Рис. 1. Схема эксперимента. В еду трех модельных объектов — дрожжей, дрозофил и мышей — добавлялись вытяжки из старых или молодых сородичей. Выяснилось, что все три вида дольше существуют на «молодой» диете. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
Одной из вин старения многие специалисты считают накопление с возрастом молекулярных «повреждений» той или другой природы. Для проверки этой гипотезы американские и корейские биохимики прочертили эксперименты на трех модельных объектах — дрожжах, дрозофилах и мышах. Подопытные организмы кормили вытяжками из молодых или старых сородичей. Оказалось, что во всех трех случаях «престарелая» диета, основанная на экстракте из старых сородичей, способствует ускоренному старению. Итоги согласуются с предположением о том, что с возрастом в организме накапливаются вредные вещества, снижающие жизнеспособность, и в этом заключается одна из причин старения.
Хотя причины и механизмы старения изучаются весьма интенсивно, в этом вопросе до сих пор много неясного (см. ссылки в крышке новости). Одной из самых общих причин старения почитается накопление с возрастом разнообразных изменений на молекулярном уровне, будь то изменения экспрессии генов, их метилирования, концентраций тех или других метаболитов, накопление соматических мутаций или окислительный стресс. Впрочем, не все исследователи согласны с тем, что накопление молекулярных повреждений играет в старении существенную роль. Основная проблема здесь в том, что такие повреждения очень разнообразны и зависят от огромного массы генетических и средовых факторов. Поэтому их вклад в старение тяжело доказать или, тем более, измерить.
Группа американских и южнокорейских ученых под руководством биохимика Вадима Гладышева из Гарвардской медицинской школы (см.: Gladyshev Lab) прочертила серию на удивление простых и наглядных экспериментов для проверки гипотезы о том, что молекулярные изменения, выходящие в организме со временем, вносят вклад в старение. Авторы рассудили, что если это так, то диета, основанная на вытяжке из пожилых сородичей, должна ускорять старение. Конечно, вдали не все «старческие» вещества, содержащиеся в таком экстракте, будут освоены организмом. Но ведь какие-то будут, и этого может очутиться достаточно для искомого эффекта.
Известно, что диета сильно воздействует на продолжительность жизни и динамику старения. Выявлены и неплохо изучены два ключевых сигнальных каскада, обеспечивающие связь между тем, что мы кушаем, и тем, сколько мы живем: каскад с участием инсулина/инсулиноподобного фактора роста (Insulin and Insulin-Like Growth Factor Signaling) и каскад с участием mTOR (см.: Мишень рапамицина у млекопитающих). Если допустить, что какие-то эндогенные (внутренние) метаболиты, накапливающиеся с годом, влияют на работу этих каскадов (которые, в свою очередность, влияют на ход старения и продолжительность жизни), то почему бы этим каскадам не реагировать аналогичным манером на те же метаболиты, усвоенные с пищей? Каким бы странным и неожиданным ни представлялось такое предположение на первый взгляд, оно, безусловно, заслуживает экспериментальной проверки.
Эксперименты были проведены на трех классических модельных объектах, размашисто используемых в геронтологии: на почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisae, дрозофилах Drosophila melanogaster и мышах Mus musculus (рис. 1).
1. Эксперимент на дрожжах. Идея использовать одноклеточный организм в качестве модели для изучения старения может показаться удивительной, однако почкующиеся дрожжи хорошо для этого подходят. «Длительность жизни» дрожжей оценивают двумя способами. Можно пристроить дрожжевые клетки в среду с ограниченным количеством глюкозы и обождать, пока вся глюкоза будет съедена. После этого дрожжи переходят на стол менее приятными для них веществами, такими как этанол и ацетат. При этом они перестают делиться (желая остаются метаболически активными), их жизнеспособность постепенно снижается, а смертность растет. Можно оценить «хронологическую длительность жизни» дрожжевых клеток, которая определяется как время от вхождения в стационарную фазу (когда клетки перестают плодиться) до смерти. Снижение жизнеспособности дрожжей в этих условиях по многим биохимическим параметрам вылито на старение постмитотических (переставших делиться) клеток многоклеточных организмов. Дрожжи используют также и как модель старения делящихся клеток. Для этого оценивают «репликативную длительность жизни», которая измеряется как число дочерних клеток, какие данная дрожжевая клетка в благоприятных условиях успеет отпочковать, пока не умрет (K. K. Steffen et al., 2009. Measuring replicative life span in the budding yeast).
Авторы изготовили питательную окружение для дрожжей на основе экстрактов (лизатов) из молодых дрожжевых клеток, «хронологический года» которых составлял 3 дня, и из старых (хронологический возраст 8 дней). В таких вытяжках содержится достаточное для роста дрожжей количество всех питательных веществ, кроме глюкозы, какую добавляли в корм отдельно.
Оказалось, что дрожжи, живущие на «молодой» питательной окружению, имеют достоверно более высокую репликативную продолжительность существования, чем такие же дрожжи, выращиваемые на «старой» среде (рис. 2). Выяснилось также, что вытяжка старых клеток сокращает жизнь дрожжам в том числе и в весьма высоких концентрациях. По-видимому, это означает, что сокращение жизни объясняется не столько тем, что в «престарелом» экстракте не хватает чего-то полезного (в этом случае повышение концентрации сгладило бы эффект), сколько тем, что в нем присутствует что-то нездоровое. Дополнительные эксперименты показали, что низкомолекуляная фракция дрожжевого вытяжки сильнее влияет на продолжительность жизни, чем высокомолекулярная. Это логично, потому что низкомолекулярные соединения легче усваиваются клетками.
Рис. 2. Выживаемость почкующихся дрожжей на «молодой» (кубовая линия) и «старой» (красная линия) питательной среде. По вертикальной оси — процент выживших клеток, по горизонтальной — число отпочкованных дочерних клеток («репликативный года»). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
2. Эксперимент на дрозофилах. Простейший лабораторный корм для дрозофил готовят на дрожжевой основе (50–60 г свежих дрожжей длинно варят в литре воды) с добавлением сахара. Авторы заменили в этом рецепте вареные дрожжи на вытяжка молодых или старых дрозофил. Для приготовления экстракта молодые мухи (в году 3–5 дней после выхода из куколки) живьем замораживались в некрепком азоте. Затем их толкли в порошок, разводили в воде и центрифугировали. При этом всё нерастворимое выпадало в отстой, а супернатант (надосадочную жидкость) использовали для приготовления корма вместо дрожжей. Для «престарелого» корма использовали мух, только что умерших естественной смертью в году 30–60 дней (в среднем 45). С ними поступали так же, как с молодыми. Число мушиного экстракта, добавляемого в корм, подбирали таким манером, чтобы содержание белков в питательной среде было таким же, как в типовом корме на дрожжевой основе.
Оказалось, что на «молодой» диете самки дрозофил существуют в среднем дольше, чем на «старой» (рис. 3). Самцов не тестировали в связи с трудностью массовой заготовки престарелых мух для «старого» корма. Таким образом, закономерность, обнаруженная у дрожжей, очутилась справедливой и для самок дрозофил.
Рис. 3. Выживаемость самок дрозофил на «молодой» (кубовая линия) и «старой» (красная линия) диете. По вертикальной оси — процент выживших мух, по горизонтальной — года в сутках. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
3. Эксперимент на мышах. Чтобы протестировать группу мышей на продолжительность жития, требуется много корма, ведь мыши живут года три, а порой и больше. Поэтому можно понять авторов, решивших не связываться с массовой заготовкой мышиного мяса и использовавших немало доступный материал — мясо молодых (трехлетних) и старых (25-летних) самцов великодушного оленя. Этих животных разводят на фермах, поэтому добыть оленя необходимого возраста не составляет большого труда. Содержание белков и сал в мышцах молодых и старых оленей различается (у молодых вяще белка и меньше жира), что может влиять на продолжительность жития тех, кто ими питается. Поэтому исследователям пришлось сбалансировать «молодую» и «престарелую» диету по белку, жиру и калорийности путем смешивания типового мышиного корма с оленьим мясом в разных пропорциях.
Диета не повлияла на длительность жизни самцов мышей, зато по самкам результаты вышли такие же, как по дрожжам и дрозофилам: на «старой» диете самки прожили на 13,3% меньше, чем на «молодой» (рис. 4).
Рис. 4. Выживаемость самок (слева) и самцов мышей на «молодой» и «престарелой» диете. Обозначения как на рис. 3. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances
Авторы анатомировали умерших мышей, чтобы разобраться в причинах смерти, но не смогли получить внятных итогов: ни по количеству опухолей, ни по уровню амилоидоза (наиболее типичные вина смерти старых мышей) достоверных различий между группами не открылось. Зато удалось показать, что по составу кишечной микробиоты мыши, существующие на «старой» диете, сильнее отличаются от контрольных мышей (столующихся обычным кормом), чем мыши, живущие на «молодой» диете.
Таким манером, на всех трех объектах было показано, что «старая» диета сокращает существование по сравнению с «молодой». Этот результат согласуется с предположением о том, что молекулярные изменения, выходящие с возрастом, негативно сказываются на жизнеспособности, и что «плохая биохимия», специфическая для старых организмов, может негативно влиять на продолжительность жития тех, кто ими питается.
Данное исследование отличается от большинства научных статей, публикуемых ныне в высокорейтинговых журналах, своей удивительной простотой и дерзостью. Использованные методы ранимы для критики. Например, молодые дрозофилы для приготовления экстракта замораживались живьем, а престарелые — посмертно, так что эти мухи отличались не только возрастом. Симбиотические микроорганизмы — бактерии и дрожжи, существующие в кишечнике и на поверхности тела дрозофил — могли пережить замораживание и затем размножиться на мушином корме, воздействуя на продолжительность жизни тестируемых мух (причем известно, что состав мушиной микробиоты меняется с годом). У тестируемых дрожжей измеряли «репликационный» возраст, однако для приготовления питательной окружения клетки сортировали по «хронологическому» возрасту (потому что так проще). Самцов дрозофил не тестировали вообще (потому что на них не достало старых мух, из которых делали «старую» питательную среду). Первые два облика кормили экстрактами конспецификов, а мышей — не мышатиной, а олениной, потому что тяжело запасти столько мышатины. Не очень понятно, почему отличия в смертности мышей не согласуются с результатами вскрытия, и так далее.
Проведенные эксперименты должны быть многократно повторены другими исследователями, прежде чем мы получим право мастерить на их основе далеко идущие выводы. Но всё же совпадение результатов, полученных на трех модельных объектах, впечатляет. Будем надеяться, что дальнейшие изыскания скоро покажут, насколько общий характер имеет замеченная закономерность, и какие именно «старческие» вещества негативно сказываются на длительности жизни.
