Как мы стареем

Вступление

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 медицину[1], 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.