Взгляд биолога на мутационную теорию старения

По просьбам читателей я нашёл в себе силы написать продолжение вот этой статьи . Первая статья была направлена, главным образом, на обоснование существования и важности естественной смертности, а также необоснованности некоторых положений теорий «накопления ошибок».

Я, пожалуй, продолжу эту статью в том же ключе, но на этот раз с небольшим уклоном к подходам поиска эликсиров бессмертия – ведь всех же интересуют именно они.

В первой статье явление естественной смертности мы рассматривали, так сказать, с самой высокой точки биологической организации. С этого уровня хорошо видно, за что могла «зацепиться» эволюция и начать устанавливать норму жизни для того или иного вида. С точки зрения создания эликсира бессмертия этот уровень нам совершенно не интересен, потому как к бессмертию мы хотим привести конкретную особь, а конкретные особи как известно не эволюционируют в биологическом смысле. Нам интересен механизм, посредством которого приговор приводится к исполнению и то, как сломать этот механизм. А значит в этой статье мы будем рассматривать проблему с более «низкой» точки зрения – индивидуальном и клеточно-молекулярном (я постараюсь сделать это как можно понятнее без зубодробительных биохимиоругательных слов).

Большинство современных торговцев бессмертием пытаются доказать, что в процессе жизнедеятельности, организм подвергается воздействию внешней или внутренней среды, которое приводит к множеству точечных (или локусных) мутаций, в результате которых, по тем или иным причинам, метаболизм идёт вразнос. Причины «разноса» каждый указывает свои, но в целом в большинстве случаев всё сводится к накоплению со временем «вредных веществ», и, в зависимости от даты написания статьи, моды и личных предпочтений это могут быть оксиданты, свободные радикалы, «испорченные» белки и тому подобное.

Вроде всё логично, но это иллюзия складывающаяся из полузнаний. Для начала давайте разберёмся что такое мутации и к чему они приводят. Классическое «школьное» определение говорит нам что мутация – это процесс случайного изменения ДНК. Собственно, для общего развития этого определения достаточно, но мы лезем в такие дебри, что придётся копать глубже. Перед моими пространными объяснениями давайте я напишу более правильное, но столь же короткое определение: мутация – это процесс «случайного» изменения ДНК. Ну, а теперь раскроем скобки нашей краткой записи.

Скорость мутации

Ну, во-первых, отметим, что частота возникновения мутаций не высока невероятно низка и индивидуальна для разных видов. В целом, при оценке скорости мутаций (я буду выкидывать первые цифры указывая лишь порядок), указывают на 10-6 – 10-10 мутации на основание, такой большой разброс как раз и объясняется видовой специфичностью. С другой стороны, самих нуклеотидов в ДНК грубо от 104 (вирусы) до 109 (хордовые), ещё учтём количество клеток – например в человеке порядка 1014 клеток, так что не питайте иллюзий мутации есть у всех, хоть их и не так много, как некоторые думают.

А вот дальше начинается магия, о которой так любил рассуждать Мастер Угвэй из известного мультика про панду: случайности не случайны. Ради экономии места и времени давайте сразу отбросим не интересующую нас часть мутаций – генеративных (не то что бы они как то существенно (качественно) отличались, но там творится дополнительная магия, а влияют эти мутации лишь на потомство), нас интересуют соматические мутации – те которые могут влиять на нас сразу.

Так вот, в ДНК есть консервативные участки (а некоторые биологи и из этих участков выделяют ультроконсервативные участки), то есть это такие участки ДНК, которые не мутируют, и всё тут. Нет, чисто теоретически, и они могут мутировать, а какой-нибудь генетик их может специально «испортить», но это не отменяет того факта что у крупных филогенетических (эволюционных) ветвей эти гены почти одинаковы. Насколько крупных(?) спросите вы, достаточно крупных, отвечу я. Например эти участки у вас, а так же курицы, рыбы, лягушки или черепахи практически идентичны (аж мурашки по коже от того на сколько это круто и невероятно), то есть ветвь – хордовые (позвоночные, а это все, кого мы привыкли называть «животными»). Наверняка такие же участки обнаружены или вот-вот будут обнаружены (в целом уже понятно, где, что и как искать) у насекомых или даже сразу всех членистоногих – я просто не в курсе. (Я думаю, сейчас каждый обладающий логикой и считающий, что теория накопления ошибок верна, должен себя спросить: «Ну, хорошо, если смерть это зло, а эволюция смогла защитить часть ДНК, то что ей помешало защитить всю ДНК?»)

Что-то я отвлёкся, вернёмся к нашим мутациям. Есть участки ДНК защищённые сильнее обычного, а наоборот? Конечно, есть!

В ДНК есть участки с повышенным мутагенезом. Иногда их называют «горячими точками / локусами». Что бы понять значимость этих точек скажу вам что примерно 20–30% всех мутаций приходится на эти зоны, при этом сами эти зоны занимают 10% всей длинны ДНК. А ещё есть процесс названый «гипермутирование» так там на маленьком локусе вашей ДНК (не нашёл цифры, но это точно менее 1%) за неделю может произойти больше мутаций чем во всём вашем организме за предыдущую жизнь. Внушает?

Хотелось бы рассказать какой механизм у этих «случайностей», но, во-первых – это тема очень обширна и не на одну статью, во-вторых – я сам в этой тематике плаваю – не хотелось бы ввести вас ненароком в какое-либо заблуждение, и, в третьих, кое-что мы всё же рассмотрим.

Для более полного понимания давайте немного разберёмся, чем же занимаются безошибочные и многоошибочные участки ДНК.

Начнём с консервативных участков, с ними проще и понятнее даже биологам. Было замечено, что многие консервативные гены многофункциональны (по-нашему это будет плейотропия), то есть их работа начинается при всяких разных условиях, например, когда вы растёте, а ещё когда холодно, и при облысении (подставьте любые слова после «вы», «когда», «при»).

Так же, большинство консервативных участков кодируют различные регуляторные белки, которые в свою очередь «кодируют» (запускают экспрессию) свою порцию регуляторных белков (и так может быть много итераций, так много, что биологам пришлось выдумать новое словосочетание – регуляторный каскад (на самом деле эти каскады зачастую и обуславливают многофункциональность)), и всё это хозяйство запускается в раннем онтогенезе (процесс вашего созревания от оплодотворённой яйцеклетки до гуманоида). Если точнее, то в тот момент, когда ваш зародыш из шарика начинает формировать основную анатомию тела. Помните Геккеля? Ну он ещё рисунки для наших учебников биологии предоставил, те с рядами зародышей. Вот это оно самое!

Тише! Тише! Уберите факела и вилы… Прям чувствую, как напряглись искатели правды, как побежало желание заминусить. Биолог, да упоминает этого обманщика!

Ну был Геккель немного плутоват, да было дело, подделал немного рисунки, видимо уж очень сильно хотел, чтобы в его теорию поверили все. И ведь вышло всё! Но самое забавное даже не в этом, а в том, что Геккель провёл правильное наблюдение. Правда попутал причину и следствие, но это простительная ошибка для человека не знакомого с генетикой и даже трудами Дарвина. Он-то считал, что каждый организм должен пройти в своём индивидуальном развитии, формы, пройденные его предками. (на биозубодробильном звучит короче: онтогенез определяется филогенезом). А на самом деле оказалось, что куски «программного кода» управляющие развитием зародыша, что у курицы, что у человека взяты ещё с ранней альфа-версии и почти не патчились.

Геккель наказан – его почти забыли. Закон Геккеля мутировал и превратился в модель «песочных часов развития». Вот есть замечательная статья на эту тему, её прочтение поможет лучше понять то что я тут излагаю, хотя про мутации там ни слова.

Я надеюсь, из описания очевидно, что консервативными становятся те гены, которые критически важны для организма, их защита в общем-то логична и напрашивается сама собой.

Перейдём к высокомутагенным участкам ДНК. Ну как перейдём, глянем глазком по поверхности, под нужным нам углом обзора. Первое что хочется сказать, это то, что по-видимому, такие зоны мало привязаны к информационному контексту (по сравнению например с консервативными участками) и во многом определены «топографией» генома. Значительная часть горячих участков находится в некодируемой ДНК, часть в местах с многочисленными повторами (мотивами), частота возникновения мутаций так же выше около концов цепочки или гена (причём есть разница так же и от того какой это конец 5' или 3'), а так же, от того где именно располагается участок на хромосоме, замечено что точечные мутации немного чаще появляются рядом с уже случившейся точечной мутацией. Давайте пока остановимся на этом (мы ещё вернёмся к нашим мутациям), а сейчас у нас очень интригующая часть – гипермутирование!

Процесс гипермутирования был открыт и лучше всего изучен на примере работы иммунной системы позвоночных. Не буду отходить от классики и расскажу вам всё на том же примере. Помните в первой части я писал, что биосистемы используют хаос себе во благо, а не борются с ним (или как-то так ), так вот это один из ярчайших примеров.

Гипермутация запускается, когда в ваше тело попадает незнакомый (или забытый) вашей иммунной системе антиген. Например неизвестный вашим В-лимфоцитам вирус гриппа (перевод: В-лимфоциты с низкой аффинностью к штамму гриппа). С этого момента в ваших лимфоузлах, прямо в центре размножения (да, есть у вас и такой) запускается настоящая эволюционная лаборатория! Вообще В-лимфоциты умеют делиться и сами по себе, но в центре размножения они производятся в промышленных масштабах (тоже сами по себе, но быстро). Когда поступает сигнал, что лимфоциты не эффективны, в центр размножения доставляется образец антигена (бывает, что образец уже содержится в клетке памяти (Т-клетке)) и «крепится» на Т-клетке. А сами В-лимфоциты начинают усилено мутировать некоторые, строго специфичные, участки ДНК, отвечающие за антитела. Делают это они под управлением специального мутагенного комплекса – мутасомы. Получив самые разные по форме и содержанию антитела на своей поверхности В-лимфоцит пытается подобрать все свои антительные антенны, усики, крючки и прочее, к образцу на Т-клетке. Подобрал – молодец, вот тебе диплом высокой аффинности, иди во внешний мир организма ловить вирусы. Не подобрал – лох, смерть тебе и забвение. Следущий!

Обычно эволюционный подбор антигена занимает 5–10 дней (а вы сколько болеете гриппом?). Частота мутаций при иммунном ответе составляет 10-3 – 10-4 (вернитесь к цифрам выше посмотрите на разницу в порядках), но это цифра на основание в расчёте на всю ДНК. Если же рассматривать конкретный ген (а ещё лучше конкретные локусы) то мутация происходит со 100% вероятностью (ну ладно пусть будет 95% что бы точно вас не обмануть) на деление клетки.

Подобьём промежуточный итог.

  1. Очевидно, что биологические системы способны в той или иной степени управлять собственным мутагенезом.
  2. В геноме мутации распределены не равномерно.
  3. Биосистемы могут запускать и управлять эволюционным процессом.

Первый пункт говорит не в пользу теории накопления ошибок, но и не запрещает её. Второй – даёт шанс этой теории. Но что бы решить реализуется ли этот шанс, надо понять, как мутации «выходят» в фенотип – то есть влияют на нас. Этим мы и займёмся дальше.

Экспрессия гена

Вся беда в том, что большинство людей представляют себе синтез белка как-то так: n_Кодон ДНК > n_Кодон РНК > n_аминокислот = белок. Или так:

starenie2.png

Но это снова неполная информация, отчего и кажется, что любая мутация (замена «буквы» в кодоне) приводит к изменению белка. Но на самом деле всё немного невероятно сложнее. Проследим наши мутации. Вот часть мутаций попали на некодируемые участки, часть совершили нейтральную мутацию (например, замена в кодоне последнего основания ≈ 85% не приводит к замене аминокислоты), сразу отбрасываем эти мутации.

Не верите, что последняя буква в кодоне почти ничего не значит? Проверьте сами:

starenie_tablica.png

Но вот нам попалась мутация на гене, да ещё на участке готовом к экспрессии (да, да, мутация может случится и там, где уже никогда не будет экспрессии генов). Снова вилка. (Хотел здесь подробно расписать, как устроены гены и что будет с мутацией в том или ином случае, но ну его нафиг все эти интроны, терминаторы и прочие экзоны, давайте на пальцах). Ген это не только последовательность разбитая на триплеты (кодоны) кодирующие цепочку аминокислот, но и различные регуляторные участки, расположенные как непосредственно около «кодирующих» так и в отдалении вплоть до 100–200 оснований, основными регуляторными участками являются старт и стоп (промоутер и терминатор (не путайте со старт- и стоп-кодонами)). В зависимости от того, где случилась мутация мы можем получить следующие результаты:

Если испортился старт (промоутер) или регулятор перед стартом, то ген вероятно потеряет активность и белок синтезироваться не будет.

Возможна такая мутация регуляторных участков (например, мотивов), при которых ускорится или замедлится синтез.

Но возможно, что наша мутация случилась именно в кодируемой части гена.

Наступило время понять, чем плоха картинка выше, что в картинке не так? Главным образом нехваткой действующих лиц. Дело в том, что каждый этап синтеза управляется множеством белковых и/или РНК-белковых комплексов. Синтез не начинается сам по себе, сначала надо что бы одни белки раскрутили хроматин, другие обнаружили для себя «место посадки» на двойной ДНК (инициация, (первый этап транскрипции)) причём тут тоже всё не просто, например сначала на ДНК может приземляется один белковый комплекс который повышает сродство ДНК и следующего комплекса, который в свою очередь нужен что бы наконец присоединилась РНК-полимераза (очередной РНК-белковый комплекс) которая и запускает транскрипцию информационной РНК. Я в инете нашёл вот такую схему:

starenie3.png

И так мы получили мРНК (иРНК), пора бы получить белок. Но это позже – мы всё-таки не получили мРНК, введём ещё парочку действующих лиц. После транскрипции мы получили пре-мРНК, дальше она должна созреть (в годы моего обучения это прям так и назвалось, сейчас более модное и устоявшееся название – процессинг РНК (или ещё страшнее посттранскрипционные модификации РНК)), сюда входят:

  • кэпирование защищающее РНК от необоснованной деградации, также обеспечивает транспорт (через мембраны ядра например), и участвует в следующих трёх словах;
  • сплайсинг (выбрасывание лишних кодонов);
  • редактирование, да белок может не совсем соответствовать кодонам ДНК, кодирующим его (не всегда есть);
  • метилирование (не всегда есть).

Что бы не входить в рекурсию одинаковых объяснений, просто замечу, что каждый из этих этапов созревания обеспечивается своими белковыми и/или РНК-белковыми комплексами. Чтобы подробно описать созревание РНК, потребуется объём больший, чем обе мои статьи. Но мы должны вытащить другие важные для нас знания. Если в гене произошла мутация, то это не значит, что белок обязательно изменится (да, опять). Неправильная пре-мРНК просто не пройдёт созревание и будет уничтожена. Здесь, конечно, самым критичным моментом является сплайсинг и редактирование, в обоих случаях белковые комплексы, обеспечивающие созревание, являются «инспекторами», и неправильная последовательность нуклеотидов не позволяет им приступить к работе (конечно это происходит далеко не всегда). При проведении же самих работ, часть ошибок исправляется, что приводит фенотип белка в норму.

Здесь будет уместным заметить, что процесс сплайсинга у одной и той же РНК может приводить к различным результатам, то есть на ДНК вы имеете одну последовательность которая кодирует сразу несколько белков. Другой интересной особенностью сплайсинга является то, что созревшая РНК может состоять из частей разных пре-РНК. Ну вы понимаете к чему я клоню?

Но ведь и это ещё не всё. Вот мы уже наблюдаем как из рибосомы ползущей по РНК вылезает белок. И снова, при синтезе тоже белок сидит на белке и белком погоняет, а главный РНК-белковый комплекс и есть наша рибосома. Стоит заметить, что есть не один и не два способа заставить мРНК «замолчать» и перестать производить белок в этой части молекулярной машинерии. Часть способов основаны на обратной связи – чем больше произвёл белка этого типа тем меньше ты его будешь производить дальше, вплоть до полной остановки (причём иногда этот процесс инициируется самим производимым белком без посредников (ну почти)).

Слава богу мы добрались до нашего мутантного белка. Почти добрались, ведь мы снова получили незрелый продукт. Белок должен ещё созреть или как теперь модно: должна пройти посттрансляционная модификация белка (понапридумывают новых словей изверги проклятые).

Не будем обсуждать кем и как этот процесс регулируется я думаю вы догадались. Я даже не буду описывать этапы и виды созревания (если верить википедии на данный момент известно более 200 видов), нам здесь важнее понять, что же происходит с нашей полипептидной цепью. Самое интересное для нас то, что часть пептидов может быть выброшено (цепь стала ещё короче), часть заменена, к белку могут присоединяются различные химически активные группы. Кроме того, важный процесс, сворачивание белка (фолдинг) в правильную форму.

Очевидно, что некоторые мутации не позволяют правильно протекать этим процессам, тем самым ограничивая выход мутации в фенотип. Мне можно возразить что мы же уже получили неправильный белок, и какая нам разница принял он какую-либо форму или нет. Но в том то и дело что правильно свёрнутые белки являются стабильными, и активными (участвующими в метаболических путях), в то время как неправильные белки почти не имеют шанса стать активными и имеют далеко не нулевой шанс быть уничтоженными «охранными системами». Это конечно не означает, что мутации копящиеся в течении жизни не способны на нас влиять как пагубно так и положительно, но дверь возможности для мутаций сильно прикрыта, благодаря чрезмерному регулированию процесса.

На деле чаще всего проходят мутации слегка изменяющие свойства белка, но оставляющие его рабочим. Например вы знаете много генетических «заболеваний гемоглобина»? Не ищите вот они Это строго определённые заболевания, вызванные определёнными заменами, а не просто какими попало. Возьмём классику – серповидноклеточную анемию. Это заболевание вызвано точечной заменой: «в 6-м положении бета-цепи вместо глутаминовой кислоты находится валин». Одной заменой из 146 аминокислот!

Почему-то мы не встречаем людей с заменой соседней аминокислоты, или там условно 10. Или мы не видим, что бы вместо глутаминовой кислоты или валина встречалась какая-то ещё аминокислота (замена происходит в первом нуклеотиде кодона – там есть из чего выбрать). Зато именно эта мутация встречается у вполне заметного количества населения. В конечном продукте (гемоглобине) мы имеем 146 аминокислот, а мутаций (и вместе с ней болезней) всего 9 видов. Где все прочие мутации? Вам не странно? Мне было бы странно если бы я считал, что мутации полностью случайны и накапливаясь убивают нас.

Но я снова отвлекаюсь, давайте уже добьём эту часть, нам осталось чуток.

Разбавь мутацию

Ещё одним своеобразным способом защиты от мутаций является многочисленное копирование генов. Важные для функционирования клетки гены могут повторятся сотни раз в разных местах, например тРНК у человека имеет около 500 копий, рРНК (рибосомная) около 300 копий, притом распределённых между пятью(!) разными хромосомами. То есть вы можете потерять хромосому целиком (бывает и такое), а рРНК всё равно сможет экспрессироваться. В классическом же случае мутации одной из копий гена, даже в случае синтеза неправильной РНК (белка) его разбавят правильные РНК (или белки) синтезирующиеся тут же в массе. Таким образом мутация нивелируется.

Да, в описанной мной ситуации мы имеем в цитоплазме клетки неправильную и, может, даже вредную форму РНК или белка, и можно сказать что «вот же, накапливается вредный метаболит». Но не стоит забывать, что клетка имеет свой срок жизни и после его окончания экспрессия мутантного гена прекратится, а все метаболиты мутантной клетки будут уничтожены вместе с ней (ну в идеале конечно).

Аллели

На определённом этапе биосистемам показалось, что мутации слишком не предсказуемы, а потому опасны, с другой стороны, мутации обеспечивают пластичность фенотипическую и генофонда популяций, а потому потенциально очень полезны. Выход, как всегда, нашла эволюция, она взяла, да и удвоила наш генотип, а сверхсложная регуляция, описанная сверху, доделала дело организовав рецессивные и доминантные признаки.

Диплоидность (полиплоидность) выполняет (в том числе) элегантнейшую функцию по накоплению и плавному выводу мутаций в свет. Диплоидность означает наличие всех генов в двойном экземпляре, это приводит к интересным результатам. Практически любая мутация переводит ген в рецессивное состояние (вот теми самыми механизмами что описаны выше), то есть в такое состояние, когда мутантный ген не экспрессирует или экспрессирует с очень низкой скоростью. В то же время вторая копия гена (правильная) является доминантной и продолжает производить правильный белок. Это последний этап ограничения мутаций (который пришёл мне в голову), если не считать системы отчистки цитоплазмы и иммунитета.

Заключение

И так мы разобрали полный путь появления мутаций, и мне хочется надеяться, что в достаточно доходчивой форме. Конечно, всё написанное выше не означает, что мутации не происходят или все они в той или иной форме нейтральны. Естественно, часть мутаций пробиваются в наш фенотип и встраиваются в метаболические пути. Но утверждение, что достаточно редкие, разнонаправленные мутации у разных людей могут вызывать одинаковую реакцию организма (вспомните про маркеры старения) и так точно убивают нас на одном сроке, абсурдны с логической точки зрения. Кроме того, не стоит забывать, что по мимо геронтологов в нашем мире существуют и врачи, погуглите генетические заболевания, и вы увидите, что конкретные мутации вызывают конкретную реакцию фенотипа, мутации не усредняются, выдавая общий результат, они индивидуальны по характеру воздействия на организм.

Конечно, можно отмахнуться от моей стены текста и сказать, что в нашем организме появляются те мутации, которые мы не способны отследить и именно они и старят нас. Только вот бритва Оккама заставляет принять более простой путь, взять и признать, что старение – это часть процесса, который мы именуем онтогенезом или жизнью, и все его части (развитие зародыша, достижение половозрелости, старость) зашиты в нашей программе.

С практической точки зрения для нас важно то, что в теории мы можем бороться со старостью генетическими методами. Но методы эти должны быть на несколько порядков лучше того, что мы имеем сейчас. Человечеству надо разобраться в полных метаболических картах, нужно точно понимать, что и как влияет на экспрессию, нужно точно знать не просто что вот этот ген экспрессируется при таких-то условиях, а надо понимать какие и как белки и РНК в этом учувствуют, какой белок или РНК синтезируют и как именно и с помощью чего он созревает, и для чего он нужен. Этот путь мы только начинаем, а потому с этой стороны ждать эликсира бессмертия пока не стоит.

Я не хочу давать пустых предсказаний, но вы же всё равно захотите узнать моё мнение. Как кажется мне, при очень удачном развитии событий, которые включают в себя дальнейшее развитие нейронных сетей и машинного обучения или даже создание более полноценного ИИ, а также наращивание темпов исследований в генетике и молекулярной биологии, не раньше чем через лет 10 мы достигнем технологий, позволяющих приступить к созданию не стареющих людей (что потребует ещё какого-то времени). При плохом стечении обстоятельств, например, мы близки к потолку эффективности машинного обучения, будет как с термоядерным синтезом – через 15–20 лет в течении ближайшего столетия.

Но это не учитывая этические проблемы. Достижение бессмертия через редактирование генома может столкнуться с этикой, и, надо сказать, повод для этого есть. Чтобы стереть программу старения, нам придётся существенно переписать ДНК, а значит надо решить, что в ДНК считать лишним, а что допустимым отклонением. Кто скажет, где провести грань? Что бы не быть многословным, просто представьте себе государство, где абсолютно законно (граждане сами за всё проголосуют ради здоровья и долголетия) каждый ребёнок оболванен по определённому шаблону. Например у него убрана агрессия, привито трудолюбие, вроде неплохо, но где черта? Например повышенная законопослушность (= послушность) это хорошо или уже плохо?

P.S. В этой статье я старался описывать молекулярную работу в общих чертах, характерных для всех видов, но для экономии места и облегчения понимания, а так же в виду необъятности разнообразия биосистем, многие примеры приведены и описывают работу генетического аппарата именно млекопитающих, или конкретно человека и не могут быть отнесены к другим группам животных.

P.P.S. Честно говоря, я думал, что в этой статье получится охватить ещё несколько аспектов с другой стороны вопроса не касающийся генетики напрямую, но оказывается в словах знания занимают гораздо больше места чем в моей голове. И снова остались не закрытые вопросы, и снова много того, о чём я даже не упомянул и естественно есть прочие (не генетические) пути продлить жизнь, и другие теории старения.

Но в своё оправдание могу сказать, что мы закрыли одну из обширнейших тем, хоть и бегло, хоть и без подробностей. Надеюсь было интересно.

Автор: Ихтиолог

Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (8 votes)
Источник(и):

Хабр