Эти отличительные признаки существуют на всех уровнях сложности, от молекул, клеток и тканей вплоть до объединяющей их системы, которую мы называем организмом. Ни один из таких признаков не существует изолированно: все они влияют друг на друга. Таким образом, у старения нет одной или даже нескольких независимых причин. Это в высшей степени запутанный клубок взаимосвязанных процессов.
Проще всего начинать его распутывать с первого, простейшего уровня – молекулы, которую можно считать главным центром управления и контроля живой клетки.
3
Повреждение центра управления
Древнее поселение Хампи в Южной Индии являет собой разительный контраст с такой благополучной столицей, как Лондон. Великолепный когда-то город, существовавший более тысячи лет и на пике своего могущества в начале XVI в. уступавший в пышности лишь Пекину, сегодня представляет собой неплохо сохранившиеся руины нескольких гранитных строений в полутора десятках миль от ближайшей железнодорожной станции. Некогда оживленные рынки и храмы, украшенные причудливой каменной резьбой, сегодня посещают лишь туристы с фотокамерами наперевес. Некогда здесь был Лондон своего времени: столица империи и процветающий центр торговли и культуры. Оказываясь в Лондоне, я просто не могу представить, что этот город когда-нибудь исчезнет, и жители Хампи, вероятно, чувствовали то же самое. Эта неспособность вообразить столь печальный конец распространяется у нас и на собственную личность. Даже зная, что состаримся и умрем, в обыденной жизни мы – если только не смертельно больны – ведем себя так, будто бессмертны.
Как мог такой процветающий оживленный город вроде Хампи прийти в упадок и прекратить существование? Во все эпохи вернейший путь к разрушению общества лежал через падение закона и порядка в результате утраты контроля со стороны правительства во время войны или народных волнений. И точно так же, как и в обществе, в биологии утрата контроля и регулирования ведет к распаду и гибели не только клетки, но и целого организма.
В отличие от человеческого общества с правительством во главе, в клетке нет центрального органа власти, который надзирал бы за тем, как выполняют свои функции тысячи ее компонентов. Но есть ли в клетке хотя бы какой-то аналог центра управления? Пожалуй, самое похожее на такой центр – это гены, которые находятся в ДНК. Характер генетической информации в ДНК и то, как она искажается со временем, чрезвычайно важны для понимания старения и смерти.
О генах как об отдельных единицах наследственности мы не знали до конца XIX в. Большинство из нас воспринимает гены как черты, которые мы наследуем от родителей и передаем детям. Говорят о хороших генах, выражающихся в положительных особенностях человека, и о плохих генах, которые несут болезни и дефекты. Но точнее будет описать гены как единицы информации. Они содержат информацию не только о том, как воспроизвести организм и передать его признаки, но и о том, как построить целый организм из одной клетки и обеспечивать его функционирование.
Наиболее важная информация, содержащаяся в генах, – это руководство по синтезу белка. Обычно мы думаем о белках как о необходимой составляющей нашего рациона, и еще мы знаем, что они необходимы для наращивания мышечной массы. На самом деле в нашем организме содержатся тысячи разных белков. Они не только придают телу форму и силу, но и участвуют в большинстве химических реакций, без которых жизнь невозможна. Белки регулируют движение молекул в клетку и из клетки. Они позволяют нашим клеткам (и нам самим) взаимодействовать друг с другом. Благодаря им мы можем видеть свет, чувствовать запахи, осязать окружающие предметы и ощущать тепло и холод. Наша нервная система нуждается в белках, чтобы передавать сигналы и даже для того, чтобы сохранять воспоминания. Антитела, с помощью которых мы боремся с инфекциями, – это тоже белки. Белки также помогают клетке производить все другие молекулы, которые ей необходимы, включая жиры и углеводы, витамины и гормоны, и – замыкая круг – даже наши гены. Белки вездесущи. И каждый из них синтезируется по инструкциям, записанным в гене.
Как именно хранится и используется генетическая информация, до относительно недавнего времени оставалось полной загадкой. Еще в 1940-е гг. ученые не понимали молекулярной природы генов. Сегодня мы знаем, что гены[76] хранятся в ДНК – длинной молекуле, состоящей из двух нитей (или цепей), закрученных друг вокруг друга в форме двойной спирали. У каждой нити есть остов, построенный из чередующихся групп, состоящих из остатка фосфорной кислоты и моносахарида (дезоксирибозы). Если бы ДНК состояла только из них, она бы ничем не отличалась от любой полимерной молекулы, например полиэтилена или других подобных полимеров, и не могла бы нести информацию. Но ДНК способна кодировать инструкции, потому что каждый моносахарид (дезоксирибоза) в этих чередующихся группах связан еще с одним из четырех азотистых оснований – аденином (A), гуанином (G), тимином (T) или цитозином (C). Звено (мономер), состоящее из остатка фосфорной кислоты, дезоксирибозы и одного из азотистых оснований, и есть строительный блок ДНК, так называемый нуклеотид.
Каждый такой блок можно представить как букву (по названию азотистого основания), а цепочку ДНК – как длинное предложение, записанное с помощью этого четырехбуквенного алфавита. Неожиданно выяснилось, что как определенная последовательность букв может сложиться в предложение, несущее смысл и информацию, так и в последовательности нуклеотидов ДНК закодирована определенная информация. Однако еще предстояло понять, как именно она кодируется. Перелом произошел в 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли трехмерную структуру ДНК. Как правило, структура молекулы позволяет лишь строить догадки о том, как она может работать, но с ДНК все иначе. Ее структура мгновенно дала ключ к тому, как последовательности оснований могут передавать информацию. Она изменила наше понимание генетики и создала предпосылки для нынешней революции в молекулярной биологии. Без нее у нас не было бы никакой надежды понять механизм жизни или открыть тайны, окружающие процесс старения.
Генетическая информация, которая хранится в хромосомах в виде ДНК, копируется (транскрибируется) в ядре в матричную РНК (мРНК). Затем мРНК из ядра перемещается в цитоплазму, где рибосомы считывают ее, чтобы производить белки
В молекуле ДНК две нити, идущие в противоположных направлениях, обвивают друг друга, образуя двойную спираль. У каждого из азотистых оснований в одной нити возникает химическая связь с находящимся прямо напротив него азотистым основанием в другой нити, причем весьма специфическим образом: A связывается только с Т и наоборот, а C – с G, поэтому образующиеся пары оснований называются комплементарными. Этим и объясняется магия ДНК: зная последовательность оснований в одной нити, можно точно определить ее в другой. Кроме того, это означает, что, если две нити разделить, в каждой будет информация для создания второй и мы сможем создать две точные копии оригинальной молекулы. Внезапно нашлось решение старой загадки: как получить две дочерние клетки, каждая из которых будет нести точно такую же генетическую информацию, что и материнская. Генетика теперь тесно связана с химией – мы смогли на молекулярном уровне понять, как генетическая информация дублируется и передается следующему поколению.
Тем не менее оставался без ответа второй вопрос: каким образом генетическая информация в ДНК кодирует строение белков. Обнаружилось, что участок ДНК (ген), который кодирует белок, копируется в промежуточную молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК). РНК тождественна ДНК, но с некоторыми важными отличиями. В отличие от ДНК, у нее есть только одна нить и в ней вместо моносахарида дезоксирибозы содержится моносахарид рибоза. Кроме того, в РНК тимин (Т) заменен урацилом (U), который несколько отличается