Книга: Энергия, секс, самоубийство

Ретроградная регуляция

Ретроградная регуляция

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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