Глава 13. Факторы Яманаки: омоложение против идентичности

К части III. Правило образца. Правило образца: чинить можно лишь то, у чего есть образец для сверки; накопленное однократно образца не имеет. Маркеры на полях: (Ф) факт · (М) модель · (Г) гипотеза · (БП) белое пятно

13.1. Пролог: информация не теряется

В 1962 году Джон Гёрдон брал ядро из клетки кишечного эпителия головастика, пересаживал его в лишённую собственного ядра яйцеклетку лягушки — и получал живую лягушку (Ф). Опыт долго считали артефактом, потому что он противоречил тому, что все знали: специализированная клетка проделала путь от универсального состояния к узкому и обратно вернуться не может. Кишечная клетка есть кишечная клетка. Она забыла всё остальное.

Гёрдон показал, что не забыла. Генетическая информация в ходе специализации не теряется — она заглушается. Клетка не выбрасывает лишние инструкции, она перестаёт их читать. Тридцать четыре года спустя Уилмут и Кэмпбелл повторили то же на млекопитающем, и на свет появилась овца Долли (Ф).

Это первое, что нужно держать в голове, подходя к главе. Специализация обратима в принципе. Вопрос не в том, можно ли отмотать клетку назад, — можно, показано дважды. Вопрос в том, что при отматывании пропадает.

13.2. Четыре фактора

Гёрдон и Уилмут работали грубым инструментом: целая яйцеклетка, содержимое которой неизвестно, делает с ядром нечто неизвестное. Синъя Яманака поставил задачу иначе — найти минимальный набор молекул, достаточный для того же эффекта.

Его лаборатория отобрала двадцать четыре гена, активных в эмбриональных стволовых клетках, и стала выбивать их по одному из работающей комбинации. К 2006 году список сократился до четырёх: Oct3/4, Sox2, Klf4, c-Myc (Ф). Введённые в обычный фибробласт мыши, они превращали его в клетку, неотличимую от эмбриональной стволовой, — индуцированную плюрипотентную. Через год то же получилось на человеческих клетках. В 2012-м Гёрдон и Яманака разделили Нобелевскую премию — редкий случай, когда премию дают за опыт полувековой давности и за его объяснение одновременно.

Дальше начинается то, ради чего эта глава стоит в книге.

13.3. Ландшафт Уоддингтона, по которому катят вверх

В 1957 году Конрад Уоддингтон предложил образ, который оказался точнее, чем он рассчитывал (М). Развивающаяся клетка — шар, катящийся по склону с расходящимися ложбинами. Наверху — тотипотентность, все пути открыты. Ниже склон ветвится, шар попадает в одну ложбину, потом в другую, и на дне оказывается в узкой лунке: нейрон, гепатоцит, кератиноцит. Ложбины удерживают клетку в её судьбе — этим и объясняется, почему печень не превращается в кожу спонтанно.

Рельеф этого ландшафта — метилирование ДНК, модификации гистонов, петли хроматина, самоподдерживающиеся контуры транскрипционных факторов (Ф). Он физичен и измерим.

Оговорка о самом образе, добавленная позднее. Метафора работает и потому опасна: она вводит в заблуждение в двух местах.

Первое. Ландшафт в ней жёсткий, а на деле клеточный «процессор» — регуляторная сеть, лепящая холмы и долины, — динамичен; неподвижность рельефа названа в литературе прямо вводящей в заблуждение ★.

Второе, и оно точнее. Разбор моделей клеточной дифференцировки показывает: при индукции клеточной судьбы долина не расщепляется надвое, как на картинке Уоддингтона, а исчезает — через седлоузловую бифуркацию, обладающую внутренней необратимостью, которой в его образе нет ★.

Для этой главы существенно как раз то, чего в картинке недостаёт: необратимость. Ниже читайте образ как иллюстрацию, а не как модель.

Факторы Яманаки — это способ толкнуть шар вверх по склону. Не приказ «стань другой клеткой», а размывание стенок ложбины, в которой шар сидит. Отсюда две особенности процесса, важные для всего дальнейшего.

Первая: процесс медленный и вероятностный. Репрограммирование фибробластов занимает недели, и успеха достигают доли процента клеток (Ф). Ранняя фаза стохастична: клетки блуждают по склону, большинство скатывается обратно или гибнет. Поздняя фаза детерминирована: перевалив некий гребень, клетка достигает плюрипотентности почти неизбежно (Ф).

Вторая: подъём по склону — это не восстановление чего-то утраченного, а стирание рельефа. Клетка не вспоминает своё эмбриональное прошлое. Она теряет то, что было записано поверх.

13.4. Что именно обнуляется

Здесь и начинается сюжет омоложения.

Полностью репрограммированная клетка молода не в переносном смысле — и это устанавливается несколькими маркерами сразу, а не одними часами, которые по §12.7 читают корреляцию, а не механизм. У неё восстановлена длина теломер. Приведена в порядок митохондриальная функция. Убраны маркеры клеточного старения. И — главное для этой книги — её эпигенетический возраст по часам Хорвата падает практически к нулю (Ф).

Ласасе и соавторы показали в 2011 году, что это работает даже на клетках столетних доноров: фибробласты человека 101 года, проведённые через репрограммирование, теряют признаки старости и становятся эпигенетически эмбриональными (Ф).

Отсюда соблазнительный вывод, который делают почти все, кто впервые об этом слышит: старение обратимо, механизм отката существует, остаётся масштабировать. Природа и сама пользуется им ежедневно — при оплодотворении часы обнуляются, и из двух старых гамет получается зигота нулевого возраста (гл. 11) (Ф).

Теперь посмотрим на цену.

13.5. Два обрыва

Между «ничего не произошло» и «катастрофа» лежит узкая полоса, и оба края её обрывисты.

Слева — недостаточность. Кратковременное слабое воздействие не даёт эффекта вовсе: клетка качнулась и вернулась в свою лунку. Ландшафт для того и устроен, чтобы гасить возмущения.

Справа — потеря идентичности. Клетка, доведённая до плюрипотентности, больше не гепатоцит. Она молода и бесполезна: у неё нет функции, а есть только потенция. В организме такая клетка не встраивается в ткань, а образует тератому — опухоль из беспорядочно перемешанных тканей, где растут волосы, зубы и кусочки кишечника вперемешку.

Это не умозрительный риск. Когда факторы Яманаки впервые включили в живых мышах непрерывно, мыши погибли от тератом и дисплазии тканей в течение недели-двух (Ф). Эксперимент, поставленный ради омоложения, произвёл рак — самым прямым способом из возможных. Заметим попутно, что один из четырёх факторов, c-Myc, и без всякого репрограммирования является классическим онкогеном.

Формулировка, к которой мы шли: сброс возраста и сохранение накопленной записи тянут за один рычаг в разные стороны (Г). Толкая шар вверх по склону, вы одновременно снимаете с него следы времени и стираете то, кем он стал. Это одна операция, а не две.

Так выглядит правило образца в пробирке. Не философский парадокс, а лабораторная проблема дозировки.

13.6. Окно — и неудобный факт

Если бы дело кончалось на этом, глава была бы триумфальной для книги и бесполезной для читателя. Но с 2016 года известно, что окно между двумя обрывами существует и в него можно попасть.

Окампо и соавторы применили циклический протокол: включать факторы на два дня, выключать на пять, повторять (Ф). Мыши с прогерией — генетическим ускоренным старением — прожили примерно на треть дольше. У обычных старых мышей улучшилась регенерация мышц и поджелудочной. Тератом не возникло: клетки успевали качнуться вверх по склону и скатиться обратно в свою ложбину, не перевалив через гребень необратимости.

В 2020-м группа Синклера пошла дальше: три фактора вместо четырёх (без онкогенного c-Myc), доставка вирусным вектором прицельно в ганглиозные клетки сетчатки — и у старых мышей восстановилось зрение, а повреждённый зрительный нерв отрастил аксоны (Ф). Эффект зависел от ферментов деметилирования ДНК, то есть шёл именно через переписывание эпигенетического рельефа, а не в обход него.

Дальнейшие работы показали, что длительное циклическое репрограммирование у мышей переносимо на протяжении многих месяцев (Ф). На этом основании построены Altos Labs и несколько компаний помельче; денег в направление вложено больше, чем в любое другое в геронтологии.

И вот тот факт, который книга обязана предъявить против себя.

Олова и соавторы в 2019 году измерили обе величины одновременно на всём протяжении репрограммирования: эпигенетический возраст и маркеры соматической идентичности (Ф). Если бы правило образца в строгой форме было верно, обе кривые падали бы синхронно: сколько лет снял — столько идентичности потерял. Наблюдалось иное. Эпигенетический возраст начинает падать раньше и падает быстрее, чем утрачивается идентичность. Клетка успевает существенно помолодеть, всё ещё оставаясь собой.

То есть рычаг всё-таки не совсем один. Между кривыми есть зазор, и вся индустрия партиального репрограммирования живёт в этом зазоре.

Строгая версия правила образца в клеточном масштабе этим ослаблена. Признать это надо прямо, а не смягчать формулировками.

13.7. Разрешение: у клетки есть эталон снаружи

Зазор требует объяснения, и объяснение, которое предлагается, — центральный ход этой главы (Г).

Спросим: сколько информации содержит клеточная идентичность?

У человека около двухсот типов клеток. Сказать, какого типа клетка, — значит выбрать один вариант из двухсот, то есть передать порядка восьми бит. Даже если учесть подтипы, состояния активации и позиционную специфику, речь идёт о десятках бит. Это ничтожно мало.

Теперь спросим: где эта информация хранится?

И вот ключевое. Она хранится не только внутри клетки. Она продублирована в её окружении — в нише. Гепатоцит окружён гепатоцитами, сидит на печёночном матриксе, купается в печёночных сигналах, получает механические подсказки от печёночной жёсткости ткани. Если он частично забудет, кто он, соседи ему напомнят. Ниша — работающий, физически присутствующий эталон репарации для клеточной идентичности (Г).

Отсюда сразу три следствия, и все проверяемы.

Первое (М). Партиальное репрограммирование работает не вопреки правилу образца, а в полном согласии с ней. Оно стирает информацию, у которой есть эталон, и потому обратимо: клетку возвращает в её лунку окружение, а не память самой клетки. Зазор между кривыми — это в точности мера избыточности клеточной идентичности.

Второе (М). Отсюда объясняется тератома. Тератома возникает, когда клетка перевалила гребень необратимости и перестала слушать нишу. Потерян не рельеф внутри клетки — потеряна связь с внешним эталоном. Рак в этой оптике есть окончательная утрата эталона, а не только поломка внутренних тормозов; это перекликается с главой 15 и, по-видимому, заслуживает отдельной проверки.

Третье, главное. Ширина окна должна быть обратно пропорциональна доле неизбыточной информации в клетке (Г). Чем больше клетка хранит того, чего нет в нише, тем уже окно и тем опаснее вмешательство.

Источники. Ниша как источник, восстанавливающий состояние клетки: близкую роль играет представление о тканевой архитектуре в онкологии (гл. 15, §15.8). Более того, идея, что позиционная информация дрейфует с возрастом и восстанавливается регенерацией, получила прямое экспериментальное подтверждение на планарии ★: утрата фертильности вызвана дезорганизацией передне-задней полярности, а регенерация сбрасывает позиционную информацию и восстанавливает юношескую фертильность. Книга приходит к этому из своих посылок; другие пришли раньше и с доказательством.

Расширение оговорки после поздней проверки — и оно существеннее прежней. Названные выше соседи оказались не ближайшими. Ближайшая литература — та, что прямо разбирает роль микроокружения при репрограммировании как клеточно-экстринсический определитель судьбы ★. Там же возвращение идентичности снаружи показано опытом: при мозаичном частичном репрограммировании эпидермиса пластичные клетки после регенерации теряют приобретённые свойства и возвращаются в исходное устойчивое состояние ★.

И само объяснение уже выдвинуто внутри поля и оценено. Высказывалось предположение, что часть благотворного действия временного репрограммирования происходит от повторного включения программ соматической идентичности; и там же отмечено, что свидетельств в его пользу пока мало ★. То есть первое следствие настоящего параграфа есть вариант гипотезы, которую поле сформулировало раньше и признало недоказанной. Быть опережённым чужим сомнением хуже, чем чужим доказательством: доказательство хотя бы подтверждает.

Статус следствий. Первое и второе — изложение известного, пометка (М). Третье следствие — упорядочивание ширины окна по доле неизбыточной информации — в найденном виде как принцип не встречается и остаётся (Г). Но место занято конкурентом: зависимость окна от типа клетки документирована и объясняется иначе — успех репрограммирования варьирует по типам и зависит от экспрессии генов, специфичных для прежней идентичности ★. Это транскрипционная память клетки о себе, принцип внутриклеточный, тогда как здесь предлагается внешний. Оба предсказывают вариацию окна по типам клеток. Различающего опыта книга не предлагает, и без него третье следствие в свою пользу непроверяемо (БП).

Правило образца не опровергнуто наблюдением Оловой. Оно уточнено: конкурируют не «возраст» и «идентичность» вообще, а ремонт и та часть записи, которая нигде не продублирована.

13.8. Проверка: где окно должно схлопнуться

Уточнённая формулировка немедленно даёт прогноз, и прогноз этот неприятный.

Есть два класса клеток, у которых доля неизбыточной информации велика.

Иммунная система. Репертуар лимфоцитов — результат необратимой перестройки ДНК и последующей гипермутации (гл. 12). Ниша не помнит, с какими патогенами вы встречались; эту запись не восстановит никто (Ф). Прогноз: омоложение иммунной системы репрограммированием будет стирать иммунную память, и окно здесь будет уже, чем в мышце или печени (Г).

Нейроны. Постмитотические, живущие с вами всю жизнь, хранящие в паттерне синаптических весов ровно ту информацию, которой нет больше нигде. Нейрон гиппокампа не может быть «напомнен» соседями, кем он был вчера, — потому что вчерашнее его состояние и есть содержание вашей памяти (Г).

Показательно распределение успехов. Все убедительные результаты партиального репрограммирования получены на тканях с высокой избыточностью и активным обменом: мышца, поджелудочная, кожа, печень. Единственный громкий нейрональный результат — восстановление зрительного нерва — касается аксона, то есть кабеля, а не содержания: там задача состоит в отрастании отростка по градиенту, и никакой индивидуальной биографии в этом отростке не записано (Ф).

Прогноз проверен и не подтвердился. Частичное репрограммирование клеток-энграмм у старых мышей и на моделях нейродегенерации обратило признаки старения, восстановило рисунок синаптической пластичности и вернуло обучение и память к уровню молодых животных — независимо от области мозга и вида задачи ★. Дедифференцировки нейронов при этом не наблюдалось, а улучшение давало именно циклическое воздействие, а не непрерывное ★.

Это прямо против ожидания книги. Прогноз о схлопывании окна для носителей памяти следует считать не подтвердившимся, а не спорным.

Уцелевает более слабое утверждение: показано, что восстановление молодой экспрессии и подавление программ соматической идентичности не жёстко сцеплены ★. Если они разделимы, окно шире, чем следует из строгой формы правила образца, и расхождение кривых §13.6 перестаёт быть исключением.

Чего по-прежнему нет: одновременного измерения омоложения и сохранности старых следов памяти на одном животном. Работы измеряют возвращение способности учиться, а не удержание того, что было выучено до вмешательства (БП).

Это, пожалуй, самый конкретный экспериментальный запрос всей книги. Он формулируется в одну строку и он выполним существующими средствами.

13.9. Остаточная память: клетка помнит больше, чем кажется

Ещё одна деталь, которую обычно излагают как техническую неприятность, а следует — как содержательный факт.

Индуцированные плюрипотентные клетки не до конца забывают своё происхождение. В них остаётся след метилирования исходной ткани, и он смещает их последующую дифференцировку: клетка, сделанная из клетки крови, охотнее становится клеткой крови снова (Ф).

Стирание, следовательно, неполно даже там, где оно доведено до конца. Обратим внимание, как это ложится на общую конструкцию: направление обеих неудач одно и то же. Полное стирание не достигается; полное сохранение при омоложении не достигается. Система не умеет ни целиком забыть, ни целиком помнить, — и это ровно та картина, которую предсказывает конкуренция за один ресурс.

13.10. Запрет на экстраполяцию

Теперь — стоп-кран, без которого глава превратилась бы в то, против чего написана книга.

Клеточная идентичность — не личность. Между ними нет отношения масштабирования. Клетка выбирает из двухсот состояний, имея внешний эталон. Человек не выбирает из конечного списка и внешнего эталона не имеет: не существует ниши, которая напомнит вам, кем вы были, если вы этого не помните сами. Общество, близкие, документы дают частичное и грубое дублирование — но это отдельный сюжет, к которому книга возвращается в главе 26, и на роль эталона репарации в техническом смысле главы 9 оно не годится.

Поэтому всё, что установлено в этой главе, есть демонстрация механизма, а не доказательство его применимости к биографии (Г). Из того, что печень удаётся омолодить, не следует ничего о том, удастся ли омолодить человека, сохранив его. Из того, что окно для гепатоцита широко, не следует, что оно вообще существует для носителя памяти.

Ровно этот запрет отделяет книгу от рекламных материалов индустрии, выросшей вокруг описанных здесь работ.

13.11. Статус главы

Сведём.

Чем эта глава сильна. Она даёт правилу образца самое прямое эмпирическое подтверждение, каким книга располагает. Конфликт «омоложение против записи» здесь не выведен из рассуждения, а наблюдается в культуре клеток и на живых мышах, воспроизведён многими группами и лежит в основе коммерческих программ на миллиарды долларов. Гипотеза о нише объясняет и наличие окна, и его границы, и локализацию всех известных успехов — тремя следствиями из одного соображения.

Чем эта глава уязвима. Наблюдение Оловой показывает, что кривые расходятся, и строгая форма правила образца на клеточном уровне ложна. Спасение через нишу — ход книги, и он (Г), а не (Ф). Он опровергается прямо: если найдётся ткань с высокой долей неизбыточной информации, для которой окно окажется таким же широким, как для мышцы, объяснение через внешний эталон рушится, и вместе с ним — самая правдоподобная реконструкция правила образца.

Что решило бы дело. Эксперимент из §13.8: партиальное репрограммирование гиппокампа с одновременным измерением эпигенетического возраста, способности к новому обучению и сохранности старых следов памяти. Три кривые на одном графике. Если возраст падает, а старая память держится — правило образца в его нынешнем виде неверно, и глава 14 теряет смысл вместе с частью главы 22. Если старая память осыпается пропорционально снятым годам — книга получает свой первый настоящий факт вместо цепочки правдоподобий.

Связки

• Назад к гл. 9: «эталон» здесь получает второе, внеклеточное воплощение — ниша работает так же, как комплементарная цепь ДНК.
• Назад к гл. 12: иммунная память и синаптический след названы там неизбыточными; §13.8 превращает это в проверяемый прогноз.
• Вперёд к гл. 14: зазор между кривыми Оловой — первая величина, которую обязана объяснять искомая мера биографической информации B. Если мера верна, ширина окна должна из неё вычисляться.
• Вперёд к гл. 15: тератома как утрата внешнего эталона — заявка на переописание рака, которую глава 15 обязана либо подхватить, либо отклонить.
• Вперёд к гл. 22: прогноз о плате получает здесь свой самый чистый случай — цена омоложения предъявлена в той же ткани и в той же единице измерения.
• Открытые пятна: БП‑2 (мера B), БП‑3 (сходимость признаков — репрограммирование улучшает многое сразу, но не трогает сшивки и рацемизацию из гл. 6), плюс частный экспериментальный пробел §13.8.