Обри ди Грей - Отменить старение

ни Гоше от вызывающего заболевание отсутствия определенного фермента особенно страдают макрофаги. Поэтому к ферменту прицепляется направляющий молекулярный агент, узнаваемый макрофагами и играющий роль пропуска внутрь этих клеток. Тот же прием может быть применен, чтобы нацеливать ферменты, нужные для очистки клетки от веществ, обусловливающих лизосомальную недостаточность макрофагов при атеросклерозе.

Этот метод обладает тем преимуществом, что его относительно легко осуществить и притом скоро; он уже применяется для некоторых идентифицированных заболеваний (так что имеется довольно обширный клинический опыт применения основной методики). Однако у него есть и различные ограничения. Одно из них состоит в том, что его трудно использовать для переноса ферментов через гематоэнцефалический барьер, представляющий собой высокоэффективный механизм защиты мозга от контакта со многими потенциально вредными веществами, присутствующими в крови. Ясно, что, если введенные ферменты не могут проникнуть в мозг, то пользы от них маловато, а для лечения возрастных дегенеративных заболеваний нервной системы и вовсе никакого толку. У страдающих болезнью Гоше иногда развиваются неврологические осложнения вследствие ферментативной недостаточности, а введение гидролаз помогает им слабо.

К счастью, есть некоторые успехи в поисках путей переноса белков через гематоэнцефалический барьер, так что в будущем, надо думать, появятся гораздо более эффективные системы доставки. Сравнительно скоро станет возможной разновидность клеточной терапии, включающая введение больному клеток, производящих нужные ферменты и секретирующих их в кровяное русло или в тканевую жидкость.17 Этот подход, аналогичный лечебному пластырю (например, никотиновому), непрерывно выделяющему лекарственное вещество (в данном случае фермент), был бы исключительно ценным. В настоящее время для лечения лизосомальных болезней накопления делают регулярные инъекции опасных доз требующегося больному фермента, а если ферментов нужно несколько (чтобы противодействовать всем типам лизосомальной недостаточности, связанной со старением или возрастным заболеванием), то введение таких количеств может оказаться нереальным. Ферментов нужно много потому, в частности, что часть из них – протеазы (т.е. расщепляют белки), но сами ферменты – это тоже белки, так что протеазы в лизосомах на деле расщепляют себя и друг друга.

Конечно, в идеале надо было бы человеческие клетки модифицировать путем соматической генной терапии, т.е. ввести ДНК, обеспечивающую синтез недостающих ферментов в нуждающихся в них клетках. Но это, как и клеточная терапия, еще далеко от клинического применения против старения. Правда, основные трудности будут преодолены сначала для лечения

лучше изученных расстройств, в частности серповидноклеточной анемии и тяжелого комбинированного иммунодефицита (новорожденных с последним заболеванием приходится держать в стерильных условиях). Можно рассчитывать в некоторой степени “повиснуть на хвосте” этих исследований. В самом деле, раз уж соматическую генную терапию можно применить для лечения относительно распространенных генетических нарушений, ею, без сомнения, поспешат воспользоваться и те, кто ищет пути лечения лизосомальных болезней накопления – для замены генов, кодирующих недостающие гидролазы. Специфическая генная терапия для страдающих лизосомальными болезнями накопления станет ценным источником информации и сотрудничества для разработки методов генной терапии в рамках проекта “LysoSENS”.

Задача третья: попасть в лизосому

Эта задача сходна с вышеописанной второй: лизосомальные ферменты не принесут пользы и даже могут причинить вред, будучи введены в испытывающие их нехватку клетки (или синтезированы там – в случае генной терапии), но локализованы не в лизосомах, где накапливается данный отход и где среда достаточно кислая для их нормальной активности. Тут тоже потенциальное решение уже используется при лизосомальных болезнях накопления: сахар манноза–6–фосфат, узнаваемый и поглощаемый (вместе с прицепленным к нему “грузом”) лизосомами.

И снова мы учимся прятать карты в рукав. Нам нужно использовать существующую систему адресной доставки, обеспечивающую поступление в лизосомы отходов, так, чтобы она доставляла туда же ферменты. (Эта система называется аутофагией, опосредуемой шаперонами.) Так же, как лизосомы поглощают различный клеточный “мусор”, они станут включать в себя нужный фермент – гидролазу, способную сохранить и восстановить их нормальное функционирование.

Можно было бы также воспользоваться преимуществом системы адресной доставки, уже имеющейся в организме, из которого выделили нужный фермент. Для целенаправленной биологической очистки окружающей среды обычно используются бактерии, так как эти микроорганизмы быстро переваривают свою пищу. Грибы же считаются слишком медленными – как в питании, так и в росте, – чтобы обеспечить практичное решение проблемы нефтяных разливов или загрязнения среды выбросами химикатов. Но при возрастной лизосомальной недостаточности токсичные отходы накапливаются медленно и в относительно небольших объемах, так что скоростные качества не очень важны. А грибы выгодны тем, что у них, как и у челове-

ка (но не как у бактерий) есть собственные подобные лизосомам структуры (называемые вакуолями), по многим важным свойствам сходные с соответствующими органеллами человеческих клеток (включая, например, необходимость в кислой внутренней среде для нормального функционирования). “Грибные” ферменты могут уже обладать свойствами, полезными для осуществления “LysoSENS” у людей.

Задача четвертая: возможные побочные эффекты

Даже если у нас есть способы доставить нужные ферменты в лизосомы пораженных клеток, остается существенная проблема – не допустить, чтобы это вмешательство причинило вред. Начать с того, что вводимые ферменты могут, как отмечалось ранее, проявить свою активность не только в лизосомах. Но этого можно особо не опасаться, так как (и о том неоднократно уже говорилось) лизосомальные ферменты активны в кислой среде, а значит, их активность в цитоплазме клетки будет, вероятно, очень незначительной.

Кроме того, можно так модифицировать фермент, чтобы он активировался только внутри лизосом. Такая модификация может состоять в присоединении дополнительной последовательности аминокислот, не дающей белку проявлять свою ферментативную активность и отщепляемой внутри лизосом находящимися там активными ферментами. Таким образом, активная форма фермента будет существовать только в лизосомах. Звучит замысловато, но этот подход должно быть не слишком трудно осуществить, так как он от природы реализуется в человеческих клетках для безопасной доставки некоторых белков из нормального набора лизосомальных ферментов.

Еще одним поводом для беспокойства является то, что вводимый фермент может вызвать иммунный ответ (как любой чужеродный белок). Но опыт лечения лизосомальных болезней накопления позволяет полагать, что эта проблема не столь велика, как можно было бы ожидать. Вспомним, что для индивида, от рождения неспособного производить гидролитические ферменты, эти белки столь же чужеродны, как микробные гидролазы для здорового человека. В норме в организме вырабатывается толерантность к собственным белкам, поскольку иммунная система имеет с ними дело, начиная с ранних стадий внутриутробного и раннего постнатального развития, так что организм воспринимает их как свои. При лизосомальных болезнях накопления в силу отсутствия некоторых генов не синтезируются кодируемые ими белки и иммунной системе эти белки не представлены, поэтому иммунологической толерантности по отношению к ним нет. У таких больных действительно наблюдаются иммунные реакции, правда, они всег-

да умеренные и со временем сходят на нет. По–видимому, это объясняется так: при ферментозаместительной терапии ферменты доставляются в лизосомы таким образом, что клетка не может их представить на своей поверхности, а это необходимо для иммунного ответа.

Более того, даже если осуществляется не ферментозаместительная терапия, а генная терапия или аутофагия с участием шаперонов, появление нового фермента в организме не станет опасным. Многие медицинские вмешательства (трансплантация органов, противоаллергические препараты и др.) включает подавление избыточного иммунного ответа, и это не вредит здоровью Можно сделать так, чтобы нужный фермент синтезировался в костном мозге (так уже поступали в случае некоторых лизосомальных ферментов), тогда в силу самой роли этой ткани в иммунной системе должна развиться толерантность.

Внутри и снаружи

Как видим, чтобы воспользоваться новыми гидролитическими ферментами для очистки клеток от “мусора”, что предотвратит или обратит многие из наиболее разрушительных расстройств здоровья в пожилом возрасте, придется преодолеть некоторые сложности. Но, как я показал вам, на случай каждой из этих сложностей имеются вполне реализуемые решения, которые либо уже применяются для лечения известных (врожденных) лизосомальных болезней накопления, либо коренятся в других интенсивно разрабатываемых областях. Если идентифицированы нужные ферменты, то не за горами лечебные методы первого поколения по типу ферментозаместительной терапии лизосомальных болезней накопления – лечение дорогое, не очень–то удобное и с ограниченными возможностями, но все же спасительное. По мере прогресса в генной терапии и других технологиях, применяемых при лизосомальных болезнях накопления, эти методы постепенно усовершенствуются, станут более объемлющими, безопасными и эффективными.

Путь к этим решениям, как и во многих других случаях, зависит от междисциплинарного синтетического подхода в областях науки, вроде бы мало имеющих отношение к старению. Ясно, что тут нужны вложения частного и общественного капиталов, особенно в собственно биогеронтологических исследованиях, которые испытывают острую нехватку как финансирования, так и интеллектуальных затрат, и без которых величайший убийца современного мира будет по–прежнему находить жертвы, мучить и убивать множество людей каждый день, час, минуту.

Давайте теперь перейдем от внутриклеточного “мусора” к агрегированному материалу на поверхности клеток: оценим степень его вредоносно-

сти; подумаем, что с ним можно поделать; разберемся, каким образом он угрожает здоровью человека и как он связан с рассмотренной нами проблемой лизосомальной недостаточности.

8

Очистка клеток от паутины



Наши клетки – а, следовательно, наши организмы в целом – постепенно повреждаются белковым по происхождению мусором, который годами копится с межклеточном пространстве. Лучше всего известна связь с такой грязью – или, если угодно, паутиной

– болезни Альцгеймера, однако можно назвать и другие не менее летальные патологии. К счастью, для медицины и нашего здоровья здесь далеко не все потеряно: недавние весьма обнадеживающие исследования демонстрируют, что мы в силах натравить свою иммунную систему на эту опасную накипь.

 В предыдущей главе говорилось о мусоре, который с возрастом скапливается внутри наших клеток – о том, как он способствует процессу биологического старения и что можно сделать для расчистки этих завалов. Сейчас мы обратимся к грязи, собирающейся снаружи наших клеток и тканей, опутывающей их паутиной нефункциональных белков и затрудняющей нормальную работу организма. Очевидно, она тоже способствует старению и развитию возрастных патологий.

Речь пойдет главным образом о том или ином типе амилоида. Естественно, сталкиваясь с этим термином, почти каждый вспоминает о бета–амило- идном белке (известном также как “амилоид бета”), который образует похожие на капельки воска “сенильные бляшки”, накапливающиеся вокруг кле-

ток головного мозга у людей с болезнью Альцгеймера. Однако с аномальными белковыми агрегатами такого типа связаны и многие другие, менее известные заболевания (амилоидозы). Большинство амилоидов – это опутывающие клетки цепочки молекул, начинающие свое существование как нормальные белки, естественным образом присутствующие в нашей крови или омывающей мозг цереброспинальной жидкости (ликворе). При определенных условиях амилоидами становятся различные их компоненты, включая легкие цепи иммуноглобулинов (входящие в состав антител нашей иммунной системы), транстиретин (белок, транспортирующий в крови вырабатываемые щитовидной железой гормоны) и островковый амилоидный полипептид, известный также как амилин (короткий белок, который вместе с инсулином помогает нам поддерживать в крови оптимальный уровень сахара).

Будут эти белки функциональными или превратятся в тенета, выжимающие жизнь из наших клеток и органов, зависит от того, как свернуты их молекулы. Неправильная пространственная конфигурация белковой цепочки может превращать ее в бесформенный комок, способный к токсичным взаимодействиям с аналогичным мусором или другими клеточными компонентами. Белки, вызывающие амилоидозы, содержат участки, которые, оказавшись по какой–то причине на поверхности молекулы, легко “прилипают” к другим, тоже испорченным, белкам, в результате чего начинает самостоятельно расти их зловещая паутина. В норме эти “липкие” места надежно упакованы внутри замысловатой трехмерной структуры, поэтому таких патологических взаимодействий не происходит. Неправильное свертывание молекулы обнажает ее зоны, запускающие самосборку амилоидной сети, удушающей клетки.

Многие амилоидозы – результат присутствия у их жертв дефектных генов, обусловливающих появление опасных белковых продуктов. В некоторых случаях мутация изменяет состав, а в результате и конфигурацию полипептидной цепочки, открывая для взаимодействий ее пресловутые “липкие” участки. Могут также происходить мутации в генах, кодирующих ферменты, которые в норме разрезают полипептид (“процессируют” его) на функциональные единицы, необходимые для сборки необходимых нам молекул. В результате разрезание происходит, скажем, слишком близко к опасным местам, которые опять же выходят из–под контроля окружающей третичной структуры. Еще один путь патогенеза врожденного амилоидоза – ошибки при синтезе белков–шаперонов, помогающих потенциально амилоидогенным полипептидам принять безопасную (неамилоидогенную) пространственную конфигурацию.

Однако, помимо этих наследственных патологий свертывания белковых молекул, существуют универсальные амилоидозы, причина которых

не в мутациях, а в принципиальной способности нормально работающих белков постепенно портиться в молекулярном водовороте клеточной биохимии. Испытывая непрерывное воздействие свободных радикалов, сахаров (да–да, сахаров, см. гл.9) и вибраций, белки то и дело слегка теряют форму – “приоткрываются”, становясь зародышами амилоидной паутины. Испорченная молекула, цепляясь за окружающие нормальные белки, может в свою очередь деформировать их настолько, что обнажаются все новые “липкие” места, обеспечивающие самосборку амилоидного материала. Пример быстрого протекания такого процесса – почечная недостаточность, связанная с неспособностью организма выводить с мочой бета–2–микро- глобулин. В норме это абсолютно безопасный белок, помогающий организму отличать “свои” клетки от “чужих” – бактерий и прочих микроорганизмов. Однако без регулярного выведения бета–2–микроглобулина из крови его уровень там непрерывно растет, и со временем концентрация становится достаточно высокой для запуска самопроизвольного слипания этих молекул с образованием амилоидных отложений.

По мнению кембриджского профессора Криса Добсона, всю жизнь изучающего болезни неверного белкового свертывания, “в определенных условиях, по–видимому, любой белок [курсив мой] способен давать амилоидные фибриллы,… хотя тенденция к образованию таких структур при конкретных обстоятельствах, сильно зависит от его природы”1. Со временем эти фибриллы накапливаются до потенциально патологического уровня, оплетая наши клетки и органы, заглушая их, как повилика огородные грядки.

Оковы интеллекта

Большинство исследователь считает сейчас, что все ужасы болезни Альцгеймера объясняются главным образом аномальным процессингом (разрезанием ферментами) вполне нормальной молекулы, известной как бе- лок–предшественник амилоида (БПА). Это вещество образуется в головном мозгу каждого человека и необходимо для какой–то жизненно важной функции. Похоже, в частности, что правильно процессированный БПА нужен нейронам для многих ключевых форм их активности, включая перестройку клеточных связей в процессе нашего обучения (накопления информации) и отращивание ветвящихся “проводов” (нейритов) для общения с другими нервными клетками.

В норме БПА синтезируется в цитоплазме нейрона, а затем процессируется ферментом из группы эндопептидаз – альфа–секретазой2. В результате

получаются две молекулы, одна из которых остается в мембране нейрита, а вторая высвобождается во внутриклеточную жидкость. Альфа–синтетаз- ный процессинг БПА не может привести к образованию вредного бета– амилоида. На следующем этапе один из образовавшихся полипептидов перерезается другим ферментом – гамма–секретазой.

БПА становится опасным только тогда, когда по ошибке разрезается не альфа–секретазой, а другим, родственным ферментом – бета–секретазой 3. Бета–секретаза, как и БПА, сама по себе не вредна: у нее свое место в клеточной “фабрике” – это часть ее другого сборочного конвейера. На нем этот фермент в норме разрезает не БПА, а похожие на него по молекулярной структуре другие белки. Однако бета–секретаза может так же действовать и на БПА – разрезать его, хотя и не там, где надо. В результате конформация конечного белка меняется – образуются молекула с совершенно иным поведением внутри клетки.

Ситуация примерно такая: очень ответственный и полезный фабричный рабочий бета–секретаза идет по цеху, возвращаясь, скажем, с обеденного перерыва, видит лежащий на стоящем конвейере БПА и считает, что это непорядок. Оглядевшись и не увидев поблизости альфа–секретазы, бета–се- кретаза решает оказать услугу товарищу, выполнив часть его задания – благо сама она всю жизнь рубит этот БПА. Сверхусердный фермент отделяет от него часть молекулы – немного неправильной формы – и бросает ее назад на конвейер, несущий фрагменты БПА на дальнейшую обработку к гам- ма–секретазе. Та в свою очередь слишком занята, чтобы заметить разницу: она рубит дефектный кусок БПА точно так же, как результат правильной модификации исходного белка альфа–секретазой. Бета–амилоид и является результатом этой неверной последовательности операций: последовательного процессинга БПА не альфа– и гамма–, а бета– и гамма–секретазами.

При адекватной обработке БПА его средний фрагмент (между местами разрезания альфа– и гамма–секретазами) принимает форму, напоминающую растянутую пружину. Эта конформация называется альфа–спиралью. Неуместное вмешательство бета–секретазы (при невольном соучастии гам- ма–секретазы) ведет к появлению аномальной пространственной структуры. Представьте себе, что вы разрезали сильно растянутую пружину ножницами: ее фрагмент может резко сжаться, превратившись в нечто похожее на многократно согнутую шпильку (бета–слой). Именно это придает бета–амилоиду роковую молекулярную липкость, характерную для амилоидных белков.

Высвобожденные гамма–секретазой бета–амилоидные фрагменты (мономеры) сначала свободно плавают внутри головного мозга. Рано или поздно они сталкиваются друг с другом и благодаря своей “липкости” соединя-

ются в более крупные – но пока еще подвижные – агрегаты, называемые олигомерами. Эти волокна в свою очередь склеиваются между собой во все более длинные разветвленные фибриллы, которые в конечном итоге уже не могут оставаться растворенными в ликворе и, выпадая в осадок между нейронами, образуют те самые сенильные бляшки. Под микроскопом бывает видно, как эта опутывающая наш интеллект паутина распространяется на вспомогательную часть нервной ткани (глиальные клетки) и нейриты (проводящие отростки, о которых говорилось выше).

У некоторых людей образуется необычно много бета–амилоида – из–за врожденных мутаций, ведущих либо к образованию слишком больших количеств собственно БПА (т.е. к повышению шансов на его неправильный процессинг с формированием липких бета–слоев), либо к синтезу дефектных секретаз, которые справляются с избирательным раскроем БПА хуже, чем их нормальные варианты. Однако поскольку в организме каждого из нас присутствуют и БПА, и ферменты, время от времени превращающие его

вбета–амилоид, мы все производим эту липкую грязь. А поскольку она образуется постоянно, накопление ее до критической концентрации, ведущей к выпадению осадка в виде бляшек альцгеймеровского типа – всего лишь вопрос времени. И действительно, к старости у всех людей в головном мозгу присутствует хотя бы некоторое количество таких сенильных бляшек.

Таким образом, речь идет об очередном неизбежном возрастном изменении, и резонно предполагать, что, заходя достаточно далеко, оно вызывает определенные неврологические проблемы. Вероятно, именно поэтому в большинстве случаев болезнь Альцгеймера не наследственная, а возникает спорадически среди генетически нормальной популяции: лежащие

вее основе биохимические процессы – неотъемлемая часть человеческого метаболизма. Факторы риска, вытекающие из образа жизни и генетической предрасположенности, просто ускоряют появление заметных нарушений нашего интеллекта и связанный с ними распад личности 4. Исходя из вышесказанного, понятно также, почему, если не считать крайне редких наследственных случаев, когда эти нарушения развиваются в сравнительно раннем возрасте, болезнь Альцгеймера почти никогда не диагностируется у людей моложе 50… и почему после 65 заболеваемость ею каждые пять лет удваивается, а в результате число ее жертв по мере старения очередного поколения увеличивается подобно рисовым зернам на шахматной доске из старинной притчи. Мозг каждого человека медленно, но верно опутывается сетью бета–амилоидных бляшек. Рано или поздно их количество достигает уровня, не позволяющего больше вести достойную жизнь и сохранять свою уникальную личность – лишающего нас ценностей, над созданием которых мы работали долгие годы. Если не появится какого–нибудь радикаль-