6 курс / Медицинская реабилитация, ЛФК, Спортивная медицина / Геронтология_in_polemico_Мушкабаров_Н_Н_

80

-как одни безапелляционно утверждают, что множество животных не стареют,

-так и другие без весомых доказательств говорят об универсальном для всех механизме старения.

г) Ресвератрол мог оказывать положительное действие и как антиоксидант – независимо от сиртуинов.

д) Наконец, другие источники ставят под сомнение абсолютную благотворность действия и сиртуинов, и ресвератрола.

I. Так, клетки дрожжей и нейроны млекопитающих лучше переносят некоторые воздействия (голодание, окислительный стресс) не при наличии, а при отсутствии в них активности сиртуинов.

II. Кроме того, сиртуины тормозят активность и некоторых нужных белков – например, опухолевого супрессора FoxO1, что способствует возникновению рака простаты.

1.4.2.10. Гипотеза о том, что делает дифференцировку необратимой

1.Введение. а) Вместе с тем, исходные представления о сиртуинах как о особых деацетилазах гистонов, способствующих гетерохроматизации генов, видимо, вполне справедливы.

б) Это позволяет использовать данные представления, а также вышеприведённые сведения о метилировании ДНК, для построения гипотезы, объясняющей необра-

тимость дифференцировки у высших животных.

2.Смысл понятия.

а) У этих животных уже ранние стадии дифференцировки стволовых клеток, даже не сопровождающиеся заметными морфологическими изменениями, являются, по существу, необратимыми.

б) Об этом свидетельствует, например, такое явление, как коммитирование – сужение потенций (числа возможных направлений развития) при переходе от предыдущих поколений клеток к последующим.

в) I. Так, после нескольких циклов деления полипотентной стволовой клетки крови (СКК) образуются

-вначале олигопотентные,

-а затем – внешне идентичные предыдущим, унипотентные клетки, каждая из которых способна развиваться только в одном направлении (только в эритроциты, или только в нейтрофильные лейкоциты – и т.д., всего до 10 направлений).

II. И, насколько известно, ни при каких воздействиях унипотентная клетка не «воротится» назад, не станет хотя бы бипотентной. Т.е. из клетки, запрограммированной только на эритроциты, уже не образуется, например, тот же нейтрофил.

г) И совсем очевидным это становится, когда появляются ясные морфологические особенности, даже если клетка (в частности, базофильный или полихроматофильный эритробласт) сохраняет способность к активным делениям.

3. Постановка вопроса.

а) Итак, вопрос состоит в том, каким образом достигается необратимость дифференцировки?

б) Она (необратимость) не является какой-то абсолютной данностью, как второе начало термодинамики, и, подобно старению, ни этим началом, ни каким-либо иным известным законом не обусловлена.

в) Действительно, у амфибий (особенно у тритонов и саламандр), с их поразительной способностью к регенерации, последняя осуществляется, как считают, не за счёт активизации стволовых клеток, а путём дедифференцировки зрелых мышечных и

81

костных клеток возле места травмы.

г) Да и у млекопитающих, как известно, малигнизация клеток сопровождается частичной дедифференцировкой.

д) Что же препятствует ей в нормальных клетках млекопитающих?

4. Собственно гипотеза.

а) В конце п. 1.4.2.7 было сказано, что дефицит ДНК-метилазы в стволовых клетках лишает их способности к дифференцировке.

В то же время, и сиртуины участвуют в выключении ненужных генов по мере дифференцировки.

б) Таким образом, для дифференцировки необходимы и ДНК-метилаза (одна из нескольких), и сиртуины.

I.Но при этом сиртуины должны не только блокировать выключаемые гены, но

ине препятствовать деблокировке включаемых генов. А для этого их действие должно быть обратимым. Что, собственно, соответствует ранее сказанному о них.

II.Тогда необратимость дифференцировки должна обеспечиваться метилированием ДНК.

в) Возможно, субстратом метилирования являются интроны выключаемых генов, и это является их главной функцией. Такое метилирование

- или само способно ингибировать ген (усиливая взаимодействие цепей ДНК в интронах) и лишь подкрепляется компактизацией хромосомы в области гена (вызываемой действием сиртуинов),

- или служит почти «несмываемой» меткой, показывающей участки, в области которых при всех обстоятельствах необходимо деацетилировать гистоны.

5. Следствия.

а) В результате получается:

-при дифференцировке стволовой клетки часть генов (как работавших до того. так и не работавших) должна подвергаться необратимому выключению путём метилирования интронной ДНК и деацетилирования гистонов,

-а другая часть ещё не работавших генов на определённой стадии дифференцировки должна освободиться от «опёки» сиртуинов и за счёт ацетилирования блокировавших их гистонов активироваться.

б) Любопытно заметить, что гены самих гистонов лишены интронов. Из излагаемой гипотезы следует, что эти гены необратимо не выключаются. В чём, видимо, и нет никакой необходимости.

в) При старении степень метилированности ДНК, как известно, снижается. Если это касается и того (или именно того) метилирования, о котором здесь шла речь, то, значит, те или иные гены могут выходить из «молчащего» состояния.

Последствия очевидны: от сбоя работы и гибели клетки до её частичной дедифференцировки и малигнизации.

6. О регенерации амфибий.

а) Амфибии, которые так поражают способностью к регенерации, имеют, помимо прочих, и такую особенность. Их геном раз в 10 больше генома человека,

-но не за счёт большего числа генов или размера спейсеров,

-а за счёт необыкновенной длины интронов в генах, что является следствием некогда произошедшей многократной амплификации исходных интронов.

б) Возможно, этим и обусловлена способность клеток к дедифференцировке, лежащая в основе регенерации.

в) Например, нетрудно представить, что на таком обширном интронном пространстве активность ДНК-метилазы оказывается недостаточной для насыщения этого

82

пространства тем количеством метильных групп, которое необходимо для обеспечения необратимости выключения генов.

г) Это означает, что, в соответствии с двумя вышеупомянутыми вариантами, связывание сиртуинов с генами происходит

-либо вообще независимо от присутствия метильных групп и просто обратимо.

-либо инициируется всё же редкими метильными группами, но теперь эта относительно слабая инициация тоже оказывается обратимой.

1.4.3. ВЛИЯНИЕ РАЗНЫХ ГРУПП ГЕНОВ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ

Попробуем теперь, основываясь на приведённой информации, сформулировать в достаточно общем виде, какие гены и как влияют на продолжительность жизни.

1.4.3.1. Подразделение генов на 4 группы по их возможному влиянию на ПЖ

1. Предварительные замечания.

а) Естественно полагать (что мы уже отмечали в п.14.2.5), на ПЖо так или иначе влияют все гены. Ну, разве, кроме тех, которые кодируют бесполезные рудиментарные органы.

б) Но среди генов, похоже, обычно нет таких, которые бы целенаправленно ускоряли старение и (или) вызывали смерть. Т.е. нет пресловутых «генов старения» и «генов смерти». Опять-таки, если не считать

-гены клеточного самоубийства – апоптоза, – имеющиеся, вероятно, у всех (или почти всех) организмов,

-и гены самоубийства всего организма – феноптоза, по В.П.Скулачёву, – которые, напротив, имеются далеко не у всех видов, а лишь у видов с катастрофически быстрым старением (лососевые рыбы, некоторые насекомые и пр.).

в) Что касается и этих, и всех остальных генов, то для каждого из них следует различать, к какому влиянию на ПЖо приводит

-полное выключение гена,

-его повышенная экспрессия,

-а также эволюционное изменение структуры.

2. Подразделение генов на группы.

а) В указанном отношении, видимо, по-разному проявляются следующие группы генов:

I. т.н. конститутивные гены, кодирующие основную массу белков:

-структурные белки (внутриклеточные – актин, миозин, гемоглобин; внеклеточные – коллаген, альбумины)

-и ферменты основных путей метаболизма (гликолиза, цикла Кребса, цепи пе-

реносчиков электронов и др.);

II. гены, кодирующие белки (ферменты) защитных систем –

-внутриклеточных (антиоксидантной системы, систем репарации ДНК и бел-

ков),

-внеклеточных (системы свёртывания крови, иммунной системы);

III. гены, кодирующие регуляторные белки – внутриклеточные (см., например, табл. 1.3), внеклеточные (гормоны, гистогормоны, цитокины и т.д.), – а также специфические белки (ферменты), участвующие в обмене небелковых регуляторов;

IV. гены запрограммированной гибели – клетки (апоптоза) и организма в целом (феноптоза).

б) И вот, с учётом вышеизложенного (начиная с п. 1.4.2.5) и по моему субъек-

83

тивному мнению, складывается примерно такая картина.

1.4.3.2. Гены группы I: эффекты выключения и гиперэкспрессии

1. Одни гены этой группы: выключение – летально.

а) I. Выключение генов группы I чаще всего, видимо, просто несовместимо с жизнью. Действительно, трудно представить себе, например, млекопитающего, во всех митохондриях которого не функционировала бы сукцинатдегидрогеназа (фермент цикла Кребса). Или в эритроцитах совсем не содержался бы гемоглобин.

II. Что – невозможны делеции (полная утрата) соответствующих генов в формирующихся половых клетках? Наверно, возможны. Но либо сами эти клетки не доживут до оплодотворения, либо зародыш окажется нежизнеспособным (если по этой утрате он будет гомозиготным). Поэтому мы о таких патологиях не слышим.

б) Тут даже точечные мутации, приводящие к замене всего одной аминокислоты, влекут очень серьёзные проблемы.

Примером является серповидноклеточная анемия: в эритроцитах вместо нормального гемоглобина HbA присутствует форма HbS, отличающаяся только по одной аминокислоте в 6-м положении β-цепи и в силу этого легко агрегирующая в эритроцитах. Здесь гомозиготность, хотя и позволяет плоду дожить до рождения, нередко приводит к ранней смерти.

2. Другие гены группы I: выключение заметно снижает ПЖо.

а) Если речь идёт о менее «стратегически важных» белках – например, ферментах таких реакций, которые очень желательны, но тем или иным способом могут быть обойдены, – выключение гена менее катастрофично.

б) I. Пример – дефект гена глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Последняя – первый фермент пентозного цикла – вспомогательного способа аэробного распада глюкозы, который особенно важен в эритроцитах. Поскольку и в эритроцитах, и в других клетках есть иные способы получения энергии, дефект указанного гена не является абсолютно летальным.

II. Но в эритроцитах страдает образование кофермента НАДФН, необходимого для восстановления другого кофермента – глутатиона – участника реакции, катализируемой одним из ферментов антиоксидантной системы.

III. И в результате функциональные возможности эритроцитов, а значит, и организма в целом, оказываются сильно сниженными. Соответственно, снижается и ПЖо.

3. «Ужасы» гиперэкспрессии.

а) Что касается повышенной экспрессии какого-либо отдельно взятого гена группы I, то, по-видимому, в подавляющем большинстве случаев она вряд ли бы оказала позитивное влияние на ПЖо. Скорее, наоборот.

б) Так, представим, что образование и содержание гемоглобина в организме увеличены в 2 раза. Казалось бы, хорошо: ткани получат больше кислорода.

I. Но, во-первых, куда девать столько белка? В эритроцитах он и в норме занимает половину объёма; дальнейшее повышение содержания вызовет коагуляцию гемоглобина и гемолиз (разрушение в крови) эритроцитов.

Допустить, что просто будет образовываться вдвое больше эритроцитов или они станут вдвое крупней? Но и то, и другое было бы смерти подобно: значительно изменился бы т.н. гематокрит – относительное содержание эритроцитов в объёме крови. Что вызвало бы такое повышение вязкости крови, которое несовместимо с жизнью. Эритроциты забили бы все капилляры, не в силах протиснуться через них. И опять – гемолиз.

86

разованию разных видов, отличающихся размерами, образом жизни и, конечно, значениями ПЖ .

в) I. Но закреплению нового образа жизни этих животных могли способствовать и небольшие изменения функциональных свойств белковых продуктов генов-I – в частности,

-увеличение сродства гемоглобина к кислороду,

-изменение природы и активности ферментов образования кожного сала,

-изменение структуры белков внешних покровов.

II. Возможно, это тоже как-то повлияло на ср-ПЖ, но роль регуляторных факторов кажется доминирующей.

г) I. Таким образом, в пределах классов видовые значения ПЖо устанавливались по принципу: «немногие – определяют, многие – закрепляют», где гены I-ой группы относятся к «многим».

II. В итоге,

-с одной стороны, видовые показатели (включая max-ПЖо и ср-ПЖо) достаточно консервативны (вследствие «закрепления»),

-а с другой стороны, имеется потенциал (в виде генов прочих групп, из нескольких представителей которых могла бы сформироваться новая совокупность «немногих») для образования в ходе эволюции близкородственных видов, значительно различающихся по max-ПЖо и ср-ПЖо.

7. Гены I-й группы могли участвовать в образовании новых классов.

а) И в то же время (точнее, в гораздо более долгое время) комплекс изменений

какой-то совокупности структурных и регуляторных генов мог привести к таким стратегическим изменениям, которые знаменовали появление нового биологического класса или типа.

б). Так, среди важнейших событий при преобразовании динозавров в птицы –

-обретение теплокровности, для чего потребовалось создать сами структуры терморегуляции, а также «подстроить» бесчисленные ферменты (кодируемые, в основном, генами-I) к стабильной температуре;

-сильное ускорение тканевого энергообмена, поскольку полёт требует энергии (быстро и много!); но, видимо, тут дело – не только в регуляции, но и в изменении структуры белков (тоже продуктов генов-I), непосредственно осуществляющих этот обмен,

-превращение чешуи в перья, в чём тоже одной регуляцией не обойтись.

1.4.3.4.Гены группы II

1.Таблица. Теперь, чтобы не потеряться в частностях, бросим взгляд на табл.

1.4.В ней суммированы те заключения, которые мы уже сделали для генов группы I, а также те утверждения, которые мы собираемся предложить для генов остальных трёх групп. И перейдём к очередной из этих групп.

2.Гены группы II (гены защитных белков): последствия выключения.

а) Выключение гена группы II и вытекающее из этого отсутствие какого-либо защитного белка, надо полагать,

-не столь летально, как в случае генов группы I: возможны развитие, рождение

ипоследующая жизнь особи,

-но, безусловно, продолжительность этой жизни более или менее значитель-

но укорочена.

87

Таблица 1.4. Гены и ПЖо:

вероятное влияние на ПЖо выключения, гиперэкспрессии и видовых особенностей гена

б) Классический пример – дефект того или иного гена репарации ДНК. Как правило, при этом развивается синдром ускоренного старения.

3. Гены группы II: гиперэкспрессия и видовые отличия.

а) I. Несколько странно, но именно эти гены (а не огромное количество генов группы I, без многих из которых жизнь вообще невозможна) у нас попадают в разряд

«генов жизни». – На том основании, что при их повышенной экспрессии ПЖо возрас-

тает.

II. Таким образом, как и термины «ген старения» и «ген смерти» (п.1.4.2.5), термин «гены жизни» является в достаточной степени условным.

б) Итак, при гиперэкспрессии генов II-й группы ПЖо возрастает. Два примера подобного рода были приведены в п.1.4.2.6: они относились к

-гену одного из ферментов репарации белков

-и гену одного из ферментов антиоксидантной системы.

в) Факт увеличения ПЖо объясняется, видимо, тем, что относительное содержа-

88

ние большинства компонентов защитных систем очень невелико, тогда как объектом их воздействия являются вредные или повреждённые вещества. Поэтому, допустим, двукратное возрастание содержания защитных белков будет иметь, в основном, только положительный эффект.

г) Такой взгляд соответствует и концепции «АНЕРЕМ», которая исходит из того, что ведущая причина старения – недорепарация генома, отчего повышение степени репарации должно замедлять старение.

д) У разных видов, как тоже отмечалось в п.1.4.2.6, активность изофункциональных защитных белков различна (речь шла о том, что химерные мыши с человеческой каталазой в митохондриях живут на 20% дольше), и это, видимо, важный фак-

тор, определяющий средневидовую продолжительность жизни.

1.4.3.5. Гены группы III: эффекты выключения и гиперэкспрессии

1. Выключение генов группы III (генов регуляторных белков): повышение

ПЖо.

а) В основном, из этой группы рекрутируются т.н. «гены старения» и «гены смерти»: при выключении таких генов (8 примеров которых см. в табл. 1.3) ПЖо по-

вышается.

б) Однако, как я напоминал несколькими абзацами выше, подобное «клеймо» на этих генах вряд ли соответствует действительности (п. 1.4.2.5): при их выключении

-во многих случаях жизнестойкость особей в реальных условиях фактически не возрастает, а снижается,

-а если всё-таки возрастает (как в двух примерах у дрожжей), то польза от этого сомнительна.

2. Выключение генов группы III: повышение или понижение ПЖо?

а) Кроме того, вышеописанная реакция (т.е. повышение) ПЖо вовсе не обязательна для всех генов III-й группы. Возможен и более нейтральный, а чаще всего, видимо, вообще противоположный эффект.

б) В связи с этим сопоставим два факта.

I. Первый: среди упоминавшихся 8 примеров из табл. 1.3 два касались белков, стимулирующих развитие передней доли гипофиза у мышей: при дефекте генов этих белков развивается дефицит гормонов указанной доли – и ПЖо увеличивается.

II. Второй факт: у человека при травмах и прочих (сосудистых, инфекционных) повреждениях аденогипофиза развивается т.н. гипофизарная кахексия, вызывающая, помимо всего прочего (или благодаря всему этому прочему), преждевременное ста-

рение, т.е. ПЖо уменьшается.

Но это тоже связывают с дефицитом гормонов – практически тех же самых. А дефицит, очевидно, вызван тем, что соответствующие гены не работают – поскольку повреждены клетки, где они должны работать.

в) Таким образом, получается нестыковка результатов.

3. Выключение генов группы III: скорее, всё же понижение ПЖо.

а) I. Проще всего объяснить нестыковку тем, что многократно уже отмечалось:

-мыши со своим дефицитом сидят в лабораторных условиях,

-а люди с кахексией – в реальной жизни.

II. Вот объяснение – менее задиристое: дело – не в условиях содержания, а в видовых особенностях. У мышей, мол, своя реакция, а у человека – своя.

III. И, наконец, совсем прекрасное, оптимистическое объяснение: проблема – не в том, и не в этом; она – в числе дефицитных гормонов и в степени дефицита. У мы-

89

шей то и другое – на оптимальном уровне.

Если так, то можно смело следовать их примеру и основательно подсократить у себя содержание гормонов гипофиза – тем самым прибавив к своей ПЖо несколько десятков лет. Правда, при этом можно несколько потерять жизненный тонус. А самое главное: можно нарваться на одну из первых двух версий, где кроме кахексии с её ускоренным старением нам ничего не светит.

б) Вспомним ещё один пример, когда выключение гена регуляторного белка негативно влияет на жизнеспособность клеток и организма. – В п.1.4.2.9 мы упоминали, что дефект гена одной из ДНК-метилаз (выступающей в качестве регуляторного фермента) вызывает гибель дифференцирующихся клеток.

в) Но, повторяю, чаще всего, с моей точки зрения, генетически (или иным спо-

собом) обусловленный недостаток сигнального (регуляторного) вещества ведёт

-А) не к повышению ПЖо , Б) не к отсутствию реакции и В) не к мгновенному летальному исходу (на стадии плода или вскоре после рождения),

-а к сохранению жизнеспособности, но на сниженном уровне (как при гипо-

физарной кахексии).

4. Гиперэкспрессия генов группы III: либо плохо, либо ничего.

а) В принципе, от гиперэкспрессии генов регуляторных белков хорошего ждать тоже нечего. Так, например, если речь идёт о тех же гормонах, то хорошо известно, что избыток практически любого из них – это определённое патологическое состояние (тиреотоксикоз, синдром Иценко-Кушинга, вирилизм, онкология и т.д.), не способствующее долгожительству. Т.е. чаще всего ПЖо, видимо, будет снижаться.

б) В лучшем случае, увеличение продукции и содержания того или иного вещества, участвующего в проведении сигнала, не войдёт в диссонанс с прочими компонентами сигнальной цепи и со всеми прочими сигнальными цепями. В этом случае гиперэкспрессия гена не скажется на ПЖо.

в) Категорически отрицать возможность увеличения ПЖо при повышенной экспрессии какого-нибудь гена III-й группы я бы не стал, поскольку возможны всякие неожиданности. Ведь и то, что таинственные «гены старения» и «гены смерти» оказались генами обычных регуляторных белков, – уже это было удивительной неожиданностью, которую, пожалуй, нельзя было и предсказать.

Тем не менее, пока означенная возможность кажется мне маловероятной.

1.4.3.6. Гены группы III: возможные механизмы влияния на ПЖо

1. Регуляторы решают всё.

а) В зависимости от молекулярных «информаторов», модуляторов и регуляторов находится в организме всё. Особенно в течение эмбриогенеза.

Поступают на стволовые клетки определённые сигналы – клетки делятся, поступают другие сигналы – клетки дифференцируются; и в каком из «заложенных» в геноме направлений происходит дифференцировка, – тоже определяется совокупностью сигналов.

б) I. Поэтому, и количество образующегося и содержащегося в организме любого структурного белка – миозина с актином, коллагена, гемоглобина, кератина и т.д. – обусловлено не самим гéном этого белка, а генами регуляторных белков, повлиявших

-на стационарное количество зрелых клеток

-и на стационарное содержание в каждой из них данного белка.

II. Следовательно, именно комплекс генов III-й группы, в первую очередь, определяет такие средневидовые характеристики организма, как размеры, масса, форма.