Нулевая точка

Возможно, точка начала старения лежит в первом месяце эмбрионального развития

Полина Лосева, «Элементы»

Нулевая точка старения – это период развития, в котором биологический возраст минимален. Согласно гипотезе Вадима Гладышева, это состояние наступает, с одной стороны, не сразу после оплодотворения, а с другой – задолго до появления человека на свет. Изображение из обсуждаемой статьи в Trends in Molecular Medicine.

Вопрос о том, является ли старение неотъемлемым свойством жизни, до сих пор остается открытым. Искать на него ответ можно, например, пытаясь найти универсальные для всего живого механизмы старения. А можно зайти с другой стороны – попробовать найти точку начала старения и проверить, совпадает ли она с началом жизни организма. Гарвардский биолог Вадим Гладышев выдвинул гипотезу «нулевой точки старения», которая, по его мнению, у человека находится где-то на второй неделе эмбрионального развития. Из этого предположения можно вывести немало следствий – как о принципах старения всего живого, так и о новых способах продления человеческой жизни.

В погоне за идеалом

Главная беда с исследованиями старения состоит в том, что сами исследователи не могут договориться о том, что это такое. Отсутствие нормального определения понятия «старение» порождает все остальные проблемы современной геронтологии: многообразие предлагаемых причин старения (которых, при большом желании, можно насчитать более трех сотен), споры о методах продления жизни, а также невозможность выяснить, является ли старение универсальным свойством, присущим всем живым организмам, или приобретенной стратегией.

Можно было бы, например, определить старение как переход из состояния молодости в состояние старости. Это бы заодно облегчило постановку экспериментов, например, в области продления жизни: можно было бы пробовать на подопытных животных какую-нибудь новую технологию и подсчитывать, какая доля и за какое время перейдет из категории молодых в категорию старых.

Но здесь возникает проблема границы. Опыт показывает, что большинство физиологических показателей изменяются непрерывно. Что бы мы ни приняли за начало старости – будь то, скажем, появление какой-нибудь специфической болезни или просто конец репродукции – мы довольно быстро обнаружим, что ни один из этих признаков не возникает в одночасье. Даже плодовитость животные, как правило, не теряют одномоментно – они просто начинают приносить все меньше жизнеспособного потомства. А если так, то разумно ли причислять к молодым особь, которая все еще размножается, но рождает одного больного детеныша вместо десяти здоровых?

Если мы не можем провести четкую грань между молодостью и старостью, то есть не можем поймать момент, когда возрастные измерения достигают критических значений, то, зайдя с другой стороны, можно попробовать обозначить начало и конец старения. В таком случае мы могли бы определить старение как движение из точки А в точку В, где А – некоторое идеальное, полностью здоровое состояние, а В – естественная смерть. И если с конечной точкой все ясно, то по поводу начальной мы до сих пор ничего не знаем. Откуда вести отсчет возрастных изменений? Где искать неиспорченный старением идеал?

Судя по всему, если этот идеал и существует, то очень недолго. За какое бы определение старения мы не ухватились, оказывается, что сопровождающие его возрастные изменения возникают довольно быстро после того, как образуется новый организм. Если считать, например, что старение – это накопление поломок (в широком смысле этого слова), то приходится признать, что точечные мутации в ДНК появляются уже в первые дни после оплодотворения, когда зародыш только начинает дробиться (T. Bae et al. Different mutational rates and mechanisms in human cells at pregastrulation and neurogenesis). Если думать о старении как о растущем риске умереть от естественных причин, то и здесь можно заметить (рис. 2), что этот риск начинает свой рост еще задолго до появления человека на свет.

Признаки старения и вызванную ими смертность можно обнаружить еще в самом начале эмбрионального развития, однако она часто бывает замаскирована ранним отбором, в ходе которого умирает множество эмбрионов с опасными мутациями. Изображение из статьи E. Kinzina et al., 2019.

Получается, что время появления множества признаков старения – ранний эмбриогенез. Но и эта оценка недостаточно точна и не позволяет ответить на все вопросы к феномену старения. Хотелось бы знать наверняка, где конкретно у него нулевая точка – от этого многое зависит в нашем понимании процесса. Если бы мы могли доказать, что процесс старения начинается одновременно с появлением (пусть даже внутри материнской утробы) нового организма, которым, например, можно считать оплодотворенную яйцеклетку – зиготу, это означало бы, что старение можно считать свойством жизни как таковой. Если бы оказалось, что старение начинается позже, в какой-то другой момент – то дальше можно было бы обсуждать, стоит ли расценивать его как эволюционное приобретение и запуск определенной программы, или же пересмотреть наши представления на то, что мы считаем началом новой жизни.

Между началом и нулем

Почему мы вообще думаем, что начало старения может не совпадать с началом жизни? Если уже ясно, что первые «звоночки» возрастных изменений можно, пусть и в небольших количествах, найти на ранних стадиях эмбриогенеза, то что мешает решить, что они начинают накапливаться в тот момент, когда образуется первая клетка нового организма – зигота?

Сложности начинаются в тот момент, когда мы вспоминаем, что новая жизнь возникает не на пустом месте, а образуется из слияния двух клеток, принадлежащих достаточно долго живущим на этом свете организмам. Возникает логичный вопрос: куда в этот момент девается «накопленный возраст» родительских клеток? В том, что он должен исчезнуть, «обнулиться», нет никакого сомнения, – иначе каждое следующее поколение рождалось бы немного ближе к естественному концу, чем предыдущее, а все популяции организмов двигались бы к неизбежному вымиранию.

Здесь возможны несколько вариантов.

1. «Обнуление» происходит во время гаметогенеза.

Иными словами, пока весь организм стареет, изнашивается и копит поломки, где-то в его недрах теплится огонек вечной молодости, сконцентрированный в группе половых клеток, гамет. Такое разделение функций между клетками лежит в основе теории одноразовой сомы, согласно которой истинно нестареющими являются лишь гаметы (клетки так называемой зародышевой линии), а все остальное тело – лишь надстройка (сома), которая позволяет им образовать новый организм и после этого может быть выброшена за ненадобностью.

Какие механизмы задействованы в поддержании этого огонька, мы пока не знаем (см. B. Zhang, V. Gladyshev, 2020). Можно было бы предположить, что в половых клетках просто перераспределены ресурсы: энергия тратится не на рост и построение новых молекул (что, как правило, чревато накоплением отходов производства), а на поддержание внутриклеточного порядка (за него могли бы отвечать, например, аутофагия и система репарации ДНК).

Тем не менее, мы знаем, что возраст на «здоровье» конкретных половых клеток все же сказывается. Пожилые сперматозоиды копят в себе точечные мутации – следствие частых делений, а яйцеклеткам с возрастом все тяжелее сберечь в целости свои хромосомы. Но, несмотря на это, дети пожилых родителей не наследуют их возраст напрямую. Те, кому удалось получить в наследство хромосомы без аномалий, не стареют преждевременно и не производят на свет преждевременно стареющих детей.

Это значит, что мы не можем считать половые клетки принципиально не стареющими и должны предположить, что в какой-то момент жизни им тоже необходима «перезагрузка» возраста.

2. «Обнуление» происходит в процессе оплодотворения.

Между слиянием оболочек двух половых клеток и образованием единого генома нового зародыша проходит не так много времени (например, у людей собственные гены зародыша начинают работать через несколько дней после оплодотворения), – но в этот короткий интервал успевает произойти множество внутриклеточных перестроек. Например, у человеческих зигот в это время меняются свойства мембраны: чтобы избежать повторного оплодотворения, заканчивается деление генетического материала яйцеклетки и перестраивается цитоскелет. Почему бы в этот момент не произойти еще каким-нибудь процессам, которые помогли бы справиться с накопившимся в половых клетках молекулярным мусором?

Что-то в этом роде, кажется, происходит при оплодотворении у нематод (см. K. A. Bohnert, C. Kenyon, 2017). В состав спермы у них, помимо собственно половых клеток, входят сигнальные белки, под действием которых в ооцитах «просыпаются» лизосомы, которые начинают прокачивать сквозь мембрану ионы водорода, создавая внутри ооцита кислую среду. После этого ооцит избавляется от белковых агрегатов (то есть молекулярного мусора), которые накопились в нем за время созревания, и подходит к оплодотворению уже девственно чистым.

Похожие процессы удалось обнаружить и у гладкой шпорцевой лягушки (Xenopus laevis, рис. 3), что означает, что это могло бы служить универсальным механизмом «обнуления» возраста ооцитов. Правда, согласно другим работам, деградация белков в ооцитах земноводных затрагивает в основном регуляторные белки клеточного цикла – то есть смысл ее не столько в обновлении, сколько в том, чтобы снять запрет на деление будущей зиготы (см. M. Presler et al., 2017).

Активация лизосом в готовящемся к оплодотворению ооците лягушки Xenopus laevis. В покоящемся ооците (слева) накоплены белковые агрегаты (зеленые) и фрагментированные митохондрии (желтые). Под действием спермы или гормональных сигналов в ооците (справа) начинают закисляться лизосомы (красные), исчезают белковые агрегаты и поврежденные митохондрии, а оставшиеся митохондрии разрастаются (коричневые). Изображение из статьи K. A. Bohnert, C. Kenyon, 2017.

Поэтому однозначных аргументов в пользу того, чтобы поставить нулевую точку старения сразу до или после оплодотворения, у нас пока нет. Кроме того, некоторые другие процессы, которые можно было бы отнести к омоложению, после оплодотворения только начинаются.

3. «Обнуление» происходит в первые дни развития эмбриона.

Так, например, мы знаем, что после оплодотворения в клетках зародыша запускается теломераза и начинают расти теломеры (см. L. Liu et al., 2007). Это абсолютно необходимо клеткам, которым предстоит многократно делиться, наращивая массу эмбриона, поскольку при делении теломеры неизбежно укорачиваются. Но в то же время это можно считать снижением биологического возраста, который часто определяют как раз по длине теломер.

Кроме того, по меньшей мере у всех позвоночных и некоторых беспозвоночных (например, иглокожих и оболочников) за оплодотворением следует волна деметилирования ДНК (см. X. Xu et al., 2019, а также Z. Smith et al., 2014).

У этого процесса есть простой функциональный смысл: поскольку гаметы являются дифференцированными клетками, то часть их генов плотно упакована, а информация, в них записанная, недоступна. Чтобы дать эмбриону доступ к тем генам, которые взрослому организму ни к чему, нужно снять с ДНК эпигенетические маркеры и распаковать ее обратно. И одновременно с этим деметилирование «обнуляет» биологический возраст клеток – если измерять его по еще одному популярному маркеру, эпигенетическим часам (то есть набору меток на ДНК и гистонах).

Гарвардский биолог Вадим Гладышев (Vadim Gladyshev) предположил, что в какой-то момент в ходе раннего развития эмбриона эти процессы должны «встретиться», и вот там-то и будет находиться нулевая точка старения (рис. 4). Это состояние должно стать кульминацией всех процессов омоложения, которые «обнуляют» возраст клеток по всем шкалам биологического возраста. Теломеры, эпигенетические метки, внутриклеточный молекулярный мусор, даже уровень энтропии – все эти признаки должны сойтись в «идеальном», нулевом состоянии. Единственное исключение, которое приводит Гладышев – мутации, унаследованные от родителей или приобретенные de novo в ходе первых делений дробления. Их «обнулить» и вычеркнуть из ДНК так просто не получится, поэтому здесь приходится полагаться на естественный отбор (носители самых неудачных мутаций не выживут), который снижает возраст не каждого эмбриона в отдельности, но популяции эмбрионов в целом.

Нулевая точка старения по Гладышеву. В этом состоянии, в частности, длина теломер максимальна, а биологический возраст зародыша минимален. Энтропия на верхнем графике (оранжевая линия) – условная мера сложности развивающегося организма. Изображение из обсуждаемой статьи в Trends in Molecular Medicine.

Правда, Гладышев допускает, что не все процессы омоложения могут происходить одновременно. В его концепции находится место всем вариантам, которые мы обсуждали выше: что-то происходит в половых клетках еще до оплодотворения, что-то «докручивается» в зиготе после него, что-то начинается уже в дробящемся зародыше. Поэтому нулевая точка может на практике оказаться целым нулевым периодом старения, особенным состоянием эмбриона.

В какой именно момент зародыш достигает этого состояния – вопрос пока открытый. Вероятно, его можно определить, если экстраполировать графики имеющихся у нас эпигенетических часов (рис. 5). Известно, например, что эпигенетические часы могут «засечь» первые признаки старения уже на 45-й день после зачатия (A. Hoshino et al., 2019), – и можно было бы продлить этот график в отрицательную область и попробовать найти точку его пересечения с графиками других маркеров биологического возраста. Впрочем, нет никакой гарантии, что эта точка найдется – или что она окажется единым моментом, а не целым периодом развития.

Экстраполяция графика для биологического возраста в эмбриональный период позволяет предсказать, где находится его минимум. Изображение из обсуждаемой статьи в Trends in Molecular Medicine.

Гладышев предполагает, что нулевая точка (или нулевой период) может лежать где-то между стадией бластоцисты (если речь идет о млекопитающих) и фарингулы (pharyngula), у человека это неделя и примерно месяц развития, соответственно. Бластоциста – это стадия, на которой зародыш представлен плюрипотентными клетками, то есть такими, из которых можно получить любую клетку взрослого организма (рис. 6). Это та стадия, на которую «откатываются» взрослые клетки после репрограммирования, поэтому логично считать ее некоторым «минимумом развития».

Упрощенная схема развития человеческого эмбриона в первые пять месяцев беременности. Крайняя правая стадия в верхнем ряду – бластоциста, крайняя левая в нижнем ряду примерно соответствует фарингуле. Где-то между ними, по Гладышеву, может лежать начало старения человека. Рисунок с сайта byjus.com.

Фарингула же – это стадия, которая считается самой консервативной в развитии позвоночных, у человека ей соответствует период развития после нейруляции. В этот момент у зародыша уже сформирован план тела и начинают постепенно работать нервная и иммунная системы. В концепции Гладышева это переходный момент, когда «начало клеточной жизни» превращается в «начало жизни организма».

Время двигать ноль

Идея о том, что организм позвоночных проходит через ноль своей жизни где-то между бластулой и фарингулой, предполагает, что старение – универсальная черта многоклеточных. Сам Гладышев, впрочем, считает, что нестареющие многоклеточные тоже возможны – среди, например, кишечнополостных или губок – но считает их достаточно примитивными и едва ли не переходными формами между много- и одноклеточными (см. F. Galkin et al., 2019). Тем не менее, истинно нестареющими организмами он считает только одноклеточных и гипотетического предка многоклеточных – тот, в представлении Гладышева, всю жизнь проводил примерно в таком «нулевом» состоянии, как клетки в зародыше позвоночных.

К этому утверждению возникает немало вопросов. С одной стороны, определение «нулевой точки» или «нулевого периода» не позволяет заключить, что в таком состоянии можно просуществовать достаточно долго. По крайней мере, в том, что касается деметилирования генома, мы знаем, что это довольно короткий промежуток времени (несколько дней) – вслед за ним сразу следует волна нового метилирования, которая «закрывает» обратно ненужные для развития зародыша гены. С другой стороны, не все ученые признают одноклеточных заведомо нестареющими организмами. Значит ли это, что существует несколько разных типов старения – «одноклеточное» (так, вероятно, могут стареть клетки зародышевой линии) и «многоклеточное» (так стареет сома, надстройка над половыми клетками), а также разные соответствующие им процессы омоложения? Или многоклеточным организмам приходится сочетать в себе несколько типов старения сразу?

В некотором смысле Гладышев отвечает и на этот вопрос. По его словам, модель «нулевой точки старения» не опровергает, а расширяет теорию одноразовой сомы. Нулевое состояние – это момент, когда нет разделения на сому и зародышевую линию. Это период, когда и сома, и зародышевая линия омолаживаются одновременно – прежде чем разделиться на стареющие и (практически) нестареющие клетки. И это то самое время, когда на старение сомы и зародышевой линии можно повлиять одновременно.

Не исключено, полагает Гладышев, что нулевая точка, из которой расходятся траектории старения сомы и половых клеток, не соответствует «абсолютному» биологическому нулю. Естественный отбор совершенно не обязательно должен благоприятствовать снижению этого нуля, поскольку последствия от появления на свет с ненулевым биологическим возрастом сказываются на здоровье организма сильно не сразу, чаще всего – уже после репродуктивного периода (не зря геронтолог Жуан де Магальяеш (Joao Pedro De Magalhaes) предлагает называть эволюцию «близоруким часовщиком»). А если так, то можно попробовать сдвинуть нулевую точку еще ниже (рис. 7). Это едва ли приведет к тому, что эмбрионы будут развиваться лучше, а потомство – рождаться более здоровым, но может отсрочить наступление того момента, когда накопленные возрастные изменения начнут снижать жизнеспособность, иными словами – может отложить старение в бытовом понимании этого слова.

Если в начале развития организма происходит омоложение, то почему бы его не возглавить и не сдвинуть точку старения еще ниже? Изображение из обсуждаемой статьи в Trends in Molecular Medicine.

Такие предложения действительно время от времени звучат. Например, можно встретить идею дополнительно нарастить теломеры зародыша – поскольку их длина может и не иметь предельного значения, которое соответствовало бы биологическому «нулю». И некоторое время назад действительно удалось вывести мышей со сверхдлинными теломерами (M. Muñoz-Lorente et al., 2019). Для этого исследователи взяли клетки из зародышей мыши на стадии бластоцисты, когда теломераза в них особенно активна, и культивировали их, не давая дифференцироваться, пока теломеры не стали примерно в два раза длиннее среднего. Потом эти клетки ввели обратно в бластоцисты – и из них получились здоровые, жизнеспособные мыши, которые прожили немного дольше своих сверстников (рис. 8). И вслед за этим тут же возникло предложение: почему бы не притормозить дифференцировку клеток в зародыше искусственно, меняя концентрацию веществ внутри матки, чтобы выращивать потенциальных долгожителей с длинными теломерами (M. Bonafè et al., 2020)?

Мыши со сверхдлинными теломерами (слева на левой фотографии и справа на правой) менее подвержены ожирению, чем их контрольные сверстники. Изображение из статьи M. Muñoz-Lorente et al., 2019.

Возможны и другие варианты манипуляций с зародышами. Например, не так давно оказалось, что у птенцов мухоловки-белошвейки (Ficedula albicollis) под действием материнских гормонов щитовидной железы теломеры тоже вырастают длиннее положенного (A. Stier et al., 2020.). Можно только гадать, сколько еще существует неожиданных способов понизить «биологический ноль».

Мы, конечно, понимаем, что в отношении человека все эти рассуждения пока могут носить только теоретический характер. Едва ли в ближайшее время кто-то всерьез начнет советовать беременным женщинам стимулировать свою щитовидную железу или тормозить развитие зародыша. Тем не менее, в будущем такого рода подход мог бы стать дополнением к другим стратегиям продления жизни. Все прочие методы, о которых сегодня идет речь, направлены скорее на то, чтобы затормозить изменения во взрослом организме. А снижение «биологического нуля» могло бы продлить «базовую» продолжительность жизни, тот изначальный «срок годности», который отмерен человеческому телу.

Другой вопрос – есть ли предел этому снижению, «абсолютный ноль старения», подобный абсолютному нулю температуры? Из биологических соображений следует, что он должен существовать – уже хотя бы потому, что можно представить себе клетку без единой «мусорной» молекулы и без единой эпигенетической метки на ДНК, которую дальше омолаживать уже некуда. Насколько далеко лежит сегодняшний «ноль» наших эмбрионов от этого умозрительного «идеального» состояния? Насколько сильно мы могли бы теоретически к нему приблизиться? Насколько это снижение могло бы продлить наши дни – и смог бы этот бонус компенсировать риски, которые неизбежно принесет с собой такое вмешательство?

На все эти вопросы пока нет однозначных ответов, нет сейчас и способа их теоретически вычислить. Однако уже понятно, что взаимосвязь между жизнью, рождением, старением и смертью куда сложнее, чем может показаться на первый взгляд.

Источник: V. Gladyshev. The ground zero of organismal life and aging // Trends in Molecular Medicine. 2020.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru