Кислород. Молекула, изменившая мир

Глава четырнадцатая. За пределами генов и судьбы. «Двойной агент» в теории старения и развития заболеваний

Эдип убил отца и женился на матери. Сделал он это по незнанию: новорожденным ребенком его бросили на верную смерть, и вырос он в чужой земле. По незнанию вернулся он в родные края, где стал хорошим и достойным правителем, но судьба его была жестока. Его ужасный жребий был оглашен старым прорицателем Тиресием:

Когда я впервые читал великую трагедию Софокла, я изумлялся тому, как мало в ней фрейдизма. Когда Эдип узнает истинную суть своих поступков, он ослепляет себя и отправляется странствовать, исполняя пророчество. Это не похоже на действия человека, возжелавшего собственную мать. Интересно, что его мать и одновременно жена Иокаста ведет себя более двусмысленно. Она первая понимает, что произошло, и старается скрыть правду. Только когда она видит, что Эдип все знает, она проклинает его и вешается. Спрашивается, не продолжила бы она играть в прежнюю игру, если бы не открылась правда? Хотя Софокл и вел эту побочную линию, он не уделял ей большого внимания. Самым поразительным элементом «Царя Эдипа», да и греческой трагедии в целом, является сила судьбы. Персонажи, даже самые красноречивые, — всего лишь куклы. Их мотивы не имеют значения. Попытка Иокасты не замечать знаков судьбы иллюстрирует невыполнимость этого плана и неминуемое наказание.

Миллионы современных людей изучают свой гороскоп в ежедневных газетах, и некоторые даже верят в него, но в целом с приходом христианства идея неизбежности судьбы покинула человечество. С тех пор как Адам и Ева вкусили яблока с древа познания, человечество вынуждено страдать или благоденствовать по собственной воле. Лежащее в основе христианской веры понятие греха незнакомо древним грекам: разве можно сказать, что Эдип согрешил, если он был приговорен оракулом еще до рождения? Для христиан грех — это выбор, и судят нас на основании сделанного нами выбора. Это различие очень явственно прослеживается в трагедии. У Шекспира ощущение трагедии совсем иное, нежели у греков. Гамлет все время стоит перед выбором, включая самый главный вопрос: «Быть или не быть?» Ужасная финальная сцена — результат стечения обстоятельств. Трагедия Гамлета заключается в том, что все можно было предотвратить. Можно представить себе сатирический вариант сценария, в котором какой-то посредник помогает обеим сторонам найти общее решение. Для Эдипа это невозможно. Вообще говоря, такой посредник был — это Иокаста, но у нее ничего не вышло. Какое же мы трагическое племя! Трагедия Эдипа заключается в неизбежности, трагедия Гамлета — в возможности все изменить. Но спустя две тысячи лет после того как христиане сделали свой выбор, нас потрясает неизбежность греческой трагедии.

Впервые со времен Античности к нам возвращается ощущение неизбежности судьбы. Вместо предопределенности греческого театра — предопределенность, открытая современной генетикой. Все слышали о «генах болезней сердца», «генах рака» или «генах болезни Альцгеймера». Совсем немногие люди, включая ученых, имеют четкое представление о том, что именно делают эти гены, но мы все равно относимся к ним с подозрением. Мы сопротивляемся вмешательству страховых компаний, желающих узнать наш генетический багаж, чтобы предсказывать наше будущее, но наше сопротивление скорее вызвано нежеланием впускать посторонних в свою жизнь, а не с недоверием к предсказательной силе генетики. Люди принимают на веру, что при наличии «гена рассеянного склероза» им не избежать рассеянного склероза. Неизбежность генетики для нас сегодня — как неизбежность судьбы для древних греков. Эта аналогия усиливается из-за нашей неспособности влиять на ход многих заболеваний. Многие люди предпочитают не знать того, чего нельзя изменить. Тиресий верно заметил две тысячи лет назад: «О знанье, знанье! Тяжкая обуза, когда во вред ты знающим дано!»

Многие авторы пытаются возражать против идеи о «генах заболеваний». Гены служат для развития заболеваний не больше, чем самолет для авиакатастрофы. Но гены, как и самолеты, могут повести себя нежелательным образом. Исторически сложилось так, что врачи воспринимали это как данность, как часть человеческой судьбы. Человеческое тело устроено невероятно сложно, так что сломаться оно может в самых разных местах. Гены — лишь одно такое место. Если ген ведет себя «неправильно», получается хаос. Классический пример — развитие рака. Несколько случайных мутаций — и человека ждет ужасная судьба. Достаточно, чтобы такие мутации произошли лишь в одной из 15 миллионов миллионов наших клеток. И для этого нет никакой очевидной «причины», кроме невезения, загрязнения окружающей среды или генетической предопределенности.

Проект «Геном человека» был реализован именно в таком ключе: гены могут работать плохо и вызывать болезнь. Следовательно, чтобы лечить больных, нужно найти «плохой» ген и заставить его работать хорошо. Сегодня это еще невозможно, но в скором времени мы, безусловно, будем пользоваться достижениями генной терапии. Требуется только заменить негодный ген хорошей новой копией — замените карбюратор, и машина заработает. Действительно, многие патологии, связанные с нарушением функции одного-единственного гена, например гемофилия или мышечная дистрофия, могут поддаваться такому лечению. Гемофилия вызвана мутацией гена фактора VIII, отвечающего за свертывание крови, так что этот белок не синтезируется. Его можно ввести больному с помощью переливания крови или встроить нормальный ген с помощью генной терапии. На этом пути существует множество практических сложностей, но в концептуальном плане все понятно: нужно обеспечить наличие правильного количества фактора VIII в правильное время.

Однако заболевания, вызванные повреждениями одного-единственного гена, встречаются сравнительно редко. Большинство заболеваний, особенно возрастных, связано с активностью множества генов. Очень часто вообще нет никакого генетического «дефекта». Эту ситуацию нельзя описать в черно-белом цвете — между работающим и неработающим геном есть множество оттенков серого. Смотрите сами: ген кодирует белок. Если в процессе эволюции происходит изменение последовательности гена, изменяется структура белка. Иногда новый белок вообще не работает, и в таком случае, если это важный белок, данный ген удаляется естественным отбором. Иногда изменение последовательности гена не влияет на функцию белка, он просто оказывается чуть-чуть другим[81]. Но могут возникать варианты белка, функциональные в большей или меньшей степени. В конкретных условиях какой-то вариант работает лучше остальных, но это не означает, что другие «дефектны». Измените условия, и альтернативная форма может стать более эффективной. Все согласны, что трактор не приспособлен для езды по городу, но отлично работает в сельской местности. Допустим, вы переезжаете в город и сохраняете свой трактор, поскольку на машину нет денег. Конечно, вам будет труднее передвигаться, чем раньше, но все же лучше, чем ходить пешком. Трактор-то работает.

Различные рабочие версии гена называют полиморфными аллелями. Их значение трудно переоценить — это молекулярная основа вариабельности и адаптации, сама суть индивидуальности. Генетическое различие между людьми заключается не в различии между генами, а в едва заметном различии версий одних и тех же генов. В среднем в нашей ДНК встречается от одной до десяти замен на тысячу нуклеотидов — это так называемый полиморфизм одиночных нуклеотидов (SNP (произносится «снип»), от singlе-nucleotide polymorphism)). Исследователи продолжают составлять базы данных SNP, но работа эта огромная: в геноме человека их содержится около миллиона. Рекомбинация и перетасовка SNP в результате полового размножения являются одной из причин нашего бесконечного генетического разнообразия. По той же причине эти последовательности влияют на нашу подверженность заболеваниям и реакцию на лечение.

В результате селективного давления в ходе эволюции некоторые полиморфные гены (определенные конфигурации SNP) начинают преобладать в популяции. Селективное давление может размывать границы между патологическим процессом и эволюционным равновесием. Наши гены в таком случае вынуждены наилучшим образом выполнять плохую работу. В предыдущих главах мы уже рассматривали примеры состояний, которые, по сути, не являются патологическими. Например, нечувствительность к инсулину при диабете является реакцией генов на тяжелые времена, и эта реакция подвергалась отбору на протяжении многих поколений. Патологией она становится тогда, когда людям с «бережливым» генотипом навязывают высококалорийную диету западного типа. Серповидно-клеточная анемия и талассемия защищают от малярии за счет небольших изменений в структуре гемоглобина. Распространенность этого вида анемии очень высока в эндемичных по малярии районах, поскольку носители соответствующего гена не страдают от анемии, но защищены от малярии. Пока мы не знаем, сколько других потенциальных заболеваний сохраняется в генетическом пуле человечества из-за того, что эти версии генов одновременно обеспечивают какие-то преимущества.

Вот такая любопытная ситуация: наши гены могут вызывать заболевания, хотя, по сути, они совершенно нормальны. Они просто вариабельны. Лечить больных с учетом генетического полиморфизма — это значит заявить, что все люди различны и к каждому требуется индивидуальный подход. Фактически именно это и заявляют лидеры ведущих фармацевтических компаний. Многие достойные люди, такие как сэр Ричард Сайкс, бывший руководитель корпорации GlaxoSmithKline, говорят нам о революции в медицине. Мы ошибаемся, если считаем, что существует такая вещь, как болезнь Альцгеймера: на самом деле, есть целый калейдоскоп обманчивых состояний, вызванных уникальными комбинациями полиморфных генов. Эти комбинации вызывают целый спектр заболеваний, которые на первый взгляд «выглядят» одинаково («похожи на болезнь Альцгеймера»), но в реальности совершенно различны и могут по-разному поддаваться лечению. Именно поэтому, как нам говорят, нам пока не удается продвинуться в лечении подобных заболеваний: конкретный тип лечения конкретного человека может одновременно приводить к желательным и к нежелательным ответам. Мы уже умеем искать гены, предрасполагающие к появлению тех или иных заболеваний, теперь нужно заняться анализом целых геномов. Когда нашей мишенью станет индивидуальный генотип, лечение будет еще более специализированным. Новые «бестселлеры» среди лекарств подведут нас к генной терапии, направленной на лечение конкретных людей.

В этом заключается идеология развивающегося направления фафмакогеномики, и горе тому, кто скажет, что оно никуда нас не ведет. А ведь это так. Отдельные гены или даже генотипы могут объяснять предрасположенность к распространенным возрастным заболеваниям, но в более широком плане это не так. Представьте себе, что вы переходите улицу. Теоретически вы можете оказаться под колесами автомобиля. Ваша жизнь зависит от вашего поведения: если вы выходите на оживленную дорогу, не остановившись и не оглядевшись, вы с гораздо большей вероятностью погибнете под колесами, чем если встанете у пешеходного перехода, ожидая остановки транспорта. Число смертей на дорогах можно уменьшить с помощью ограничения скорости, «лежачих полицейских», более совершенной дорожной разметки, подземных или надземных переходов, образовательных бесед с населением и штрафов за вождение в нетрезвом виде. Если бы все эти маленькие изменения контролировались генами, воздействие на каждый ген способствовало бы небольшому, но положительному влиянию на количество дорожных происшествий. Но значительного снижения смертности можно достичь только путем влияния на все «гены» одновременно, и даже при этом наверняка какое-то количество людей будет гибнуть в авариях. Единственный способ полностью предотвратить дорожные аварии заключается в полном запрещении автомобилей. Аналогичным образом, мы можем разыскивать гены, ответственные за предрасположенность к заболеваниям, и, влияя на них, в какой-то степени снижать профиль риска, но единственный способ полностью предотвратить старческие заболевания заключается в предотвращении старения. Является ли эта идея столь же нелепой, как запрещение автотранспорта, или мы можем продвинуться в этом направлении?

Этот вопрос возвращает нас к связи между старением и старческими заболеваниями. В последней главе мы говорили о том, что существует процесс старения, практически наверняка не связанный с возрастными заболеваниями, который заключается в нарушении целостности клеток в результате митохондриального дыхания. Мы видели, что митохондриальное дыхание определяет верхний предел нашей продолжительности жизни на уровне 115 или 120 лет. Но верно ли обратное? Если старение не зависит от возрастных заболеваний, означает ли это, что эти болезни не связаны со старением? Другими словами, будем ли мы страдать от старческого слабоумия или болезней сердца, если не будем стареть? Повышает ли старение риск развития заболеваний? Это кажется вполне логичным, но выводы могут оказаться весьма серьезными. Остановив старение, мы сможем остановить многие заболевания, вне зависимости от того, есть ли у нас генетическая предрасположенность к ним или нет.

Если риск развития заболеваний повышается с возрастом, нам следует попытаться ответить не на вопрос, почему какой-то вариант гена способствует развитию болезни Альцгеймера, а почему его влияние не проявлялось до старости? Врачи редко формулируют вопрос таким образом — они пытаются лечить людей, уже страдающих от тех или иных недугов, но эволюционные биологи ставят вопрос именно так. С возрастом повышается вероятность внезапной смерти, поэтому снижается эволюционное давление, направленное на сохранение физиологических функций организма. Естественный отбор не может устранить гены, ответственные за появление болезни Альцгеймера, в 140 лет, поскольку никто из нас столько не живет. Селективное давление прекращается. Вывод такой, что возрастные заболевания вызваны патологическим поздним влиянием генов, которые сохраняются в общем пуле генов по той причине, что их поздние негативные проявления уравновешены позитивными проявлениями на более ранних этапах жизни. Существует компромисс между ранними преимуществами и поздними недостатками. В этом суть теории антагонистической плейотропии, о которой мы говорили в главе 12. Мы выяснили, что эта теория не объясняет суть процесса старения (поскольку не учитывает наблюдающиеся в природе изменения продолжительности жизни), но может объяснить происхождение возрастных заболеваний.

В рамках теории антагонистической плейотропии обычно принимается, что наши гены не соответствуют нашему образу жизни. Полмиллиона лет мы эволюционировали как охотники и собиратели. Кочевой образ жизни сопровождался неделями или месяцами голодания. Затем, несколько тысяч лет назад, мы изобрели сельское хозяйство. Появилось намного больше еды, но она стала однообразной и неполноценной. Например, рис является хорошим источником углеводов и некоторых белков, но в нем нет многих нужных белков и витаминов. Это повлияло на здоровье людей. Палеонтологические исследования показывают, что первые земледельцы были менее здоровыми, чем их предшественники охотники и собиратели. Но при этом увеличение количества продовольствия в целом способствовало росту численности населения. Люди стали жить сообща в деревнях и городах. Появились заразные болезни. Эпидемии уничтожали население целых городов. На протяжении нескольких тысячелетий самое сильное селективное давление на геном человека оказывали инфекционные заболевания. Генотип обитателей целых континентов формировался под влиянием таких болезней, как малярия. Прямой результат — высокая частота распространения серповидно-клеточной анемии в странах Азии и Африки. Вероятно, с началом развития сельского хозяйства меньше людей голодало, но многие умирали молодыми от инфекционных заболеваний.

Ситуация начала изменяться несколько сотен лет назад. Улучшение санитарных условий, качества питания и лечения создало славный новый мир, в котором большинство надеется прожить 70 лет и даже больше. Две сотни лет — это всего десять поколений, слишком мало, чтобы привыкнуть к новой жизни. Мы мало двигаемся, переедаем. На протяжении полумиллиона лет наши гены привыкали к скудости продовольствия и на протяжении тысячелетий — к борьбе с инфекцией, но теперь оказались в новой западне. Генетически мы были приспособлены извлекать максимум из небогатой внешней среды, но оказались в центре изобилия. Когда мы молоды, это не вызывает проблем, но с возрастом злоупотребление этим изобилием нас подводит. Теория антагонистической плейотропии гласит, что это очень плохо: после 40 или 50 лет селективное давление становится ничтожным. Пока такие состояния, как ожирение, не начнут влиять на репродуктивную функцию, не будет никакого селективного давления. Таким образом, наши гены приговаривают нас к гибели в море изобилия. Какай печальный сценарий!

Кое-что в этой пессимистической картине верно, но есть и несколько несоответствий. Для начала: возрастные болезни всегда поджидали тех немногих, кто доживал до преклонных лет; они существовали всегда, а не появились несколько столетий или тысячелетий назад. Более того, такие же болезни настигают и стареющих животных, и не только в неволе, где животные могут переедать, но и в дикой природе, когда рядом нет хищников. Стареющие мыши страдают от тех же недомоганий, что и стареющие люди. Суставы теряют подвижность, кожа покрывается морщинами, утрачивается способность обучаться и запоминать, иммунная система вырождается, чаще возникают сердечно-сосудистые заболевания и рак. Если рассматривать один параметр, такой как количество перекрестных сшивок между волокнами коллагена в коже (вызывающих появление морщин), различия между старым человеком и старой мышью совсем невелики. Проявления старости удивительно похожи. Разница в скорости. Мыши и крысы проходят через последовательность возрастных изменений на протяжении четырех лет, у нас этот процесс длится 70 лет.

Аналогичная картина наблюдается и у других животных: спектр возрастных изменений очень похожий, разница только в скорости. Крошечные нематоды живут лишь несколько недель, но и у них можно обнаружить знакомые нам признаки старения: они медленнее движутся и едят, перестают размножаться, их внешняя кутикула сморщивается, а в теле накапливается флуоресцентный возрастной пигмент липофусцин — как у нас в нейронах и мышечных клетках. Долгожители, например некоторые птицы, которые живут более сотни лет, тоже демонстрируют дегенеративные признаки старения, включая ригидность суставов, застойную сердечную недостаточность, атеросклероз, катаракту и различные виды рака. Но весь животный мир не может быть не в ладу с окружающим миром! Возрастные изменения должны объясняться еще какими-то факторами, а не просто несоответствием между генами и окружающей средой.

Естественно, неприятности антагонистической плейотропии не обязательно связаны с нашим несоответствием внешнему миру. В главе 12 мы обсуждали болезнь Хантингтона, которая представляет собой пример плейотропии в действии: едва заметное повышение плодовитости в юности вызывает катастрофическую потерю жизненных сил в последующие годы. К питанию это не имеет никакого отношения: этот эффект связан с одним-единственным геном. Если у нас есть ген хантингтина, болезнь разовьется вне зависимости от того, что мы едим. Что-то похожее можно сказать и о некоторых других болезнях. Некоторые варианты полиморфных генов, например аллель АроЕ4 гена АроЕ, увеличивает вероятность развития болезни Альцгеймера[82]. Одна копия гена АроЕ4, повышающего риск развития заболевания в четыре раза, имеется у каждого четвертого человека. Два процента населения получают по наследству двойную дозу, что увеличивает риск заболевания в восемь раз. Казалось бы, ген, встречающийся в популяции с такой высокой частотой, должен давать какие-то преимущества в молодые годы. Но пока преимущества носительства гена АроЕ4 неизвестны. Ясно только, что дополнительный риск деменции не является достаточным основанием, чтобы лишить человечество аллели АpоЕ4. Можно лишь догадываться, сколько других заболеваний старческого возраста, среди которых почти все имеют генетический компонент, в этом отношении аналогичны болезни Альцгеймера.

Подождите минуточку! В начале главы я заявлял, что выявление генов-виновников не поможет излечивать людей с болезнью Альцгеймера или с другими возрастными заболеваниями. Вместо этого мы должны попытаться замедлить процесс старения в целом. Секрет заключается в теории антагонистической плейотропии. Суть идеи понять легко, но есть одно затруднение: когда наступает «поздний» эффект? В какой момент нашей жизни гены перестают оказывать положительное действие и начинают влиять отрицательно? Следует ли измерять «время проявления отрицательного эффекта» в годах или в каких-то других единицах? Если речь идет о годах, эффект антагонистической плейотропии можно проиллюстрировать на примере судьбы Эдипа. Если мы имеем две копии гена АроЕ4, болезнь одолеет нас в назначенный час, и мы столь же бессильны остановить ее, как остановить само время. Но если эффект зависит от возраста, а не от времени, трагедия болезни Альцгеймера связана со старостью, с переходом возрастного порога, а не со временем, которое требуется для достижения этого порога. Тогда наша судьба, как судьба Гамлета, зависит от нашей истории, от достижения порога, а не неизбежна, как судьба Эдипа.

В случае болезни Альцгеймера наличие порога может объяснять значительные вариации возраста, в котором начинает проявляться заболевание. Наличие аллели АроЕ4 сдвигает наступление болезни к более раннему возрасту, так что люди с двумя копиями АроЕ4 с большой вероятностью окажутся больны к 65 годам. Однако наличие двух копий АроЕ4 не усиливает тяжесть заболевания и не меняет характер и скорость его течения. Болезнь протекает так же, только начинается раньше. В этом смысле АроЕ4 не «вызывает» болезнь, а скорее, приближает ее наступление. Это указывает на существование порогового возраста: за порогом болезнь развивается одинаково, вне зависимости от того, какую аллель АроЕ вы имеете. Значение этого порогового возраста лежит в диапазоне от 60 до 140 лет[83]. Как сказал Эйнштейн, время относительно, но в случае старения — относительно чего?

Каждый из нас видел людей, которые состарились хорошо и которые состарились плохо. Существует разница между биологическим и хронологическим возрастом. Средняя продолжительность жизни 75 лет подразумевает значительный разброс продолжительности жизни отдельных людей. Иногда люди умирают в 50 лет от таких возрастных заболеваний, как инфаркт или рак, а иногда доживают до 100 лет. Так имеет ли смысл определять среднюю продолжительность жизни по хронологическому, а не по биологическому возрасту? Биологический возраст можно оценивать по-разному, но надежный способ заключается в определении окислительного повреждения отдельных клеток и тканей. Люди, в добром здравии дожившие до 100 лет, часто имеют ДНК, липиды и белки в таком же состоянии, что и больные люди в 50 лет.

Чтобы яснее представить себе, о чем идет речь, рассмотрим популяцию клеток, подвергающихся облучению. Предположим, в среднем клетки умирают после 100 «ударов». При двукратном повышении интенсивности излучения клетки получают 100 «ударов» за половину исходного времени, то есть «стареют» в два раза быстрее. Время — неподходящая мера их возраста, гораздо более адекватным параметром является число «ударов». В данном случае это число отражает биологический возраст клеток.

В этой главе я хочу показать, что в определении риска развития заболеваний важнейшую роль играет биологический возраст организма. Наш биологический возраст определяется количеством перенесенных нами «ударов». А оно, в свою очередь, определяется тем, насколько мы умеем контролировать кислород, точнее, окислительный стресс в организме. Другими словами, старость определяется не годами, а окислительным стрессом, который имеет тенденцию усиливаться со временем. Таким образом, мы научимся предупреждать дегенеративные заболевания, если сможем предотвратить окислительный стресс. Чтобы найти лекарство от деменции, нужно забыть о генах, повышающих подверженность деменции, а заняться поиском генов (или других факторов), которые могут защитить от окислительного стресса. И тогда мы сможем бороться не только с деменцией, но и с другими возрастными заболеваниями, такими как рак и диабет.

При общем ограничении расходов на систему здравоохранения правительства и фармацевтические компании тратят миллиарды долларов в год на развитие индивидуального подхода к лечению. Существует опасность, что нас перегрузят подробностями, но лишат общего видения ситуации: мы все стареем примерно одинаковым образом. Задача замедления старения не сложнее задачи преодоления деменции, а возможно, значительно проще.

Многие наблюдения подтверждают идею о том, что возрастные заболевания связаны со старостью как с состоянием организма, а не с прожитыми годами. Мы уже обсуждали, что представители разных видов организмов стареют с разной скоростью, однако страдают от одних и тех же недугов. Аналогичные, хотя и менее значительные, вариации наблюдаются внутри видов. Ионизирующее излучение или курение повышают скорость старения и вероятность таких возрастных заболеваний, как рак. Синдромы ускоренного старения типа синдрома Вернера сопровождаются такими ранними симптомами разрушения организма, как катаракта, мышечная дистрофия, потеря костной массы, диабет, атеросклероз и рак. Больные обычно умирают от возрастных заболеваний в возрасте около 40 лет. Напротив, здоровое питание снижает риск развития многих возрастных заболеваний, включая сердечно-сосудистые, рак и деменцию. Такой же эффект достигается при переходе на низкокалорийную диету, которая, по крайней мере у грызунов, замедляет ослабление физической активности, обучаемости, иммунных реакций, ферментативной активности, транскрипции генов, гормонального статуса, синтеза белков и переносимости глюкозы. Мы также видели, что активизация синтеза таких ферментов, как супероксиддисмутаза и каталаза, замедляет старение дрозофил, улучшая функционирование организма насекомых в старости.

Из всего сказанного следуют два важных вывода. Во-первых, возрастные заболевания связаны со старением организма вне зависимости от прожитых лет. Во-вторых, факторы, влияющие на скорость старения, определяют, когда мы начинаем страдать от болезней. Если старение замедлено, возрастные заболевания начинаются позже; если старение ускорено, они проявятся в среднем возрасте. Другими словами, болезни одни и те же в любом случае, меняется только время их наступления. И если сделать еще один шаг, можно сказать, что с эволюционной точки зрения легче изменить скорость старения, чем избавить нас от всех возрастных заболеваний: животные имеют разную продолжительность жизни, но одни и те же болезни. Эта точка зрения противоречит идеологии современных медицинских исследований. Об этом говорил Том Кирквуд на заключительной ритовской лекции службы Би-би-си в 2001 г.:

Если мы признаем, что старость и болезни в природе неотделимы друг от друга, мы не сможем разделить их и в медицине. Попробуйте отделить визг от свиньи или разум от мозга. Если наши попытки увеличить продолжительность «здоровой жизни» при сохранении общей продолжительности жизни никуда не ведут, что еще мы можем предложить? В конце концов, мы знаем, что наши гены повышают подверженность возрастным заболеваниям. И нам даже удается иногда на несколько лет отсрочить развитие таких заболеваний, как болезнь Альцгеймера, диабет и рак. Если мы свернем с этого пути, что же нам останется?

Ответ кроется в постоянно возрастающем объеме информации в трех основных сферах исследований, о которых мы уже говорили в предыдущих главах. Однако проблема в том, что эти три сферы мало перекрываются между собой. Совсем немногие ученые уверенно чувствуют себя за пределами собственной области знаний. Поскольку специализация медицинских исследований усиливается все больше и больше, становится все труднее, но и важнее преодолевать границы собственной компетенции. Возможно, в этом и состоит главная роль научной литературы: писатели должны передавать собственный опыт, но эксперты могут контролировать полет их фантазии. Лично я могу рассказать только то, что знаю на основании работ других людей, но в литературе я не нахожу признаков синтеза трех областей. Поэтому я на свой страх и риск выдвигаю собственные идеи.

Первая подсказка относится к митохондриальной теории старения: окислительный стресс постепенно усиливается на протяжении нашей жизни, особенно в митохондриях, и этот процесс является причиной старения (а возможно, и возрастных заболеваний). Данному заявлению противоречат два обстоятельства. Во-первых, на практике довольно трудно измерить окислительный стресс, а некоторые исследователи вообще не верят в его существование. Я надеюсь, что в главе 13 я убедил вас в том, что митохондрии вполне способны усиливать окислительный стресс и что именно это является причиной старения. Но нам еще предстоит установить, могут ли изменения в митохондриях вызывать возрастные заболевания. Второе обстоятельство преодолеть сложнее: нам практически не удается блокировать предполагаемое усиление окислительного стресса путем приема антиоксидантов. Это служит основанием для утверждения, что окислительный стресс не усиливается или его усиление не имеет выраженных последствий. Но такая логика примитивна. Вполне возможно, что пищевые антиоксиданты не справляются с этой функцией — просто не могут с ней справиться. В главе 10 я уже обращал ваше внимание на то, что пищевые добавки антиоксидантов — не панацея. Более того, они могут подавлять клеточный ответ на окислительный стресс при участии таких белков, как гемоксигеназа и металлотионеин. Итак, из первой группы фактов следует двойной вывод: с возрастом окислительный стресс усиливается, но пищевые антиоксиданты обеспечивают нам лишь незначительную защиту.

Вторая подсказка, относящаяся к механизмам передачи сигналов в клетке, касается неспособности пищевых антиоксидантов увеличить продолжительность жизни. Передача сигнала столь же важна для функционирования клетки, как электронные средства коммуникации для жизни современного общества. Химические сигналы контролируют экспрессию (включение и выключение) генов, как информация контролирует наше поведение в обществе. Деление клетки, ее превращение в нейрон, смерть или опухолевая трансформация, секреция гормонов или всасывание соли зависят не от генов. Все клетки нашего тела имеют одни и те же гены. Однако поведение конкретной клетки зависит от того, какие гены в ней активированы, а это определяется получаемыми ею сигналами. Сигналы превращаются в ответные реакции при участии транскрипционных факторов — регуляторных белков, которые связываются с ДНК и направляют транскрипцию конкретных генов. В главе 10 мы говорили о том, что активность ряда важных транскрипционных факторов зависит от их окислительного состояния. Многие типы физиологического стресса, например инфекция, излучение и воспаление, приводят к усилению окислительного cmpecca. Такие транскрипционные факторы, как NFκB и Nrf-2, окисляются и перемещаются в ядро, где связываются с ДНК и координируют транскрипцию «стрессовых генов»[84]. Продукты этих генов опосредуют сопротивление стрессу. Таким образом, вторая подсказка противоречит первой: какая-то степень окислительного стресса необходима клеткам для реализации ответа на физиологический стресс. Блокируя окислительный стресс, мы можем повысить восприимчивость к инфекционным заболеваниям. Поэтому вполне возможно, что наша нечувствительность к высоким дозам пищевых антиоксидантов объясняется тем, что они мешают нашей нормальной реакции на стресс.

Третья подсказка следует из теории антагонистической плейотропии, постулирующей наличие компромисса между негативным эффектом генов в старости и их позитивным эффектом в молодости. Впервые эту мысль высказал Джордж К. Уильямс в 1957 г., и с тех пор она была принята большинством эволюционных биологов, но не врачами. Роль плейотропии в развитии возрастных заболеваний обсуждалась Уильямсом и врачом Рандольфом Нессе в поучительной книге «о новой теории дарвинистской медицины» «Почему мы болеем», впервые опубликованной в 1994 г. Бóльшая часть выдвинутых в книге утверждений подкрепляется живыми примерами, но раздел, посвященный плейотропии, меня разочаровал. Разговор на эту тему ведется на примере болезни Альцгеймера, гемохроматозов (при которых накопление железа предотвращает анемию в молодости, но вызывает осложнения в среднем возрасте (см. главу 10)) и одного или двух других заболеваний. Авторы цитируют эволюционного антрополога и врача Пола Терка, который считает, что в старости ослабевает вся иммунная система и молекулы-окислители, выделяемые иммунными клетками для уничтожения микробов, могут повреждать организм хозяина. Однако Терк, который, как мне кажется, в этом совершенно прав, не завершает свою мысль. Его теория не может объяснить, почему мышь умирает от возрастных заболеваний в четыре года, а не в 70, как мы. В более позднем учебнике по эволюционной медицине, созданном на основе прошедшей в Швейцарии в 1997 г. конференции, говорится, что «на данный момент известно всего несколько примеров компромисса». Таким образом, несмотря на теоретическую пользу третьей подсказки, пока нам известно лишь несколько примеров плейотропного эффекта. Не упустили ли мы чего-нибудь?

Я предполагаю, что существует компромисс между окислительным стрессом как элементом сигнального пути, необходимым для борьбы с инфекцией, и окислительным стрессом как причиной старения. Возрастные заболевания — это цена, которую мы платим за возможность бороться с инфекциями и другими формами стресса в молодости. В обоих случаях «тайным агентом», контролирующим милицию, является окислительный стресс. Но результаты диаметрально противоположны: сопротивляемость болезни в юности и подверженность болезни в старости. Двойственная роль окислительного стресса важна в обоих случаях, вот почему я говорю о «двойном агенте» в теории старения и развития заболеваний (рис. 12).

Но дело в том, что окислительный стресс является необходимой частью нашей реакции на инфекцию: без этой реакции организм не может защищаться от патогенов. Окислительный стресс активирует такие транскрипционные факторы, как NFκB, который координирует широкий спектр реакций, вызывающих воспаление и сопротивление стрессу[85]. К сожалению, усиление окислительного стресса в старости тоже приводит к активации NFκB. Устранить инфекцию в молодости гораздо важнее, чем воспаление в старости. Мы не можем избавиться от NFκB (мы погибнем от инфекционных заболеваний), но его способность вызывать воспаление смещает равновесие в организме по мере того, как мы стареем. Именно этот сдвиг равновесия, а не прожитые годы отвечает за негативные плейотропные эффекты других генов.

Мы точно не знаем, почему инфекция вызывает окислительный стресс. Во многих случаях окислительный стресс усиливается активированными иммунными клетками, такими как нейтрофилы (которые производят мощные окислители, убивающие патогены). Однако эксперименты в клеточной культуре в отсутствие иммунных клеток показывают, что этот механизм более тонкий и более фундаментальный. Это важно подчеркнуть: инфекции усиливают окислительный стресс даже без участия иммунной системы. Например, Хейк Пол и Патрик Баэрль из Университета Фрайбурга в Германии показали, что единственный белок вируса гриппа, гемагглютинин, способен вызвать окислительный стресс в культуре клеток[86]. Они также показали, что при окислительном стрессе происходит активация NFκB, который, в свою очередь, координирует реакцию организма на инфекцию на уровне генов. Но, если окислительный стресс подавлен с помощью таких антиоксидантов, как дитиотрейтол, не происходит активации ни NFκB, ни подчиненных ему генов. Аналогичная картина наблюдается и при других вирусных инфекциях, включая вирус иммунодефицита человека (ВИЧ-1), гепатит В и вирус простого герпеса, а также инфекциях, вызванных компонентами бактериальных клеток, таких как эндотоксин и липополисахариды. В любом случае инфекция приводит к окислительному стрессу, который активирует NFκB, а он, в свою очередь, регулирует транскрипцию множества других генов. Использование антиоксидантов блокирует усиление окислительного стресса и останавливает клеточный ответ.

Активация NFκВ обычно приводит к двум результатам: усилению сопротивляемости воспалению (стрессовый ответ) и воспалительной атаке против инфицирующих агентов[87]. Воспалительная атака может быть очень серьезной; в частности, организм реагирует на инфекцию повышением температуры, что помогает уничтожить патогены. Однако сильный жар вредит нашему здоровью. В таком состоянии долго не проживешь. Аналогичным образом, ответ на эндотоксин или малярию может быть очень мощным. При сильном заражении активация иммунной системы может вызвать септический шок или церебральную форму малярии, которые вполне способны убить человека. Некоторые патогены научились модулировать воспалительный ответ организма или даже извлекать из него пользу. Например, ВИЧ имеет несколько защитных генов, которые активируются под действием NFκВ, и использует воспаление как сигнал для пролиферации. Однако в целом воспаление — это благоприятная реакция организма, помогающая победить инфекцию, которая подвергалась отбору в ходе эволюции. После уничтожения инфекции воспаление проходит, и мы выздоравливаем. Другими словами, когда патоген уничтожен, окислительный стресс ослабевает, и NFκВ отключается. В результате отключаются и гены, контролирующие стресс и воспаление. Включаются обычные гены «домашнего хозяйства». Организм возвращается к рутинной работе «мирного времени». Весь процесс является обратимым.

Но что происходит в процессе старения? Наши митохондрии начинают высвобождать больше свободных радикалов, способствующих усилению окислительного стресса. В какой-то момент этот стресс набирает такую силу, что вызывает активацию транскрипционных факторов типа NFκВ. В организме начинаются стрессовые и воспалительные реакции. Практически все возрастные заболевания сопровождаются перманентной активацией индуцируемых стрессом белков и хроническим воспалением. Поскольку поврежденные митохондрии не восстанавливаются, получается замкнутый круг. Хуже того, события разворачиваются с нарастающей силой. Воспаление повреждает клетки и структуры организма, давая настороженной иммунной системе «реальные» мишени. Белки, которые в норме находятся внутри клеток или за такими преградами, как гематоэнцефалический барьер, оказываются не защищенными от нападения со стороны иммунной системы. Все сопутствующие заболевания усиливаются. Мы умеем подавлять эти процессы с помощью противовоспалительных препаратов, но, в отличие от инфекционных заболеваний, не можем устранить первопричину — починить испорченные митохондрии. Пищевые антиоксиданты не в состоянии предотвратить повреждение митохондрий, так что они тоже не влияют на окислительное состояние клетки. Напротив, как мы видели, антиоксиданты могут ослаблять стрессовые реакции, которые, вообще говоря, являются нормальным физиологическим ответом на стресс.

Человек — не остров, и гены — не острова. Если какой-то ген становится более или менее активным, это «чувствуют» другие гены. Активность всех генов зависит от их непосредственного окружения, другими словами, от химического равновесия в клетке. Окислительный стресс изменяет спектр активных генов вне зависимости от конкретной причины стресса. Усиление окислительного стресса с возрастом приводит к тому, что многие гены, которые активны в 20 лет, становятся менее активными в 70 лет, и наоборот — как песня, исполненная под аккомпанемент одинокой скрипки в интимной обстановке, звучит иначе, чем на стадионе в сопровождении рок-группы. По мере старения плейотропные гены начинают давать негативный эффект, поскольку их окружение окисляется и готовится к воспалительному ответу, а не потому, что прошло сколько-то лет. Если мы хотим преодолеть негативное действие плейотропии, мы должны предотвратить возрастное окисление клеток и тканей.

Прежде чем перейти к конкретным примерам, давайте рассмотрим доказательства согласованных изменений экспрессии генов в процессе старения. Действительно ли клетки и ткани постепенно окисляются? И если это так, меняется ли спектр включенных и отключенных генов? Судя по изменениям в организме макак резус (гены которых на 95 — 98% совпадают с человеческими), ответ на этот вопрос, совершенно определенно, положительный. В главе 13 мы обсуждали результаты работы Ричарда Вейндруха и его группы из Мэдисона, опубликованные в 2001 г. Ученые сравнили активность 7000 генов молодых животных (в возрасте восьми лет) с активностью тех же генов взрослых животных (26 лет; максимальная продолжительность жизни макак резус — 40 лет). Сходства и различия оказались поразительными. Примерно 6% генов за 18 лет изменили свою активность как минимум вдвое: некоторые (300 генов) стали более активными, другие (149 генов) — менее активными[88]. Многие гены, активность которых выросла, связаны с воспалением и окислительным стрессом (в частности, повысилась активность гена NFκВ). Гены, активность которых уменьшилась, в основном связаны с митохондриальным дыханием и ростом клеток.

Вейндрух и его коллеги заявили, что изменение экспрессии генов было вызвано усилением окислительного стресса в связи с повреждением митохондрий. Ученые обнаружили корреляцию, но не доказали причинно-следственную связь, однако идея о повреждении митохондрий подтверждалась снижением активности генов дыхательных белков (считается, что, если эти белки не нужны, они не транскрибируются) и усилением окислительных повреждений митохондриальной ДНК, белков и липидов. Уровень окислительных повреждений коррелирует с активностью генов, участвующих в воспалительных и стрессовых реакциях. Опять-таки, причинно-следственная связь этих событий не доказана, однако логично предположить, что стареющие митохондрии отвечают за усиление окислительного стресса, что изменяет спектр активированных генов. Следовательно, в пожилом возрасте окислительный стресс действительно сдвигает равновесие в сторону усиления стрессовых реакций и воспаления.

Таким образом, наша теория «двойного агента» выглядит следующим образом. Инфекционное заболевание вызывает усиление окислительного стресса, который в значительной степени отвечает за координированный ответ генов на инфекцию. По мере старения организма митохондриальное дыхание тоже начинает вносить вклад в усиление окислительного стресса, и в результате при участии транскрипционного фактора NFκВ активируются практически те же гены. Однако в отличие от инфекции старение — необратимый процесс, повреждения в митохондриях накапливаются на протяжении всей жизни. В результате стрессовые реакции и воспаление не прекращаются, и это изменяет «нормальный» характер экспрессии генов. Экспрессия генов в окисленной среде — основа их плейотропного действия в пожилом возрасте (см. рис. 12).

Итак, в клетке существуют два источника окислительного стресса: утечка свободных радикалов из митохондрий и такие не связанные с митохондриями факторы, как инфекции. Давайте предположим, что общий уровень стресса складывается из этих двух факторов. Если стресс от утечки свободных радикалов из старых митохондрий прибавляется к стрессу от инфекции, это может оказывать слишком сильное воздействие на организм (возможно, именно по данной причине пожилые люди чаще умирают от таких инфекционных заболеваний, как грипп и воспаление легких). В ранние годы стресс от утечки радикалов из митохондрий не очень сильный, но его нарастанию могут способствовать другие факторы. Стресс, вызванный инфекцией, обычно ограниченный и обратимый, но курение или повышенное содержание глюкозы в крови могут оказывать более длительное действие. Любой фактор, участвующий в повышении окислительного стресса, должен влиять на те же гены и приводить к тем же последствиям. Длительный окислительный стресс может способствовать старению по крайней мере некоторых тканей и органов. Таким образом, можно предположить, что факторы, вызывающие «преждевременное» усиление окислительного стресса, могут вызывать преждевременное старение и повышать риск развития возрастных заболеваний.

В заключительной части главы на примере болезни Альцгеймера мы посмотрим, насколько эти идеи соответствуют действительности. Приведенный пример иллюстрирует многие обсуждавшиеся выше соображения, такие как слабость фармакогенетики. Нам известно несколько генов, наличие которых повышает риск развития болезни Альцгеймера, но которые, как кажется, не связаны с окислительным стрессом. Таким образом, на этом примере удобно показать, как гены, не связанные с метаболизмом кислорода, оказываются зависимыми от функции митохондрий, окислительного стресса и воспаления.

Почему люди, не имеющие генетической предрасположенности к болезни Альцгеймера, все же заболевают? Ответить на этот вопрос так же важно, как и на вопрос, почему некоторые генетические мутации повышают риск деменции. Ведь более половины людей с болезнью Альцгеймера не имеют известных генетических факторов риска. Следуя упрощенной логике идеи о роли природы и питания, приходим к выводу, что если причина не генетическая, значит, она связана с условиями окружающей среды. На протяжении нескольких десятков лет исследователи тщетно пытались установить связь между болезнью Альцгеймера и алюминием или ртутью; если такая связь и существует, она чрезвычайно слабая. Может быть, болезнь вызывают вирусы? Многие люди заражаются вирусом простого герпеса (вызывающим лихорадку), который обычно затрагивает те же области головного мозга, что повреждаются при болезни Альцгеймера. Как мы увидим дальше, связь есть, но все же только половина людей, инфицированных вирусом простого герпеса, заболевает деменцией, так что этот фактор не может быть единственным. В последние годы большинство серьезных исследований направлялось на поиск генетических факторов, поскольку, как кажется, они позволяют делать хоть какие-то выводы. Однако эти выводы не объясняют развитие заболеваний у большинства людей с болезнью Альцгеймера, так что пока мы по-прежнему пребываем в неведении. Но наверняка объяснение существует.

Болезнь Альцгеймера имеет два характерных проявления, впервые подмеченные Алоисом Альцгеймером в 1906 г.: амилоидные бляшки и нейрофибриллярные клубки. Клубки состоят из скрученных волокон белка тау. Эти волокна — остатки обширной сети микротрубочек нейронов, поддерживающих нормальную структуру и функцию клеток. Образование клубков сопровождается отмиранием клеток, в результате чего клубки волокон оголяются, как выкопанные из могилы кости[89].

Напротив, бляшки образуются не внутри клетки, а снаружи. Они представляют собой плотные отложения фрагментов амилоидного белка в сочетании с воспалительными клетками (глиальными клетками нескольких типов и проникающими в мозг лейкоцитами) и фрагментами клеток. Вполне в соответствии с традициями научных дискуссий ученые разделились на тех, кто видел основную причину заболевания в образовании клубков, и тех, кто во всем обвинял бляшки. Однако большинство ученых соглашались, что найти связь между этими двумя признаками достаточно сложно. Предположение, что один из них является причиной появления второго, очень трудно проверить на практике. Биопсию ткани головного мозга можно взять только при вскрытии тела, так что большинство данных относятся к поздним стадиям развития заболевания. Теоретически проблему можно решить с помощью модельных животных, но до сих пор еще нет хорошей модели для этого человеческого синдрома.

В середине 1990-х гг. широко распространилась идея о том, что главную роль в развитии заболевания играет токсичность амилоида, поскольку практически все мутации, способствующие развитию заболевания, сопровождаются отложением амилоида. Амилоид — фрагмент более крупного белка, называемого предшественником бета-амилоида (APP, от amyloid рrecursor protein), который покрывает внешнюю мембрану нейрона. В норме АРР расщепляется с образованием растворимого амилоида, циркулирующего в спинномозговой жидкости. Его точная функция пока неизвестна, но, по-видимому, он необходим для нормальной работы нейронов. Токсичным амилоид становится только тогда, когда осаждается в виде плотных сгустков. Первые данные о происходящих при этом процессах получены при исследовании больных с очень редкой наследственной мутацией гена АРР, которая вызывает развитие заболевания в среднем возрасте (семейная форма болезни Альцгеймера). В результате мутации изменяется место расщепления белка-предшественника, так что образующиеся фрагменты амилоида имеют слишком большую длину и «слипаются» между собой, что приводит к формированию бляшек. В 1995 г. были обнаружены еще два гена — presenilin 1 и presenilin 2, мутация которых тоже связана с ранним началом деменции. Эти гены кодируют белки, участвующие в процессинге белка АРР. При этих мутациях тоже происходит образование длинных и липких фрагментов амилоида, которые легко осаждаются. Усилению отложений амилоида способствует и аполипопротеин Е4 — продукт гена АpоЕ4, но пока мы толком не знаем, в чем заключается его функция. Таким образом, вне зависимости от механизма, все обнаруженные генетические факторы указывают на то, что первопричиной патологии является отложение амилоида.

Но в этом сценарии есть два несоответствия. Во-первых, клубки часто образуются раньше бляшек, а у некоторых пациентов с классическими симптомами болезни Альцгеймера никаких амилоидных бляшек не появляется вовсе. В целом начало деменции коррелирует с исчезновением нейронов, а не с накоплением фрагментов амилоида в головном мозге. Во-вторых, у трансгенных мышей с мутациями генов presenilin или АРР наблюдается образование амилоидных бляшек, но клубки возникают только у старых животных. После формирования клубков старые мыши начинают терять нейроны и проявлять признаки деменции (насколько их можно идентифицировать у мышей). Что-то похожее происходит и с макаками резус, которым вкалывают амилоид: образование клубков и гибель нейронов происходят только в старости. Кажется, одного амилоида недостаточно для развития болезни Альцгеймера, хотя все известные генетические данные указывают на него в качестве главного подозреваемого. Возможно, это не так уж странно. В конце концов, даже у людей с мутациями генов presenilin или АРР болезнь развивается только в среднем возрасте, а не в детстве, как при других нарушениях, связанных с мутациями единственного гена, таких как гемофилия. Кажется, в уравнении чего-то не хватает; может быть, это «что-то» — тот же самый фактор, который приводит к развитию заболевания у людей без генетической составляющей?

Секрет клубков и бляшек можно разгадать не с помощью генетики, а с помощью химии. Давайте сначала поговорим о роли амилоида. В головном мозге людей без генетической предрасположенности к отложениям амилоида все-таки происходит отложение амилоида. Это объяснятся тем, что отложение нормального амилоида (а может быть, и его длинной формы) связано с его состоянием окисления: при окислении волокна слипаются сильнее. В плотных амилоидных бляшках амилоид всегда находится в окисленном состоянии. Окисление амилоида усиливается с возрастом по мере усиления окислительного стресса в клетках головного мозга. Как мы видели, окислительный стресс с годами усиливается в клетках любого человека, вне зависимости от его генотипа, поскольку дыхательный процесс в митохондриях неизбежно приводит к повреждению нейронов. Но действительно ли усиление окислительного стресса является причиной отложения амилоида? Точно мы не знаем, но можем попытаться ответить на этот вопрос в другой формулировке: если по каким-то причинам окислительный стресс в организме усиливается раньше обычного, приводит ли это к более раннему началу отложения амилоида и раннему началу болезни Альцгеймера?

О связи между окислительным стрессом и деменцией свидетельствуют наблюдения за людьми с синдромом Дауна, у которых болезнь Альцгеймера довольно часто возникает в среднем возрасте. Наступление болезни как бы сдвигается к началу жизни. В главе 10 мы обсуждали, что люди с синдромом Дауна испытывают повышенный окислительный стресс в результате несбалансированности системы антиоксидантов[90]. Может ли усиление окислительного стресса быть причиной раннего начала деменции у людей с синдромом Дауна? Если верить данным, опубликованным в 2000 г. Джорджем Перри, Марком Смитом и их коллегами из Западного университета Кейза в Кливленде, это вполне вероятно. Ученые определяли окислительное состояние белков и ДНК в организме людей с синдромом Дауна и обнаружили, что отложению амилоида всегда предшествует усиление окислительного стресса. Окисленные белки и ДНК начинают накапливаться ближе к 20 годам, а отложение амилоида начинается около 30 лет. Таким образом, по-видимому, усиление окислительного стресса действительно повышает риск развития болезни Альцгеймера вне зависимости от возраста.

А что можно сказать о белке тау — основном компоненте нейрофибриллярных клубков, второй патологии, характерной для болезни Альцгеймера? В 1995 г. Олаф Швирс и его коллеги из Центра структурной молекулярной биологии Института Макса Планка в Гамбурге показали, что белок тау коагулирует только в окисленном состоянии. Если же окисление предотвращается антиоксидантами, этого не происходит[91]. Другими словами, клубки, как и бляшки, обычно формируются в условиях окислительного стресса. Возможно, именно поэтому клубки не образуются в клетках трансгенных мышей или макак резус, несмотря на активное отложение амилоида: этот патологический процесс «ждет» более общего усиления окислительного стресса.

Таким образом, первым патологическим проявлением при развитии болезни Альцгеймера является усиление окислительного стресса, которое вызывает появление двух характерных признаков — клубков и бляшек. Эта идея родилась в результате исследования свойств аполипопротеина Е. Вспомните, что ген АроЕ является полиморфным (встречается в популяции в виде нескольких версий). Эти версии не мутантные, а нормальные; все они поддерживались естественным отбором, следовательно, должны давать какие-то селективные преимущества. Одно из преимуществ, как кажется, связано с определенной степенью антиоксидантной защиты. Однако в старости, как мы видели, АроЕ4 повышает риск развития болезни Альцгеймера. Но выражение «повышает риск» неточно. Если АроЕ4 оказывает благотворное действие в более ранние годы, скорее, этот ген следует считать в целом полезным, хотя, возможно, в меньшей степени, чем другие версии. Другими словами можно сказать, что он не повышает риск, а менее эффективно снижает его по сравнению с другими версиями гена. В чем причина такого действия гена, мы не знаем, однако известно, что ген ApoE4 бoлее чувствителен к атакам свободных радикалов, чем другие версии. Следовательно, можно предположить, что с годами белок АроЕ4 «портится» сильнее, чем другие варианты АроЕ. В раннем возрасте, когда селективное давление высокое, эта разница незаметна, поскольку окислительный стресс незначителен. Позднее стресс усиливается, и преимущества АроЕ4 (антиоксидантное действие или более общее влияние на транспорт холестерина) постепенно исчезают, поскольку все больше белка разрушается свободными радикалами.

В таком случае потеря белка АроЕ4 по мере усиления окислительного стресса может объяснить два странных наблюдения. Во-первых, как мы уже упоминали, заражение вирусом простого герпеса повышает риск развития болезни Альцгеймера. Это в наибольшей степени касается людей с двумя копиями АроЕ4, но почти незаметно у людей с версиями ApoE3 или АроЕ2. Активация вируса простого герпеса в головном мозге приводит к окислительному стрессу и воспалению. Поскольку белок АроЕ4 чувствителен к окислительному стрессу, его положительное действие перестает сказываться при заражении вирусом герпеса. Другими словами, носители версии АроЕ4 в любом случае чувствительны к окислительному стрессу, а инфекция простого герпеса дополнительно повышает вероятность стресса и, следовательно, развития болезни Альцгеймера.

Во-вторых, и это положительный момент, люди с двумя копиями гена АроЕ4 лучше реагируют на антиоксидантную терапию. Это справедливо для всех состояний, для которых ген АроЕ4 является фактором риска, включая деменцию, болезни сердца и инсульт. Здесь есть некая странность: как мы обсуждали, антиоксиданты не могут в значительной степени влиять на митохондриальное дыхание, а подавление стрессовых реакций может даже усилить окислительный стресс внутри клеток. Однако антиоксиданты способны защитить белок АроЕ4 от атаки свободных радикалов из внешнего окружения клетки, поскольку внеклеточные жидкости более доступны для антиоксидантов и в меньшей степени контролируются генами. Таким образом, антиоксиданты могут защитить белок АроЕ4 от окисления или поддержать его собственное слабеющее антиоксидантное действие. Это помогает отсрочить начало заболевания или замедляет его развитие. В частности, прием витамина E может отсрочить наступление болезни Альцгеймера. Если вы знаете, что у вас две копии гена АроЕ4, поговорите со своим врачом о целесообразности приема витамина Е. Если у вас другие версии гена АроЕ, большой пользы витамин Е вам не принесет (но не причинит и вреда, если только вы не допустите передозировки).

Клубки и бляшки прямо и косвенно усиливают окислительный стресс. Прямая токсичность амилоида объясняется связыванием ионов металлов, таких как железо и медь, способных катализировать образование свободных радикалов. Металлы связываются в амилоидных бляшках людей с болезнью Альцгеймера. Если добавить амилоид к клеткам в культуре, его токсичность проявляется именно таким образом. Напротив, в той же системе токсичность амилоида снижается за счет добавления ловушек свободных радикалов или веществ, образующих хелатные комплексы с металлами (и тем самым блокирующих действие ионов металлов). Таким образом, амилоидные бляшки формируются в результате влияния свободных радикалов на амилоид, а затем оказывают токсическое действие путем создания дополнительных свободных радикалов. Амилоидные бляшки выступают в роли умножителей свободных радикалов. По-видимому, именно таким образом амилоид повреждает нейроны головного мозга, находящиеся вблизи бляшек, но вряд ли действует на удаленные нейроны.

Косвенное влияние клубков и бляшек связано с воспалением. Воспалительные клетки головного мозга (микроглиальные клетки) распознают клубки и бляшки как чужеродный материал и пытаются их поглотить или атаковать с помощью различных химических соединений, включая свободные радикалы. Однако бляшки не подвергаются расщеплению и осаждаются в другом месте. Подвижные клетки микроглии выделяют воспалительные молекулы, которые активируют и привлекают иммунные клетки из разных участков мозга и циркулирующей крови. В результате мозг находится в состоянии постоянной боевой готовности. Химическое равновесие сдвигается в сторону окислительного стресса, и нейроны начинают погибать. Причиной этого процесса часто является «экситотоксичность» — сильное электрическое возбуждение, вызывающее преждевременную гибель нейронов. Таким образом, воспаление мозга приводит к образованию все большего количества клубков и бляшек и в конце концов к масштабной гибели нейронов. К тому моменту, когда врачи могут диагностировать болезнь Альцгеймера по стандартным клиническим критериям, примерно четверть нейронов мозга (25 млрд) уже мертвы. Этот порочный круг воспалительных процессов настолько важен, что канадские исследователи Патрик и Эдит МакГир назвали болезнь Альцгеймера «артритом мозга».

Вновь воспаление! Можно быть уверенным, что в этом процессе участвует транскрипционный фактор NFκВ — большая головная боль всех ученых, занимающихся данной проблемой. Химия жизни настолько сложна, что исследователи часто возвращаются к детским представлениям о добре и зле и о противостоянии «хороших» и «плохих» молекул. Это представление подхвачено фармацевтической индустрией, стремящейся выследить «плохих» — молекулы, которые могут быть и «хорошими», и «плохими», не подходят в качестве мишеней для действия лекарств. Но это тупиковый путь. Как мы обсуждали в главе 9, даже такие всеми признанные «хорошие» молекулы, как витамин С, могут вызывать непредсказуемое сочетание «плохих» и «хороших» эффектов. Применение упрощенных моральных оценок (если ты не за нас, значит, ты против нас) неизбежно приводит к «парадоксу» — чрезвычайно популярному термину из научных журналов. Быстрый поиск слова «парадокс» в обширной медицинской базе данных Medline выдает примерно 4000 статей с этим словом в заголовке («Новый парадокс кальция», «Парадокс антиоксидантов и рака») или в подтексте («Бета-каротин: друг или враг?»). Можно подумать, что биохимики любят размышлять над парадоксами, но в этих статьях мало разгадок, а лишь множество наблюдений «за» и «против», оставленных на суд следующих поколений. Многие статьи буквально приводят в замешательство. Например, мне очень нравится заголовок: «Гормон роста предотвращает или ускоряет старение?» Трудно отделаться от ощущения, что, несмотря на невероятные успехи современной медицины, некоторые фундаментальные вопросы все еще остаются нерешенными.

Эта проблема является следствием традиционного подхода к медицинским исследованиям, в рамках которого делают «моментальный снимок» какого-то биохимического процесса, а затем по нему пытаются установить характер взаимодействия между молекулами. Это напоминает деятельность криминалистов, которые анализируют все имеющиеся вещественные доказательства, найденные на месте убийства, но не учитывают мотивов преступления. Однако понять любую научную проблему можно исключительно на основании мотивов. Часто мотивом является какое-то предшествовавшее событие, например нанесенная ранее обида. Точно так же работает наше тело на молекулярном уровне. Структура наших тел — плод эволюционных событий, и понять ее можно только в свете эволюции: почему процессы происходят именно так, а не иначе. В таком случае философия «плохих» и «хороших» молекул совершенно не пригодна для описания таких сложных веществ, как NFκB. Однако это стало нормой. Фактор NFκВ часто представляют в роли двуликого Януса, способного превратить хорошее в плохое. Иногда он разрушает нейроны, иногда их защищает. Это важный фактор, но он не подходит в качестве мишени для лекарств.

Однако при инфекции действие NFκB абсолютно логично. Активация NFκB при болезни Альцгеймера, как и при инфекции, имеет два комплиментарных эффекта: он разжигает пламя воспаления, но в то же время защищает здоровые клетки от этого пламени. Суть данного процесса при инфекции ясна: иммунная система атакует чужеродные частицы с помощью свободных радикалов, которые могут повредить и здоровые клетки. Чтобы предотвратить повреждение здоровых клеток, нужно включить гены, ответственные за их защиту от окислительного стресса. В результате предотвращается шоковое воздействие, которое могло бы убить здоровые клетки или заставить их покончить с собой (подвергнуться апоптозу). Некоторые клетки начинают делиться, чтобы восстановить наименее защищенные и подготовленные ткани.

При болезни Альцгеймера стресс менее сильный, но перманентный. Химический сигнал заставляет воспалительные глиальные клетки головного мозга нападать на клубки и бляшки, но при этом достается и здоровым нейронам. Они отвечают мобилизацией собственных сил. Для защиты нейронов выделяются такие мощные средства, как гемоксигеназа и СОД (см. главу 10), но такая защита не может действовать бесконечно. Это «комендантский час» для клеток, но, как и при настоящих бомбардировках, в какой-то момент клетки не выдерживают. И здесь нет никакого парадокса: это ответ на окислительный стресс, усиленный из-за большой продолжительности.

Если NFκВ не активируется, здоровые нейроны подвергаются большей опасности, но, когда воспаление заканчивается, они уже не нуждаются в защите. Равновесие это хрупкое и непредсказуемое. Практическое решение заключается в блокировке активации NFκB только в воспалительных клетках. До некоторой степени этого можно добиться с помощью аспирина или нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП)[92]. Люди, принимавшие аспирин или НПВП на протяжении ряда лет для контроля ревматических болей, в два раза реже страдают от деменции, чем население в целом. Напротив, люди с другими источниками воспаления в головном мозге, такими как инсульт, травмы или вирусные инфекции, заболевают в несколько раз чаще. Я подозреваю, что люди из этих групп риска могут получить значительные преимущества от приема аспирина и антиоксидантов, хотя у меня нет данных о систематических исследованиях в этой области.

Прежде чем закончить главу рассказом о нескольких других возрастных заболеваниях, сделаем некоторые выводы относительно болезни Альцгеймера. Во-первых, мы знаем, что причиной заболевания у части больных являются генетические мутации, но их эффект проявляется только в среднем возрасте. Это означает, что прежде, чем нейроны начнут гибнуть в массовом масштабе и болезнь можно будет идентифицировать по клиническим проявлениям, окислительный стресс превышает некое пороговое значение. Во-вторых, все другие известные факторы риска, включая синдром Дауна, аллель АроЕ4 и вирус простого герпеса, способствуют усилению окислительного стресса. В-третьих, одного окислительного стресса достаточно, чтобы вызвать болезнь у людей пожилого возраста без каких-либо известных факторов риска (это около половины людей, заболевших деменцией в пожилом возрасте). В-четвертых, факторы, ослабляющие окислительный стресс, такие как аспирин и витамин Е, могут на какое-то время отсрочить развитие заболевания или даже предотвратить его.

В заключение повторю, что болезнь Альцгеймера связана со старением, поскольку старение — это последствие окислительного стресса. Факторы, усиливающие окислительный стресс в начале жизни, ускоряют наступление деменции, тогда как факторы, ослабляющие окислительный стресс, отодвигают и тормозят развитие заболевания. Следовательно, мы не сможем победить болезнь Альцгеймера, если не победим окислительный стресс. Мы не можем отменить окислительный стресс, поскольку он необходим для координации нашей сопротивляемости инфекции и другим видам физического стресса, однако, возможно, мы способны каким-то образом управлять им. В начале раздела я задал вопрос: почему люди, не имеющие известных факторов риска, все же заболевают деменцией? Я надеюсь, вы поняли, в чем дело. Окислительный стресс никто не отменял. Другая формулировка этого вопроса, возможно, позволит нам найти практический путь предотвращения деменции. Почему некоторые люди с известными факторами риска (такими как аллель ApoE4) не заболевают?Чем они защищены? На эти вопросы мы попытаемся ответить в заключительной части главы.

Я утверждаю, что старение и старческие заболевания являются дегенеративными процессами, вызванными утечкой свободных радикалов из митохондрий, окислительным стрессом и хроническим воспалением. Некоторые гены, инфекции и факторы окружающей среды усиливают окислительный стресс в раннем возрасте, что ускоряет процесс старения, по крайней мере в некоторых органах. Мы видели, что окислительный стресс усиливается при отложении амилоида и аполипопротеина Е4, синдроме Дауна и активации латентных вирусных инфекций. Такой же эффект дают курение, высокий уровень глюкозы в крови и различные токсины из окружающей среды.

Никотин вреден во многих отношениях, но, хотя он и вызывает привыкание, он не является причиной смертельных заболеваний, связанных с курением. Вот почему никотиновые жвачки и пластыри служат безопасным методом избавления от вредной привычки. Опасность представляет табачный дым, поскольку он является самым подлым генератором свободных радикалов (я сам курю, но собираюсь бросить, как только завершу работу над этой книгой). Содержащиеся в табачном дыме химические вещества, такие как семихиноны, полифенолы и карбонилсульфид, реагируют с кислородом с образованием супероксидных и гидроксильных радикалов и пероксида водорода, а также NO и пероксинитрита. Говорят, что одна затяжка вызывает образование 10¹⁵ (миллион миллиардов) свободных радикалов. Вам не страшно? Но это еще не все. Табачный дым активирует иммунные клетки, которые выделяют собственные токсины. Все это приводит к окислительному стрессу, главным образом в легких и в кровеносных сосудах. Уровень глутатиона в клетках понижается (у людей, бросивших курить, уровень глутатиона в крови за три недели повышается на 20%), что активирует транскрипционные факторы типа NFκB. В организме курильщиков антиоксиданты, такие как витамин С, расходуются быстрее, так что им для преодоления риска заболеваний нужно получать больше антиоксидантов. Большинство этого не делает. Таким образом, курение вызывает воспаление, и в этом заключается основная причина повышения риска рака и сердечно-сосудистых заболеваний.

Удивительно, но в этом же заключается опасность еще одного современного убийцы — повышенного уровня глюкозы в крови. При диабете уровень глюкозы в крови контролируется плохо (см. главу 12) и сразу после еды может достигать очень высоких показателей. Глюкоза сложным образом взаимодействует с белками, образуя коричневые, похожие на карамель «конечные продукты гликирования» (AGE, advanced glycation endproducts; эти же продукты придают темный цвет жареному мясу). С образованием этих соединений, в частности, связано помутнение хрусталика глаза при катаракте. Карамелизация белков усиливается в присутствии кислорода, и многие AGE являются окисленными соединениями. Не удивительно, что карамелизация нарушает функцию белков, но это еще не все. AGE, как и амилоид, размножают свободные радикалы: они образуются под действием свободных радикалов, а затем сами оказывают токсическое действие путем производства еще большего количества свободных радикалов, вызывающих окислительный стресс и воспаление. Поскольку глюкоза попадает в клетки с током крови, сильнее всего повреждаются стенки сосудов. При диабете повреждаются капилляры и небольшие сосуды глаз, почек и конечностей, что вызывает слепоту, почечную недостаточность и часто приводит к ампутации конечностей. У диабетиков эти процессы ускорены, но они происходят в организме каждого человека, поскольку с годами в результате повреждения митохондрий AGE накапливаются во всех тканях у всех людей. Именно потому диабет часто рассматривают как форму ускоренного старения, и это действительно ускоренная форма усиления окислительного стресса.

Воспаление стенок кровеносных сосудов вызывает пролиферацию клеток, окисление и отложение холестерина и развитие атеросклероза. Это идеальные условия для роста некоторых патогенных бактерий, таких как Chlamydia pneumoniae, которые инфицируют поврежденные стенки артерий и оттуда ведут борьбу с клетками иммунной системы. До 80% людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями являются носителями Chlamydia, однако мы пока не знаем, что здесь причина, а что следствие. Возможно, верно и то и другое: причина атеросклероза — окислительный стресс, и усиливаться он может под действием таких факторов, как курение, AGE, окисленный холестерин, АроЕ4, инфекции или просто старость. Любой из этих факторов усиливает остальные. Все они объединены окислительным стрессом и действуют через активацию общего фактора воспаления, NFκВ, и его аналогов. Поскольку многие из этих факторов являются «внешними» (не образуются нашими собственными клетками в результате повреждения митохондрий), они лучше поддаются влиянию антиоксидантной терапии, чем митохондриальное старение, которое практически необратимо. Вот почему здоровая диета или, возможно, пищевые добавки антиоксидантов могут отсрочить развитие болезней сердца, но не способны предотвратить старение.

Причинами рака тоже являются окислительный стресс и воспаление. Мы обсуждали, что действие излучения опосредовано образующимися из воды свободными радикалами (глава 6), которые могут атаковать ДНК, белки и липиды. Поскольку кислород тоже образует эти радикалы, можно сказать, что он является канцерогеном (точнее говоря, проканцерогеном). Чем больше воздуха мы вдыхаем, тем с большей вероятностью у нас возникнет рак — вот в чем причина строгой корреляции между возрастом и вероятностью развития рака. Многие канцерогены, такие как бензол, хиноны, имины и металлы, тоже действуют через образование свободных радикалов. Важная роль кислородных радикалов в этом процессе выявляется по наличию в моче продуктов взаимодействия гидроксильных радикалов и ДНК, таких как 8-гидроксидезоксигуанозин (8-OHdG; см. главу 6). Курение усиливает выделение 8-OHdG на 35 — 50%. В большинстве случаев окисленные фрагменты вырезаются из ДНК и заменяются новыми, правильными, однако возможны и ошибки, например, гуанин (G) может заменяться тимином (Т). При делении клетки мутации включаются в последовательности генов. Окислительные повреждения и мутации накапливаются с возрастом. Старые крысы (в возрасте двух лет) имеют около миллиона повреждений ДНК в каждой клетке — в два раза больше, чем молодые.

Принято считать, что рак связан с распространенными мутациями, однако мы не знаем, появляются ли эти мутации сначала и стимулируют пролиферацию раковых клеток или накапливаются в раковых клетках, которые уже начали пролиферировать. Очевидно, что опухоли «эволюционируют» и со временем накапливают все большее количество мутаций. Некоторые данные позволяют предположить, что сначала окислительный стресс и воспаление создают условия, благоприятствующие делению клеток. Кроме окислительного стресса, связанного с излучением, курением, канцерогенами и старением, треть всех случаев рака в мире (особенно в развивающихся странах) связана с хроническими инфекциями, такими как гепатиты В и С и шистосомоз. Учитывая фактор окислительного стресса, не приходится удивляться, что в опухолевых процессах задействован фактор NFxB. Высокий уровень активированного фактора NFκВ обнаруживается при большинстве типов рака и, возможно, необходим для превращения нормальной клетки в опухолевую клетку. Почему это так? Ответ опять-таки можно получить на основе анализа нормальной реакции организма на инфекцию. Во-первых, NFκВ усиливает сопротивляемость клетки по отношению к окислительному стрессу. Во-вторых, NFκB стимулирует пролиферацию клеток. При инфекции это нужно для восстановления поврежденных тканей за счет новых клеток, но при раке активация NFκВ просто повышает вероятность пролиферации. Таким образом, перманентная активация NFκB укрепляет опухолевые клетки и стимулирует их пролиферацию. Это, в частности, делает их менее чувствительными к химио- и радиотерапии. Отключение NFκB, если оно возможно, делает опухоль более чувствительной к лечению и поэтому является одним из потенциальных направлений поиска противоопухолевых препаратов[93].

Известны сотни заболеваний, связанных с окислительным стрессом. Я надеюсь, приведенных примеров было достаточно, чтобы сформулировать мою основную идею о роли «двойного агента» в процессе старения: окислительный стресс усиливается с возрастом и активирует гены, ответственные за борьбу с инфекцией при участии транскрипционного фактора NFKB. Эти гены в норме не должны быть активированы на протяжении месяцев или лет, их функция заключается в том, чтобы повысить наши шансы на выживание в борьбе с инфекцией в молодости и дать нам возможность выздороветь и произвести потомство. В терминах селективного давления, или плейотропии, важность этой функции пересиливает неудобства старости и возрастных заболеваний. И все-таки выводы из всего сказанного позитивные. Мы не являемся жертвами тысяч случайных генетических разбойников, пытающихся нас уничтожить. Совсем наоборот. Поведение наших генов зависит от кислорода и окислительного стресса. Когда мы научимся управлять окислительным стрессом, мы сможем вырваться за пределы, отведенные нам генами и судьбой.