Существуют ли разные сценарии гибели клеток? Сколько их и какие они? Можно ли научиться ими управлять и, если да, что это даст? Нужна ли бессмертная клетка? Можно ли остановить развитие рака? А победить старость? Какие есть новые открытия в этой области? Об этом рассуждает Борис Животовский, доктор биологических наук, профессор в Институте медицины окружающей среды Каролинского института в Стокгольме, профессор и руководитель лаборатории на факультете фундаментальной медицины МГУ.
Борис Животовский
Фото: Из личного архива
Борис Животовский
Фото: Из личного архива
— Борис Давидович, ваша лаборатория в МГУ называется ЛИМА — Лаборатория исследования механизмов апоптоза. Почему такое название?
— Мне исходно не очень нравилось такое название, потому что апоптоз — это один из типов гибели клеток. На сегодняшний день их известно примерно с десяток. Я предполагал название «Лаборатория исследования механизмов гибели клеток». Но мне сказали, что «гибель клеток» в названии — это не солидно, а «апоптоз» — термин, который знают все. Ну если все знают, то я согласился. Вот я не знаю всего про апоптоз, как и про другие типы гибели...
— А что вы не знаете про апоптоз?
— Много чего. В моем представлении будущее исследований механизмов гибели клеток — это детальное выяснение взаимодействия между ними, роль клеточного метаболизма в их регуляции. Деталей связи метаболизма клеток и апоптоза, а также других типов гибели я не знаю, и никто этого не знает, что бы ни говорили. Если на сегодняшний день говорить о роли метаболизма клеток в процессе их гибели, это абсолютно темное пятно. Буквально несколько месяцев назад вышла замечательная статья, в которой была описана роль метаболизма в таком типе гибели, как ферроптоз. И я понимаю почему.
Дело в том, что ферроптоз связан с метаболизмом железа, с перекисным окислением липидов, а это все очень тесно завязано на метаболизм клетки. Поэтому первый прорыв — здесь.
Что касается связи метаболизма клетки и остальных типов гибели, в этом очень много неизвестного. Есть отрывочные сведения, но пока их очень мало. Повторю мое мнение: выяснение роли метаболизма клеток в регуляции механизма гибели клеток будет колоссальным прогрессом в практическом использовании данных в этом направлении биомедицины.
— Насколько я знаю, вы сейчас этим занимаетесь?
— Да, именно так. Если говорить об изучении гибели клеток, термин «программированная гибель клетки» впервые был предложен в 1965 году, а в 1972-м вышла первая статья, где присутствовало слово «апоптоз». С тех пор, с одной стороны, появилось много новых и важных данных, а с другой — все усложнялось и усложнялось. В 1993–1994 годах состоялась конференция в Нью-Йорке, где впервые стали говорить о роли протеаз в гибели клеток. Протеазы — это ферменты, которые расщепляют белки.
В перерыве я сидел рядом с автором первой статьи по апоптозу Эндрю Вайли. Мы были знакомы еще с 1989 года. И он сказал: «Как было в 1980-е легко! Уровень кальция в клетке увеличивается, он активирует кальций-зависимые эндонуклеазы, они расщепляют хроматин, что приводит к гибели клеток… Казалось, что все просто. Сейчас коллеги говорят о протеазах. Думаю, если наша область знаний так же стремительно будет развиваться, то очень скоро мы придем к тому, что она окажется так же сложна, как процесс клеточного деления». Как в воду смотрел...
— То есть чем больше вы знаете, тем меньше вы знаете?
— Да. Это у меня осталось на всю жизнь — мы сейчас знаем много, но очень многого мы не знаем. И это замечательно, так как имеется огромное пространство для исследований.
А начиналось с того, что были известны два типа гибели клеток: апоптоз и некроз, регулируемый и патологический соответственно. Но со временем оказалось, что клетка не может иметь один регулируемый механизм гибели.
Потому что, если в этом механизме есть какие-то нарушения, то клетка всегда будет жива, она будет бессмертна, а таковой она быть не может, да и не должна. Значит, должны быть какие-то другие механизмы. Это мы знаем сейчас.
Одно из основных направлений в нашей лаборатории — выяснение, каким образом разные механизмы взаимодействуют друг с другом и как можно использовать эту «игру» для того, чтобы сделать, например, опухолевую клетку более чувствительной к воздействиям. Мы знаем на сегодняшний день, что есть типы опухолей, которые абсолютно резистентны к апоптозу. Но с ними можно работать — за счет того чтобы подавить пути, которые вызывают эту резистентность, и сделать клетку более чувствительной как к апоптозу, так и другим путям гибели.
— И таким образом победить рак?
— Это один из путей, очень интересный, и на сегодняшний день это наша основная задача. Есть такой тип опухоли — аденокарцинома легких. Рак легкого делится на две большие группы — мелкоклеточный и немелкоклеточный рак. А немелкоклеточный рак, в свою очередь, делится на три большие подгруппы, одна из них — аденокарцинома легких. Она свойственна в основном курильщикам. Клетки этого вида рака очень устойчивы к терапии. Диагностируется он, как правило, очень поздно. А когда диагностируется, то уже помочь пациенту бывает трудно.
Так вот, несколько лет назад мы обнаружили интересную вещь, связанную с аутофагией. Некоторые рассматривают аутофагию как один из механизмов выживания, но она может рассматриваться и как один из механизмов гибели. Мы показали, что в клетках аденокарциномы легких уровень аутофагии очень высок, что является одной из важных причин их выживания. Они не чувствительны к апоптозу. А вот если подавить аутофагию, опухоль становится чувствительной к воздействию разных химиотерапевтических препаратов, активирующих апоптоз.
— Как это можно сделать?
— Аутофагия регулируется большим числом генов. Мы выбрали два гена, ответственные за ключевые фазы этого процесса. Результат оказался очень интересным: если мы убирали один ген, это приводило к тому, что опухолевые клетки становились чувствительными к апоптозу.
Однако убить все раковые клетки невозможно. Когда же мы убрали второй ген, то рост опухолевых клеток замедлялся. Они не погибали, но находились в состоянии покоя.
Это тоже хорошо, потому что одна из идей современной онкологии заключается не только и не столько в том, чтобы убить все раковые клетки, сколько сделать так, чтобы число этих клеток не увеличивалось и человек мог совершенно спокойно жить.
— Знаю, есть точка зрения, что победить рак мы никогда не сможем, а надо научиться с ним жить.
— Да, совершенно с этим согласен. И вот, убирая один из генов, мы можем привести клетку к такому состоянию. Работа была сделана на опухолевых клетках человека, а сейчас у нас имеется большая коллекция опухолевого материала больных, и работа группы молодых сотрудников нашей лаборатории заключается в том, чтобы выяснить, каким образом соотношение между разными генами и их продуктами, белками, наряду с другими клиническими параметрами влияет на ответ клеток данного типа рака на терапию и, соответственно, выживаемость больных. Это направление наших исследований, мне кажется, очень интересное и перспективное.
— Почему вы говорите, что нам никогда не удастся победить рак?
— Рак — это единственное заболевание, которое носит системный характер на уровне организма. Нет другого такого заболевания. Туберкулез вызывается различными видами микобактерий, известных как палочка Коха, ВИЧ — это вирус, который вызывает гибель клеток иммунной системы. Значит, можно как-то повлиять на эти бактерии или вирус, чтобы они не распространялись дальше. С раком так не получается.
— Это вы говорите об инфекционных заболеваниях, но есть же другие. Например, системная красная волчанка, ревматоидный артрит, склеродермия — и тоже имеются системные формы.
— Все равно это касается определенной системы. А рак затрагивает весь организм, все его системы. Это одна из основных причин того, почему полностью элиминировать опухоль и сделать так, чтобы не оставалось ни одной раковой клетки, нереально. Все равно останется какое-то количество опухолевых клеток в организме.
Поэтому, с моей точки зрения, если в обозримом будущем можно будет добиться того, чтобы люди спокойно жили и работали, давали потомство, будучи носителями некоторого числа раковых клеток,— это замечательно. Если честно, я не вижу доказательств обратного.
— Сегодня многие, и вы в том числе, говорят о программируемой гибели клеток. У меня возникает вопрос: кто программирует эту гибель?
— Геном. Еще несколько десятилетий назад идея существования программы гибели многим, в том числе маститым ученым казалась бредовой. Хорошо помню эти времена. Сейчас с ней соглашаются все.
Нужно иметь в виду: программа гибели есть в каждой клетке. Но гены и белки, регулирующие эту программу, в норме выполняют абсолютно другие функции.
Природа очень экономична, она не может иметь сложную систему, которая будет сидеть и ждать, когда же ей надо активироваться.
— Когда же?
— Все белки, все гены работают вместе. В определенной ситуации, когда это требуется, генные продукты — белки — способны менять свою локализацию, переходя из одного внутриклеточного компартмента в другой. Пример — цитохром С, который работает в электронно-транспортной цепи, передает электроны в митохондриях, и благодаря этому мы дышим. Когда необходимо, часть этого цитохрома С выходит из митохондрии в цитозоль, соединяется с определенными белками, формируя новый комплекс, и запускает один из типов апоптоза.
Другой механизм заключается в том, что белок, выполняющий определенные функции в составе комплекса А, в случае сигнала к началу гибели клеток соединяется с другим белком, появляется комплекс Б, и этот комплекс убивает клетку. Природа так создала очень «экономный» и рациональный механизм.
В последние пару лет появилась серия работ, где показано наличие одного и того же белка в составе различных комплексов. Когда этот белок появляется в одном комплексе, активируется апоптоз. В другом комплексе активируется пироптоз, в третьем комплексе — некроптоз. Это совершенно уникальная система. Детальное выяснение того, как один и тот же белок из одного состояния переходит в другое и выполняет различные функции,— также очень интересное направление. Это сейчас «горячая точка» исследований.
— Может ли быть, что мы знаем далеко не все механизмы гибели клетки?
— Разумеется, это так. Совсем недавно был описан механизм гибели клеток, связанный с нарушением обмена меди, купроптоз. Еще один очень важный момент, на который мы только начали обращать внимание. Раньше считалось, что если цитохром С выходит в цитозоль, активирует комплекс апоптосому, то уже возврата нет, клетка погибает. А теперь появились данные о том, что если цитохром С выходит и комплекс формируется, но его активности по каким то причинам не хватает, то гибель клеток не начинается. Это может дать возможность клетке выбрать один из нескольких путей: клетка может выжить, а может превратиться в опухолевую. Данный процесс называется «анастазис». Он подобен витязю на распутье. Мы недавно опубликовали теоретическую работу на эту тему.
— Мы можем как-то повлиять на выбор пути?
— Можем! За счет определенных химических веществ или генетических подходов. Но это все еще в разработке, мы не можем сегодня сказать — давайте пойдем в клинику и во всех случаях заставим опухолевую клетку идти только по «правильному» пути. Но количество знаний прибавляется. То же самое — на комплекс, который регулирует апоптоз, пироптоз и некроптоз, можно воздействовать в эксперименте химическими веществами и его регулировать, и мы некоторые из них знаем.
— Вы на себе их не попробовали? Знаю, есть ученые, которые очень активно употребляют свои вещества.
— Это правда. Но я с этим не спешу. Рано и, к счастью, пока не надо... Хотя если увижу, что можно и нужно, то почему не попробовать? Это нормально. Не только я, но и многие мои коллеги это сделают.
— Какие у вас планы, перспективы в вашем исследовании?
— В 2001 году вместе с профессором Оррениусом, который меня в свое время пригласил в Стокгольм, мы организовали первую Нобелевскую конференцию по гибели клеток. Среди участников были все «пионеры». И было потрясающе интересно слушать их доклады о генах и белках, регулирующих механизмы известных в то время типов гибели клеток. Главный докладчик был Роберт Горвиц, которому на следующий год была присуждена Нобелевская премия.
В 2010-м меня пригласили, в связи с 200-летием Каролинского института, организовать вторую Нобелевскую конференцию. Было интересно наблюдать, когда практически каждый второй докладчик говорил о том, как проблема программируемой гибели клеток связана с медициной, с патогенезом различных заболеваний.
В 2016-м была третья конференция. Вообще это удивительно, потому что обычно Нобелевские конференции по одному направлению бывают примерно раз в 20 лет. Многие докладчики на этой конференции уже говорили о том, что испытывают тот или иной препарат. Вот это движение! На сегодняшний день есть препараты, утвержденные соответствующими национальными организациями, которые влияют на механизмы гибели клеток и используются в клинике, в частности в онкологии или при лечении иммунных заболеваний.
Мне кажется, что будущее именно за медицинскими разработками. А иначе смысла нет. Интерес пропадает. Ну обнаружишь ты новый белок или новый ген, который делает что-то… И дальше что?
— Препараты, которые могут помогать при лечении онкологических заболеваний, можно ли назвать геропротекторами?
— Нет, это не геропротекторы. Понимаете, до сих пор идет дискуссия: является ли старение отображением программируемой гибели клеток? Я не думаю, что это так.
— А как?
— Когда организм стареет, клетки продолжают выполнять свою функцию, но не так активно, как в юности.
В эмбриогенезе часть клеток, которые выполнили свою функцию, элиминируются, и это принципиально важно, это и есть программируемая гибель. Они выполнили функцию — и ушли.
При старении многие клетки не уходят, гены, регулирующие их активность, просто медленнее работают. Как машина, которая со временем становится менее быстрой.
— Значит, с вашей точки зрения, старение никак не связано с программируемой гибелью клеток? Это разные процессы?
— Скажу одну вещь: Роберт Горвиц, который получил Нобелевскую премию за выяснение механизмов программированной гибели клеток в процессе развития организма, работал с нематодой. Вместе с сотрудниками он выявил целый спектр генов, регулирующих гибель клеток, показал, как они работают, в каком порядке и т. д. Ими был обнаружен один ген, который, как оказалось, регулирует продолжительность процесса гибели. Во время развития нематоды 131 из 1090 клеток должны погибнуть, этот процесс должен занимать определенное время. И когда этот ген работает быстрее или медленнее, процесс можно регулировать. У человека мы не знаем, каков этот ген, есть ли он или совокупность генов. Поэтому точного ответа на ваш вопрос я не знаю.
— Почему тогда мы говорим о возраст-зависимых заболеваниях, куда относится в том числе и рак?
— А это разные вещи. Рак действительно во многих случаях связан с возрастом, потому что с течением времени в клетках накапливаются мутации. Чем мы дольше живем, тем их больше. Вот почему рак ассоциирован с возрастом. Большое количество мутаций превращает нормальную клетку в опухоль-инициирующую. Эта клетка делится и дает возможность развития рака.
В 2000 году в первом номере журнала Cell было опубликовано так называемое Millennium review. Два автора — Дуглас Ханнаган и Роберт Вайнберг — впервые описали шесть физиологических изменений, которые лежат в основе рака. Одно из этих изменений ими было названо «недостаток апоптоза».
В 2011-м они опубликовали второе издание «физиологических изменений», и там уже было десять таковых. Но одно из них уже называлось «устойчивость к гибели клеток». Не к апоптозу, а к гибели клеток.
А в начале 2022-го один из авторов, Ханнаган, опубликовал новое издание и добавил туда еще четыре физиологических изменения.
Таким образом, на сегодняшний день известно 14 физиологических изменений, которые приводят к возникновению рака. Не все одновременно — там может быть их комбинация, но они все принципиально важны.
А самое интересное, что вы можете воздействовать на 13 из этих 14, и если не будет работать 14-й механизм, а именно механизм гибели клеток, то вы ничего не сможете сделать.
— А если воздействовать только на него?
— Вы не можете воздействовать только на него — вы все равно должны будете воздействовать на остальные. Так устроено, что воздействовать надо на совокупность изменений, которые наиболее выражены в данной опухоли. Поэтому нет одного, единственного, лекарства для лечения рака. Нужно комплексное воздействие.
— Получается, что гибель клеток — благо для организма?
— Да, в определенном случае. Мы говорили о том, что клетки, выполнившие свои функции в организме, должны исчезнуть. Необходимо убрать «лишние», патологические или поврежденные клетки из организма. Но есть случаи, когда это плохо. Например, нейродегенеративные заболевания, в частности болезнь Альцгеймера, когда клетки мозга гибнут.
Несколько дней назад я слушал очень интересный доклад Константина Анохина. Потом мы с ним это обсуждали. Он считает, что не столько гибель нервных клеток лежит в основе болезни Альцгеймера, сколько блокирование процесса взаимодействия между ними, которое ведет к остановке памяти. Это очень интересное направление исследования, мне очень понравилась такая новая оригинальная идея. Действительно, взаимодействие между клетками останавливается, но сами клетки все же погибают.
— То есть задача ученых — дифференцировать, в каких случаях нужна гибель клеток и надо ее ускорить, а в каких она не нужна и надо ее притормозить. Осталось совсем чуть-чуть — научиться это делать.
— Точно! Клетка нормально делится, но могут существовать два последствия «неправильного» деления. Первое — когда делящиеся клетки начинают погибать, и как следствие, орган теряет свою функцию. Это нейродегенеративные, иммунологические и ряд других заболеваний.
А второе, когда клетки делятся и не начинают погибать, а, наоборот, их число увеличивается. Пример — онкологические заболевания. Это разные механизмы.
Важно отметить, что в одном и том же органе, например печени, кровеносной или иммунной системах, в зависимости от ситуации, когда неконтролируемо гибнут или накапливаются клетки, развиваются совершенно разные заболевания. Задача исследователей — понять, где начинается эта разбалансировка и как на нее воздействовать.
Когда мы это поймем, будет грандиозный прорыв в лечении длинного ряда заболеваний, убивающих человечество и мешающих ему жить.
Программируемая гибель клеток — очень быстро развивающаяся область биомедицины, Ее успехи были отмечены тремя Нобелевскими премиями в XXI веке. Поэтому, исходя из скорости накопления знаний, хочется надеяться, что прорыв наступит в обозримом будущем. В этом я оптимист.
