Автор: О. В. АНАЦКАЯ, А. Е. ВИНОГРАДОВ

Кандидаты биологических наук О. В. АНАЦКАЯ, А. Е. ВИНОГРАДОВ, Институт цитологии РАН (Санкт-Петербург)

Курица никогда не взовьется соколом, а свинья не будет бегать как олень - их сердца не выдержат перегрузок. Чем же определяется степень выносливости этого важнейшего органа? Почему и у животных, и у людей она снижается в результате перенесенных заболеваний? Новые ответы на эти вопросы дают генетические исследования, проводимые в Институте цитологии РАН.

ЧТО ТАКОЕ СОМАТИЧЕСКАЯ ПОЛИПЛОИДИЯ?

Напомним: ткани животных и растений состоят из клеток, каждая из них обычно содержит одно ядро, а в нем - две копии генома с записью наследственной информации (полученные по одному от каждого из родителей). Такие клетки называются диплоидными. Размножаются они делением, чему предшествует удвоение родительских геномов и деление ядра. Но если стандартный процесс по каким-то причинам останавливается на этой стадии, то вместо двух клеток образуется одна с двумя ядрами. Возможен и вариант, когда формируется клетка с крупным неразделенным ядром, содержащим 4 генома (тетраплоидным). Если же раунды незавершенных делений повторяются неоднократно, то появляются клетки со множеством диплоидных ядер или с большим полиплоидным (содержащим десятки геномов). Увеличение числа геномов в клетках отдельных тканей многоклеточных организмов называется соматической полиплоидией. Впервые этот процесс еще в середине XIX в. описал немецкий биолог Т. Шванн. Рассматривая эпителий кожи лягушки под микроскопом, он заметил, что почти каждая вторая клетка содержит два ядра. Чуть позже, в 1865 г., его соотечественник, иностранный член Петербургской АН Р. Вирхов в знаменитой книге "Целлулярная патология" привел изображения двухъядерных и многоядерных клеток нормальных и патологически измененных тканей человека. Впоследствии многие исследователи отмечали распространенность подобного явления у животных и растений.

В 1985 г. эти разрозненные данные обобщили в своей монографии со-

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 46

Полиплоидия в кардиомиоцитах млекопитающих: А - кардиомиоцит свиньи с 24 геномами, сосредоточенными в 12 диплоидных ядрах; В - двухъядерный кардиомиоцит оленя с диплоидными ядрами; С - диплоидный кардиомиоцит волка; D - кардиомиоцит человека с одним гигантским ядром, содержащим 16 геномов.

стр. 47

трудники Института биологии развития РАН В. Я. Бродский и И. В. Урываева. Они показали: многократное дублирование генетической информации в клетках соматических тканей - явление общебиологическое, присущее мхам, лишайникам, водорослям, цветковым растениям, беспозвоночным и позвоночным животным. Авторы первыми сделали акцент на том, что у отдельных видов млекопитающих некоторые органы практически полностью состоят из полиплоидных клеток. Этот феномен обнаружили, в частности, в плаценте и печени грызунов, а еще... в сердце человека. Выяснилось, что в норме оно содержит до 95% полиплоидных кардиомиоцитов (клеток сердечной мышцы) с 4, 8, 16 и 32 геномами.

Однако несмотря на столь широкую распространенность, соматическая полиплоидия долго не привлекала особого внимания исследователей, поскольку результаты ряда работ показали: полиплоидные клетки - примерный эквивалент соответствующего числа диплоидных. Отсюда следовал вывод: умножение числа геномов не ведет к принципиальному изменению свойств клеток, а значит, существенно не влияет на физиологию составляемых ими органов. Смысл появления дополнительных копий видели в проявлении процесса дифференцировки или в экономии времени и ресурсов (наделении клеток).

Однако в конце 80-х - начале 90-х годов группа сотрудников нашего института под руководством И. Л. Ерохиной и исследователи из Института биологии развития РАН во главе с В. Я. Бродским обнаружили, что полиплоидные кардиомиоциты человека - совсем не то же самое, что соответствующее число диплоидных. В первых оказалось значительно меньше белка в расчете на геном. Так, с увеличением плоидности клеток в ряду 2-4-8-16-32-64 геномов количество белка возрастало лишь как 2-3-5,8-7,8-13-16,8. Поскольку белок в кардиомиоцитах на 95% представлен миофибриллами - волокнами, обеспечивающими мышечное сокращение, стало очевидным: полиплоидия должна влиять на функциональный потенциал сердца. В какой степени - предстояло выяснить.

ФАКТОРЫ ВЫНОСЛИВОСТИ

В 1995 г. английские физиологи Ч. М. Бишоп и П. Дж. Батлер показали: весовой индекс сердца (т.е. отношение его веса к весу тела) прямо пропорционален его функциональным возможностям. Поэтому у подвижных животных этот показатель выше, чем у малоподвижных. Например, сердце ленивца примерно в 5 раз меньше, чем собаки сходного веса, аналогичная пропорция наблюдается и при сравнении курицы и орла. Правда, научный мир не сразу воспринял вывод о том, что такой простой параметр может иметь столь фундаментальное значение. Однако затем взаимосвязь между индексом сердца и потенциалом его работы была подтверждена на огромном фактическом материале, включающем свыше 100 видов рыб, амфибий, рептилий, млекопитающих и птиц. И в настоящее время - это общепринятый показатель.

Чтобы понять, к каким последствиям ведет полиплоидия, мы провели подробное межвидовое исследование позвоночных животных. Было оценено среднее число геномов в кардиомиоцитах 40 видов птиц и 30 - млекопитающих с разным индексом сердца, отражающим способность каждого из них бегать, летать и плавать без кислородной задолженности (т.е. не задыхаясь).

Установлено: у обитателей земли и воздуха полиплоидия ассоциирована со слабым, относительно небольшим сердцем (и соответственно с малоподвижным образом жизни). Его обладатели не могут долго и активно двигаться, как это свойственно "атлетическим" видам, к тому же их отличает повышенный риск сердечно-сосудистых заболеваний. Эти факты вызвали крайнее удивление многих биологов, поскольку полиплоидию они считали механизмом усиления функции органа.

Например, сердце тех видов птиц, которые не летают активно и при этом чаще других гибнут от разрыва сердца, весит всего 0,4 - 0,6% от массы тела и содержит в каждой клетке до 24 геномов. Последние часто бывают сосредоточены в мелких диплоидных ядрах, окруженных небольшим количеством цитоплазмы. Напротив, кардиомиоциты "атлетических" птиц, приспособленных к длительным нагрузкам с повышенным потреблением кислорода (скажем, к долгим высокоскоростным полетам), практически не накапливают дополнительных геномов. Сердце летунов-рекордсменов - стрижа и сокола, способных много часов без отдыха летать в поисках пищи (временами развивая скорость до 200 км/ч), весит соответственно 1,6 и 1,1 % от массы тела и состоит в основном только из диплоидных и (максимум) тетраплоидных клеток, имеющих очень мощную поперечно-исчерченную цитоплазму с большим количеством сократительных элементов.

Среди млекопитающих наиболее полиплоидизированные кардиомиоциты обнаружены нами у свиньи - у нее самый низкий индекс сердца (0,25% от веса тела). Именно она в большей степени, нежели иные животные, подвержена гипертонии и внезапному инфаркту. Примерно 70% ее кардиомиоцитов содержат 8 - 32 генома, сосредоточенных в большом количестве ядер. У других же млекопитающих сходного веса, но ведущих более активный образ жизни, скажем, у оленя и волка, имеющих индексы сердца 0,8 и 0,9%, напротив, преобладают клетки с 2 - 4 геномами.

С рассматриваемой нами точки зрения среди млекопитающих человек занимает особое место. От других видов его отличает огромная вариабельность плоидности и морфологии кардиомиоцитов. У одних людей клетки сердца сходны с волчьими, т.е. имеют мощные сократительные фибриллы, одно-два диплоидных ядра и прямоугольную форму. У вторых похожи на оленьи, т.е. имеют ядра среднего размера (с 4 - 8 геномами), хорошо развитую сократительную систему. У третьих они неправильной формы, содержат крупные ядра (8 - 32 генома) и относительно слабый сократительный аппарат. Представители всех перечисленных категорий практически здоровы - без ярко выраженных патологий. Но заболевания сердца, особенно преследующие человека с детского возраста, связаны с накоплением дополнительных геномов. У

стр. 48

стр. 49

хронических больных в предсердиях и желудочках кардиологи часто регистрируют преобладание клеток с 64 и даже 128 геномами. Парадокс, но сократительный аппарат кардиомиоцитов с гигантскими ядрами вовсе не выглядит мощным. Наоборот, сократительные фибриллы у них часто бывают довольно слабыми.

ЗАЩИТА ОТ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО СТРЕССА

Почему же с полиплоидизацией связано снижение функциональных возможностей сердца? Чтобы ответить на этот вопрос, мы провели межвидовое сравнение характеристик сократительной способности кардиомиоцитов, которую оценивали по активности митохондрий ("энергетических станций" клетки) и содержанию белка в расчете на геном. И установили: эти характеристики существенно снижаются при накоплении дополнительных геномов. Причем на межвидовом уровне эффект выражен почти впятеро сильнее, чем на внугриорганизменном. У млекопитающих примерно одинакового веса с удвоением среднего числа геномов в клетке количество белка в расчете на геном снижается на 250, а доля объема, занимаемая митохондриями, - на 320%. В результате кардиомиоцит оленя с 4 геномами содержит примерно столько же белка и митохондрий, сколько и свиньи с 24 (ядра в таких клетках распределены практически по всей цитоплазме). А кардиомиоцит человека с 16 геномами - столько же белка, сколько диплоидный волка.

Наши коллеги биофизики, видя на фотографиях необычное явление, не верили своим глазам и говорили, что это просто невозможно, поскольку противоречит основным принципам энергетики клетки - ей незачем кормить дополнительные ядра. Тем не менее полиплоидные клетки со столь вроде бы странными физиологическими свойствами широко распространены в природе, что указывает на их адаптивное значение.

Сравнительный анализ уровня генной экспрессии* в полиплоидных и диплоидных кардиомиоцитах позволил нам выяснить причины дублирования генетической информации. Используя биоинформатические методы, мы сопоставили активность более чем 10000 генов. Оказалось, полиплоидизация весьма существенно меняет уровень экспрессии нескольких десятков из них. Почему? Ведь при умножении числа геномов наследственная информация не меняется, и качественный состав генов остается таким, как и в диплоидных клетках?

Наши данные показали: регулируемые плоидностью гены меняют свою активность, помогая клетке защититься от апоптоза (гибели), воздействия токсических веществ, инфекций и окислительного стресса. Вполне вероятно, что именно указанные особенности и позволяют сердцу функционировать в экстремальных условиях, а снижение его потенциала - плата за такую возможность. Недаром самая высокая плоидность кардиомиоцитов найдена у птиц - дальних мигрантов (гуси, утки, лебеди). Хотя они не способны к активной аэробной (кислородно-затратной) подвижности в течение длительного времени, их организм - чудо адаптированности к высоким нагрузкам в условиях пониженного содержания кислорода. Известно, что гуси, утки и лебеди при миграциях совершают многочасовые перелеты в экстремальных условиях - на высоте 8 - 10 км над уровнем моря, в разреженном воздухе (с содержанием кислорода менее 30% от обычного) и при температуре -40С, когда предъявляются дополнительные требования к защитным системам клетки.

РЕГУЛЯТОРЫ ПЛОИДНОСТИ

Связь полиплоидии с изменением свойств кардиомиоцитов, ведущим к снижению функционального потенциала сердца, придает особую важность вопросу: от чего же зависит уровень полиплоидии? Установлено: у млекопитающих дополнительные геномы появляются в период питания молоком (например, у крысы с 7 по 14 день после рождения, у свиньи - с недельного возраста до 1 месяца), у пернатых они накапливаются в промежутке от появления на свет до созревания. У человека полиплоидизация формируется от рождения до 11 лет. Следовательно, факторы, регулирующие этот процесс у взрослых животных, нужно искать в раннем постнатальном развитии (в детском возрасте).

Мы детально сопоставили особенности роста и образа жизни у "атлетических" и малоподвижных млекопитающих и птиц. Оказалось, что они принципиально отличны по степени самостоятельности и подвижности при появлении на свет. Первые из них (с низкоплоидным сердцем) растут быстро, имеют так называемый "птенцовый" тип развития, т.е. появляются на свет незрелыми, слепыми, с неустановившимся термообменом, долго остаются практически неподвижными. Забота о их пропитании и здоровье полностью лежит на родителях; наиболее типичные представители - хищники. А малоподвижные виды (с высокоплоидным сердцем) отличаются медленным ростом и "выводковым" развитием. Они с первых минут жизни смотрят на мир широко раскрытыми глазами, активно двигаются и сами добывают пищу. Родители о них практически не заботятся, проявляя интерес к потомству лишь в первые дни. В результате у этих детенышей сердце развивается в условиях гораздо большей нагрузки, чем у "атлетических".

Полученные данные позволили нам сделать вывод о существовании инверсии (переворота) нагрузки на этот важнейший орган в процессе становления индивидуума (в онтогенезе). Сердце с высоким функциональным потенциалом во взрослом состоянии формируется в условиях относительно небольших нагрузок и хорошего снабжения организма ресурсами. Все происходит иначе, если сердце работает на пределе своих возможностей уже с момента появления особи на свет и в условиях недостатка ресурсов. Роль нагрузки на детское сердце в программировании его будущей плоидности и аэробной способности хорошо видна у млекопитающих и птиц с высокой плоидностью кардиомиоцитов. Например, сердце свиньи и курицы перегружено в период раннего развития из-за искусственно ускоренной прибавки веса. У утиных и гусиных же из-за того, что свое первое дальнее путеше-

* Уровень генной экспрессии - количество матричной РНК (мРНК) данного гена в клетке, отражающее интенсивность его работы (прим. авт.).

стр. 50

ствие (миграцию), а значит, и подъем на высоту 10 км они совершают еще птенцами. Дополнительная нагрузка на сердце в онтогенезе человека связана с прямохождением.

Физиологи применяют количественный критерий нагрузки на формирующиеся органы - скорость постнатального роста. Основной естественный ее замедлитель - подвижность: чем животное самостоятельнее и больше двигается, тем медленнее растет. Беспомощные и малоподвижные при рождении ("птенцовые") пернатые и млекопитающие растут в 3 - 4 раза быстрее, чем самостоятельные и активные ("выводковые") животные сходного веса. Почему именно подвижность основной регулятор в этом процессе? Потому что мышцы - самый крупный орган тела позвоночных - составляют около 40% веса и потребляют наибольшее количество ресурсов. При активном поведении они расходуют до 90% всей энергии организма, а при умеренном - около 50%. Таким образом, скорость постнатального роста может служить хорошим индикатором нагрузки на формирующееся сердце: чем быстрее животное растет (в естественных условиях), тем меньше оно двигается и меньшую нагрузку испытывает.

Мы исследовали влияние темпов роста на полиплоидизацию кардиомиоцитов и индекс сердца взрослых млекопитающих. Оказалось, с ускорением роста первый показатель снижается, а второй, наоборот, возрастает. Однако для обоих параметров важен только период накопления геномов в клетках. Позднее рост практически не отражается на формировании сердца.

Итак, морфологические и функциональные особенности сердца на клеточном и органном уровнях программирует лишь функциональная нагрузка при постнатальном развитии, определяемая скоростью роста. Происходит программирование во время полигаюидизации кардиомиоцитов. Следовательно, именно этот интервал можно считать критическим периодом формирования органа.

МЕДИЦИНСКИЕ АСПЕКТЫ

Для того чтобы понять, в какой мере обнаруженные нами закономерности приложимы к медицине, мы изучали, как увеличение нагрузки на сердце, вызванное заболеванием пищеварительной системы в критический период роста, отражается позднее на структуре того же органа у взрослых животных (опыты проводились совместно с сотрудниками нашего института Т. В. Бейер и Н. В. Сидоренко). Ситуацию провоцировали экспериментальной инфекционной диареей, сопровождавшейся учащением пульса. В опыте участвовали 10-дневные крысята, болевшие с разной степенью тяжести в течение 4-х дней. Возраст их заражения был продиктован периодом самой активной полиплоидизации кардиомиоцитов, а тип заболевания - тем, что оно ведет к сильному повышению нагрузки на сердце и является одной из наиболее частых причин замедления роста у детей.

Диарею вызывали широко распространенным кишечным патогеном протозойной природы Cryptosporidium parvum. Наибольшую опасность он представляет для детей в возрасте до 10 лет с формирующимся сердцем и еще не окрепшей иммунной системой. В Европе и США криптоспоридиоз часто регистрируют при обращениях к врачу по поводу кишечных расстройств. В азиатских странах - Индии, Таиланде, Шри Ланке - эта инфекция уже приобрела масштаб эпидемии.

Наши данные показали: криптоспоридиоз приводит к прекращению роста крысят и значительной атрофии сердца. Его индекс у переболевших животных был на 30 - 40% ниже, чем у контрольных. Наблюдалось избыточное количество кардиомиоцитов с 4, 8, и даже с 16 геномами. Содержание белка в клетках было значительно снижено (на 40 - 60%), кардиомиоциты имели сильно удлиненную форму, что неизбежно должно привести к снижению силы сердечных сокращений. Мы проверили, сохраняются ли эти изменения через 20 дней после выздоровления (т.е. практически до половозрелости). Оказалось, разница как в плоидности клеток, так и в индексе сердца остается стабильной на протяжении всего срока эксперимента. В ходе работы было обнаружено, что эффект диареи проявляется по принципу "все или ничего", т.е. при сильном, среднем и среднеслабом заражении эффект выражен примерно одинаково, а при слабом - его практически нет. Видимо, защитные механизмы организма дают сбой при превышении определенного уровня воздействия инфекции. Все это подтвердило результаты наших межвидовых исследований и выявило, что даже небольшая дополнительная нагрузка на сердце во время критического периода его формирования приводит к необратимому снижению будущего функционального потенциала органа.

Думается, мы приблизились к пониманию причин огромной вариабельности плоидности кардиомиоцитов нормального сердца человека. Важная роль в управлении процессом принадлежит заболеваниям, перенесенным ребенком в критический период развития сердца (от рождения до 11 лет, причем наиболее чувствителен возраст после семи). Опасность могут представлять практически любые инфекции, а также неполадки с пищеварительной, нервной, дыхательной, мышечной, выделительной или эндокринной системами. Даже обычное острое респираторно-вирусное заболевание с небольшим повышением температуры приводит к значительному учащению пульса.

Понимание ранних изменений, предшествующих клиническим проявлениям сердечно-сосудистых заболеваний, необходимо для разработки и совершенствования предупредительных мер. Сравнительные исследования продемонстрировали необходимость максимальной родительской заботы в критический период формирования сердца у детей. В это время оно требует защиты при любом недомогании.

Работа проведена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и программы Президиума РАН "Молекулярная и клеточная биология".

Постоянный адрес данной публикации: