Кислород. Молекула, изменившая мир: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Итак, в клетке существуют два источника окислительного стресса: утечка свободных радикалов из митохондрий и такие не связанные с митохондриями факторы, как инфекции. Давайте предположим, что общий уровень стресса складывается из этих двух факторов. Если стресс от утечки свободных радикалов из старых митохондрий прибавляется к стрессу от инфекции, это может оказывать слишком сильное воздействие на организм (возможно, именно по данной причине пожилые люди чаще умирают от таких инфекционных заболеваний, как грипп и воспаление легких). В ранние годы стресс от утечки радикалов из митохондрий не очень сильный, но его нарастанию могут способствовать другие факторы. Стресс, вызванный инфекцией, обычно ограниченный и обратимый, но курение или повышенное содержание глюкозы в крови могут оказывать более длительное действие. Любой фактор, участвующий в повышении окислительного стресса, должен влиять на те же гены и приводить к тем же последствиям. Длительный окислительный стресс может способствовать старению по крайней мере некоторых тканей и органов. Таким образом, можно предположить, что факторы, вызывающие «преждевременное» усиление окислительного стресса, могут вызывать преждевременное старение и повышать риск развития возрастных заболеваний.

В заключительной части главы на примере болезни Альцгеймера мы посмотрим, насколько эти идеи соответствуют действительности. Приведенный пример иллюстрирует многие обсуждавшиеся выше соображения, такие как слабость фармакогенетики. Нам известно несколько генов, наличие которых повышает риск развития болезни Альцгеймера, но которые, как кажется, не связаны с окислительным стрессом. Таким образом, на этом примере удобно показать, как гены, не связанные с метаболизмом кислорода, оказываются зависимыми от функции митохондрий, окислительного стресса и воспаления.

Почему люди, не имеющие генетической предрасположенности к болезни Альцгеймера, все же заболевают? Ответить на этот вопрос так же важно, как и на вопрос, почему некоторые генетические мутации повышают риск деменции. Ведь более половины людей с болезнью Альцгеймера не имеют известных генетических факторов риска. Следуя упрощенной логике идеи о роли природы и питания, приходим к выводу, что если причина не генетическая, значит, она связана с условиями окружающей среды. На протяжении нескольких десятков лет исследователи тщетно пытались установить связь между болезнью Альцгеймера и алюминием или ртутью; если такая связь и существует, она чрезвычайно слабая. Может быть, болезнь вызывают вирусы? Многие люди заражаются вирусом простого герпеса (вызывающим лихорадку), который обычно затрагивает те же области головного мозга, что повреждаются при болезни Альцгеймера. Как мы увидим дальше, связь есть, но все же только половина людей, инфицированных вирусом простого герпеса, заболевает деменцией, так что этот фактор не может быть единственным. В последние годы большинство серьезных исследований направлялось на поиск генетических факторов, поскольку, как кажется, они позволяют делать хоть какие-то выводы. Однако эти выводы не объясняют развитие заболеваний у большинства людей с болезнью Альцгеймера, так что пока мы по-прежнему пребываем в неведении. Но наверняка объяснение существует.

Болезнь Альцгеймера имеет два характерных проявления, впервые подмеченные Алоисом Альцгеймером в 1906 г.: амилоидные бляшки и нейрофибриллярные клубки. Клубки состоят из скрученных волокон белка тау. Эти волокна — остатки обширной сети микротрубочек нейронов, поддерживающих нормальную структуру и функцию клеток. Образование клубков сопровождается отмиранием клеток, в результате чего клубки волокон оголяются, как выкопанные из могилы кости[89].

Напротив, бляшки образуются не внутри клетки, а снаружи. Они представляют собой плотные отложения фрагментов амилоидного белка в сочетании с воспалительными клетками (глиальными клетками нескольких типов и проникающими в мозг лейкоцитами) и фрагментами клеток. Вполне в соответствии с традициями научных дискуссий ученые разделились на тех, кто видел основную причину заболевания в образовании клубков, и тех, кто во всем обвинял бляшки. Однако большинство ученых соглашались, что найти связь между этими двумя признаками достаточно сложно. Предположение, что один из них является причиной появления второго, очень трудно проверить на практике. Биопсию ткани головного мозга можно взять только при вскрытии тела, так что большинство данных относятся к поздним стадиям развития заболевания. Теоретически проблему можно решить с помощью модельных животных, но до сих пор еще нет хорошей модели для этого человеческого синдрома.

В середине 1990-х гг. широко распространилась идея о том, что главную роль в развитии заболевания играет токсичность амилоида, поскольку практически все мутации, способствующие развитию заболевания, сопровождаются отложением амилоида. Амилоид — фрагмент более крупного белка, называемого предшественником бета-амилоида (APP, от amyloid рrecursor protein), который покрывает внешнюю мембрану нейрона. В норме АРР расщепляется с образованием растворимого амилоида, циркулирующего в спинномозговой жидкости. Его точная функция пока неизвестна, но, по-видимому, он необходим для нормальной работы нейронов. Токсичным амилоид становится только тогда, когда осаждается в виде плотных сгустков. Первые данные о происходящих при этом процессах получены при исследовании больных с очень редкой наследственной мутацией гена АРР, которая вызывает развитие заболевания в среднем возрасте (семейная форма болезни Альцгеймера). В результате мутации изменяется место расщепления белка-предшественника, так что образующиеся фрагменты амилоида имеют слишком большую длину и «слипаются» между собой, что приводит к формированию бляшек. В 1995 г. были обнаружены еще два гена — presenilin 1 и presenilin 2, мутация которых тоже связана с ранним началом деменции. Эти гены кодируют белки, участвующие в процессинге белка АРР. При этих мутациях тоже происходит образование длинных и липких фрагментов амилоида, которые легко осаждаются. Усилению отложений амилоида способствует и аполипопротеин Е4 — продукт гена АpоЕ4, но пока мы толком не знаем, в чем заключается его функция. Таким образом, вне зависимости от механизма, все обнаруженные генетические факторы указывают на то, что первопричиной патологии является отложение амилоида.

Но в этом сценарии есть два несоответствия. Во-первых, клубки часто образуются раньше бляшек, а у некоторых пациентов с классическими симптомами болезни Альцгеймера никаких амилоидных бляшек не появляется вовсе. В целом начало деменции коррелирует с исчезновением нейронов, а не с накоплением фрагментов амилоида в головном мозге. Во-вторых, у трансгенных мышей с мутациями генов presenilin или АРР наблюдается образование амилоидных бляшек, но клубки возникают только у старых животных. После формирования клубков старые мыши начинают терять нейроны и проявлять признаки деменции (насколько их можно идентифицировать у мышей). Что-то похожее происходит и с макаками резус, которым вкалывают амилоид: образование клубков и гибель нейронов происходят только в старости. Кажется, одного амилоида недостаточно для развития болезни Альцгеймера, хотя все известные генетические данные указывают на него в качестве главного подозреваемого. Возможно, это не так уж странно. В конце концов, даже у людей с мутациями генов presenilin или АРР болезнь развивается только в среднем возрасте, а не в детстве, как при других нарушениях, связанных с мутациями единственного гена, таких как гемофилия. Кажется, в уравнении чего-то не хватает; может быть, это «что-то» — тот же самый фактор, который приводит к развитию заболевания у людей без генетической составляющей?

Секрет клубков и бляшек можно разгадать не с помощью генетики, а с помощью химии. Давайте сначала поговорим о роли амилоида. В головном мозге людей без генетической предрасположенности к отложениям амилоида все-таки происходит отложение амилоида. Это объяснятся тем, что отложение нормального амилоида (а может быть, и его длинной формы) связано с его состоянием окисления: при окислении волокна слипаются сильнее. В плотных амилоидных бляшках амилоид всегда находится в окисленном состоянии. Окисление амилоида усиливается с возрастом по мере усиления окислительного стресса в клетках головного мозга. Как мы видели, окислительный стресс с годами усиливается в клетках любого человека, вне зависимости от его генотипа, поскольку дыхательный процесс в митохондриях неизбежно приводит к повреждению нейронов. Но действительно ли усиление окислительного стресса является причиной отложения амилоида? Точно мы не знаем, но можем попытаться ответить на этот вопрос в другой формулировке: если по каким-то причинам окислительный стресс в организме усиливается раньше обычного, приводит ли это к более раннему началу отложения амилоида и раннему началу болезни Альцгеймера?

О связи между окислительным стрессом и деменцией свидетельствуют наблюдения за людьми с синдромом Дауна, у которых болезнь Альцгеймера довольно часто возникает в среднем возрасте. Наступление болезни как бы сдвигается к началу жизни. В главе 10 мы обсуждали, что люди с синдромом Дауна испытывают повышенный окислительный стресс в результате несбалансированности системы антиоксидантов[90]. Может ли усиление окислительного стресса быть причиной раннего начала деменции у людей с синдромом Дауна? Если верить данным, опубликованным в 2000 г. Джорджем Перри, Марком Смитом и их коллегами из Западного университета Кейза в Кливленде, это вполне вероятно. Ученые определяли окислительное состояние белков и ДНК в организме людей с синдромом Дауна и обнаружили, что отложению амилоида всегда предшествует усиление окислительного стресса. Окисленные белки и ДНК начинают накапливаться ближе к 20 годам, а отложение амилоида начинается около 30 лет. Таким образом, по-видимому, усиление окислительного стресса действительно повышает риск развития болезни Альцгеймера вне зависимости от возраста.

А что можно сказать о белке тау — основном компоненте нейрофибриллярных клубков, второй патологии, характерной для болезни Альцгеймера? В 1995 г. Олаф Швирс и его коллеги из Центра структурной молекулярной биологии Института Макса Планка в Гамбурге показали, что белок тау коагулирует только в окисленном состоянии. Если же окисление предотвращается антиоксидантами, этого не происходит[91]. Другими словами, клубки, как и бляшки, обычно формируются в условиях окислительного стресса. Возможно, именно поэтому клубки не образуются в клетках трансгенных мышей или макак резус, несмотря на активное отложение амилоида: этот патологический процесс «ждет» более общего усиления окислительного стресса.

Таким образом, первым патологическим проявлением при развитии болезни Альцгеймера является усиление окислительного стресса, которое вызывает появление двух характерных признаков — клубков и бляшек. Эта идея родилась в результате исследования свойств аполипопротеина Е. Вспомните, что ген АроЕ является полиморфным (встречается в популяции в виде нескольких версий). Эти версии не мутантные, а нормальные; все они поддерживались естественным отбором, следовательно, должны давать какие-то селективные преимущества. Одно из преимуществ, как кажется, связано с определенной степенью антиоксидантной защиты. Однако в старости, как мы видели, АроЕ4 повышает риск развития болезни Альцгеймера. Но выражение «повышает риск» неточно. Если АроЕ4 оказывает благотворное действие в более ранние годы, скорее, этот ген следует считать в целом полезным, хотя, возможно, в меньшей степени, чем другие версии. Другими словами можно сказать, что он не повышает риск, а менее эффективно снижает его по сравнению с другими версиями гена. В чем причина такого действия гена, мы не знаем, однако известно, что ген ApoE4 бoлее чувствителен к атакам свободных радикалов, чем другие версии. Следовательно, можно предположить, что с годами белок АроЕ4 «портится» сильнее, чем другие варианты АроЕ. В раннем возрасте, когда селективное давление высокое, эта разница незаметна, поскольку окислительный стресс незначителен. Позднее стресс усиливается, и преимущества АроЕ4 (антиоксидантное действие или более общее влияние на транспорт холестерина) постепенно исчезают, поскольку все больше белка разрушается свободными радикалами.

В таком случае потеря белка АроЕ4 по мере усиления окислительного стресса может объяснить два странных наблюдения. Во-первых, как мы уже упоминали, заражение вирусом простого герпеса повышает риск развития болезни Альцгеймера. Это в наибольшей степени касается людей с двумя копиями АроЕ4, но почти незаметно у людей с версиями ApoE3 или АроЕ2. Активация вируса простого герпеса в головном мозге приводит к окислительному стрессу и воспалению. Поскольку белок АроЕ4 чувствителен к окислительному стрессу, его положительное действие перестает сказываться при заражении вирусом герпеса. Другими словами, носители версии АроЕ4 в любом случае чувствительны к окислительному стрессу, а инфекция простого герпеса дополнительно повышает вероятность стресса и, следовательно, развития болезни Альцгеймера.

Во-вторых, и это положительный момент, люди с двумя копиями гена АроЕ4 лучше реагируют на антиоксидантную терапию. Это справедливо для всех состояний, для которых ген АроЕ4 является фактором риска, включая деменцию, болезни сердца и инсульт. Здесь есть некая странность: как мы обсуждали, антиоксиданты не могут в значительной степени влиять на митохондриальное дыхание, а подавление стрессовых реакций может даже усилить окислительный стресс внутри клеток. Однако антиоксиданты способны защитить белок АроЕ4 от атаки свободных радикалов из внешнего окружения клетки, поскольку внеклеточные жидкости более доступны для антиоксидантов и в меньшей степени контролируются генами. Таким образом, антиоксиданты могут защитить белок АроЕ4 от окисления или поддержать его собственное слабеющее антиоксидантное действие. Это помогает отсрочить начало заболевания или замедляет его развитие. В частности, прием витамина E может отсрочить наступление болезни Альцгеймера. Если вы знаете, что у вас две копии гена АроЕ4, поговорите со своим врачом о целесообразности приема витамина Е. Если у вас другие версии гена АроЕ, большой пользы витамин Е вам не принесет (но не причинит и вреда, если только вы не допустите передозировки).

Клубки и бляшки прямо и косвенно усиливают окислительный стресс. Прямая токсичность амилоида объясняется связыванием ионов металлов, таких как железо и медь, способных катализировать образование свободных радикалов. Металлы связываются в амилоидных бляшках людей с болезнью Альцгеймера. Если добавить амилоид к клеткам в культуре, его токсичность проявляется именно таким образом. Напротив, в той же системе токсичность амилоида снижается за счет добавления ловушек свободных радикалов или веществ, образующих хелатные комплексы с металлами (и тем самым блокирующих действие ионов металлов). Таким образом, амилоидные бляшки формируются в результате влияния свободных радикалов на амилоид, а затем оказывают токсическое действие путем создания дополнительных свободных радикалов. Амилоидные бляшки выступают в роли умножителей свободных радикалов. По-видимому, именно таким образом амилоид повреждает нейроны головного мозга, находящиеся вблизи бляшек, но вряд ли действует на удаленные нейроны.

Косвенное влияние клубков и бляшек связано с воспалением. Воспалительные клетки головного мозга (микроглиальные клетки) распознают клубки и бляшки как чужеродный материал и пытаются их поглотить или атаковать с помощью различных химических соединений, включая свободные радикалы. Однако бляшки не подвергаются расщеплению и осаждаются в другом месте. Подвижные клетки микроглии выделяют воспалительные молекулы, которые активируют и привлекают иммунные клетки из разных участков мозга и циркулирующей крови. В результате мозг находится в состоянии постоянной боевой готовности. Химическое равновесие сдвигается в сторону окислительного стресса, и нейроны начинают погибать. Причиной этого процесса часто является «экситотоксичность» — сильное электрическое возбуждение, вызывающее преждевременную гибель нейронов. Таким образом, воспаление мозга приводит к образованию все большего количества клубков и бляшек и в конце концов к масштабной гибели нейронов. К тому моменту, когда врачи могут диагностировать болезнь Альцгеймера по стандартным клиническим критериям, примерно четверть нейронов мозга (25 млрд) уже мертвы. Этот порочный круг воспалительных процессов настолько важен, что канадские исследователи Патрик и Эдит МакГир назвали болезнь Альцгеймера «артритом мозга».

Вновь воспаление! Можно быть уверенным, что в этом процессе участвует транскрипционный фактор NFκВ — большая головная боль всех ученых, занимающихся данной проблемой. Химия жизни настолько сложна, что исследователи часто возвращаются к детским представлениям о добре и зле и о противостоянии «хороших» и «плохих» молекул. Это представление подхвачено фармацевтической индустрией, стремящейся выследить «плохих» — молекулы, которые могут быть и «хорошими», и «плохими», не подходят в качестве мишеней для действия лекарств. Но это тупиковый путь. Как мы обсуждали в главе 9, даже такие всеми признанные «хорошие» молекулы, как витамин С, могут вызывать непредсказуемое сочетание «плохих» и «хороших» эффектов. Применение упрощенных моральных оценок (если ты не за нас, значит, ты против нас) неизбежно приводит к «парадоксу» — чрезвычайно популярному термину из научных журналов. Быстрый поиск слова «парадокс» в обширной медицинской базе данных Medline выдает примерно 4000 статей с этим словом в заголовке («Новый парадокс кальция», «Парадокс антиоксидантов и рака») или в подтексте («Бета-каротин: друг или враг?»). Можно подумать, что биохимики любят размышлять над парадоксами, но в этих статьях мало разгадок, а лишь множество наблюдений «за» и «против», оставленных на суд следующих поколений. Многие статьи буквально приводят в замешательство. Например, мне очень нравится заголовок: «Гормон роста предотвращает или ускоряет старение?» Трудно отделаться от ощущения, что, несмотря на невероятные успехи современной медицины, некоторые фундаментальные вопросы все еще остаются нерешенными.

Эта проблема является следствием традиционного подхода к медицинским исследованиям, в рамках которого делают «моментальный снимок» какого-то биохимического процесса, а затем по нему пытаются установить характер взаимодействия между молекулами. Это напоминает деятельность криминалистов, которые анализируют все имеющиеся вещественные доказательства, найденные на месте убийства, но не учитывают мотивов преступления. Однако понять любую научную проблему можно исключительно на основании мотивов. Часто мотивом является какое-то предшествовавшее событие, например нанесенная ранее обида. Точно так же работает наше тело на молекулярном уровне. Структура наших тел — плод эволюционных событий, и понять ее можно только в свете эволюции: почему процессы происходят именно так, а не иначе. В таком случае философия «плохих» и «хороших» молекул совершенно не пригодна для описания таких сложных веществ, как NFκB. Однако это стало нормой. Фактор NFκВ часто представляют в роли двуликого Януса, способного превратить хорошее в плохое. Иногда он разрушает нейроны, иногда их защищает. Это важный фактор, но он не подходит в качестве мишени для лекарств.

Однако при инфекции действие NFκB абсолютно логично. Активация NFκB при болезни Альцгеймера, как и при инфекции, имеет два комплиментарных эффекта: он разжигает пламя воспаления, но в то же время защищает здоровые клетки от этого пламени. Суть данного процесса при инфекции ясна: иммунная система атакует чужеродные частицы с помощью свободных радикалов, которые могут повредить и здоровые клетки. Чтобы предотвратить повреждение здоровых клеток, нужно включить гены, ответственные за их защиту от окислительного стресса. В результате предотвращается шоковое воздействие, которое могло бы убить здоровые клетки или заставить их покончить с собой (подвергнуться апоптозу). Некоторые клетки начинают делиться, чтобы восстановить наименее защищенные и подготовленные ткани.

При болезни Альцгеймера стресс менее сильный, но перманентный. Химический сигнал заставляет воспалительные глиальные клетки головного мозга нападать на клубки и бляшки, но при этом достается и здоровым нейронам. Они отвечают мобилизацией собственных сил. Для защиты нейронов выделяются такие мощные средства, как гемоксигеназа и СОД (см. главу 10), но такая защита не может действовать бесконечно. Это «комендантский час» для клеток, но, как и при настоящих бомбардировках, в какой-то момент клетки не выдерживают. И здесь нет никакого парадокса: это ответ на окислительный стресс, усиленный из-за большой продолжительности.

Если NFκВ не активируется, здоровые нейроны подвергаются большей опасности, но, когда воспаление заканчивается, они уже не нуждаются в защите. Равновесие это хрупкое и непредсказуемое. Практическое решение заключается в блокировке активации NFκB только в воспалительных клетках. До некоторой степени этого можно добиться с помощью аспирина или нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП)[92]. Люди, принимавшие аспирин или НПВП на протяжении ряда лет для контроля ревматических болей, в два раза реже страдают от деменции, чем население в целом. Напротив, люди с другими источниками воспаления в головном мозге, такими как инсульт, травмы или вирусные инфекции, заболевают в несколько раз чаще. Я подозреваю, что люди из этих групп риска могут получить значительные преимущества от приема аспирина и антиоксидантов, хотя у меня нет данных о систематических исследованиях в этой области.

Прежде чем закончить главу рассказом о нескольких других возрастных заболеваниях, сделаем некоторые выводы относительно болезни Альцгеймера. Во-первых, мы знаем, что причиной заболевания у части больных являются генетические мутации, но их эффект проявляется только в среднем возрасте. Это означает, что прежде, чем нейроны начнут гибнуть в массовом масштабе и болезнь можно будет идентифицировать по клиническим проявлениям, окислительный стресс превышает некое пороговое значение. Во-вторых, все другие известные факторы риска, включая синдром Дауна, аллель АроЕ4 и вирус простого герпеса, способствуют усилению окислительного стресса. В-третьих, одного окислительного стресса достаточно, чтобы вызвать болезнь у людей пожилого возраста без каких-либо известных факторов риска (это около половины людей, заболевших деменцией в пожилом возрасте). В-четвертых, факторы, ослабляющие окислительный стресс, такие как аспирин и витамин Е, могут на какое-то время отсрочить развитие заболевания или даже предотвратить его.

В заключение повторю, что болезнь Альцгеймера связана со старением, поскольку старение — это последствие окислительного стресса. Факторы, усиливающие окислительный стресс в начале жизни, ускоряют наступление деменции, тогда как факторы, ослабляющие окислительный стресс, отодвигают и тормозят развитие заболевания. Следовательно, мы не сможем победить болезнь Альцгеймера, если не победим окислительный стресс. Мы не можем отменить окислительный стресс, поскольку он необходим для координации нашей сопротивляемости инфекции и другим видам физического стресса, однако, возможно, мы способны каким-то образом управлять им. В начале раздела я задал вопрос: почему люди, не имеющие известных факторов риска, все же заболевают деменцией? Я надеюсь, вы поняли, в чем дело. Окислительный стресс никто не отменял. Другая формулировка этого вопроса, возможно, позволит нам найти практический путь предотвращения деменции. Почему некоторые люди с известными факторами риска (такими как аллель ApoE4) не заболевают?Чем они защищены? На эти вопросы мы попытаемся ответить в заключительной части главы.

Я утверждаю, что старение и старческие заболевания являются дегенеративными процессами, вызванными утечкой свободных радикалов из митохондрий, окислительным стрессом и хроническим воспалением. Некоторые гены, инфекции и факторы окружающей среды усиливают окислительный стресс в раннем возрасте, что ускоряет процесс старения, по крайней мере в некоторых органах. Мы видели, что окислительный стресс усиливается при отложении амилоида и аполипопротеина Е4, синдроме Дауна и активации латентных вирусных инфекций. Такой же эффект дают курение, высокий уровень глюкозы в крови и различные токсины из окружающей среды.

Никотин вреден во многих отношениях, но, хотя он и вызывает привыкание, он не является причиной смертельных заболеваний, связанных с курением. Вот почему никотиновые жвачки и пластыри служат безопасным методом избавления от вредной привычки. Опасность представляет табачный дым, поскольку он является самым подлым генератором свободных радикалов (я сам курю, но собираюсь бросить, как только завершу работу над этой книгой). Содержащиеся в табачном дыме химические вещества, такие как семихиноны, полифенолы и карбонилсульфид, реагируют с кислородом с образованием супероксидных и гидроксильных радикалов и пероксида водорода, а также NO и пероксинитрита. Говорят, что одна затяжка вызывает образование 1015 (миллион миллиардов) свободных радикалов. Вам не страшно? Но это еще не все. Табачный дым активирует иммунные клетки, которые выделяют собственные токсины. Все это приводит к окислительному стрессу, главным образом в легких и в кровеносных сосудах. Уровень глутатиона в клетках понижается (у людей, бросивших курить, уровень глутатиона в крови за три недели повышается на 20%), что активирует транскрипционные факторы типа NFκB. В организме курильщиков антиоксиданты, такие как витамин С, расходуются быстрее, так что им для преодоления риска заболеваний нужно получать больше антиоксидантов. Большинство этого не делает. Таким образом, курение вызывает воспаление, и в этом заключается основная причина повышения риска рака и сердечно-сосудистых заболеваний.

Удивительно, но в этом же заключается опасность еще одного современного убийцы — повышенного уровня глюкозы в крови. При диабете уровень глюкозы в крови контролируется плохо (см. главу 12) и сразу после еды может достигать очень высоких показателей. Глюкоза сложным образом взаимодействует с белками, образуя коричневые, похожие на карамель «конечные продукты гликирования» (AGE, advanced glycation endproducts; эти же продукты придают темный цвет жареному мясу). С образованием этих соединений, в частности, связано помутнение хрусталика глаза при катаракте. Карамелизация белков усиливается в присутствии кислорода, и многие AGE являются окисленными соединениями. Не удивительно, что карамелизация нарушает функцию белков, но это еще не все. AGE, как и амилоид, размножают свободные радикалы: они образуются под действием свободных радикалов, а затем сами оказывают токсическое действие путем производства еще большего количества свободных радикалов, вызывающих окислительный стресс и воспаление. Поскольку глюкоза попадает в клетки с током крови, сильнее всего повреждаются стенки сосудов. При диабете повреждаются капилляры и небольшие сосуды глаз, почек и конечностей, что вызывает слепоту, почечную недостаточность и часто приводит к ампутации конечностей. У диабетиков эти процессы ускорены, но они происходят в организме каждого человека, поскольку с годами в результате повреждения митохондрий AGE накапливаются во всех тканях у всех людей. Именно потому диабет часто рассматривают как форму ускоренного старения, и это действительно ускоренная форма усиления окислительного стресса.

Воспаление стенок кровеносных сосудов вызывает пролиферацию клеток, окисление и отложение холестерина и развитие атеросклероза. Это идеальные условия для роста некоторых патогенных бактерий, таких как Chlamydia pneumoniae, которые инфицируют поврежденные стенки артерий и оттуда ведут борьбу с клетками иммунной системы. До 80% людей с сердечно-сосудистыми заболеваниями являются носителями Chlamydia, однако мы пока не знаем, что здесь причина, а что следствие. Возможно, верно и то и другое: причина атеросклероза — окислительный стресс, и усиливаться он может под действием таких факторов, как курение, AGE, окисленный холестерин, АроЕ4, инфекции или просто старость. Любой из этих факторов усиливает остальные. Все они объединены окислительным стрессом и действуют через активацию общего фактора воспаления, NFκВ, и его аналогов. Поскольку многие из этих факторов являются «внешними» (не образуются нашими собственными клетками в результате повреждения митохондрий), они лучше поддаются влиянию антиоксидантной терапии, чем митохондриальное старение, которое практически необратимо. Вот почему здоровая диета или, возможно, пищевые добавки антиоксидантов могут отсрочить развитие болезней сердца, но не способны предотвратить старение.

Причинами рака тоже являются окислительный стресс и воспаление. Мы обсуждали, что действие излучения опосредовано образующимися из воды свободными радикалами (глава 6), которые могут атаковать ДНК, белки и липиды. Поскольку кислород тоже образует эти радикалы, можно сказать, что он является канцерогеном (точнее говоря, проканцерогеном). Чем больше воздуха мы вдыхаем, тем с большей вероятностью у нас возникнет рак — вот в чем причина строгой корреляции между возрастом и вероятностью развития рака. Многие канцерогены, такие как бензол, хиноны, имины и металлы, тоже действуют через образование свободных радикалов. Важная роль кислородных радикалов в этом процессе выявляется по наличию в моче продуктов взаимодействия гидроксильных радикалов и ДНК, таких как 8-гидроксидезоксигуанозин (8-OHdG; см. главу 6). Курение усиливает выделение 8-OHdG на 35 — 50%. В большинстве случаев окисленные фрагменты вырезаются из ДНК и заменяются новыми, правильными, однако возможны и ошибки, например, гуанин (G) может заменяться тимином (Т). При делении клетки мутации включаются в последовательности генов. Окислительные повреждения и мутации накапливаются с возрастом. Старые крысы (в возрасте двух лет) имеют около миллиона повреждений ДНК в каждой клетке — в два раза больше, чем молодые.

Принято считать, что рак связан с распространенными мутациями, однако мы не знаем, появляются ли эти мутации сначала и стимулируют пролиферацию раковых клеток или накапливаются в раковых клетках, которые уже начали пролиферировать. Очевидно, что опухоли «эволюционируют» и со временем накапливают все большее количество мутаций. Некоторые данные позволяют предположить, что сначала окислительный стресс и воспаление создают условия, благоприятствующие делению клеток. Кроме окислительного стресса, связанного с излучением, курением, канцерогенами и старением, треть всех случаев рака в мире (особенно в развивающихся странах) связана с хроническими инфекциями, такими как гепатиты В и С и шистосомоз. Учитывая фактор окислительного стресса, не приходится удивляться, что в опухолевых процессах задействован фактор NFxB. Высокий уровень активированного фактора NFκВ обнаруживается при большинстве типов рака и, возможно, необходим для превращения нормальной клетки в опухолевую клетку. Почему это так? Ответ опять-таки можно получить на основе анализа нормальной реакции организма на инфекцию. Во-первых, NFκВ усиливает сопротивляемость клетки по отношению к окислительному стрессу. Во-вторых, NFκB стимулирует пролиферацию клеток. При инфекции это нужно для восстановления поврежденных тканей за счет новых клеток, но при раке активация NFκВ просто повышает вероятность пролиферации. Таким образом, перманентная активация NFκB укрепляет опухолевые клетки и стимулирует их пролиферацию. Это, в частности, делает их менее чувствительными к химио- и радиотерапии. Отключение NFκB, если оно возможно, делает опухоль более чувствительной к лечению и поэтому является одним из потенциальных направлений поиска противоопухолевых препаратов[93].

Известны сотни заболеваний, связанных с окислительным стрессом. Я надеюсь, приведенных примеров было достаточно, чтобы сформулировать мою основную идею о роли «двойного агента» в процессе старения: окислительный стресс усиливается с возрастом и активирует гены, ответственные за борьбу с инфекцией при участии транскрипционного фактора NFKB. Эти гены в норме не должны быть активированы на протяжении месяцев или лет, их функция заключается в том, чтобы повысить наши шансы на выживание в борьбе с инфекцией в молодости и дать нам возможность выздороветь и произвести потомство. В терминах селективного давления, или плейотропии, важность этой функции пересиливает неудобства старости и возрастных заболеваний. И все-таки выводы из всего сказанного позитивные. Мы не являемся жертвами тысяч случайных генетических разбойников, пытающихся нас уничтожить. Совсем наоборот. Поведение наших генов зависит от кислорода и окислительного стресса. Когда мы научимся управлять окислительным стрессом, мы сможем вырваться за пределы, отведенные нам генами и судьбой.

Глава пятнадцатая. Жизнь, смерть и кислород. Уроки эволюции и старение

[89] Степень когнитивных нарушений при болезни Альцгеймера действительно коррелирует с наличием нейрофибриллярных клубков, однако некоторые исследователи считают, что формирование клубков не является причиной развития заболевания. Напротив, нейрофибриллярные клубки могут быть компенсаторной реакцией на окислительный стресс и выполнять защитную функцию. Такая защитная функция была показана для агрегатов белка хантингтина, а теперь появляются данные о том, что клубки белка тау — не патология, а защита. — Примеч. пер.

[90] У людей с синдромом Дауна имеется лишняя копия 21-й хромосомы, на которой содержится ген COД. COД устраняет супероксидные радикалы, но при этом производит пероксид водорода. Если пероксид водорода не удаляется каталазой, избыток СОД усиливает окислительный стресс. Кроме того, на 21-й хромосоме расположен ген АРР, так что у людей с синдромом Дауна синтезируется избыток предшественника бета-амилоида и, возможно, самого амилоида; однако фрагмент амилоида у них не длинный и не липкий, а нормальный.

[91] Наиболее явное отклонение от нормы выражается в избыточном фосфорилировании белка тау. Некоторые ученые предполагают, что фосфорилирование белка необходимо для образования клубков, однако Швирс и его коллеги не согласны с такой точкой зрения (и это подтверждается более поздними исследованиями): фосфорилирование белка не является обязательным условием отложения волокон, которые могут формироваться даже при полном отсутствии фосфата.

[92] Высокие дозы аспирина и НПВП, а также продолжительный прием этих препаратов могут вызывать кровотечения и язвы желудочно-кишечного тракта, и ежегодно тысячи людей попадают в больницы из-за этого побочного действия лекарств (хотя 97% людей нормально переносят умеренные дозы аспирина, остальные 3% — это тысячи человек). Сейчас на рынке появились более специфические препараты, такие как ингибиторы ЦОГ2, обладающие высокой эффективностью, но менее выраженным побочным действием. Однако в низких дозах ингибиторы ЦОГ2 и аспирин ингибируют только циклооксигеназу (ЦОГ), но оказывают весьма слабое действие на другие белки, синтез которых контролируется NFκВ, такие как фактор некроза опухоли или NО-синтаза. В высоких дозах аспирин (но не ингибиторы ЦОГ2) ингибируют NFκВ, что отчасти объясняет особенности его действия (см. Корр. Е., Ghosh. S. Science, 1994, 265: 956 — 969). Глюкокортикоиды еще сильнее подавляют активность NFκВ, что является частью их мощного иммуносупрессорного действия. Однако в обычных дозах глюкокортикоиды вызывают множество неприятных побочных эффектов, включая увеличение массы тела, хронические инфекции, сокращение костной массы и атрофию желез.

[93] В опухолевых клетках ген фактора NFκВ часто мутирован и постоянно находится в активированном состоянии. Блокировать его сложно, отчасти по той причине, что это приведет к подавлению иммунитета. Подавление иммунитета способствует развитию опухолевого заболевания, поскольку иммунная система в норме выслеживает и уничтожает раковые клетки.