Поиск фактора сытости

В 1949 году, всего через четыре года после выхода в свет оригинальной работы Гетерингтона по исследованию патологий ядра, ученые из лаборатории Джексона в городе Бар Харбор заинтересовались мышью, которая, кажется, была беременна. Мышь была интересна тем, что всегда все съедала подчистую, а при внимательном изучении вдобавок оказалась самцом. Ученые столкнулись с разновидностью ожирения у мышей, которое развивается в результате спонтанной генетической мутации. Зверька назвали Жирдяем, потому что он был очень толстым и ел за пятерых (рис. 30). Для своих габаритов он обладал низким уровнем расхода энергии и страдал от метаболических нарушений, совсем как человек с избыточным весом. В этом случае ожирение оказалось наследуемым признаком. Ученые определили, что за тучность фигуры отвечает определенный ген, который они назвали ob-ген.

Рис. 30. Мышь Жирдяй. Рядом с ним обыкновенная мышь.

Так началась эра генетических исследований причин ожирения. В 1969 году Лоис и Теодор Цукер обнаружили вид ожирения у крыс, очень напоминавший случай Жирдяя. Ген ожирения крыс тоже передавался по наследству, как и ob-ген. Крысы невероятно полнели, в основном потому, что имели непомерный аппетит (но не только по этой причине). Некоторые особи весили больше одного килограмма и очень напоминали крыс с патологией ядра гипоталамуса. Толстые грызуны получили название тучные крысы Цукера. В следующие десятилетия возникли новые генетические модели развития ожирения у грызунов, в том числе диабет у агути. Ученые описывали генетические мутации, но не могли определить функции мутировавших генов и установить их взаимосвязь.

В 1959 году, через 10 лет после того, как был описан случай Жирдяя, физиолог из Университета Лидса Ромэйн Херви провел серию опытов, результаты которых пролили свет на тайну ожирения крыс с патологией ядра, разжиревшей мыши Жирдяя и тучных крыс Цукера. Он провел парабиоз – хирургическую операцию, суть которой в том, что двух мышей соединяют друг с другом хирургическим путем вдоль боковых поверхностей тела и превращают их в сиамских близнецов. Парабиоз необходим для того, чтобы системы циркуляции крови двух мышей соединились в одну. В этом состоянии мыши медленно обмениваются кровью, в результате чего гормоны, которые производит одна из мышей, попадают в организм второй. Такая экспериментальная модель позволяет выяснить, возникает ли интересующая их особенность – в данном случае ожирение – под воздействием гормона, находящегося в кровеносной системе.

Херви решил проверить, развивается ли ожирение у крыс с патологией ядра гипоталамуса при участии гормона. Ученый повредил вентромедиальное ядро одной крысы, при этом парабиозная крыса-близнец не подвергалась хирургическому вмешательству. Результат эксперимента был просто поразительным. Как и ожидалось, крыса с поврежденным ядром стала объедаться и быстро набрала излишний вес. Совершенно неожиданным было то, что вторая крыса-близнец со здоровым гипоталамусом потеряла интерес к пище, сильно похудела и умерла от голода. Вскрытие показало, что внутренние органы крысы с патологией мозга утопали в жировой ткани, а в теле близнеца жировая прослойка полностью отсутствовала.

Херви решил, что некий фактор попал в кровь крысы с патологией вентромедиального ядра и перешел по общей кровеносной системе в организм крысы-близнеца. В результате у близнеца пропал аппетит и истощилась адипозная ткань. Взяв за основу теорию Гордона Кеннеди, Херви предположил, что жировая ткань вырабатывает особый гормон – фактор сытости. Его концентрация в крови отражает степень адипозности, т. е. чем больше у человека жира, тем выше концентрация гормона в крови. Гормон сытости попадает в кровь и направляется в центр сытости, чтобы помочь головному мозгу контролировать аппетит и сдерживать адипозность (см. рис. 31). Когда жировая масса увеличивается, повышается и фактор сытости. Он подавляет аппетит и возвращает адипозность к нормальному состоянию. То же верно и в обратном порядке: когда жировая масса уменьшается, снижается и фактор сытости. В этом случае появляется аппетит, и жир снова накапливается до нормы. Согласно теории Херви фактор сытости и вентромедиальное ядро гипоталамуса образуют систему обратной связи, которая контролирует стабильное состояние адипозности. Система получила название липостат от греческих слов «жир» и «постоянство».

Рис. 31. Липостатическая система Ромэйна Херви. Жировая ткань (внизу) вырабатывает фактор сытости, который воздействует на мозг (вверху), который, в свою очередь, контролирует аппетит и сдерживает адипозность.

Поврежденный центр сытости в мозгу подопытной крысы сделал ее невосприимчивой к фактору сытости. Мозг крысы считал, что она голодна, и заставлял ее уничтожать огромные порции пищи, что привело к ожирению. Херви считает, что растущая жировая масса крысы с поврежденным мозгом сильно повысила концентрацию фактора сытости в крови, но его присутствие было совершенно неэффективным. Однако мозг второго близнеца был по-прежнему в состоянии отвечать на фактор сытости. Гормон продолжал поступать в организм второго близнеца, и в результате крыса перестала есть, сильно похудела и медленно умерла от голода.

В начале 1970-х годов в лаборатории Джексона снова вспомнили мышь Жирдяя. Исследователь Даг Коулмэн решил получить больше информации о таинственной мыши, которую в этой самой лаборатории обнаружили в 1949 году. Он предположил, что у ожиревших мышей в том эксперименте тоже наблюдался сбой в работе липостата, как у крыс с патологией вентромедиального ядра. Прибегнув к методу парабиоза, Коулмэн соединил мышь с избыточной жировой массой с нормальной здоровой мышью. В отличие от эксперимента Херви, здоровая мышь Коулмэна продолжала принимать пищу, при этом ее вес был стабильным. Упитанный же близнец переживал глубокие трансформации: у него снизился аппетит, он перестал набирать вес. Метаболические расстройства, которые повлекло за собой ожирение, пришли в норму. Коулмэн пришел к выводу, что толстая мышь испытывала нехватку этого призрачного фактора сытости в крови. Ob-ген кодирует информацию о структуре фактора сытости, а у мыши с ожирением этот ген как раз работал неправильно. Взаимодействие со здоровой мышью помогло организму толстой мыши восстановить поврежденный гормон, нормализовать аппетит, снизить вес и улучшить метаболизм. Коулмэн опубликовал свое исследование 1973 году. Но все же ob-ген до сих пор не исследован.

Работа Коулмэна стала важной ступенькой на пути к разгадке тайны ожирения. Результаты его опытов дали нам четкое представление о том, как мозг контролирует аппетит и следит за полнотой тела. У толстой мыши была генетическая мутация, которая деактивировала гормон фактора сытости. Если бы ученым удалось отыскать этот ген, определить, какой гормон он кодирует и понаблюдать за его работой, то они могли бы добраться до истоков адипозности, к которым они так и не смогли до сих пор подобраться.

Херви и Коулмэн продемонстрировали, что серьезные нарушения работы липостатической системы, например патологии мозга или генетические мутации, влияют на пищевое поведение и состояние адипозности. Но не было ни одной работы, которая бы доказала важную роль фактора сытости при нормальных условиях питания и регуляции адипозности. Рут Б. Харрис, выпускница факультета Херви, решила восполнить это недостающее звено в цепочке знаний об ожирении. Она провела дальнейшие исследования в Университете Джорджии в начале 1980-х годов. Группа исследователей под руководством Харрис провела операцию парабиоза у двух здоровых крыс. Одну из них они решили откармливать через трубочку.

Таким же способом на птицефермах выкармливают гусей на фуа-гра. Ученые предположили, что фактор сытости должен присутствовать также в организме здоровых животных. Таким образом, когда откормленная крыса начнет набирать вес, вместе с жиром должен появиться фактор сытости в чрезмерных количествах. В этом случае второй близнец начнет меньше интересоваться пищей и, предположительно, похудеет. Харрис и ее помощники приступили к эксперименту. Пока одна из крыс отъедалась и полнела, у второй, как и ожидалось, истощались запасы жира. В ходе дальнейших исследований выяснилось, что даже небольшие изменения в диете неперекормленного близнеца способствовали быстрому снижению веса. Снова подтвердилась гипотеза о том, что жировая ткань (или нечто с ней связанное) способна вырабатывать сильный гормон, который сдерживает желание потреблять пищу и контролирует адипозность. Этот гормон функционировал не только в организме животного с патологией или мутациями, но доказал свою важность в регуляции аппетита и адипозности при нормальных условиях.

Постепенно все исследователи разными путями пришли к единому мнению. Несмотря на то, что все модели развития адипозности создавались независимо друг от друга (патология вентромедиального ядра гипоталамуса, мутировавший ген Жирдяя, тучные крысы Цукера и откармливание), они воздействовали на одну и ту же систему регуляции адипозности. Мыши с ожирением не могли производить фактор сытости, крысы с патологией ядра гипоталамуса и тучные крысы Цукера не могли его воспринимать, а перекормленные животные производят его слишком много. Независимые модели ожирения указывают на важность липостата – системы регуляции адипозности, которую Херви описал в 1959 году.

Но одного согласия ученых друг с другом было недостаточно, чтобы выяснить, какой именно гормон отвечает за работу системы. Харрис и другие исследователи уже перебрали все известные в то время гормоны, которые «ходили под подозрением». Было совершенно ясно, что фактор сытости контролирует аппетит и состояние адипозности, но никто не знал, что он из себя представляет.

«Я – детский врач, – произнес Руди Лайбел с довольно сильным нью-йоркским акцентом, – простой детский эндокринолог, которого беспокоило, что младенцы и дети постарше набирают лишний вес. И однажды я решил что-то с этим сделать. Я люблю рассказывать эту историю, потому что все в ней – чистая правда».

Сегодня профессор Лайбел изучает причины ожирения в Колумбийском университете. В конце 1960-х годов и в начале 1970-х он был молодым практикантом. В то время исследование проблем ожирения находилось в зачаточном состоянии, и отсутствие надлежащих знаний порождало самые безумные теории о причинах его возникновения. Ожирение в основном считали сопутствующим фактором медленного обмена веществ или непонятного гормонального дисбаланса. В худшем случае ожирение рассматривали через призму психоаналитики, как «невроз, физическое проявление которого заключается в накапливании жира». В лучшем – как нравственное падение в результате обжорства или отсутствия силы воли.

Лайбел примкнул к числу ученых, которые не испытывали удовлетворения от подобных объяснений. Во время практики в Массачусетской общей больнице он познакомился с феноменом мыши Жирдяя, который переедал и толстел без видимого психического расстройства или нравственного падения. Кроме того, он изучил множество работ по этой проблеме, которые проводились в течение последних 100 лет. Все они говорили о том, что масса тела человека находится под контролем, правда, непонятно под каким. Самым ранним исследованием на тему контроля адипозности стала работа немецкого физиолога Рудольфа Ньюмана. Он тщательно следил за собой с 1895 по 1987 год и записывал объем потребляемых калорий и свой вес. Ньюман отметил, что в течение трех лет его вес оставался удивительно стабильным, хотя он не прилагал для этого никаких сознательных усилий. Но вот объем потребляемых калорий все время менялся в течение короткого времени. «Наверное, тогда я в первый раз задумался о том, что в организме человека должен присутствовать некий сложный механизм, который контролирует вес и массу тела и поддерживает их в нормальном состоянии», – вспоминает Лайбел.

Его впечатлили результаты многочисленных исследований, которые говорили о том, что организм человека отчаянно борется с серьезными кратковременными изменениями веса в результате пере- и недоедания. Первое и самое значимое исследование по этой теме получило название Миннесотского голодного эксперимента. Его провел крупный специалист по питанию Ансел Кис в последние годы Второй мировой войны. Цель эксперимента заключалась в том, чтобы изучить эффект голодания на состояние тела и сознания человека. Через шесть месяцев полуголодного существования 36 добровольцев потеряли примерно четверть своего обычного веса. Худоба добровольцев была ожидаемым последствием, но ученому показалось интересным то, что произошло с ними после отмены голодного режима. У них разгорелся зверский аппетит, вследствие чего вес и состояние адипозности быстро возвратились к норме. По мере того как мужчины набирали вес, их аппетит снизился, и затем рост массы и веса тела остановился на той отметке, с которой они начали свое участие в эксперименте. Стало ясно, что адипозность и появление аппетита контролирует некая мощная внутренняя система.

Оказалось, что система работает и в обратном направлении, сопротивляясь сильному набору веса в течение короткого времени. Исследователь проблемы ожирения Итан Симс в 1960-х годах откармливал группу худых заключенных За четыре-шесть месяцев их вес увеличился на 25 процентов. Однако мужчины не страдали от сколько-нибудь значительного избыточного веса даже в конце эксперимента, потому что их тела боролись с угрозой ожирения. Симс писал, что ему приходилось ежедневно давать подопытным мужчинам по 10 000 ккал, чтобы они продолжали стабильно набирать вес. Этот объем калорий в четыре раза превышал дневную норму взрослого мужчины. По окончании эксперимента у заключенных пропал аппетит на несколько недель. Большинство из них снова вернулись к своему нормальному весу. Таким образом, снова подтвердилась теория о том, что в теле человека работает система регуляции аппетита и веса.

Лайбел изучил работы Фрёлиха, Гетерингтона, Рансона, Херви и Коулмэна, которые считали, что мозг управляет аппетитом и адипозностью. В 1978 году он перешел работать в Университет Рокфеллера в Нью-Йорке, поставив перед собой цель разгадать секрет фактора сытости. Он проводил свои исследования под руководством признанного специалиста по ожирению Жюля Хирша. Это решение стоило Лайбелу звания профессора Гарвардского университета и половины заработной платы.

Лайбел провел несколько лет, безуспешно изучая предполагаемые факторы ожирения. Но с появлением новых технологий в области генетики появилась возможность определить в неизвестных генах наличие мутации, приводящих к развитию заболеваний. Для современных ученых это обычное дело, но в то время и при имевшихся технических средствах это был настоящий подвиг. При этом результаты получались не самыми надежными. Принимая во внимание заключения Коулмэна о состоянии Жирдяя, Лайбел решил «попробовать найти мутации в генах мыши, страдавшей ожирением». В прошлом ученые уже определили, что отсутствие гормона сытости у мышей с врожденной склонностью к ожирению передавалось по наследству. Также было известно, какой ген кодирует интересующий Лайбела гормон – это был ob-ген. Генетический дефект мыши с ожирением предоставил ученым молекулярную точку входа, через которую они могли постепенно подойти к разгадке биологии аппетита и регуляции массы тела.

У Лайбела были идеи и энтузиазм, но ему недоставало опыта работы с современными техническими приспособлениями. Он нуждался в технически подкованном волшебнике, который мог бы мгновенно осваивать новшества молекулярной биологии. Таким человеком был одаренный и энергичный доцент Джеф Фридман из Университета Рокфеллера. В 1986 году Лайбел и Фридман начали совместную работу над «клонированием» ob-гена. Они намеревались найти его место в геноме и определить его последовательность ДНК.

Затем последовали изнурительные эксперименты, на которые ушло восемь лет, четыре тысячи мышей и сто человеко-лет работы. Результаты исследования потрясли до самого основания сложившиеся принципы изучения ожирения и положили начало развитию новой, более состоятельной научной дисциплины.

Когда Лайбел и Фридман сузили круг поисков до ob-гена, Фридман все больше беспокоился о том, что Лайбелу, как старшему, достанется львиная доля денег за открытие гена. Фридман настаивал на том, чтобы Лайбел держался подальше от лаборатории, где шла их работа, но Лайбел все равно продолжал играть ведущую роль в проекте.

Пока Лайбел ничего не подозревал, 1 декабря 1994 года Фридман опубликовал статью в журнале Nature, где раскрывал природу ob-гена. Ген кодирует синтез пептидного гормона. Он возникает в жировой ткани и затем попадает в кровеносную систему. Фридман назвал пептидный гормон лептином, от греческого слова leptos, что значит «тонкий». Кроме того, он выяснил, что геном человека содержит практически идентичный ген. Статья заканчивается пророческими словами:

«Распознанный ob-ген открывает нам дверь для дальнейших исследований регуляции адипозности и массы тела. Мы сможем глубже понять природу (развития) ожирения».

Фактор сытости был найден. И ожирение вот-вот готово было перейти в ранг биологических проблем.

Имена Лайбела и большинства других ученых, которые занимались развитием этого проекта, были вычеркнуты из списка авторов исследования. За день до выхода статьи Фридман подал патент на лептин. После отчаянной битвы между фармацевтическими компаниями патент достался компании Amgen за 20 миллионов долларов. Компания намеревалась превратить лептин в сильнейшее лекарство для похудения.