Факты и соображения, изложенные выше, позволяют предполагать, что ^ концентрация АФК в митохондриях должна с возрастом повышаться у стареющих организмов. Совсем недавно это было прямо подтвержде- У
но на дрозофиле М. Мерфи и сотрудниками, разработавшими элегантный метод измерения митохондриальных АФК in vivo с помощью проникающих катионов. Существенно, что на людях получены указания на увеличение с возрастом генерации АФК при обратном переносе электронов в мышечных митохондриях. Генерация Н202 митохондриями молодых людей (средний возраст 23,5 года) была почти втрое ниже, чем у пожилых (67,3 года), причем этот эффект блокировался ротеноном, ингибитором комплекса I.
2) Антиоксидантная защита митохондрий значительно снижается при старении.
Ключевую роль в этом эффекте играет падение уровня белка SIRT3 — фермента-деацетилазы, стимулирующего важнейшие антиоксидантные системы митохондрий — восстановление глютатиона и супероксиддис-мутазу 2.
3) Снижение уровня митохондриальных АФК замедляет старение. Такой эффект был достигнут тремя различными способами.
а) Каталаза, ключевой антиоксидантный фермент, расщепляющий Н202, был адресован в матрикс митохондрий, где он в норме отсутствует. Оказалось, что мыши с такой мутацией живут дольше. В той же лаборатории было показано, что старение скелетных мышц резко замедляется присутствием каталазы внутри митохондрий. Исчезли такие нарастающие с возрастом эффекты, как повышение продукции перекиси водорода мышечными митохондриями, увеличение числа мутаций митохондриальной ДНК, рост карбонилирования белков (особенно белков митохондрий), снижение максимальной скорости митохондриального дыхания и сопряженного с ним синтеза АТФ. Тормозилось уменьшение числа митохондрий в скелетных мышцах при старении животных. Кроме того, ослаблялось неблагоприятное
к
S
У
О
L-
о
>
действие старения на миокард, снижались явления системного вое- х паления, уменьшалась частота возникновения опухолей негематопо- 1 этического происхождения; при этом каталаза не влияла на развитие q
а.
опухолей гематопоэтической системы и гломерулонефропатий. На мышах с мутацией в корректорском центре митохондриальной ДНК-полимеразы («мутаторных мышах») адресная доставка каталазы в митохондрии сердца уменьшала число делеций митохондриальной ДНК, карбонилирование белков и количество формы фермента эпоп
ее
=;
сС
тоза — каспазы 3, повышенные у «мутаторных» мышей в отсутствие каталазы в органеллах. Перечисленные эффекты были выражены гораздо слабее или вовсе отсутствовали, если каталаза была снабжена ядерным либо пероксисомным адресом.
б) Был нокаутирован ген белка p66shc, комплексующегося с митохондриальным цитохромом с и, по-видимому, разрешающего этому 0 цитохрому переносить электрон прямо На 02, образуя О2' Продолжи- £ тельность жизни мышей выросла на 30%. Интересно, что выключе- £ ние гена белка p66shc снижает окислительное повреждение как мито-
т
хондриальной, так и ядерной ДНК in vivo в легких, печени, селезенке, со коже, скелетных мышцах и почках, но не влияет на этот показатель о
в мозге и сердце. Подобная тканевая специфика полностью соответствует содержанию p66shc, которое минимально в мозге и сердце. к Можно полагать, что эти два органа в значительной степени выведе- ^ ны из-под действия программы старения, по крайней мере, в той ее части, которая реализуется достаточно рано и опосредована белком ^ p66shc.
в) В нашей лаборатории был синтезирован низкомолекулярный антиоксидант, адресованный в митохондрии (SkQl, см. далее, гл.7). Это вещество продлевало жизнь грибов, растений, ракообразных, насекомых, рыб и млекопитающих, а также замедляло развитие большой группы старческих заболеваний и признаков.
4) Увеличение уровня митохондриальных АФК ускоряет старение. В рамках нашего проекта по борьбе со старением (гл. 7) один из его участников, президент Королевской академии наук Швеции Б. Кэннон и ее сотрудники провели опыты на «мутаторных» мышах. Как уже отмечалось выше, такие мыши умирают гораздо быстрее со всеми признаками прогерии — преждевременного старения. Эти эффекты резко ослаблялись добавкой митохондриального антиоксиданта SkQ1 в питьевую воду.
5) Старение сопровождается накоплением ошибок в митохондриальной ДНК и уменьшением количества митохондриального фосфолипида кардиолипина.
В соответствии с логикой, изложенной выше, максимальная продолжительность жизни млекопитающих оказалась в обратной зависимости от количества двойных связей и способности к пе-рекисному окислению фосфолипидов печеночных митохондрий.
Другой пример того же рода дало сравнение пчелиной матки и рабочей пчелы, продолжительность жизни измеряются соответственно годами в первом случае и десятками дней — во втором. У рабочих пчел оказалось гораздо больше полиненасыщенных жирных кислот, подверженных перекисному окислению, а у маток — насыщенных, устойчивых к этой опасности. Наконец, количество белка-антиоксиданта, ювенильного гормона пчел вителлогенина было намного выше у маток.
6) Митохондриальные АФК вызывают апоптоз, тем самым способствуя уменьшению «клеточности» органов и тканей.
д
На сегодня накоплен обширный экспериментальный материал о том, как АФК участвуют в запрограммированной смерти клетки. В этом * смысле особенно важны митохондриальные АФК. Мутантные клеточные линии, лишенные митохондриальной ДНК, а значит, и возможно- н сти образовывать АФК в дыхательной цепи, чрезвычайно устойчивы т к апоптозу. Митохондриальный антиоксидант SkQl блокирует апоптоз о клеток в культуре, вызванный небольшой добавкой перекиси водорода. ° Сама добавленная перекись быстро разлагается клеточными фермента- ^ ми, но затем, через 1-2 часа, наступает мощный всплеск генерации эндо- ^ генных АФК, который как раз и снимается SkQl. Здесь мы имеем дело ^ с явлением, обнаруженным нашим сотрудником Д.Б. Зоровым, а имен- £ но «образованием АФК под действием других АФК». Показано также к снятие некроза клеток in vitro посредством SkQl. Кроме того, обнаруже- ^ но предотвращение при помощи SkQl возрастной активации апоптоза крысиных фибробластов. ^
Таким образом, есть веские основания полагать, что именно митохондриальные АФК вызывают уменьшение количества клеток в органах и тканях стареющих организмов.
II.6.6. Как организм узнает, сколько ему лет
Наши часы идут плохо, регулятор нашей жизни не соответствует своему назначению; это — дешевенький маятник, сделанный на скорую руку... Мы не приложили стараний к его обработке.
Н.А. Умов
По нашему мнению, старение есть последний этап онтогенеза — индивидуального развития организма. Но если это так, то старение, как и онтогенез в целом, должно управляться «большими биологическими часами». Их существование было постулировано В.М. Дильманом и вслед за ним — А. Комфортом. Поразительно, что, несмотря на колоссальные успехи молекулярной биологии и генетики последних десятилетий, мы по-прежнему ничего не знаем об устройстве этих «часов». Более того, мы даже не догадываемся, где они находятся. Наши знания об измерении времени живыми существами пока ограничиваются суточным ритмом. Этот ритм обусловливается циклическими биохимическими реакциями, происходящими в эпифизе (у птиц) или в супрахиазматическом ядре гипоталамуса (у млекопитающих). Как в том, так и в другом случае измерение времени основывается на колебаниях в эпифизе или супрахиазматическом ядре концентрации определенных веществ, что вызывает затем циклическое изменение уровня в крови определенных гормонов, прежде всего мелатонина. Интересно, что с возрастом средняя концентрация мелатонина в крови и амплитуда его суточных колебаний неуклонно уменьшаются, причем этот процесс у людей начинается с 7 лет, являясь, по-видимому, одним из самых первых признаков старения. По данным В.Н. Гладышева и сотрудников, у голого землекопа обнаруживаются большие аномалии в первичной структуре рецепторов мелатонина.
Однако измерение времени в часовой шкале, как это делает циркадный механизм, вряд ли годится, чтобы считать годы. Сказанное не исключает участие мелатонина (см. ниже), если ключевым параметром была бы не почасовая кинетика концентраций этого гормона в крови, а, например, его средний уровень в течение суток. Здесь уместней было бы отслеживать, например, число лунных циклов, чтобы, в частности, регулировать периодичность менструального цикла у женщин.
В нашей повседневной жизни мы сверяем свои часы с эталоном — устройством, основанным на скорости радиоактивного распада. Невероятно, чтобы такой механизм использовали живые организмы. Однако в них происходят кое-какие другие спонтанные химические процессы, которые могли бы лежать в основе механизма, измеряющего годы.
Ионы Скулачева SkQ для продления молодости
II.7.1. Капли от неизлечимой старческой болезни
Начало проекта. А теперь по порядку: что же такое наш SkQ1 и откуда он взялся?
В основе проекта было положено утверждение, что можно попытаться прервать программу старения, предотвратив происходящий с возрастом подъем уровня митохондриальных АФК. Подчеркнем, что речь здесь должна идти не о любых АФК, а лишь об их избытке, возникающем внутри митохондрий в процессе старения организма. Дело в том, что АФК, как уже отмечалось,
не только участвуют в реализации программы старения, но и выполняют целый ряд полезных функций, таких как активация генов пролиферации; защита организма от бактерий; ликвидация клеток, зараженных вирусами, а также клеток, вставших на путь малигнизации, «бездомных» клеток, случайно покинувших свою ткань и попавших в другую, и т.д.
Но как адресовать антиоксидант в митохондрии? Пауль Эрлих сто лет тому назад мечтал о «магической пуле» — лекарстве, адресованном в больную ткань, а нам нужно в качестве мишени использовать не ткань, а нечто гораздо более мелкое — внутриклеточную органеллу. Здесь нам придется возвратиться к работе, выполненной одним из нас совместно с Е. А. Либерманом в конце 60-х гг., а именно — к описанию проникающих ионов, впоследствии названных Дэвидом Грином «ионами Скулачева» (Sk+ и Sk~). Заряд этих ионов, таких как, например, тетрафенилфосфоний, экранирован крупными гидрофобными остатками и сильно делокализован, что препятствует образованию «водной шубы» вокруг иона и резко повышает его способность проходить через липидный барьер биомембран. Тогда же мы высказали предположение, что проникающие катионы могут использоваться как «молекулы-электровозы» для адресной доставки в митохондрии других соединений, лишенных положительного заряда или заряженных, но не проникающих через мембраны. Как показали наши опыты, в живой клетке митохондрия — единственная орга-нелла, внутренность которой заряжена отрицательно по отношению к цитозолю. Поэтому любые проникающие катионы автоматически оказываются адресованными в митохондрии. Эта мысль была использована нами для объяснения роли катионной группы карнитина в транспорте в митохондрии остатков жирных кислот, а затем М. Мерфи и Р. Смитом для конструирования антиоксидантов, адресованных в митохондрии. В большинстве работ М. Мерфи использовалось вещество под названием MitoQ, где в качестве антиоксиданта был выбран убихинон, а в качестве Sk+ — катион децилтрифенил-фосфония.
Мы подтвердили способность микромолярных концентраций MitoQ накапливаться в митохондриях и защищать их от окислительного стресса. Однако оказалось, что даже небольшая передозировка этого вещества ведет к изменению знака эффекта: из антиоксиданта MitoQ превращается в мощный прооксидант, катализируя генерацию митохондриями перекиси водорода с рекордной скоростью. Такие же наблюдения были сделаны и в трех других лабораториях, в том числе и в группе самого Мерфи. Как тут не вспомнить Чехова: «От чего умер ваш дядя? — Он вместо 15 капель Боткина, как прописал доктор, принял 16!»
Тогда мы обратились к пластохинону — переносчику электронов, действующему вместо убихинона в фотосинтети-ческих электронтранспорных цепях хлоропластов растений и цианобактерий. В процессе эволюции возможной причиной замены убихинона, участвующего в дыхательной цепи митохондрий, на пластохинон в хлоропластной редокс-цепи той же растительной клетки могли бы быть именно лучшие антиокси-дантные свойства пластохинона по сравнению с убихиноном, описанные в химических опытах на модельных системах. Фактически хлоропласт, образующий кислород, всегда находится в условиях гораздо более сильного окислительного стресса по сравнению с митохондриями, поглощающими этот кислород. Пластохинон в отличие от убихинона имеет две метиль-ные группы вместо метоксильных, а единственная метиль-ная группа убихинона заменена на водород. Оказалось, что такие замены резко повышают антиоксидантную активность полученного соединения в биологических системах. Если для MitoQ концентрации, вызывающие анти- и прооксидантные эффекты, различаются менее чем вдвое (300 и 500 нМ), то для пластохинонового производного децилтрифенилфосфо-ния, названного SkQ1, это различие возросло до 32 раз (25 и 800 нМ) . С получением этого результата стало ясно, что в наших руках оказался уникальный по своей эффективности антиоксидант, действие которого специфически направлено на митохондрии и в малых дозах не осложнено побочным прооксидантным действием. Это наблюдение принципиального характера побудило нас организовать амбициозный мегапроект, главной целью которого явилось создание на основе SkQ лекарственного препарата, замедляющего действие гипотетической программы старения человека.
С самого начала было совершенно ясно, что это длительное и непростое дело. Ведь если наше новое вещество действительно тормозит программу старения, то оно должно действовать на самые разные организмы, у которых старение существует. Далее, его действие не должно ограничиваться вылечиванием какой-то одной старческой болезни, а сразу всего их букета. Хотя целью проекта было заявлено создание средства для борьбы со старением человека, начать нужно было с доклинических испытаний множества возрастных патологий на самых разных животных, чтобы затем, в случае их успеха, перейти к длительным клиническим исследованиям.
С этой задачей удалось справиться за 5 лет международному коллективу, состоящему из 300 высококвалифицированных специалистов: биологов, физиков, медиков, химиков и фармацевтов.
II.7.2. SkQ как геропротектор
По существу первым нашим результатом был синтез группы совершенно новых соединений, отсутствующих в живой природе и лабораторных коллекциях химиков. Это были прежде всего вещества, состоящие из пластохинона и проникающих катионов типа Sk+. Результаты наших опытов доказали способность SkQ замедлять старение (это подробно изложено в электронной версии, www.vitascope.ru).
II.7.3. SkQl в ряду других антиоксидантов
Мафусаил прожил 969 лет, но в 600 лет выглядел еще так молодо, что ему никто не давал больше 350.
Альфред Сови
Поразительна эффективность SkQ1 как геропротектора. Пожалуй, лучше всего ее иллюстрирует опыт на мутантных мышах, лишенных гена белка р53. С возрастом практически у всех таких животных появляются лимфомы, и мыши погибают от рака гораздо раньше, чем контрольные животные. По данным П.М. Чумакова и сотрудников, антиоксидант N-ацетилцистеин продлевает среднюю продолжительность жизни мутантов примерно на одну треть, в дозе 6x10-3. Наше вещество вызвало тот же эффект в дозе 5x10-9 моля, т. е. в более чем в миллион раз меньшей.
В опытах на крысах OXYS было произведено сравнение действия трех антиоксидантов: SkQl, MitoQ и а-токоферола — на развитие катаракты и ретинопатии у крыс OXYS, находящихся в состоянии постоянного
тивны. Это может объяснить отрицательный результат группы М. Мер- s фи, пытавшейся предотвратить развитие наследственных ретинопатий у грызунов посредством MitoQ.