В 1988 г. Кристоф Рихтер, Джин-Йо Парк и Брюс Эймс из Университета в Беркли сравнивали количество повреждений в митохондриальной и ядерной ДНК (которая защищена собственной мембраной и белками и находится на некотором расстоянии от митохондрий). Возможно, их результаты могут подтвердить справедливость митохондриальной теории старения: окислительные повреждения митохондриальной ДНК примерно в 20 раз сильнее повреждений ядерной ДНК. На протяжении 1990-х гг. несколько групп ученых пытались воспроизвести эти результаты, однако полученные данные характеризуются очень сильным разбросом. В более поздней статье Брюса Эймса и Кеннета Бекмана отмечается, что оценки окислительных повреждений расходятся более чем в 60 тыс. раз! (Всегда приятно, когда ученые не боятся пересматривать ими же выдвинутые теории.) Никто не говорит, что ранние данные были подтасованы: дело в том, что даже более совершенные современные методы измерения приводят к большому числу ошибок. Эймс и Бекман заключают следующее:
«В целом, несмотря на достаточную популярность и простоту идеи о том, что митохондриальная ДНК подвергается более сильному окислительному повреждению, чем ядерная ДНК, у этой идеи пока нет никаких весомых оснований. Из-за несоответствия методов анализа окислительных повреждений приходится заключить, что мы пока не знаем базового уровня окислительных повреждений митохондриальной ДHK; более того, у наc нет хороших оценочных данных окислительного повреждения ядерной ДНК, с которыми можно проводить сравнение».
Указывают ли эти несоответствия между экспериментальными данными на несостоятельность митохондриальной теории старения? Если говорить о теории в ее первоначальном виде, пожалуй, это так. Кроме того, есть несколько соображений биологического плана. Например, хотя в стареющих тканях число митохондрий уменьшается, их размер увеличивается, а эффективность работы снижается, они тем не менее выполняют свою функцию и редко демонстрируют признаки катастрофических повреждений, предсказываемых митохондриальной теорией старения. В соответствии с этой теорией серьезно поврежденные митохондрии должны дестабилизировать клетку и запускать программируемую клеточную смерть — апоптоз. Однако анализ показывает, что апоптоз в стареющих тканях происходит совсем не в том масштабе, как предсказывает теория. Как же поврежденные митохондрии сохраняют целостность? Дело в том, что они имеют по множеству копий своих генов, сосредоточенных в виде функциональных кластеров, что обеспечивает наличие хотя бы одной нормальной копии каждого гена. Кроме того, оказалось, что митохондрии лучше справляются с репарацией повреждений, чем думали раньше. В 1997 г. был выделен фермент, исправляющий окислительные повреждения в митохондриальной ДНК. Далее, митохондрии могут переносить большое количество мутаций; по-видимому, они обладают механизмом редактирования РНК, позволяющим синтезировать нормальные белки. Наконец, если митохондриальная ДНК настолько чувствительна к повреждениям, почему она сохранилась в ходе эволюции? Почему не все митохондриальные гены были перенесены в ядро? Генетические исследования показывают, что никаких физических преград на этом пути не существует, так что сохранение митохондриального генома должно давать клетке какие-то преимущества
[75]. Из всех этих рассуждений следует, что митохондриальная теория старения в ее первоначальном виде несостоятельна.
Однако для всех видов организмов существует слишком явная связь между метаболизмом и старением, чтобы можно было отказаться от митохондриальной теории. Последовательность митохондриальной ДНК действительно изменяется сравнительно быстро (за несколько поколений), что означает, что она в большей степени подвержена мутациям, чем ядерная ДНК. Кроме того, митохондрии в стареющих тканях все же повреждены, хотя и не катастрофически. Таким образом, может оказаться справедливой более гибкая версия митохондриальной теории старения. Мне нравится модель, предложенная Томом Кирквудом и немецким биохимиком Акселем Ковальдом; это так называемая модель МАRS (Mitochondria, Aberrant proteins, Radicals, Scavengers). Кирквуд, имеющий математическое образование, не стал вдаваться в детали конкурирующих гипотез, а сделал шаг назад и занялся анализом более общих взаимодействий в клетке. В частности, Кирквуд и Ковальд заинтересовались тем, что произойдет с оборотом клеточного белка при незначительном ослаблении функции митохондрий. Они сделали три допущения: 1) свободные радикалы могут выходить за пределы митохондрий и повреждать другие компоненты клетки, такие как аппарат синтеза белка; 2) предотвращение и репарация повреждений никогда не достигают 100%-ной эффективности; 3) слегка поврежденные, но функциональные митохондрии производят меньше энергии, чем в норме, что в результате приводит к энергетическому дефициту в клетке (другими словами, клетка не может производить столько энергии, сколько ей требуется).
Кирквуд и Ковальд ввели эти допущения в математическую модель, чтобы посмотреть, насколько эта ситуация соответствует возрастным изменениям. Математические уравнения из их статьи, опубликованной в 1996 г., приведут в ужас любого биохимика, однако выводы кажутся вполне логичными. Даже очень слабое несоответствие между скоростью образования свободных радикалов и способностью клетки исправлять повреждения в сочетании с растущим дефицитом энергии постепенно приводят к ослаблению функции митохондрий. Это происходит на протяжении многих десятилетий, но в конечном итоге достигает некоего порогового значения. По-видимому, в тот момент митохондрии напоминают митохондрии из старых тканей. Теперь сложности возникают не только в митохондриях, но и в аппарате синтеза белка. Довольно быстро по сравнению с длительностью всего процесса клетка перестает справляться с поддержанием биохимического равновесия. И когда это равновесие потеряно, клетке остается только ждать гибели. Модель описывает как временнýю шкалу, так и ускорение процессов старения, наблюдаемых в реальной жизни. Важно, что ни в какой момент времени в модельной системе не происходит критического снижения производительности системы. Клеточные ресурсы являются недостаточными с самого начала, что и является причиной постепенного упадка.
Хотя модельные уравнения неизбежно упрощают реальную систему, я согласен с выводом Кирквуда и Ковальда о том, что эта модель адекватна и позволяет изучать процесс старения. Модель определяет грань между теоретически возможным и невозможным. Надежных экспериментальных данных у нас нет, так что это, по-видимому, единственный верный путь. И в таком случае можно сделать важный вывод. Нарушение митохондриального дыхания рано или поздно приводит к повреждению клетки. Скорость этого процесса зависит от способности клеток защищаться, но эффективность защиты никогда не достигает 100%, так что все существа, имеющие митохондрии, должны умереть. Этот вывод возвращает нас ко второму важному вопросу: как некоторым клеткам и даже некоторым простым животным удается избежать старения?
