Молекулярный управляющий здоровьем: TOR. Введение

Одной из самых важных задач перед исследователями является создание единой теории здоровья, которая может синтезировать в своих рамках разных ЗОЖ-стратегии. В химии таким обобщением является таблица Менделеева, в классической физике – законы Ньютона. Сегодня я расскажу про молекулярный комплекс, на котором сходятся разные сигнальные пути и изменение активности которого лежит в основе многих заболеваний. Тема эта большая, поэтому разобью ее на несколько постов. Речь пойдет о mTOR mammalian target of rapamycin, то есть «мишень рапамицина у млекопитающих». Новое слово рапамицин? Давайте с него и начнем!

Рапамицин с острова Пасхи.

Однажды, в начале 1980-х, исследователь Сурен Сегал принес домой с работы пакет и положил его в морозильную камеру. Всунутый рядом с мороженым, он был завернут в прочный полиэтилен с надписью "НЕ ЕСТЬ!" В нем было несколько небольших стеклянных флаконов с белой пастой. Это было все, что осталось от редких бактерий, которые сегодня легли в основу самого многообещающего препарата против старения, за десятки лет. Сегал изучал их с 1972 года, когда он впервые выделил их из образца грунта в Ayerst Laboratories, фармацевтической компании, расположенной в Монреале.

Канадская медицинская экспедиция собрала образцы почвы из-под одной из загадочных каменных голов на острове Пасхи, маленьком кусочке земли посреди Тихого океана. В этой земле Сегал обнаружил Streptomyces hygroscopicus, бактерию, выделяющую сильное противогрибковое вещество. Это заинтриговало его; он подумал, что ее можно использовать в креме против микоза и других грибковых заболеваний. Он очистил вещество и назвал его рапамицин, в честь острова Пасхи, истинное название которого звучит, как Рапа-Нуи.

Вскоре препарат доказал свой потенциал. Когда у жены соседа никак не проходило упрямое грибковое заболевание, Сегал смешал для нее мазь с рапамицином. "Возможно, это было противозаконно", - делится его сын Аджайа Сегал, но инфекция быстро прошла. Сурен, биохимик, мигрировавший в Канаду из маленькой деревушки, которая теперь находится на территории Пакистана, был убежден в том, что наткнулся на нечто особенное. 

Однако прежде чем он смог продвинуться дальше в своих исследованиях, Ayerst внезапно закрыли свою лабораторию в Монреале, а руководители отдали приказ уничтожить все "нежизнеспособные" компоненты, включая рапамицин. Сегал был не в состоянии сделать этого и сохранил несколько флаконов Streptomyces hygroscopicus у себя дома в морозильной камере. Большая часть сотрудников были уволены, а Сегал был переведен в лабораторию в Принстоне (штат Нью-Джерси). Полиэтиленовый сверток переехал в упаковке с сухим льдом.

Новые открытия

Когда Wyeth, глобальная медицинская компания, расположенная в Пенсильвании, выкупила Ayerst в 1987 году, Сегал убедил своих руководителей позволить ему продолжить работу над редкой бактерией. Сегал обнаружил, что помимо противогрибковых свойств, рапамицин также оказывает подавляющее действие на иммунную систему. Он заглушает естественную реакцию организма на новую почку или другой орган. 

В конце концов, в 1999 году Американское управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) одобрило рапамицин в качестве препарата для пациентов, перенесших операцию по пересадке. Сегал умер спустя несколько лет, после одобрения FDA, слишком рано, чтобы увидеть, как плод его усилий спасает жизни тысячам пациентов, перенесших операцию по пересадке, и продолжает приносить компании Wyeth сотни миллионов долларов.

С тех пор, рапамицин был приспособлен для использования в различных целях. Подобно пенициллину, он является биологическим веществом, а потому не может быть запатентован. Хотя это возможно сделать с его производными. Он теперь используется в обязательном порядке в качестве покрытия на стентах, чтобы препятствовать нанесению рубцов и избегать блокирования. Производные рапамицина были одобрены к использованию против некоторых онкологических заболеваний, в том числе рака почек, легких и молочных желез. 

И это может быть только началом. За прошедшее десятилетие, препарат зарекомендовал себя не только в качестве лекарства, продлевающего жизнь путем снижения риска возникновения заболеваний, связанных с возрастом (онкологические заболевания, сердечно-сосудистые заболевания и болезнь Альцгеймера), он также замедляет проявления естественного процесса старения.

TOR - биологический предохранитель

Рапамицин работает на фундаментальном уровне клеточной биологии. В начале 1990-х, ученые компании Sandoz, предшественника Novartis, обнаружили, что молекулы рапамицина блокируют основные сигнальные пути, регулирующие рост и метаболизм. Этот путь был, в конце концов, назван "мишень рапамицина" (или TOR - target of rapamycin) и присутствует во всех организмах, начиная дрожжами и заканчивая людьми (называемый TOR).

TOR подобна предохранителю на предприятии: когда она активирована, клетка растет и делится, потребляя питательные вещества и производя протеины. Когда TOR блокирована, "предприятие" переходит в режим консервации, при котором клетка “подчищает” все внутри и перерабатывает старые протеины способом, известным, как аутофагия. 

Одна из причин, по которым ограничение в калориях увеличивает продолжительность жизни животных, как полагают исследователи, случается из-за того, что этот процесс ингибирует сигнальный путь TOR и ускоряет развитие аутофагии. Таким же образом действует и рапамицин, но он не вызывает чувство голода.

"В действительности, рапамицин подключается к системам организма, задействованным при ограничении питания", - говорит Брайан Кеннеди, главный исполнительный руководитель Института исследований старения Бака в городе Новато (штат Калифорния). "Мы эволюционировали на протяжение миллиардов лет, чтобы действительно иметь такую способность. Когда все хорошо, мы будем расти и у нас появятся дети. А когда все не так хорошо, мы входим в более стрессоусточивый режим, чтобы выжить до следующей охоты. И просто так совпало, что стрессоустойчивость не дает нам стареть".

Рапамицин подавляет иммунную систему (вот почему он так эффективен с трансплантатами). По мнению многих ученых и врачей, это является Ахиллесовой пятой препарата, в качестве лекарства, замедляющего процесс старения. Если давать этот препарат пожилым пациентам, иммунная система которых зачастую уже ослаблена, то они станут более подвержены инфекциям, угрожающим жизни, что не соответствует конечной цели. Было обнаружено, что рапамицин снижает потерю костной массы с возрастом, обращает вспять процесс старения сердца и снижает хронические воспалительные процессы у мышей. Было доказано, что он также предотвращает возникновение болезни Альцгеймера у них. 

Критики утверждают, что это может быть рискованно для людей, которые не имеют проблем со здоровьем. Помимо возможности подавления иммунной системы, побочные эффекты рапамицина могут включать гангренозные язвы и слабое заживление ран. Опыт клинического применения этого препарата показал, что у него весьма специфические побочные эффекты, которые чаще всего проявляются у тех, кто принимает рапамицин длительными курсами. Эти включают гиперхолистеринемию, гиперлипидемию и артериальную гипертензию. 

"Рапамицин затрагивает сигнальные пути, которые слишком фундаментальны для нормальных клеточных функций, чтобы быть лекарством, которое могут принимать здоровые люди, до тех пор, пока у нас не будет больше данных по безопасности", - говорит Вольтер Лонго, профессор Института Южной Калифорнии, открывший главные сигнальные пути, являющиеся целью рапамицина. Он также отметил, что регулярный пост перекрывает те же самые пути, без побочных эффектов.

mTOR 

Это внутриклеточный белок, на котором сходятся многие сигнальные пути от рецепторов, расположенных на поверхности клетки. Эта система работает в ответ на появление питательных веществ, ростовых факторов, цитокинов и прочих важных для клеток молекул и в ответ на все это регулирует размножение клетки, ее форму, движение, выживание, синтез белков и другие функции. mTOR функционирует как сенсор уровня питательных веществ и энергии в клетке, а также окислительно- восстановительного статуса. Нарушение регуляции mTOR приводит к развитию различных заболеваний, в том числе и различных типов рака. 

Работы последних десяти лет показали, что подавление активности протеинкиназы TOR, стимулирующей рост клеток за счет регуляции синтеза белка, увеличивает продолжительность жизни самых разных биологических видов, включая мух и мышей. В последние годы усилия биологов и химиков были направлены на раскрытие точных механизмов, лежащих в основе этого эффекта. 

Исследование ученых из Центра изучения диабета Джослина (Joslin Diabetes Center), опубликованное в журнале Cell Metabolism, подтверждает, что протеинкиназа TOR оказывает непосредственное влияние на два основных белка-регулятора генов – СКН-1 и DAF-16. Эти белки контролируют экспрессию генов, защищающих от метаболического и протеотоксического стресса, а также от стресса, вызванного воздействием факторов окружающей среды. Протеинкиназа TOR участвует в двух сигнальных путях – TORC1 и TORC2. Подавление сигнального пути TORC1 приводит к активации регуляторных белков СКН-1 и DAF-16 и, в свою очередь, к усилению экспрессии защитных генов, повышающих сопротивляемость стрессу и увеличивающих продолжительность жизни. Существует гомеостатическая связь между синтезом белков и защитой от стресса: если синтез белков снижается, защита от стресса усиливается. 

Топливный датчик и повелитель мусора.

Опосредованный TOR механизм известен как своего рода «топливный датчик», реагирующий на доступность питательных веществ изменением эффективности синтеза белков. Например, при недостатке пищи он снижает активность синтеза. 

TOR регулирует ответ клетки на наличие или отсутствие аминокислот — одного из важных компонентов нашей пищи. При обилии белкового питания TOR активируется и клетки тела растут и делятся, однако побочный эффект этого явления — ускоренное старение организма.

Уже достаточно давно известно, что ограничение калорийности рациона увеличивает продолжительность жизни и снижает вероятность развития ассоциированных с возрастом заболеваний у широкого спектра организмов, начиная от дрожжей и круглых червей и заканчивая приматами. Однако точные механизмы, посредством которых сбалансированная с точки зрения питательной ценности, но строго ограниченная в калорийности диета приводит к таким результатам, до конца не ясны. Согласно результатам нескольких недавно проведенных исследований, основную роль в этом может играть определенный сигнальный механизм, опосредуемый белком TOR. Этот механизм работает как своего рода пищевой детектор, участвующий в регуляции метаболических реакций организма на доступность питательных веществ.

TOR-болезни и старение.

Ряд генов, влияющих на продолжительность жизни разных организмов, являются компонентами TOR-сигнального пути, причем снижение активности этого пути приводит к удлинению жизни (TSC1/2, daf-2, age-1, 1997 и др.). Об этом же свидетельствуют данные о замедлении старения дрожжей рапамицином (10-кратное удлинение жизни C. elegans при инактивации PI-3K . Показано, что у долгоживущих мышей заингибирован путь mTOR (2005). У человека высокая чувствительность к инсулину коррелирует с долгожительством и может быть маркером генетически сниженной активности TOR, т.к. активный сигналинг TOR через S6K приводит к инсулинорезистентности. Известно, что TOR-киназа связана с возраст-зависимыми болезнями (рак, атеросклероз, гипертония, остеопороз, болезни Паркинсона и Альцгеймера, дегенерация сетчатки, ожирение). 

Активность протеинкиназы TOR, имеющая большое значение в период развития, но приводящая к возрастному ухудшению состояния организма, вовлечена в патогенез целого ряда хронических болезней, включая диабет, сердечно-сосудистые заболевания, рак и нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. При сахарном диабете проявляются как положительные, так и отрицательные эффекты TOR: она стимулирует рост бета-клеток и синтез инсулина, но неадекватная активность TORC1 приводит к резистентности к инсулину и гибели бета-клеток, а также к накоплению жира. В то же время к резистентности к инсулину может привести и недостаточная активность сигнального пути TORC2.

Новые результаты по TOR и SKN-1 говорят о том, что SKN-1 может оказывать положительный эффект при диабете 2 типа: «Включение этого пути может играть важную роль в защите от воздействия высокого уровня глюкозы, а также способствовать здоровью бета-клеток», - объясняет профессор Блэквелл.

Многие из негативных эффектов, ассоциируемых со старением, являются результатом избыточных клеточных функций. Другими словами, наши клетки и наши внутренние системы работают слишком хорошо. Или слишком интенсивно. Очевидным примером этого является рак: вместо того чтобы умереть, раковые клетки растут и делятся до бесконечности – благодаря гиперактивированным путям TOR.

И это касается не только раковых клеток. Исследователи обнаружили, что многие другие аспекты старения действительно вызываются не ослаблением, а неконтролируемой активностью клеточных функций. В определенный момент, после того как мы прекращаем расти, тот же самый двигатель, который раньше обеспечивал наш рост, теперь начинает работать на наше старение.

«Мы запрограммированы на то, чтобы функционировать на максимальных уровнях, поскольку это дает массу преимуществ в начале жизни. После того как рост завершен, "автомобиль" покидает автостраду и заезжает на парковку, где ему следует плавно притормозить и остановиться. Однако этого не происходит – он продолжает носиться по парковке со скоростью 100 км/ч и в результате разрушает сам себя. Михаил Благосклонный считает, что старение не запрограммировано, это лишь "квази-программа": бесполезное продолжение программы развития, которая не выключается после ее выполнения и поэтому становится гиперфункциональной и разрушающей, вызывая болезни и старение.

Вальтер Лонго соглашается с этой точкой зрения, но интерпретирует ее иначе. «Программы роста и развития не дают сбой, – говорит он. – Они выполнили свою задачу, но продолжают работать так же хорошо, как и раньше. Только теперь это создает проблемы». Таким образом, старение не запрограммировано, как считал Август Вейсман больше века назад; оно больше похоже на программу, выполнившую свою задачу.

В прошлом это не имело большого значения, поскольку подавляющее большинство людей умирали в возрасте до 50 лет, не доезжая до «парковки». Теперь до нее добираются очень многие, и гиперфункция становится реальной проблемой. Именно из-за гиперфункции у 25 % женщин старше 70 лет развивается рак молочной железы (по сравнению всего с 2 % у женщин младше 40 лет). Именно из-за гиперфункции у женщин старше 50 продолжают накапливаться жировые отложения, предназначенные для вынашивания и кормления детей, которых немолодые женщины больше не могут иметь. 

И именно из-за гиперфункции у мужчин в пожилом возрасте продолжает расти предстательная железа, что является главной причиной трудностей с мочеиспусканием и рака простаты. Именно из-за гиперфункции с возрастом волосы начинают расти у нас в ушах, а не на голове. И именно из-за гиперфункции на клеточном уровне наши клетки продолжают расти, стареть и отравлять все вокруг себя.