II. "Старение" клонов

В большей части работ, посвященных старению, речь идет о наличии или отсутствии "старения" в клонах простейших. Мопа [777], видимо, первым провел аналогию между соматическим старением у многоклеточных и поведением популяций простейших. Он предсказал, что такие популяции должны обладать жизненным циклом, включающим фазу, аналогичную старению у многоклеточных и заканчивающуюся гибелью популяции, если реорганизация ядра посредством конъюгации или какой- либо сходный механизм не вызовет "омоложения" клона. Многие годы протистологи соревновались друг с другом, стремясь вырастить как можно больше бесполых поколений Paramecium, Eudorina и подобных организмов. За это время было написано много вздора о "потенциальном бессмертии", но было получено также много сведений о размножении простейших и о методах их культивирования. Стало очевидным, что некоторые клоны деградируют, а другие, в том числе клоны таких соматических клеток, как фибробласты в культуре ткани, - нет. Калкинс [172] в своих классических исследованиях показал, что штаммы Uroleptus mobilis при культивировании по одиночке без конъюгации проявляли старение, характеризовавшееся падением ростового потенциала, дегенерацией ядер и полной потерей микронуклеуса. В конце концов подобные штаммы сходили на нет. На любом этапе этого процесса конъюгация, а, вероятно, и эндомиксис приводят к немедленному возврату к норме независимо от того, происходят ли конъюганты от старых или недавно выделенных штаммов. Путем отбора штаммов парамеций, у которых эндомиксис задерживался на длительное время, Сонненборн [1109] смог вырастить расу, у которой совершенно не происходит реорганизации ядра. Эти штаммы неизбежно вымирали спустя 4 или 5 месяцев. Рице [984] сообщил о сходных результатах, полученных в культуре одного из представителей Ascomycetes, в которой непрерывно поддерживалось вегетативное размножение. Между тем Белар [77] содержал Actinophrys sol при культивировании поодиночке без педогамии на протяжении 1244 поколений свыше 32 месяцев и не наблюдал уменьшения скорости клеточного деления. Бирс [75] содержал Didinium nasutum на протяжении 1384 поколений без конъюгации и эндомиксиса. Гартман [490] поддерживал культуру Eudorina elegans в состоянии активного бесполого размножения в течение 8 лет. Старейшая культура Paramecium aurelia в опытах Вудруфа [1286] сохранялась на протяжении более чем 15 000 поколений без аутогамии. Таким образом, следует сделать вывод, что одни клоны стабильны, а другие - нет.

Работы Дженнингса [571] на клонах Paramecium bursaria способствовали разрешению этой проблемы. Он нашел, что у этого вида жизненный цикл распадается на четко выделяемые фазы - рост, половое размножение путем конъюгации с особями других клонов и упадок. Продолжительность и характер этих фаз существенно различаются от клона к клону. В фазе упадка гибель отдельных клеток и особенно потомков, образовавшихся в результате конъюгации особей старых клонов, становится весьма обычной. Жизнеспособность и живучесть потомков конъюгантов, даже если они оба были из молодых клонов, сильно варьирует, и очень большая доля эксконъюгантов обычно гибнет. Особенно высока смертность среди потомков конъюгантов из родственных клонов. Из 20 478 эксконъюгантов 10 800 (52,7%) умерли до 5-го клеточного деления, а 29,7% -вообще не делившись. Большинство конъюгантов дает определенное число нежизнеспособных клонов, определенное число слабых клонов, способных к кратковременному существованию, и совсем немного исключительно сильных клонов, причем некоторые из них способны к неограниченному бесполому размножению. Из этих-то сильных рас обычно и выделяют популяции лабораторных культур.

Дженнингс [571] пришел к следующему выводу: "Смерть не является следствием того, что организмы стали многоклеточными. ...Она встречается у самых различных простейших и обусловлена эндогенными причинами. Многие, а может быть, и все клоны в конце концов отмирают, если у них в какой-либо форме не наступает половое размножение... Омоложение посредством полового размножения можно считать установленным... однако в добавление к возникновению омоложенных клонов конъюгация создает большое число слабых, патологических и аномальных клонов, которым уготована ранняя гибель. Функция обновления отличается от другой функции конъюгации, заключающейся в создании вариаций путем перераспределения генов, и дополняет ее. У ряда видов среди возникающих после конъюгации клонов, по-видимому, существуют и такие, у которых большая жизнеспособность позволяет особям вегетативно размножаться в течение неопределенно долгого времени без спада жизненности или гибели".

Некоторые авторы считали увеличение доли слабых и нежизнеспособных конъюгантов в старых клонах результатом накопления неблагоприятных мутаций. (Сходные явления [63, 64] были описаны в клонах Daphnia.) Такое предположение давно было высказано Раффелем [958] на основании экспериментов с Paramecium. "Старение" линий, наблюдаемое у Paramecium, в некоторых отношениях аналогично процессам, хорошо известным для инбредных линий, размножающихся половым путем (от Drosophila до крупного рогатого скота) [969], и описываемым под общим названием "инбредной депрессии". Однако "старение" линий отличается от этих процессов в том отношении, что в клонах происходит накопление мутаций, а не расщепление имеющихся генов и потеря преимуществ, связанных с гетерозиготностью. Смертность среди аутогамных потомков Paramecium находится в прямой зависимости от продолжительности предшествующего периода времени, в течение которого аутогамия была подавлена [939J. На продолжительность "жизненных циклов" в клонах влияет большое число физических и химических агентов. Обычный мутагенный агент метилхолантрен задерживает депрессию клонов у Paramecium, [1119]. Сонненборн и Шнеллер [1111, 1112] нашли, что старение клонов у Paramecium, как и предвидели другие исследователи [338], зависит от имеющегося у ресничных инфузорий особого механизма, посредством которого половая и вегетативная функции ядра осуществляются двумя отдельными структурами. Когда Paramecium делится после любого полового процесса, новое ядро в каждой дочерней особи снова делится на две части. Один из продуктов этого деления - микронуклеус. Он располагается в переднем конце инфузории, имеет нормальный диплоидный набор хромосом и, по-видимому, несет лишь одну функцию - передача генотипа; другими словами, он представляет собой "зародышевую плазму". Другая порция ядра, макронуклеус, регулирует обмен веществ клетки. Он приобретает высокую степень плоидности и при последующих клеточных делениях хромосомы макронуклеуса распределяются между макронуклеусами дочерних клеток беспорядочным образом, тогда как микронуклеус делится всегда нормальным способом. Вследствие того, что макронуклеус содержит громадное число наборов хромосом, у каждой клетки в первых делениях есть довольно много шансов получить полный набор. Однако с течением времени все больше и больше дочерних клеток получают несбалансированные наборы хромосом и сокращенный "функциональный репертуар", поскольку однажды утерянные хромосомы не могут быть восполнены из микронуклеуса иначе, чем в результате полового процесса - конъюгации или аутогамии. На поздних стадиях старения клонов затронутым оказывается даже половое деление и число аномальных и нежизнеспособных потомков увеличивается. Сонненборн полагает, что такое увеличение нежизнеспособных потомков обусловлено не накоплением мутаций, поскольку последнее можно предотвратить периодической аутогамией, даже если генотип не меняется. Оно, по его мнению, вызывается повреждением самого микронуклеуса из-за ненормальных условий внутри клетки, созданных дефектным макронуклеусом. У ресничных инфузорий зародышевая плазма "вынуждена" находиться внутри клетки во время формирования сомы и поэтому подвергается различным неблагоприятным влияниям. Такое положение является уникальным и встречается даже не у всех ресничных инфузорий. Разделение же функций между вегетативным и зародышевым ядрами присуще лишь этой группе. И хотя о связи между предполагаемыми цитоплазматическими мутациями и старением многоклеточных никаких данных тоже нет, тем не менее изучение этих мутаций имеет менее отдаленное отношение к данной проблеме, чем исследование клонов простейших. (Близкая тема, соматическая анеуплоидия, обсуждается в гл. 6, разд. 3, стр. 258.) Во всяком случае, вероятно, нельзя идентифицировать депрессию культур простейших со старением многоклеточных на основании одного лишь поверхностного сходства между ними. Сомнительно, чтобы можно было провести прямую аналогию между неклеточными организмами и клетками многоклеточных. Единственное отношение "старения" клонов простейших в целом к старению тела многоклеточных, возможно, состоит в том, что оно проливает свет на роль клеточного деления в обновлении расходуемых ферментных систем. В настоящее время у нас нет причин, по которым "старение" Paramecium следует обсуждать столь интенсивно, как это делается в трактатах, посвященных проблемам геронтологии.

"Старение" некоторых линий растений, размножающихся вегетативным способом, очевидно, зависит от накопления экзогенных вирусов, приводящих к падению жизненности [260]. Другие же сельскохозяйственно важные разновидности долгие годы или столетия размножаются вегетативно, не ухудшаясь. Накопление экзогенных вирусов само по себе поднимает интересный вопрос о возможности накопления других эндогенных, внутри или внеядерных самовоспроизводящихся веществ.

Однако не все явления старения или дегенерации клонов можно приписать особенностям простейших или действию вирусов. Яркий пример такой дегенерации был изучен в Оксфорде К. Г. Мак-Виртером, которому я весьма благодарен за предоставление неопубликованных данных об этом явлении. Описанное им заболевание носит название "июньской желтухи", наблюдается у земляники, размножаемой усами, и состоит в нарушении образования хлоропластов. Оно поражает растения данного клона сразу на всех плантациях, даже если они пространственно разделены, и развивается скачкообразно. Все растения одного клонального (но не индивидуального) возраста проходят последовательные стадии одновременно. Обычно это заболевание кончается гибелью клона. Его. нельзя передать взрослому растению с помощью прививки. Перенести заболевание на сеянец можно двояким способом - через яйцеклетку и через пыльцу. В потомстве от скрещивания между клонами, находящимися на разных стадиях дегенерации, заболевание матроклинально: сеянцы от наиболее дегенерировавших "матерей" ухудшаются быстрее. По мере увеличения дегенерации в клоне усиливается передача "желтухи" потомкам. В ряде клонов фактор или факторы этого заболевания находятся в латентном состоянии, но "желтуха" может появиться спустя различное время в некоторых чистых или гибридных сеянцах, полученных от этих клонов; таким образом, латентность в данном случае напоминает латентность предполагаемых канцерогенных плазмагенов. Это сходство было отмечено ранее [273, 274].

Характер этой дегенерации делает ее сходной с мутацией, которая отчасти управляется цитоплазматически. Такие заболевания характеризуются латентной фазой, одновременным появлением у всех членов клона, неконтагиозностью, прохождением через ряд стабильных фенотипических стадий и взаимодействием с гормонами роста и половыми гормонами. В исследовании Мак-Виртера у некоторой части растений "желтухй" обострялась в период цветения, хотя ее можно было обнаружить у сеянцев и задолго до него.

Данные, полученные Хейфликом [1318], вызывают серьезные сомнения в правильности теории Карреля о стабильности клонов соматических клеток. В опытах Хейфлика способностью к непрерывному размножению (каковая по утверждению Карреля свойственна фибробластам цыпленка) обладали лишь те клетки, которые в какой-то степени подвергались злокачественному перерождению. Это расхождение в результатах можно объяснить тем, что в опытах Карреля экстракты эмбрионов все-таки не были бесклеточными. В настоящее время найдется немного исследователей, которые с убежденностью отстаивали бы идею о "клеточном бессмегтии" в клонах соматических клеток, излагавшуюся в более ранних работах.