биомолекула.ру. Взгляд изнутри.
 

Логин:
Пароль:


Анабиоз II. Смерть до востребования

[19 февраля, 2016 г.]

В сказке Ханса Кристиана Андерсена «Снежная королева», чтобы обрести подлинную свободу, надо было сложить из льдинок слово «вечность». Сейчас ученые думают достичь этой же цели, превратив уже самого человека в кусок льда как воплощение самого бессмертия...


Спецпроект по механизмам клеточного старения, долголетию и трансгуманизму

Спецпроект по механизмам клеточного старения, долголетию и трансгуманизму

Мы продолжаем цикл статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни». В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением, осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза.

Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений.

Краткое содержание спецпроекта освещено в видеоролике «Стареть или не стареть? // Всё как у зверей». Подробности же узнаете из наших статей.

Следите за обновлениями!


Статьи спецпроекта

  1. Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить
  2. Преодолевшие старение. Часть I. Кому выпал эволюционный джекпот?
  3. Преодолевшие старение. Часть II. Дети подземелья
  4. Ускорить и замедлить время для червя
  5. Искусственные органы и тканевая инженерия
  6. Анабиоз I. Минимальная жизнь
  7. Анабиоз II. Смерть до востребования
  8. Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни
  9. Сон и старение II: Чем отличается сон пожилых и больных от сна молодых и здоровых?
  10. Нутригеномика: питание vs. заболевания
  11. Нутригеронтология: питание vs. старение
  12. Голый землекоп и рак: кто кого?

Отголоски эры «первичного бульона»

Почему обезвоживание организма сопряжено с торможением «биохимической машины»? Чтобы ответить на этот вопрос надо ясно представлять, какую роль играют молекулы воды в организации «кирпичика» всего живого — отдельно взятой клетки.

Во-первых, вода — это уникальная среда для самоорганизации молекул органических веществ в надмолекулярные структуры типа фосфолипидного каркаса биомембран или третичной структуры белков. Во-вторых, вода — это универсальный растворитель, в котором при диссоциации солей образуются необходимые для генерации биопотенциалов ионы. «Правильно» собранные биомолекулы вместе с определенным количеством электролитов и обеспечивают ту пространственно-временную упорядоченность метаболизма, которая лежит в основе феномена жизни [1]. Всё просто, не правда ли?.. Слишком просто.

На самом деле о свойствах воды и ее роли в жизненных процессах написано много. Однако сейчас нас интересуют исключительно факт изъятия молекул воды и их загадочная роль в обеспечении обратимости анабиоза. Хотя... не такая уж это и загадка.

Представьте себе наваристый бульон для приготовления студня. Выражаясь научно, перед нами — желатиновая эмульсия на водной основе. Если бульон охладить, то он превратится в студень — гель, сильно отличающийся от своего жидкого состояния — золя. Считается, что жизнь зародилась в «первичном бульоне», капельки которого и стали собственно клетками.

Содержимое клеток периодически то сгущается, то разжижается, т.е. находится в состоянии обратимого фазового перехода «золь ↔ гель», равновесная точка в котором весьма неустойчива. Однако при обезвоживании равновесие смещается в одну сторону: «золь → гель → аморфное состояние коллоида → денатурация коллоида». Исходя из этой схемы, предполагается, что при анабиозе коллоидное содержимое клеток обезвоживается только до обратимого аморфного состояния, не достигая необратимой (а значит — по-настоящему смертельной) денатурации [2].

Живые мумии

Насколько следует «подсушить» организм, чтобы он погрузился в анабиоз, а не погиб от обезвоживания?

Наблюдения показали, что это возможно, если в организме остается не менее 10% воды, которой, однако, не хватает даже на однослойное покрытие молекул белков [3]. Это нередкое в природе явление высыхания до полусмерти, называют ксероанабиозом. В нём пребывают споры бактерий и грибов, мхи и лишайники, а также некоторые группы беспозвоночных (рис. 1) [4].

Селагинелла и Рамонда

Рисунок 1. В царстве растений ксероанабиоз характерен для низших растений — мхов и лишайников. Селагинелла или «воскресающий мох» пример тому. Однако и среди высших растений крайне редко, но встречается это удивительная способность к полному высыханию и «воскрешению» во влажной среде (например, рамонда сербская, она же — «феникс»). а — Селагине́лла чешуели́стная (Selaginēlla lepidophylla). б — Рамо́нда сербская (Ramonda serbica). Рисунки из «Википедии».

Объясняется это той ролью, которую играет ксероанабиоз: экстренная мера выживания в экстремальных условиях (рис. 2). В некоторых случаях эта мера оказалась настолько полезной (например, при образовании пыльцы у высших растений или цист у ракообразных), что эволюционно закрепилась как обязательный этап онтогенеза.

Космический комар

Рисунок 2. Личинки африканского комара-звонца Polypedilum vanderplanki в рамках российско-японского эксперимента «Космический комар» побывали в космосе. Оказывается, эти относительно крупные организмы, способны выдержать практически полное высушивание. В состоянии ксероанабиоза они могут выжить в экстремальных условиях среды, что и было проверено в 2014 году на борту МКС. Рисунок из [5].

Способность обратимо утрачивать без вреда для здоровья часть «телесной» воды свойственна всему живому. Однако способность к предельному обезвоживанию, как и длительность угнетения метаболизма, ослабевают по мере структурно-функционального усложнения организма (табл. 1) [2].

Таблица 1. Предельная степень обратимого обезвоживания разных организмов
ОбъектОбезвоживание, %
Коловратки, тихоходки, нематоды100
Кольчатые черви75
Насекомые12-26
Амфибии33-47
Пресмыкающиеся14
Мышь34
Человек10
Николай Павлович Кравков

Рисунок 3. Николай Павлович Кравков в своих экспериментах прибегал к методу изолированных органов. Наряду с кроличьими ушами, он мумифицировал человеческие пальцы! Только спустя пару-тройку месяцев они отмачивались в солевом растворе. Удивительно, но пальцы настолько восстанавливались, что на них потела кожа и отрастали ногти. Рисунок из «Википедии».

А как же грамотно «подсушить» организм?

Очевидно, следует испарить часть «телесной» воды, допустим нагреванием... Стоп! Но ведь значительное повышение температуры тела — гибельно, т.к. уже при 50 °С произойдет необратимое разрушение белковых молекул! Тем не менее, ещё в XIX веке это сделать удалось. И не раз!

Речь идёт об упоминавшемся ранее споре «Дуайер vs. Пуше» перед комиссией Парижского биологического общества. Тогда успех опытов Л. Дуайера заключался «в постепенности и в совершенстве высушивания животных. В этих целях мох, содержащий коловраток и тихоходок, выдерживался в течение 7 дней под колоколом воздушного насоса над серной кислотой и уже только затем помещался в водяную баню, где постепенно нагревался до 100 °С». Чтобы не «проскочить» стадию аморфного состояния, натуралист очень «мягко» нагревал объект в условиях разреженной атмосферы, и поэтому вода медленно испарялась при температуре меньшей, чем 100 °С, а водяной пар сразу поглощался серной кислотой [2].

Сегодня наиболее эффективным признано вакуумное высушивание организма. Его успех зависит от постепенности и равномерности процесса испарения воды, что, в свою очередь, зависит от объема биообъекта: чем организм меньше, тем удачнее он будет высушен. Этим объясняется успех полного высушивания пока что только микроскопических животных (табл. 1).

Следуя такой логике, обезвоживание небольших фрагментов организма представлялось весьма перспективным, что и было доказано Н.П. Кравковым ещё в 1922 году, в экспериментах с... кроличьими ушами. И поверьте, в опытах Николая Павловича, уши кролика — это далеко не «гвоздь программы» (рис. 3).

И все-таки, несмотря на феноменальную устойчивость некоторых существ к полному высушиванию, для среднестатистической клетки обезвоживание — это стресс! Точнее — гиперосмотический стресс, который развивается по следующему сценарию.

Сначала происходит обезвоживание околоклеточного пространства с закономерным возрастанием концентрации растворенных веществ, т.е. образуется гиперосмотическая среда. Она вытягивает воду из клетки, тем самым обезвоживая её. Клетка теряет объем, а ее плазматическая мембрана — сморщивается. Одновременно возрастает внутриклеточная концентрация электролитов, которые, разрушая ионные связи, снижают стабильность белковых молекул.

Эволюция микроорганизмов противопоставила процессу обезвоживания процесс накопления ксеропротекторов — соединений, защищающих микробные клетки от гиперосмотического стресса (табл. 2). Эти вещества стабилизируют белковые глобулы и биомембраны, замещая в них молекулы воды, и, облегчая тем самым, переход коллоидов в аморфное состояние [6, 7].

Таблица 2. Ксеропротекторы микроорганизмов
МикроорганизмыСовместимые вещества
АрхеиГлицинбетаин, β-глютамат
ЦианобактерииСахароза, трегалоза, глюкозилглицерин, глицинбетаин
Сульфатредуцирующие бактерииТрегалоза, глицинбетаин
Фототрофные бактерииСахароза, трегалоза, глицинбетаин, эктоин, гидроксиэктоин, N-ацетилглютаминилглютаминамид
МикроводорослиСахароза, глицерин, маннитол, пролин, глицинбетаин, диметилсульфониопропионат
Гетеротрофные бактерииПролин, глютамат, N-ацетилглютаминилглютаминамид, глицинбетаин, эктоин, гидроксиэктоин, трегалоза
АктиномицетыЭктоин, гидроксиэктоин, трегалоза, пролин, глютамат, аланин
ДрожжиГлицерин, арабиол, сорбитол, трегалоза
Примечание: наиболее распространенным ксеропротектором является дисахарид трегалоза, который выгодно отличается высокой температурой стеклования и неспособностью вступать в реакцию Майяра с молекулами белков [8].

В чертогах Снежной королевы

Обезвоженные клетки становятся чрезвычайно устойчивыми к действию экстремальных условий внешней среды, и в первую очередь — низких температур (рис. 4).

Сперматозоиды и икра

Рисунок 4. Сперматозоиды (а) в соответствии со своей специфической биологической ролью приспособлены к выживанию в очень жестких условиях среды. Они практически лишены жидкой части цитоплазмы и поэтому выдерживают полное замораживание без потери оплодотворяющей способности. Чтобы нас не обвинили в сексизме, заметим, что это под силу также яйцеклеткам ракообразных, рыб и амфибий (б). Рисунок из «Википедии».

Доказательств много, но мы приведем одно: недавно ученым из ПНЦ РАН (г. Пущино) удалось успешно возродить из плацентарной ткани плодов смолёвки узколистой (Silene stenophylla) целое растение. Казалось бы, что тут такого? Однако сухие плоды-коробочки пролежали в вечной мерзлоте около 30 тысяч лет [9]!

Конечно здесь речь идет скорее о гипобиозе, т.к. при температуре −7 °С полного промерзания тканей произойти не могло [1]. Но всё же это исследование подтверждает возможность чрезвычайно длительного низкотемпературного хранения обезвоженных клеток.

А что если организм заморозить без предварительного высушивания?

Теоретически, при температурах ниже −80 °С броуновское движение молекул воды в тканях прекращается, и организм должен погрузиться в состояние т.н. «криоанабиоза» [10, 11]. Понятно, что в природных условиях такое невозможно, и поэтому криоанабиоз — состояние неестественное, возможное только в условиях лаборатории.

Первое систематическое исследование криоанабиоза провел профессор Софийского университета Порфирий Иванович Бахметьев. Серия его опытов по охлаждению разной мелкой живности до сверхнизких температур (−90 ... −160 °С) позволила заключить: оживление полностью замороженного организма возможно только при сохранении в жидком переохлажденном состоянии содержащейся в нем воды [12]. Если же в клетках образовались кристаллики льда, то напрасно ждать после оттаивания организма его «воскрешения».

Также П.И. Бахметьев обнаружил, что шанс выжить после криоанабиоза уменьшается по мере структурно-функционального усложнения испытуемого животного. Получается, что особенности ксеро- и криоанабиоза весьма схожи и могут быть выражены тезисом: чем выше стоит организм на эволюционной лестнице, тем сложнее его высушить и/или заморозить, не убив при этом.

Успех криоанабиоза также зависит от объема биообъекта. Если организм не микроскопических размеров, то даже при очень низкой температуре он промерзает не мгновенно, а постепенно, проходя через состояние окоченения. В этом состоянии, когда мягкие ткани организма словно одеревенели (вспомним лесную лягушку из первой части), в его глубинах все же продолжает теплится скрытая жизнь, т.е. наблюдается низкотемпературный гипобиоз. Полное же промерзание организма обычно приводит к гибели из-за разрушительного действия образующегося в клетках льда. Именно поэтому до опытов с замораживанием человека дело де дошло, а вот его намеренное погружение в низкотемпературный гипобиоз было осуществлено аж в 1940 году!

Тогда американские ученые Тэмпл Фэй и Лоуренс Смит предприняли попытку лечения последней стадии рака путем переохлаждения организма. Им неоднократно удалось погрузить пациента, температура тела которого снижалась до 28–30 °С, в искусственную спячку на 5–8 дней. Общая же длительность гибернации составила 40 дней [13]! К сожалению, существенных результатов в лечении Фэй и Смит не добились, но представления о возможностях человеческого тела однозначно расширили.

А возможности человека — потрясают. Судите сами по следующим историям удивительных (если не сказать — чудесных) случаев «воскрешения» человека после чрезвычайно длительного (!) периода клинической смерти, наступившей в результате переохлаждения (рис. 5). Приготовились?

Выжившие после замораживания

Рисунок 5. Гости Ледяной Девы... Выжили! Слева направо: Эрика Нордби, Анна Багенхольм и Мицутаки Ючикоси. Рисунки с сайтов www.thestar.com, yle.fi и www.taringa.net.

Случай первый. В 1999 году 29-летняя австрийская студентка Анна Багенхольм, катаясь на лыжах, провалилась под лед. В ледяной воде она пробыла 80 минут. Половину этого времени Анна дышала благодаря воздушному пузырю подо льдом. Когда тело горе-лыжницы вытащили на поверхность, она была клинически мертва: зрачки расширены, дыхание и сердцебиение — отсутствуют, температура тела: 13,7 °С. Окоченевший труп...

Анна ожила через девять часов после, как оказалось, клинической смерти! Еще через 26 дней, оставаясь полностью парализованной, она пришла в сознание. Постепенно здоровье Анны полностью восстановилось [14].

Случай второй. В 2001 году 13-месячная Эрика Нордби пробыла голышом почти два часа на 24-градусном морозе. Когда девочку нашли, она была в состоянии клинической смерти с температурой тела: 16 °С. Эрика была успешно реанимирована, избежав ампутации обмороженных конечностей [15].

В обоих описанных случаях медицинская помощь была оказана относительно быстро, чего не скажешь о третьем случае, произошедшем в 2006 году, когда к 35-летнему японцу Мицутаки Ючикоси помощь подоспела только на 25-е сутки! Все это время он с переломами тазовых костей пролежал на горе Рокко.

Правда, когда Мицутаки нашли, у него прощупывался пульс, а температура тела составляла 22 °С. Поэтому здесь, вероятно, было состояние не гипобиоза, а, как в опытах Фэя и Смита, — гибернации [16].

Все три случая — это пример случайного совпадения факторов, используемых в современной медицине (например, при краниоцеребральной гипотермии) для погружения человека в состояние искусственного гипобиоза, когда полного промерзания организма не происходит. Эти случаи — пример низкотемпературного гипобиоза, но никак не криоанабиоза человека!

Так возможно ли обратимо полностью заморозить человека?

Рецепт полной заморозки

Единственным способом погружения организма в криоанабиоз является т.н. «шоковая заморозка», когда охлаждение происходит так быстро, что вода мгновенно переходит в аморфное состояние, не успев кристаллизоваться [17]. Размораживание тоже должно быть быстрым, во избежание рекристаллизации воды.

Пока что этот трюк удаётся осуществить только с отдельными клетками: культура распыляется в среде с температурой жидкого азота (−196 °С), где благодаря своему микрообъему, клетки мгновенно промерзают [18]. Доказано, что практически все виды микроорганизмов могут благополучно пережить «шоковую» заморозку.

А вот перспектива удачного замораживания многоклеточного организма пока туманна, т.к. связана с решением сложной проблемы: снижение скорости охлаждения воды с её последующим переходом в аморфное, а не кристаллическое, состояние [19, 20]. Определенная надежда здесь возлагается на криопротекторы — вещества, придающие организму устойчивость к замерзанию. Некоторые из криопротекторов являются одновременно ксеропротекторами, что лишний раз доказывает сходство механизмов ксеро- и криоанабиоза (рис. 6).

Трегалоза и глицерин

Рисунок 6. Добавление трегалозы (а) или глицерина (б) в питательную среду делает микробов устойчивыми к замерзанию. Эти криопротекторы обнаружены в гемолимфе морозоустойчивых насекомых, а по жилам полярных рыб течет «глицериновый антифриз» [21–24]. Рисунки из «Википедии».

В самом деле, во всех случаях анабиоза обнаруживается один механизм: жидкая вода меняет свое агрегатное состояние, либо испаряясь (ксероанабиоз), либо замерзая (криоанабиоз). Поэтому идеальным вариантом погружения в анабиоз является сочетание вакуумного обезвоживания с замораживанием и хранением биообъекта при сверхнизких температурах. В этом состоянии организм максимально устойчив ко многим экстремальным факторам внешней среды.

Самые устойчивые к разнообразным экстремальным факторам внешней среды — эндоспоры бактерий [25]. Так, в 1995 году микробиологи Калифорнийского политехнического университета сообщили об оживлении спор бактерий Вacillus sphaericus, извлеченных из кишечника пчелы, «законсервированной» в куске янтаря 25–40 млн. лет назад (рис. 7)! А уже в 2000 году появилось сообщение о том, что сотрудники Уэст-Честерского университета (Пенсильвания, США) воскресили споры неизвестной бактерии, ждавшей своего часа в кристалле соли около 250 млн. лет [26]. Часть научного сообщества, естественно, попросту не поверила в достоверность этих сведений, посчитав, что сочетание фоновой радиации с отсутствием репарации ДНК в течение столь длительного времени обязательно должно было привести к возникновению летальной мутации.

На втором месте по устойчивости к экстремальным факторам находятся более высокоорганизованные, чем бактерии, организмы — тихоходки (рис. 8). Они способны находиться в анабиозе более ста лет, выдерживая при этом 100-градусный жар и радиацию, в 1000 раз превышающую летальную для человека дозу. Тихоходки могут выдержать даже кратковременное пребывание в открытом космосе [27–29]! Кстати, последнее обстоятельство подбадривает современных сторонников гипотезы панспермии [30].

Доисторическая пчела в янтаре

Рисунок 7. Доисторическая пчела, «законсервированная» в капле янтаря. Рисунок с сайта altaj-inaki.com.

Тихоходка

Рисунок 8. Тихоходка или «водяной медведь» — собственной персоной. Рисунок из «Википедии».

Отсрочка костлявой

Представления о ксеро- и криоанабиозе уже давно осознанно используются в биомедицине. Например, при помощи лиофилизации (высушивания замороженного биообъекта) консервируют микробные клетки и споры, а также тромбоциты человека. А криобанками с их весьма необычными «вкладами»: коллекциями микробных культур, линиями клеток, семян, гамет, эмбрионов и тканей для трансплантации — уже никого не удивить [18, 1, 31]. Это реалии сегодняшнего дня.

Каковы же перспективы применения знаний об анабиозе? И надо ли нам это?

Конечно надо! И вот почему.

Освоение технологии погружения человека в анабиоз позволит глубже понять сущность жизненных процессов. Анабиоз как факт обратимой остановки этих процессов на молекулярном уровне предстанет реальным доказательством отсутствия четкой границы между понятиями «жизнь» и «смерть». Мы уже стоим на пороге создания биомедицинских технологий, которые недавно казались фантастикой...

«Мы приостанавливаем жизнь, но мы не называем это анабиозом, потому что это звучит как научная фантастика <...> мы называем это аварийным сохранением и реанимацией», — говорит Самуил Тишерман — ведущий хирург начинающегося в госпитале Пресвитерианцев (Питтсбург, США) эксперимента, во время которого пациент будет подключен к аппарату искусственного кровообращения, после чего его кровь будет замещена специальной охлажденной жидкостью.

Только зачем всё это?

Позволим ответить на этот вопрос другому участнику эксперимента — хирургу Питеру Ри: «Если пациент поступит к нам через два часа после смерти, мы не сможем вернуть его к жизни. Но если он умирает, и мы приостанавливаем его жизненные процессы, появляется шанс запустить их после того, как будут исправлены структурные проблемы» (рис. 9).

Тандем высококлассных хирургов Тишерман-Ри

Рисунок 9. От эксперимента, который задумал тандем высококлассных хирургов Тишерман-Ри, буквально стынет кровь в жилах, и это — не метафора. Слева: Самуил Тишерман, справа: Питер Ри. Фото из «Википедии».

Конечно, эта технология погружения по сути в состояние низкотемпературного гипобиоза уже давно успешно апробирована на подопытных... свиньях. В 2000 году Питер Ри просто «замораживал» животных. Через шесть лет он уже «замораживал» и потом оперировал смертельно раненных хавроний, добившись 90%-выживаемости [32].

Первое испытание «аварийного сохранения и реанимации» планируется провести на 10-ти раненных людях с констатированной остановкой сердца. Температура тела пострадавших будет снижена на пару часов до 10 °С. Этого времени хирургам должно хватить на устранение смертельных ран. Группой сравнения будут ретроспективно оцененные десять печальных случаев аналогичных ранений с безуспешными попытками традиционной реанимации.

Умирать не обязательно!

Механизм анабиоза эволюционно сформировался и обрел биологический смысл «аварийного выхода» в ситуациях, когда жизнь стояла на пороге своего необратимого исчезновения — смерти. Известный исследователь этого явления — Пётр Юльевич Шмидт, выразил эту мысль глубже и изящнее: «Жизнь для своего сохранения создает отсутствие жизни, как бы временную смерть!»

Понятно, что экстремальные факторы внешней среды способны уничтожить всякий организм. Но разве условия внешнего мира — это единственная причина смерти? Разве человек, создав идеальную среду своего обитания, избегнет смерти? Нет, конечно. Есть внутренний процесс, присущий самой жизни, который толкает ее к исчезновению. Это процесс старения, который мы можем замедлить, но не остановить.

Старение — это и есть та ситуация, когда жизнь подходит к порогу своего окончательного исчезновения. Так разве не логично воспользоваться «аварийным выходом» и временно «умереть», погрузившись в анабиоз? Конечно, это не остановит старение, но растянет жизнь на века! Возможно даже такая временная «смерть» поможет дожить до тех славных времен (а может и до Апокалипсиса — это как повезет), когда старение будет побеждено, и все люди будут молодыми и счастливыми. Тогда человек будет похож на графа Дракулу, периодически восстающего из гроба... тьфу — из анабиоза, дабы вкусить плоды прогресса текущего века и вновь уйти во временное небытие...

Учитывая два обстоятельства: 1) чем больше в ткани воды, тем лучше она переживет обезвоживание и 2) развитие индивидуума сопровождается постепенным обезвоживанием его тканей, — можно придти к следующему выводу: удачное по последствиям погружение в анабиоз вероятнее на ранних этапах индивидуального развития, проще говоря — задолго до наступления старости. Иначе следует искать способы замедления «онтогенетического» обезвоживания, выражающегося в уплотнении и сморщивании стареющих тканей.

И наконец последний вопрос. Допустим, мы научились погружать человека в настоящий анабиоз. Как это отразится на его личности? Насколько велика вероятность ее частичной или полной утраты?

Учитывая, что субстрат психики человека — ткани головного мозга содержат большое количество воды, а значит должны хорошо переживать обезвоживание, — можно надеяться на успешное сохранение личности пребывающего в анабиозе человека.

Когда-нибудь технология погружения человека в анабиоз будет разработана. Его жизнь будет удлинена, а смерть отсрочена. Как воспользуются люди этой возможностью — трудно сказать. Остается лишь надеяться, что ко времени создания такой технологии Человек не забудет свою мечту полететь на край Вселенной — к далеким звездам!

Анабиоз и долголетие, черви и гены

Жить много сотен лет, периодически «восставая из небытия» и проводя при этом значительную часть времени в анабиозе, не очень интересно. Было бы здорово обойтись без длительных периодов бездействия, живя одновременно и долго, и активно. Тут так же, как со сном: если бы нам не надо было спать, сколько бы всякого полезного мы сделали! Чего бы достигли! Но, увы, сон пока отменить не получится.

Во сне хотя бы можно развлечь себя просмотром сновидений, а в анабиозе так сделать не удастся. Но есть ли теоретическая возможность избежать долгих эпизодов анабиотического «простоя» и вместе с ним прожить 100 и более лет?

Не будем недооценивать братьев наших меньших (во всех смыслах) и обратимся к помощи известных модельных организмов — круглых червей Caenorhabditis elegans. Как и многие другие беспозвоночные, эти миллиметровые нематоды несколько раз за жизнь меняют свой облик, проще говоря — линяют. В норме у C. elegans четыре личиночные стадии (L1–L4) и стадия взрослой особи.

Если из малька всегда получается рыба, а из головастика — лягушка, то развитие Caenorhabditis elegans может иметь одно интересное ответвление. Если (прямо по Дарвину!) сородичей вокруг слишком много, а еды слишком мало, эта нематода на стадии L1 или L2 сворачивает с привычного пути «линька → линька → линька → половозрелая особь» и впадает в состояние с очень низкой скоростью метаболизма, без половых органов и без видимого увеличения в размерах. Состояние это называется dauer (от немецкого «прочный, продолжительный»; также её называют диапаузой или гипобиозом; рис. 10). То же самое происходит, если температура окружающей среды слишком низкая или слишком высокая, а также если рецепторы червя улавливают дауэр-индуцирующий феромон. Собственно, его концентрация указывает на плотность населения в популяции червей.

Caenorhabditis elegans

Рисунок 10. Круглый червь Caenorhabditis elegans. а — Половозрелый червь-гермафродит откладывает яйца. б — Стадия дауэра отличается по строению от взрослой особи и не размножается. Рисунки из [33].

Одновременно с переходом в стадию дауэра у личинки C. elegans начинает активно работать ген daf-2, кодирующий инсулиновый рецептор у нематод и играющий роль в метаболическом пути инсулиноподобного фактора роста IGF-1 (insulin-like growth factor 1) [34]. (Кстати, этот метаболический путь устроен примерно одинаково и у круглых червей, и у рыб с лягушками, и у нас.) Результат реакций метаболического пути IGF-1 — угнетение активности гена daf-16. А меж тем, daf-16 регулирует работу целой сотни генов, ответственных за производство белков теплового шока (молекул, помогающих клетке выстоять против повышенной температуры окружающей среды и вообще повышающих устойчивость к стрессорам) и антиоксидантов [35]. Исследования соответствующих генных мутантов показали, что и daf-2, и daf-16 необходимы для наступления стадии дауэра, но действуют эти гены противоположным образом.

Из дауэра червь может превратиться в половозрелую особь, если на него подействует достаточное количество стероидных гормонов, объединяемых общим названием дафахронные кислоты (dafachronic acids; рис. 11). Эти кислоты, похожие по структуре на компоненты жёлчи, активируют ген daf-12, служащий фактором транскрипции генов нескольких рецепторов. В числе последних — рецептор к витамину D, а также Liver-X и Farnesoid-X (они регулируют обмен холестерина и жирных кислот). Дафахронных кислот становится много при наличии достаточного количества инсулина и TGF-β (трансформирующего ростового фактора бета, который ограничивает размножение клеток и не контролирует раковые клетки). После достижения половозрелости черви живут недолго.

Путь IGF-1 и сигнальные молекулы

Рисунок 11. Схема взаимодействий пути IGF-1 с некоторыми сигнальными молекулами при различных условиях среды. Рисунок с сайта www.age.mpg.de.

В состоянии дауэра нематоды могут существовать до четырёх месяцев. По сравнению с тремя неделями их жизни после превращения в половозрелую особь это очень много. Но, конечно, для науки было бы гораздо интереснее, если бы C. elegans сохраняли способность жить долго без отказа от размножения и без ухода в стадию дауэра. Оказалось, что это возможно, только для этого надо быть мутантом. Активные и способные к размножению нематоды с мутацией в гене daf-2 живут в два раза дольше, чем «нормальные» особи, не проходившие стадию дауэра [36]. Кстати, мутации daf-2 не приводят к развитию опухолей (как это иногда бывает в случае излишне активной работы вероятных «генов долгожительства»), а, наоборот, подавляют их развитие [37].

Роль daf-2 в регуляции продолжительности жизни нематод открыли ещё в начале 1990-х, после чего уточнили многие биохимические каскады, благодаря которым можно повысить длительность жизни и обеспечить повышенную устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды (рис. 12). Кстати, большинство судьбоносных сигналов, «приказывающих» червю жить дольше, приходит из нервной системы, а не, скажем, от тканей мышц и не от кишечника [38]. Получается, в конечном счёте именно мозг управляет долголетием нематод...

Метаболические пути

Рисунок 12. Метаболические пути, влияние на которые обеспечивает высокую продолжительность жизни червям вида Caenorhabditis elegans. Стрелки — активация, горизонтальные чёрточки на конце «стрелок» — подавление. Рисунок из [33].

Казалось бы, при чём тут долголетие человека? Дело в том, что, во-первых, все перечисленные гены нематоды имеют свои ортологи (соответствия) в ДНК нашего вида, а во-вторых, метаболический путь инсулиноподобного фактора роста 1 у C. elegans активируется и подавляется теми же веществами, что и у человека. Впрочем, не стоит списывать со счетов тот факт, что у человека нет личиночных стадий и тем более нет дауэра. Поэтому возможность влияния на человеческие аналоги биохимических каскадов, обеспечивающих долгожительство круглых червей, ещё предстоит всесторонне рассмотреть.

Автор врезки: Светлана Ястребова

Литература

  1. биомолекула: «От живого к неживому и обратно»;
  2. Шмидт П.Ю. Анабиоз. М.: АН СССР, 1948. — 381 с.;
  3. Clegg J.S. (2001). Cryptobiosis — a peculiar state of biological organization. Comp. Biochem. Physiol. B Biochem. Mol. Biol. 128, 613–624;
  4. Gechev T.S., Dinakar C., Benina M., Toneva V., Bartels D. (2012). Molecular mechanisms of desiccation tolerance in resurrection plants. Cell. Mol. Life Sci69, 3175–3186;
  5. Зимина Т. (2014). Комары нашли точку опоры в космосе. Наука и Жизнь;
  6. Garcia A.H. (2011). Anhydrobiosis in bacteria: From physiology to applications. J. Biosci. 36, 1–12;
  7. Crowe J.H. and Crowe L.M. (2000). Anhydrobiosis: A unique biological state. Amer. Zool. 40, 986;
  8. Космачевская О.В. (2012). Вездесущая реакция Майара. Химия и Жизнь2, 23–27;
  9. Yashina S., Gubin S., Maksimovich S., Yashina A., Gakhova E., Gilichinsky D. (2012). Regeneration of whole fertile plants from 30,000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost. Proc. Natl Acad. Sci. USA. 109, 4008–4013;
  10. Zhmakin A.I. Fundamentals of Cryobiology. Physical phenomena and mathematical models. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. — 292 p.;
  11. Muldrew K. and McGann L.E. (1997). Cryobiology — a short course. University of Calgary;
  12. Анабиоз. Сайт «Медицинская энциклопедия»;
  13. Smith L.W. and Fay T. (1939). Temperature factor in cancer and embrional cell growth. J. Med. Am. Assoc. 113, 653–660;
  14. Gilbert M., Busund R., Skagseth A., Nilsen P.A., Solbø J.P. (2000). Resuscitation from accidental hypothermia of 13.7 °C with circulatory arrest. Lancet355, 375–376;
  15. Элементы: «Анабиоз продлит вам жизнь»;
  16. Терех Н. (2006). 35-летний японец провел в горах без пищи и воды 24 дня и ночи, при этом температура его тела опустилась до 22 градусов! Сайт «Факты и комментарии»;
  17. биомолекула: «Витрификация — контролируемая пауза развития в стеклоподобном состоянии»;
  18. Kirsop B.E. and Doyle A. Maintenance of microorganisms and cultured cells: a manual of laboratory methods. London: Academic Press, 1991. — 308 p.;
  19. Fahy G.M., MacFarlane D.R., Angell C.A., Meryman H.T. (1984). Vitrification as an approach to cryopreservation. Cryobiology. 21, 407–426;
  20. Fahy G.M., Wowk B., Wu J., Phan J., Rasch C., Chang A., Zendejas E. (2004). Cryopreservation of organs by vitrification: perspectives and recent advances. Cryobiology48, 157–178;
  21. Hubálek Z. (2003). Protectants used in the cryopreservation of microorganisms. Cryobiology46, 205–229;
  22. биомолекула: «Возможна ли жизнь без гемоглобина?»;
  23. Wharton D.A. Supercooling and freezing tolerant animals. In: Supercooling / ed. by Wilson P. InTech, 2012. P. 17–28;
  24. Wharton D.A. Cold tolerance. In: Molecular and physiological basis of nematode survival / ed. by Perry R.N. and Wharton D.A. Wallingford: CABI Publishing, 2011. P. 182–204;
  25. Setlow P. (2006). Spores of Bacillus subtilis: their resistance to and killing by radiation, heat and chemicals. J. Appl. Microbiol. 101, 514–525;
  26. Russell H., Rosenzweig W.D., Powers D.W. (2000). Isolation of a 250 million-year-old halotolerant bacterium from a primary salt crystal. Nature407, 897–900;
  27. Jönsson K.I., Rabbow E., Schill R.O., Harms-Ringdahl M., Rettberg P. (2008). Tardigrades survive exposure to space in low Earth orbit. Curr. Biol. 18, R729—R731;
  28. Guidettia R., Rizzo A.M., Altiero T., Rebecchi L. (2012). What can we learn from the toughest animals of the Earth? Water bears (tardigrades) as multicellular model organisms in order to perform scientific preparations for lunar exploration. Planet. Space Sci. 74, 97–102;
  29. Wełnicz W., Grohme M.A., Kaczmarek L, Schill R.O., Frohme M. (2011). Anhydrobiosis in tardigrades — the last decade. J. Insect Physiol. 57, 577–583;
  30. Розанов А. Ю. (2000). Бактериально-палеонтологический подход к изучению метеоритов. Вестник Российской академии наук70, 214–226;
  31. Eiseman E. and Haga S.B. Handbook of human tissue sources: a national resource of human tissue samples. Santa Monica: RAND Corporation, 1999;
  32. Сыров С. (2014). Анабиоз становится клинической практикой. Сайт «XXII век —открытия, ожидания, угрозы»;
  33. Gami M. and Wolkow C. (2006). Studies of Caenorhabditis elegans DAF-2/insulin signaling reveal targets for pharmacological manipulation of lifespan. Aging Cell. 5, 31–37;
  34. Gottlieb S. and Ruvkun G. (1994). daf-2, daf-16 and daf-23: genetically interacting genes controlling Dauer formation in Caenorhabditis elegans. Genetics137, 107–120;
  35. Ogg S., Paradis S., Gottlieb S., Patterson G., Lee L., Tissenbaum H., Ruvkun G. (1997). The Fork head transcription factor DAF-16 transduces insulin-like metabolic and longevity signals in C. elegans. Nature. 389, 994–999;
  36. Kenyon C., Chang J., Gensch E., Rudner A., Tabtiang R. (1993). C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature366, 461–464;
  37. Pinkston J., Garigan D., Hansen M., Kenyon C. (2006). Mutations that increase the life span of C. elegans inhibit tumor growth. Science313, 971–975;
  38. Wolkow C., Kimura K., Lee M.-S., Ruvkun G. (2000). Regulation of C. elegans life-span by insulin-like signaling in the nervous system. Science. 290, 147–150.

Автор: Аккизов Азамат.

Число просмотров: 1033.

Creative Commons License — условия использования и распространения материалов сайта.
Вернуться в раздел «Медицина»

Комментарии

(Оставить комментарий) (показывать сначала старые комментарии)

Re: Анабиоз II. Смерть до востребования

Ястребова Светлана — 27 февраля, 2016 г. 01:21. (ссылка) (свернуть ветвь)

Всё круто, но всё-таки селагинелла — плаун, а не мох! https://ru.wikipedia.org/wiki/Плаунок_чешуелистный

(ответить)

Re: Re: Анабиоз II. Смерть до востребования

Аккизов Азамат — 27 февраля, 2016 г. 02:14. (ссылка)

Одно из названий этого плауна - "воскресающий мох" (указано в статье по Вашей ссылке).

(ответить)

Яндекс.Метрика

© 2007–2015 «биомолекула.ру»
Электропочта: info@biomolecula.ru
О проекте · RSS · Сослаться на нас

Дизайн и программирование —
Batch2k15.

Сопровождение сайта — НТК «Биотекст».

Условия использования сайта
Об ошибках сообщайте вебмастеру.