Текст книги "Энергия, секс, самоубийство"

Автор книги: Ник Лейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 31 (всего у книги 34 страниц)

17. Крах саморегулирующейся машины

Боюсь, что после чтения предыдущей главы у вас могло сложиться впечатление, что митохондриальная теория старения – это полная лажа, и мне трудно вас осуждать. В конце концов, большинство ее предсказаний оказались ложными. Согласно этой теории, антиоксиданты должны продлевать жизнь, а это, видимо, не так. Теория говорит, что мутации митохондриальной ДНК должны накапливаться с возрастом, а на практике накапливаются только наименее важные для работы митохондрий. Теория утверждает, что утечка свободных радикалов из дыхательных цепей постоянна, и поэтому продолжительность жизни должна зависеть от уровня метаболизма. Это справедливо, но только в общем случае. Целый ряд исключений (летучие мыши, птицы, люди), а также «спортивный парадокс» (спортсмены потребляют больше кислорода, чем обычные люди, а стареют с той же скоростью) остаются без объяснения. Пожалуй, единственное, с чем трудно поспорить, – то, что митохондрии являются основным источником свободных радикалов в клетке. Прямо скажем, не густо для солидной теории.

Настало время вернуться к идее, которую мы отложили на потом в предыдущей главе: утечка свободных радикалов из дыхательных цепей не постоянна и не бесконтрольна. На нее может действовать естественный отбор.

За время эволюции скорость утечки свободных радикалов у каждого вида была выведена на оптимальный уровень. Поэтому долгоживущие животные имеют высокий уровень метаболизма, и утечка свободных радикалов у них относительно невелика, а короткоживущие животные обычно сочетают высокий уровень метаболизма с «подтекающими» митохондриями и большим количеством антиоксидантов. Мы тогда поставили вопрос, во что обходится хорошая изоляция митохондрий? Почему крысы не могут снизить вложения в антиоксиданты и направить освободившиеся средства на улучшение изоляции? Что они теряют?

Давайте вернемся к третьей части книги и, в частности, к объяснению самого существования митохондриальной ДНК, которое предложил Джон Аллен. Как вы, может быть, помните, он утверждал, что сохранение базового контингента митохондриальных генов у всех видов, которым нужен кислород для дыхания, – вовсе не игра случая. Этот контингент служит для гармонизации дыхательных потребностей, потому что дисбаланс компонентов дыхательной цепи может привести к неэффективному дыханию и утечке свободных радикалов. Локальный контингент генов нужен для того, чтобы знать, каким именно митохондриям нужна помощь, ведь если предоставить контроль неповоротливой бюрократической машине ядерных генов, то дополнительные дыхательные комплексы получат все митохондрии сразу, независимо от того, нужны они им или нет. Принципиальный момент теории Аллена в том, что митохондриальные гены сохранились, потому что преимущества от их наличия перевешивают недостатки.

Как может конкретная митохондрия просигналить, что ей нужно больше компонентов дыхательной цепи? Пытаясь ответить на этот вопрос, мы вступаем в область науки XXI в., и пока что приходится признать, нам известно очень мало. Аллен предполагает, что это происходит за счет модуляции уровня образования свободных радикалов, которые сами по себе служат сигналом к началу сборки дополнительных дыхательных комплексов. Именно поэтому крысам невыгодно ограничивать утечку свободных радикалов. Это приглушит сигнал и потребует более тонкой системы распознавания. Чуть позже мы увидим, как птицы решили эту проблему и почему крысы не могут взять на вооружение «птичий» метод.

Что случится, если в определенной митохондрии окажется недостаточно цитохромоксидазы? Мы обсуждали этот вариант развития событий в главе 8. Дыхание отчасти блокируется, в дыхательных цепях накапливаются электроны. Уровень кислорода повышается, так как на дыхание его тратится меньше. Сочетание высокого уровня кислорода с медленным потоком электронов означает, что образуется больше свободных радикалов.

Согласно Аллену, именно это является сигналом к производству дополнительных комплексов. Как митохондрии определяют повышение утечки свободных радикалов, неизвестно, но теоретически возможен целый ряд механизмов. Например, свободные радикалы могут активировать митохондриальные факторы транскрипции (которые инициируют белковый синтез), или их количество может влиять на стабильность РНК. Примеры этого есть, хотя в митохондриях эти процессы пока не найдены. Как бы то ни было, увеличение утечки свободных радикалов должно вести к образованию большего количества основных дыхательных белков, которые кодируются митохондриальной ДНК. Они транспортируются во внутреннюю мембрану, где служат «маяками» и точками сборки для дополнительных белков, которые кодируются ядерными генами. После сборки полных комплексов происходит разблокировка дыхания. Утечка свободных радикалов замедляется, и система корректировки выключается. Таким образом, эта система ведет себя как термостат: падение температуры воздуха в комнате служит сигналом к включению нагревателя, а при повышении температуры он снова отключается. Поэтому температура воздуха в комнате всегда находится в промежутке между двумя фиксированными значениями, но если бы она не колебалась, то термостат бы просто не работал. А если бы не колебалась скорость утечки свободных радикалов из дыхательных цепей, то не было бы и системы саморегулировки подходящего числа дыхательных комплексов.

Что происходит, если система, основанная на сигналах от свободных радикалов, выходит из строя? Если новые дыхательные белки уже не компенсируют утечку свободных радикалов, то липиды внутренней мембраны, например кардиолипин, окисляются. В части 5 мы отметили, что кардиолипин связывает цитохромоксидазу, поэтому, если он окисляется, цитохромоксидаза высвобождается. Это, в свою очередь, вообще блокирует перенос электронов по дыхательной цепи, и дыхание останавливается. Без постоянного потока электронов исчезает мембранный потенциал, и в клетку выходят апоптотические белки. Если это произойдет с одной или несколькими митохондриями, то сигнал к апоптозу, скорее всего, окажется недостаточно сильным, и погибнут сами митохондрии. Напротив, если множество митохондрий одновременно изливают свое содержимое в клетку, то она понимает намек и совершает апоптоз.

Эта гибкая сигнальная система далека от духа и буквы первой версии митохондриальной теории старения. Она говорила, что от свободных радикалов один вред, что сохранение митохондриальных генов – злая шутка эволюции, что организм не может контролировать повреждения, связанные со свободными радикалами, и поэтому обречен на одряхление и старение. Теперь мы понимаем, что от свободных радикалов вовсе не один только вред, они играют важнейшую роль в передаче сигналов, что странное на первый взгляд сохранение митохондриальной ДНК – не дьявольская шутка, а необходимое условие здоровья клеток и всего организма. Более того, митохондрии гораздо надежнее защищены от свободных радикалов, чем считалось раньше. Во-первых, в каждой митохондрии содержится несколько (обычно 5–10) копий ДНК, а во-вторых, как показывают последние исследования, митохондрии довольно успешно ликвидируют повреждения своих генов. Кроме того, из части 6 мы знаем, что митохондрии способны к рекомбинации, которая тоже позволяет поправить генетический ущерб.

Так что же, митохондриальная теория старения почила в мире? Как ни странно, нет, она просто радикально изменилась. Новая теория, родившаяся из старой теории, как феникс из пепла, тоже ставит во главу угла образование свободных радикалов в митохондриях. Она не обязана своим рождением какому-то одному уму, а появилась, постепенно консолидируясь из исследований в нескольких смежных областях. Новая теория не только соответствует имеющимся данным, но и объясняет механизмы, лежащие глубоко в основании развития старческих болезней, а также показывает, что может сделать в этом направлении современная медицина. Оказывается, лучший способ справиться с такими болезнями – это лечить их все одновременно, а не по отдельности, как пытаются делать сейчас.

Ретроградная регуляция

Мы видели, что митохондрии являются чувствительными системами, работа которых основана на принципе обратной связи. Утечка свободных радикалов является сигналом к коррекции настроек и улучшению эффективности работы. Однако важность свободных радикалов для работы митохондрий не отменяет их токсичности. Они действительно токсичны, хотя и не настолько, как твердят нам популярные медицинские журналы, а продолжительность жизни действительно коррелирует со скоростью утечки свободных радикалов из дыхательных цепей. Высокий уровень корреляции не обязательно означает, что между факторами есть причинная связь, но трудно говорить о наличии причинной связи, если корреляции нет вообще, а других факторов, которые коррелируют с продолжительностью жизни в столь разных группах, как дрожжи, нематоды, насекомые, рептилии, птицы и млекопитающие, мало или нет вообще. Предположим на минуту, что свободные радикалы все-таки являются причиной старения.

Как тогда можно примирить их сигнальную роль с традиционными представлениями об их токсичности?

У дрожжей митохондриальные мутации накапливаются по крайней мере в 100 тысяч раз быстрее, чем ядерные. Определенные типы митохондриальных мутаций, особенно в контрольном участке, накапливаются с возрастом и у людей. Митохондрии с мутациями в контрольном участке часто распространяются по всей ткани, так что одна и та же мутация встречается практически у всех клеток. Напротив, отдельная клетка может содержать много митохондрий с мутациями в кодирующих областях генома, но число таких клеток в ткани редко превышает 1 %. Кажется, это попахивает естественным отбором на уровне тканей. Нельзя ли увязать сигнальную роль свободных радикалов с искоренением вредоносных митохондриальных мутаций? Да, можно, и в этом суть «новой» митохондриальной теории старения.

Что произойдет с настройкой работы митохондрий после спонтанной мутации в митохондриальной ДНК? Давайте рассмотрим пошаговую последовательность событий. Если мутация затрагивает контрольный участок, она не влияет на последовательность гена, но может повлиять на связывание факторов транскрипции или репликации. Если речь идет не об абсолютно нейтральной мутации, мутантная митохондрия будет копировать свои гены либо чаще, либо реже в ответ на эквивалентный стимул. К чему это приведет? Если из-за мутации митохондрия начнет засыпать на рабочем месте и плохо реагировать на сигналы к размножению, такие мутантные митохондрии, скорее всего, просто исчезнут из популяции. В ответ на сигнал к делению «нормальные» митохондрии будут делиться, а мутантные митохондрии все проспят. Относительная численность таких митохондрий снизится, и со временем они вымрут.

Напротив, если из-за мутации митохондрия начнет более активно реагировать на эквивалентный сигнал, можно ожидать экспансии ее ДНК. При каждом сигнале к делению мутантные митохондрии будут рьяно делиться и постепенно вытеснят «нормальные» митохондрии. А если мутация произошла в стволовой клетке, которая отвечает за регенерацию, то мутанты постепенно распространятся во всей ткани. Важно отметить, что такое распространение особенно вероятно, когда мутации не влияют на функцию. А они, скорее всего, и не влияют, так как с дыхательными комплексами у таких митохондрий все в порядке. Производство энергии продолжается как обычно, разве что чуть-чуть не соответствует потребностям. Одна мутация в контрольном участке, как показала группа Джузеппе Аттарди, даже оказалась полезной.

А что же происходит, если мутация затрагивает кодирующую область? Почему такие мутации могут распространяться в пределах клеток, но не во всей ткани? Дело в том, что такие мутации, скорее всего, приведут к нарушению работы митохондрий. Давайте представим, что мутация затрагивает цитохромоксидазу Учитывая, что разные субъединицы дыхательных белков должны взаимодействовать с наноскопической точностью, дыхание, скорее всего, окажется нарушено, и в дыхательных цепях станут накапливаться электроны. Утечка свободных радикалов возрастет, а это послужит сигналом к синтезу новых компонентов дыхательной цепи. На этот раз, однако, образование новых комплексов не может скорректировать нарушения, потому что новые комплексы тоже будут работать неправильно (хотя если нарушение небольшое, не исключено, что они помогут). Что же произойдет дальше? Нет, не «катастрофа ошибок», которую предсказывала старая версия митохондриальной теории, а всплеск сигнальной активности. Дефектные митохондрии будут отчаянно сигнализировать о своих проблемах в ядро за счет особого пути обратной связи – «ретроградной регуляции», которая позволяет клетке скомпенсировать нарушения.

Ретроградная регуляция была впервые открыта у дрожжей. Ее название связано с тем, что нормальная цепь руководящих указаний (из ядра в остальную часть клетки) обращается вспять. При ретроградной регуляции митохондрии приказывают ядру изменить поведение. Они, а не ядро, определяют повестку дня. После открытия ретроградной регуляции у дрожжей похожие биохимические пути были найдены и у высших эукариот, включая людей. Конкретные сигналы, скорее всего, существенно отличаются, но во всех случаях они, по-видимому, направлены на исправление метаболической недостаточности. Ретроградная регуляция переводит производство энергии на анаэробный путь, например брожение, и в долгосрочной перспективе стимулирует увеличение числа митохондрий. Она также повышает сопротивляемость клетки стрессу, способствуя выживанию в трудные времена. Дрожжи, которые не зависят от митохондрий, на самом деле живут дольше, когда активирована ретроградная регуляция. Правда, учитывая нашу зависимость от митохондрий, маловероятно, что ретроградная регуляция столь же благотворна для людей. В нашем случае ее цель заключается в том, чтобы исправить нарушения работы митохондрий. Но, думаю, в некотором смысле она все же способствует долгой жизни, так как без нее мы бы явно жили меньше.

Как ни парадоксально, клетка, по большому счету, может восполнить нехватку энергии только за счет образования новых митохондрий. А если митохондрии клетки дефектны, то попытки клетки решить проблему приведут к увеличению числа дефектных митохондрий, которые постепенно «захватят» клетку. На протяжении многих лет клетки могут преимущественно увеличивать число наименее поврежденных митохондрий. Периодичность обновления всех митохондрий в клетке составляет примерно несколько недель. Дефектные митохондрии либо делятся, если производство энергии нарушено лишь в мягкой форме, либо погибают, разбираются на части и перерабатываются. Таким образом, поврежденные митохондрии постоянно удаляются из клеток. За счет такой неустанной коррекции клетки могут продлевать себе жизнь почти бесконечно. Наши нейроны, например, обычно стареют вместе с нами. Они почти не заменяются новыми, но их ждет не внезапная гибель, а почти незаметное угасание. Однако прильнуть к источнику вечной юности невозможно. Самые серьезные митохондриальные мутации действительно удаляются из клеток, но сделать так, чтобы такие клетки работали как раньше, нельзя, разве что вообще обойтись без митохондрий (именно так яйцеклетки и, в некоторой степени, стволовые клетки взрослого организма обнуляют показания своих митохондриальных часов).

Чем больше клетка полагается на испорченные митохондрии, тем сильнее окисляется ее внутренняя среда. Когда я говорю, что среда «окисляется», я не имею в виду, что клетка теряет над ней контроль. Контроль сохраняется за счет изменений поведения, и в результате складывается новый статус-кво. Эти изменения не затрагивают большинство белков, липидов, углеводов и ДНК, что опять-таки противоречит предсказаниям «старой» митохондриальной теории, согласно которой окисление должно накапливаться. Большинство исследователей, пытавшихся найти свидетельства такого накапливающегося окисления, не обнаружили никаких серьезных различий между молодыми и старыми тканями в этом отношении. Однако изменения затрагивают спектр активных генов, и тут доказательств хоть отбавляй. Изменение этого спектра зависит от активности факторов транскрипции, а активность некоторых самых важных факторов транскрипции зависит от их окислительно-восстановительного состояния (то есть от того, окислились они или восстановились, потеряли электроны или приобрели их). Многие факторы транскрипции окисляются свободными радикалами и снова восстанавливаются специальными ферментами. Динамическое равновесие между этими двумя состояниями определяет их активность.

Чтобы проверить, не накопились ли в шахте ядовитые газы, туда спускают канарейку. Если она погибает, горнякам следует быть осторожными и не идти в шахту без маски противогаза. Здесь принцип примерно такой же. Факторы транскрипции, чувствительные к окислительно-восстановительному состоянию, – та же канарейка, судьба которой предупреждает клетку о надвигающейся опасности. Клетка тогда может совершить маневр уклонения. Сначала окисляется не клетка в целом (окисленная клетка – мертвая клетка), а «канарейки» – факторы транскрипции. Их окисление запускает изменения, необходимые для предотвращения дальнейшего окисления. Например, NRF-1 и NRF-2 («ядерные дыхательные факторы») – факторы транскрипции, которые координируют экспрессию генов, нужных для производства новых митохондрий. Оба эти фактора чувствительны к окислительно-восстановительному состоянию, которое диктует силу их связывания с ДНК. Если условия в клетке становятся более окисленными, то NRF-1 стимулирует образование новых митохондрий, чтобы баланс восстановился, и заодно на всякий случай индуцирует экспрессию целой батареи других генов, которые, пока баланс не восстановится, защищают клетку от стресса. NRF-2, по-видимому, работает диаметрально противоположным образом: его активность повышается при «восстановительных» условиях и падает, когда клеточная среда окисляется.

Когда клетка «погружается» в более окисленное состояние, небольшая группа редокс-чувствительных факторов транскрипции смещает спектр активных ядерных генов. Смещение направлено от нормальных, «повседневных» генов к генам, предохраняющим клетку от стресса, включая некоторые медиаторы, которые призывают на помощь иммунные и воспалительные клетки. В книге «Кислород» я утверждал, что их активация помогает объяснить хроническое слабое воспаление, лежащее в основе таких заболеваний пожилого возраста, как артрит и атеросклероз. Конкретный спектр активных генов зависит от конкретной ткани, а также от степени стресса, но, в общем, в тканях устанавливается новое состояние «устойчивого равновесия», когда больше ресурсов направляется на самообновление и меньше – на повседневные задачи. Такой статус-кво может сохраняться десятилетиями. Возможно, человек замечает, что силы уже не те и что обычная простуда уже не проходит, как раньше, за неделю и т. д., но нельзя сказать, что он находится при смерти.

А происходит, в общем, вот что. Окисленные условия складываются в одной определенной митохондрии, это приводит к более активной транскрипции митохондриальных генов и образованию большего количества дыхательных комплексов. Если это решает проблему, то все прекрасно. Однако если проблему это не решает, то более окисленные условия складываются в клетке в целом, а это активирует факторы транскрипции, такие как NRF-1. Их активация смещает спектр активных ядерных генов, а это, в свою очередь, стимулирует образование дополнительных митохондрий и защищает клетку от стресса. Клетка снова стабильна, но этот новый статус-кво может быть менее устойчив к воспалению. Тем не менее основная часть клеток и тканей находится в не слишком окисленном состоянии, а поскольку размножаются преимущественно наименее поврежденные митохондрии, явных признаков митохондриальных мутаций и повреждения немного. Иными словами, роль свободных радикалов как сигнала тревоги объясняет, почему не происходит бесконтрольного, катастрофического повреждения клеток, о котором говорила старая версия митохондриальной теории. Это, в свою очередь, объясняет, почему клетка не накапливает слишком много антиоксидантов. Их и не должно быть много, их должно быть ровно столько, сколько нужно для обеспечения чувствительности к изменениям окислительно-восстановительного состояния факторов транскрипции. Вот почему я сказал чуть выше, что биология не сводится к химии свободных радикалов. То, что кажется случайностью, чаще всего оказывается постоянно совершенствующейся адаптацией к скрытым метаболическим запросам клетки.

Но в конце концов митохондрии все же убивают нас. Как? Со временем в некоторых клетках заканчиваются нормальные митохондрии. Когда поступает очередной сигнал к образованию дополнительных митохондрий, таким клеткам ничего не остается, кроме как наращивать число дефектных митохондрий, и именно поэтому они со временем начинают доминировать в определенных клетках. Но почему же в любой отдельно взятый момент времени клеток с дефектными митохондриями так мало, даже в тканях пожилых людей? Потому что теперь вступают в действие сигналы нового уровня. После того как клетки довели себя до такого состояния, они уничтожаются вместе со своими испорченными митохондриями путем апоптоза. Вот почему мы не наблюдаем высокого уровня митохондриальный мутации в стареющих тканях. Однако такое очищение обходится дорого. За него приходится расплачиваться постепенной утратой нормального функционирования тканей, старением и смертью.