«Рапаміцин не продовжує, а скорочує життя мишам з короткими теломерами»

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 56

Ріс. 1. Стара (ліворуч) і молода (праворуч) миші. Їх нескладно розрізнити за ступенем ожиріння і станом вовни. Фото з сайту nbcnews.com

Рапаміцин — один з найперспективніших кандидатів у «таблетки від старості». Іспанські біологи перевірили, як він буде діяти на одному з модельних об’єктів для вивчення прискореного старіння — мишах з короткими теломерами, — і виявили, що він не продовжує їм життя, як слід було очікувати, а навпаки, скорочує. Це ще одна історія про те, що причини старіння тісно взаємопов’язані, і, діючи на одну з них, можна ненароком посилити позиції іншої.

Старіння — це безліч процесів, які діють на організм одночасно і поступово наближають його смерть. Серед них, наприклад, руйнування макромолекул, надмірна активація імунітету, накопичення неправильно згорнутих білків, перебудова міжклітинної речовини та багато інших. Виділити серед них головного неможливо — ні умозрительно, ні експериментально. Незважаючи на те, що кожна дослідницька група позначає якусь причину старіння як ключову (інакше незрозумілий кут, з якого автори дивляться на проблему), навряд чи хтось із сучасних геронтологів вважає «свою» причину єдиною.

Але якщо причин кілька, то має бути і кілька способів з ними впоратися — щонайменше по одному на кожну. Більш того, якщо причини діють спільно, то і терапія від старіння повинна бути складовою, щоб підрубати кожен з коріння проблеми. Чи все-таки вдасться знайти один підхід, який буде впливати на всі причини відразу? На користь останнього варіанту свідчить те, що деякі причини старіння все ж взаємопов’язані один з одним.

Прикладом може служити один з найвідоміших процесів старіння, який відбувається в більшості клітин організму — вкорочення теломер. Це кінцеві ділянки хромосом, які складаються з «безглуздих» повторів і виконують в основному механічну функцію. Вони служать такою собі набійкою на ДНК, яку не шкода зносити з часом. Перед кожним поділом клітини ДНК подвоюється, а хромосоми вкорачуються — втрачається частина теломірних повторів. Тому, якщо нічого не робити (а деякі клітини вміють нарощувати кінці хромосом назад), теломери поступово зношуються. Коли від них мало, що залишається, і вони близькі до того, щоб зникнути зовсім, клітина перестає ділитися. Для багатьох клітин і тканин, в яких вони розташовані, це важка втрата — якщо сусіди цієї клітини загинуть, вона не зможе зробити нащадків, щоб заповнити порожнечу.

У той же час, теломери можуть вкорачуватися і з інших причин, поза зв’язком з клітинним поділом. Однією з таких причин може стати інший винуватець старіння — окислювальний стрес. Коли мітохондрії з тих чи інших причин не справляються зі своєю роботою (наприклад, їх занадто мало, або їм не вистачає кисню), в них накопичуються вільні радикали — хімічно активні молекули, які вступають в реакції з різними клітинними полімерами. Вони можуть порушити роботу мітохондрій, а якщо просочуються звідти в цитоплазму клітини, то пошкоджують білки і ліпіди, що прискорює старіння клітини. Якщо ж їх досить багато, то деякі добираються і до ядра. Там вони окисляють молекули ДНК, причому найсильніше дістається теломерам (див. W. Qian et al., 2019. Chemoptogenetic damage to mitochondria causes rapid telomere dysfunction). При сильному окислювальному стресі системи ремонту ДНК не справляються з лагодженням теломер і відрізають від них пошкоджені ділянки (див. E. Fouqerel et al., 2019. Targeted and persistent 8-oxoguanine base damage at telomeres promotes telomere loss and crisis). Так під дією окислювального стресу теломери стають коротшими.

Якщо такі взаємозв’язки встановити і для інших причин старіння, то можна уявити собі ситуацію, коли одного ліку буде достатньо, щоб зупинити їх разом. Група вчених з іспанського Національного центру дослідження раку (Spanish National Cancer Centre) припустила, що таким ліками може виявитися рапаміцин. Ця речовина відома в медицині як антибіотик та імуносупресор, але геронтологи знають її як блокатор mTOR. Це білковий комплекс, який підстьобує ріст і розвиток клітини — запасання речовин, синтез білка і активне поглинання енергії, — тим самим прискорюючи зношування клітин. Рапаміцин вже неодноразово доводив свою здатність уповільнювати старіння клітин і продовжувати життя модельних організмів (див. Рапаміцин уповільнює старіння у мишей, Елементи, 15.02.2009), тому, хто знає, раптом він міг би вирішити і проблему укорочення теломер?

В якості модельного об’єкта, який всерйоз страждає від проблеми укорочення теломер, дослідники вибрали мишей з дефектом теломерази — це той самий фермент, який клітини можуть використовувати для нарощування кінців хромосом. У мишей, на відміну від людини, теломераза працює в багатьох клітинах протягом усього життя (K. R. Prowse, C. W. Greider, 1995. Developmental and tissue-specific regulation of mouse telomerase and telomere length). І незважаючи на те, що у мишей теломери в кілька разів довші, ніж у нас, за відсутності теломерази вони швидко вкорачуються. Особливо помітно це стає в наступних поколіннях, тому що нащадки успадковують від батьків все більш короткі теломери. Друге покоління таких мутантних мишей живе близько року замість належних 2-3 років. Автори роботи припустили, що рапаміцин міг би впоратися з цією проблемою прискореного старіння.

Однак результати першого ж експерименту виявилися суворо протилежними (рис. 2). Дослідники почали спостерігати за звичайними і позбавленими теломерази мишами у віці 3 місяців. При цьому всередині кожної групи частину тварин годували звичайним кормом, а іншим додавали в нього рапаміцин. І якщо у звичайних мишей рапаміцин, як і у всіх попередніх роботах, зрушив криву виживаності вправо (тобто продовжив життя), то у позбавлених теломерази мишей ефект виявився протилежним: під дією рапаміцину вони стали жити менше.

Ріс. 2. Криві виживання мишей в експерименті. Темно-сірий — контрольна група, світло-сірий — миші дикого типу під дією рапаміцину, темно-зелений — миші без теломерази, світло-зелений — миші без теломерази під дією рапаміцину. Поруч зі стрілками позначено зміну середньої тривалості життя. Зображення з обговорюваної статті в Nature Communications

Концентрація ліків у плазмі крові у мишей була приблизно однакова, тобто справа не в тому, скільки вони його їли або як він всмоктувався в організм. Тоді автори роботи припустили, що підвищена смертність мишей з короткими теломерами під дією рапаміцину може бути пов’язана зі зростанням числа пухлин. Зазвичай короткі теломери перешкоджають пухлинній трансформації клітини — чим менше їй залишилося ділитися, тим складніше утворити пухлину. Але рапаміцин працює як імуносупресор, тобто пригнічує відповідь організму на неконтрольоване зростання клітин. Могло виявитися, що рапаміцин протидіє ефекту коротких теломер і посилює зростання пухлин. Але це не так: після смерті ні в кого з мишей з короткими теломерами вчені не виявили слідів канцерогенезу.

Судячи з усього, щось всередині клітин тварин з короткими теломерами завадило рапаміцину спрацювати. На користь цього говорить і ще одне спостереження, яке зробили дослідники: миші з дефіцитом теломерази не втрачали вагу під дією рапаміцину. У той же час, у звичайних тварин це відбувається незмінно, тому що рапаміцин блокує зростання жирової тканини.

Один з безпосередніх ефектів, які mTOR надає на клітини — посилення синтезу білків. Тому його активність можна оцінювати за рівнем фосфорилювання рибосомального білка S6: чим він вищий, тим інтенсивніший синтез. У звичайних клітинах рапаміцин знижує фосфорилювання S6, гальмуючи роботу рибосом. Дослідники виміряли концентрацію фосфорильованого S6 у мишей, які вже два місяці сиділи на звичайній або рапаміциновій дієті. Виявилося, що, на відміну від звичайних тварин, у печінці мишей з короткими теломерами рапаміцин не спрацював: рівень фосфорилювання S6, незважаючи на введення ліків, залишився колишнім. Те саме сталося і з іншими потенційними ефектами рапаміцину: у мутантних мишей він не підвищив рівень аутофагії (самоперівання) в клітинах і не знизив кількість мітохондрій — тобто не вплинув на інтенсивність обміну речовин у клітинах. Це означає, що рапаміцин не виконав свою основну функцію — не заблокував сигнальний шлях mTOR.

Щоб з’ясувати, чи дійсно ліки не працюють, автори роботи перевірили, що відбувається в клітинах печінки мишей з короткими теломерами через дві години після його введення. Виявилося, що за дві години рапаміцин знижує кількість фосфорованого S6 — подібно до того, що відбувається у звичайних тварин. Таким чином, проблема виявилася не в самому рапаміцині. Коли скоро він може виконати свою роботу в клітинах, справа може бути в тому, що його роботи просто недостатньо.

Дослідники припустили, що активність mTOR в клітинах мишей з короткими теломерами сама по собі настільки висока, що рапаміцин не може її знизити. І дійсно, коли вони порівняли кількість фосфорованого S6 у звичайних і мутантних тварин, то помітили, що у мишей з короткими теломерами воно стабільно вище. Потім вони відсеквенували РНК в клітинах печінки і виявили, що у тварин з короткими теломерами вище експресія генів, які пов’язані з різними процесами обміну речовин — розщепленням глюкози, діленням і ростом, синтезом білків і жирів — і всі вони знаходяться під контролем mTOR.

Але якщо mTOR-шлях так активний в клітинах мишей з короткими теломерами, а його блокатор рапаміцин скорочує їх життя, значить, mTOR може служити компенсаторним механізмом і пом’якшувати ефекти від нестачі теломерази. Щоб перевірити цю гіпотезу, автори роботи створили подвійних нокаутних тварин, у яких не працювала не тільки теломераза, але і S6-кіназа (S6K) — білок, який відповідає за фосфорилювання S6. Виміряючи тривалість їхнього життя, дослідники помітили наступну закономірність (рис. 3). Тваринам з працюючою теломеразою нокаут S6K продовжує життя, оскільки діє аналогічно рапаміцину, блокуючи ефекти mTOR-шляху. У перших двох поколінь тварин без теломерази різниці в довжині життя практично немає. А ось у третього покоління мишей з короткими теломерами нокаут S6K, навпаки, скорочує життя. Таким чином, при довгих теломерах без mTOR-шляху можна обійтися, а його блокада працює на продовження життя. Але при коротких теломерах він стає критичним для виживання.

Ріс. 3. Графік виживання мишей з різними наборами мутацій. У кожній парі більш темний відтінок позначає тварину з працюючою S6-кіназою, світлий — нокаут по S6K. Сірий — миші з працюючою теломеразою, червоний — перше покоління мишей без теломерази, синій — друге, зелений — третє. Пунктирна лінія позначає медіану тривалості життя: час, до якого доживає половина популяції. Червона стрілка вказує на різке зниження тривалості життя в третьому поколінні мишей без теломерази при нокауті S6K. Зображення з обговорюваної статті в Nature Communications

Таким чином, ідея використовувати одну зброю проти декількох причин старіння одночасно зазнала поразки, — принаймні, обрана дослідниками зброя для неї не підходить. Блокуючи mTOR, рапаміцин тим самим заважає виживати клітинам з короткими теломерами.

В обговорюваній статті дослідники працювали тільки з мишами, однак і у людей є захворювання, які пов’язані з сильним вкороченням теломер. Це, наприклад, вроджений дискератоз (dyskeratosis congenita) — дефіцит теломерази, який спочатку позначається на шкірній пігментації, а потім порушує роботу кісткового мозку, що і призводить до смерті пацієнтів. Таким людям, як і мишам з нокаутом теломерази, рапаміцин і його аналоги теж, ймовірно, допомогти не зможуть.

У той же час, поки абсолютно незрозуміло, якою мірою блокатори mTOR виявляться застосовними для літніх людей. Відомо, що з віком середня довжина теломер у людини скорочується, але чи стане це перешкодою для продовження життя за допомогою рапаміцину і подібних йому препаратів? Або ж доведеться якось впливати по черзі рапаміцином і активаторами теломерази, щоб домогтися потрібного ефекту? Так чи інакше, вже зрозуміло, що простої відповіді на це питання не буде.

Історія з рапаміцином і теломерами — показовий приклад проблеми, з якою стикається сучасна наука про старіння. Щоразу, коли геронтологи виявляють якийсь процес, який посилює старіння організму, і придумують спосіб цей процес зупинити, у нього незмінно виявляється зворотна «позитивна» сторона. Так, наприклад, скорочення теломер можна вважати захистом від раку. Окислювальний стрес — це стимул, який спонукає клітку мобілізувати внутрішні резерви на боротьбу з несприятливими умовами. А mTOR, у свою чергу, рятує клітини в умовах занадто коротких теломер. Тому раз і назавжди оголосити якусь з причин старіння головним ворогом і розв’язати проти неї війну у нас навряд чи вийде. Замість рішучого наступу буде потрібна спритна дипломатія — зважування ризиків, чергування ліків, пошук компромісів, які могли б продовжити життя організму, не зробивши його вразливим для чергового ворога.

Джерело: I. Ferrara-Romeo, P. Martinez, S. Saraswati, K. Whittemore, O. Graña-Castro, L. T. Poluha, R. Serrano, E. Hernandez-Encinas, C. Blanco-Aparicio, J. M. Flores, M. A. Blasco. The mTOR pathway is necessary for survival of mice with short telomeres // Nature Communications. 2020. DOI: 10.1038/s41467-020-14962-1.

Поліна Лосєва