Тимур Казанцев
Биохакинг на доступном
Эволюционная теория
А теперь, хотите почувствовать всю никчемность вашей жизни и существования, а может быть, и наоборот, заложенную в вас эволюцией вселенскую миссию?
Согласно эволюционной теории старения, которая в целом очень близка теории одноразовой сомы Кирквуда, все наше тело работает исключительно для того, чтобы передать наши гены дальше с глобальной целью сохранения и эволюции нашего вида.
Все клетки нашего тела можно поделить на две группы: соматические и половые. Задача половых клеток – передать гены в следующее поколение, и они в каком-то смысле бессмертны, потому что они передаются уже много миллионов лет существования нашего вида. Соматические клетки – все остальные клетки нашего организма: печени, почек, желез, сердца, мышцы, головного мозга и т. д. Их задача – обеспечивать сохранность и передачу половых клеток.
С точки зрения эволюции, все очень просто: мы вроде живем, но по сути, вся наша жизнь нацелена на то, чтобы передать более успешно наши гены следующему поколению.
То есть все соматические клетки нашего тела, а это 99,999 % нашего организма, согласно этой теории, работают исключительно для того, чтобы поддержать половые клетки и дать им возможность быть переданными дальше.
Для того чтобы обеспечить передачу половых клеток в следующее поколение, нам надо двигаться, кушать, искать партнеров, для этого нам надо нарастить большое количество мышц, сосудов, мозга и так далее. Именно поэтому наш организм быстро растет до полового созревания, а потом через несколько лет после того как мы прошли период репродукции, мы начинаем быстро стареть.
Только представьте себе. Согласно этой теории, все наше тело – это как безопасный контейнер или обслуживающая оболочка, которая временно хранит наши половые клетки, и после того как они переданы в следующее поколение, необходимость в этой оболочке в целом сводится к минимуму, и именно тогда начинается старение. Это так же и в пчелиных колониях, где весь рой и каждая пчела-работник обслуживает одну единственную пчелу-королеву и готова умереть, чтобы дать ей выжить.
Тихоокеанский лосось – отличный пример этой теории. Эта рыба нерестится всего один раз в жизни, а потом умирает. Лосось расходует все свои ресурсы на размножение, у него не будет второго шанса, чтобы дать потомство вторично, и поэтому его организм «просто разваливается» после первого нереста.
Выводы
Итак, мы познакомились с разнообразными теориями о старении. Какой вывод можно сделать по итогам этой главы?
Старение – это сложный и многофакторный процесс, который, вероятно, не может быть объяснен одной единственной теорией. Существуют разные теории старения, включая теории износа и поломок организма, запрограммированного старения и эволюционной необходимости. Я считаю, что эти теории не отрицают, а зачастую дополняют друг друга.
Помимо естественного износа и поломок, которые происходят со временем в организме, существуют мощные механизмы стрессоустойчивости, которые борются со старением – чинятся поломанные ДНК, убираются поврежденные белки. Но, к сожалению, эти процессы работают не с полной эффективностью, и ошибки все равно накапливаются в течение времени.
При этом, в принципе, организм способен на бесконечное самовосстановление, и клетки могут продолжать делиться, ремонтировать и обновлять себя в течение достаточно долгого времени. Наша жизнь – это процесс деления клеток, которые технически могут делиться бесконечно в идеальных условиях. Старение, похоже, не является обязательным для организма физиологическим процессом. Существование «бессмертных» видов и организмов-долгожителей – явное тому доказательство.
Таким образом, теории запрограммированного старения можно считать достаточно оптимистичными, поскольку, если старение – это программа, то, как и все программы, ее можно «взломать», и просто «отменить старение». На это направлены усилия многих ученых в настоящее время, и можно сказать, что здесь есть определенные успехи, пусть и пока еще не окончательные.
Основные принципы антистарения включают в себя лечение поломок и износа организма, а также исследование генетических и эпигенетических механизмов, которые могут быть отвечающими за старение. Это позволит управлять процессом старения и делать его многонаправленным и управляемым.
В заключение, стоит упомянуть, что в современном мире собрано огромное количество исследований, которые показывают, что на продолжительность жизни статистически влияют различные факторы, такие как питание, стиль жизни, стресс, сон, физическая активность, гормональный фон и т. д.
Далее в этой книге как раз и будут более детально разобраны каждый из этих факторов. Будучи осведомленными о них, мы сможем активно влиять на свой процесс старения и улучшать качество своей жизни.
ГЕНЕТИКА И ЭПИГЕНЕТИКА
В прошлой главе про теории старения мы уже упоминали про генетические мутации или эпигенетические изменения. Давайте теперь остановимся на этом поподробнее и попытаемся понять, как функционирует весь этот механизм, связанный с нашими ДНК. В этой главе мы также узнаем, от чего же все-таки больше зависит продолжительность и качество нашей жизни – от генетики или от каких-то других факторов, и в каком процентном соотношении?
ДНК, хромосомы, гены, геном
Из уроков биологии, мы, наверное, помним, что есть клетки, в которых есть ядра, а есть безъядерные клетки. Например, в зрелых эритроцитах (красные кровяные тельца) ядер нет. Так вот, в тех клетках, в которых есть ядра, внутри этих ядер хранятся по 23 пары хромосом (по 23 хромосомы от каждого родителя), итого 46 хромосом в каждой клетке[25]. За исключением половых клеток, в которых не 46 хромосом, а 23. Хромосому часто изображают как букву Х, но не все хромосомы похожи друг на друга.
Что такое хромосома? Хромосома – одна молекула ДНК, которая компактно упакована в нитевидные спиралевидные структуры с помощью вспомогательных белков-гистонов.
Таким образом, ДНК – это длинная двойная спираль, свернутая очень плотно, и состоит она из пар всего четырех нуклеотидов: А (аденин), Т (тимин), Г (гуанин) и Ц (цитозин). В нитях ДНК нуклеотиды соединены один за другим в длинные цепочки.
Белки гистоны позволяют скрутить, сжать и упаковать всю ДНК очень плотно. Если ее раскрутить, то длина ДНК в одной хромосоме в среднем составляла бы 5 см, но с помощью этой компактной структуры, средняя длина хромосомы варьируется в пределах 0,2-50 мкм.
Каждая из 46 хромосом в клетке немного отличается от других по размеру и форме и имеет разное количество пар нуклеотидов в своей цепочке.
Например, в 1-й хромосоме человека – самой большой из всех, содержится более 248 миллионов пар оснований, что составляет примерно 8 % всего материала ДНК человеческой клетки.
Всего же, во всех 46 хромосомах, содержится примерно 3,2 млрд пар оснований (т. е. 6,4 млрд букв-нуклеотидов А,Т,Г,Ц). Для сравнения в книге Л.Н.Толстого «Война и мир» около 2 миллионов букв, а в одном ДНК одной клетки – 6,4 миллиарда букв. Если полностью растянуть всю ДНК всего одной клетки, то длиной она будет около 2 метров. А если сделать то же самое для всех клеток в вашем организме, то получится примерно 107 млрд километров длиной, что соответствует 150 000 полетам на Луну и обратно.
Идем дальше.
Гены, как мы понимаем, содержатся как раз в этой ДНК. Причем, под одним геном подразумевается один участок молекулы ДНК, состоящей из нескольких пар оснований. Таких участков (генов) ДНК может содержаться от нескольких сотен до тысяч в одной хромосоме.
Например, на 1-й хромосоме находятся более 3000 генов.
Один ген определяет один или несколько характеристик, признаков или функций живого существа. Это наименьший неделимый элемент наследственного материала, который может быть передан от родителей потомству как целое и который определяет признаки, свойства или физиологическую функцию организма. Иногда тот или иной признак человека контролируется не одним, а несколькими генами вместе.
Интересная книга про каждый ген человека – «Эгоистичный ген» Ричарда Докинза[26]
Весь набор генов именуется геномом человека. Всего человеческий геном содержит примерно 21 000 генов (https://www.genome.gov/About-Genomics/Introduction-to-Genomics). Основную часть генома (92 %) расшифровали к 2003 году в рамках проекта «Геном человека». В апреле 2022 года было сообщено, что международная команда исследователей секвенировала последние 8 % генома человека. Кстати, расшифровка первого человеческого генома заняла 13 лет и стоила 3 миллиарда долларов. Сегодня если вы захотите расшифровать свой геном, это будет стоить вам несколько сотен долларов и займет несколько дней.
Каким образом, гены определяют признаки и характеристики организма?
По сути, ДНК – это инструкция, которая считывается и указывает клетке какой именно белок производить, который дальше выполнит определенную функцию в нашем теле. Почти все люди имеют 99,6 % одинаковых генов. Но 0,4 % вариаций составляют около 12 миллионов пар оснований, что может объяснить многие различия между людьми, особенно если изменения происходят в ключевых генах. Окружающая среда также вносит свой вклад в нашу индивидуальность (но об этом позже).
Как мы уже сказали, всего человеческий геном содержит около 21 000 генов. В каждом гене отдельно взятого человека 1–3 буквы (нуклеотиды) будет отличаться от другого человека. И этих различий достаточно, чтобы изменить форму и функцию белка, сколько белка производится, когда и где он будет делаться. И все это будет влиять на наш рост, цвет наших глаз, волос, кожи и многих других признаков нашего организма.
Кроме этого, и что возможно, даже более важно, эти небольшие изменения в геноме (изменение или пропуск одной буквы в одном гене) будут также влиять на риск развития у нас тех или иных заболеваний, а также на реакцию нашего организма на различные медикаменты.
Генетические заболевания, как правило, вызываются изменениями в ДНК структуре. Некоторые заболевания являются результатом мутаций, которые передаются по наследству от родителей. Другие заболевания становятся результатом приобретенных мутаций в гене или группе генов, которые происходят в течение жизни человека.
Генные мутации представляют собой изменения (опечатки) в последовательности нуклеотидов, такие как удаление, замена или добавление других нуклеотидов в цепочку ДНК. Они происходят с вероятностью примерно 1 нуклеотид на 1 миллион при каждом делении соматических клеток (потому что это достаточно сложный процесс – представьте, что вам надо переписать книгу из 3 миллиардов пар букв).
Эти мутации могут иметь положительные, отрицательные или нейтральные последствия. Некоторые положительные мутации включают устойчивость к низким температурам, увеличенную плотность костей, сниженную потребность во сне, устойчивость к ВИЧ и другим инфекциям. Примерами отрицательных мутаций являются аллергия на солнечный свет, глухота, слепота и т. д. Нейтральные мутации, такие как гетерохромия (разный цвет глаз), не оказывают влияния на жизнеспособность организма. Есть также мутации, которые могут значительно снижать жизнеспособность человека. Например, наличие дополнительной 47-й хромосомы может приводить к синдрому Дауна, а отсутствие 46-й хромосомы – к синдрому Тернера.
Есть ли гены старения?
Было бы здорово, если бы существовал только один ген, который отвечал бы за старение, позволяя нам просто его отключить. К сожалению, реальность оказывается более сложной. За старение отвечают несколько групп генов, каждая из которых играет свою уникальную роль. Причем, кроме самих генов на старение и здоровье организма влияют и другие эпигенетические факторы, но об этом уже скоро в следующей главе. А пока посмотрим на некоторые гены, которые связаны со старением.
Одна из групп регулирует холестериновый обмен, а именно процессы, связанные с атеросклерозом и сужением сосудов. В случае мутаций в этих генах, обмен холестерина может быть резко нарушен, что ведет к образованию бляшек даже у маленьких детей.
Существуют также гены, которые отвечают за углеводный обмен и могут провоцировать развитие сахарного диабета. Эти гены также влияют на состояние стенок сосудов. Эти гены можно отнести к общим, влияющим на старение организма.
В то же время, есть гены, которые приводят к наследственным заболеваниям. Например, прогерия (преждевременное старение из-за мутации гена LMNA), также известная как синдром Гетчинсона – Гилфорда – это достаточно редкое аутосомно-рецессивное заболевание детей, которое передается из поколения в поколение. К годовалому возрасту у детей уже могут проявляться признаки старения, а к 10–12 годам они уже могут умереть от старости – выпадают волосы, зубы, истончается кожа, развивается ранний атеросклероз. По сути, прогерия – это модель ускоренного старения. К 13 годам имеем пожилого человека по всем параметрам здоровья (биохимические, физические и др).
Существует и взрослая форма этого заболевания, известная как синдром Вернера, первые признаки которого начинают проявляться у людей в возрасте 18–30 лет. Болезнь проявляется атрофией кожи и подкожной клетчатки, ранним появлением седины, множественными патологиями опорно-двигательного аппарата.
Есть также гены, отвечающие за конкретные признаки старения. Например, мутации в гене ELN могут приводить только к внешним признакам старения, таким как обвисшее лицо с морщинами. Этот ген отвечает за производство белка эластина, обеспечивающего молодость нашей кожи.
Интересно, что седение волос также является генетическим фактором. В некоторых семьях люди начинают седеть уже в 20–30 лет.
Таким образом, старение – это сложный процесс, за которым стоят множественные гены и механизмы их взаимодействия. Но как мы уже упоминали, генетика и наши ДНК – не единственное (а возможно, и даже не основное), что влияет на старение и качество нашей жизни.
Влияние эпигенетики
Если раньше ученые думали, что только гены предопределяют кто мы есть, как мы будем выглядеть и насколько здоровой и продолжительной будет наша жизнь, то сегодня мы точно знаем, что все: включая наше поведение, вредные привычки, экология и окружающая среда, стресс, питание оказывают воздействие на активность наших генов и генов будущих поколений.
Дело в том, что набор генов фиксирован, и как уже было сказано, гены всех людей схожи примерно на 99,6 %. Существенную роль же играют не сами гены, а то какие из них активны в тот или иной момент времени, а какие нет. И именно на это уже влияют так называемые эпигенетические факторы, включая все, что было упомянуто ранее: стресс, питание, вредные или полезные привычки, экология, наше поведение и пр.
Часто различие между генетикой и эпигенетикой представляют как сочетание пианино и пианиста соответственно. Если генетика – это пианино, на котором клавиши представляют собой определенный ген, то эпигенетика – это пианист, который играет на этом пианино, или выбранная композиция. И поэтому несмотря на то, что клавиши на пианино одинаковы для всех, сыграть можно миллионы разных произведений. Поэтому каждая из 30 триллионов клеток нашего тела имеет одни и те же гены и одну и ту же ДНК, но некоторые из них становятся клетками кожи, другие – нейронами, третьи – клетками сердца.
Само слово «эпигенетика» означает науку о том, как клетки контролируют активность генов без изменения последовательности ДНК. «Эпи-» в переводе с греческого означает «над или выше», и поэтому под «эпигенетическими» факторами подразумевают факторы, находящиеся за пределами генетического кода. То есть эпигенетические факторы не изменяют последовательность строительных блоков ДНК, но влияют на активность или «экспрессию» генов.
Мы знаем, что ДНК – это своеобразная инструкция, которая считывается и указывает клетке какой именно белок производить, который дальше выполнит определенную функцию в нашем теле. Эта регуляция помогает гарантировать, что каждая клетка вырабатывает только те белки, которые необходимы для ее функционирования. Например, белки, способствующие росту костей, не вырабатываются в мышечных клетках.
Эпигенетические изменения помогают определить включены или выключены гены, и соответственно они влияют на выработку белков в клетках. Паттерны эпигенетической модификации различаются у разных людей, в разных тканях человека и даже в разных клетках ткани. Воздействие окружающей среды, такое как диета человека и воздействие загрязняющих веществ, могут влиять на эпигеном. Эпигенетические модификации могут передаваться от клетки к клетке по мере деления клеток и, в некоторых случаях, могут передаваться по наследству из поколения в поколение.
Так каким образом происходит воздействие эпигенетических факторов на активность тех или иных генов?
Есть два наиболее распространенных типа эпигенетической модификации.
Первый из них называется метилирование ДНК. Метилирование ДНК подразумевает присоединение небольших химических (метильных) групп, каждая из которых состоит из одного атома углерода и трех атомов водорода, к строительным блокам ДНК. Когда метильные группы присутствуют в гене, этот ген выключается или замалчивается, и из этого гена не образуется никакого белка.
Вторым типом эпигенетических изменений является модификация гистонов. Мы уже упоминали гистоны, когда говорили про строение ДНК. Гистоны – это структурные белки в ядре клетки. ДНК оборачивается вокруг них, что способствует плотной упаковке и придает форму хромосоме. Гистоны можно модифицировать путем добавления или удаления химических групп, таких как метильные группы или ацетильные группы (каждая из которых состоит из двух атомов углерода, трех атомов водорода и одного атома кислорода). Химические группы влияют на то, насколько плотно ДНК обернута вокруг гистонов, что влияет на возможность включения или выключения того или иного гена.
Ошибки в эпигенетическом процессе, как например, невозможность добавления химической группы к определенному гену или гистону, могут привести к аномальной активности или бездействию гена. Изменение активности генов, в том числе вызванное эпигенетическими ошибками, является частой причиной генетических нарушений. Было обнаружено, что такие состояния, как рак, нарушения обмена веществ и дегенеративные расстройства, бывают связаны в том числе с эпигенетическими ошибками[27].
Эпигенетический профиль человека меняется с возрастом под воздействием образа жизни, экологии и некоторых других факторов: некоторые гены включаются, некоторые выключаются, и в целом профиль становится другой интенсивности. Есть некоторые общие изменения, характерные для большинства людей, а есть индивидуальные особенности. По эпигенетическому профилю, в частности, по метилированию ДНК, можно оценить биологический возраст человек с точностью до 3–5 лет. И если соотнести этот биологический возраст с хронологическим возрастом человека, то можно будет заметить, что человек стареет быстрее или медленнее. И это в принципе можно заметить в быту, активен ли человек, насколько молодо он выглядит для своего возраста или нет (вспомним, встречу одноклассников:). Кстати, у долгожителей эпигенетический (биологический) возраст на несколько лет моложе их хронологического возраста[28].
Некоторые ученые считают, что «эпигенетическая память» стирается и обнуляется при новом зачатии, другие же ученые считают, что эпигенетические изменения могут передаваться по наследству. И для этого есть определенные исследования, которые доказывают эту точку зрения. Например, при имитации засухи рисовые побеги проявили повышенную устойчивость к засухе в течение следующих 11 поколений. В другом эксперименте потомки растений, которые подвергались атаке гусениц, также проявляли большую устойчивость к поеданию гусеницами. А потомки растений, которые не подвергались атаке гусениц, не обладали подобными адаптационными изменениями. В обоих случаях, и с рисом и с гусеницами, изменения происходили в метилировании генома, хотя сама ДНК оставалась неизменной[29].
Другие исследования включали в себя исследования на мышах: детеныши мышей боялись того же самого, что и их родители. Еще один известный пример – повышенная предрасположенность к диабету и ожирению детей и внуков голландских женщин, переживших знаменитый голод зимой 1944 года[30].
Мы уже упоминали, что при делении клеток происходят мутации / опечатки в ДНК с примерной вероятностью 1 нуклеотид на 1 миллион. Таким же образом, при делении клеток могут происходить и опечатки в эпигенетическом профиле ДНК, потому что эпигенетические метки тоже должны переписаться при делении клетки. Так вот, здесь вероятность получения ошибок уже в 10 раз чаще, что тоже может влиять на возникновение болезней, развитие процесса старения и пр. Кстати, для корректного синтеза ДНК, ее метилирования и исправления ошибок, необходимо наличие всех нужных микроэлементов и витаминов в организме, в частности, витамины В3, В9 и В12, а также цинк и магний. Даже небольшой дефицит этих элементов в организме может нарушить стабильность генома и привести к увеличению числа случайных хромосомных повреждений. Более подробно о витаминах и минералах мы рассказываем далее в книге в отдельной главе.
В прошлой главе про теории старения мы уже упоминали, что достаточно большая часть ученых считает, что старение – это запрограммированный процесс. Так вот, некоторые исследователи заявляют, что именно метилирование генома и эпигенетика – это именно тот инструмент, который отвечает за разные периоды жизни. Ведь по эпигенетическому профилю можно определить биологический возраст человека, потому что во время эмбрионального развития, детства, юношества, взросления и старения – эпигенетический профиль отчетливо различается.
Некоторые ученые даже сравнивают всю жизнь с программой в стиральной машине – сначала идет замачивание, потом стирка, потом полоскание, и наконец, отжим. И по их мнению, если это программа, то ее можно взломать / отключить. А если мы предполагаем, что это связано с метилированием наших ДНК, то может быть можно научиться останавливать это метилирование – то есть фиксировать его в том виде, которое у нас имеется условно в 30 лет. Либо откатывать его назад. И сейчас уже ведутся такие исследования. Причем, существуют и естественные способы воздействия на эпигенетический профиль – в частности, ограничение калорий, а также имеются и искусственные методы, как то, специальные лекарства, деметилирующие геном.
