК-интерференции[7]. Они обнаружили, что отключение во взрослом возрасте многих важных и высококонсервативных генов (таких, без которых животные не могут нормально развиваться) на самом деле увеличивает продолжительность жизни. Почему это так? Анализ протеома показывает, что эти гены образуют избыточное количество связанных с возрастом агрегирующих белков[8], а эти белки с годами могут терять свою функцию и действовать как центры агрегации (вязкие комки, которые разрастаются и повреждают клетки), причиняющие вред. Конечно, отключение не любого важного гена приводит к увеличению продолжительности жизни, и не любой ген, обладающий антагонистическим плейотропным действием, критически важен, но анализ генов в более поздние годы жизни позволяет отличить их влияние от их функции в период развития.

Представлению о старении как о результате случайных повреждений противостоит гипотеза Михаила Благосклонного о “квазипрограммируемой” природе старения[9]. Его гипотезу квазипрограммируемой гиперфункции развития можно назвать механистическим расширением теории антагонистической плейотропии – некоей антагонистической плейотропией стероидов (честно говоря, я не уверена, что это принципиально отличается от гипотезы антагонистической плейотропии). Теория гиперфункции предполагает, что активность систем, задействованных в процессах развития, но ставших ненужными, постепенно приводит к повреждениям, в конечном итоге убивающим животное. Благосклонный приводит сравнение с ванной: представьте, что наполняете ванну водой, и если она заполнена, а кран все еще открыт, произойдет катастрофа (квазипрограммированное затопление квартиры). Он считает, что гиперфункция процессов развития у человека приводит к таким патологиям, как диабет, ожирение, опухоли, гипертензия и другие, – фактически ко всем проявлениям возрастных заболеваний. Можно предположить, что после завершения репродуктивного периода неполное отключение некоторых репродуктивных функций вызывает разрушительные последствия, описанные Благосклонным.

Эту теорию связывают с ранее описанным накоплением белков развития. В двух независимых исследованиях, посвященных изучению возрастных морфологических нарушений у C. elegans, Делия Гариган и Синтия Кеньон (в 2002 году) и Лаура Херндон и Моника Дрисколл (тоже в 2002-м) сообщали о постепенном накоплении в теле животных – особенно короткоживущих – связывающихся с липидами белков, называемых вителлогенинами, которые в норме содержатся в развивающихся ооцитах[10]. Это подтверждает идею о разрушительном влиянии пострепродуктивного накопления и агрегации таких липопротеинов в тканях, не имеющих отношения к репродукции, когда липиды больше не нужны или неправильно упаковываются в развивающихся яйцеклетках. Действительно, в нашей работе с Синтией Кеньон мы обнаружили (а другие ученые позднее подтвердили), что у долгоживущих мутантов синтез вителлогенинов подавляется, и снижение уровня этих белков, переносящих липиды, увеличивает продолжительность жизни[11]. Позднее было высказано предположение, что аномальное накопление вителлогенинов у стареющих червей после завершения репродуктивного периода служит примером квазипрограммируемой гиперфункции, о которой говорил Благосклонный: продолжение процессов развития с возрастом становится губительным для организма[12].

Одна из самых старых и популярных теорий старения (такая популярная, что никак не умрет!) гласит, что одним из главных факторов старения являются повреждения, вызванные действием активных форм кислорода (АФК). С наибольшей вероятностью именно об этой теории вы могли узнать из популярной литературы о старении. Один из зачинателей исследований молекулярных основ старения, Денхам Харман, впервые предложил свободнорадикальную теорию старения в 1956 году, и на протяжении десятилетий она оставалась доминирующей. Знаменитый химик из Калифорнийского технологического института, дважды лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг развивал следствия из этой теории, утверждая, что лучшее средство против старости – антиоксиданты. (Рассказывают, что Полинг поглощал мегадозы витамина С, как конфеты, и трудно установить, прожил ли он от этого дольше или нет, поскольку он умер в 93 года, а Харман – в 98 лет! Однако не проверяйте на себе, поскольку избыток витамина С просто выводится из организма, а прием чрезвычайно высоких доз способствует образованию камней в почках.)

Теория АФК была так широко распространена, что не подвергалась сомнению, и, честно говоря, в начале 2000-х годов, когда я начала заниматься вопросами старения, ее невозможно было обойти. В то время основная модель старения предполагала, что только супероксиддисмутаза (СОД) и каталаза – два фермента, которые действуют совместно и устраняют радикалы кислорода, ответственны за большую продолжительность жизни у долгоживущих животных и у животных с мутациями инсулиновых сигнальных путей (основных путей долгожительства) и что у долгоживущих мутантов усилена экспрессия генов этих ферментов¹¹. Была популярна идея, что долгоживущий вариант C. elegans с мутантным геном daf-2, кодирующим рецептор инсулина/инсулиноподобного фактора роста, обязан своим долгожительством исключительно повышенной экспрессии гена супероксиддисмутазы sod-3¹². Действительно, Хонда и Хонда показали, что экспрессия этого гена очень сильно повышена у животных с мутантным геном daf-2[13]. Супероксиддисмутазы работают в паре с каталазами, избавляя клетки от опасных супероксидных радикалов. Однако мы в экспериментах по изучению экспрессии генов долгоживущих червей с мутантным геном daf-2 с помощью микрочипов (см. главу 6) показали, что у этих животных повышена экспрессия сотен генов, а не только генов СОД и каталазы, и, следовательно, маловероятно, что за увеличение продолжительности жизни мутантов отвечает только пара ферментов СОД/каталаза. Еще важнее: за счет отключения функций отдельных генов мы установили, что каждый из этих активно экспрессируемых генов (в том числе генов СОД и каталазы) отвечает лишь за небольшое (5–10 %) увеличение продолжительности жизни мутанта. Для достижения невероятно долгой жизни мутанта daf-2 необходимо сложение активности всех этих генов, а не только генов антиоксидантов. Таким образом, победа над АФК – не единственный фактор, способствующий сохранению здоровья долгожителей с мутантным инсулиновым рецептором. (К сожалению, в нескольких статьях и обзорах, где упоминалась наша работа, говорилось, что мы подтвердили роль генов антиоксидантов в увеличении продолжительности жизни – поскольку они были в списке генов с повышенной экспрессией, но при этом ничего не говорилось о десятках других генов, которые оказывали такое же действие, и в результате смысл нашей работы полностью терялся.) И правда, в 2012 году Джереми ван Раамсдонк и Зигфрид Хекими показали, что при отключении всех пяти генов супероксиддисмутаз (sod-12345) черви становятся более чувствительными к стрессу, но в отсутствие стресса имеют нормальную продолжительность жизни[14]. Таким образом, хотя АФК могут быть частью проблемы, вряд ли они – единственная причина старения.

Тем не менее продолжают накапливаться данные в поддержку теории Хармана об АФК. Например, в 2010 году Стив Аустад и его студенты из Лаборатории морской биологии в Вудс-Хоуле во время курса по изучению старения провели сравнительное исследование двух видов моллюсков из одинаковой среды, но с разной продолжительностью жизни: необыкновенного долгожителя Arctica islandica (максимальная продолжительность жизни – до 400–500 лет!) и родственного моллюска Mercenaria mercenaria с небольшой продолжительностью жизни (“всего” 100 лет). Из их результатов следует, что в целом долгоживущий вид лучше справляется с окислительным стрессом[15]. Однако некоторые ткани оказались исключением из этого правила, и базовая антиоксидантная активность двух организмов была одинаковой, а это показывает, что устранение свободных радикалов – не единственная причина невероятного долгожительства Arctica islandica. Это исследование, как и многие другие, отчасти доказывает справедливость теории АФК, но не позволяет делать вывод, что защита от окислительного стресса – единственный механизм, обеспечивающий долгожительство. Рошель Баффенштейн (у нее в лаборатории занимаются изучением удивительно долгой жизни голых землекопов – подробнее см. в главе 4) обозначила это со всей ясностью в 2005 году в статье, озаглавленной “Антиоксиданты не объясняют различие в продолжительности жизни мыши и самого долгоживущего грызуна – голого землекопа”[16].

Теория АФК стала постепенно рассыпаться по мере накопления новых данных о том, что антиоксиданты не только не являются единственным источником долголетия, но в некоторых случаях наносят вред. Например, у мышей, получавших витамин С на протяжении 18 месяцев, подавлялась экспрессия некоторых антиоксидантных генов, таких как ген супероксиддисмутазы, и, возможно, именно поэтому они не жили дольше[17]. Антиоксиданты, включая те, на которые уповал Лайнус Полинг, способны наносить вред при применении в условиях легкого стресса, обычно удлиняющих жизнь; иными словами, животные, которым давали антиоксиданты в стрессовых условиях, хуже переживали этот период. Еще неприятнее тот факт, что среди здоровых молодых мужчин, занимавшихся физическими упражнениями на протяжении четырех недель и принимавших или не принимавших витамины C и E, пользу от упражнений получали только те, кто не принимал витамины![18] Не очень хорошая новость для производителей антиоксидантов. Все эти данные вкупе позволяют предположить, что некоторые окислительные повреждения бывают благотворными или как минимум необходимы для проявления других благотворных эффектов. Возможно, дело в том, что окислительное повреждение служит сигналом к проведению более обширной репарации.

Это подводит нас к концепции гормезиса, несколько в ницшеанском духе: условия стрессовые, но не убивающие животное, помогают ему жить дольше. Например, в лабораториях Тома Джонсона (в 2002 году) и Гордона Литгоу (в 2006-м) было показано, что повторяющиеся условия нелетального стресса на ранних этапах жизни, такие как окислительный стресс или тепловые импульсы, увеличивали продолжительность жизни C. elegans[19]. Получается, что небольшой стресс действительно усиливает выработку АФК, но эти соединения не вызывают повреждения, как утверждает теория, а усиливают реакцию животного на стресс, что увеличивает продолжительность жизни. Поначалу было принято думать, что это происходит за счет прямой активации стрессового ответа, но позднее выяснилось, что между внутриклеточными компонентами, особенно митохондриями, и клетками, индуцирующими гормезисный стрессовый ответ и передающими этот сигнал, существуют более сложные сигнальные пути. В лаборатории Майкла Ристоу в Политехнической школе Цюриха было показано, что применение антиоксидантов притупляет эти сигналы и в результате животные не вырабатывают такую реакцию на стресс, которая давала бы им защиту, а вместо этого умирают раньше.

Таким образом, несмотря на распространенность идеи о роли АФК в научной и популярной литературе и несомненный вклад АФК в некоторые аспекты старения, окислительные повреждения вряд ли являются единственной причиной старения. Более того, прием большого количества антиоксидантов вряд ли спасет нас, но может даже ослабить нашу способность справляться с некоторыми стрессовыми условиями. Тем не менее АФК и ответ на них действительно играют роль в регуляции продолжительности жизни, и нам нужно в этом разобраться.

Некоторые теории связывают продолжительность жизни с репродуктивной функцией. В 1979 году Томас Кирквуд выдвинул теорию одноразовой сомы, предположив, что ресурсы (то есть энергия) направляются либо на поддержание зародышевой линии, либо на поддержание сомы (остальных частей тела), но не на то и другое одновременно[20]. Привлекательна теория тем, что указывает на компромисс между долгожительством и воспроизводством, согласующийся с нашим интуитивным представлением о невозможности обладать всем. Идея о распределении ресурсов и компромиссе высказывается регулярно, и основные выводы этой модели в целом подтверждаются тем обстоятельством, что многие долгоживущие организмы лишь несколько раз производят крупное потомство, а не многократно мелкое – и, кроме того, многие условия, способствующие долгожительству, снижают репродуктивные показатели.

Теория одноразовой сомы предсказывает, что стерильность должна увеличивать продолжительность жизни – и тому есть несколько забавных подтверждений. Например, средняя продолжительность жизни корейских евнухов на 14 лет больше, чем у мужчин с таким же или близким социально-экономическим статусом[21], а среди кастратов численность людей, переживающих столетний юбилей, выше в 130 раз (хотя эти заявления оспаривались)[22]. Казалось бы, из этого следует, что стерильность увеличивает продолжительность жизни. Однако авторы исследований предлагают и второе объяснение: увеличение продолжительности жизни может быть связано со снижением выработки мужских гормонов – и в главе 9 мы подробнее обсудим это предположение, которое кажется более правдоподобным.

Синтия Кеньон и ее ученица Хонор Синь провели детальное исследование C. elegans как раз с целью ответить на вопрос: увеличивает ли стерильность продолжительность жизни? Хонор Синь начала работать в лаборатории Кеньон в Калифорнийском университете в Сан-Франциско еще подростком, пока получала домашнее образование. С помощью серии элегантных экспериментов, используя червей и узкий пучок лазерных лучей, они развенчали идею, будто стерильность является единственной причиной продления жизни.

Чтобы объяснить, что они сделали, я должна сказать несколько слов о раннем развитии C. elegans. На первой, личиночной стадии, называемой L1, у червя еще немного клеток зародышевой линии и гонад; вообще говоря, предшественниками клеток обоих типов являются всего четыре клетки: Z1, Z2, Z3 и Z4 (да, всего четыре!). Прелесть C. elegans в том, что все его клетки каждый раз развиваются одинаковым образом (так называемое стереотипное развитие). Все клетки C. elegans идентифицированы и имеют названия, что позволяет тщательно отслеживать их развитие. И поэтому мы знаем, во что превратится каждая клетка, и отчасти поэтому этот червь стал такой мощной генетической модельной системой. Две внутренние клетки, Z2 и Z3, в результате деления образуют пролиферирующие клетки зародышевой линии, тогда как внешние клетки, Z1 и Z4, являются предшественниками всех поддерживающих, не зародышевых клеток, которые называют соматическими гонадами.

Кеньон и Синь воспользовались простотой этого процесса, чтобы ответить на вопрос о влиянии стерильности. С помощью лазерного пучка они сжигали (убивали) клетки-предшественники, которые в норме должны были превратиться в зародышевые клетки (Z2 и Z3), и в результате получали червей с соматическими гонадами, но без клеток зародышевой линии. Удаление клеток зародышевой линии делало червей стерильными и намного увеличивало их продолжительность жизни. Казалось бы, это подтверждало, что ресурсы перенаправлялись от репродукции к соме, как и постулирует теория одноразовой сомы. Однако Кеньон и Синь провели еще один эксперимент: в отдельной группе червей они удалили еще и клетки, являющиеся предшественниками соматических гонад (Z1 и Z4), тем самым уничтожив как клетки зародышевой линии, так и клетки поддерживающих их окружающих тканей, так что у этих червей репродуктивная система не формировалась вовсе. Такие черви, не имевшие ни клеток зародышевой линии, ни поддерживающих соматических тканей, тоже были стерильными (и, следовательно, не расходовали энергию на воспроизводство), однако они не были долгожителями (илл. 1)[23].

Илл. 1. Удаление клеток зародышевой линии или их предшественников (Z2 и Z3) делает червя C. elegansстерильным и долгоживущим, тогда как удаление одновременно соматических гонад и клеток зародышевой линии (всех четырех клеток-предшественников) делает животное стерильным при нормальной продолжительности жизни. На этом основании можно предположить, что зародышевые клетки и гонады посылают антагонистические сигналы, способствующие и препятствующие старению соответственно. Эти результаты также свидетельствуют против прямого механизма, который постулирует теория одноразовой сомы.

В результате Синь и Кеньон смогли отделить стерильность от долгожительства. Увеличение продолжительности жизни животных, лишенных клеток зародышевой линии, не может объясняться только перераспределением ресурсов, но скорее потерей сигнала, возможно исходящего от здоровых клеток зародышевой линии, который в норме способствует старению. На самом деле данные Синь и Кеньон позволяют предположить, что существуют два антагонистических сигнала: сигнал от клеток зародышевой линии способствует старению, а сигнал от соматических гонад – увеличению продолжительности жизни. В сумме равновесие этих сигналов – в зависимости от состояния клеток зародышевой линии и гонад – сообщает остальным частям сомы (телу), как долго животное будет жить. Когда нет клеток зародышевой линии, функционирует только сигнал долгожительства, и животное живет дольше. Когда нет обоих сигналов, продолжительность жизни нормальная. (А позднее в нашей лаборатории было показано, что спаривание максимально усиливает сигнал, способствующий старению[24].) Таким образом, какие-то элементы теории одноразовой сомы могут быть справедливы, но все не так однозначно, как предполагалось изначально: животные не направляют ресурсы напрямую на одну из функций, а следуют программам и сигналам, которые контролируют продолжительность жизни, как будто предвидя последующие репродуктивные нужды. В рамках такой модели предполагается, что контроль продолжительности жизни осуществляется с помощью гормональных сигналов, а не напрямую за счет отказа от воспроизводства и перераспределения ресурсов.

Следует отметить, что нам неизвестны долгоживущие мутанты или условия, в которых никак не затрагивается репродукция, а значит, обе функции каким-то образом связаны между собой, однако эта связь вовсе не обязательно причинная. Связь между воспроизводством и продолжительностью жизни, возможно, не столь непосредственна, как предполагает теория одноразовой сомы, поскольку существуют мутанты, которые живут очень долго (иногда в десять раз дольше обычного) и при этом с очень небольшой потерей репродуктивной способности, никоим образом не пропорциональной увеличению продолжительности жизни¹³. Более того, в 2002 году Эндрю Диллин и Синтия Кеньон показали, что снижение производства рецептора DAF-2 (рецептора инсулина/ИФР-1) только у взрослых червей – что позволяет избежать какого-либо влияния на развитие или репродукцию – по-прежнему удваивает продолжительность жизни[25]. Иными словами, черви с мутантным геном daf-2 могут жить дольше и при этом не обязательно производят менее многочисленное потомство. Эта работа, продемонстрировавшая отсутствие прямой связи между репродукцией и продолжительностью жизни, играет чрезвычайно важную роль в опровержении теории одноразовой сомы, но она не так хорошо известна в научной среде, как следовало бы. Этот вывод недавно был подтвержден в работе, выполненной в лаборатории Коллина Эвальда. Исследователи показали, что разрушение рецепторного белка DAF-2 после завершения репродуктивного периода увеличивает продолжительность жизни[26], что дополнительно подтверждает отсутствие прямой связи между продолжительностью жизни и репродукцией, о чем раньше уже сообщали Диллин и Кеньон. В нашей лаборатории недавно было показано, что некоторые черви, имеющие большое потомство и/или более длительный репродуктивный период, также живут дольше[27], и это еще раз подтверждает, что теория одноразовой сомы, возможно, неприменима к отдельным животным, но способность более длительного воспроизводства может быть связана с большей продолжительностью жизни, как показали Перлс и его коллеги в отношении женщин, рождающих детей относительно поздно[28]. Приведенные данные показывают, что нет абсолютной необходимости ослаблять воспроизводство или изменять сигнальные пути во время репродуктивного периода, чтобы увеличить продолжительность жизни. И это хорошая новость для большинства из нас!

Правда ли, что смерть животных “запрограммирована”?[29] Все мы слышали о стремительной кончине тихоокеанского лосося, который поднимается вверх по течению на сотни миль, чтобы отнереститься и умереть. Повышение уровня кортикостероидов у этих рыб приводит к подавлению функции иммунной системы, что, в свою очередь, вызывает быстрый отказ органов и смерть. Эти так называемые семельпарные животные размножаются один раз в жизни (воспроизводство “большим взрывом”), а затем умирают сразу после завершения процесса воспроизводства, что вполне можно считать примером запрограммированной смерти. Существование семельпарных видов поддерживается за счет производства большого количества детенышей при полном или почти полном отсутствии родительского воспитания (эта репродуктивная стратегия называется r-отбором), хотя самки лосося все же пытаются повысить шансы мальков на выживание, защищая кладку, пока не умрут. В случае лосося старение (или как минимум смерть), безусловно, можно назвать запрограммированным.

Еще одна теория, которая сначала расцвела, а потом угасла (и снова расцветает?), называется теорией группового отбора. Идея в том, что старение и последующая смерть особи приносят пользу всему племени, например, путем освобождения пространства и ресурсов для молодежи; более старые и больные животные с большей вероятностью достаются хищникам, что также благоприятствует молодым[30]. Это альтруистическое видение старения – решение проблемы перенаселенности в духе истории из фильма “Бегство Логана”¹⁴. Вероятно, польза группового отбора связана не с ограниченностью пищевых ресурсов, а с тем, что такой отбор служит механизмом для ускорения эволюции, например, за счет распространения генов, полезных не для отдельных особей, а для группы в целом[31]. В таком случае эволюционное преимущество может сказываться не так прямолинейно, как перераспределение ресурсов между особями разного возраста, но все равно благоприятствует молодым за счет устранения старых.

Я не эволюционный биолог, и мне кажется, что эту теорию чрезвычайно трудно проверить или отвергнуть; возможно, она справедлива, но мне непонятно, какая польза от нее может быть в большинстве ситуаций. Например, люди часто с уверенностью говорят, что старые черви должны умирать, чтобы молодым доставалось больше пищи. Звучит неплохо, но когда вы проводите эксперимент, вы понимаете, что большая часть пищи в любом случае съедается развивающейся молодью: после репродукции старые черви вообще почти не едят, так что их устранение не оказывает значительного влияния на доступность пищевых ресурсов – вне зависимости от того, умрут они через 15 дней или через 50. Однако наши эксперименты выполнены в лабораторных условиях при избытке пищи. Не исключено, что в природе при флуктуациях доступности пищи ситуация может быть иной. (Возможно, есть польза от того, что молодые черви поедают старых мертвых червей или развивающиеся на мертвых телах бактерии производят питательные компоненты для молодых, но в таком случае это опять-таки непрямое влияние.) Может быть, такой эффект выражен ярче у тех видов, которые уже живут в условиях пищевых ограничений и, что важнее, у которых старые особи поглощают значительную долю доступной пищи, так что их устранение действительно идет на пользу молодым. В таких условиях полезно ускорять развитие и максимально увеличивать репродукцию в благоприятные периоды.

Также важно учитывать влияние внешней среды и роль хищников. Классический пример влияния хищников на продолжительность жизни – разница между мышами и летучими мышами: два вида млекопитающих примерно одинакового размера с десятикратной разницей в продолжительности жизни (2–3 года и 30 лет). Раньше считалось, что разница эта главным образом объясняется способностью летучих мышей впадать в спячку. Однако исследователи из группы Стива Аустада отклонили это объяснение удивительно долгой жизни летучих мышей, поскольку, во-первых, не все долгоживущие летучие мыши впадают в спячку и, во-вторых, защитное влияние зимней спячки может объясняться просто отсутствием хищников[32]. Проследив за жизнью 19 видов зимующих млекопитающих, Тарбил с коллегами также пришли к заключению, что зимняя спячка сама по себе не обеспечивает бóльшую продолжительность жизни, даже если такие летучие мыши имеют максимальную продолжительность жизни по сравнению с другими видами животных того же размера[33]. Однако зимняя спячка связана с меньшим риском хищничества (меньшей вероятностью быть съеденным) и более медленным жизненным ритмом. Конечно же, еще одно важнейшее различие между двумя млекопитающими заключается в умении летучих мышей летать, поэтому выдвигается гипотеза, что бóльшая продолжительность жизни связана с умением ускользать от хищников. Способность избегать хищников может объяснять долгожительство вида при отсутствии необходимости быстрого воспроизводства, а это, в свою очередь, влияет на процесс старения. Конечно, переход от короткоживущих / имеющих большое потомство / бескрылых животных к долгоживущим / с небольшим потомством / крылатым животным мог быть довольно сложным в эволюционном плане, но он оказал значительное влияние на продолжительность жизни.

Вполне возможно, что отсутствие угрозы хищничества в значительной степени сказывается на продолжительности жизни и других животных, включая рыб и некоторых головоногих. По-видимому, у глубоководных осьминогов нет врагов[34], и они доживают до 20 лет, тогда как обитающие на мелководье осьминоги, лишившиеся защитной оболочки, имеют сравнительно небольшую продолжительность жизни (два года), несмотря на удивительный диапазон защитных приспособлений для камуфляжа и мимикрии. Резник с соавторами (2006) проверили влияние хищничества на разных этапах жизни рыб (в предрепродуктивном, репродуктивном и пострепродуктивном периодах), изучая рыбок гуппи (Poecilia reticulata) из водоемов в Тринидаде с разным количеством хищников[35]. Переселяя гуппи из водоемов с большим количеством хищников в условия с небольшим количеством хищников, они обнаружили, что вопреки предсказаниям смертность среди переселенных гуппи снижается как на начальных этапах, так и в более поздний период жизни, что обеспечивает более высокий показатель средней продолжительности жизни и более высокие показатели воспроизводства. Исследователи также выяснили, что все гуппи жили дольше после завершения репродуктивного периода. Таким образом, из результатов этой работы следует, что только продолжительность репродуктивного периода, которая напрямую влияет на приспособленность особи, подвергается отбору в соответствии с такими внешними факторами, как наличие хищников. (Дальнейшие исследования на диких животных, например червях или рыбах киллифиш, позволят проверить и другие теории о зависимости продолжительности жизни от экологических условий, а также об эволюции продолжительности жизни.)

Однако способность ускользать от хищников имеет предел. Как объясняет Шон Кэрролл в книге “Закон «джунглей»”, некоторые животные эволюционировали до больших размеров и в результате стали слишком велики для хищников[36]. Казалось бы, неплохая стратегия, но за размер приходится расплачиваться гораздо более высокой чувствительностью к изменениям доступности пищи. При ограниченности ресурсов важную роль играет умение адаптироваться к колебаниям доступности источников пищи за счет изменения репродуктивного развития.

Животные, никогда не выходившие из репродуктивной фазы жизни, поскольку погибали в зубах у хищников, никогда не старели. Так что вопрос должен звучать не “Почему мы должны стареть?”, а “Почему мы живем так долго после завершения репродуктивного периода?”. В эволюционном плане это сравнительно новая ситуация. Продолжительность жизни человека увеличилась лишь недавно, и лишь несколько видов животных продолжают жить по окончании репродуктивного периода. У человека эту ситуацию объясняют с помощью “гипотезы бабушек” – положительным влиянием бабушек на выживание внуков[37]. Идея в том, что бабушки, которые сами уже не производят потомство, но помогают выращивать и поддерживать внуков, улучшают эволюционную приспособленность своих потомков, и таким образом создается некое селективное давление для продления жизни женщин. Некоторые исследования подкрепляют эту гипотезу в отношении человека и крупных млекопитающих. Впрочем, мужчины живут всего на несколько лет меньше женщин, и, кроме того, существуют животные с аналогичным длительным периодом жизни после репродуктивного периода, которые совсем не занимаются выращиванием своего потомства. Поэтому возникает вопрос, насколько в действительности важна функция бабушек для регуляции продолжительности жизни у разных видов животных.

Несколько лет назад я занялась исследованием факторов, коррелирующих с продолжительностью пострепродуктивного периода жизни, и взяла себе в помощь студента. В ходе работы Джордж Малиха установил, что у млекопитающих продолжительность жизни в пострепродуктивном периоде пропорциональна отношению массы тела детеныша к массе тела матери[38]. Иными словами, чем крупнее детеныш, тем дольше будет жить мать после окончания репродуктивного периода. Напротив, животные, производящие крохотных детенышей, по-видимому, способны воспроизводиться даже в старости, а затем быстро дряхлеют и умирают, то есть продолжительность жизни после завершения репродуктивного периода у них невелика.

Например, некоторые виды морских ежей могут жить несколько десятилетий и даже столетий[39]. Эти колючие шарики с ножками-трубочками достигают порой довольно крупных размеров и воспроизводятся путем выделения в воду микроскопических яйцеклеток и сперматозоидов, которые затем встречаются друг с другом вне тел родителей. Морские ежи размножаются фактически до самой смерти и в результате имеют очень короткий (почти нулевой) отрезок жизни после завершения репродуктивного периода. Напротив, матери, дающие жизнь сравнительно крупным детенышам, после завершения репродуктивного периода живут долго. В этом есть определенная логика, поскольку для рождения очень крупного потомка мать должна быть в хорошей физической форме и, следовательно, после родов сохраняет “остаточное здоровье”, обеспечивающее более долгую жизнь. В частности, эволюция привела к тому, что новорожденный человек имеет сравнительно крупную голову по отношению к размеру тела матери; эволюция крупной головы коррелирует с развитием крупного мозга, но цена этого – вероятность гибели матери при родах. Тот факт, что продолжительность жизни многих видов животных после завершения репродуктивного периода растет с увеличением отношения размеров тел ребенка и матери, означает, что для объяснения продолжительного пострепродуктивного периода не нужно привлекать гипотезу бабушек. И это хорошо, поскольку мы видим, что гермафродит C. elegans долго живет после появления на свет всего потомства, и при этом черви не занимаются воспитанием детей, а уж тем более внуков. Конечно, это не означает, что гипотеза бабушек полностью ошибочна, но она может свидетельствовать о каких-то изменениях на фоне другого, более значительного биологического явления, которое по другим причинам уже привело к удлинению отрезка жизни после завершения репродуктивного периода.

Демограф Аннет Бодиш (Институт демографических исследований Макса Планка) создала модель для изучения того, как влияет продление жизни после завершения репродуктивного периода на скорость накопления (или фиксации) мутаций, тем самым отрицая предположение, что пострепродуктивный период не влияет на продолжительность жизни. Напротив, ее модель предполагает, что полезные мутации с большей вероятностью закрепятся в популяции с более длительным пострепродуктивным периодом жизни[40]. Иными словами, не только репродукция, но и продолжительность репродуктивного периода и момент смерти могут эволюционировать в ответ на селективное давление – возможно, это новый аспект влияния длительности пострепродуктивного периода на эволюцию старения.

Однажды, только начиная работать в Принстоне, я выступала там с докладом, в основном касавшимся моих исследований экспрессии генов у долгоживущих животных (см. главу 6) и нашего нового проекта по использованию червей для изучения возрастных нарушений когнитивной функции (глава 16). Когда слушатели начали задавать вопросы, один эволюционный биолог поднял руку и заявил, что мои результаты ошибочны (таков был смысл его высказывания), поскольку отбор долгожительства невозможен. Это заявление меня ошеломило, отчасти потому, что долгожительство не было главной темой моего доклада, отчасти – поскольку во вступлении я рассказала слушателям, что черви с мутациями инсулиновых сигнальных путей действительно живут дольше, так что я не видела здесь противоречия. Вскоре стало ясно, что он пришел на мой доклад главным образом с целью сообщить мне, что все результаты в данной области исследований за последние десять лет были неверными. Я ответила, что невозможно отрицать существование мутантов с единственным измененным геном и с сильно увеличенной продолжительностью жизни, вне зависимости от теоретических рассуждений о том, должны они существовать или нет. Более того, эти гены и их влияние на продолжительность жизни консервативны в эволюционном плане, так что это не какое-то странное явление, касающееся только червей. Совершенно очевидно, его не устраивало, что открытие всех мутаций единичных генов червей и дрозофил, связанных с долгожительством, не согласуется с простой теорией Уильямса.

Однако всегда полезно пересмотреть теорию, если появляются противоречащие ей данные. По-видимому, лучше всего наши наблюдения согласуются с теорией регулируемой программы старения. Ее суть в том, что животное иногда вынуждено реагировать на изменяющиеся внешние условия (например, голод) и соответствующим образом подстраивать течение жизни (рост, воспроизводство, продолжительность жизни). Эволюционный биолог был абсолютно прав в том, что никакой отбор после завершения репродуктивного периода невозможен, так что сама по себе продолжительность жизни не является признаком, который может эволюционировать за счет отбора. Вероятно, он реагировал в большей степени не на мой доклад, а на популярное заявление, что существует некая “программа”, задача которой заключается в увеличении продолжительности жизни, и он, вероятно, удивился бы, если бы узнал, что я с ним согласна. Как мы увидим далее, гены, увеличивающие продолжительность жизни, играют важную роль в регуляции других функций, которые могут подлежать отбору, в том числе способности реагировать на доступность пищи для корректировки развития и воспроизводства. Мутации инсулиновых сигнальных путей и пищевые ограничения увеличивают продолжительность жизни и усиливают воспроизводство, что, кажется, противоречит теории одноразовой сомы и невозможности эволюционного отбора продолжительности жизни, но согласуется с представлением о том, что показатели воспроизводства и его временные рамки настраиваются в соответствии с доступностью питательных ресурсов. Пред- и пострепродуктивный период жизни важно выделять и при учете влияния внешних факторов смертности (главный фактор – хищники) в разные периоды жизни, как в примере с гуппи в прудах с разным количеством хищников.

Все эти данные приобретают больше смысла, если рассматривать их в контексте регуляции воспроизводства в ответ на изменение доступности пищи: животные корректируют скорость воспроизводства для оптимального использования пищевых ресурсов, когда они есть, и снижают ее, когда пищи недостаточно. Все эти концепции можно совместить путем одного простого допущения: старение и долгожительство следует рассматривать не как основную задачу животного, а как побочный эффект пострепродуктивного выживания – и, что важно, этот эффект модулируется. Отбору подвергается не долгожительство, а воспроизводство; факторы или сигналы, влияющие на продолжительность жизни, отбираются в первую очередь для оптимизации воспроизводства. Следует говорить не о программах, склоняющих животное к принятию того или иного решения для регуляции продолжительности жизни, а о важных регуляторах, обеспечивающих пластичность – способность гибко реагировать на изменение условий для поддержания воспроизводства.

Оптимизация не всегда означает максимально быстрое рождение потомства: если пищи недостаточно, нет никакого смысла производить детенышей, поскольку они умрут от голода, – следовательно, процесс воспроизводства нужно затормозить. Замедление воспроизводства имеет смысл при соблюдении двух условий: 1) животное сохраняет качество клеток зародышевой линии, так что при возобновлении воспроизводства появится здоровое потомство; 2) животное сохраняет соматические ткани, чтобы при возобновлении воспроизводства мать не умерла до успешных родов. Именно второе условие, заключающееся в поддержании соматических тканей, имеет отношение к продолжительности жизни. Таким образом, для животного важна связь между двумя системами, даже если “отбору” подвергается только репродукция.

Еще один важный аспект, который необходимо учесть: мы говорим об открытой системе. Если есть питательные вещества, энергия может использоваться для поддержания и репарации тканей, по крайней мере пока работают системы поддержания и репарации. В репродуктивной фазе могут действовать сигналы для поддержания и репарации тканей – как зародышевых, так и соматических. Когда воспроизводство завершено, системе больше не требуется поддерживать ни одни ни другие, однако животные с наилучшим состоянием соматических тканей на момент завершения репродуктивного периода после этого проживут дольше, что и подтверждает анализ продолжительности пострепродуктивного периода у многих видов животных.

Как в ходе эволюции возникла такая система настройки? Мы уже упомянули зимнюю спячку, но вы догадываетесь, что существуют и более гибкие механизмы изменения метаболизма в ответ на ограничение доступности пищи, определяющие “скорость” функционирования животных. Если сохраняются неоптимальные условия существования, животное, способное замедлять метаболизм в трудные времена, может одержать победу за несколько поколений, даже если не научится развиваться быстрее всех или производить самое многочисленное потомство. Но если условия стабильные и пища в достатке, в популяции начнут преобладать животные, которые быстрее развиваются и дают более многочисленное потомство. Изменяющиеся условия благоприятствуют распространению животных, способных лучше других реагировать на любые изменения. С учетом этих замечаний легко понять, как мог происходить отбор механизмов, позволяющих использовать сигналы о доступности пищи для настройки скорости метаболизма, поскольку животные, обладающие такими системами, способны делать правильный выбор в любое время. Некоторые животные довели это умение до крайности, например впадают в спячку или переходят в состояние диапаузы (вроде спор), но у нас с ними одинаковые системы метаболической регуляции. Другим чрезвычайно ярким примером подобной метаболической настройки служат общественные насекомые, такие как муравьи и пчелы, у которых есть “касты”, выполняющие в колонии разные социальные функции: королева и рабочая особь в одной и той же колонии имеют одинаковую генетическую основу, но продолжительность их жизни совсем разная (годы и недели соответственно) ввиду разной метаболической программы и распределения ролей. Настройка параметров истории жизни позволяет животным лучше приспосабливаться и выживать в конкретных условиях среды.

Таким образом, мой недовольный коллега был одновременно прав и неправ. И нам стоит пересмотреть наши представления о продолжительности жизни и согласовать наши теории с реальными данными. Результаты одной интересной работы с мышами позволяют предположить, что некоторые манипуляции на поздних этапах жизни благотворно сказываются на здоровье животных, особенно самок[41]. В отношении человека вопрос на миллион долларов все еще звучит так: можем ли мы действительно как-то влиять на продолжительность жизни после завершения репродуктивного периода?

В итоге, если черви могут жить в два или даже в три раза дольше обычного просто в результате изменения функции рецептора инсулина/ИФР-1, почему не бывает “мутантных” людей, живущих до 250 лет? На самом деле люди уже живут довольно долго; с ростом средней продолжительности жизни выросла и максимальная. Все еще ведутся споры относительно максимально возможного срока жизни (и недавняя оценка порогового значения 115 лет была решительно отвергнута – см. главу 1), однако поскольку после какого-то возраста коэффициент смертности начинает выравниваться, маловероятно, что люди вскоре смогут доживать до 250 лет без серьезного медицинского вмешательства. Почему это так? Что удерживает нас в этих рамках?

Концепция ограниченной толерантности дает одно возможное объяснение. Мы доживаем до взрослого возраста только за счет развития в соответствующее время. Мутации, которые могли бы удваивать нашу продолжительность жизни, вполне вероятно, так сильно замедляли бы наше развитие, что мы никогда не достигали бы взрослого возраста¹⁵. Даже у C. elegans сильные мутации, почти полностью блокирующие сигнальные пути инсулина/ИФР-1, останавливают развитие червей на первой, личиночной фазе или фиксируют их в состоянии диапаузы; и такие мутанты, конечно же, никогда не выиграют борьбу за выживание в дикой природе. Люди с синдромом Ларона, который вызван нарушением сигнальных путей с участием ИФР-1[42], отличаются карликовостью и другими дефектами, но редко умирают от рака и иных возрастных заболеваний. Очевидно, что мы не можем сильно изменять пути инсулина/ИФР-1, особенно в процессе развития, не влияя негативным образом на другие показатели качества жизни, кроме ее продолжительности.

Еще один фактор, объясняющий ограниченную толерантность, – температура. В отличие от беспозвоночных и холоднокровных животных, которые вынуждены подстраиваться под внешние условия, мы поддерживаем внутреннюю температуру тела. И это требование в значительной степени снижает нашу метаболическую пластичность, ограничивая допустимый диапазон метаболических вариаций. Способность тела вырабатывать тепло за счет сжигания бурого жира строго регулируется и реализуется только на самых ранних этапах развития, возможно из-за большой энергетической стоимости процесса. Именно поэтому идея о переводе белого жира в бурый у взрослых людей с целью снижения массы тела, например за счет “митохондриальных разобщителей”, вызывает возбуждение публики. Такие препараты безрецептурного доступа, как 2,4-динитрофенол (ДНФ) и фен-фен, имеют печальную историю и теперь запрещены из-за токсического эффекта. Это не удивительно, учитывая тревожную информацию о воздействии ДНФ: было замечено, что многие рабочие на французских военных заводах, где ДНФ использовали для изготовления взрывчатых веществ, страдали от потери веса, избыточной потливости, повышенной температуры тела (почти до 42 градусов!) и часто умирали. Нарушение регуляции термогенеза убивает нас, как перегрев, так что температурные механизмы влияния на продолжительность жизни можно использовать только в ограниченных пределах.

Наконец, мы вынуждены признать, что даже в модельных системах может иметь место расхождение между естественными процессами и тем, что мы наблюдаем в лабораторных условиях при работе с мутантными организмами. Не исключено, что в природе даже C. elegans живут не так долго. Долгоживущие мутанты процветают в лабораториях, но по описанным выше причинам, возможно, никогда не встречаются в природе. В природных условиях они не могут конкурировать с червями “дикого типа”¹⁶ (обычными червями), которые лучше переживают изменения условий окружающей среды, тогда как мутанты-долгожители зафиксированы в одном состоянии. Иными словами, отсутствие способности изменяться в ответ на изменения внешней среды в дикой природе является недостатком. Но все это не означает, что информация о долгоживущих мутантах бесполезна для человека. Скорее всего, у этих экстремальных мутантов изменены те же самые гены, которые необходимо будет модифицировать по достижении взрослого возраста, когда закончено развитие и воспроизводство, чтобы добиться такого же эффекта продления жизни у человека. Возможно, ответ заключается в небольших вариациях генов, как в случае однонуклеотидных полиморфизмов (SNP), которые выявляют методом полногеномного поиска ассоциаций (genome-wide association studies, GWAS); вообще говоря, изучение геномов людей, доживших до 100 лет, позволяет сделать именно такой вывод: минимальные изменения функции генов белков, участвующих в сигнальных путях инсулина/ИФР-1, могут увеличивать продолжительность жизни[43].

На вопрос “Почему мы должны стареть?” мы сможем ответить лучше, если глубже на молекулярном уровне поймем этот переход от развития к поддержанию организма, а затем к потере гомеостаза по мере старения. Хотя Добржанский правильно заметил, что “в биологии все имеет смысл только в свете эволюции”, мы лучше поймем пути, по которым шла эволюция, если идентифицируем общие молекулярные и сигнальные пути, регулирующие продолжительность жизни у разных животных[44]. Вообще говоря, понимание механизмов долгожительства на молекулярном уровне уже позволило отказаться от нескольких самых старых и популярных эволюционных теорий старения. Нам следует корректировать теории с учетом новых данных, а не наоборот. Судя по всему, для поиска ответа на вопрос, почему мы стареем, сначала нужно понять, как мы стареем, а это поможет понять, как замедлить этот процесс. Чтобы ответить на все эти вопросы, надо проанализировать суть процессов на молекулярном уровне – как увидеть, что происходит под капотом кубинских автомобилей.

Глава 3
Генетика долгожительства у человека.
Чему мы можем научиться у людей, живущих до 100 лет?

Никакой другой вопрос на свете так не замутнен тщеславием, обманом, фальсификациями и преднамеренным мошенничеством, как предел человеческого долголетия.
Книга рекордов Гиннеса, 1984

Примерно раз в год появляется новый претендент на самое смертельное в мире звание самого старого человека на Земле. Пока я писала книгу, звание удерживала японка Канэ Танака, которой было 119 лет. Танака принадлежит к постепенно разрастающемуся сообществу исключительных долгожителей, или супердолгожителей, возраст которых превысил 110 лет. Конечно, в оценках максимальной продолжительности жизни много неясностей, поскольку сто лет назад рождение людей в разных уголках Земли зачастую никак не регистрировалось. В результате у некоторых народов появлялись легенды о людях, проживших невероятно долгую жизнь. Например, утверждалось, что индонезийцу по имени Содимеджо, также известному как Дедушка Готто, на момент смерти в 2017 году было 146 лет, однако, понятное дело, нет никаких документов, подтверждающих это заявление. Но уже есть много примеров, когда люди (особенно женщины) с достоверной датой рождения живут больше 110 лет.

Наверное, самая известная среди всех супердолгожителей – француженка Жанна Кальман, дожившая до 122 лет и пережившая даже своего адвоката, который на протяжении 30 лет платил ей деньги в расчете, что после ее смерти сможет жить в ее квартире. Замечу между делом: пока я писала книгу, российский математик Николай Зак выдвинул предположение, что невероятно древний возраст Кальман – результат мошенничества со стороны ее дочери Ивонны, не желавшей платить налог на наследство после смерти Жанны (которую зарегистрировали как смерть Ивонны) в 1934 году[1]. Зак считает, что подмена была произведена с целью обмануть не демографов, а налоговые органы. Тем не менее Ивонна, которая была на 23 года младше матери, прожила такую долгую жизнь (либо 99 лет, либо 122 года, если она и в самом деле была Жанной), что стала национальным достоянием французов как “самый старый человек в мире”, и раскрыть правду было уже слишком неудобно. В подтверждение своей гипотезы Зак представляет несколько вполне убедительных фотодокументов, исторических фактов и свидетельств, но также делает некоторые сомнительные заявления – например, отмечает пикантные подробности о совместном воспитании сына Ивонны “Жанной” и ее “зятем” (что он считает одним из самых ярких обвинительных доказательств). Эта история до сих пор вызывает дискуссии (некоторые утверждают, что Зак ошибается и Жанна действительно прожила 122 года), но следует отметить, что, даже если Жанна Кальман не может носить звание главного долгожителя, это место заняла Канэ Танака, поскольку ее поразительный возраст 119 лет не подвергается сомнению.

Споры о максимальной продолжительности человеческой жизни все еще продолжаются. В какой-то степени этим спорам способствовала публикация в журнале Nature широко известной статьи, в которой говорилось, что максимально возможный возраст человека составляет 115 лет[2]. Как я отмечала выше, этот анализ учитывает только современное состояние дел, то есть продолжительность жизни без каких-либо специфических манипуляций для ее увеличения, а лишь при нынешних возможностях медицины, и это не означает, что мы никогда не сможем жить дольше при появлении новых возможностей. В любом случае авторы статьи предполагали, что мы уже достигли максимальной продолжительности жизни: они использовали возраст Кальман на момент ее смерти в качестве крайней точки, что повлияло на характер всей зависимости с плато на уровне 115 лет.

Заявление Вейга о “стопятнадцатилетнем максимуме” вызвало волну комментариев и несколько писем с опровержением[3]. Некоторые указывали, что в исследовании использовались единственная точка, соответствовавшая возрасту Жанны Кальман – 122 года в 1997 году, и странный “дробный” подход, в рамках которого все данные рассматривались не как единое целое, а разбивались на две группы, что сдвигало регрессию и заставило авторов определить максимальную продолжительность жизни на уровне 115 лет. В моем любимом комментарии группа исследователей проиллюстрировала недостаток этого анализа на примере прыжков в длину[4]. Используя такой же “дробный” подход (а именно, оценку максимального ежегодного показателя длины прыжка отдельно после рекордного прыжка Майка Пауэлла в 1991 году и до него, вместо того чтобы объединить все данные начиная с 1960 года в единый массив), они показали, что этот метод анализа приводит к ошибочному выводу о снижении показателей прыгунов с течением времени. Прочтите еще раз: следуя такому аналитическому методу, мы приходим к заключению, что после 1991 года спортсмены стали хуже прыгать в длину – из-за исключительного достижения Майка Пауэлла. Конечно же, это смехотворный вывод. На самом деле с 1960-х годов происходит неуклонный рост показателей, а результаты Боба Бимона и Пауэлла были выбросами, как и уникальная продолжительность жизни Жанны Кальман. Кроме того, рост количества очень старых людей в таких странах, как Япония, предполагает, что мы пока не знаем максимально возможной продолжительности человеческой жизни и она, судя по всему, еще не достигнута. Позднее Джеймс Ваупел с коллегами выдвинули еще одно спорное предположение, что смертность (то есть вероятность умереть) вопреки ожиданиям перестает расти около 105 лет, а не продолжает увеличиваться с возрастом[5]. Это означает, что, если человек доживает до 105 лет, дальше риск смерти не увеличивается. Таким образом, с увеличением популяции столетних людей увеличивается и вероятность появления все большего количества людей, доживающих до 115 лет.

Так в чем же секрет супердолгожителей? Трудно сказать, какой практический совет можно извлечь из историй этих людей, поскольку их опыт по определению является исключительным, то есть статистически незначимым, и они знают только то, что делали сами, так что это ни в коем случае нельзя назвать контролируемым экспериментом. Хотя многие долгожители объясняют свою продолжительность жизни употреблением специфических продуктов и напитков, из описания их питания и образа жизни нельзя вывести никаких состоятельных заключений, кроме, пожалуй, удивительно частого упоминания алкоголя и “избегания мужчин”, что, возможно, лишь бытовой аспект, поскольку большинство супердолгожительниц намного пережили своих сверстников мужского пола. Вообще говоря, десять первых женщин из списка долгожительниц пережили всех долгожителей среди мужчин; номер 10 в этом списке, Мисао Окава, прожила более 117 лет, тогда как проживший дольше всех мужчина Дзироэмон Кимура умер в возрасте 116 лет.

Один важный аспект, который может показаться очевидным, но который все же необходимо подтвердить, заключается в том, что долгожители – здоровые люди. Этот вопрос находится в центре исследований старения, поскольку бытует мнение, что продление жизни увеличивает лишь период дряхления, тогда как хотелось бы увеличить продолжительность здоровой жизни. Можно предположить, что некоторые очень слабые люди каким-то образом живут в таком состоянии и дотягивают до 100 лет. Или, напротив, супердолгожители могут походить на наших червей с мутантным геном daf-2: дольше сохраняют здоровье и именно поэтому дольше живут. Замечательно, что чаще всего супердолгожители напоминают наших мутантов – живут дольше, поскольку дольше остаются здоровыми. При изучении людей с очень большой продолжительностью жизни в рамках Проекта по изучению генов долгожительства и Исследования столетних людей в Новой Англии на предмет возникновения у них возрастных заболеваний (рака, болезней сердца, диабета, гипертонии и др.) было установлено, что они действительно не страдали от этих нарушений и сохраняли хорошее здоровье дольше, чем другие участники исследований[6]. Фаза болезней у них действительно оказывалась более сжатой, как и предполагал Фрайс[7]. Будущие супердолгожители, судя по всему, дольше живут без возрастных заболеваний, чем их современники с обычной продолжительностью жизни.

Однако, несмотря на отсутствие возрастных заболеваний, поддержание здорового образа жизни супердолгожителями скорее исключение, чем правило. Парижанин Робер Маршан перестал участвовать в соревнованиях по велосипедному спорту только в возрасте 106 лет (а кататься продолжал до 108 лет) и после этого прожил еще три года, но такой спортивный образ жизни выглядит исключением, поскольку большинство супердолгожителей не связывают свою продолжительность жизни с физическими упражнениями или здоровыми привычками. Вообще говоря, кажется, что многие из них прожили удивительно долго, невзирая на нездоровое поведение, такое как курение, употребление алкоголя и странные пищевые пристрастия. Известный пример – Жанна Кальман, которая большую часть жизни курила (но ведь также можно сказать, что из-за курения кто-то прожил “всего” 99 лет?). В ответах на вопрос “Что для вас ключ к долгой жизни?” часто упоминались алкоголь, мороженое и бекон. Джек Рейнолдс (106 лет), который каждый год в день рождения попадал в Книгу рекордов Гиннесса, уверял, что волшебная пуля – это два стакана виски в день, тогда как Агнес Фентон (110 лет) предпочитала пиво Miller High Life и виски Johnny Walker Blue. Тереза Роули (104 года) связывала свое долголетие с кока-колой без сахара, но признавала, что более важную роль, возможно, сыграло долголетие ее отца, который прожил 102 года, причем диетической колы при его жизни еще не было. Вообще говоря, приходится признать, что, если вам предназначено прожить чрезвычайно долго, ваш образ жизни не имеет значения – бесполезная информация для всех остальных смертных. Судя по всему, долгожители и супердолгожители, не подчиняющиеся никаким правилам и устойчивые против любых укорачивающих жизнь диет и пристрастий, не являются эталоном здорового образа жизни.

Чтобы понять, какие элементы образа жизни могут играть важную роль, лучше сосредоточиться на изучении специфических культур и целых групп людей с высокими показателями продолжительности жизни. Майкл Пулейн, Джованни Пес и другие идентифицировали так называемые “голубые зоны”, где проживают люди с самой большой продолжительностью жизни[8]. К их числу относятся жители Окинавы в Японии, Сардинии в Италии, Икарии в Греции, полуострова Никоя в Коста-Рике и адвентисты седьмого дня из Центральной Калифорнии. Долгожительство в этих “голубых зонах” связывают со здоровым питанием, расслабленным образом жизни, здоровыми общественными отношениями и положительным настроем. Важная роль отводится средиземноморской диете, которая в значительной степени основана на употреблении растительной пищи, оливкового масла и красного вина, или низкокалорийной диете Окинавы. Долгожительство населения Икарии связывают не только со средиземноморской диетой, но и с особенностями культуры – размеренным образом жизни, низким уровнем стресса, ходьбой и социальной интеграцией. Большинство из этих параметров совершенно понятны, но перестали быть нормой во многих активно развивающихся современных культурах.

На основании изучения “голубых зон” велосипедист, участвовавший в гонках на выносливость, и участник проектов National Geographic Дэн Бюттнер предположил, что можно жить дольше, осуществив девять важнейших изменений в образе жизни, среди которых: усиление естественной двигательной активности, такой как ходьба; отказ от курения; снижение уровня стресса; принадлежность к какому-либо сообществу; наличие целенаправленной деятельности; употребление в пищу большего количества овощей и фруктов; легкое недоедание (до 80 % насыщения); и предпочтительное общение с семьей и друзьями[9]. В настоящее время в городе Альберт-Ли в Миннесоте проводится социальный эксперимент, в рамках которого рекомендации “голубых зон” воплощаются в жизнь в масштабах всего города¹⁷. В рамках проекта предусмотрено изменение движения транспорта и образование новых пешеходных зон, велосипедных дорожек, парков и мест общественного пользования, введение новых программ на рабочих местах и в школах, а также изменение ассортимента пищевых продуктов в ресторанах и продовольственных магазинах. С момента начала реализации проекта сообщалось, что город сэкономил миллионы долларов на нужды здравоохранения, главным образом за счет сокращения употребления табачных изделий и благоприятных изменений в связи со снижением массы тела жителей. Считается, что благодаря этим изменениям средняя продолжительность жизни должна вырасти на 2,9 года, но даже если люди не станут жить дольше, такие изменения приведут к улучшению здоровья общества в целом, повышению качества жизни и сокращению затрат на медицинское обслуживание. Этот последний результат следует подчеркнуть особо, поскольку такие инфраструктурные перемены в масштабе целого города следует рассматривать как долгосрочную инвестицию, а не какую-то необоснованную статью расходов.

Конечно же, люди доживают до 100 лет не только в “голубых зонах”. В Японии, Италии, Португалии и Испании до ста доживают примерно 40–50 человек из 100 тысяч (как ни странно, по данным проверки, около 200 тысяч японцев старше 100 лет оказались неучтенными, и, следовательно, это неточные данные). В целом люди, преодолевшие столетний рубеж, все реже вызывают удивление. Быть может, не все определяется образом жизни, и снова возникает классическая дилемма “наследственность против среды”. Возможно, представители каких-то популяций живут дольше (после сокращения числа детских и инфекционных заболеваний) благодаря своему генетическому строению, и в таком случае их геномы могут раскрыть секреты долголетия. По некоторым оценкам, от четверти до половины вариаций продолжительности жизни людей имеют генетическую основу[10]. Вообще говоря, наилучший предсказательный фактор вашего долголетия – это наличие долгожителей среди членов вашей семьи, что указывает на очевидный генетический компонент. Для человека, чей брат или сестра дожили до столетнего возраста, вероятность также дожить до ста лет увеличивается в 17 раз, однако узнаете вы об этом, понятное дело, очень поздно. Семья Кан представляет собой один из удивительных примеров долгожителей среди братьев и сестер. Четверо из них – Ирвин (109 лет), Хелен “Хэппи” Рейхерт (109 лет), Питер Кин (103 года) и Ли (101 год) – жили удивительно долго и до самого конца сохраняли отличное здоровье, что иллюстрирует модель “сокращения фазы болезней”, которую Фрайс и другие считают наилучшим сценарием для долгой жизни. Анализ геномов таких семей может выявить важную информацию о долгожительстве.

Но как найти эту генетическую информацию? С помощью метода полногеномного поиска ассоциаций (GWAS) ученые пытались выявить в образцах ДНК долгожителей последовательности, отличающиеся от аналогичных последовательностей у других людей. Такие исследования, основанные на данных для большого количества людей, позволяют обнаруживать в ДНК замены отдельных нуклеотидов (SNP), которые чаще встречаются среди долгожителей, чем среди обычных людей. Метод GWAS очень хорошо зарекомендовал себя в анализе некоторых заболеваний, связанных с изменениями единичных генов, но это не простой метод¹⁸. Его можно сравнить с поисками иголки в стоге сена – однако, если иголок много, вы с большей вероятностью что-то найдете, так что увеличение частоты встречаемости искомого признака очень помогает. Чтобы метод GWAS сработал, исследователь должен иметь много образцов с искомой болезнью или фенотипом и без него, что позволит статистически достоверно установить, что данный вариант ДНК действительно связан с конкретным заболеванием, а не является совпадением. Подбор достаточного количества людей с конкретным фенотипом и особенно с одинаковыми вариантами ДНК занимает много времени. Поскольку при изучении долгожителей не существует “контрольной группы” людей такого же возраста, часто для контроля проводят сравнение потомков долгожителей с их сверстниками.

Вторая преграда на пути активного внедрения метода GWAS – стоимость получения информации. Поначалу в методе использовали SNP-микрочипы (микрочипы не со всей геномной ДНК, а только с репрезентативными вариантами однонуклеотидных полиморфизмов), но такие чипы дороги, что ограничивало объем получаемой информации. Позднее для анализа и секвенирования стали использовать небольшую часть (около 5 %) генома, которая транслируется в белки (так называемый экзом), однако при этом, понятное дело, не учитываются SNP в некодирующих регуляторных последовательностях, которые также могут играть важную роль[11]. Раньше секвенирование целого генома стоило очень дорого; постепенно благодаря снижению стоимости технологии секвенирования его стали применять чаще, но и анализ SNP тоже все еще используется для поиска генетических различий, влияющих на продолжительность жизни (или для выяснения, существуют ли такие различия в принципе). Ученые анализировали данные для долгожителей с общностью происхождения, таких как жители Окинавы, евреи-ашкеназы, немцы, датские близнецы, близкородственное население Исландии и финны[12]. Кроме того, проводились исследования в различных группах населения (например, среди долгожителей в Новой Англии[13], в Проекте по выявлению генов долгожительства, в исследованиях семей долгожителей, представителей религиозных орденов, медицинских сестер и во Фрамингемском исследовании) и даже в более гетерогенных группах. (Интересно было бы узнать, какова связь между образом жизни населения “голубых зон” и генетикой этих людей.) В любом случае, поскольку все больше людей доживают до глубокой старости, а стоимость секвенирования генома продолжает снижаться, вскоре у нас появится более обширная информация относительно генетического аспекта долгожительства.

Так что же показывает анализ генома людей с большой продолжительностью жизни? Прежде всего, давайте внесем ясность и определим, что может и чего не может метод GWAS. Результатом каждого такого исследования становится выявление стойкой корреляции между фенотипом (в данном случае долгой жизнью) и конкретным основанием ДНК в геноме (вариантом нуклеотида в одном конкретном месте – однонуклеотидным полиморфизмом, SNP). Значимость (надежность) этих результатов описывается p-значением, которое показывает, какова вероятность, что данная корреляция не реальная, а лишь результат совпадения (таким образом, очень малая величина p-значения говорит о высокой вероятности устойчивой корреляции). Мы предполагаем, что конкретный ген имеет отношение к фенотипу, если он расположен вблизи от известного SNP: SNP может находиться внутри кодирующей последовательности гена, в промежутке (интроне) между кодирующими последовательностями (экзонами) или в регуляторной области, отвечающий за экспрессию гена. Но человеческий геном устроен сложно, и бывает так, что важный SNP в участке ДНК, контролирующем экспрессию гена, находится на значительном расстоянии от самого гена (так называемый энхансер), что усложняет интерпретацию результатов. Мы с большей уверенностью можем утверждать, что какой-то ген важен для данного признака, если на него указывают разные SNP, выявленные в нескольких исследованиях.

Однако метод GWAS не позволяет ничего сказать о том, каким образом конкретный ген влияет на продолжительность жизни, – то есть понять механизм влияния генов на продолжительность жизни. Если какой-то SNP (замена генетического кода в конкретном участке) вызывает очевидный признак, например мутацию, укорачивающую или “разрывающую” белок, мы уверены: в норме функция этого гена препятствует удлинению жизни. Однако такие очевидные изменения встречаются редко, поскольку подобные мутации, как правило, производят разрушительное и даже фатальное действие на ранних этапах жизни (вспомните о теории антагонистической плейотропии, которую мы обсуждали в предыдущей главе), так что при изучении долгожительства с помощью технологии GWAS мы с наибольшей вероятностью будем обнаруживать какие-то гораздо более тонкие различия. Вообще говоря, ДНК в целом (если не учитывать мутации) – устойчивый, или “статичный”, элемент центральной догмы, в отличие от РНК и белков, подверженных динамическим колебаниям. Поэтому наличие SNP, коррелирующего с болезнью, ничего не говорит о том, в какой момент жизни она может проявиться. Несмотря на эти ограничения, GWAS служит полезным инструментом для начала изучения молекулярных основ заболеваний и снабжает нас некоторой информацией относительно генетических основ долгожительства.

Ранние исследования продолжительности жизни с помощью GWAS показали, что некоторые варианты генов APOE и FOXO3A коррелируют с большой продолжительностью жизни, и эти данные многократно воспроизводились. Позднее было показано, что долгожительство также связано с никотиновым ацетилхолиновым рецептором CHRNA3/5. Чаще всего в исследованиях долгожительства с применением GWAS идентифицируют именно эти три гена[14]. Совсем недавно стал регулярно выявляться SNP 5q33.3 с неизвестной генетической функцией[15]. Что же это за гены и почему они могут быть связаны с долголетием? Вы могли слышать о белке APOE в связи с болезнью Альцгеймера. Этот белок участвует в регуляции метаболизма липидов и уровня липопротеинов высокой плотности (ЛПВП). Высокий уровень содержания ЛПВП (“хорошего холестерина”) связан с лучшим прогнозом для состояния сердечно-сосудистой системы и большой продолжительностью жизни. APOE существует в нескольких вариантах: ε2, ε3 и ε4. Самый распространенный вариант – ε3, вариант ε4 в наибольшей степени связан с риском развития болезни Альцгеймера, а вариант ε2 – с возрастной дегенерацией макулы и потерей слуха. Однако, несмотря на связь с продолжительностью жизни, которая воспроизводится в анализе GWAS, мы еще не знаем, как именно варианты APOE влияют на долголетие.

Выяснилось, что SNP в гене APOE находятся в “неравновесии по сцеплению” с геном TOMM40: это означает, что SNP генов APOE и TOMM40 встречаются вместе чаще, чем по воле случая и, следовательно, связь с продолжительностью жизни в какой-то степени может объясняться действием гена митохондриального белка TOMM40. Поскольку GWAS не позволяет получить какую-либо информацию о молекулярных механизмах процессов, для понимания роли каждого варианта в увеличении продолжительности жизни нужны дополнительные эксперименты, направленные напрямую на изучение роли этих генов.

Другие гены могут действовать аналогично APOE и влиять на метаболизм холестерина. Подобно APOE, белок, переносящий эфиры холестерина (CETP; именно тот вариант, который имели братья и сестры в семье Кан), тоже связан с различием в продолжительности жизни и тоже может определять уровень липопротеинов высокой плотности, влияя на риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и продолжительность жизни[16]. Также установлена связь между геном CETP и снижением риска деменции и болезни Альцгеймера[17]. Ген липопротеина A (LPA), также идентифицированный методом GWAS, способен регулировать старение и возрастные нарушения (диабет, сердечно-сосудистые заболевания) за счет участия в метаболизме холестерина и липидов. Но мы пока не знаем, как взаимосвязано (и связано ли) влияние этих генов на старение и на развитие болезни Альцгеймера. В недавних исследованиях долгожительства с помощью GWAS вновь был обнаружен загадочный хромосомный участок 5q33.3, который, возможно, играет какую-то роль в регуляции кровяного давления и развитии сердечно-сосудистых заболеваний, но для прояснения функции этого гена нужны дополнительные эксперименты. (Как мы обсудим далее, регуляция метаболизма липидов – важный аспект в исследованиях долголетия; нарушение метаболизма липидов связано с метаболическим синдромом и ожирением, и многие факторы и мутации, регулирующие продолжительность жизни, вообще говоря, оказывают влияние через метаболизм липидов.) В любом случае просматривается строгая зависимость между метаболизмом холестерина и продолжительностью жизни, так что детальное понимание этих механизмов принесет большую пользу нашему здоровью.

Наряду с геном APOE в исследованиях человеческого долголетия был также идентифицирован ген FOXO3A, что подтвердило результаты многолетних исследований на модельных системах, в которых FOXO был признан одним из важнейших регуляторов продолжительности жизни. FOXO – это транскрипционный фактор, то есть белок, который связывается с ДНК и направляет экспрессию мРНК специфических генов. Сначала был исследован гомолог FOXO у C. elegans (версия FOXO у червя) под названием DAF-16, потом у дрозофилы (dFOXO), а потом у мыши. Выяснилось, что FOXO связан с продолжительностью жизни через влияние на инсулиновые сигнальные пути у многих видов организмов и что усиление активности гомологов FOXO продлевает жизнь (подробнее об этом говорится в главе 6)[18]. В исследованиях долгожительства среди мужчин японского происхождения, а также среди столетних жителей юга Италии выяснилось, что варианты FOXO3A связаны с продолжительностью жизни, а при изучении столетних жителей Германии разного происхождения были обнаружены другие варианты FOXO3A, также связанные с долгожительством[19]. Кроме того, варианты рецептора ИФР-1, которые регулируют активность FOXO у червей, дрозофил и мышей, также связаны с продолжительностью жизни у человека[20], что соответствует наблюдению (вновь сделанному на червях, потом на дрозофилах, потом на мышах), что ингибирование сигнального пути инсулина/ИФР-1, в норме блокирующего активность FOXO, продлевает жизнь. В частности, среди столетних евреев-ашкеназов повышена частота мутантных вариантов гена ИФР-1 по сравнению с контрольной группой людей. В проведенном позднее метаанализе европейского населения также была обнаружена корреляция между FOXO3 и уровнем циркулирующего ИФР-1 и связывающего его белка BP-3[21]. Все эти данные указывают на то, что сигнальный путь инсулина/ИФР-1 и его влияние на активность FOXO, скорее всего, имеют отношение к продолжительности жизни человека. Небольшие изменения ДНК каким-то образом слегка модулируют активность белков, которые она кодирует, и этого эффекта оказывается достаточно для влияния на продолжительность жизни.

Интересно было бы идентифицировать ген никотинового ацетилхолинового рецептора CHRNA3/5, поскольку отчасти его связь со старением может определяться его функцией, зависящей от поведения человека, а именно – от курения. На основании регрессии продолжительности жизни родителей на обширном объеме данных (Биобанк Великобритании) было показано, что SNP в гене CHRNA3/5 связаны с никотиновой зависимостью, раком легких и хронической обструктивной болезнью легких (все эти состояния являются результатом курения), а также с шизофренией[22], при которой многие больные сами себя лечат никотином. Меняет ли никотиновый ацетилхолиновый рецептор CHRNA3/5 продолжительность жизни за счет изменений пристрастия к никотину, которое, в свою очередь, способствует курению? В будущем нам предстоит установить связь между генетикой, поведением и продолжительностью жизни. Авторы работы учли образ жизни людей и показали, что повышение индекса массы тела (ИМТ) на одну единицу снижает среднюю продолжительность жизни на семь месяцев, тогда как каждый год обучения увеличивает ее на одиннадцать месяцев. Считается, что эти поведенческие аспекты связаны с режимом питания и курением, соответственно: ИМТ связан с риском сердечно-сосудистых заболеваний и ожирения, а уровень образования – с сокращением риска заболеваний, связанных с курением. Важно проанализировать связь между наследственностью и влиянием внешней среды через генетические факторы и поведенческие тенденции, поскольку гены действуют не в вакууме: по-видимому, и наше поведение, и наши гены оказывают значительное влияние на скорость старения и развития возрастных заболеваний.

Еще одна тема в области исследований старения касается воспаления, или хронической активации иммунной системы[23]. При изучении транскрипции в стареющих тканях, включая головной мозг, было замечено, что воспаление имеет характерный “профиль” экспрессии генов – позднее это подтвердилось с помощью анализа GWAS, когда в генах воспаления были обнаружены SNP, связанные с различиями в продолжительности жизни. К этим генам относятся гены локуса главного комплекса гистосовместимости MHC, ген воспалительного цитокина IL-6 и гены человеческих лейкоцитарных антигенов HLA-DQA1/DRB1[24]; и все они связаны со старением и воспалением. Отчасти именно благодаря этим открытиям появилось быстро развивающееся направление исследований – “инфламмейджинг”. Регулируемое воспаление является важной частью иммунного ответа, однако аномальное нерегулируемое воспаление наносит вред организму. Вообще говоря, стареющие клетки плохи не только тем, что умирают сами, но и тем, что секретируют факторы, усиливающие воспаление. В лаборатории Джудит Камписи занимаются анализом этого явления, названного секреторным фенотипом, ассоциированным со старением (senescence-associated secretory phenotype, SASP; подробнее поговорим об этом в главе 13)[25].

Первые исследования с применением GWAS не дали надежных результатов просто по той причине, что в них анализировали недостаточное количество данных о долгожителях, и все же они позволили идентифицировать несколько генов, которые могут играть какую-то роль в старении. В более поздних работах были использованы гораздо более обширные базы данных. В Китае в процентном отношении не так высока доля людей, доживающих до столетнего возраста, но ввиду большой общей численности населения в стране много долгожителей (хотя, конечно, соотношение сигнала к фону ниже). В рамках исследования этнических ханьцев был изучен геном 2 тысяч (!) человек, достигших столетнего возраста, и 2 тысяч человек среднего возраста (контрольная группа)[26], что позволило с высокой достоверностью идентифицировать большую группу генов-кандидатов. В этой работе вновь обнаружился ген IL-6, подтверждая роль воспаления в возрастных изменениях, а также гены APOE и 5q33.3, и восемь SNP совпали с теми, которые ранее уже были выявлены у европейцев и американцев. Как и в других исследованиях, возник вопрос о связи с регуляцией уровня холестерина: авторы сосредоточили внимание на влиянии аллели APOE ε4 и гена TOMM40, который играет роль в регуляции уровня ЛПВП. В последующем исследовании учитывались психологические и когнитивные характеристики большой группы ханьцев и отмечалось, что “хорошая психологическая устойчивость и оптимизм являются ключевыми факторами исключительной продолжительности жизни столетних людей”[27]. Можно быть оптимистом, если пережил всех на свете!

Еще один подход к изучению продолжительности жизни – анализ экстремальных случаев, то есть супердолгожителей, проживших более 105 лет. Джеймс Клемент (юрист по образованию, заинтересовавшийся вопросами долгожительства) и специалист по секвенированию из Института Брода Джордж Черч применили новую стратегию в разгадке тайны долгожительства: они открыли доступ к последовательностям ДНК долгожителей для всех заинтересованных исследователей, фактически переведя работу в режим краудсорсинга[28]. Сам Клемент занялся идентификацией и сбором ДНК всех супердолгожителей, каких только мог найти, а в лаборатории Черча эту ДНК секвенировали и предоставляли результаты всем ученым, которых это интересовало. Хотя исследование (Betterhumans Supercentenarian Research Study) в настоящий момент пока весьма ограничено по объему (около 60 образцов ДНК супердолгожителей и еще 19 образцов, ранее собранных и отсеквенированных Стюартом Кимом в Стэнфорде)[29], исследователи надеются, что анализ экстремальных случаев позволит выявить наиболее важные гены. Работа продолжается, так что пока слишком рано говорить, удастся ли с помощью этого подхода найти гены, не обнаруженные в предыдущих исследованиях. Очевидно, что последовательное добавление новых образцов поможет прийти к более надежным выводам. Кроме вопроса, есть ли у этой популяции людей какие-то специфические варианты генов, можно поинтересоваться, не живут ли они так долго только потому, что не имеют распространенных аллелей генов, повышающих риск заболеваний, и, таким образом, защищены на генетическом уровне. Мой коллега Джошуа Эйки и его соавторы попытались ответить на этот вопрос, воспользовавшись информацией из базы данных Клемента, и, судя по их предварительным данным, дело вовсе не в том, что супердолгожители просто в меньшей степени “нагружены” болезнетворными вариантами. Они живут дольше, несмотря на наличие таких же болезнетворных генов, как и у всех остальных. Важно проверить эту гипотезу: если она верна, повышается вероятность, что изменения в единичных генах помогают людям жить дольше и избегать распространенных заболеваний, даже когда генетически они к развитию этих заболеваний предрасположены. Однако исследование итальянских “полусупердолгожителей” и супердолгожителей¹⁹ привело к противоположному выводу: возможно, у этих людей более эффективный механизм репарации ДНК, поскольку у них меньше соматических мутаций[30].

В целом таких исследований немного – из-за сложности применения GWAS для изучения долгожительства. Другой подход к идентификации генов, влияющих на старение, объединяет несколько исследований с применением GWAS в единый метаанализ – то есть одновременный анализ результатов многих исследований. Ориентируясь на данные GWAS по выявлению возрастных заболеваний, а не на ограниченный набор исследований, посвященных только вопросам долголетия, группа Юсинь Су (тогда в Медицинском колледже Альберта Эйнштейна, сейчас в Колумбийском университете) значительно увеличила объем материала для анализа (410 GWAS и пять категорий возрастных заболеваний)[31]. Для генов, ассоциированных с конкретными фенотипами, они использовали очень низкое пороговое значение коэффициента значимости (p < 1 × 10^[-5]), чтобы с высокой достоверностью идентифицировать важные варианты SNP. Возрастные признаки были разделены на группы: сердечно-сосудистые заболевания, метаболический синдром, рак, нейродегенеративные расстройства и другие возрастные изменения. Три гена, присутствовавшие во всех категориях, находились в локусе MHC (который очень часто выявляют при проведении GWAS). Ослабляя критерий с целью идентификации генов, ассоциированных с какими-то тремя из пяти категорий возрастных заболеваний, исследователи обнаружили других кандидатов, в том числе TOMM40/APOE, гены воспаления и ген регуляции клеточного цикла и старения p16INK4a. Выяснилось, что эти гены участвуют в таких процессах, как проведение пищевых сигналов, метаболизм липопротеинов, поддержание целостности генома, белковый гомеостаз (протеостаз), и в других канонических путях, которые затрагиваются при старении. Интересно, что возрастные заболевания имели наибольшее сходство с метаболическим синдромом, что позволяет предположить наличие у них общей причины, однако самое слабое перекрывание наблюдалось между метаболическим синдромом и нейродегенеративными заболеваниями, хотя обе группы состояний связаны со старением.

В другом типе метаанализа группа Стюарта Кима из Стэнфорда применила метод “интегративного GWAS” (iGWAS), в котором использовались уже известные данные о возрастных заболеваниях в сочетании с информацией из четырнадцати GWAS-метаанализов заболеваний, и метод взвешенного p-значения для выявления новых генов[32]. Общая идея заключается в том, что SNP, повышающие риск развития возрастных заболеваний, снижают вероятность дожить до ста лет. Было найдено восемь генов, связанных с долголетием. К ним относится не только сочетание APOE/TOMM40, которое обычно ассоциируется с долголетием (и служит неким контролем качества анализа GWAS при поиске генов долголетия); но также CDKN2B/ANRIL (антисмысловая некодирующая РНК в локусе INK4), которая может играть роль в старении клеток; ген AB0 с мутацией, соответствующий группе крови 0; локусы HLA (связанные с функцией иммунной системы); и SH2B3/ATXN2, который связан с неврологическими заболеваниями и, кроме того, увеличивает продолжительность жизни дрозофил. Преимущество метаанализа такого типа в том, что он позволяет обнаружить гены, не преодолевающие планку значимости при изучении только продолжительности жизни, а также не ограничен малым объемом данных, как большинство исследований долгожителей.

Несмотря на прогресс в идентификации генов, потенциально связанных с долголетием, на этом направлении возникло препятствие. Исследовательская группа компании Google из Чикаго, занимающаяся изучением долгожительства, использовала данные Ancestry.com для выявления генетических признаков продолжительности жизни (обратите внимание: не долгожительства) и не обнаружила ничего, зато показала, что продолжительность жизни людей больше всего коррелирует с продолжительностью жизни их супругов и даже родственников супругов[33]. Предыдущие результаты указывали на генетическую составляющую как на главный фактор продолжительности жизни, а этот, по-видимому, демонстрирует роль ближайшего окружения. Столь неожиданный результат на первый взгляд кажется странным, если не задуматься о том, что люди обычно женятся на представителях близких социальных групп: с одинаковым уровнем образования, с одной религией, аналогичным экономическим статусом и образом жизни – по крайней мере, это так у людей с нормальной продолжительностью жизни.

Но даже среди людей из одинаковых социально-экономических групп встречаются индивидуумы с исключительно большой продолжительностью жизни. И люди, которые живут исключительно долго, даже если факторы риска не на их стороне. Как понять, что в их клетках и тканях позволяет им жить дольше, чем их близким, даже в аналогичных условиях? Чтобы это выяснить, нам нужно не просто идентифицировать гены, участвующие в регуляции продолжительности жизни, но и проверить их действие, а для этого необходимы экспериментальные системы, позволяющие отделить причину от следствия, поскольку мы не можем проводить такие исследования на людях. В частности, помогают манипуляции с генами короткоживущих модельных организмов, за генетическим строением которых легко наблюдать: это позволяет понять, являются ли те или иные варианты генов истинной причиной разной продолжительности жизни или их наличие просто коррелирует с продолжительностью жизни. И с их помощью, быть может, мы раскроем тайну супердолгожителей.

Глава 4
Долгоживущие организмы и долгоживущие мутанты модельных организмов

Вы совершили путь от червя к человеку, но многое в вас еще осталось от червя²⁰.
Ф. В. Ницше, “Так говорил Заратустра”

Один из замечательных результатов эволюции с точки зрения ученого заключается в том, что часто у разных животных имеются одинаковые гены, влияющие на продолжительность жизни и старение. Как заметил Жак Моно: “Что верно для E. coli, верно и для слона”. Этот факт позволяет использовать быстро развивающиеся организмы для обнаружения и детального анализа механизмов долголетия, чтобы потом быстрее проверить наши гипотезы на так называемых высших организмах (медленнее развивающихся, более сложных и дорогих, работа с которыми накладывает более строгие этические рамки), которые труднее использовать для объективных научных наблюдений. Вообще говоря, исследования старения чрезвычайно сильно выигрывают от использования короткоживущих модельных организмов просто по причине большой длительности исследований долгожительства у мышей или приматов – в отличие от таких научных направлений, как биология развития, поскольку формирование эмбриона у млекопитающих происходит не так уж долго. Когда мы понимаем, как действуют эти механизмы, нам проще понять их функционирование в наших собственных клетках.

Как изучают гены, контролирующие скорость старения? Один подход основан на стремлении понять, чем чрезвычайно долго живущие люди, например дожившие до 100 лет (глава 3), или долгоживущие виды, такие как гренландский кит и голый землекоп, отличаются от короткоживущих аналогов (илл. 2).

Илл. 2. Шкала продолжительности жизни от часов до дней для одноклеточных бактерий и дрожжей до нескольких сотен лет для гигантских черепах, китов, акул и моллюсков. Долгоживущие животные вызывают изумление, но исследовать их в экспериментальных условиях трудно. Проще работать с животными на другом конце спектра (от рыбки данио и назад). Все представленные здесь виды относятся к эукариотам, за исключением бактерий (они прокариоты); C. Elegans и все последующие организмы – многоклеточные.

Хотя полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) и секвенирование всего человеческого генома помогли идентифицировать гены, которые могут коррелировать с продолжительностью человеческой жизни, невозможно экспериментальным путем проверить роль этих генов у человека и долгоживущих животных (и даже если бы это было возможно, такие эксперименты были бы чрезвычайно длительными). Поэтому более мощный инструмент для изучения долголетия – идентификация генетических мутаций, увеличивающих продолжительность жизни, у короткоживущих животных. Революционные исследования долгожительства, проведенные на дрожжах, C. elegans, дрозофилах и мышах, сыграли важнейшую роль в формировании этого научного направления и положили начало современным исследованиям в области старения.

Сравнительная биология:

коэффициент долголетия и изучение долгоживущих животных

Человек не относится к разряду самых долгоживущих организмов на Земле, нам есть чему поучиться у некоторых природных мафусаилов. Организмы с очень большой продолжительностью жизни можно разделить на две категории: на тех, кто живет намного дольше человека, и тех, кто живет долго для своего размера, то есть имеет очень высокий коэффициент долголетия (LQ)[1]. В этом разделе мы сосредоточимся на животных, но следует отметить, что самые долгоживущие существа на Земле – деревья. В их числе колония осин возрастом около 80 тысяч лет и несколько других видов деревьев (главным образом голосеменных), возраст которых оценивается в 4 или 5 тысяч лет: остистые сосны из Большого бассейна, кипарис Абаркуха и Ллангернивский тис.

Многие наиболее долгоживущие животные на нашей планете обитают в море. Кроме нескольких видов китов есть и другие морские животные, не относящиеся к млекопитающим, с чрезвычайно большой продолжительностью жизни; среди них встречаются как очень крупные (например, акулы), так и сравнительно небольшие (моллюски и морские ежи). Скажем, океанический венус Arctica islandica живет несколько столетий. Одного такого моллюска, обнаруженного на исландском берегу в 2006 году, назвали Мин, поскольку сначала думали, что он появился на свет в эту эпоху[2]. Позднее с помощью радиоуглеродного метода анализа было показано, что Мин родился в 1499 году и чудесным образом прожил 507 лет, пока его не нашли и не заморозили, а потом открыли, чтобы подсчитать кольца (вот ведь…). Мы не знаем, сколько еще прожил бы Мин, не постигни его такая печальная участь, поскольку в его сердце не было обнаружено значительных окислительных повреждений белков или других признаков старения.

Морские позвоночные тоже могут жить очень долго: в 2016 году было показано, что гренландские акулы Somniosus microcephalus живут до 500 лет – это самая большая продолжительность жизни среди позвоночных животных[3]. Белки хрусталика глаза акулы формируются, пока акула все еще находится в икринке, и никогда не заменяются новыми, поэтому с помощью радиоизотопного датирования по этим тканям можно с большой точностью определить, когда именно сформировался глаз (отчасти исследователи ориентируются на “бомбовый пик”, связанный с накоплением в тканях радиоактивного углерода после ядерных испытаний в 1950-е и 1960-е годы). Анализ белков хрусталика 28 самок акул позволил оценить время рождения каждого животного; их возраст варьировал в диапазоне от 272 до 512 лет. Это довольно крупные акулы, поэтому на них никто не охотится, и живут они в очень холодной воде (2–5 °C), что, вероятно, замедляет их метаболизм. И оба фактора могут вносить вклад в их необыкновенное долголетие.

Приспособленность к холодной воде – не единственный способ прожить несколько столетий. Гигантская сухопутная черепаха Джонатан вылупилась в 1832 году на Сейшельских островах, а ныне живет на острове Святой Елены (и запечатлена на пятицентовой монете страны)²¹. Когда Джонатану было пятьдесят, его отправили с Сейшельских островов в подарок правительству острова Святой Елены. Сейчас ему 190, и на сегодняшний день это самое старое сухопутное животное. В январе 2022 года Джонатан побил предыдущий рекорд, принадлежавший черепахе Туи Малиле, дожившей до 189 лет. Известны примеры и других долгоживущих черепах. Говорят, что черепахи с Галапагосских островов могут жить примерно столько же, сколько Джонатан (однако я не уверена в справедливости слов моего гида Марио с острова Санта-Крус, который уверял, что галапагосской черепахе Луису 220 лет). Мы не знаем, почему черепахи живут так долго, однако маловероятно, что мы когда-нибудь будем ставить опыты на этих редких животных (поскольку это неразумно и неэтично).

Долгоживущие животные могут сообщать важную информацию, касающуюся также и людей, но вместе с тем они подчеркивают необходимость использования короткоживущих организмов в качестве модельных систем. Например, в 2015 году был прочитан геном гренландского кита[5]. Известно, что гренландские киты живут свыше 200 лет (как минимум один кит точно прожил больше 100 лет, что установлено благодаря анализу раны от гарпуна) и являются самыми долгоживущими млекопитающими. Для выявления генов, ответственных за долгую жизнь китов, были использованы разные экспериментальные и компьютерные методы; наилучшие результаты были получены при сравнении последовательности генома гренландского кита и малого полосатика (кита Минке) – родственного животного с продолжительностью жизни всего 50 лет, а также дельфина, коровы и других млекопитающих. Исследователи искали похожие гены с небольшими различиями в последовательности, рассудив, что эти малые различия могут иметь значение для больших различий в продолжительности жизни. Наверное, никого не удивит, что в этой работе были выявлены гены уже известных белков: супрессоров развития опухолей, таких как FOXO3; белков системы репарации ДНК (ERCC3); и белков сигнальных путей, контролирующих рост, развитие и продолжительность жизни (TOR, FGF и инсулин/ИФР-1; подробнее об этих генах мы поговорим в последующих главах). Интересно, что в исследовании был идентифицирован никотиновый рецептор альфа-10 (CHRNA10) – вспомним человеческий ген рецептора CHRNA3/5, обнаруженный методом GWAS (может быть, гренландские киты живут так долго, потому что не курят?). Изучая этих долгоживущих млекопитающих, ученые надеялись выявить новые гены, но обнаружили мало новых кандидатов – впрочем, требуется еще дополнительная работа. Самая большая трудность в идентификации “генов долгожительства” у долгоживущих организмов, как и в случае интерпретации результатов GWAS при анализе человеческого генома, заключается в проверке роли генов или SNP, поскольку такие эксперименты нельзя провести на китах. Проверить влияние каждого нового гена можно только с помощью короткоживущего модельного организма или культуры тканей. Но сочетание анализа аллелей-кандидатов и короткоживущих модельных организмов может дать полезный результат. Ученые надеются, что в последовательностях ДНК долгоживущих животных в конце концов будут обнаружены новые гены – помимо тех, что уже известны благодаря GWAS или исследованиям в модельных системах.

В целом с увеличением размеров животных увеличивается и их продолжительность жизни (вспомните о слонах и китах), но внутри вида иногда наблюдается обратная зависимость продолжительности жизни от размера. Например, как я уже упоминала, маленькие собаки обычно живут дольше больших; их продолжительность жизни имеет обратную корреляцию с уровнем ИФР-1, от которого зависит размер. В этом просматривается некая аналогия с увеличением продолжительности жизни людей в результате генетических вариаций, подавляющих рост. Например, синдром Ларона – это форма карликовости, при которой также наблюдается нарушение сигнальных путей с участием ИФР-1[6]. (Мы вновь замечаем, что инсулиноподобный фактор роста играет важную роль в связи между ростом и продолжительностью жизни.) Люди с синдромом Ларона имеют маленький рост, но у них ниже риск развития рака и диабета, а возможно, и других возрастных заболеваний. Эндокринологи изучают этих людей с целью понять столь интересное сочетание характеристик. Поначалу синдром Ларона был выявлен у нескольких пациентов в Израиле, но такие люди встречаются по всему миру, в том числе в некоторых южноамериканских странах, например в отдаленных районах Эквадора[7]. Интересно, что у некоторых эквадорских пациентов с синдромом Ларона среди предков были евреи из группы сефардов, эмигрировавшие из Испании в постинквизиторский период испанской колонизации Америки.

Возможно, самый интересный объект для изучения долгожительства – животные, которые живут дольше, чем следовало бы ожидать на основании их размера: это животные с высоким коэффициентом долголетия, LQ[8]. Значение LQ = 1 означает, что животное живет столько, сколько в среднем ожидается для животного такого размера, а у животных с очень большой для их размера продолжительностью жизни этот показатель намного выше единицы. Например, маленькая коричневая летучая мышь живет больше 30 лет, а Стив Аустад сообщил об обнаружении долгожителя среди летучих мышей – самца в возрасте 41 года. При этом размер тела летучей мыши сравним с размером тела обычной мыши, которая живет около двух лет. Следовательно, показатель LQ для летучей мыши чрезвычайно высок, почти 10. А сумчатые животные, такие как опоссум, и землеройки находятся на другом краю спектра значений LQ: они живут намного меньше, чем ожидается на основании их размера. Считается, что некоторые животные умирают вскоре после спаривания в результате гормональных всплесков, как лосось.

Большая продолжительность жизни летучих мышей по-прежнему остается загадкой, хотя новые технологии секвенирования помогают ее разгадывать. Как я упоминала в предыдущей главе, можно предположить, что их долгая жизнь связана просто с метаболической перестройкой при зимней спячке, однако некоторые летучие мыши, не впадающие в спячку, тоже живут долго. Возможно, отчасти их долгожительство связано со способностью ускользать от хищников благодаря умению летать, и положительный эффект зимней спячки тоже может объясняться отсутствием хищников. (Сама по себе зимовка тоже дает некоторые преимущества в связи с замедлением жизненных процессов.) Но до сих пор непонятно, как возможность ускользать от хищников изменяет животное на генетическом и молекулярном уровне, обеспечивая чрезвычайно долгую жизнь[9]. По-видимому, теломеры (концы хромосом, укорачивающиеся при каждом клеточном делении) летучих мышей с течением времени продолжают оставаться длинными[10], но мы не знаем, восстанавливаются ли теломеры летучих мышей эффективнее, чем у обычных мышей (за счет активности фермента теломеразной обратной транскриптазы, TERT). Возможно, сопоставление геномов и SNP мышей и летучих мышей, как при изучении гренландских китов, позволит определить новые гены, которые обеспечивают летучим мышам такую удивительную продолжительность жизни. Полногеномный анализ ДНК ночницы Брандта позволил выявить уникальное изменение генов сигнального пути инсулина и инсулиноподобного фактора роста 1[11], и это показывает, что хотя бы отчасти высокий показатель LQ для этой летучей мыши связан с ослаблением сигнальных путей ИФР-1 – наряду с низкой скоростью размножения, зимней спячкой, пещерным образом жизни и умением летать. Изучение экспрессии генов (мРНК) в специфических тканях также позволяет выявлять отличия, которые могут иметь значение для продолжительности жизни летучих мышей, и следует проанализировать эти гены и SNP, встроив их в обычных мышей и определив продолжительность жизни.

Если вас когда-нибудь интересовали исследования продолжительности жизни, вы могли слышать о голых землекопах – некрасивых маленьких грызунах, представляющих собой чудо долгожительства. Эти животные размером с крысу живут 30 лет и более, так что их показатель LQ равен как минимум четырем. Они не имеют шерсти, обитают в глубоких норах, ведут эусоциальный (общественный) образ жизни (у них есть королева и рабочие особи) и выживают в почве в токсичных условиях и при низком содержании кислорода. Короче говоря, это необычные и удивительные существа, которые еще и живут больше трех десятков лет. Кроме того, в отличие от своих родственников среди мышей, они редко болеют раком, и их здоровье, метаболизм и физиология клеток, судя по всему, очень слабо изменяются с возрастом – иными словами, это пример сокращения фазы болезней, которое и является целью исследований продления жизни. Голых землекопов изучают именно ради того, чтобы понять, как им удается жить так невероятно долго. Возможно, жизнь под землей предохраняет животных от нападения хищников и, следовательно, сокращает внешние факторы риска, как способность к полету позволяет летучим мышам жить дольше. Кроме того, они, конечно же, в меньшей степени подвержены влиянию ультрафиолетового излучения. Однако при этом они выживают в условиях недостатка кислорода и избытка углекислого газа, что требует специфических метаболических адаптаций. Наперекор теории старения под влиянием активных форм кислорода, судя по всему, голые землекопы живут долго не благодаря способности противостоять окислительному стрессу, поскольку в их белках наблюдаются значительные окислительные повреждения[12] и у них обычный уровень антиоксидантных белков.

В лаборатории Рошель (Шелли) Баффенштейн было показано, что голые землекопы характеризуются “незначительным старением”, то есть их смертность как бы не увеличивается с возрастом, что не наблюдается ни у каких других млекопитающих[13]. При этом в клетках голых землекопов выявлены многие характерные признаки старения[14], включая старческий секреторный фенотип (SASP), который ассоциируется с усилением воспаления и другими опасными возрастными изменениями. Это означает, что животные справляются со старением не за счет устранения SASP, и сохранение признаков стареющих клеток не противоречит слабой подверженности раку на протяжении всей их долгой жизни. Однако у животных усилены механизмы репарации ДНК, поддержания протеома, аутофагии и активности протеасом. Возможно, отчасти их усиленная сопротивляемость стрессу объясняется сохранением сплайсинга РНК[15], который у других организмов с возрастом изменяется (подробнее о сплайсинге РНК я расскажу в главе 8). Сравнительные геномные исследования показывают, что голые землекопы справляются со старением за счет регуляции процессов репарации ДНК и белков, сигнальных путей инсулина и TOR, сохранения теломерных повторов и подавления роста опухолей[16], а также за счет изменений митохондриального разобщения, влияющего на процесс термогенеза[17].

Удивительно простой и неожиданный (по крайней мере, для меня) механизм сопротивляемости раку у голых землекопов заключается в синтезе длинных высокомолекулярных цепей сахара, называемого гиалуроновой кислотой (ГК), с помощью гена синтазы гиалуроновой кислоты Has²[18]. Судя по всему, высокое содержание гиалуроновой кислоты позволяет животным сохранять эластичность кожи, необходимую для проскальзывания по узким подземным туннелям. В лаборатории Веры Горбуновой и Андрея Селуянова было показано, что высокомолекулярная гиалуроновая кислота способствует устойчивости клеток к злокачественному перерождению. Чтобы проверить, не является ли эта способность к долголетию и нечувствительности к раку исключительной особенностью голого землекопа, следует проанализировать мышей с версией гена Has² голого землекопа, на основании которого синтезируется высокомолекулярная версия ГК: может быть, это приведет к такому же фенотипу раннего контактного ингибирования, который голые землекопы используют для предотвращения рака. Это простой подход, так что экспрессия гена Has² может стать полезным решением для других организмов и систем.

Как и голые землекопы, другие эусоциальные животные (у которых при одинаковом геноме существуют касты рабочих особей и королев) тоже имеют интересные особенности продолжительности жизни. У муравьев и пчел (например, Apis mellifera) есть королевы и социальная иерархия, при этом особи с разными общественными функциями имеют разную продолжительность жизни. Эусоциальные насекомые представляют собой наиболее досадный пример, противоречащий концепции компромисса между репродукцией и продолжительностью жизни, поскольку королевы этих видов живут очень долго и вместе с тем чрезвычайно плодовиты. Возможно, это достигается за счет разделения функций и регуляции инсулиновых сигнальных путей (глава 6) и метаболизма липидов[19], а молекулярные механизмы поддерживают экспрессию генов, характерную для каждой касты. (Об этих “эпигенетических” механизмах регуляции старения мы поговорим в последующих главах.) Модельные эусоциальные животные помогают в изучении таких аспектов долгожительства, которые могут быть интересны и для человека.

Новые модельные системы для изучения старения

Изучение долгоживущих животных вызывает огромный интерес, но такие исследования продвигались медленнее, чем исследования с использованием традиционных модельных систем, поскольку нам не хватало генетических инструментов и генетических данных. Однако ситуация довольно быстро меняется благодаря появлению новых методов геномного анализа, техники с применением антисмысловой РНК и РНК-интерференции, а также редактирования генома (CRISPR). Возможность отключать, заменять и помечать гены эусоциальных животных позволит понять не только как активность генов воздействует на продолжительность жизни, но также как социальные структуры и кооперация могут влиять на продолжительность жизни отдельных особей и групп, что, в свою очередь, будет способствовать пониманию влияния этих же факторов на продолжительность жизни человека.

Каждый год в моем курсе о старении я прошу студентов предложить новую “модельную систему” и написать короткое сообщение, обратив внимание на следующие аспекты: 1) на какие вопросы в исследованиях старения помогла бы ответить данная система; 2) что нужно сделать, чтобы превратить эту систему в реальную лабораторную модель. Меня приятно удивил спектр организмов, предложенных студентами; среди них были лосось, черепаха Блендинга, новозеландский белый кролик, серый мышиный лемур (короткоживущий примат), бутылконосый дельфин, мармозетка (Callithrix jacchus), медоносная пчела (Apis mellifera), тихоходка (Ramazzottius varieornatus), асцидия (Ciona intestinalis), планария и коричневая сумчатая мышь (Antechinus stuartii). Любое из этих животных было бы полезным для изучения какого-то аспекта регуляции продолжительности жизни: истинная причина смерти семельпарных видов (лосось, сумчатая мышь), близкая гомология с человеком для изучения угасания когнитивной функции (лемур, мармозетка), исключительная устойчивость к стрессу (тихоходка), исключительная продолжительность жизни (черепаха), сон (белый кролик) и регенерация (асцидия, планария). Благодаря появлению новых генетических инструментов есть основания полагать, что такие организмы вскоре могут стать реальными модельными системами, и меня восхитило воображение студентов, предложивших новые модели для изучения старения.

Модельные беспозвоночные животные – короли (и королевы) в исследованиях старения

Как я упоминала выше, одно из ограничений в исследованиях продолжительности жизни человека заключается в том, что на самом человеке невозможно проверить функцию генов, выявленных в ходе полногеномного поиска ассоциаций, так что это приходится делать на основании других данных. Такая же проблема возникает при изучении потенциальных генов долгожительства других долгоживущих животных, и в случае многих из этих интересных созданий либо не существует генетических инструментов для изучения новых генов, либо они живут настолько долго, что невозможно завершить эксперимент за разумное время. Так как же проверить функцию человеческих генов, обнаруженных с помощью GWAS или в ходе сравнительного анализа геномов?

Один подход: искусственным путем повысить или понизить активность этих генов в человеческих клетках in vitro (в клеточной культуре) и посмотреть, как долго клетки смогут жить или делиться. Клетки делятся только ограниченное число раз, а затем заболевают и умирают. Этот предел был установлен Леонардом Хейфликом из Института Вистара в Филадельфии в начале 1960-х годов и назван пределом Хейфлика. Клетки теряют способность делиться, поскольку стареют, что сопровождается характерными метаболическими и клеточными изменениями, включая укорочение теломер и секрецию токсичных метаболитов, отравляющих другие клетки (подробнее в главе 10). В клеточной культуре мы можем манипулировать интересующими нас генами с помощью молекулярных методов, а затем проверять влияние генов на старение клеток и другие параметры. Понятно, что это позволяет анализировать картину на клеточном уровне, но не отражает развитие событий в организме в целом.

Гораздо более трудоемкий, но потенциально более информативный подход к анализу функции генов, выявленных с помощью GWAS, – имитация изменений человеческих генов в организме мыши (иными словами, в изменении мышиной версии конкретного человеческого гена) с последующим анализом продолжительности жизни мыши и других параметров, связанных со здоровьем и возрастом. Однако проверка влияния гена на продолжительность жизни мыши занимает несколько лет, так что до начала подобных экспериментов хорошо бы получить более полную информацию о соответствующих генах. Оба подхода выигрывают от внедрения новых методов редактирования генома с применением системы CRISPR, позволяющей производить гораздо более тонкие модификации, чем удаление гена или усиление его экспрессии. Еще одна возможность – забежать вперед и заняться поиском лекарств, которые влияют на метаболические пути, выявленные генетическими методами. В случае APOE, CETP и других кандидатов, про влияние которых на уровень ЛПВП/ЛПНП нам уже известно, у нас достаточно экспериментальных данных, и мы можем двигаться этим путем, в частности по той причине, что сердечно-сосудистые заболевания – важное проявление возрастных изменений, которые можно изучать вместо продолжительности жизни.

Наконец, еще один подход к изучению старения – использовать для проверки роли потенциально важных генов и метаболических путей организмы, с которыми проще экспериментировать. В одном из первых экспериментов по изучению продолжительности жизни с применением “модельных систем”, выполненном в 1935 году, было сделано удивительное открытие об увеличении продолжительности жизни за счет ограничения калорийности питания (глава 7). Для изучения эффектов голодания в военное время Клив Маккей подвергал крыс разным диетическим ограничениям. Предполагалось, что хуже всего придется крысам, получавшим наименьшее количество калорий, но, ко всеобщему удивлению, оказалось, что именно они были наиболее здоровыми и моложавыми. Это открытие положило начало новому направлению исследований влияния пищевых ограничений на продолжительность жизни. Мыши стали для генетиков главной моделью среди млекопитающих (из-за их небольшого размера и легкости содержания, и поэтому для мышиных моделей разработано много генетических инструментов), хотя некоторые исследования роли питания до сих пор проводятся на крысах.

Наилучшими генетическими модельными системами служат короткоживущие организмы, поскольку они позволяют быстро проделывать много манипуляций и анализировать аспекты старения, имеющие отношение к человеку, а уже потом манипулировать генами старых животных для проверки влияния на продолжительность жизни. Для анализа такого рода мы применяем небольших беспозвоночных животных – рабочих лошадок в науке о долгожительстве. Хотя кажется, что черви и дрозофилы совсем на нас не похожи, на самом деле большинство генов у нас одинаковые. Благодаря этому можно изучать процессы, происходящие в человеческом организме, на модельных короткоживущих организмах и гораздо больше узнавать о генах и их взаимодействиях. Крохотные организмы помогли нам установить роль “генов старения”, о которой в противном случае нам пришлось бы только догадываться. И с помощью этих моделей мы можем не только считать, сколько раз делятся клетки, а за несколько недель проанализировать поведение животного и протяженность здорового периода его жизни.

Трудно переоценить пользу от применения модельных беспозвоночных животных в исследованиях долгожительства. Вполне вероятно, что без этих крохотных короткоживущих и доступных для генетических манипуляций существ мы бы сегодня знали о старении лишь немногим больше, чем в 1985 году. Возможность изменять уровень синтеза продукта гена (мРНК и белка) или визуализировать белки в живом организме, наблюдая за его старением (или отсутствием старения), полностью изменила наши представления обо всех элементах старения. Теперь мы видим, что происходит в реальности, а не просто теоретизируем или отслеживаем возрастные изменения, не понимая, какие из них сопутствующие, а какие причинные.

Фундаментальные исследования, проведенные на C. elegans и дрозофилах, проложили путь к пониманию возможностей регуляции продолжительности жизни у млекопитающих. Часто гены идентифицируют методом полногеномного анализа, проверяя их влияние на продолжительность жизни или на реакцию на стресс в этих модельных организмах, а потом подтверждают данные в экспериментах с мышами. Это логично, поскольку содержание мелких модельных организмов обходится дешевле и срок их жизни короче, и благодаря этому ученые разработали целый арсенал инструментов для манипуляций с генами и их анализа. Короче говоря, мы с гораздо большей вероятностью получим результат и проанализируем гораздо больше генов, работая с дешевыми короткоживущими существами. При работе с животными, изучение которых занимает годы, мы вынуждены подходить к отключению генов намного более избирательно, и содержание этих животных на протяжении нескольких лет обходится гораздо дороже. Если при анализе генома человека или долгоживущего животного обнаружен интересный ген, полезно переключиться на работу с каким-то мелким короткоживущим животным и проверить, каким образом функция этого гена связана с продолжительностью жизни. Можно отключить этот ген в червях или дрозофилах, усилить или ослабить его экспрессию или пометить его продукт флуоресцентной меткой, чтобы следить за его клеточной и субклеточной локализацией, но это также можно делать и в культуре тканей. Однако в живом организме видно, кроме того, как гены функционируют в специфических тканях и как это влияет на поведение животного и другие характеристики организма в целом, такие как продолжительность жизни и здоровье. Полезно также провести генетический скрининг для выявления других генов, взаимодействующих с изучаемым геном. В результате удается многое узнать о новом гене всего за несколько недель, не проводя двух- или четырехлетних экспериментов на мышах. Это полезно не только для расширения наших знаний, но и для выбора генов мыши, которые надлежит изучить впоследствии.

Исторически сложилось так, что первой модельной системой для генетического анализа стала плодовая мушка Drosophila melanogaster. Система была разработана генетиком Томасом Хантом Морганом и его коллегами еще столетие назад. Нет ничего удивительного, что именно на дрозофилах были проведены некоторые самые ранние эксперименты по изучению продолжительности жизни. Например, в одном длительном эксперименте, начатом в 1981 году, Майкл Роуз отбирал последнее потомство в каждом поколении мух. Через много поколений он установил, что потомки имели большую продолжительность жизни, чем исходные особи[20]. Удивительно, что эти мухи, кроме того, за всю свою жизнь откладывали и большее количество яиц (впрочем, они имели какие-то фенотипические нарушения). Эксперимент был проведен до начала современной эры полногеномного секвенирования, так что генетическая причина этих различий осталась неизвестной – возможно, они определялись совместным влиянием генов и окружающей среды, но было бы чрезвычайно заманчиво узнать, какие гены сыграли такую роль, в четыре раза увеличив продолжительность жизни мух по сравнению с их предками.

Линда Партридж открыла новую эру в изучении долгожительства на модели дрозофилы: сначала она исследовала влияние спаривания на продолжительность жизни[21], а затем перешла к рассмотрению роли генетики и питания[22], внеся заметный вклад в изучение продолжительности жизни дрозофил. По сравнению с мышами дрозофилы живут недолго, всего 40–50 дней, но у них богатая история участия в исследованиях развития, поведения и нервной активности в связи с проблемой старения. На протяжении десятилетий дрозофила была звездой генетических исследований, для работы с генами дрозофил было разработано много генетических инструментов, и это очень удобная система. Несмотря на малый размер, у дрозофил есть такие органы, как сердце, кишечник и сложный мозг, поэтому открытия, сделанные на этом организме, часто имеют очевидные корреляции с биологией человека.

Однако моя любимая модельная система для изучения продолжительности жизни – нематода Caenorhabditis elegans, и скоро вы поймете почему. В конце 1960-х годов генетик Сидней Бреннер, прочтя работы Элсворта Догерти, Виктора Найгона, Маргарет Бриггс и других авторов о свободноживущих нематодах, превратил C. elegans в модельную систему для изучения развития нервной системы, поскольку хороший компромисс между сложностью и простотой обеспечивал возможность для генетических манипуляций. Этот маленький червь помог открыть и изучить многие важнейшие клеточные процессы, лежащие в основе современной молекулярной биологии. За открытие “генетической регуляции развития органов и программируемой клеточной смерти” у C elegans Бреннер, Роберт Горовиц и Джон Салстон в 2002 году были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине, а родственная нематода C. brenneri была названа в честь Сиднея Бреннера.

Червей в лаборатории разводить несложно, поскольку они питаются бактериями, на одной чашке Петри могут жить сотни особей, а развитие от яйца до взрослой формы происходит за два дня (их также можно замораживать, что дает им преимущество перед дрозофилами для использования в лабораторной практике). В теле взрослого гермафродита C. elegans всего 959 клеток, и эти клетки не меняются и не заменяются новыми. То есть если организм живет дольше, это происходит потому, что все его клетки дольше остаются здоровыми, – и это важно отметить в свете нашего дальнейшего рассказа. Из 959 клеток сформировано лишь несколько тканей (нервная ткань, кишечник, гиподерма и мышцы), и во взрослом организме делятся только стволовые клетки зародышевой линии. Тело животного развивается стереотипным образом (каждый раз одинаково), что указывает на существование генетической программы клеточной смерти. Простая нервная система животного состоит всего из 302 нейронов, и с помощью техники электронной микроскопии удалось построить карту связей между этими нейронами и получить первый “коннектом” мозга животного.

Но самое главное достоинство C. elegans для исследований старения и долгожительства – это их короткий жизненный цикл. Продолжительность жизни взрослого животного составляет около трех недель – достаточно долго, чтобы проследить за его старением (и оценить его на количественном уровне), но и достаточно коротко, чтобы быстро проводить эксперименты. В 1980-е годы Майкл Класс обнаружил ряд долгоживущих мутантов, и это открытие предвосхитило все дальнейшие исследования в области долгожительства[23], поскольку определило канонические категории долгоживущих мутантов, о которых мы далее поговорим подробнее: мутанты с изменением инсулиновых сигнальных путей (с нарушением перехода к состоянию диапаузы и отсутствием возможности регулировать остановку развития на личиночной стадии), мутанты с ограничениями потребления калорий (мутанты eat, не способные переваривать бактериальную пищу), мутанты с нарушением циркадных ритмов (очень медленно растущие мутанты clk) и даже мутанты с потерей чувствительности и с увеличенной продолжительностью жизни (об этом подробнее в главе 13). (Диапауза – это длительная, но обратимая альтернатива личиночной стадии, в которую черви переходят, когда условия внешней среды не способствуют росту и размножению; Класс исследовал эту стадию.) Интересно взглянуть на статью Класса, поскольку в этом простом генетическом скрининге долгоживущих животных уже были выявлены главные пути, отвечающие за продолжительность жизни, причем это было до того, как мы научились быстро секвенировать и идентифицировать гены на молекулярном уровне.

В последующие годы изучение долгожительства как научное направление изменилось благодаря экспериментам с C. elegans. В 1988 году Том Джонсон из Университета Колорадо обнаружил долгоживущего мутанта, которого назвал age-1[24]. Позднее в лаборатории Гэри Равкана в Гарварде его клонировали и обнаружили ген фермента фосфоинозитид-3-киназы (киназы PI3)[25], действующего после рецептора инсулина/ИФР-1 и играющего важную роль в развитии рака. Однако еще до клонирования этого гена был идентифицирован другой “ген долгожительства”, что и произвело революцию в этой области исследований. Готовясь к проведению скрининга долгоживущих мутантов в 1993 году, профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско Синтия Кеньон обнаружила мутанта daf-2 с удвоенной продолжительностью жизни, хотя действующий ниже на том же пути ген daf-16 препятствовал удлинению жизни[26]. (Daf означает dauer formation defective, то есть нарушение фазы диапаузы; при умеренном повышении температуры мутанты daf-2 переходят в диапаузу в тот момент, когда не должны этого делать, а мутанты daf-16 не переходят в диапаузу, когда должны это делать.) Когда в 1997 году в лаборатории Равкана был клонирован ген daf-2[27], выяснилось, что он кодирует единственный рецептор червя, напоминающий рецептор инсулина/ИФР-1, а так как об инсулине знают все, это было чрезвычайно интересно, поскольку позволяло предположить, что аналогичные изменения могут повлиять и на продолжительность жизни человека. В результате клонирования гена daf-16[28] выяснилось, что он кодирует единственный транскрипционный фактор FOXO червя, который, как вы помните, позднее был идентифицирован с помощью GWAS в исследованиях долгожительства у человека. Постепенно один за другим были клонированы и другие гены инсулинового сигнального пути (от рецептора, регуляторных киназ и фосфатаз[29] до медиаторов транслокации FOXO в ядро и из ядра[30]) и была установлена их роль в регуляции продолжительности жизни червей, а позднее и других организмов. Эти открытия положили начало современной эре исследований долгожительства, показав, что мутации единичных генов могут увеличивать продолжительность жизни – а это полностью опровергало предположение Уильямса о том, что невозможно увеличить срок жизни за счет единичных изменений ДНК. (Вскоре я объясню проблему этой концепции “одного гена”.) И все же были скептики, считавшие, что увеличение продолжительности жизни достигается за счет специфического для червей перехода в диапаузу – обратимой остановки развития на личиночной стадии до достижения репродуктивной фазы[31]. В более поздних работах было показано, что эти события могут быть разделены во времени[32]. Как я отмечала выше, отключение гена daf-2 у взрослых особей все равно увеличивает продолжительность жизни, а это означает, что животным не обязательно проходить через диапаузу или сокращать рождаемость, чтобы жить дольше. Эхом ранней работы Класса стали эксперименты Зигфрида Хекими, который идентифицировал мутантов, имитировавших ограниченное потребление калорий (мутанты eat), и замедлил их развитие (clk и другие митохондриальные мутации)[33], расширив список долгоживущих мутантов, обнаруженных Классом.

Вскоре после волны публикаций о червях-долгожителях было установлено, что инсулиновые пути передачи сигнала связаны с регуляцией продолжительности жизни и у дрозофил тоже. Это произошло, когда в лабораториях Линды Партридж и Марка Тейтара было показано, что у долгоживущего мутанта chico изменен ген инсулинового сигнального пути, расположенный сразу за геном рецептора инсулина/ИФР-1[34], и что мушиный гомолог FOXO действует после инсулинового сигнального пути и тоже контролирует продолжительность жизни[35]. Поскольку у дрозофил нет состояния диапаузы, мы начали понимать, что можем узнавать кое-что о продолжительности жизни человека, используя в качестве модельных систем беспозвоночных животных, даже червей. Постепенно выяснилось, что все гены, связывающие сигнальный путь инсулина/ИФР-1 с активностью FOXO как у червей, так и у дрозофил, участвуют в регуляции продолжительности жизни. Позднее было показано, что эти гены влияют и на продолжительность жизни мышей, хотя понятно, что в организме млекопитающих ситуация сложнее.

Когда в 1990-е годы Крейг Мелло и Эндрю Файр описали принцип интерференции РНК (РНКи; за это открытие оба были удостоены Нобелевской премии)[36], стало проще проводить генетические манипуляции с червями. РНК вводят в тело червя, либо вымачивают его в растворе РНК, либо, еще лучше, кормят бактериями, которые синтезируют двунитевую РНК искомого гена, и в результате получается мутантное животное. Открытие РНКи создало возможности для широкомасштабного внедрения методов “прямой” генетики, под которыми понимают продвижение от отключения гена с известной функцией к определению характеристик организма (его фенотипа). В 2002 году в лаборатории Джули Аринджер была составлена полногеномная библиотека РНКи (варианты бактерий, в каждом из которых изменен один ген, для кормления червей)[37], что позволило проводить целенаправленный геномный скрининг в поисках любого интересующего фенотипа, включая долгожительство. Выращивание червей на бактериях с РНКи хотя и имеет некоторые недостатки, но осуществляется настолько просто и быстро (не нужно клонировать мутантов), что произвело взрыв в исследованиях долгожительства. Полногеномный скрининг с применением РНКи позволил обнаружить как уже известные, так и новые “гены долгожительства”, способствовав исследованиям митохондриальных генов, аутофагии, белков теплового шока, белковых трансляционных факторов и многого другого[38]. (В последующих главах я подробнее расскажу, как все эти процессы связаны с продолжительностью жизни.) Использование мутантов в сочетании со скринингом супрессоров РНКи позволило описать и упорядочить новые пути исследований. Создание червей, в которых РНКи происходит только в определенных типах клеток, а также получение трансгенных животных с экспрессией конкретных генов только в одной ткани помогло установить, где именно активны гены, а также изучить тканевую специфичность и клеточную автономию, которые трудно изучать традиционными генетическими методами, требующими манипуляций на уровне всего организма. Типичный путь исследования стал выглядеть так: 1) проведение генетического или РНКи-скрининга в червях с подробным описанием генетических механизмов; 2) проверка на дрозофилах с анализом более детальной органной специфичности; 3) проверка на мышах²². Появление автоматизированных инструментов для анализа долголетия дополнительно повысило эффективность и воспроизводимость анализа продолжительности жизни C. elegans[39].

Таким образом, возможность быстрого скрининга в модельных системах беспозвоночных животных сильно ускорила открытие генов, участвующих в регуляции продолжительности жизни. Современные методы позволяют свободно переключаться от GWAS и анализа генных сетей при скрининге C. elegans на изучение уровня экспрессии генов у пациентов[40], как мы это делали недавно в случае болезни Паркинсона. Возможность экспериментировать с разными системами повышает вероятность, что идентифицированные гены и пути имеют отношение и к человеку тоже.

Здесь, в книге, я в основном рассказываю о червях и дрозофилах, поскольку именно эти исследования внесли значительный вклад в наше понимание регуляции старения, особенно ее генетических механизмов. Возможно, вы заметили, что я не обсуждала экстремальные значения продолжительности жизни – у наиболее долгоживущих организмов (приматов) и наиболее короткоживущих одноклеточных организмов, однако обе группы также сыграли важную роль в исследованиях долгожительства.

Исследования самой большой продолжительности жизни проводились на приматах. Очевидное преимущество изучения приматов в том, что они очень близкие родственники человека; если какой-то фактор увеличивает продолжительность жизни макак-резусов, скорее всего, он увеличивает продолжительность и нашей жизни. Недостаток – слишком долгая жизнь (в среднем 25 лет), так что исследования могут тянуться десятилетиями, что непозволительно много для аспиранта, постдокторанта или даже ожидающего назначения профессора. Но и это было бы не критично, если бы в какой-то момент в ходе эксперимента вы не понимали, что экспериментальные условия уже не совсем такие, как в начале. Исследовательские группы из Национального института США по проблемам старения (NIA) и из Университета Висконсина в Мэдисоне предприняли долгосрочные исследования влияния потребления калорий и в конце эксперимента (через 30 лет) сравнили свои результаты[41]. Группа из NIA не обнаружила статистически значимого влияния диеты на продолжительность жизни, тогда как группа из Университета Висконсина заметила разницу. Замечательно, что обе группы совместными усилиями постарались найти причину расхождения результатов. Возможно, группа из Университета Висконсина кормила контрольную группу менее здоровой пищей (с более высокой калорийностью), чем группа из NIA, в результате чего животные из контрольной группы Университета Висконсина жили меньше, чем животные в исследованиях в NIA, что и привело к более значительному отличию от животных, питавшихся менее калорийной пищей. Несмотря на эти расхождения, исследователи продолжают собирать ценные данные о состоянии тканей обезьян; в любом случае избыток калорий в рационе питания теперь вполне типичное явление для западных людей.

Поскольку макаки-резусы живут долго, резонно задать вопрос, не стоит ли использовать каких-то других, более короткоживущих приматов не из разряда человекообразных обезьян, например лемуров, мармозеток или других небольших приматов. Южноамериканская мармозетка, или обыкновенная игрунка (Callithrix jacchus), в среднем живет от пяти до семи лет[42], гораздо быстрее достигает половой зрелости (к полутора годам по сравнению с тремя или четырьмя годами в случае макаки-резуса), рождает больше детенышей, меньше весит (всего 300–500 граммов по сравнению с 6–8 килограммами макаки-резуса) и страдает от некоторых возрастных изменений, аналогичных человеческим. Кроме того, благодаря маленькому размеру таких обезьян легче содержать. Эта модель используется не очень часто, но перечисленные преимущества, а также возможность применения нового метода редактирования генома CRISPR позволяют предположить, что мармозетки и, возможно, другие небольшие приматы будут полезны для исследований старения.

На другом краю спектра продолжительности жизни находятся самые короткоживущие организмы, такие как дрожжи и бактерии. Возможно, вас удивляет, что бактерии “стареют”, но, исходя из логики, как только появляется какая-либо клеточная асимметрия (когда клетки делятся не строго пополам), имеет место старение: исходная клетка старше той, которая от нее отделилась. В одном элегантном эксперименте было показано, что бактерия Escherichia coli (E. coli) с более старыми полюсами (концами) прекращает делиться раньше, чем бактерия с более новыми полюсами – что является некоей формой репликативного старения. Это означает, что одна из дочерних клеток всегда имеет более сильно поврежденные составляющие элементы (белки и ДНК), чем другая, что и приводит к асимметрии. Такая асимметрия еще ярче проявляется в клетках Caulobacter crescentus, которая живет в проточной воде и одним концом связывается с поверхностью камня, а другой конец использует для почкования. В результате прикрепленная клетка перестает делиться, тогда как новые отпочковывающиеся клетки продолжают размножаться.

Понятное дело, бактерии меньше похожи на нас, поскольку это одноклеточные прокариоты, а не эукариоты. Эукариоты, в том числе мы, имеют в клетках истинное ядро и некоторые другие общие структуры, такие как органеллы. (Скорее всего, эукариоты возникли в результате поглощения одним прокариотом другого прокариота, что привело к симбиотической связи между двумя клетками и эволюции наших современных митохондрий.) В качестве генетической модельной системы очень часто используют дрожжи Saccharomyces cerevisiae – это простой эукариот, у которого меньше 6 тысяч генов и очень простая генетика, что позволяет, например, проводить гомологичную рекомбинацию и получать специфических мутантов. Поскольку это одноклеточный организм, с его помощью нельзя проанализировать все интересующие нас вопросы, но дрожжи помогли нам многое узнать об основах клеточной биологии, генетики и метаболизма.

Продолжительность жизни дрожжей определяют двумя способами. Можно измерить продолжительность жизни популяции, в частности после периода голодания; этот показатель называют хронологическим сроком жизни. В поисках генов, которые могли бы увеличивать период выживания дрожжей после наступления “стационарной фазы”, следующей за экспоненциальным ростом, было обнаружено несколько кандидатов, например ген SCH9 – гомолог гена протеинкиназы инсулинового сигнального пути млекопитающих (Akt). В свою очередь, SCH9 регулирует активность супероксиддисмутазы – одного из белков, помогающих справляться с окислительным стрессом. Ограничение калорийности питания тоже увеличивает продолжительность жизни дрожжей, как и животных. После первого полногеномного скрининга продолжительности жизни с применением РНКи у C. elegans[43] был проведен полногеномный скрининг делеционной библиотеки дрожжей (набора штаммов дрожжей с отключением отдельных генов) и были идентифицированы факторы, имеющие отношение к хронологической продолжительности жизни, а также исследовано влияние недостатка аминокислот и ингибирования белка TOR (target of rapamycin, мишень рапамицина)[44]. Выяснилось, что TOR – главный фактор хронологической продолжительности жизни. Но продолжительность жизни также зависит от таких белков, как протеинкиназа AMPK, которая реагирует на уровень энергетических запасов и играет роль в увеличении продолжительности жизни при ограничении калорийности питания у других организмов (подробнее о влиянии диеты на продолжительность жизни мы поговорим в главе 6).

Второй способ определения продолжительности жизни дрожжей основан на подсчете количества делений; этот параметр называют репликативным сроком жизни. Определяют его либо путем наблюдения за делением одной материнской клетки, либо путем подсчета “шрамов почкования”, остающихся после каждого деления. При отделении дочерней клетки от материнской поврежденные белки остаются в материнской клетке[45], а новые оказываются в дочерней: это великолепный механизм, гарантирующий постоянное возобновление лучшей версии организма. При анализе репликативного срока жизни дрожжей было обнаружено, что активация белка Sir2 оказывает положительное влияние на продолжительность жизни и что этот белок участвует в регуляции энергетического метаболизма NAD⁺/NADH, связанного с продолжительностью жизни (подробнее об этом – в следующих главах). Если судить по популярной прессе, известность дрожжам принесло открытие Дэвида Синклера об увеличении продолжительности жизни под действием химического вещества ресвератрола. Ресвератрол содержится в кожице винограда, и поэтому вино называют источником долголетия (впрочем, чтобы ресвератрол из вина повлиял на продолжительность жизни, нужно выпить столько, что это вызовет гораздо более сильный токсичный эффект). Идентификация дрожжевой энергетической сигнальной системы TOR и изучение ее роли в регуляции продолжительности жизни оказались чрезвычайно важны для понимания не только продолжительности жизни, но и регуляции клеточного роста. Тот факт, что дрожжи умеют передавать новые белки дочерним клеткам, оставляя старые и поврежденные белки в материнских клетках, указывает на наличие достаточно сложной системы, позволяющей сохранять “чистую” версию клеток и гарантирующей выживание последующих поколений. В этом механизме принимает участие белок Sir2, но позднее в лаборатории Угу Агиланью было показано, что аналогичный процесс омоложения белков в ооцитах C. elegans происходит без активации Sir2.

Один из недостатков исследований продолжительности жизни на модели дрожжей заключается в том, что эксперименты по репликации в этой системе довольно трудоемки: в частности, они требуют гораздо больших усилий, чем ежедневный перенос червей на новые чашки. Ученые разработали приемы для облегчения экспериментов (например, клетки охлаждают, чтобы замедлить процессы в ночное время, или окрашивают “шрамы почкования” вместо подсчета дочерних клеток), но эти сложности на протяжении многих лет тормозили прогресс в данной области, хотя было обнаружено несколько важных генов, таких как Sir2 и другие элементы пути с участием NAD+/NADH. Вообще говоря, полногеномный скрининг генетических элементов, связанных с репликативным сроком жизни дрожжей, был завершен только в 2015 году, через десять с лишним лет после того, как аналогичный скрининг был проведен в намного более “сложных” организмах, таких как C. elegans. И эта ситуация отличается от общей закономерности в других областях генетики и клеточной биологии, где обычно все начинается с опытов с дрожжами, поскольку с ними легче работать. Дрожжи прекрасно подходят для большинства генетических экспериментов и служат проверенной рабочей лошадкой в генетике, геномике и клеточной биологии, и без них не были бы созданы никакие модельные системы. Мы всегда сначала используем дрожжи для проверки новых методов, а уже затем переходим к работе с более сложными системами, такими как черви.

И тем не менее при всех своих преимуществах в настоящее время дрожжи – довольно сложная модель для изучения продолжительности жизни (когда я это пишу, я рискую потерять друзей и, возможно, будущее финансирование). К этому пониманию я пришла непростым путем. Я уже несколько лет работала с червями, когда Дэвид Ботштейн попросил меня провести в Принстонском университете курс лабораторных работ и использовать для этого дрожжи, поскольку у нас много реактивов для работы с дрожжами и другие участники проекта были специалистами по дрожжам. Я решила, что могу поучаствовать в этом деле, поскольку сама в нем заинтересована, и предложила нескольким студентам попытаться использовать мутантов дрожжей для изучения репликативного срока жизни, чего раньше никогда не делала. Мои студенты и я быстро осознали, что это, мягко говоря, бесполезный эксперимент. Вы либо раз в несколько часов отделяете дочерние клетки от материнских, либо замедляете процесс, поместив чашки в холодильник, – что не очень хорошо, поскольку на выполнение каждого эксперимента у нас было лишь несколько недель. Студенты были обескуражены тем, что изучать продолжительность жизни на модели дрожжей оказалось сложнее и дольше (смысл использования дрожжей как раз заключается в простоте и скорости экспериментов!), и поэтому мы переключились на более простой объект для этой работы – на червей, и я порадовалась, что в нашей лаборатории работают с червями (и для обучения студентов в будущем мы предпочитали червей).

Впрочем, высокоэффективные методы (быстрое параллельное тестирование), такие как “программа обогащения материнских клеток” и “программа обогащения дочерних клеток” Дэна Готтшлинга[46], а также микрофлюидные устройства для автоматического наблюдения за делящимися клетками облегчают проведение экспериментов по измерению репликативного срока жизни, что позволяет делать новые открытия и более точные измерения. Для клеточной биологии, геномики и эпигеномики особенно ценна возможность разделять популяции молодых и старых клеток. Например, в лаборатории Готтшлинга было установлено, что по мере старения в материнских дрожжевых клетках ослабевает функция лизосом, что приводит к изменению кислотности внутри клетки[47]. Лизосомы нужны для эффективного “отмывания” клетки от ненужных белков по механизму аутофагии, и нарушение функции лизосом приводит к потере клеткой способности делиться.

Возможность разделять старые и молодые клетки также позволяет изучать эпигенетические различия (глава 15). Например, коллекции дрожжей разного возраста позволяют идентифицировать связанные с возрастом эпигенетические факторы. Хотя дрожжи – маленькие одноклеточные организмы, они служат мощной модельной системой для изучения старения, особенно если учитывать их преимущества для исследований в области генетики и клеточной биологии.

Наконец, в последние годы в исследованиях старения появилась сравнительно новая модель – африканская голубая рыбка киллифиш (Nothobranchius furzeri). Киллифиш обитает в Зимбабве и Мозамбике во временных водоемах, образующихся в сезон дождей. В период засухи рыбки переходят в стадию диапаузы, но затем, всего через несколько недель, опять способны воспроизводиться. Их жизненный цикл должен укладываться в сезон дождей, и поэтому они живут всего три или четыре месяца. Это одно из самых подходящих существ для изучения долгожительства: это позвоночное животное, так что большинство процессов в его организме аналогичны процессам в организме человека; киллифиш можно выращивать в лаборатории, как полосатых данио; для манипуляций с киллифиш пригодны генетические инструменты, применяющиеся для работы с данио, включая CRISPR; наконец, это короткоживущая рыбка, так что эксперименты длятся недолго, даже более разумное время, чем эксперименты с мышами (от двух до четырех лет).

Впервые киллифиш стали активно применяться в исследованиях долголетия в лаборатории Анн Брюне в Стэнфорде: постдокторант Дарио Валенцано, который ловил и изучал этих рыб во время аспирантуры, занялся разработкой модели для исследования старения[48]. В лаборатории Брюне прочли геном рыбы, что помогло всему сообществу ученых[49]. Также там провели сравнительный анализ старения двух групп рыб, выловленных в двух водоемах и различающихся по продолжительности жизни из-за разницы в длительности диапаузы в сезон засухи. Наверное, вас не удивит, что ученые обнаружили несколько новых генов, но также подтвердили, что элементы сигнального пути с участием инсулина/ИФР-1 влияют на продолжительность жизни киллифиш. У рыб есть нервная система, и их можно использовать для изучения нейродегенеративных расстройств и поведения, в том числе в новых методах анализа способности к обучению[50]. Изучению генетики киллифиш способствовало развитие метода редактирования генома CRISPR[51]. В разных областях Зимбабве и Мозамбика обитают разные популяции рыб[52], что позволяет изучать зависимость продолжительности жизни от экологии и генетики. Замечательно, что в лаборатории Валенцано было показано, что перенос кишечной микробиоты от молодых рыб рыбам среднего возраста увеличивает срок жизни последних[53], и это интересное наблюдение подтверждает, что микробиота играет важную роль в долголетии. Этот метод исследования продолжительности жизни только начинает развиваться, но ввиду многочисленных преимуществ киллифиш мы можем получить идеальную модель как для объединения данных по позвоночным и беспозвоночным животным, так и для независимых исследований.

Если после прочтения моей книги у вас в голове останется хоть что-то, я бы хотела, чтобы это было понимание важной роли модельных систем и пользы фундаментальных исследований в биологии. Часто общественность узнает о научных открытиях только тогда, когда функция какого-то гена проверяется на человеке или на млекопитающих, однако до этого не менее десяти лет исследования ведутся на каких-то других, не столь заметных организмах вроде червей, мух, дрожжей или рыб. Не существует единственной модели, которая позволяла бы ответить на все вопросы, связанные со старением; разные системы дополняют друг друга. Такие исследования в модельных системах помогли узнать то, что нам сегодня известно о механизмах старения, и в последующих главах я расскажу об экспериментах, которые нас к этому привели.

Глава 5
Что такое старение (и как его анализировать)?
Биомаркеры старения и параметры “качества жизни”

Может быть, это правда, что жизнь в пятьдесят только начинается. Но все остальное начинает изнашиваться, отпадать или распадаться.
Филлис Диллер²³

Старость – главный фактор риска развития многих хронических и неврологических нарушений, удлиняющих период пониженного качества жизни. Поэтому недостаточно узнать, как продлевать жизнь, нужно еще и научиться сохранять качество жизни по мере старения. Все мы видим, как происходит старение, но для лучшего понимания этого процесса нужны аналитические стандарты и количественные параметры. Измерение показателей “здорового периода жизни” поможет определить, позволяют ли меры по продлению жизни одновременно повысить и ее качество или они только продлевают фазу пониженного качества жизни. Модельные животные пригодны для определения характеристик качества жизни человека, в том числе таких аспектов, как угасание когнитивной функции (возрастная потеря памяти и способности обучаться), и поэтому являют собой мощный инструмент для изучения старения человека.

Приглядитесь к окружающим. Обычно мы легко с первого взгляда определяем возраст человека. Мы замечаем морщины на лице и седеющие волосы, мы замечаем походку и гибкость тела – и по себе знаем, как времяпрепровождение в выходные дни сказывается по понедельникам. Как член Верховного суда Поттер Стюарт умел распознавать непристойность²⁴, так все мы узнаем стариков, когда их видим. И если признаки старости столь очевидны для нас, кажется, мы должны уметь измерять их на количественном уровне – но как?

Для измерения параметров старения отдельно от параметров заболеваний было предпринято несколько масштабных лонгитюдных²⁵ исследований, например длительное Фрамингемское исследование состояния сердца. Некоторые из таких исследований финансировались Национальным институтом старения. Например, Натан Шок, который возглавлял Центр геронтологических исследований и одним из первых понял важность изучения старения как отдельного научного направления, предпринял Балтиморское лонгитюдное исследование старения (BLSA). В 1958 году Шок, Уильям Питер и Артур Норрис начали это исследование (после 1978 года в него включили женщин) для наблюдения за состоянием здоровых людей на протяжении многих лет. Они хотели “наблюдать и документировать физические, ментальные и эмоциональные эффекты старения у здоровых и активных людей”²⁶. Логика исследования была такова, что наблюдение за людьми на протяжении времени, а не сравнение людей из разных возрастных групп поможет учесть роль факторов внешней среды, поскольку жизненный опыт и среда могут оказывать заметное влияние на здоровье человека. В исследовании рассматривались не только физические возрастные изменения, но и когнитивные изменения и развитие хронических заболеваний, которые являются важнейшими факторами старения[1]. Также отмечались поведенческие и внешние факторы.

Еще одно лонгитюдное исследование, предпринятое Университетом Раша с привлечением представителей религиозных орденов, началось в 1993 году с целью проанализировать возрастные изменения памяти и двигательных способностей[2]. Анализ когнитивных способностей и посмертного состояния тканей мозга более тысячи монахинь, монахов и священников со всей территории Соединенных Штатов позволит получить полезную информацию о возрастных изменениях когнитивных способностей. В таких исследованиях, как InCHIANTI[3], в рамках которого проводят наблюдение за пожилыми жителями Тосканы, или в долгосрочных эпидемиологических наблюдениях за здоровьем медицинских сестер ставятся другие задачи, но любое лонгитюдное исследование полезно для понимания связи между старением и заболеваниями.

Некоторые лонгитюдные исследования проводились таким образом или на таких группах населения, чтобы выявлять специфическую информацию именно в отношении старения. Например, в исследовании семей долгожителей (LLFS) наблюдали примерно за 5 тысячами американцев и датчан из семей, представители которых прожили очень долгую жизнь[4]. Участие принимали люди разного возраста (от 25 до 110 лет) обоих полов, но больше пожилых людей, чем во многих других исследованиях. В основном упор делался на анализ состояния “здоровых стариков”, чтобы понять, что помогает людям жить долго и при этом избегать болезней. Задача подобных исследований – собрать как можно больше данных для долгожителей и потенциальных долгожителей (людей из семей долгожителей), чтобы выявить общие закономерности и корреляции[5]. Важно, что исследователи не только наблюдали за поведением и состоянием здоровья людей, но и брали образцы крови для идентификации биологических маркеров возраста[6]. Наконец, в результатах обширных исследований и в базах данных, включая данные Биобанка Великобритании, содержится большой объем генетической и медицинской информации, не классифицированной по параметрам долголетия или каким-то другим характеристикам. Анализируя генетические и медицинские данные участников исследований и их семейную историю (например, возраст их родителей на момент смерти), можно вывести некоторые корреляции. Чем больше у нас информации, такой как генетическое строение и биомаркеры крови, характеризующие состояние сердечно-сосудистой системы, когнитивных способностей и наличие разных заболеваний, тем с большей вероятностью нам удастся понять суть процесса старения на генетическом и поведенческом уровне.

Многие люди в беседах со мной выражают беспокойство, что в погоне за увеличением продолжительности жизни мы просто удлиним фазу болезней, что, конечно же, было бы полнейшей катастрофой. Вообще говоря, когда я выступаю с публичными лекциями, вопрос на эту тему звучит одним из первых; и если я забываю показать видеозапись активных мутантных червей-долгожителей, находящихся в том возрасте, когда их нормальные сверстники уже умерли, кто-нибудь из присутствующих обязательно скажет, что мы боремся лишь за несколько дополнительных лет жизни плохого качества. Действительно стоит задуматься: долгожители дольше живут хорошо или просто живут дольше? Пытаясь ответить на этот важный вопрос, Измаил и его коллеги в 2016 году проанализировали данные для здоровых долгожителей, обращая внимание на наличие возрастных заболеваний (рака, сердечно-сосудистых заболеваний, гипертензии, остеопороза и инсульта) и пользуясь информацией для двух групп людей (участников исследования столетних людей из Новой Англии и проекта по изучению генов долголетия), по сравнению с данными для людей из контрольной группы с нормальной продолжительностью жизни[7]. Откладывая на графике “продолжительность жизни без болезней”, они обнаружили, что у долгожителей возрастные заболевания начинаются значительно позже. Иными словами, у них удлиняется здоровая часть жизни, а не просто дряхлое старческое существование. Это очень важное наблюдение; оно противоречит мрачному предположению, что более долгая жизнь – это всегда жизнь более низкого качества. У долгожителей наблюдается “сокращение фазы болезней”, которое Джим Фрайс и другие исследователи считают оптимальным способом продления жизни. По крайней мере, для людей, достигших или почти достигших столетнего возраста, продление жизни происходит не в ущерб хорошему здоровью. Итак, результат исследований людей с чрезвычайно большой продолжительностью жизни понятен, но его следует сформулировать более строго: долгожители живут дольше, поскольку дольше сохраняют здоровье. Наверное, это кажется очевидным, но все же для скептиков это следует подчеркнуть еще раз, поскольку слишком часто повторяют, что, продлевая человеческую жизнь, мы продлеваем старческий период. Если вы оптимистично настроены в отношении значимости исследований долгожительства, наверное, именно такого результата вы и ожидаете, но его следует подтвердить, а не просто с ним соглашаться. И если мы способны понять, почему у долгожителей такая долгая жизнь, использование этих знаний в отношении других людей не просто удлинит их жизнь, но удлинит ее здоровую часть, не отягченную болезнями. В этом и заключается цель исследований долголетия и старения.

Вспоминая, как старели наши родственники, мы учитываем потерю когнитивной функции, подвижности и автономности (для описания этой возрастной потери прочности в клинической практике используется термин “хрупкость”). Способность удерживать равновесие, сила и выносливость ослабевают с возрастом, внося свой вклад в повышение хрупкости организма. Как я уже отмечала, с возрастом изменяется и походка[8], что само по себе может значительно влиять на качество жизни, поскольку подвижность – ключ к независимости. Походка меняется потому, что зависит от активности мышц и нервов. Старые люди часто не просто медленнее ходят, но и шире расставляют ноги, стараясь удержать равновесие, вот почему мы так легко распознаем “старческую походку”. Геронтологи отмечают, что скорость передвижения – хороший метрический критерий общего состояния здоровья. Поэтому клиницисты разработали простую серию тестов физического функционирования SPPB (Short Physical Performance Battery)[9]. В этой серии тестов человека просят много раз подняться со стула, удерживать равновесие при разной постановке ног, а также измеряют время прохождения короткого расстояния (в разных исследованиях от 8 футов до 4 метров). Хотя тест очень прост, он позволяет предсказать, как долго пациент сможет жить самостоятельно (не в доме престарелых), а также обнаружить ослабление функций организма[10]. Применение SPPB для оценки состояния участников исследования InCHIANTI позволило точно предсказать потерю подвижности и дееспособности в течение трех лет[11]. В более позднем исследовании BLSA были использованы трехмерные параметры походки, что подтвердило предыдущие наблюдения о снижении скорости передвижения и общей подвижности тела с возрастом.

Следующий важный вопрос: какие системные параметры изменяются с возрастом человека? Изменения, строго коррелирующие с возрастом, могут рассматриваться как биомаркеры старения. В рамках проведения LLFS Паола Себастиани и ее коллеги проверили 38 факторов, циркулирующих в крови здоровых людей, чтобы найти хорошие биомаркеры старения[12]. Выбор этих факторов обоснован тем, что, по данным предыдущих исследований и клинической практики, они могли быть связаны с возрастными заболеваниями. (Важно отметить, что в анализе такого рода не учитываются факторы, которые ранее не ассоциировались со старением, поскольку выбор факторов для проверки делается заранее на основании обычных клинических измерений; в этом отличие, например, от методов объективного полногеномного или протеомного анализа, которые позволяют выявить новые биомаркеры при условии, что белок присутствует в крови и его можно измерить.) Оказалось, что большинство проанализированных циркулирующих факторов (34 из 38) каким-то образом изменялись с возрастом, а некоторые очень сильно зависели от возраста. Например, сильнейшая корреляция с возрастом была обнаружена для так называемого N-концевого прогормона мозгового натрийуретического пептида (NT-proBNP), уровень которого коррелирует с застойной сердечной недостаточностью. Среди других потенциальных маркеров старения можно назвать цистатин, дегидроэпиандростерон (DHEA) и растворимый рецептор конечных продуктов гликозилирования (sRAGE). В будущем эти маркеры могут оказаться полезными для изучения возрастных заболеваний, но в исследовании не был выявлен какой-либо уникальный биомаркер, который мог бы служить мерой возрастных изменений. Для выявления качественных биомаркеров нужны более объективные исследования, но еще для этого потребуются более специфические данные, чем обычные, повсеместно измеряемые клинические показатели.

А что можно сказать об очевидных и заметных возрастных изменениях? Кроме анализа походки обычно мы хорошо умеем определять возраст других людей (или скорость их старения) просто по лицу. Как все мы знаем (или уже пережили на собственном опыте), лица очень сильно меняются с годами. Почему лица так прискорбно хороши для определения возраста? Лица стареют под влиянием как внутренних, так и внешних факторов. К внешним относятся избыток солнечной радиации (УФ-повреждения) и курение, которые, как все мы знаем, пагубно влияют на состояние кожи. Стресс тоже ускоряет старение лица. Возможно, вы помните пронзительный взгляд зеленых глаз двенадцатилетней афганской беженки Шарбат Гулы, фотография которой была напечатана на обложке журнала National Geographic в 1985 году. В 2002 году тот же фотограф, Стив Маккари, сфотографировал ее еще раз. Большую часть жизни женщина прожила в бедности и в состоянии стресса²⁷. Хотя второй снимок был сделан всего через 17 лет после первого, женщина сильно постарела и выглядит гораздо старше своих тридцати. Жизнь ее была тяжелой, и это отразилось на лице.

Внутренние факторы мы все еще продолжаем идентифицировать, но известно, что к их числу относятся основные метаболические функции организма. С возрастом на наших лицах не только появляются морщины, но и исчезает подкожный слой жировой ткани, который перераспределяется, приводя к темным кругам под глазами и обвислым щекам. В сумме эти внешние и внутренние факторы способствуют возникновению морщин и темных пятен (образованных возрастным пигментом липофусцином и конечными продуктами гликозилирования, AGE); жировая ткань уходит оттуда, где она нужна (под глазами), и переползает туда, где мы ее видеть не хотим (к нижней челюсти). Если вам больше тридцати, вы наверняка уже пытались определить чей-нибудь возраст по лицу (детей спрашивать не нужно – для них мы все старики). В результате таких изменений одного взгляда бывает достаточно, чтобы определить истинный возраст человека. Мы обучаемся этому на протяжении всей жизни, подспудно собирая информацию о том, как выглядят старые люди, и сохраняя ее в головном мозге – проект с участием истинного (не искусственного) интеллекта длительностью в целую жизнь.

Но можно ли определить, как долго будет жить человек, исходя из того, как он выглядит на данный момент? Участников одного замечательного психологического исследования просили взглянуть на фотографии 100 мужчин из ежегодника Университета Торонто за 1923 год и оценить, сколько прожили эти люди[13]. (Фотографии женщин и представителей национальных меньшинств не рассматривались, поскольку их в ежегоднике было слишком мало, что отражает университетскую среду той эпохи, так что эксперимент нужно повторить!) Фотографии сортировали и по другим параметрам, таким как предполагаемый уровень благосостояния и здоровья, а также привлекательность, симметрия, лишний вес, зрелость и оптимистичность. (Один из моих любимых комментариев в методическом разделе этой статьи: исследователи тщательно подмечали наличие усов и очков и тип стрижки – в нашей лаборатории при работе с червями мы это не учитываем!) Замечательно, что людям удавалось предсказать срок жизни мужчин на фотографии с достаточно высокой точностью: “Модель показала, что предполагаемый возраст на момент смерти хорошо соответствует реальному возрасту на момент смерти”. Вас может удивить, что лучшим предсказательным фактором были не здоровье, привлекательность или сила. Лучше всего с прогнозируемым возрастом на момент смерти коррелировал “предполагаемый уровень благосостояния”, что, возможно, выносит обвинительный приговор нашей системе здравоохранения убедительнее любых других доказательств. Таким образом, сочетание факторов, определяющих социально-экономический статус человека, служило самым надежным прогностическим параметром для определения возраста на момент смерти. Полнота не очень хорошо коррелировала с продолжительностью жизни, несмотря на то что в других исследованиях была выявлена связь между ожирением и вероятностью смерти от болезней сердца. Однако авторы статьи замечают, что мужчины на фотографиях имели не очень большой избыток массы тела, а фактором риска более ранней смерти является более высокая степень ожирения, чем у людей на фотографиях. Такой признак, как привлекательность, который обычно оценивается по улыбке, плохо коррелировал с продолжительностью жизни, хотя авторы подчеркивают, что в данной группе “подавляющее большинство людей не выглядели очень счастливыми”! (Кроме того, улыбка оказывает странное действие: она делает молодых людей старше, а пожилых – чуть моложе[14].) В любом случае исследование подтвердило то, что мы уже подозревали, а именно: что благополучие коррелирует с продолжительностью жизни, вероятно, за счет доступа к более высококачественной медицинской помощи и меньшего уровня внешнего стресса. И все же интересно, как можно предсказывать продолжительность жизни в столь ранний период, как студенческие годы.

А что, если использовать возрастные изменения и другую информацию, отражающуюся на наших лицах, для предсказания скорости старения, фактически как биомаркер здоровья? Группа Цзин-Дун Джеки Хан использовала трехмерные изображения лиц для создания “фенома лиц”, то есть набора лицевых фенотипов, различающихся по расстоянию между носом и ртом, разрезу глаз, асимметрии глаз, толщине губ и т. д., для описания лиц и их возрастных изменений[15]. Исследователи создали профили лиц более чем для 300 человек китайского происхождения, усредненные для десятилетнего промежутка времени. Используя 17 реперных точек, они проанализировали лица и получили количественные показатели. Далее они сравнили фенотипы для разных возрастов и сопоставили их с биомаркерами крови тех же людей. Исследователи обнаружили удивительную вещь: черты лица коррелировали с хронологическим возрастом в большей степени, чем биомаркеры крови!

Далее исследователи использовали прием машинного обучения для предсказаний возраста. Интересно, что на основании наиболее информативных характеристик они угадывали возраст неизвестного человека по трехмерному изображению лица с довольно высокой точностью (корреляция 0,85, со средним отклонением шесть лет). Далее они распределили лица в группы быстро стареющих, медленно стареющих и наиболее точно предсказанных образцов (и следует заметить, что в старых образцах было больше лиц из двух первых групп) и проанализировали соответствующие данные крови. Выяснилось, что биомаркеры крови, связанные со старением, такие как альбумин, ЛПНП и общий холестерин, коррелировали с параметрами быстро и медленно стареющих лиц. Предсказанный по фотографиям возраст лучше коррелировал с показателями крови, чем с хронологическим возрастом. По крайней мере, для лиц китайского типа параметры лица являются более универсальным показателем, чем биомаркеры крови, которые в какой-то степени специфичны для каждого пола. Это вдохновляющая область исследований, поскольку теоретически трехмерное изображение лица позволяет сразу же определить возрастные параметры здоровья, которые можно использовать для мониторинга эффективности манипуляций по замедлению старения, и это будет гораздо быстрее, чем просто ждать изменений продолжительности жизни.

В идеале все эти данные (походка, факторы крови, характеристики лица) применимы для изучения скорости старения людей. Эти биомаркеры возраста человека помогут анализировать эффективность методов торможения старения, например, с помощью диеты или физических упражнений. Однако генетические эксперименты, такие как проверка связи какого-то гена со скоростью старения или химический скрининг потенциальных лекарств нельзя проводить на людях – как по практическим, так и по этическим соображениям. Но как применить наши знания о человеческих биомаркерах к модельным системам, например к генетической модели червей или дрозофил?

Один подход – изучать характеристики (биомаркеры) старения у каждого животного. В начале 2000-х годов, вскоре после открытия нескольких сигнальных путей, связанных с продолжительностью жизни, ученые живо заинтересовались определением фенотипов старения C. elegans. В 2002 году в лабораториях Моники Дрисколл (Ратгерский университет) и Синтии Кеньон (Калифорнийский университет в Сан-Франциско) были проведены микроскопические исследования характеристик старения C. elegans, в том числе были проанализированы морфологические параметры[16]. Делия Гариган из лаборатории Кеньон с помощью флуоресцентной и световой микроскопии описала такие возрастные изменения, как распад тканей (например, клеток зародышевой линии), накопление бактерий в кишечнике и глотке червя, а также накопление маслянистых (жировых) капель. В теле старых червей накапливается возрастной пигмент липофусцин, как в человеческой коже. С учетом этих факторов Гариган и Кеньон рассортировали червей по группам, а затем сравнили скорость старения у нормальных червей (дикого типа) и долго- и короткоживущих мутантов. По результатам этого непараметрического анализа был сделан вывод, что долгоживущие мутанты daf-2 даже на двадцатый день жизни выглядят так, как двухдневные или пятидневные черви дикого типа, а короткоживущие мутанты напоминают постаревших червей дикого типа. Аналогичным образом Лаура Херндон и Моника Дрисколл при участии Дэвида Холла (Медицинский колледж Эйнштейна) использовали флуоресцентную и электронную микроскопию, чтобы проанализировать старение тканей C. elegans по локомоторному поведению. Замечательные фотографии, полученные с помощью электронной микроскопии и флуоресцентных методов визуализации, демонстрируют наличие у червей саркопении (распада мышц), что очень сильно напоминает ситуацию в человеческих тканях, а также образование возрастных морщин. (Удивительно, что целостность нервной системы, как минимум в отношении тактильных и моторных нейронов, не пострадала, но в более поздних работах было показано, что нейроны с возрастом все же подвергаются физическому вырождению[17].) Херндон также проанализировала количественные параметры поведения и показала, что все черви стареют с разной скоростью, но при этом у долгоживущих мутантов проявляются лишь некоторые признаки старения (саркопения, но не накопление липофусцина).

В работе Херндон подчеркивалось, что старение – это вероятностный процесс: иными словами, хотя в эксперименте изучались изогенные черви (с одинаковым генотипом), старели они с разной скоростью. Хотя такая картина кажется очевидной при анализе ступенчатых кривых выживания, построенных по методу Каплана – Майера²⁸ (в противном случае все черви умирали бы в один и тот же день), авторы этой работы были первыми, кто подробно описал переход животных от здорового состояния к умиранию. Позднее этот процесс был изучен на количественном уровне еще более подробно и в более широком масштабе, что позволило идентифицировать факторы, связанные с большой продолжительностью жизни, такие как сохранение размера тела[18]. Спектрофлуориметрический анализ липофусцина (того же вещества, что вы видите в “старческих пятнах” на своих руках) и AGE не только показал, что у долгоживущих мутантов замедляется процесс накопления пигмента, но и подтвердил ранее предложенную классификацию двигательного поведения[19]. Следовательно, накопление возрастных пигментов является хорошим маркером биологического возраста. Возможно, это справедливо и для людей, поскольку мы на своей коже видим такие же изменения, возникающие под действием солнечных лучей.

Идея о вероятностной природе процесса старения согласуется с пониманием, что изогенную популяцию можно разделить на быстро и медленно стареющих особей, и при наличии биомаркера, позволяющего различить их в раннем возрасте, мы смогли бы предсказывать продолжительность жизни отдельных особей. Такой биомаркер был бы очень полезен всем нам, поскольку позволял бы предвидеть, как долго мы проживем. Для кого-то это неприятная информация, но она подсказывает, следует ли нам использовать появляющиеся теперь возможности предотвращения старения (см. главу 17). В лаборатории Тома Джонсона в Университете Колорадо эту идею проверили на червях, наблюдая за уровнем небольшого белка теплового шока (hsp16.2::gfp), помеченного флуоресцентной меткой, синтез которого индуцировали краткосрочным нагреванием в первый день взрослой жизни червей[20]. Исследователи установили, что черви, усилившие выработку белка теплового шока, лучше переживали эксперимент по тепловыносливости и жили дольше. Понятно, что этот результат отчасти предсказуем, поскольку черви с активированными шаперонами²⁹ теплового шока должны лучше справляться с тепловыми повреждениями. Но идея подтверждается: на основании вариаций, уже имеющихся в изогенной популяции среди молодых особей, можно предсказать продолжительность жизни этих особей. Дело в том, что уровень экспрессии hsp16.2 отражает способность организма противостоять стрессу, вероятно, в связи с различиями в концентрации и активации факторов, отвечающих за реакцию на стресс. Таким образом, индукция hsp16.2, как и уровень содержания возрастного пигмента, может служить маркером старения, позволяющим предсказывать продолжительность жизни.

Возможно, вы задаете себе вопрос: мы многое знаем о том, как умирают люди, а эти морфологические исследования показывают, как стареют черви, но как умирают черви? Мы часто шутим относительно вскрытия умерших червей, однако Дэвид Джемс из Университетского колледжа Лондона стал настоящим коронером, расследующим смерть червей. В его лаборатории была проведена серия исследований червей в момент их смерти с целью понять, как именно они умирают, и были идентифицированы два типа смертей с характерной патологией глотки[21]. У некоторых червей глотка и верхняя часть кишечника раздувались из-за бактериальной инфекции³⁰, что напоминало ситуацию, описанную Гариган с коллегами[22]. Такая смерть обычно случается в среднем возрасте и может коррелировать со скоростью засасывания пищи, поскольку мутанты eat, медленно заглатывающие пищу, реже страдают от отека глотки и, убивая бактерий, снижают вероятность смерти этого типа. Еще интереснее, что исследователи из лаборатории Джемса зафиксировали флуоресцентное свечение в кишечнике червя, “синюю волну смерти”. Удивительно, что синий цвет объяснялся присутствием не липофусцина, а производных триптофана – глюкозидов антраниловой кислоты, высвобождающихся в кишечнике в ответ на сигнал кальция, который вызывает некротическую гибель клеток за счет изменения кислотности лизосом большинства клеток верхней части кишечника. По сути, это можно сравнить с тем, что у червя произошел инфаркт или разрыв аневризмы (или внутренний фейерверк), от которого он не смог оправиться. Вариант смерти в другом временном диапазоне был описан Ником Страуструпом, Уолтером Фонтаной и их коллегами в 2013 году. Они производили количественный анализ продолжительности жизни с помощью планшетного сканера и обнаружили, что примерно за день до смерти черви потихоньку съеживаются, а сразу после смерти увеличиваются в размере[23]. Это напоминает наши данные о съеживании тела червей после спаривания и об устойчивости кутикулы к осмотическому шоку, так что, возможно, в момент смерти черви теряют способность регулировать осмотические характеристики тела[24].

В исследованиях Херндон – Дрисколл и Гариган – Кеньон были прекрасно описаны возрастные морфологические изменения, а в лабораториях Джемса и Страуструпа и их коллег был проанализирован сам момент смерти[25]. Из их данных следует, что долгоживущие мутанты стареют медленнее и дольше сохраняют здоровье, однако это были мутанты с измененным инсулиновым сигнальным путем, в том числе с мутантным рецептором инсулина/ИФР-1 (DAF-2) и фосфоинозитид-3-киназы продуктов гликозилирования (AGE-1 PI3), которая действует непосредственно после DAF-2; мутанты age-1 тоже были здоровее и жили дольше. Были идентифицированы и другие мутанты, чья продолжительность жизни увеличивалась совсем по другим механизмам: в частности, это мутанты с нарушением пищевого поведения (eat-2) и животные с ослабленной митохондриальной функцией (clk-1, atp-3, cco-1). Все эти черви – долгожители и, казалось бы, должны хорошо переживать старость. Однако это не так, как известно всем, кто работал и с мутантами daf-2, и с митохондриальными мутантами. Обычно митохондриальные мутанты мелкие, болезненные и плохо размножаются, тогда как черви с мутациями инсулиновых сигнальных путей (daf-2 и age-1) похожи на супергероев – молодые и не подверженные стрессу. Однако эти различия редко обсуждаются в статьях о большой продолжительности жизни митохондриальных мутантов, так что многие читатели могут подумать, будто все эти мутанты очень здоровые.

Чтобы понять, как продление жизни у разных мутантных форм влияет на другие особенности поведения, исследователи из лаборатории Керри Корнфельда в Университете Вашингтона провели в 2004 году систематический анализ нескольких мутантов с разной продолжительностью жизни – daf-2, daf-16 (этот короткоживущий мутант “избавлен” от всех преимуществ мутанта daf-2), eat-2 и clk-1 – в поисках других специфических фенотипов, включая накачивание пищи глоткой, подвижность и воспроизводство[26]. Сравнивая эти функции у мутантных червей и животных дикого типа, исследователи смогли показать, что у одних мутантов-долгожителей усиливаются все эти функции, а у других – лишь некоторые из них. Используя в качестве критерия двигательную активность, они охарактеризовали разные фазы жизни червей (от I до IV) и, сопоставив с общей продолжительностью жизни, определили, какую часть жизни каждый мутант оставался в каждой фазе. Из результатов анализа следует, что мутанты с пищевыми ограничениями (eat-2) имели самый длинный репродуктивный период (фаза I) по отношению к общей продолжительности жизни, а мутанты с ослабленной системой передачи инсулинового сигнала имели самую длинную фазу IV. Напротив, короткоживущий мутант daf-16, по данным этого анализа, оказался “здоровее”. Это было неожиданно, поскольку черви daf-16 выглядят слабее и умирают раньше, но именно по той причине, что они умирают раньше, пропорционально здоровая часть их жизни оказывается длиннее. Иными словами, если вы мутант daf-16, вы умрете рано, но вам не придется умирать долго и мучительно. В лаборатории Хайди Тиссенбаум из Университета Массачусетса десятью годами позднее была проведена аналогичная серия экспериментов, приведшая к похожему заключению: не все мутанты-долгожители ведут себя одинаково[27]. Этот вывод кажется очевидным для тех, кто работает с такими мутантами и анализирует их поведение на количественном уровне, но его стоит подтвердить, поскольку общепринятое мнение почему-то гласит, что все долгоживущие мутанты более здоровые.

В работе Тиссенбаум ситуация была представлена несколько иначе: подчеркивалось, что долгая жизнь не всегда более высокого качества. Иными словами, понятие общей продолжительности жизни было отделено от понятия продолжительности здоровой жизни. Хотя этот аспект обсуждался и раньше, особенно когда исследователи обращали внимание не просто на продолжительность жизни, но и на параметры старения, Тиссенбаум отметила то, чего не отмечали другие, а именно – что некоторые долгоживущие мутанты подвержены болезням, и как раз этот вопрос беспокоит многих людей в отношении продления жизни. Например, в нашей лаборатории было установлено, что черви могут учиться и усваивать ассоциативные сигналы (как собаки Павлова, у которых при виде мяса начинала течь слюна), но эта способность теряется с возрастом[28]. Мутанты daf-2 сохраняют эту способность и память длительное время, мутанты eat-2 обучаются медленнее и имеют плохую краткосрочную память, но с возрастом начинают обучаться и запоминать лучше, а вот митохондриальные мутанты отличаются как плохой способностью к обучению, так и плохой памятью в целом, так что нельзя сказать, что если животные живут дольше, то и память у них обязательно должна быть лучше. Мы также обнаружили, что некоторые долгоживущие животные имеют более длительный репродуктивный период, а некоторые нет (глава 8), и наоборот[29]. Таким образом, хотя уже было показано, что не все мутанты-долгожители отличаются более высоким качеством жизни, все же в области изучения долгожительства широко распространено мнение, что животные с большей продолжительностью жизни должны быть здоровее, но с этим не следует соглашаться.

Однако ситуация еще сложнее. В непрофессиональной литературе наблюдения Тиссенбаум быстро переросли в идею, будто мутанты daf-2 отличаются болезненностью. Это сильно удивило исследователей, работающих с C. elegans, поскольку мутанты daf-2 сохраняют силу и здоровье очень долгое время, даже когда черви дикого типа начинают умирать. Мутанты daf-2 не только живут дольше обычных червей, но и лучше переносят разнообразные неблагоприятные условия, такие как высокая температура, окислительный стресс, гипоксия, воздействие тяжелых металлов, инфекции; черви daf-2 переносят все эти условия легче, и их единственный недостаток – чуть более ослабленное и отсроченное воспроизводство (подробнее об этом мы поговорим в главе 8). Так что непрофессиональное мнение об ослабленном здоровье мутантов daf-2 звучало странно. Основанием для этого тезиса послужило то, что черви daf-2 живут настолько долго, что в пропорциональном плане фазы их жизни сравнимы только с фазами жизни червей дикого типа. Возможно, тезис о слабом здоровье мутантов daf-2 был злорадно выдвинут исследователями, которые работали с млекопитающими. Наверное, дело в том, что концепция продолжительности здорового отрезка жизни распространилась в сфере исследований млекопитающих лишь недавно, примерно в середине 2010-х годов (тогда как исследователи, занимающиеся червями, такие как Том Джонсон и Майкл Класс, учитывали это уже в 1980-е годы и использовали термин “продолжительность здоровой жизни”), или их просто раздражало, что мутанты daf-2 привлекли к себе всеобщее внимание. Для проверки данных Роуз Дилорето из нашей лаборатории заново проанализировала результаты Бансал – Тиссенбаум (2014 год) и Хуана – Корнфельда (2004 год) и обнаружила, что в пропорциональном отношении мутанты daf-2 сохраняют свои способности так же хорошо, как и животные дикого типа, или даже лучше[30]. Результаты Хуан и Бансал (митохондриальные мутанты в целом обладают более слабым здоровьем) Дилорето тоже подтвердила, так что основной вывод работы Тиссенбаум о возможности разделения понятий продолжительности жизни и продолжительности здоровой жизни остается в силе³¹.

Но почему нас должны интересовать специфические признаки червей? Я утверждаю, что нам следует при любой возможности использовать модель червей для определения параметров старения у человека. Мы с удивительной легкостью определяем возраст человека по походке, поскольку походка передает информацию о тонусе мышц (скорость передвижения) и равновесии. Помните метод SPPB (измерение скорости ходьбы, устойчивости и равновесия), которым геронтологи пользуются для быстрого определения состояния здоровья человека и необходимости его направления в реабилитационный центр? Учитывая возможности этого метода, Нам Хон Гиль (Институт науки и технологии Кёнбук в Тэгу, Южная Корея) задался вопросом, имеющим более непосредственное отношение к человеку: можно ли с помощью модели червей проанализировать физическое старение человека? Черви не могут многократно вставать со стула и удерживать равновесие, но они могут двигаться. Исследователи из лаборатории Нама на протяжении 30 секунд снимали на видео червей, ползающих по чашке без еды, а затем просматривали видео, анализируя не только среднюю, но и максимальную скорость перемещения за этот промежуток времени. Стоит обратить внимание, что эксперимент Нама немного отличается от всех других экспериментов, о которых я рассказывала раньше. Во-первых, черви перемещались по чашке с агаром, не содержавшим их обычной бактериальной пищи. Это важное отличие, которое я вскоре разъясню. Во-вторых, большинство исследователей определяют либо среднюю скорость перемещения, либо, как в работе Бансал 2014 года, длину пути, проделанного червями на чашке с бактериями. В работе Нама впервые были проведены измерения как средней, так и максимальной скорости движения. В-третьих, на протяжении всей жизни червей после ежедневных съемок исследователи возвращали животных на чашки с едой, и это позволило зарегистрировать параметры подвижности каждого животного на протяжении всей жизни. Наконец, в эксперименте ежедневно регистрировали перемещение примерно 200 червей, и для каждого были получены поведенческие данные на протяжении всей жизни – это чрезвычайно трудоемкое исследование[31].

В работе Нама было обнаружено несколько интересных элементов. Во-первых, на протяжении жизни максимальная скорость передвижения изменяется сильнее, чем средняя скорость. Это вполне логично: я не могу бегать так же быстро, как бегала в школе, но я по-прежнему могу перемещаться с той же средней скоростью – и подозреваю, что это справедливо для многих людей, и поэтому максимальная скорость передвижения несет в себе больше информации о моем возрасте. Во-вторых, когда исследователи разделили червей среднего возраста (девятый день стадии взрослого червя) на две группы в соответствии с максимальной скоростью передвижения, выяснилось, что черви с более высокой максимальной скоростью передвижения жили на 30 % дольше, чем черви с низкой максимальной скоростью передвижения. Таким образом, максимальная скорость передвижения – не только биомаркер возраста, но и предсказательный фактор продолжительности жизни. Исследования Нама также показали, что другие параметры, такие как всасывание пищи глоткой или средняя скорость передвижения, являются более слабыми предсказательными факторами, и это важно отметить: не все возрастные параметры в одинаковой степени информативны и обладают предсказательной силой. Максимальная скорость передвижения хорошо коррелировала с целостностью митохондрий, и это говорит о важности быстрых движений. Замечательно, что исследователи из лаборатории Нама использовали максимальную скорость передвижения в середине жизни для предсказания продолжительности жизни особи. Это сравнимо с использованием результатов забега на стометровку пятидесятилетних людей для предсказания их продолжительности жизни. Это может сработать! В Индиане было проведено испытание среди 1562 действующих пожарных в возрасте от 21 года до 66 лет, которое позволило прийти к аналогичным выводам: была выявлена обратная корреляция между способностью отжиматься на руках и риском сердечно-сосудистых заболеваний на протяжении десяти последующих лет[32]. Авторы работы признавали, что это была специфическая группа испытуемых и данный показатель нельзя применять для всех, но принцип ясен. Мне по-прежнему нравится идея стометровки.

Исследователи из группы Нама провели эксперименты не только на червях дикого типа, но и на долгоживущих мутантах daf-2 (с мутацией инсулиновой сигнализации) и на короткоживущих мутантах daf-16; daf-2. Выяснилось, что максимальная скорость передвижения в целом хорошо коррелировала с продолжительностью жизни мутантов: максимальная скорость передвижения мутантов каждого типа была пропорциональна продолжительности их жизни. Измерения показали, что продолжительность здоровой жизни мутантов daf-2 намного больше продолжительности здоровой жизни червей дикого типа и даже пропорционально чуть больше после соотнесения с общей продолжительностью жизни. Так в чем же различие между этими измерениями и результатами знаменитого исследования Тиссенбаум?

Дело как раз в том, что в экспериментах Нама скорость перемещения червей измеряли в среде, в которой не было пищи. Главная жизненная задача любого червя – произвести на свет как можно больше маленьких червячков. Ради этого червь должен искать пищу, обеспечивая себя необходимыми ресурсами для воспроизводства. Когда вы помещаете червя на чашку с бактериями, он какое-то время ползает, но потом, поняв, что вокруг него еда, останавливается и начинает есть. Судя по всему, мутанты daf-2 понимают это гораздо быстрее остальных (я же говорила, что они умнее?), так что на чашке с бактериями они почти сразу останавливаются и принимаются за еду, поэтому оставляют за собой более короткий след – отсюда идея, что они не очень активны. Но на чашке без еды, как в экспериментах Нама, они понимали, что еду нужно найти, и продолжали двигаться. Мы предположили, что черви daf-2 лучше чувствуют еду, поскольку у них больше чувствительных рецепторов пищи ODR-10, и если уменьшить количество этих рецепторов, они будут вести себя как черви дикого типа, то есть продолжат искать еду. Наше предположение основывалось на результатах работы лаборатории Дугласа Портмана из Университета Рочестера, в которой было показано, что самцы имеют меньше рецепторов ODR-10 и поэтому активнее ищут, что одновременно повышает вероятность найти полового партнера (“предпочитают секс пище”, как было сказано в заголовках статей). Увеличение количества рецепторов ODR-10 заставляло самцов принимать неудачное решение: замедлять поиски пищи, что снижало вероятность спаривания[33]. Как оказалось, функция пищевого рецептора ODR-10 правильно объясняла разницу в скорости перемещения червей. Мы показали, что черви daf-2 имеют примерно в 20 раз больше таких рецепторов и поэтому гораздо быстрее чувствуют пищу и немедленно останавливаются на чашках с бактериями, как и сообщали исследователи из группы Тиссенбаум. Мы проверили эту гипотезу, задавшись вопросом, что произойдет, если черви не будут чувствовать пищу, но сохранят способность двигаться так быстро, как захотят. Для ответа на этот вопрос мы кормили червей daf-2 бактериями с РНКи, в которых синтезируется двунитевая РНК гена odr-10, в результате чего этот ген отключается. Черви с отключенным геном odr-10 продолжали ползать по чашке с бактериями на протяжении как минимум десяти минут (потом мы прекращали съемку): они просто “не понимали”, что ползают по еде. Но двигались они быстро и непрерывно, и это доказывало, что они сохранили способность двигаться. Таким образом, измеряя максимальную скорость перемещения червей на чашках без еды, исследователи из лаборатории Нама установили истинную способность червей двигаться, а не их желание найти еду, и этого различия вполне достаточно, чтобы доказать ошибочность заключения об ущербности мутантов daf-2. Это заключение – все равно как посмотреть на изображения Усэйна Болта, прогуливающегося по беговой дорожке, и сделать вывод, что он неторопливый парень. Не нужно объяснять, что умение различать среднюю и максимальную скорость передвижения позволит получить очень важную информацию.

Вообще говоря, мы уже обладаем достаточным объемом данных о том, насколько эффективны мутанты daf-2 по сравнению с червями дикого типа, особенно в отношении функции нейронов. Нейромышечные связи у мутантов daf-2 сохраняются дольше[34], что позволяет им дольше сохранять способность двигаться, и как минимум отчасти эта способность опосредована моторным белком кинезином UNC-104. Кинезины переносят к нейронам везикулы с нейромедиаторами. Ген unc-104 активнее экспрессируется в молодых червях и мутантных червях daf-2[35]. Мутация daf-2 также предотвращает развитие морфологических дефектов нейронов (пузырей, волн и нерегулируемых отростков), которые с возрастом накапливаются в телах червей дикого типа[36]. Мы обнаружили, что черви daf-2 с возрастом лучше сохраняют память[37] и поддерживают способность к регенерации аксонов[38] по сравнению с червями дикого типа. Все эти показатели говорят о том, что мутанты daf-2 не только дольше живут, но и сохраняют многие функции, которые важны и для людей, в частности способность мыслить, помнить и двигаться[39].

Конечно же, ученые исследуют продолжительность здоровой жизни не только людей или червей. Дрозофил в лаборатории содержат в пробирках, и очевидным признаком их здоровья служит их способность подниматься по стенке пробирки[40]. В лаборатории Линды Партридж было показано, что при ограничении калорийности питания дрозофилы не только дольше живут, но и при старении лучше сохраняют подвижность[41]. Группа Дэвида Уокера разработала метод определения целостности кишечного барьера дрозофилы с помощью синего красителя, который они заглатывают и который выходит наружу при повреждении кишечного барьера (тест “Smurf”)[42]. Пользуясь тем же методом, исследователи установили, что другие маркеры здоровья, такие как изменения метаболизма и признаки воспаления, включая наличие антимикробных пептидов, коррелируют с этим наглядным показателем и могут использоваться для прогнозирования продолжительности жизни. У дрозофил есть полноценные органы, в том числе мозг и сердце, и можно оценить их функцию. Например, группа Рольфа Бодмера исследовала сердечную функцию дрозофилы и ее изменения с возрастом[43]. И у червей, и у дрозофил ученые обнаружили молекулярные маркеры, такие как конечные продукты гликирования (AGE), уровень которых коррелирует со старением и ухудшением здоровья, но их накопление можно отсрочить путем ограничений в питании[44].

В лаборатории Джошуа Шевица в Принстоне был разработан объективный метод слежения за поведением дрозофил и его изменениями с возрастом. Исследователи снимали на видео самок и самцов мух и с помощью технологии машинного зрения отображали их активность в виде набора положений[45]. Группируя эти положения, они выявили несколько типов поведения мух, таких как передвижение, груминг и др., и создали “поведенческую карту”. Повторяя эту процедуру по мере старения мух, они зафиксировали изменения поведения в виде модификаций “поведенческой карты”. Как и ожидалось, с возрастом наблюдалась тенденция к снижению подвижности, но, что удивительно, после всплеска активности в среднем возрасте. Тот же метод исследователи из группы Шевица применили для изучения моделей нейродегенеративных заболеваний, включая болезни Паркинсона и Альцгеймера. Удивительно, что поведение модельных животных в более молодом возрасте лучше соответствовало поведению пожилых дрозофил дикого типа – а значит, вырождение нейронов не только вызывает патологию, но и ускоряет многие параметры нормального старения. Пока мы не знаем, можно ли соотнести эти изменения поведения с какими-либо специфическими молекулярными маркерами, но объективный метод визуализации и измерения возрастных процессов дает нам мощный инструмент, который можно использовать для определения эффективности лечения. Аналогичный анализ был бы полезен для предсказания развития нейродегенеративных нарушений у человека.

Понятно, что экстраполяция от беспозвоночных животных, таких как черви и мухи, к человеку проходит через проверку в экспериментах с мелкими млекопитающими, главным образом с мышами. У мышей здоровый отрезок жизни определить довольно легко, и для оценки их здоровья разработано много методик – от анализа поведения до показателей функции тканей и биомаркеров в крови. Совсем недавно, в 2021 году, было начато лонгитюдное исследование старения у мышей (SLAM)[46] – аналог Балтиморского лонгитюдного исследования старения у человека. В исследовании SLAM использовали мышей обоих полов линии C57BL/6J (это очень распространенный вариант), а также один вид беспородных мышей – с целью выявления различных фенотипов старения; также запланирован сбор образцов тканей. Подобные измерения у мышей и у нечеловекообразных приматов позволяют провести очевидные параллели с состоянием здоровья человека, и их гораздо легче экстраполировать, но они длятся гораздо дольше, чем эксперименты на беспозвоночных животных. Для заполнения этого временнóго пробела могут пригодиться метрические исследования голубых рыбок киллифиш.

Поиск биомаркеров старения и продолжительности здоровой жизни – одна из основных задач современных исследований не только на людях, но и на модельных системах. В главе 7 я расскажу о клеточных биомаркерах, таких как размер ядрышка[47], которые хорошо коррелируют с продолжительностью жизни. Размер ядрышка, связанный с трансляцией белка, обратно пропорционален продолжительности жизни. Пищевые ограничения и физические упражнения коррелируют с уменьшением размера ядрышка у всех организмов – от червей и мух до мышей и человека, так что этот маркер кажется универсальным. Клеточные и молекулярные маркеры помогут нам быстрее оценивать эффективность терапевтических методов как в модельных системах, так и у человека и, возможно, в один прекрасный день начнут применяться в диагностических целях. Разработка новых методов анализа для модельных организмов, которые наилучшим образом отражают параметры дегенеративных процессов у человека, поможет найти способы поддерживать высокое качество жизни даже в старости.

Глава 6
Инсулиновые сигнальные пути, мишени FOXO
и регуляция продолжительности жизни и репродукции

Между долгой жизнью и хорошим обедом только та разница, что за обедом сладкое подают в конце³².
Роберт Льюис Стивенсон, “Вилли с мельницы”

Я уже рассказывала, как начала заниматься старением: услышала рассказ Синтии Кеньон о том, что мутации отдельных генов рецептора сигнального пути инсулина/ИФР-1 увеличивают продолжительность жизни и способствуют сохранению здоровья червей C. elegans. Выслушав ее выступление, я решила, что хочу делать – узнать, почему эти черви такие здоровые, и я понимала, как это сделать. Но прежде чем перейти к рассказу об этом, позвольте сказать еще несколько слов о том, как черви пролили свет на проблему старения и, в частности, как инсулиновый сигнальный путь регулирует продолжительность жизни.

Червь C. elegans служит модельной системой для изучения старения с начала 1970-х годов, и исследования были весьма плодотворными. Поначалу C. elegans использовали для изучения развития и нейробиологии, но уже в середине 1970-х впервые было упомянуто о его небольшой продолжительности жизни – около двух недель. За несколько лет было установлено несколько фактов, связанных со старением: питание влияет на продолжительность жизни червей, остановка в диапаузе увеличивает продолжительность жизни, а возраст родителей определяет характеристики потомства.

В 1983 году Майкл Класс описал нескольких долгоживущих мутантов C. elegans[1]. Эта работа удивительным образом предвосхищала наши теперешние знания об инсулиновом сигнальном пути (см. ниже), ограничении калорийности питания (глава 8) и хемочувствительных мутантах (глава 13). Никакие гены еще не были клонированы (до начала геномной эры было гораздо сложнее идентифицировать гены, особенно связанные с продолжительностью жизни), так что идентичность и функция соответствующих генов оставались неизвестны, но существование долгоживущих мутантов надежно подтверждалось. Дело, начатое Классом, продолжил Том Джонсон, который в 1988 году первым описал долгоживущего мутанта age-1, а в 1990-м выпустил в журнале Science статью о замедленном старении этого мутанта (в которой был единственным автором, что случается крайне редко)[2]. Сообщалось, что мутанты age-1 отличаются пониженным уровнем воспроизводства, что поддерживало идею о компромиссе между долгой жизнью и плодовитостью.

Примерно в то же время молодой профессор Калифорнийского университета в Сан-Франциско Синтия Кеньон, уже заявившая о себе благодаря исследованиям в области регуляции генов развития, начала интересоваться старением и предприняла скрининг долгоживущих мутантов. Ей нужно было научиться отделять родителей-долгожителей от потомства, и она применила генетический трюк. Кеньон выбрала такой исходный штамм, в котором потомство не развивается во взрослую форму, так что она следила только за родителями, выявляя долгоживущих мутантов. Этот полезный прием трудно применить на других животных, но у червей есть одна сверхспособность: в тяжелые времена они умеют нажимать на кнопку “пауза”. Иными словами, если в среде недостаточно еды, или червей слишком много, или очень высокая температура, C. elegans переходят в альтернативную личиночную фазу, называемую диапаузой, или dauer (что по-немецки означает “продолжительный”). В этом состоянии, напоминающем состояние споры, животное в предрепродуктивной фазе ожидает лучших времен (больше еды, снижение температуры), когда оно сможет перейти к нормальному развитию. Так черви переживают тяжелые времена в дикой природе.

Кеньон рассудила, что использование термочувствительных мутантов, которые переходят в диапаузу даже тогда, когда этого делать не следует, то есть при обилии пищи (“конститутивная диапауза”), может помочь визуально отличать стареющих родителей от их потомков. При нормальной температуре эти мутанты, переходящие в диапаузу (daf), растут как обычно, но если чашки с червями поместить в условия с повышенной температурой, потомство остается в спящем состоянии, в виде маленьких личинок, что облегчает идентификацию долгоживущих родителей просто по размеру. Но еще до начала скрининга Кеньон обнаружила, что штамм червей daf-2 (о котором вы уже кое-что знаете) отличается необычно большой продолжительностью жизни: черви daf-2 жили в два раза дольше своих родственников дикого типа! Кроме того, поскольку генетика диапаузы уже была хорошо изучена, было известно, что гены “дефектных по диапаузе” (daf-d) мутантов действуют на ген daf-2 эпистатическим образом, что означает, что потеря второго гена у мутанта daf-d “отключает” переход в диапаузу. Кеньон обнаружила, что другой ген мутанта daf-d, названный daf-16, необходим не только для перехода daf-2 в диапаузу, но и отвечает за его большую продолжительность жизни. Более того, мутанты daf-2 оказались довольно плодовитыми, что переворачивало основные представления о долгожительстве. (Эта статья в журнале Nature тоже отличается интересным составом авторов. Кеньон не смогла привлечь к изучению старения других сотрудников лаборатории, ей помогали только студенты, поэтому большую часть работы она проделала сама и является первым автором статьи, что в биологических науках очень необычно для ведущего исследователя.) Кеньон не только показала, что мутанты daf-2 живут долго, но и продемонстрировала эпистатическое взаимодействие генов регуляции продолжительности жизни на пути от daf-2 до daf-16.

Поначалу исследователи думали, что два гена долгожительства, daf-2 и age-1, действуют на разных сигнальных путях, поскольку соответствующие мутанты различаются по плодовитости и поскольку считалось, что второй мутант не переходит в диапаузу. Но позднее выяснилось: мутант age-1 имеет еще одну мутацию, влияющую на образование сперматозоидов, что, по-видимому, и является причиной его пониженной репродуктивной способности. Вскоре в лаборатории Кеньон было показано, что оба гена действуют на одном и том же “пути долгожительства”: это означает, что наличие у одного червя этих двух мутантных генов (двойной мутант daf-2; age-1) не позволяет ему жить дольше, чем живут черви с одной мутацией. Тем временем исследователи из лабораторий Гэри Равкана, Дона Риддла и Джима Томаса изучали эпистатическое взаимодействие генов диапаузы и установили, что гены daf-2 и daf-23 (еще один ген, ответственный за диапаузу) действуют на аналогичном участке пути, приводящего к диапаузе[3]. (Исходно считалось, что мутант age-1 живет дольше, но не переходит в диапаузу, из чего следовал вывод, что этот ген задействован в другом пути, однако в лаборатории Равкана было установлено, что ген age-1 уже был известен ранее под названием daf-23. Выяснилось, что мутант age-1 все-таки переходит в диапаузу, но при достаточно высокой температуре.)

Для продолжения работы было очень важно клонировать эти гены, чтобы понять суть пути долгожительства. И тебе, читатель, все же стоит вникнуть в скучные названия, предложенные первыми исследователями C. elegans в ответ на легкомысленные прозвища, принятые у исследователей дрозофил. Я прошу прощения, но это не моя вина. В 1997 году в лаборатории Равкана была разгадана загадка гена daf-2: этот ген кодирует рецептор, похожий на рецептор инсулина[4]. На мой взгляд, это открытие принципиальным образом изменило наше отношение к долгоживущим червям: их долгая жизнь – не просто странная особенность червей, но нечто, что может иметь реальное значение для человека. И это было замечательно не только потому, что мы смогли анализировать гены в контексте функционирования клеток (и перестать говорить о диапаузе), но и ввиду очевидных параллелей с физиологией млекопитающих. Когда вы слышите о рецепторе инсулина/ИФР-1, нельзя не понять, что это имеет какое-то отношение к человеку. Это важное замечание. Тот факт, что все эти гены связаны с диапаузой, представлял интерес для генетиков и для тех, кто работает с червями, но нелегко было убедить исследователей, работающих с другими животными, что эти пути долгожительства не являются специфической особенностью червей. Определение генетики червей и выявление соответствия с сигнальными путями млекопитающих стало реальным прорывом в исследованиях долгожительства. До этого момента предполагалось, что все аспекты долгожительства червей связаны с их умением переходить в диапаузу, тогда как у большинства животных нет такой способности. (Здесь следует заметить, что зимующие медведи и белки, как выяснилось теперь, имеют некоторые важные общие гены, регулируемые инсулиновыми сигналами.) Но труднее игнорировать наличие сигнального пути, зависящего от уровня питательных веществ, регулируемого инсулином и определяющего продолжительность жизни. Значение идентификации генов долгожительства у червей C. elegans сильно возросло ввиду очевидных параллелей с физиологией млекопитающих.

В конце 1990-х годов лаборатория Равкана поставила на поток клонирование генов диапаузы/долголетия, в том числе был клонирован ген рецептора инсулина/ИФР-1 (daf-2), фосфоинозитид-3-киназы (age-1/daf-23), субстрата рецептора инсулина/ИФР-1 (irs-1), фосфатазы PTEN (daf-18), киназы Akt (akt-1) и киназ пируватдегидрогеназы (pdk-1 и pdk-2)[5]. Лаборатории Равкана и Кеньон соревновались за скорейшее клонирование гена daf-16[6], который, как оказалось, кодирует транскрипционный фактор FOXO (forkhead box protein O) и о котором уже было известно из экспериментов с млекопитающими. Это дополнительно подтвердило значимость данного пути для человека[7], и мы уже обсуждали результаты анализа геномов, продемонстрировавших связь между FOXO и долгожительством (кроме того, уже было известно, что PTEN играет ключевую роль в развитии рака). Тот факт, что DAF-16 является транскрипционным фактором (регулирует экспрессию многих нижестоящих генов), чрезвычайно важен для нашего рассказа. Позднее Равкан идентифицировал почти 40 генов пептидных аналогов инсулина, используя хитроумный метод биоинформатики, что неожиданно выявило дополнительный уровень сложности этого, казалось бы, хорошо изученного пути[8]. В системе обнаружились новые элементы[9], но всплеск активности в изучении генов в конце 1990-х годов позволил раскрыть многие тайны сигнального пути, контролирующего продолжительность жизни.

По иронии судьбы двоякая роль генов инсулинового сигнального пути в переходе в диапаузу, которая по техническим причинам заметно ускорила их клонирование и идентификацию, возможно, косвенным путем замедлила принятие C. elegans в качестве универсальной модели для изучения старения. Я все еще иногда слышу высказывания исследователей, не работающих с червями, о том, что черви daf-2 не имеют никакого отношения к изучению продолжительности жизни у высших организмов, поскольку этот ген также регулирует переход в диапаузу. Многие упускают из виду данные из статьи Кеньон от 1993 года: черви daf-2 живут дольше, даже если температуру изменяют после той стадии, когда они принимают решение о переходе в диапаузу, или даже после личиночной стадии L3. То есть им не нужно проходить через диапаузу, чтобы жить дольше. И все же, подозреваю, кто-то может заявить, что это мутантные черви и поэтому они другие. Выдвигать этот аргумент стало труднее после того, как молодой сотрудник из лаборатории Кеньон Эндрю Диллин поместил диких (обычных) червей на чашку с бактериями, производящими двунитевую РНК гена daf-2 только у взрослых животных. Тем самым он отключил экспрессию гена daf-2 за счет РНК-интерференции уже после завершения стадии развития, однако и эти животные жили чрезвычайно долго[10]. С помощью РНК-интерференции daf-2 на все более и более поздних стадиях жизни червей Диллин и Кеньон смогли однозначно отделить регуляцию продолжительности жизни и от механизма диапаузы, и от воспроизводства (влияние РНКи на воспроизводство сказывалось при применении этой техники до третьей личиночной стадии, L3). Тем самым они одновременно убили двух надоедливых зайцев. Удаление белка DAF-2 на поздних этапах жизни, уже после завершения репродуктивной фазы, по-прежнему увеличивает продолжительность жизни[11]. Миф все еще живет, но ты, читатель, уже лучше понимаешь ситуацию!

Интересно, что методика первых экспериментов по определению продолжительности жизни червей не позволила исследователям идентифицировать еще один потенциальный путь, регулирующий диапаузу и продолжительность жизни. Сегодня мы отбраковываем (удаляем из расчетов) червей, умерших по неестественным причинам. Иногда черви залезают на край чашки, застревают и высыхают. Иногда они куда-то уползают, и мы просто не можем их найти! Худшее случается, когда они не могут правильно отложить яйца, что заканчивается “матереубийством”. Новорожденные черви разрывают или буквально взрывают мать, если вылупляются и начинают ползать еще внутри ее тела (да, это отвратительно, я знаю). Червей, погибавших из-за невозможности правильно отложить яйца, иногда в ранних экспериментах причисляли к умершим естественной смертью, так что оказывалось, что мутанты живут недолго или столько же, сколько обычные черви, и их больше не учитывали. Важный пример такого рода – черви с мутацией диапаузного пути с участием белка TGF-β. Кеньон и другие исследователи анализировали их продолжительность жизни и описали их как “переходящих в диапаузу, но без изменения продолжительности жизни”. В нашей лаборатории было показано, что эти мутанты на самом деле живут долго, если исключить вероятность разрыва тела в процессе воспроизводства. Мы установили это двумя способами. Во-первых, профиль экспрессии генов TGF-β мутантов во взрослом возрасте слишком сильно напоминает профиль мутантов daf-2, чтобы это было совпадением. Во-вторых, проводя контрольные эксперименты при исследовании репродуктивного старения (глава 11), мы обнаружили, что при остановке репродукции и, следовательно, при предотвращении гибели матери все черви с мутациями пути с участием TGF-β жили долго. Это достигается за счет регуляции двух генов инсулинового пути, ins-7 и ins-18, которые затем воздействуют на путь daf-2/daf-16. Таким образом, как инсулиновый сигнальный путь, так и диапаузный путь с участием TGF-β регулируют переход в диапаузу на ранних личиночных стадиях развития и продолжительность жизни в более позднем периоде, действуя в конечном итоге через инсулиновый путь.

Когда исследовательские группы Марка Тейтара и Линды Партридж в 2001 году сообщили о таком же явлении у мутантных дрозофил[12], стало еще более очевидно, что регуляция продолжительности жизни через инсулиновый сигнальный путь не является исключительной особенностью червей. Вообще говоря, изучение старения на модели дрозофил происходит гораздо дольше, поскольку дрозофилы стали модельной генетической системой почти за 100 лет до того, как Сидней Бреннер начал работать с C. elegans, так что исследования дрозофил продвинулись далеко вперед. Изучена зависимость продолжительности жизни дрозофил от температуры (1968 год) и сексуального статуса (1984 год). Линда Партридж и Мариана Волфнер первыми описали сокращение продолжительности жизни самок дрозофил из-за воздействия спермы и семенной жидкости (мы вернемся к этой теме в главе 12), а Марк Тейтар исследовал влияние теплового стресса в качестве гормезисного механизма³³ увеличения продолжительности жизни. В конце 1980-х годов Майкл Роуз провел знаменитый эксперимент, на протяжении многих поколений отбирая поздно размножающихся особей, что привело к появлению животных с увеличенной продолжительностью жизни, но генетические основы этих изменений оставались неизвестными и, как считалось, были связаны с несколькими генами[13]. Напротив, Партридж обнаружила, что мутанты chico имеют маленький размер из-за дефекта субстрата рецептора инсулина/ИФР-1 (IRS), действующего непосредственно после рецептора инсулина/ИФР-1, и при этом живут долго[14]. Аналогичным образом Тейтар установил, что дрозофилы с мутацией рецептора инсулина/ИФР-1 (InR) тоже являются долгожителями[15]. Эти данные показывают, что черви и дрозофилы имеют некую общность в регуляции продолжительности жизни и что сигнальный путь инсулина – эволюционно консервативный механизм регуляции продолжительности жизни. В 2004 году группа Тейтара показала, что белок dFOXO – гомолог DAF-16 и FOXO – регулирует продолжительность жизни дрозофил путем воздействия на головной мозг и жировую ткань[16]. Это согласовывалось с открытием, сделанным в лаборатории Кеньон в 2003 году: DAF-16 регулирует продолжительность жизни за счет действия на кишечник (регуляция метаболизма жиров) и нейроны[17]. Описание инсулиноподобных пептидов и других элементов инсулинового сигнального пути у дрозофил дополнительно подкрепляло эволюционные параллели между механизмами регуляции продолжительности жизни у червей и дрозофил[18].

Но можно ли распространить данные, полученные для беспозвоночных, на млекопитающих? На протяжении нескольких десятилетий ученые исследовали влияние гормонов роста на продолжительность жизни мышей, поскольку “карликовые” мутанты, появляющиеся в результате нарушения гипофизарной функции (у них отсутствуют факторы роста, включая инсулиноподобный фактор роста ИФР-1), являются долгожителями[19]. Было принято считать, что большая продолжительность жизни этих карликовых мышей связана с их маленьким размером, что не так уж глупо, поскольку многие маленькие животные, например маленькие собаки, живут дольше своих сородичей более крупного размера. Однако постепенно удалось разделить механизмы регуляции размера и продолжительности жизни, поскольку было установлено, что влияние единичных мутаций генов инсулинового сигнального пути на продолжительность жизни консервативно для всех млекопитающих. В 2003 году Гольценбергер с коллегами установили, что гетерозиготные по рецептору гена ИФР-1 мыши (с одной мутантной копией этого гена и одной копией гена дикого типа) живут долго и при этом, как дрозофилы, не обязательно имеют маленький размер[20]. Снижение активности инсулинового сигнального пути в жировой ткани мышей (отключение рецептора инсулина/ИФР-1 в жировой ткани) также увеличивало продолжительность жизни, как и в случае dFOXO в жировой ткани дрозофил и DAF-16 в кишечнике червей, что еще ярче демонстрирует аналогию с беспозвоночными животными[21]. Снижение уровня IRS2 (субстрата рецептора инсулина/ИФР-1) у мышей приводило к ослаблению аппетита и репродуктивной функции, сопрягая энергетический статус с плодовитостью[22]. Все эти результаты подтверждают, что у червей и млекопитающих реализуются одни и те же функциональные пути, и трудно поверить, что это явление характерно только для беспозвоночных животных. Еще более удивительно, что те гены, которые Юсинь Су впоследствии обнаружила у долгожителей в ходе полногеномного анализа ассоциаций (глава 3), тоже относятся к этому пути, в частности гены рецептора инсулина/ИФР-1 (InR), ИФР-1 и FOXO3a[23]. Но только совсем недавно этот путь стали рассматривать как возможную мишень для терапевтического действия: применение ингибитора фосфоинозидид-3-киназы (кодируемой геном age-1) на мышах среднего возраста позволяло увеличить продолжительность жизни животных на 10 % и улучшить некоторые показатели здорового отрезка жизни[24].

Так почему же все-таки черви с мутацией daf-2 так долго живут? Этот вопрос возвращает нас к моей личной истории. В 1999 году, когда я услышала доклад Синтии, стало ясно, что инсулиновый сигнальный путь через активность DAF-16 каким-то образом позволяет червям жить дольше. Поскольку было установлено, что daf-16 кодирует транскрипционный фактор FOXO, это подразумевало, что основной путь, увеличивающий продолжительность жизни мутантов daf-2, связан с какими-то транскрипционными изменениями, опосредованными белком DAF-16.

Я оказалась в правильном месте в правильное время. Биохимические исследования в Стэнфорде были одним из истоков разрастающегося направления геномики: Джо Деризи из лаборатории Пэта Брауна³⁴ придумал метод точечных микрочипов, Майкл Эйзен из лаборатории Дэвида Ботштейна – новые методы анализа и визуализации, а специалисты в области статистики, такие как Роб Тибширани, разработали новые подходы к анализу данных. Важно, что эти научные группы ускорили внедрение технологии микрочипов в исследования модельных организмов, поскольку открыто обменивались методиками, данными и инструментами – в отличие от коммерческих компаний по производству микрочипов, которые в первую очередь были нацелены на взаимодействие с исследователями, работающими с млекопитающими или в области медицины. Благодаря открытому доступу к этим инструментам исследователи, работающие с мелкими организмами, смогли создавать собственные микрочипы. Мой однокурсник Джо Деризи в то время был студентом в лаборатории Пэта Брауна. Джо и Пэт с конца 1990-х годов популяризировали подход “сделай сам”, читая курс лекций в лаборатории Колд-Спринг-Харбор. Всего за две недели студенты создали из отдельных деталей аппарат для микрочипирования, скопировали и размножили все 6 тысяч генов дрожжей в 96-луночном планшете, перенесли эти фрагменты ДНК на стеклянные пластинки и провели собственный эксперимент с микрочипами на дрожжах. Джо был настоящим проповедником: он убеждал всех, кто попадал в радиус его действия, включая меня, использовать в работе технологию микрочипов³⁵. И хотя мои исследования никак не были связаны с анализом экспрессии, я уже многое знала об этом просто благодаря тому, что работала в одной комнате с Джо.

Почему снижение активности daf-2 не вызывает пагубных последствий, таких как диабет?
Возможно, тот факт, что потеря активности рецептора инсулина/ИФР-1 удлиняет жизнь и продлевает ее здоровый отрезок, противоречит интуиции, поскольку пониженная реакция на инсулин вызывает диабет. Действительно, люди с синдромом Ларона (см. главу 2) отличаются ослаблением сигнального пути ИФР-1 (и поэтому имеют карликовый фенотип), но реже болеют диабетом, как и долгожители с мутациями этого пути. Возможно, это легче понять, если сравнить мутантов daf-2 с периодически голодающими животными. У червей периодическое голодание вызывает активацию белка DAF-16³⁶, как и слабый инсулиновый сигнал, и усиливает реакцию на стресс, в результате чего животное становится здоровее. По-видимому, мутанты daf-2 интерпретируют низкую активность рецептора DAF-2 как сигнал легкого пищевого стресса и реагируют соответствующим образом, замедляя старение, что позволяет животному дольше размножаться. Избыток глюкозы быстрее убивает червей³⁷, что как раз напоминает ситуацию с диабетом у человека.
Возможно, вас заинтересует, почему же черви daf-2 не получают преимущество в популяции, если они такие здоровые и так долго живут. Дикий тип остается диким по одной простой причине: мутанты daf-2 “зафиксированы” в состоянии периодического голода и поэтому растут медленнее, позднее достигают половой зрелости, передают свои признаки с более растянутой периодичностью и в каждом поколении имеют меньшую численность потомства, чем животные дикого типа. Все это вместе не позволяет им добиться статуса победителя в эволюционной гонке: за несколько поколений черви дикого типа начинают преобладать над мутантами, поскольку вновь и вновь быстрее производят более многочисленное потомство. При жаре или недостатке пищи мутанты daf-2 выживают лучше, но в отсутствие стресса выигрывают животные дикого типа.

Позднее Джо получил престижную позицию в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, и я решила, что буду работать там же в лаборатории Синтии, воспользовавшись рекомендациями Джо для создания моих собственных микрочипов для C. elegans, чтобы понять, почему черви daf-2 живут так долго³⁸. Все невероятные способности daf-2 связаны с активностью транскрипционного фактора DAF-16/FOXO, который “включает” экспрессию генов в ответ на сигнал daf-2. Я знала, что, если мне удастся создать микрочип со всеми генами червя, я смогу сравнить долгоживущих червей с мутацией инсулинового сигнального пути и короткоживущих животных, а тогда мы поймем, что именно происходит в организме здоровых животных. Это был хороший путь для поиска ответа на важный вопрос и самое подходящее время, чтобы по нему пойти.

Следует сказать, что Синтия проявила щедрость, разрешив мне заняться этим проектом. Для его реализации было нужно много денег и определенная уверенность, что я смогу его завершить за разумное время, а гарантий не было никаких. Деньги требовались на покупку примерно 20 тысяч пар праймеров (коротких последовательностей ДНК)³⁹. Для амплификации каждого из 20 тысяч генов C. elegans с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) нужна одна пара праймеров (реализация проекта стала возможна после секвенирования генома C. elegans). Затем эти последовательности ДНК упорядоченным образом наносят на стеклянные пластинки – по одной точке на каждый ген. Готовые пластинки используют для гибридизации: образцам ДНК с флуоресцентной меткой позволяют связаться с соответствующими точками на пластинке, а затем по интенсивности флуоресценции определяют уровень экспрессии гена в каждом образце.

На создание микрочипов ушло несколько месяцев, и Джо дал мне много советов. Единственная возможность использовать мои биохимические навыки представилась мне в первые недели работы, когда я выделила тонны (на самом деле 11 миллиграммов) полимеразы Taq, которая используется в ПЦР для создания копий фрагментов ДНК. Я проводила ПЦР целыми днями на протяжении нескольких недель, пока не размножила ДНК всех 20 тысяч генов⁴⁰. Нанеся очищенные продукты ПЦР на пластинки, обработанные полилизином, я получила мой первый микрочип и начала эксперимент. Для обработки червей я использовала РНКи против daf-2, daf-16 и контрольные РНКи, отбирала образцы в разные моменты времени в середине жизни животных и могла видеть, какие транскрипционные изменения происходили с возрастом и какие из них действительно были связаны с инсулиновым сигнальным путем⁴¹. Я также отбирала образцы разных аллелей мутантов daf-2, мутантов age-1 и червей дикого типа, что позволяло стандартизовать анализ. Я взяла червей с большим избытком и заполнила инкубатор чашками десятидюймового диаметра: 15 чашек на каждую временную точку и 10 временных точек для эксперимента с каждым штаммом. (Поэтому, когда сотрудники из нашей лаборатории жалуются на “большой” эксперимент с несколькими маленькими чашками, я брюзжу, как нудная старуха, которая рассказывает, как она взбиралась в гору и спускалась с нее в снегопад.) Пометив мРНК мутантов daf-2 и daf-16; daf-2 на одном чипе двумя разными флуоресцентными красителями, я смогла найти гены, которые экспрессируются по-разному (то есть гены с повышенным и с пониженным уровнем экспрессии), и таким образом отличить стареющих червей от тех, которые оставались молодыми.

В любом случае это было оправданно. Собрав такое количество образцов в разные моменты времени для такого количества мутантов и проведя в общей сложности гибридизацию на 80 двухцветных микрочипах, я находилась в полной уверенности, что если ген экспрессировался в мутанте daf-2 или при РНКи и не экспрессировался при отключении гена daf-16, вполне вероятно, он и был мишенью на данном пути и регулировался и геном daf-2, и геном daf-16. С помощью компьютерной программы, написанной Майклом Эйзеном, мне с легкостью удалось обнаружить, что у долгоживущих червей светится довольно большая группа генов, которые образовывают кластеры в соответствии с характером экспрессии. Гены, которые я искала (“хорошие” гены, возможно помогающие червям daf-2 жить дольше), светились красным светом (высокий уровень экспрессии) в червях daf-2 и зеленым цветом (низкий уровень экспрессии) в червях daf-16.

1.“Вы слышали о некоторых таких проектах с домашними животными, в них нет большого смысла, и иногда деньги направляют на проекты, которые не имеют никакого или почти никакого отношения к общественным нуждам. На такие вещи, как исследования дрозофил в Париже, во Франции. Я не шучу” – отрывок из высказывания Сары Пэйлин, процитированного в статье Адама Резерфорда “Пэйлин и дрозофилы”, Guardian, 27 октября 2008, https://www.theguardian.com/commentisfree/2008/oct/27/sarahpalin-genetics-fruit-flies. (Сара Пэйлин – американский политик и журналист, сторонница идеи креационизма. – Прим. перев.)

2.Крионика – технология замораживания тел или клеток человека и животных в надежде на возможное исцеление в будущем. (Прим. перев.)

3.О влиянии пандемии SARS-CoV-2/COVID-19 на среднюю продолжительность жизни мы узнаем только через несколько лет, но первая волна заболевания снизила продолжительность жизни афроамериканцев мужского пола на два года; о влиянии следующих вариантов вируса мы узнаем позднее. В начале пандемии в большей степени пострадали пожилые люди (старше 65 лет), но демография смертности изменилась после появления вакцин: на момент распространения варианта “дельта” вакцинация людей старше 65 лет продвигалась значительно быстрее, чем вакцинация более молодых людей. В результате в последующие месяцы выросла смертность среди молодых людей, и общее количество смертей превысило показатель смертности от гриппа в 1918 году. В июне 2022 года журналист Дэвид Леонхардт предположил, что в результате усилий по проведению вакцинации среди людей африканского и испанского происхождения с одной стороны и отказа от вакцинации и использования масок среди белого населения (особенно республиканцев) с другой стороны разрыв в расовых показателях сократился, и показатели смертности, вероятно, изменились, поскольку смертность среди белого населения в середине 2022 года оказалась выше (David Leonhardt. 2022. “COVID and Race”. New York Times, The Morning, June 9, 2022, https://www.nytimes.com/2022/06/09/briefing/covid-race-deaths-america.html). Однако мы не знаем, насколько в этом исследовании учитывались возрастные показатели и не является ли это отражением парадокса Симпсона. На самом деле возможно, что черные американцы вообще живут недостаточно долго и не попадают в эти возрастные категории из-за многочисленных проявлений расового неравенства в обществе и в доступности медицинской помощи, не связанных с пандемией.

4.Понятно, что это относится к беременному человеку любого пола, но в большинстве демографических исследований информация о беременности у мужчин еще не учитывается.

5.Преэклампсия – опасное для жизни состояние, характеризующееся гипертензией и протеинурией. (Прим. перев.)

6.Эта книга создавалась во время пандемии SARS-CoV2, так что статистические данные пока недоступны, но в первых отчетах сообщалось о более высоких показателях смертности пожилых людей, особенно мужчин, в Китае. Пока неизвестно, подтвердится ли такая же статистика в других странах во всех возрастных группах.

7.Для более подробного изучения рекомендую книгу: Steven Austad. Why We Age. New York: John Wiley, 1996.

8.Бенджамин Баттон – герой американского фильма 2008 года “Загадочная история Бенджамина Баттона”; Макс Тиволи – герой романа Эндрю Шона Грира “Невероятная история Макса Тиволи”. (Прим. перев.)

9.Концепция гормезиса предполагает, что нелетальный стресс вызывает иммунный ответ, который в конечном итоге способствует усилению организма.

10.Следует отметить: при наличии “тяжелых” версий генов (аллелей) мутанты развиваются медленно, что согласуется с теорией антагонистической плейотропии. Но после фазы развития эти аллели можно отключить, и это все равно увеличит продолжительность жизни.

11.На самом деле статья в журнале Nature, где говорилось, что потеря sod-3 полностью отменяет увеличение продолжительности жизни долгоживущих червей C. elegans с мутантным геном daf-2, кодирующим рецептор инсулина/инсулиноподобного фактора роста, была отозвана, когда выяснилось, что “двойной мутант” не содержал мутаций ни daf-2, ни sod-3, то есть это был организм дикого типа с обычной продолжительностью жизни! Неловко получилось.

12.Мутанты и гены C. elegans обычно получают названия в связи со своими признаками (фенотипом) и пишутся курсивом. Так, daf означает, что у мутанта нарушен переход к состоянию торможения, диапаузы (defective for proper formation of dauers). Мутанты daf либо переходят в диапаузу в неположенное время, как в случае daf-2, либо не переходят в положенное время, как daf-16.

13.Работы, выполненные на гермафродитах C. elegans, могут приводить к ошибочным выводам, если не производится спаривание гермафродитов с самцами. Дело в том, что количество потомков у гермафродитов ограничено количеством спермы, производимой самим животным до его переключения на производство ооцитов. Однако животные все еще имеют избыток ооцитов, которые они могут использовать при спаривании с самцом, и это позволяет рассчитать общее количество потомков. Поскольку потомство от собственных сперматозоидов не отражает общего репродуктивного потенциала животного, такие данные не следует использовать для интерпретации связи между количеством потомков и продолжительностью жизни, однако их довольно часто приводят как подтверждение теории одноразовой сомы.

14.Рассказываю молодым: фильм “Бегство Логана” (Майкл Андерсон, 1976) – антиутопия о мире, где из-за недостаточности ресурсов все люди, достигавшие тридцатилетнего возраста, подлежали уничтожению; сюжет фильма основан на одноименном романе-комиксе Уильяма Нолана и Джорджа Клейтона Джонсона, выпущенном в 1967 году.

15.Медицине известны случаи мутаций, когда развитие полностью останавливается примерно в двухлетнем возрасте.

16.В биологии диким типом называют самый распространенный вариант признака или гена в популяции. (Прим. науч. ред.)

17.“Blue Zones Project”, Sharecare, 26 января 2023, https://albertlea.blue zonesproject.com/.

18.GWAS выявляет корреляции, но не является мерой здоровья или продолжительности жизни. Однонуклеотидные вариации, связанные с тем или иным заболеванием, служат лишь предсказательными факторами, но не основой для постановки диагноза. Человек с конкретным вариантом SNP с некоторой вероятностью проживет дольше (или заболеет специфическим заболеванием), но это вовсе не обязательно. Это не диагностический метод, и он не позволяет установить, есть ли у человека то или иное заболевание.

19.Большинство ученых теперь считают супердолгожителями людей, доживших до 110 лет, а “полусупердолгожителями” – людей в возрасте от 105 до 109 лет.

20.Перевод Ю. Антоновского.

21.Сейчас Джонатан – самое старое наземное животное. Эта черепаха с острова Альдабра теперь живет на территории дома правителя острова Святой Елены, к западу от Африканского континента.

22.Цинизм ситуации в том, что вы публикуете статью об эксперименте на мышах и потом из университетских пресс-релизов узнаете, что эти данные впервые были получены на мышах…

23.Филлис Диллер – американская комедийная актриса. (Прим. перев.)

24.Поттер Стюарт – американский государственный деятель, член Верховного суда США, внесший большой вклад в реформу уголовного правосудия и защиту гражданских прав; знаменитой фразой “Узнаю, когда вижу” он описал свой критерий в определении порнографии. (Прим. перев.)

25.Лонгитюдными называют такие исследования, когда изучается одна и та же группа организмов в течение длительного времени, за которое объекты исследования успевают существенным образом поменять какие-либо свои значимые свойства. (Прим. науч. ред.)

26.BLSA History, National Institute on Aging, January 26, 2023, https://www.nia.nih.gov/research/labs/blsa/history.

27.Почти через 40 лет после того, как Шарбат Гула, осиротев, покинула Афганистан в шестилетнем возрасте, афганское правительство предоставило ей дом в Кабуле, о чем сообщалось в 2017 году.

28.Метод Каплана – Майера – статистический метод определения вероятности наступления события до определенного момента времени.

29.Шапероны – это белки, которые занимаются укладкой других белков в правильную конформацию, например, после повреждения молекулы белка избыточным нагревом. (Прим. науч. ред.)

30.При более тщательном анализе с применением электронной микроскопии выясняется, что на самом деле основание глотки перекрывают распухшие клетки кишечника, а не клетки самой глотки и такой смертью из-за проблем в передней части кишечника умирают только черви с необычным генетическим строением, которых использовали в лаборатории Джемса.

31.Однако ложная идея уже нанесла вред: версия о слабом здоровье мутантов daf-2 все еще сохраняется и отражается в докладах и статьях, что лишило нескольких исследователей, в том числе молодых профессоров, возможности получить гранты.

32.Перевод Н. Дарузес.

33.Напомним, что гормезис – это положительное влияние умеренного стресса на функционирование организма. (Прим. перев.)

34.Позднее Пэт Браун ушел из Стэнфорда и основал компанию Impossible Foods, производящую вегетарианские бургеры, чтобы способствовать замедлению глобального потепления.

35.Объединение работы разных лабораторий было необычной практикой биохимических исследований в Стэнфорде, и я думаю, оно приносило пользу, но это было трудно применить в других местах.

36.Honjoh, S., Yamamoto, T., Uno, M., Nishida, E. 2009. “Signalling through RHEB-1 Mediates Intermittent Fasting-Induced Longevity in C. elegans”. Nature 457:726–30, https://doi.org/10.1038/nature07583.

37.Lee, S. J., Murphy, C. T., Kenyon, C. 2009. “Glucose Shortens the Life Span of C. elegans by Downregulating DAF-16/FOXO Activity and Aquaporin Gene Expression”. Cell Metabolism 10:379–91, https://doi.org/10.1016/j.cmet.2009.10.003.

38.Стюарт Ким и Джон Ким в Стэнфорде уже создали микрочип для червей, но мне для моих экспериментов нужно было очень много чипов (60–80 штук), а в то время, понятное дело, для совместных исследований можно было получить лишь несколько чипов, примерно четыре. Кроме того, я лишь позднее узнала, что Стюарт тоже интересовался проблемой старения (см. главу о долгожителях).

39.В лаборатории Джули Аринджер те же самые праймеры применили для создания библиотеки РНКи (одна бактериальная колония на каждый ген), которую все исследователи, работающие с червями, впоследствии использовали для полногеномного скрининга самых разных фенотипов, включая долгожительство.

40.Одно неожиданное преимущество в работе над проектом заключалось в том, что мне пришлось одалживать оборудование в лаборатории Джо Деризи, Питера Уолтера и других, поскольку в лаборатории Синтии такие опыты не ставили. Я познакомилась со многими людьми из университета, которые создавали собственные микрочипы, и для меня это была большая помощь, которой не было у большинства молодых исследователей.

41.Точнее, я использовала клоны РНКи, созданные Энди Диллином для кормления стерильного контрольного штамма (fem-1; fer-15), а также daf-2 или daf-2 + daf-16 РНКи. Я собирала по десять образцов как в коротком (48 часов), так и в длинном эксперименте (от первого до восьмого дня), а также от нескольких аллелей мутантов daf-2 и age-1, всего для 80 микрочипов. Восьмой день я выбрала потому, что потом черви начинают умирать, а я хотела найти гены, которые предсказывают продолжительность жизни, а не гены, которые изменяются при приближении смерти.

The free sample has ended.