Как стареют клетки

Клетки: между жизнью и смертью

«Против часовой стрелки. Что такое старение и как с ним бороться».
Глава из книги Полины Лосевой опубликована на сайте «Элементы».

Чем дольше клетка живет и чем больше в ней бурлит химических реакций, тем сильнее она заполняется молекулярным мусором и тем быстрее стареет. Но процесс клеточного старения не сводится к накоплению отходов, это отдельная фаза жизни, подобно тому, как старость человека – это не только толстая медицинская карта, но еще и опыт, специфический тип мышления и меняющийся характер.

Клетки, казалось бы, – вполне себе самостоятельные организмы в миниатюре. Но каждый раз, когда я говорю о том, что клетка «решает размножиться» или «страдает от стресса», с точки зрения биологии я, конечно, лукавлю: никаких чувств и уж тем более свободы воли у клетки нет. Она, скорее, напоминает кораблик из спичечного коробка, который весенний ручей несет по улице под горку. И единственный способ противостоять потоку – зацепиться за какую-нибудь веточку или уткнуться носом в бордюр тротуара. Такой кораблик будет крепко держаться на месте, но, увы, не уплывет далеко.

Старение можно рассматривать как такую спасительную гавань, где клетка прячется от потока мусора, который сносит ее в сторону превращения в опухоль или смерти. Но чем больше кораблей встало на мель посреди потока, тем меньше становится флот и тем сложнее ему лавировать среди множества препятствий. И чаще всего старые клетки оказываются невыгодным приобретением для ткани, усложняя жизнь всем своим соседям.

Старый или немощный

Прежде чем двигаться дальше, давайте определимся с терминами. Если вы откроете какой-нибудь агрегатор научной литературы (например, Google Scholar или Pubmed) и поищете словосочетание «aged cell» (дословно «старая клетка»), то результатов получите на удивление мало. Но это не значит, что старение клеток никто не изучает, просто в научных кругах принято использовать другой термин – «senescent cell». Для него нет специального русского аналога, но больше всего подошли бы слова «дряхлая» или «немощная». Это позволяет разделить хронологический возраст клеток и их настоящую старость.

В нашем организме немало клеток, которым столько же лет, как и всему остальному телу. Чаще всего в пример приводят нервные клетки, которые практически не размножаются после появления человека на свет. А недавно оказалось, что некоторые клетки печени, поджелудочной железы и стенок сосудов также сопровождают организм (по крайней мере, у мышей) с самого рождения. У пожилого человека этим клеткам тоже немало лет, и их можно было бы назвать «aged cells». Однако этот факт говорит лишь о том, что они давно перестали делиться, но никак не характеризует их работоспособность. А под термином «senescent cell» подразумевают только такую клетку, функции которой нарушены и которая не может считаться полноценным членом общества, вне зависимости от того, сколько ей лет.

В русскоязычной научной литературе иногда встречается термин «сенесцентная клетка», полная калька с английского. Тем не менее, чаще говорят о «старых» или «стареющих» клетках, имея в виду, в общем, то же самое. В целях благозвучия я буду использовать все эти обозначения в качестве синонимов, но речь вести буду именно о дряхлых, неполноценных клетках. И дело не в их хронологическом возрасте: потерять работоспособность клетка может в любое время – будь ей 100 лет или всего несколько месяцев.

Старая и сенесцентная клетки: не путать!

К возрасту организма в целом сенесцентные клетки тоже имеют мало отношения. Несмотря на то, что с возрастом их становится все больше (например, в жировой ткани людей в 31 год нашли 4% таких клеток, а в 71 год – более 10%), делать однозначные выводы о старости организма по количеству старых клеток пока не удается. Это связано с тем, что иногда ткани стареют с разной скоростью: у и того же человека можно найти множество сенесцентных клеток в коже, и ни одной – среди иммунной системы. Это может быть связано с конкретными заболеваниями: известно, что сенесцентные клетки накапливаются при ожирении, остеоартрите, деменции и множестве других болезней. Поэтому их количество может свидетельствовать скорее об общем здоровье организма, чем о его хронологическом возрасте.

Клеточные судьбы

Жизнь клетки, подобно человеческой, представляет собой этапы взросления, которые плавно перетекают друг в друга, и старость – лишь один из них.

Самый ранний этап – сразу после отделения от материнской клетки – можно условно считать детством (хотя в клеточной биологии такого отдельного термина нет). В этой фазе клетка растет, увеличиваясь в размерах и накапливая белки: без достаточного количества энергии и строительных материалов она не сможет дальше ни размножаться, ни выбрать специализацию. Длится детство до тех пор, пока клетка не получает сигнал о том, что пришло время «учиться». Он может прийти от соседних клеток, межклеточного вещества или приплыть извне (посланцем может быть, например, какой-нибудь гормон из крови).

Дифференцировка, или специализация, – это сложный процесс, в ходе которого клетка под действием внешних стимулов выбирает свою дальнейшую судьбу: станет ли она, скажем, клеткой кости, печени или глаза. Получить профессию на клеточном уровне – значит произвести достаточное количество необходимых белков. И уже под действием этих белков клетка принимает новую форму, отращивает жгутики или учится проводить импульсы, то есть приобретает профессиональные навыки. Когда же клетка полностью специализировалась, она становится терминально дифференцированной. И наступает зрелость.

Зрелость – это время, в течение которого клетка выполняет свои основные обязанности, например, сокращается и расслабляется, накапливает жиры или выделяет гормоны в соответствии со своей профессией. Зрелые клетки, как правило, не делятся, почти не растут (кроме жировых и других запасающих клеток) и не способны изменить своему призванию. Для большинства клеток в организме так проходит большая часть жизни. В каждый момент времени, кроме разве что зародышевого периода, таких клеток в организме большинство.

Но есть и другие, которые не проводят свои дни за работой. Это, например, стволовые клетки, они заняты размножением.

Деление – это сложное для клетки решение, которое она принимает под действием множества факторов. Из крови или тканевой жидкости приходят факторы роста – сигнальные вещества, которые заставляют ее делиться. Они особенно убедительны, если в клетке достаточно энергии и еды – тогда она начинает производить белки-стимуляторы деления. Соседние клетки, наоборот, запрещают деление, если в ткани не хватает места, – под их влиянием в клетке образуются белки-блокаторы. Клетка и сама может запретить себе размножаться, если в ней скопилось множество белкового мусора или мутаций. Если же, с учетом всех этих факторов, стимуляторов все-таки оказывается больше, чем блокаторов, клетка начинает удваивать свою ДНК и органеллы. После разделения пополам концентрация белков-стимуляторов падает, но, как только новая клетка полностью сформировалась, они могут накопиться снова и запустить очередной цикл размножения.

Бывают в жизни стволовой клетки и периоды отдыха – покоящееся состояние. Если ткань не нуждается в постоянном пополнении клеточных ресурсов (как, например, глаз или мышца), то стволовые клетки замирают в начале цикла деления и ждут сигнала извне. Когда возникает потребность в новых клетках, например при повреждении ткани, стволовые клетки выходят из покоящегося состояния и приступают к размножению.

Разные фазы существования у клеток, как и у людей, почти не перекрываются друг с другом. Так, размножение плохо совместимо с работой, и если клетка полностью дифференцирована, она обычно не способна делиться. Поэтому выбор: остаться стволовой или уйти в дифференцировку – важная развилка в жизни каждой клетки. Если стволовая клетка еще может однажды «получить образование» и перестать размножаться, то для профессионала обратной дороги нет. Большинство дифференцированных клеток не способны вернуться назад в покоящееся или стволовое состояние. Именно поэтому человеку так плохо удается регенерация: клеточный запас постепенно истощается, а специалисты уже разучились размножаться и пополнить его не в силах.

Финалом клеточной жизни становится смерть, которая может прийти в разных обличьях. Современная классификация клеточных смертей включает в себя пару десятков сценариев, которым позавидовал бы и Данте. Среди них есть и расплавление, и поглощение, и медленное поедание, но в большинстве случаев естественная смерть клетки наступает посредством апоптоза. Его еще называют программируемой клеточной гибелью или клеточным самоубийством. Это реакция клетки на внешний сигнал (например, от иммунной клетки) или на внутренние неисправности: мутации в ДНК, белковые агрегаты, дырявые органеллы. Орудием самоубийства является группа ферментов каспаз: они расщепляют внутриклеточные молекулы, в результате чего клетка распадается на множество мембранных пузырьков. Апоптоз можно предотвратить на ранних стадиях, но если за дело уже взялись каспазы, то клетка обречена.

Старость – еще одна фаза клеточной жизни, откуда нет дороги назад. Но, в отличие от человека, клетка может постареть практически на любом этапе своей жизни, будь она примерным семьянином (стволовая), успешным профессионалом (дифференцированная), отъявленным бандитом (раковая) или подростком (недавно отделившаяся от материнской). Для этого нужен сильный стресс: это может быть внутренний окислительный стресс (накопление активных форм кислорода) или другие обстоятельства – перепады давления и температуры или токсичные вещества (подробнее о том, как они связаны между собой, мы поговорим в главе «Виноват стресс»). Под действием стресса клетка перестает выполнять прежние функции и приносить пользу клеточному сообществу.

Старость, как и смерть, может настигнуть клетку на любом этапе жизни.

Поймать момент, когда клетка внезапно превращается в старую, довольно сложно. Это процесс постепенный. Но вот отличить старую клетку от молодой гораздо проще, чем найти определение для старого человека. Возможно, дело в том, что перед учеными не стоит задачи выявить все до единой старые клетки в организме. Для каждого эксперимента достаточно общего понимания картины: много таких клеток или мало и где они расположены. Поэтому критерии старости могут быть сугубо функциональными: что может, чего не может, как выглядит, что делает.

Репродуктивный закат

В отличие от людей, сенесцентные клетки соответствуют репродуктивному критерию – они действительно не размножаются. В самых ранних работах по клеточному старению авторы оценивали возраст клеток так: высаживали их поодиночке в чашки Петри, а через некоторое время подсчитывали размер колоний, которые выросли из каждой клетки. И количество потомков служило мерилом клеточной молодости.

Этот критерий справедлив далеко не для всех клеток, равно как и не для всех людей. Большинство клеток во взрослом организме – зрелые, терминально дифференцированные, а размножение – прерогатива стволовых клеток и их ближайших потомков. А многие специализированные клетки делиться не будут даже в культуре, вне зависимости от возраста и работоспособности. Но для стволовых клеток этот критерий работает и широко применяется, поскольку их основная функция в организме – в любой момент обеспечить пополнение клеточного резерва.

Тем не менее, в некоторых случаях дифференцированные клетки приобретают способность делиться. Именно таким способом амфибии отращивают себе утраченные конечности. А вот у млекопитающих размножение клетки-специалиста может стать началом беды: это чаще всего означает, что клетка «бросает» свою профессию и превращается в опухоль. Чтобы этого не происходило, в стареющих клетках – которые копят мутации и рискуют стать опухолевыми – начинают свою работу два белка, р16 и р21, которые намертво блокируют цикл деления. Именно эти белки сегодня считаются самым достоверным отличительным признаком сенесцентных клеток. И именно они не дают клеткам не только превратиться в опухоль, но и участвовать в процессе регенерации (подробнее об этом я расскажу в главе «Виноват рак»).

Между жизнью и смертью

В отличие от человеческой жизни, старение клетки не влечет за собой ее смерть. Клетка может рано состариться и провести весь остаток жизни в таком состоянии, пока организм не погибнет целиком. Старость в этом смысле – тоже карьера, она не позволяет клетке переходить в другие состояния: размножаться, менять профессию и даже умирать. Старые клетки устойчивы к основным механизмам клеточной гибели. Они в некотором смысле зависли на границе двух миров: уже не вполне живые, так как не могут размножаться, но и умереть не в силах.

Обычно, чтобы покончить с собой, клетки используют программу апоптоза. Она запускается в ответ на внутриклеточные поломки: повреждение мембраны митохондрий или мутации в ДНК. Спусковым крючком, то есть главным двигателем апоптоза, служит белок р53. Именно его активируют белки, которые «вываливаются» из дырявых митохондрий, и он же принимает химический «сигнал тревоги» от системы ремонта ДНК, когда она обнаруживает мутации. В свою очередь, р53 останавливает деление клетки и запускает работу разрушительных ферментов каспаз.

Система клеточного самоубийства имеет множество полезных функций в организме. Помимо расчистки места для новых клеток, она позволяет также уничтожить потенциально опасные клетки, которые могут потом превратиться в опухолевые.

Но если перед нами сенесцентная клетка, то убивать ее бессмысленно, так как размножаться она все равно не способна, а следовательно, не может вырасти в опухоль. Кроме того, это невыгодно по экономическим соображениям. Апоптоз – процесс дорогостоящий, каждая молекула каспазы на каждую реакцию разрушения очередной молекулы тратит клеточную энергию. Но если клетка состарилась, то, вероятно, ее митохондрии повреждены, и тогда скудных энергетических «заначек» не хватает даже на бытовой ремонт, не говоря уж о самоубийстве.

Наконец, в старом организме избавляться от клеток просто опасно: клеточные запасы становятся все меньше, и если избавиться еще и от старых клеток, то в тканях возникнет острый кадровый кризис. Поэтому сенесцентные клетки производят большое количество противоапоптотических белков – блокаторов апоптоза, и могут ломаться сколько угодно, не рискуя погибнуть. Справиться с ними могут только иммунные клетки, если примут их за врага-чужака или клеточный мусор.

Старческий консерватизм

Следующий признак старой клетки – неспособность учиться новому. Иными словами, она не может воспользоваться собственной генетической информацией.

Все клетки организма содержат одинаковые (кроме точечных отличий) молекулы ДНК, а значит, в каждой из них есть полный комплект генов. Но после дифференцировки клетке-профессионалу понадобится только небольшая часть информации. Клетке кости совершенно не нужно производить зрительные пигменты, а нейрону никогда не пригодятся инсулин или гемоглобин. И подобно тому, как школьник, вырастая, забрасывает учебники на антресоль, клетка постепенно скручивает часть своей ДНК, заставляя «молчать» не нужные ей гены.

За сворачивание ДНК отвечают ферменты метилтрансферазы: они навешивают на определенные участки генов метки (метильные группы), которые делают эти участки более липкими, то есть фактически работают как скотч, клейкая лента. Помеченные области ДНК прочно слипаются друг с другом, и считать с них информацию у клетки уже не выйдет. Переход генов из «активных» в «молчащие» и наоборот называют эпигенетическими изменениями (в отличие от наследственных, генетических изменений в самой последовательности ДНК), а метки на ДНК – эпигенетическими маркерами.

Главные перестройки генов происходят, когда клетка получает свою профессию и выбирает, какие из них «закрыть». Поэтому в ядре стволовой клетки гораздо больше раскрученной ДНК, чем у терминально дифференцированной. Но даже зрелая клетка-профессионал в течение жизни продолжает понемногу сворачивать ДНК, и иногда сенесцентные клетки можно вычислить просто по количеству скрученной ДНК.

Эпигенетические маркеры определяют степень скручивания ДНК.

Одновременно с этим идет и другой процесс – раскручивание старых клубков ДНК. По мере того как вслед за школьными учебниками на антресоль постепенно отправляются и другие полезные книги, из старых чуланов выползает давно забытая рухлядь, занимает место на столе и пылит на всю квартиру. Так, с возрастом раскручиваются участки ДНК со спрятанными ретротранспозонами, о которых мы говори ли в предыдущей главе. Безумный ксерокс выходит на свободу и начинает размножаться, повреждая те гены, которые еще доступны клетке.

Таким образом, клеточная жизнь сопровождается крупными переупаковками в ядре: одни участки ДНК сворачиваются, другие разворачиваются. Это связано с тем, что в клетке есть несколько типов метилтрансфераз: одни отвечают за поддержание старых эпигенетических маркеров, другие – за навешивание новых. С возрастом соотношение их активности меняется: первые расслабляются, а вторые, напротив, усиливают свои позиции. Поэтому опознать старую клетку можно не только по ее способностям и немощам, но и по тому, какие части ее ДНК активны, а какие, напротив, «молчат» – то есть по набору эпигенетических маркеров.

Потеря памяти

С возрастом ДНК не просто перестраивается, но и становится короче. Каждая из 46 наших хромосом – это отдельная нить, по краям которой находятся особые участки – теломеры. При каждом делении клетки небольшой кусочек теломер теряется. Это связано с тем, что полимеразы – белки, которые копируют ДНК, – не могут начать строить вторую цепочку с самого края, им необходимо сначала закрепиться и взять разгон. Поэтому они садятся на «затравочную» молекулу РНК, которая позже исчезает, а самый кончик молекулы, на который крепилась РНК, остается неудвоенным. Одиночные цепи ДНК в клетке долго не живут: их распознает система противовирусной защиты, принимая за кусок чужеродного генома, и уничтожает. Так хромосома становится короче.

В этом нет большой беды именно потому, что на концах хромосом находятся теломеры – набор бессмысленных повторов, которые не несут генетической информации. Они нужны как раз для того, чтобы их терять. Но после определенного количества делений теломеры заканчиваются, и под угрозой исчезновения при копировании оказываются настоящие, «содержательные» гены. В этот момент клетка перестает размножаться, чтобы не лишиться ценной информации и не наплодить потомков-мутантов, – и становится сенесцентной.

Этот феномен, еще не зная ничего о роли теломер, впервые описал Леонард Хейфлик. Он обнаружил, что даже активно размножающиеся клетки теряют эту способность примерно после 50 раундов деления. Это пороговое значение получило название предела Хейфлика . То есть за 50 циклов размножения теломеры становятся критически короткими и клетка стареет. Поэтому клеточный возраст можно оценивать и по длине теломер. Чем быстрее клетка перестает размножаться, тем короче у нее были изначально теломеры и, следовательно, тем старше она была на момент старта эксперимента.

Укорочение теломер – неизбежный дефект копирования ДНК.

Однако потеря теломер – это не просто возрастное изнашивание ДНК. У клетки есть способы справиться с укорочением хромосом (подробнее об этом мы поговорим в главе «Виноват рак»), но чаще всего она их не применяет. Дело в том, что остановка деления – это еще один защитный механизм. Защищается таким образом клетка все от того же – от рака. Ведь если дать клеткам возможность размножаться бесконечно, то вместе со здоровыми клетками будут делиться и мутантные, и придется иметь дело уже не с одной опухолевой клеткой, а с целой колонией.

Бабушкин чулан

Следующим признаком старения должно было стать накопление внутриклеточного мусора. Однако использовать его как маркер старости довольно трудно. Проблема в том, что большинство поломок в клетках индивидуально. «Все счастливые семьи похожи друг на друга, каждая несчастливая семья несчастлива по-своему» – мы знаем, как должны выглядеть «здоровые», нетронутые клеточные молекулы, но предугадать, в каком именно месте какая из них сломается, практически невозможно.

Исключение составляют разве что «пигменты старения», например липофусцин – комок из перекрестно сшитых белков. Он выглядит как желто-коричневые гранулы, которые легко рассмотреть в микроскоп. Правда, не во всех клетках человека его можно обнаружить. Зато его аналоги встречаются и у довольно далеких от нас животных, например круглого червя Caenorhabditis elegans, что позволяет изучать старение на клеточном уровне и у него.

В остальных случаях искать конкретные типы поломок в клетках – задача неблагодарная. И исследователи ориентируются обычно на косвенные признаки: работу клеточных систем по уборке мусора. Это может быть, например, аутофагия, то есть самопоедание. Чтобы переварить крупные скопления белков или целые органеллы, клетка окружает их мембранным пузырьком – вакуолью – и впрыскивает внутрь пищеварительные ферменты. Так клетки с возрастом заполняются прозрачными мембранными пузырьками. Правда, их наличие свидетельствует только о том, что клетка занималась уборкой у себя внутри, и ничего не говорит о том, одерживает ли она победу над мусором или уже готова сдаться.

Другой признак уборки – пищеварительные ферменты. Во многих современных исследованиях клеточное старение определяют по активности бета-галактозидазы, фермента для расщепления углеводов, который работает во всех клетках и которого с возрастом становится все больше. Впрочем, и бета-галактозидазный тест не гарантирует нам успех. Иногда он дает положительный ответ в тех случаях, когда клетки по остальным признакам старыми не считаются: например, в покоящихся стволовых клетках или в бессмертных (иммортализованных) лабораторных культурах. Поэтому, чтобы быть уверенным в том, что перед нами именно сенесцентная клетка, лучше пользоваться несколькими критериями одновременно: например, бета-галактозидазным тестом и накоплением белков р16 и р21, которые останавливают деление.

Вредные советы

Наконец, подобно многим пожилым людям, сенесцентные клетки любят давать советы – то есть выделять вещества, воздействующие на окружающих. Строго говоря, это характерно для любых клеток нашего организма, но в сенесцентных клетках набор этих веществ-советов особенный. Его назвали SASP 67 – аббревиатурой, которая не имеет русских аналогов (senescence-associated secretory phenotype, дословно «секреторный фенотип, связанный с сенесцентностью»).

В этот набор входит несколько групп белков: факторы роста (они сигнализируют клеткам о необходимости размножаться), металлопротеазы (запускают разрушение межклеточного вещества) и провоспалительные белки (привлекают иммунные клетки и подстегивают их работу). Этот набор советов серьезно вредит соседним клеткам и ткани в целом. Межклеточное вещество разрушается, в ткани образуются дыры, клетки начинают делиться – и превращаются в опухоли, а иммунные клетки развязывают настоящую войну. Они заползают в ткань, чтобы уничтожить старые клетки, но в процессе борьбы с ними выделяют множество токсичных веществ. Это приводит к тому, что соседние клетки начинают себя чувствовать неуютно (испытывают стресс) и тоже стареют. По ткани прокатывается эпидемия старости.

Сенесцентная клетка: досье.

Летом 2018 года в журнале Nature вышла статья, авторы которой провели эксперимент по пересадке старости. Они взяли обычных мышей, забрали у них клетки, состарили их радиацией и подсадили эти клетки другим молодым мышам. Всего через неделю состояние мышей-реципиентов всерьез испортилось: их здоровье стало хуже по множеству показателей, они стали медленнее бегать, а их мышцы ослабли. При этом в организме мышей стали ускоренно образовываться собственные сенесцентные клетки – то есть пример «подсадных стариков» в буквальном смысле оказался заразен. Такой эффект возник при пересадке всего лишь полумиллиона сенесцентных клеток – это примерно 0,01% от всех клеток организма мыши. Поэтому не стоит недооценивать опасность сенесцентных клеток: они быстро пополняют свои ряды.

Исходя из этого, кажется, что верным способом борьбы со старением мог бы быть избирательный отстрел сенесцентных клеток. Такие методы действительно существуют, я еще расскажу о них подробно в третьей части книги. Проблема только в том, что старые клетки в ткани – как и пожилые люди в человеческом обществе – играют свою немаловажную роль.

В небольших дозах их советы вполне полезны организму: коль скоро какие-то клетки перестали выполнять свои функции, то надо перестроить ткань (разрушить межклеточное вещество), дать дорогу молодым (то есть запустить деление новых клеток) и призвать иммунные клетки, чтобы те расчистили ткань от мусора. Сенесцентные клетки встречаются даже у зародышей – в растущих тканях они помогают разметить части будущего органа, а потом гибнут под натиском иммунных клеток, как, например, в перепонках между пальцами у млекопитающих. Поэтому запретить их раз и навсегда не получится, а значит, придется искать какие-то другие способы смириться с их существованием.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru