До сих пор этот метод проверяли только на моделях ускоренного старения
Сразу две группы ученых проверили, может ли эпигенетическое репрограммирование клеток продлить жизнь мышам. Одна команда — под руководством известного биолога Дэвида Синклера — подтвердила, что ускоренное накопление эпигенетических изменений заставляет мышей стареть быстрее, чем обычно. Их отчет вышел в журнале Cell. Вторая группа — из компании Rejuvenate Bio — попробовала откатить эти эпигенетические изменения у здоровых пожилых мышей. Для этого им ввели вирусные векторы с факторами Яманаки — белками, которые запускают эпигенетическую перестройку генома в более «молодое» состояние. В результате мыши прожили в среднем 142,5 недели вместо обычных 133. Эта работа выложена на портале препринтов bioRxiv. Обе группы рассказали корреспонденту сайта Science о том, что рассчитывают постепенно перейти к клиническим испытаниям на людях.
Смысл клеточного репрограммирования состоит в том, чтобы заставить клетку передвинуть по своей ДНК метильные группы — эпигенетические метки. От их расположения зависит, какие гены будут активно считываться, а какие — молчать. Известно, что набор этих меток и их «рисунок» на ДНК меняется с возрастом, поэтому некоторые гены со временем перестают экспрессироваться. Но если снабдить клетку определенным набором белков (факторов Яманаки), можно добиться того, чтобы она сняла одни метильные группы с ДНК и навесила другие — таким образом вернувшись в более молодое (как минимум с эпигенетической точки зрения) состояние.
Считается, что таким образом можно вернуть и физиологическую молодость — по крайней мере, отдельным клеткам, а может быть, и целым организмам. Но однозначных подтверждений этому пока нет. Тем не менее, в 2021 году стало известно, что Джефф Безос и Юрий Мильнер вложились в компанию Altos Labs, которая будет целенаправленно заниматься репрограммированием клеток. И хотя она поначалу позиционировала свои исследования как сугубо фундаментальные, от компании с такими инвесторами ждут, конечно, практических результатов, применимых к человеку. Подробно об этой технологии мы рассказывали в тексте «Планы на старость».
Теперь сразу две группы исследователей взялись проверить, что репрограммирование клеток в живых организмах действительно может быть полезно.
Первая группа искала подтверждение тому, что эпигенетические изменения сами по себе вызывают старение. Ее руководитель — известный геронтолог Дэвид Синклер (David Sinclair) — придерживается информационной теории старения. Он предлагает рассматривать старение как постепенную потерю клетками информации о том, какие гены и когда должны работать. Синклер и его коллеги предположили, что причиной этой потери могут быть поломки в ДНК, в частности, двухцепочечные разрывы. Когда клеточные белки репарации чинят эти поломки, то они привлекают другие белки, которые переставляют эпигенетические метки. Начинается эпигенетическая перестройка, которая ускоряет старение, — а репрограммирование, следовательно, могло бы откатить эти процессы обратно.
Чтобы проверить, так это или нет, исследователи создали модельную линию мышей, у которых двухцепочечные разрывы ДНК возникали чаще обычного. Для этого в их геном встроили ген фермента, который распознает и разрезает определенную последовательность ДНК, не создавая при этом никаких других мутаций. Запустить работу этого гена можно было с помощью конкретного лекарства, тамоксифена.
Дальше ученые кормили мышей тамоксифеном в течение несколько недель и проверяли, что животные действительно стареют быстрее, чем те, которым вместо лекарства доставалось плацебо. Первые действительно меньше весили, быстрее лысели и седели, хуже проходили поведенческие тесты. У них оказался ниже индекс хрупкости (frailty index) — показатель, учитывающий набор возрастных патологий, а заодно и эпигенетический возраст (то есть по набору меток на ДНК они больше походили на молодых мышей). Этот результат, по мнению исследователей, подтверждает их гипотезу о том, что эпигенетические перестройки в клетках вызывают старение на разных уровнях.
Затем авторы работы попробовали снизить эпигенетический возраст у своих ускоренно стареющих мышей.
При этом отталкивались от более ранних экспериментов с репрограммированием, которые тоже в основном проходили на трансгенных мышах. В ранних работах в геном мышей встраивали гены четырех факторов Яманаки (Sox-2, Klf4, c-Myc и Oct4) и специальную регуляторную последовательность (промотор), которая заставляла эти гены работать только в присутствии лекарства доксициклина. То есть можно было накормить животных лекарством, и факторы Яманаки начинали производиться сразу во всех клетках тела.
Но к человеку такой метод применить не так просто. Поэтому Синклер и его коллеги решили воспользоваться генной терапией: то есть ввести необходимые гены в организм извне. Для этого они делали мышам инъекцию раствора с двумя аденовирусными векторами. Один нес регуляторный элемент, который реагирует на доксициклин, а второй — гены трех факторов Яманаки (кроме c-Myc), которые работают только по сигналу от первого регуляторного элемента. Таким образом, чтобы гены заработали, в клетку должны были попасть два вектора одновременно, а еще нужно было накормить мышь доксициклином.
После того, как животные получили такую терапию и дозу доксициклина, исследователи подсчитали, что по набору метильных меток на ДНК в почечных и мышечных клетках мыши вернулись на уровень контрольных животных. То есть с эпигенетической точки зрения стали моложе.
Тем временем вторая группа исследователей из компании Rejuvenate Bio под руководством Ноя Дэвидсона (Noah Davidsohn) взялась закрыть еще одно белое пятно в этой области. Все эксперименты, опубликованные до сих пор, — в том числе и работа Синклера и его коллег — касались больных животных или ускоренно стареющих моделей. Им технология так или иначе помогала, но никто еще не показал, что сама по себе работа факторов Яманаки внутри клеток может продлить жизнь здоровому организму.
Дэвидсон и его группа использовали тот же метод репрограммирования с помощью генной терапии, что и команда Синклера: два вирусных вектора с тем же набором генов и факторов Яманаки. В качестве испытуемых ученые взяли очень пожилых мышей: им было по 124 недели, при том что обычные представители этой линии живут в среднем 129 недель. По оценкам исследователей, это соответствует примерно 77-летнему возрасту у людей. После этого животным давали доксициклин недельными курсами — семь дней лекарства, семь дней перерыв — до конца их жизни.
Мыши из экспериментальной группы прожили дольше, чем те, что получили укол плацебо: последние умерли в среднем через 9 недель после инъекции, а первые — через 18,5. При этом мыши-долгожители оказались еще и более здоровыми. Исследователи подсчитали для них индекс хрупкости — и он получился на полтора пункта ниже, чем у контрольных мышей: 6 против 7,5. Зато никаких угрожающих жизни опухолей (которые могли бы вырасти из репрограммированных клеток) ученые у животных не заметили.
Таким образом, обе группы ученых добились определенных успехов в репрограммировании. Правда, ни одна из них не получила полной картины происходящего. Дэвидсон и его коллеги добились продления жизни у мышей — но не стали в деталях выяснять, что при этом происходит с эпигеномом. Синклер и его соавторы составили подробную карту возрастных эпигенетических изменений — но не проверили, действительно ли у животных исчезновение этих изменений ведет к сглаживанию признаков старения. В своей работе они не пишут о том, стали ли ускоренно стареющие мыши жить дольше и чувствовать себя лучше после генной терапии с участием факторов Яманаки.
Тем не менее, руководители обеих групп рассказали корреспонденту сайта Science о том, что планируют испытания на людях. Дэвидсон уточнил, что его группа пока ищет правильный набор генов, а также оптимальные способ доставки и дозировку вирусных векторов. Синклер сообщил, что его команда уже экспериментирует с обезьянами. И, если этот эксперимент пройдет успешно, то исследователи будут добиваться от американских регуляторов разрешения проверить свой метод для лечения слепоты у людей.
Мы уже писали о двух исследованиях, в которых принял участие Ной Дэвидсон — тогда еще не руководитель компании. В одной работе ученые лечили мышей от возрастных болезней с помощью генной терапии: оказалось, что два справляются сразу с четырьмя патологиями. В другой раз группа ученых, в которой работал Ной Дэвидсон (а руководил ей Дэвид Синклер), ввела вирусные частицы с факторами Яманаки в глаза мышам — и таким образом повысила у них остроту зрения.
Мог ли нейропептид Y обречь человечество на зависимости и искусство
Ученые точно не знают, как возникает зависимость, — ни то, как выглядит полный механизм ее развития, ни то, почему одни люди подвержены ей больше, чем другие. Однако в одном исследователи уверены: все дело в нейромедиаторах, которые отвечают за чувство удовольствия. Например, недавно американские ученые выяснили, что у людей по сравнению с другими приматами в прилежащем ядре больше всего нейронов, которые синтезируют нейропептид Y. И предположили, что нейрохимический профиль этого нервного центра сделал человека восприимчивым к развитию зависимостей и повлиял на эволюцию нашего вида. Рассказываем, при чем здесь любовь к жирной еде и действительно ли один конкретный нейропептид мог привести человека к созданию культуры. Не только дофамин Когда человек ест или занимается сексом, в мезолимбическом тракте головного мозга, ответственном за работу памяти, эмоций, обучение и нейроэндокринную регуляцию, происходит выброс дофамина. В частности, нейромедиатор активно воздействует на нейроны прилежащего ядра — в этом случае формируется чувство удовольствия. С точки зрения эволюции, это полезная система подкрепления: из-за нее мы снова и снова хотим испытывать приятные ощущения, поэтому стремимся достать еду или найти партнера. Именно вокруг дофамина строится и самая популярная на сегодня концепция формирования зависимостей. Считается, что аддикция развивается в тот момент, когда этого нейромедиатора оказывается много в прилежащем ядре — тогда человек испытывает сильное удовольствие, вплоть до эйфории. На этом эффекте основано действие некоторых наркотиков: они либо напрямую стимулируют высвобождение дофамина, либо блокируют механизмы его утилизации. Такой же, дофаминовый механизм развития зависимостей реализуется и в других структурах мозга. Наркотические препараты, алкоголь или вызванная ими эйфория активируют нейрохимические процессы и в гипоталамусе и покрышке среднего мозга — отделах, ответственных за эмоции. Кроме того, психоактивные вещества могут ослабить контроль префронтальной коры — как следствие, у человека меняется поведение, и он стремится достать наркотик. Но кроме дофамина в процессе формирования зависимостей участвуют и другие нейромедиаторы — и значение большинства из них практически не изучено. Во-первых, опосредованно: эндорфины, серотонин, гамма-аминомасляная кислота влияют на концентрацию дофамина, а через него — на удовольствие, эйфорию и возможную аддикцию. А во-вторых, вполне вероятно, что какие-то из нейромедиаторов могут сформировать зависимость и самостоятельно, без участия дофамина — но и в этих путях ученые до сих пор не уверены. В компании таких нейромедиаторов, в частности, оказался нейропептид Y — пептид из 36 аминокислот, который участвует в процессах в центральной и периферической нервной системах. Свое название он получил благодаря родственному белку — пептиду YY, который активен в желудочно-кишечном тракте. Впервые эту молекулу обнаружили в 1982 году в гипоталамусе свиньи, а уже спустя пару лет после открытия нейропептид нашли в мезолимбическом тракте человеческого мозга — в миндалевидном теле, прилежащем ядре, гиппокампе и около водопровода. Один из рецепторов медиатора оказался распространен в прилежащем ядре, а сам он вырабатывается в нейронах ядра, к которым подходят аксоны от клеток гипоталамуса. А в 2018 году ученые к тому же выяснили, что и в самих клетках прилежащего ядра содержится большое число мРНК, кодирующих нейропептид Y. Кроме этого, заметили, что концентрация нейромедиатора влияет на риск развития аддикций и расстройств настроения. Почти в это же время эндокринологи выдвинули гипотезу, что кортиколиберин — еще один нейропептид, который контролирует синтез адренокортикотропного гормона в гипофизе при стрессе, — задействован в расстройствах пищевого поведения. Выяснилось, что и тут нашлось место для нейропептида Y — он непосредственно стимулирует синтез и высвобождение кортиколиберина. С этого исследования ученые начали рассматривать нейропептид Y как один из медиаторов, ответственных за аппетит. И роль его оказалась довольно заметной. Так, эксперименты на мышах и крысах показали, что нейропептид Y заставляет животных есть больше жирной пищи и меньше двигаться — и скорее всего, это именно прямое действие нейропептида, а не опосредованная им дофаминовая реакция. Более поздние исследования выявили, что активация рецепторов нейропептида также увеличивает у мышей просоциальное поведение — они легче устанавливают контакт друг с другом и стремятся быть вместе. Другая группа ученых продемонстрировала, что рецепторы нейропептида Y участвуют в формировании алкогольной и наркотической зависимостей у животных: преобладание рецептора Y2 в области миндалевидного тела и прилежащего ядра повышало тягу мышей к алкоголю. После одного поступления этанола они снова и снова стремились получить его (чего не наблюдалось, если преобладал рецептор Y1). Это стремление приводило к употреблению алкоголя и запускало порочный круг зависимости с участием дофамина. При этом неизвестно, влияет ли напрямую нейропептид на концентрацию дофамина, а следовательно, и на получаемое от алкоголя удовольствие. Аналогичные механизмы наблюдались в отношении никотина, психостимуляторов и опиоидов. Покопались в мозгах Идею о том, что между нейропептидом Y и развитием зависимости у человека есть связь, подхватил американский антрополог Оуэн Лавджой (Owen Lovejoy). Бóльшая часть его работ посвящена прямохождению и происхождению человека — в том числе, реконструкция скелета австралопитека Люси и изучение Ardipithecus ramidus. Однако в сферу научных интересов Лавджоя попали другие механизмы, повлиявшие на эволюционный успех человека. Среди них — мутации эукариот и моногамия. Поэтому Лавджой стал работать над гипотезой, что нейропептид Y может влиять на мотивацию, поведение и даже эволюцию человека. Чтобы как-то прояснить роль нейропептида в поведении человека, в 2023 году Лавджой вместе с коллегами из Кентского университета штата Огайо провел сравнительное исследование нейропептида у приматов. Для начала ученые подсчитали, сколько аксонов и дендритов приходится на один нейропептид Y-ергический нейрон в прилежащем ядре у разных видов. Это отношение показывает способность нервной ткани обрабатывать информацию: чем оно больше, тем более сложные операции может выполнять нервный центр. Всего ученые посмертно исследовали мозг 74 особей 13 видов приматов, включая людей, шимпанзе, горилл и макаков-резусов. Оказалось, что общая плотность нейропептид Y-ергических нейронов в прилежащем ядре выше у игрунок по сравнению с людьми, шимпанзе, гориллами и свинохвостными макаками (р < 0,05). Плотность глии — вспомогательных клеток нервной ткани — между видами не отличалась. С отношением плотности аксонов к общей плотности нейропептид Y-ергических нейронов дела обстояли иначе. Это число варьировалось у каждого вида, но ни от объема, ни от массы головного мозга не зависело. При этом у человека показатель был в 2,5–5 раз выше по сравнению с остальными исследованными приматами (р < 0,03). Помимо этого, Лавджой показал, что в прилежащем ядре человека соотношение плотности аксонов к плотности нейропептид Y-ергических нейронов выше, чем в любой другой области мозга. То есть этот нейронный центр способен обрабатывать большее количество информации, используя нейропептид в качестве медиатора. Человеческий мозг (при схожей с другими приматами массе) потребляет до 20 процентов энергии — для сравнения, мозг нечеловеческих приматов тратит только девять процентов. Из-за этого люди потребляют богатые энергией субстраты — жиры или гликоген. Основываясь на данных о том, что нейропептид Y повышает тягу мышей к жирной пище, группа Лавджоя выдвинула гипотезу, что именно высокая концентрация нейропептида Y в прилежащем ядре стимулирует человека потреблять продукты, богатые жирами и углеводами и расширять таким образом свой рацион питания. Палка о двух концах Несмотря на то, что выводы о рационе подкреплены лишь данными на мышах, Лавджой не постеснялся пойти еще дальше и сразу выдвинул несколько гипотез о значении нейропептида Y для эволюции человека. Например, он считает, что стремление к поиску жиров могло сделать рацион во время беременности и лактации более энергетически ценным, что повысило репродуктивный успех вида. Также ученые предполагают, что нейромедиатор мог сыграть роль и в освоении человеком огня, так как термическая обработка увеличивает доступность энергии, которую можно получить из большинства продуктов, — в том числе из жиров. Несмотря на то, что эти особенности мозга — более высокая дофаминергическая и нейропептид Y-ергическая иннервация в прилежащем ядре — могли привести к эволюционному преимуществу людей, они же, по мнению биологов, сделали нас уязвимыми к зависимостям. В том числе, злоупотреблению психоактивными веществами и расстройствам пищевого поведения. Так, высокую концентрацию нейропептида Y (как, впрочем, и других медиаторов, ответственных за энергетический баланс) некоторые исследователи — считают потенциальной причиной гедонистического переедания. Нейропептид Y может быть виноват и в нашей тяге к заеданию проблем, ведь стресс увеличивает концентрацию нейропептида Y в гипоталамусе, а само прилежащее ядро — центр, ответственный за стремление к приятному вкусу. В эволюционном сдвиге человеческого прилежащего ядра есть еще одна сторона: он может объяснить тот факт, что наша система вознаграждения реагирует на почти неограниченный набор стимулов, утверждает группа Лавджоя. По их мнению, эта особенность могла привести к развитию культуры, поскольку люди постоянно стремятся получить удовольствие от всего: начиная едой, заканчивая спортом, чтением и искусством. Впрочем, Лавджой не приводит никакой аргументации к своим гипотезам. Он основывает рассуждения лишь на эффектах нейропептида Y, которые ранее ученые находили у крыс и мышей: повышенной тяге к жирному, просоциальном поведении и зависимости. Так, нейромедиаторами, ответственными за эволюционный успех и развитие культуры человека могут стать и эндорфины. Например, они, скорее всего, ответственны за эйфорию бегуна — чувство эмоционального подъема, сходного с легким опьянением, которое возникает у спортсменов во время длительной физической активности. Однако такое состояние может приводить к снижению выработки эндорфинов в периоды отдыха и заставлять человека двигаться больше и интенсивнее, чтобы получить те же ощущения. Хотя ученые и фиксируют признаки культуры среди животных — например, передачу опыта от поколения к поколению или иерархические системы — говорить о творческой эволюции среди них пока не приходится. Кроме того, Лавджой рассматривает влияние нейропептида Y на аппетит и его расстройства в отрыве от других гормонов — например, орексина или лептина, — которые играют не меньшую роль в его регуляции. Поскольку аппетит — сложный процесс, который регулируется множеством нейроэндокринных взаимодействий, нельзя говорить о его нарушениях без учета всех составляющих. Так что пока нет убедительных доказательств, что нейропептид Y — самый важный катализатор эволюции человеческого мозга. По-видимому, это лишь один из множества биохимических регуляторов, которые участвуют в таких сложных процессах как удовольствие, аппетит, зависимость и происхождение культуры у нашего вида. Даже если искусство — результат нейрофизиологических процессов удовольствия и вознаграждения, то, вероятнее всего, в этих процессах принял участие весь ансамбль нейромедиаторов в разных частях головного мозга.