Исследование № 23
Экстракт из старых сородичей ускоряет старение
Одной из причин старения многие специалисты считают накопление с возрастом молекулярных “повреждений” той или иной природы. Для проверки этой гипотезы американские и корейские биохимики провели эксперименты на трех модельных объектах – дрожжах, дрозофилах и мышах. Подопытные организмы кормили экстрактами из молодых или старых сородичей. Оказалось, что во всех трех случаях диета, основанная на экстракте из старых сородичей, ускоряет старение. Результаты согласуются с предположением о том, что с возрастом в организме накапливаются вредные вещества, снижающие жизнеспособность, и в этом состоит одна из причин старения.
Хотя причины и механизмы старения изучаются очень интенсивно, в этом вопросе до сих пор много неясного. Одной из самых общих причин старения считается накопление с возрастом разнообразных изменений на молекулярном уровне, будь то изменения экспрессии генов, их метилирования, концентраций тех или иных метаболитов, накопление соматических мутаций или окислительный стресс. Впрочем, не все исследователи согласны с тем, что накопление молекулярных повреждений играет в старении существенную роль. Главная проблема здесь в том, что такие повреждения очень разнообразны и зависят от огромного множества генетических и средовых факторов. Поэтому их вклад в старение трудно доказать или тем более измерить.
Группа американских и южнокорейских ученых под руководством биохимика Вадима Гладышева из Гарвардской медицинской школы (США) провела серию простых и наглядных экспериментов для проверки гипотезы, согласно которой молекулярные изменения, происходящие в организме со временем, вносят вклад в старение (Lee et al., 2017). Исследователи рассудили, что если это так, то диета, основанная на экстракте из пожилых сородичей, должна ускорять старение. Конечно, далеко не все “старческие” вещества, содержащиеся в таком экстракте, будут усвоены организмом. Но ведь какие-то будут, и этого может оказаться достаточно для проявления искомого эффекта.
Известно, что диета сильно влияет на продолжительность жизни и скорость старения. Выявлены и неплохо изучены два ключевых сигнальных каскада, обеспечивающие связь между тем, что мы едим, и тем, сколько мы живем: каскад с участием инсулина / инсулиноподобного фактора роста и каскад с участием регуляторного белка mTOR. Если допустить, что какие-то эндогенные (внутренние) метаболиты, накапливающиеся с возрастом, влияют на работу этих каскадов (которые, в свою очередь, влияют на старение и продолжительность жизни), то почему бы этим каскадам не реагировать аналогичным образом на те же метаболиты, усвоенные с пищей? Каким бы странным и неожиданным ни казалось такое предположение на первый взгляд, оно, безусловно, заслуживает экспериментальной проверки.
Опыты были проведены на трех классических модельных объектах, широко используемых в геронтологии: на дрожжах Saccharomyces cerevisiae, плодовых мушках Drosophila melanogaster и мышах Mus musculus.
Опыт на дрожжах. Идея использовать одноклеточный организм в качестве модели для изучения старения может показаться странной, однако почкующиеся дрожжи хорошо для этого подходят. “Продолжительность жизни” дрожжей оценивают двумя способами. Во-первых, можно поместить дрожжевые клетки в среду с ограниченным количеством глюкозы и подождать, пока вся глюкоза будет съедена. После этого дрожжи переходят на питание менее приятными для них веществами, такими как этанол и ацетат. При этом они перестают делиться, их жизнеспособность постепенно снижается, а смертность растет. В таком случае оценивают хронологическую продолжительность жизни дрожжевых клеток, которая определяется как время от вхождения в стационарную фазу (когда клетки перестают размножаться) до смерти. Снижение жизнеспособности дрожжей в этих условиях по многим биохимическим параметрам похоже на старение постмитотических (переставших делиться) клеток многоклеточных организмов. Во-вторых, когда дрожжи используются в качестве модели старения делящихся клеток, оценивают репликативную продолжительность жизни, измеряемую как число дочерних клеток, которые данная дрожжевая клетка в благоприятных условиях успеет отпочковать, пока не умрет.
Ученые изготовили питательную среду для дрожжей на основе экстрактов из молодых дрожжевых клеток (хронологический возраст которых составлял 3 дня) и из старых (8 дней). В таких экстрактах содержится достаточное для роста дрожжей количество всех питательных веществ, кроме глюкозы, которую добавляли отдельно.
Оказалось, что дрожжи, культивируемые на “молодой” питательной среде, живут дольше, чем такие же дрожжи, выращиваемые на “старой” (рис. 23.1). Выяснилось также, что экстракт старых клеток сокращает жизнь дрожжам в том числе и в очень высоких концентрациях. То есть дело не в том, что в “старом” экстракте не хватает чего-то полезного (иначе повышение концентрации сгладило бы эффект), а в том, что в нем присутствует что-то вредное. Дополнительные эксперименты показали, что низкомолекулярная фракция дрожжевого экстракта сильнее влияет на продолжительность жизни, чем высокомолекулярная. Это логично, поскольку низкомолекулярные соединения легче усваиваются клетками.
рис. 23.1. Выживаемость дрожжей на “молодой” и “старой” питательной среде. По вертикальной оси – процент выживших клеток, по горизонтальной – число отпочкованных дочерних клеток (репликативный возраст). По рисунку из Lee et al., 2017.
Опыт на дрозофилах. Простейший лабораторный корм для дрозофил готовят на дрожжевой основе (50-60 г свежих дрожжей долго варят в литре воды) с сахаром и еще кое-какими добавками. Исследователи заменили в этом рецепте вареные дрожжи на экстракт молодых или старых дрозофил. Для приготовления экстракта молодые мухи (в возрасте 3–5 дней после выхода из куколки) живьем замораживались в жидком азоте. Затем их толкли в порошок, разводили в воде и центрифугировали. При этом все нерастворимое выпадало в осадок, а супернатант (надосадочную жидкость) использовали вместо дрожжей в рецепте мушиного корма. Для “старого” корма использовали мух, умерших естественной смертью в возрасте 30–60 дней. Количество мушиного экстракта, добавляемого в корм, подбирали таким образом, чтобы содержание белков в нем оставалось неизменным по сравнению со стандартным кормом на дрожжевой основе.
Оказалось, что на “молодой” диете самки дрозофил живут в среднем дольше, чем на “старой”. Самцов не тестировали попросту потому, что у экспериментаторов не хватило заготовленных на корм старых мух, такое тоже случается в науке. Таким образом, закономерность, обнаруженная у дрожжей, оказалась справедливой и для самок дрозофил.
Опыт на мышах. Чтобы протестировать группу мышей на продолжительность жизни, требуется много корма, ведь мыши живут года два-три, а иногда и больше. Поэтому можно понять исследователей, решивших не связываться с массовой заготовкой мышиного мяса и использовавших более доступный материал – мясо молодых (трехлетних) и старых (двадцатипятилетних) самцов благородного оленя. Этих животных разводят на фермах, поэтому добыть оленя нужного возраста не составляет большого труда. Содержание белков и жиров в мышцах молодых и старых оленей различается (у молодых больше белка и меньше жира), что может влиять на продолжительность жизни тех, кто ими питается. Поэтому ученым пришлось сбалансировать “молодую” и “старую” диету по белку, жиру и калорийности путем смешивания стандартного мышиного корма с оленьим мясом в разных пропорциях.
Диета не повлияла на продолжительность жизни самцов мышей, зато по самкам результаты получились такие же, как по дрожжам и дрозофилам: на “старой” диете самки прожили меньше (на 13 %), чем на “молодой”.
Таким образом, на всех трех объектах было показано, что “старая” диета сокращает жизнь по сравнению с “молодой”. Этот результат согласуется с предположением, согласно которому молекулярные изменения, происходящие с возрастом, негативно сказываются на жизнеспособности, а “плохая биохимия”, характерная для старых организмов, может негативно влиять на продолжительность жизни тех, кто ими питается.
Данное исследование отличается от большинства научных статей, публикуемых сегодня в высокорейтинговых журналах, своей удивительной простотой и дерзостью. Использованные методы уязвимы для критики. Например, молодые дрозофилы для приготовления экстракта замораживались живьем, а старые – посмертно, так что отличались они не только возрастом. Симбиотические микроорганизмы – бактерии и дрожжи, живущие в кишечнике и на поверхности тела дрозофил, – могли пережить замораживание и затем размножиться на мушином корме, влияя на продолжительность жизни тестируемых мух (причем известно, что состав мушиной микробиоты с возрастом меняется). У тестируемых дрожжей измеряли репликативный возраст, однако для приготовления питательной среды клетки сортировали по хронологическому (потому что так проще). Самцов дрозофил, как упоминалось выше, не тестировали вообще. Первые два вида кормили экстрактами конспецифичных организмов, а мышей – не мышатиной, а олениной (поскольку трудно запасти столько мышатины).
Проведенные опыты должны быть многократно повторены другими исследователями, прежде чем мы получим право делать на их основе далеко идущие выводы. Но все же совпадение результатов, полученных на трех модельных объектах, впечатляет. Будем надеяться, что дальнейшие исследования скоро покажут, насколько общий характер имеет обнаруженная закономерность и какие именно “старческие вещества” негативно сказываются на продолжительности жизни.
