Голые землекопы — не супермены

«Бокс №2» встречает нас неярким светом белой лампы, влажностью и духотой.

— Самая трудность содержания голых землекопов в том, чтобы они чувствовали себя как дома, — объясняет Константин. — Проблема в том, что они живут под землей, для них это нормальное состояние, и необходимо поддерживать определенную температуру и влажность. Вся эта система была задумана для того, чтобы в их жизни были минимальные изменения. У голых землекопов плохая терморегуляция, поэтому необходимо поддерживать достаточно высокую и стабильную температуру — 27–29 градусов. Если она просядет ниже 20, для них это реально плохо, более того, они могут из-за этого умереть. Потеря целой колонии, конечно, стала бы проблемой.

Всего у лаборатории четыре колонии землекопов — три обитают в «Боксе №2», еще одна («запасная», добавляет Константин) на другом этаже.

— Здесь оборудовали специальную систему кондиционирования для поддержания, во-первых, необходимой температуры, во-вторых, влажности, что тоже важно. У землекопов нет ни шерсти, ни чего-то такого, что помогало бы им в терморегуляции. В этом плане они очень напоминают младенцев, о которых тоже нужно постоянно заботиться.

При упоминании младенцев вспоминается такое явление, как неотения. В журнале Physiological Reviews несколько лет назад выходила статья, в которой Владимир Петрович Скулачев и соавторы выдвинули гипотезу, что голые землекопы (как и люди) — это животные, которые ступили на путь неотении. В работе перечислены черты голых землекопов, которые традиционно принято относить к неотеническим — всего 43 пункта. Так, землекопам свойственны гораздо более длительный период гестации, чем можно ожидать, исходя из массы тела (66–84 дня); низкая встречаемость рака, диабета или патологий жизненно важных органов (такие заболевания крайне редко становятся причиной гибели голого землекопа); крайне высокая устойчивость нейронов мозга к аноксии; поддержание уровня экспрессии супероксиддисмутаз (SOD1/2) и каталазы в течение жизни (у большинства животных их уровень падает с возрастом).

Авторы обзора приходят к выводу, что эволюция двух высокосоциальных видов млекопитающих — человека и голого землекопа — привела к замедлению старения через продление молодости, то есть неотении. Таким образом, замедление старения в принципе возможно и отчасти реализовано путем естественного отбора. И, конечно, ученые задаются вопросом, можем ли мы использовать тот же подход для дальнейшего, уже искусственного продления человеческой жизни — именно по этой причине голый землекоп оказался таким привлекательным модельным объектом для многих исследований.

Голые землекопы появились в НИИФХБ им. А.Н. Белозерского почти ровно восемь лет назад — в сентябре 2016 года первых животных запустили в эту комнату. Идея проекта, для которого НИИ оказался очень и очень нужен голый землекоп, зародилась за год до этого.

— Когда Владимир Петрович Скулачев впервые узнал о том, насколько эти животные необычны и живут в 10 раз дольше мышей, хотя размером именно с них, он загорелся идеей привезти в Россию колонию голых землекопов для того, чтобы прицельно ее исследовать. Для этих целей он поехал в Германию, в Берлинский зоопарк, где такие колонии уже были. И, так как он был человек крайне активный и убедительный, год спустя в лабораторию завезли первых голых землекопов.

С тех пор колоний стало четыре, спектр интересующих направлений — шире, а информации о присущих землекопам особенностях — больше. Одна из статей, опубликованная сотрудниками института, возвращает нас к вопросам неотении. Впервые проведенная регистрация моторной активности в сочетании с электроэнцефалограммой выявила особенности сна этих животных. Наблюдение велось непрерывно в течение 40 дней, примерно половину этого времени (а точнее, половину каждых суток) занимали состояния покоя. При этом до 50% общего времени сна составляла фаза быстрых движений глаз (REM-фаза), кроме того, наблюдались трудно идентифицируемые периоды сна, сочетающие признаки REM и NREM. Такая структура сна напоминает «дезорганизованный сон», характерный для ранних стадий онтогенеза незрелорождающихся млекопитающих (т.е. тех, которые достаточно длительное время зависят от родителей).

По данным анализа сна животные оказались более активными днем, чем ночью, и сейчас вели себя в полном соответствии с этим наблюдением. Землекопы набились в пластиковую трубу, соединяющую камеры лабиринта, — совсем как пассажиры московского метро в час пик.

— Не помню, сколько за это время было естественных смертей. Здесь периодически, как и в любом животном мире, встречаются бунты. Голый землекоп — эусоциальное животное, в колонии есть царица, которую окружают, скажем так, трепетные рабы. Иногда так случается, что они бунтуют и выносят царицу в мир иной — это одна из возможных причин смерти. Такой бунт случался и здесь, но тогда зачинщицу успели вовремя отсадить, и она сделала новую колонию.

В природе это может быть одним из способом формирования новой колонии голых землекопов, хотя и не самым распространенным:

— Царица живет очень долго, в отличие от рабочих, но тоже не вечно. Рано или поздно наступает смена власти, это наиболее естественный путь. Если вдруг кто-то набрался наглости или гормонов для того, чтобы прямо напрямую выступить против царицы… обычно такие не задерживаются на этом свете, их все-таки подминают под себя. Но вероятность того, что таким способом можно сделать новую колонию, все же есть. Вообще в природе колонии землекопов располагаются достаточно близко друг от друга, и порой они воюют друг с другом. И зачастую бывает так, что в процессе борьбы они не убивают противника, а берут его в плен. Это, на самом деле, очень полезно, потому что это дополнительный генетический фонд, который пополняет генетическое разнообразие колонии. Этот способ жизненно необходим для того, чтобы поддерживать жизнь колонии, потому что по большому счету у них происходит в основном внутрисемейное скрещивание.

Впрочем, отмечает Константин, в таком скрещивании есть и плюсы.

— Дело в том, что эти животные крайне уникальные, и они в принципе отличаются от многих животных по огромной куче параметров. Возможно, что вот эти вот близкородственные связи позволили им закрепить их уникальность. Может быть, голые землекопы были бы разнообразными, но не были такими уникальными, если бы они скрещивались направо и налево. А так у них закрепились уникальные признаки, например, их устойчивость к гипоксии, аноксии и так далее. Землекопы могут до 20 минут жить в атмосфере азота и, самое интересное, после этого выживать и чувствовать себя хорошо. Впрочем, тут важно понимать, что животные, которые приспособлены к локальному снижению уровня кислорода, обязаны быть подготовлены к тому, что когда-нибудь кислород снова появится. А реоксигенация — самый «болезненный» момент после гипоксии, именно тогда происходит наиболее сильный окислительный взрыв, избыток активных форм кислорода. И у голых землекопов существуют ситуации, когда активных форм кислорода очень много. К такому воздействию они устойчивы.

Приспособленность голых землекопов к окислительному стрессу важна в контексте долгожительства этих животных — как известно, окислительный стресс способствует старению организма. Один из возможных способов адаптировать метаболизм к гипоксии и последующей реоксигенации — это быстрая стабилизация работы митохондрий и эндоплазматического ретикулума (ЭПР). Выдвинувшие такую гипотезу сотрудники НИИ Белозерского вместе с немецкими коллегами сравнили митохондрии и ЭПР в клетках печени у землекопов и мышей. Шероховатый ЭПР был более развит у двухмесячных мышей, чем гладкий, — он занимал около 17% площади гепатоцита (гладкий — около 2%). Эти значения с возрастом не менялись. При этом на первой неделе жизни голого землекопа шероховатый ЭПР занимает около 13% гепатоцита и сокращается по мере взросления. Гладкий, наоборот, преобладает с самого начала — 35% площади он занимает на первой неделе и еще больше впоследствии. Распределение митохондрий также отличалось у мышей и землекопов. Митохондрии голого землекопа группировались вокруг ядра и на периферии клетки, тогда как у мыши они были равномерно распределены по цитоплазме.

Обнаруженные особенности ультраструктуры гепатоцитов, по одной из версий, могут быть связаны с постоянно активированной системой печеночной детоксикации. Другое предположение состоит в том, что у голого землекопа может быть иная система деградации использованного или неправильно свернутого белка. Многие гены, связанные с белковым гомеостазом, в том числе субъединицы протеасомы, экспрессируются у голого землекопа активнее, чем у мышей. При этом содержание убиквитинированных белков у них снижено в течение всей жизни, что указывает на слабое накопление поврежденных или неправильно свернутых белков даже в условиях окислительного стресса. Все это может говорить о высокой эффективности убиквитин-протеасомной системы голого землекопа.

На устойчивости к перепадам уровня кислорода, конечно, особенности землекопов не заканчиваются.

— У них уникальное устройство иммунной системы и межклеточной коммуникации. Это все мы исследуем в нашем институте.

На межклеточной коммуникации останавливаемся подробнее. Константин объясняет, что необычность гиалуронансинтазы голых землекопов состоит в том, что она производит крайне высокомолекулярный гиалуронан: «уникально длинные цепочки гиалуроновых кислот модифицируют внеклеточный матрикс голых землекопов. Из-за такой особенности наступает более раннее контактное торможение, что обеспечивает защиту этих животных от рака».

В НИИ Белозерского в коллаборации с зарубежными коллегами проводили работу по исследованию исключительных цитопротекторных свойств внеклеточного матрикса голых землекопов. Об этом рассказывается в статье 2023 года, опубликованной в Nature. Исследователи получили трансгенных мышей, экспрессирующих гиалуронансинтазу 2 (Has2) голого землекопа. Средняя продолжительность жизни таких мышей выросла на 4,4%, максимальная — на 12,2%. Кроме того, трансгенные мыши оказались устойчивее к образованию опухолей — при обработке DMBA/PTA у них формировалось намного меньше папиллом, чем у контрольных животных. (Подробнее об этом исследовании — на PCR.NEWS).

— Но это, конечно, не единственный механизм защиты. У землекопов еще уникальная система репарации ДНК. Если мышь облучить определенным количеством радиации, то для нанесения тех же повреждений генома землекопу понадобится вдвое больше. И репарируют они при этом гораздо лучше.

Глядя на голого землекопа, невольно задаешься вопросом — есть ли что-то такое, к чему этот зверь был бы, наоборот, менее устойчив, чем среднестатистическое млекопитающее. Казалось бы, невозможно развить механизмы преодоления вообще всего.

— Слабости у голых землекопов наверняка есть, — рассуждает Константин, — как минимум, они все еще смертны. Но нельзя сказать, чтобы они, к примеру, были более склонны к инфекционным заболеваниям, наоборот, у них довольно эффективная иммунная система. У них практически нет кардиологических заболеваний, проблем, связанных с сердцем, и так далее. Внешний вид, конечно, не очень, но я не думаю, что это их как-то гнетет. Но в целом они не супермены. Если задуматься о проблемах землекопов, первой на ум приходит терморегуляция. Как я и сказал в самом начале, если их не поместить в оптимальную для них температуру, они погибают. Наверное, это самое их слабое место.

Одна из черт иммунной системы голого землекопа — это клеточный состав, в котором преобладают миелоидные клетки. Работа, посвященная детальной характеризации миелоидного компартмента голых землекопов, проводилась в том числе на животных НИИФХБ. Поляризация макрофагов костномозгового происхождения в провоспалительных условиях приводила к фенотипу М1 — такие клетки активно экспрессировали гены, связанные с воспалением, и продуцировали цитокины, а в их метаболизме преобладал аэробный гликолиз. Продукция оксида азота (NO) в них была снижена, что нехарактерно для макрофагов многих животных (в том числе мыши, с которой в этой работе сравнивали землекопов). Она ингибировалась и в моноцитах крови при системном воспалении. Исследователи обратили внимание, что поляризация макрофагов — как в М1, так и в М2 фенотип, — происходила достаточно ограниченно. Они связывают это с жестким контролем продукции активных форм кислорода и азота, который может быть важен для выживания в условиях гипоксии и последующей реоксигенации.

Голые землекопы в первую очередь нашли свое место в науке как модель для исследований рака и возможности продления жизни. Однако это не единственное, что можно на них исследовать.

— Дело скорее в том, что продление жизни мы изучаем потому, что хотим продлить свою жизнь, поэтому смотрим, как голый землекоп стал таким долгоживущим. В конечном счете это просто поиск механизмов, благодаря которым они смогли это сделать. Не факт, что мы сможем сделать так же. Но если удастся перенести эти механизмы, в том числе работу гиалуронансинтазы и особенности внеклеточного матрикса, на себя, как уже перенесли на мышей, то это, вероятно, позволит нам продлить свою жизнь на какое-то время. А для этого необходимо знать конкретные механизмы. Эти механизмы у голых землекопов вполне читабельны, и их можно изучать. Тот же самый фактор гипоксии HIF-1α, за который в свое время (в 2019 году — прим. ред.) дали Нобелевскую премию, у голых землекопов необычно активен даже в условиях, когда кислорода в воздухе достаточно для жизни (те в условиях нормоксии).

В сердце голого землекопа высока экспрессия HIF-1α — это кислородзависимый активатор транскрипции, обеспечивающий адаптацию к пониженному содержанию кислорода. Интересно, что у голых землекопов он интенсивно экспрессируется и в условиях нормоксии. Этот феномен противоречит тому, что известно о деградации белка HIF-1α и регуляции этого процесса уровнем кислорода: в большинстве случаев HIF-1α подвергается протеасомной деградации в условиях нормоксии, а при падении уровня кислорода количество этого белка увеличивается, позволяя ему регулировать транскрипцию эритропоэтина и ряда других генов.

Список необычных (особенно для столь мелкого грызуна) черт можно перечислять довольно долго. Морфология, социальное поведение, физиология и старение голых землекопов были довольно подробно исследованы за последние полвека и продолжают изучаться. Их важность как модельных животных, конечно, ставит перед учеными необходимость критически оценивать современный взгляд на этих животных и избегать возможных заблуждений: «Многие из сохраняющихся мифов о голых землекопах рискуют увести мышление будущих биологов от ценных открытий, вынудить их напрасно потратить время и ресурсы, а в конечном счете замедлить научный прогресс и отсрочить открытие новых методов лечения». (О заблуждениях, касающихся этих животных, сотрудники НИИФХБ писали в 2020 году в соавторстве с зарубежными коллегами, — именно их цитата приводится здесь в качестве напутствия тем, кто решит посвятить себя изучению голого землекопа).

— Зная факты, которые делают этого грызуна уникальным, мы можем эту уникальность перенести и на себя тоже. И сделать из себя, конечно, не голого землекопа, но по крайней мере применять механизмы, которые он использует, и в нашей жизни.