Между Сциллой и Харибдой: действительно ли преждевременное старение - цена, чтобы избежать развития рака?
J.C. Ameisen, 2002 г.
Как уже указывалось в предыдущем параграфе, р53 - белок супрессор опухоли, отвечающий на различные клеточные стрессы, включая поражение ДНК, гипоксию, измененную экспрессию ряда онкогенов, а также способный индуцировать остановку клеточного цикла или апоптоз (Ко et аl., 1996; Levin, 1997; Giaccia et al., 1998).
Связь между активацией р53 и старением впервые была отмечена на клеточном уровне. Так, внесение в клетки вирусных онкобелков, мутантных форм р53 или антител, которые инактивируют “дикий” тип р53, замедляло старение первичных человеческих клеток (Shay et al., 1991; Bond et al., 1994; Gire et al., 1998). Наоборот, когда культивированные диплоидные человеческие фибробласты старели, у них повышалась активность р53 (Atadja et al., 1995; Bond et al., 1996; Webley et al., 2000; Itahana et al., 2001). Введение онкогена Ras в первичные фибробласты мышей инициировало митозы, но затем индуцировало преждевременное старение, зависящее от “нормального” р53 (Serrano et al., 1997). Все эти данные поддерживали гипотезу, согласно которой клеточное репликативное старение работает как механизм супрессии опухолей (Sager, 1991; Campisi, 1997).
Предпринимались также и попытки обнаружить влияние р53 на продолжительность жизни целостного организма. Была получена генерация мышей с дефицитом р53, но препятствием при изучении старения в этих экспериментах оказалось раннее развитие рака (Donehower et al., 1992; Jacks et al., 1994; Purdie et al., 1994). Напротив, попытка генерировать мышей с повышенной экспрессией дикого типа р53 не была успешной, вероятно, вследствие вредного эффекта увеличения р53 на развитие эмбриона (Bernstein, Butel, цит. по: Tyner et al., 2002).
Недавно большой группе американских исследований удалось показать, что р53-мугантные мыши, с одной стороны оказывают повышенное сопротивление раку, но, с другой - проявляют фенотипы ускоренного старения (Tyner et al., 2002). Трансгенные мыши, созданные этими авторами, несли делецию первых шести (из одиннадцати) экзонов гена р53, что приводило к экспрессии “усеченных” мРНК. Хотя авторы не смогли обнаружить белок, соответствующий этой “m”-мутации в тканях р53+/m мышей, они нашли повышенный уровень регулируемой активности р53 у этих гетерозигот, “m’’-аллель, возможно, увеличивал стабильность белка дикого типа р53, активируя NAD- Н хинон оксидоредуктазу 1, регулирующую стабильность этого белка (Asher et al., 2001). Однако высоко интригующий результат был связан с тем, что гетерозиготные р53+/т мыши развивали меньшее количество спонтанных опухолей, чем мыши с диким типом р53+/+ гомозиготы, и по целому ряду признаков демонстрировали более быстрое старение. Частота встречаемости рака была < 6% у р53+/m животных, сравнительно с > 45% у р53 +/+ животных, принимая во внимание, что средняя продолжительность жизни этих двух групп животных составляла 96 и 118 недель соответственно.
Касаясь наблюдаемых признаков старения, следует подчеркнуть, что р53 +/m мыши показывают более быструю зависящую от возраста потерю в весе мышц, селезенки, печени, почек и яичек. Сокращение массы органов, повсюду обуславливалось общим уменьшением клеточности. Ускоренные возрастные потери были также отмечены в толщине кожи, росте волос, заживлении мелких ран, сопротивлении стрессу. Тем не менее, не наблюдалось никакого ускоренного старения в ряде других маркеров старения, включая патологию печени, поседение волос и облысение, атрофию кишечных ворсинок, изъязвление кожи, атрофию мозга, амилоидное депонирование, катаракты и общую дезорганизацию функций организма. В этом отношении р53 +/m животные напоминают некоторые человеческие синдромы ускоренного старения, типа синдрома Вернера, которые могут проявляться частично и неполно имитируют быстрое человеческое старение (Martin et al., 2000). Такие проявления соответственно называют "сегментарные синдромы старения". Спектр специфических изменений, отмеченных у р53 +/т мышей не соответствовал, однако, таковым при синдроме Вернера или других человеческих патологиях.
Тэйнер и др. (Tyner et al., 2002) представили также данные по другой группе мутантных мышей (pL53), которые были “ сконструированы” так, чтобы содержать примерно 20 копий, чувствительных к температуре точечных мутаций р53, и также проявляли фенотипы ускоренного старения более очевидно именно в тех тканях, подобных коже, где окружающая температура более низкая и с большей вероятностью приводила к повышенной активности р53.
Главный вывод, которые сделали авторы этой крайне интерес ной работы, состоит в том, что р53 - супрессор опухоли - играет существенную роль в регуляции старения и продолжительности жизни у мышей. Кроме того, полагают авторы, эти результаты поддерживают идею, что старение служит механизмом подавления опу холи (Sager, 1991; Campisi, 1997). Касаясь объяснения своих неожиданных результатов, они заключают, что “некоторые из фенотипов старения позволяют предполагать сокращение пролиферации стволовых клеток. С процессом старения, этот пролиферативный резерв может уменьшаться более быстро у р53 +/т мышей, поскольку их стволовые клетки подвергаются репликативному старению скорее, чем у их р53 +/+ партнеров" (Тупоr et al., 2002).
Нам, однако, предложенное объяснение не кажется убедительным, хотя бы потому, что существует очень мало доказательств, подтверждающих идею, что стволовые клетки вообще подвергаются репликативному старению подобно тому, что наблюдается у терминально дифференцированных клеток, таких как фибробласты (Kirkwood, 2002). Мы бы хотели предложить совершенно иную интерпретацию этих замечательных результатов.
Хорошо известно, что АФК являются мощными индукторами активности р53 и, кроме того, они играют роль в реализации апоптоза, зависимого от р53. Группой итальянских исследователей (Раni et al., 2000) было показано, что трансформированные фибробласты мыши, испытывающие недостаток р53, существенно более устойчивы, чем контроль дикого типа, к цитотоксическому эффекту ряда прооксидантов. Эти клетки, подчеркнем, обладали также и повышенной экспрессией марганцевой супероксид дисмутазы (MnSOD), митохондриального фермента, который, как известно, предохраняет клетки, в частности раковые, от окислительных повреждений различными противоопухолевыми агентами. Активность MnSOD также была увеличена и в ткани печени мышей с дефицитом р53 по сравнению с тканью дикого типа. Напротив, кратковременная трансфекция р53 (дикого типа) в Не La клетки вела к существенному сокращению стационарного уровня мРНК MnSOD и ее ферментативной активности, показывая, что экспрессия этого антиокислительного фермента негативно регулируется р53. Эти данные идентифицируют MnSOD в качестве потенциального адресата для супрессора опухоли р53 и подчеркивают уместность модуляции MnSOD, поскольку такая модуляция, по-видимому, необходима, учитывая множество фактов о ненормально увеличенной экспрессии MnSOD в раковых образованиях человека. Действительно, ингибирование активност и MnSOD делает раковые клетки, например клетки рака прямой кишки с диким типом р53, более восприимчивыми к апоптозу, который индуцируется облучением, гипертермией и специфическими противоопухолевыми препаратами (Kuninaka et al., 2000)
Помимо р53 и MnSOD, в сложную цепь реакций, приводящих к апоптозу, включены продукты экспрессии более 20 генов, в частности, каскад каспаз, митохондриальный цитохром С и по- ли(АДФ-рибозо)полимераза (ПАРП). р53 является адресатом ядерного фермента ПАРП, который активируется в результате повреждений ДНК генотоксичными агентами (Mandir et al., 2002). Повышенная экспрессия MnSOD ингибировала активность ПАРП, что приводило, как было показано (Kininghamet al., 1999), к защите от апоптоза. Результаты этих исследований можно рассматривать как свидетельство негативной регуляции р53 со стороны MnSOD.
Прямые доказательства существования взаимной отрицательной (реципрокной) регуляции экспрессии генов MnSOD и р53, соответственно, со стороны их белков, были получены Паскалем Дранэ и его сотрудниками. (Drone et al., 2001). Эти авторы показали, что дикий тип р53 подавляет экспрессию гена MnSOD на уровне промотора и что, в свою очередь, повышенная экспрессия MnSOD уменьшает транскрипцию на уровне промотора р53 и ингибирует опосредованную р53 индукцию апоптоза. Это влияние MnSOD ограничивает способность р53 стимулировать апоптоз путем многоступенчатой реакции, включающей индукцию транскрипции ряда генов» связанных с окислительно-восстановительным потенциалом и играющих роль в продукции АФК, препятствует окислительному разложению митохондриальных компонентов и, наконец, апоптозу (Polyak et al., 1997).
р53, как было показано ранее, ингибирует и две других супероксид дисмутазы, Cu/ZnSOD цитозоля (Cho. et al., 1997) и Cu/ZnSOD межклеточной жидкости (Zhao et al., 2000).
Возвращаясь к ускоренному старению, вызванному непрогнозируемым влиянием повышенной активности р53 (Тупоr et al., 2002), мы можем предложить следующее объяснение этих неожиданных эффектов. Как указывалось выше, р53 специфически (на уровне промотора) ингибирует экспрессию различных SOD и прежде всего MnSOD митохондрий. Повышенная активность р53, следовательно, приведет к существенному снижению антиокислительного потенциала митохондрий и клетки в целом, что не может не увеличить разрушительного действия АФК, которое в конце концов выразится в развитии митоптоза (подробнее об этом в параграфе “Оксидативный стресс клетки”, гл. 19) и последующем повышении уровня апоптоза. Далее, неспецифический цитолиз первичных апоптотических клеток, как было показано (Terenius et al., 2000; Скулачев, 2002), вызовет кластеризацию апоптотических клеток, что, несомненно, должно привести к снижению массы и функции органов и тканей, степень которого будет зависеть как от степени активации р53, так и от общего антиокислительного потенциала в том или ином органе или ткани, т.е. от уровня окислительного стресса. Именно такое сокращение клеточности и массы целого ряда органов и тканей наблюдали авторы у мутантных мышей с повышенным уровнем р53 (Tупоr et al., 2002). Все эти факторы, как нам кажется, и предопределяют существенное сокращение продолжительности жизни у р53 +/m гетерозиготных мышей. Конечно, перманентный оксидативный стресс способен вызвать ускорение репликативного старения (Saretzki et al., 1999; Toussaint et al., 2002), с чем и связывают авторы наблюдаемые феномены, однако в рассматриваемом эксперименте этот фактор представляется нам второстепенным (см. параграф “Лимит Хейфлика и старение клеток” этой главы).
Сенсационная работа Тинора и соавторов вызвала оживленную дискуссию в научной литературе (Kirkwood, 2002; Атеisen, 2002; Ferbeyre et al., 2002), которая сводилась к вопросу - является ли старение ценой, которую платит организм за работу механизма, осуществляющего апоптоз раковых клеток? У нас нет возможности детально обсуждать этот вопрос, но мы хотели бы указать на другой аспект, который невольно затрагивает работа американских авторов.
Беспрецедентные успехи молекулярной генетики в расшифровке структуры генома человека и успехи экспериментов, использующих трансгенный подход, породили преувеличенные оптимистические ожидания новых блестящих успехов в лечении человеческих болезней, продлении жизни, улучшении способностей индивида и т.п. и т.д. Эвристическая ценность работы Тинора и соавторов заключается, между прочим, и в том, что она убедительно демонстрирует насколько непредсказуемы и опасны по последствиям могут быть попытки прямого трансгенного вмешательства в организацию генома высших организмов с его исключительно сложным и тонким взаимодействием генов, которое оптимизировано длительным эволюционным развитием. Нам наглядно показали, как естественная и понятная попытка добиться снижения уровня спонтанного рака путем повышения активности супрессора опухоли - белка р53, приводит к развитию фенотипов раннего старения!
Только тщательные и всесторонние исследования этой проблемы в будущем ответят на вопрос - можно ли успешно провести человеческий организм между Сциллой и Харибдой баланса и регуляции его защитных и деструктивных сил?