Этому помогут короткоживущие нотобранхиусы

В Институте молекулярной биологии им. В. А Энгельгардта (НЦМУ «Центр высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины») при поддержке Минобрнауки России нацпроекта «Наука» нашли новый способ изучения старости. Теперь стареть для науки будут африканские рыбы.

Рыбы вместо Ивана Иваныча

Биология, в той ее части, которая занята изучением организма человека, оказывается в непростой ситуации: живого Ивана Ивановича опытам не подвергнешь, но изучать-то надо. И тут возникает проблема модельных организмов. Последние лет сто такими организмами традиционно служили мухи дрозофилы, микроскопические круглые черви и мыши-крысы. Понятно, что и те, и другие, и третьи на человека похожи не во всем. Но вариантов было немного. Приходилось работать с теми существами, про кого наука что-то знала. Хуже всего приходилось геронтологам, ученым, исследующим разрушительные процессы, которые приходят к нам с возрастом. Старость — штука странная. Она подкрадывается медленно и неслышно, зато овладевает организмом грубо и бесповоротно. Как только человек переступает некую грань биологического возраста, недуги начинают сыпаться на него, как из рога сомнительного изобилия. В основном это болезни тяжелые и страшные: онкология, диабет, Альцгеймер и т. д. Даже если они и не приводят к печальному исходу в короткий срок, то радикально меняют качество жизни. Внезапность и необъяснимость этого процесса — одна из загадок биологии. Многие ученые склоняются к мысли, что старость не просто провоцирует начало болезней, но сама и является болезнью.

Чтобы изучать эти процессы, нужна модель. Но какая? Дрозофилы и черви эволюционно слишком далеки от человека. Мыши, конечно, ближе, но они живут года три, соответственно, и исследование должно длиться примерно столько же. А за три года мало ли чего может случиться. Модель, в которой остро нуждались геронтологи, должна была отвечать нескольким требованиям: во-первых, это существо должно быть максимально приближено к человеку, во-вторых, жизнь его должна быть как можно более короткой. И тут на сцену внезапно вышли рыбы нотобранхиусы.

«Мы к этой идее пришли совершенно случайно,— говорит ведущий научный сотрудник Института молекулярной биологии имени Энгельгардта, заведующая лабораторией постгеномных исследований и руководитель ЦКП “Геном” молодая ученая Анна Кудрявцева.— Дело было так. Летом 2018 года я была на конференции по онкологии в Горном Алтае. Там был известный патологоанатом и гистолог из Московской городской онкологической больницы №62 Никита Савелов. Мне очень хотелось наладить с ним научное сотрудничество, потому что он феерический специалист и человек-энциклопедия. Мы быстро выяснили, чем можем быть полезны друг другу. Поскольку я занимаюсь полногеномным секвенированием, он попросил меня отсеквенировать несколько видов рыб. Тем самым Никита хотел прекратить поток недобросовестных открытий в зоологии. Дело в том, что в науке понятие биологического вида неоднозначно и корректно описать новый вид довольно сложно. Случается, что неопытные любители зоологии объявляют, что нашли новый вид, в то время как это не совсем так. И вот Савелов, как борец за чистоту научного знания, предложил мне разобраться с несколькими подозрительными случаями. Те рыбы относились к группе с потрясающим названием “икромечущие карпозубые”. В их систематике я тогда понимала немного, поэтому начала про них читать и разбираться. И чем больше читала, тем больше в этих карпозубых влюблялась. Тогда-то я и подумала: какие интересные рыбки для любителя молекулярной эволюции!..»

Тайны аквариумистики

Нотобранхиусы — рыбы удивительные, можно даже сказать, уникальные. Они живут в Африке в пересыхающих водоемах. Вся их активная жизнь — это недолгий период дождей. За это время они должны успеть родиться, вырасти и оставить потомство — икру с толстыми стенками, способную пережить сезон засухи. Получается, что за несколько месяцев рыбной жизни можно наблюдать весь процесс старения. При этом рыба, как существо позвоночное, неизмеримо ближе к человеку, нежели дрозофила. По многим научным статьям нотобранхиусы не уступают даже мышам.

Постепенно Кудрявцева выяснила, что несколько небольших научных групп в мире уже успели заинтересоваться нотобранхиусами. Однако дизайн предлагаемых экспериментов оставлял желать лучшего. Дело в том, что есть два варианта изучения возрастзависимых изменений. Можно изменить геном на стадии эмбриона и затем следить, что из этого получится: продлится ли жизнь и как организм будет меняться. Это, конечно, интересно, но лекарственный препарат в обозримом будущем так не создашь. Куда перспективнее подобрать геропротектор, то есть вещество, замедляющее старение, и просто кормить им рыбку. Это реальный путь к созданию универсального лекарства от старости. Оказалось, что последним типом экспериментов в мире почти не занимаются. Кудрявцева как генетик отлично понимала почему. Такие эксперименты крайне трудоемки и должны быть очень хорошо спланированы. Анна подумала и решила, что будет первой, кто выведет это направление на принципиально новый уровень.

Два года ушло на отработку методик. Тогда в лаборатории не было никаких приспособлений для изучения рыб, кроме двухлитровых банок и стандартного оборудования из магазина аквариумистики, купленного на зарплату. Анна и ее команда работали на чистом энтузиазме, понимая, что нашли непаханое научное поле, обещающее серьезные открытия. Но все было не зря.

Год назад проект исследования геномных основ возрастзависимых заболеваний человека на моделях короткоживущих рыб был профинансирован через национальный проект «Наука», и дело пошло. Лаборатория Кудрявцевой смогла закупить единственную в России автоматизированную установку для изолированного содержания рыб в постоянных условиях среды. Что это значит, объясняет сама Анна: «Понимаете, можно, конечно, каждый день менять рыбам воду в двухлитровых банках, но это, во-первых, ну очень муторно, а во-вторых, влияет на чистоту эксперимента. Какой-никакой, а для рыбок это стресс. Есть и еще одна проблема. Наши рыбки — хищники. Бывает, что они приходят в состояние агрессии и могут другу друга перекусать. Понятно, что на этом эксперимент закончится. Лучше, чтобы рыбки были лишены социальных контактов, то есть чтобы каждая жила в своем аквариуме. Наша установка устроена так, что нужный состав воды в ней поддерживается автоматически. Ты только задаешь параметры, дальше установка все делает сама. Кроме того, в ней много отдельных емкостей для содержания рыб: у каждой рыбки своя собственная квартира, а соседей она видит через стекло. Когда мы купили эту установку, жизнь, конечно, сразу стала веселее».

Продлить жизнь и спасти от рака

Начала Кудрявцева с самих нотобранхиусов. Уже удалось секвенировать, то есть расшифровать, геномы двух видов рыб. Это было непросто. В геноме нотобранхиусов множество повторяющихся элементов, что сильно затрудняет расшифровку. Тем не менее было бы странно изучать генетические изменения на модели, чей родной геном до сих пор не изучен.

Впрочем, сверхзадача Анны Кудрявцевой куда сложнее: на моделях короткоживущих рыб можно понять механизмы старения, а значит, продлить срок здоровой и полноценной жизни человека. Работа идет по нескольким направлениям. Прежде всего изучаются генетические механизмы онкологических заболеваний, угроза которых резко возрастает к старости. Подобного рода исследования ведутся уже несколько десятилетий, многое сделано, существуют базы данных, в которых описываются различные мутации и степень их патогенности. Но процесс крайне далек от завершения. Например, существует относительно редкая злокачественная опухоль под названием парагонглиома (именно с ней работает Кудрявцева). Известно, что 40% этих опухолей имеют наследственную природу. Но мутация, которая их порождает, до сих пор неизвестна.

В лаборатории Кудрявцевой исследуют ДНК, выделенную из опухолей и крови пациентов. Удалось найти много генетических мутаций, которые потенциально могут быть причиной заболевания. Но порождать болезнь из них могут только одна или две. Какие? Чтобы это выяснить, необходимо провести функциональные тесты — ввести соответствующие генетические изменения в клеточную линию и посмотреть, как изменится активность генов. Самые точные данные можно получить, конечно, на организменном уровне. Но вводить их надо не во взрослый организм, а в оплодотворенную яйцеклетку, ведь большинство мутаций проявляется только в процессе развития. Нотобранхиусы, чей срок жизни измеряется несколькими месяцами, для этого подходят идеально.

Кроме этого Кудрявцева изучает, как работают новые геропротекторы. Первые результаты уже получены.

«Мы провели эксперимент по воздействию на организм рыб вещества, близкого к рапамицину, “золотому стандарту” для продления жизни,— говорит Кудрявцева.— Мы предполагаем, что действие нашего вещества окажется более выраженным. Мы смотрим, какие гены под действием этого вещества начинают работать сильнее, а какие наоборот. Это так называемое транскриптомное исследование. В результате мы можем понять, какие молекулярные пути меняются под воздействием изучаемых веществ».

Средство Макропулоса прячется в рыбьем желудке?

Еще одно направление работы — микробиота рыб, то есть состав и изменения кишечной микрофлоры. Направление это новое, но очень перспективное. В лаборатории Кудрявцевой с этой темой работают уже давно. Вместе с коллегами из Сеченовского университета Кудрявцева создала общественную организацию «Научное сообщество по содействию клиническому изучению микробиома человека», которая призвана оптимизировать подходы к лечению пациентов, координировать работы разных специалистов в области изучения микробиома и его влияния на здоровье человека. Давно известно, что существует ось кишечник—мозг. Это значит, что состояние микрофлоры может влиять не только на физическую, но и на психическую жизнь человека. Изменения флоры могут вызывать множество заболеваний, вплоть до шизофрении и нарушений аутического спектра. Рыбы и тут оказались на высоте! Их режим питания очень напоминает человеческий. Рыбы питаются порциями: завтрак, обед, ужин. Так как работа мозга и пищеварительной системы связаны между собой, нотобранхиусы оказались для подобных исследований даже более удобными модельными объектами, чем мыши.

Если известно, что с возрастом микробиота меняется, то, возможно, эти изменения и оказываются сигналом для начала старости. А если это так, то может ли контроль за микробиотой продлить срок здоровой жизни? На эти вопросы пытается получить ответы Кудрявцева. Уже есть данные о том, что введение в кишечник стареющих рыб микробиоты молодых особей замедляет старение. Пока радоваться рано. Работы в самом разгаре, готовятся к публикации три статьи в ведущих международных журналах. Пока же Кудрявцева совместно с известным психофармакологом Алланом Геровичем Бениашвили и коллегами из Института проблем экологии и эволюции имени А. Н. Северцева тщательно контролирует реакции своих подопечных, следит за сохранностью их памяти, быстротой ориентации и всем тем, что гарантирует высокое качество жизни и рыбкам, и человеку.

«Сейчас организаторы здравоохранения постулируют нацеленность на профилактику заболеваний как лучший способ борьбы с ними,— говорит Анна.— Это правильная стратегия. Лучше не допустить болезнь, чем потом лечить ее. Старость — это комплексное состояние человеческого организма, система определенных поломок, которые вызывают каскад трагических изменений. Чтобы с ней бороться, надо искать первопричину, детально расшифровывать механизмы этого процесса и затем подбирать способы коррекции. Изучение того, как к нам подбирается старость, может спасти человечество от печальной участи проводить вторую половину жизни в постоянных битвах за здоровье и за само существование. Наши исследования идут как раз в этом направлении».

Ольга Андреева