Однако приобретенная правильная форма может утратиться под воздействием тех или иных неблагоприятных условий. Типичный пример - денатурация белков при нагревании. Их ренатурацию, восстановление, ведут все те же белки теплового шока, количество которых возрастает в ответ на нагревание.
У растений разновидности таких белков имеются в цитозоле, хлоропластах (где осуществляется фотосинтез) и митохондриях (органеллах, ответственных за внутриклеточное дыхание). mHsp70 "прописан" в митохондриях. Помимо участия в созревании 15 типов белков, синтезируемых в этих органеллах, и их ренатурации mHsp70 играет важнейшую роль в импорте митохондриями белков, синтез которых происходит в цитозоле (их подавляющее большинство - около 500). Роль эта двоякая. Белки импортируются в развернутом виде: как только передняя часть полипептидной цепи показывается внутри митохондрии, она связывается с mHsp70, что по некой еще не совсем ясной причине ускоряет затягивание оставшегося полипептида. Кроме того, mHsp70 участвует в правильном сворачивании развернутой полипептидной цепи.
Помимо перечисленных функций (правильное сворачивание вновь синтезируемых и импортируемых белков, ускорение белкового импорта и восстановление правильной конформации белков митохондрий) за mHsp70 замечено еще одно свойство, роль которого остается загадочной и поныне: он связывает каталитическую субъединицу митохондриальной эндонуклеазы с массой 50 кД - фермента, расщепляющего ДНК митохондрий в строго определенных участках.
Пока трудно сказать, какое из свойств mHsp70 служит причиной удивительных изменений в фенотипе трансгенного табака. Однако простейшим представляется следующий вариант:
- резкое увеличение количества mHsp70 ускоряет импорт цитозольных белков и созревание митохондриальных, в том числе ферментов дыхания и дыхательного фосфорилирования, ответственных за синтез аденозинтрифосфата (АТФ) - универсальной энергетической валюты клетки [3]. (По данным Мура, скорость импорта белков митохондриями оказалась у трансгенного табака в 3.5 раза выше, чем в норме.);
- ускорение дыхания дает дополнительные количества АТФ, т.е. улучшает энергообеспечение клеток табака;
- улучшенное энергообеспечение стимулирует рост растения.
Согласившись с такой логикой событий, мы приходим к вопросу: почему в норме уровень mHsp70 столь низок, что лимитирует работу митохондрий? Не потому ли, что максимальная активность систем митохондриального дыхания имеет опасный побочный эффект? Известно, что около 98% кислорода, потребляемого митохондриями при дыхании, превращается в воду, в то время как оставшиеся 2% дают супероксид (O2-·)за счет паразитных химических реакций, происходящих в начале и середине дыхательной цепи. Из супероксида затем образуются перекись водорода (H2O2) и гидроксил-радикал (ОН·) - сильнейший окислитель, который разрушает любые вещества живой клетки [4]. Увеличение потока электронов по дыхательной цепи от субстратов дыхания к кислороду неизбежно влечет за собой повышение продукции супероксида, а стало быть, и ОН.. По одной из наиболее популярных в настоящее время гипотез старения организма именно с образованием активных форм кислорода (АФК), таких как ОН·, связан этот процесс [5]. Выходит, возрастание уровня mHsp70, вызывая улучшение энергообеспечения и, как следствие, стимуляцию роста, в то же время может сокращать продолжительность жизни особи из-за повышения продукции ядовитых производных О2
Можно представить себе и более сложные сценарии развития событий в организме - суперпродуценте mHsp70. Но их следствие - тот же противоречивый эффект: ускорение роста и увеличение жизнеспособности при одновременном сокращении продолжительности жизни. Ключевую роль здесь могло бы сыграть, например, взаимодействие mHsp70 и митохондриальной эндонуклеазы.
В любом случае суперпродукция mHsp70 выглядит как молекулярный механизм переключения живой системы с К-стратегии на r-стратегию. В пределах определенного времени это безусловно должно давать организму некие преимущества, расплатой за которые становится сокращение продолжительности жизни.
Ситуация напоминает известную историю начала второй мировой войны. Наш знаменитый конструктор самолетов А.С.Яковлев предложил резко упростить конструкцию моторов истребителей, что ускорило их производство, но ограничило эксплуатацию всего несколькими десятками часов. Это позволило произвести в короткие сроки большое количество истребителей и быстро добиться решающего преимущества над люфтваффе. В то же самое время англичане продолжали изготовлять моторы своих истребителей на фирме "Роллс-Ройс", дававшей гарантию на 1200 часов полета, и получили трагедию Ковентри.
Решение Яковлева определялось простым соображением: в условиях той войны истребитель жил в воздухе в среднем около 10 часов...
Ясно, что идея Яковлева - типичный пример r-стратегии. Очевидно, что она спасительна в критический период войны, но становится непригодной с наступлением мира.
Возвратимся, однако, к опытам Мура. Хотелось бы думать, что автору посчастливилось нажать на "кнопку стратегического назначения" и вызвать К --> r-переход. Существенно, что эффект Мура оказался присущим именно mHsp70. Суперпродукция других, немитохондриальных, белков теплового шока, например одного из белков среднего участка дыхательной цепи, тоже влияла на рост растения, но не приводила к столь драматическим последствиям, как в случае mHsp70. Как недавно сообщил мне в письме Мур, эффект, подобный описанному на табаке, уже воспроизведен им на трансгенных мышах - суперпродуцентах mHsp70.
Последнее обстоятельство повышает вероятность того, что автор столкнулся с закономерностью общебиологического значения. Ясно также, что вызванные эффекты обусловлены внутриклеточными (точнее даже внутримитохондриальными) явлениями, а не надтканевой (гормональной) регуляцией, такой как гигантизм под действием гормонов роста. Эти гормоны совершенно различны у растений и животных и не имеют никакого отношения к митохондриям и дыхательным ферментам.
11. ЧЕРВЯЧОК-ДОЛГОЖИТЕЛЬ: r --> K ПЕРЕХОД?
Теперь речь пойдет о сравнительно простом объекте - черве нематоде Caenorhabditis elegans. Его организм состоит всего из 945 клеток, возникновение и судьба каждой из них уже прослежена эмбриологами. Оказалось, что в геноме червя есть несколько генов, мутации по которым увеличивают продолжительность его жизни. По данным канадского биолога С.Хекими, одновременное выключение двух из этих генов продлевает более чем в пять раз жизнь организма [6]. При этом увеличивается продолжительность стадий как личинки, так и взрослого червя; уменьшаются плодовитость, подвижность, потребление животным пищи и возрастает устойчивость к повреждающему действию повышенной температуры среды, перекиси водорода и условий, стимулирующих образование супероксида (таких, как обработка ультрафиолетовым светом, метилвиологеном или кислородом в высокой концентрации). В 1997 г. тот же автор обнаружил у человека ген, весьма близкий к одному из двух упомянутых генов нематоды. Подобный ген был также найден у дрожжей. Сейчас кое-что уже известно о функции кодируемого им белка: он играет важную роль в переключении с бескислородного (анаэробного) метаболизма дрожжевых клеток на кислородный (аэробный). В частности, этот белок необходим для включения работы гена, кодирующего один из ферментов углеводного синтеза. И, что особенно важно в нашем случае, - для синтеза кофермента Q (КoQ), семихинонная форма которого служит прекрасным восстановителем кислорода в супероксид. Опытами других исследователей показано, что мутация в гене фермента, синтезирующего КoQ, резко понижает токсичность высоких концентраций кислорода для дрожжевых клеток [7]
Ранее гены, которые сокращают продолжительность жизни (хотя и не так сильно, как у червя) и одновременно увеличивают чувствительность организма и клеток к действию окислителей, температуры и голодания, были описаны у дрозофилы и дрожжей. Ш.Мураками и Т.Э.Джонсон предложили назвать такие гены геронтогенами [8].
Но вернемся к опытам на нематоде. Двойной мутант Хекими, как можно заметить, демонстрирует черты, противоположные тем, что были обнаружены Муром на его трансгенном табаке: нематода медленнее растет, ее метаболизм заторможен (прежде всего, видимо, митохондриальное дыхание, если учесть вероятное прекращение биосинтеза КоQ, ключевого компонента дыхательной цепи). Иными словами, нематоду удалось искусственно сдвинуть в сторону К-стратегии (Хекими), в то время как табак, а вслед за ним и мышь - в сторону r-стратегии (Мур).
12. ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СТРАТЕГИЙ
Остается неясно, каким образом переключение стратегий может происходить в естественных условиях. Заманчиво предположить, что центральную роль играют здесь все те же активные формы кислорода.
Клетки организма постоянно поддерживают такой баланс процессов образования и дезактивации АФК, при котором их концентрация находится на очень низком уровне. Если ухудшаются условия существования организма, его деятельность активизируется, чтобы противостоять ставшей более агрессивной среде. Повышаются энергозатраты, и, стало быть, стимулируется дыхание - главный процесс, поставляющий энергию. Но ведь за счет активации дыхания увеличивается продукция АФК, а их повышенный уровень ускоряет старение и сокращает продолжительность жизни. Так возникают активные, мощные формы живых существ, этакие "сверхособи", обреченные, однако, на раннюю смерть от рака, вирусных инфекций или, наконец, от старости.
Менее ясна связь между АФК и плодовитостью. Однако уже установлено, что по крайней мере у некоторых типов клеток активные формы кислорода резко увеличивают темп клеточных делений.