Белое сердце

Одно из направлений поисков ответов на эту задачу связано с тем, что мыши — млекопитающие.

Нокаутированный ген не работает с самого начала развития организма.

Конечно же, как выяснилось, «белосердечные» мыши много чем отличаются от нормальных. Подумайте, какие изменения в их организме могли помочь им нормально существовать.

Действительно, поначалу впору было предположить, что миоглобин для мышей — просто бесполезный рудимент. Почему бы и нет? Может быть, у ближайших предков мышей он играл роль в запасании и переносе кислорода, а у современных (или современных лабораторных? или современных лабораторных в условиях эксперимента?) — не играет.

И впрямь, у мышей концентрация миоглобина в мышцах ниже, чем у многих других млекопитающих, — всего 2 мг/г сырой массы мышц (у белого кролика — 8 мг, а у морского слона — 64!). Удалось же утратить миоглобин в ходе эволюции некоторым антарктическим рыбам... Конечно, рыбы, да еще живущие в холодной воде, — не мыши; и все-таки сердце даже у рыб совершает большую работу и справляется без миоглобина.

Можно также предположить (что и сделали авторы исследования), что без миоглобина можно обойтись при работе сердца и мышц, но какие-то другие важные функции он выполняет. Может быть, мыши без него чаще болеют раком или в чем-то еще уступают обычным...

Поискать новые функции миоглобина оказалось полезной идеей — они вскоре нашлись. Оказалось. что в сердце миоглобин может связывать оксид азота NO, который нарушает работу митохондрий. Кроме того, у миоглобина была найдена пероксидазная активность — он может обезвреживать активные формы кислорода.

Еще одно объяснение результатов, описанных в условии, — нагрузка могла оказаться низковатой. Может быть, если мышей с белым сердцем гоняли бы до изнеможения или подвергали пиковым нагрузкам, они бы проявили слабину? Вдруг миоглобин дает преимущество в 0,1 секунды, когда мышь со всех ног удирает в норку от кошки? В лаборатории обнаружить это сложно, а в «реальной жизни» это может быть немаловажным...

Но обратимся к подсказкам. Почему может быть важно, что мыши — млекопитающие? Дело в том, что внутри утробы матери тоже нужно дышать — зародыш должен отнимать у матери кислород. Недаром у млекопитающих несколько разных гемоглобинов — эмбриональный, плодный и взрослый. Гемоглобины зародыша имеют большее сродство к кислороду.

Оказалось, что для эмбрионов миоглобин критически важен. Больше половины эмбрионов «нокаутированных» мышей гибли на определенной критической стадии развития из-за нарушений в развитии сердца и сосудов. Кажется, точные причины смерти эмбрионов до сих пор не установлены (или мне не удалось найти их описание), но сам факт однозначно доказывает: миоглобин важен для нормального эмбрионального развития. Лишь те немногие мыши, которым повезло дожить до рождения на свет с белым сердцем, дальше росли и развивались нормально.

Вторая и третья подсказки — о том, что у выживших мышат «было время», чтобы «подготовиться» к нормальной жизни. Вскоре выяснилось, что у таких мышей заметно выше концентрация гемоглобина в крови. В их сердце и мышцах лучше развита капиллярная сеть. У них усилен коронарный кровоток. Эти изменения делают более «крутым» градиент концентрации кислорода между кровью и клетками и уменьшают расстояние диффузии — а значит, облегчают доставку кислорода в ткани.

И раз такие изменения происходят — почти наверняка миоглобин в норме все-таки важен для переноса кислорода.

Параллельно выяснилось, что происходят и изменения внутри самих клеток сердца и мышц. В них активируются многие гены, активные у нормальных мышей при гипоксии. Как правило, их конкретная роль неизвестна. Но одно из последствий установить удалось. Обычное сердце предпочитает потреблять в качестве источника энергии жирные кислоты. Белое сердце переключается на глюкозу. Оказывается, для глюкозы выше калорический эквивалент кислорода (количество энергии, освобождающееся при потреблении организмом 1 л кислорода; его величина зависит от относительного содержания в пище жиров, белков и углеводов). Использовав литр кислорода, за счет окисления глюкозы можно получить больше АТФ, чем за счет жирных кислот. Получается, что сердце может обойтись меньшим количеством кислорода при тех же энергозатратах.

Так что «нормальность» мышей с белым сердцем, конечно, не доказывает бесполезность миоглобина. Она лишь доказывает, что организм мыши способен справиться с проблемой за счет множества компенсаторных механизмов.

Выделим в этой задаче две линии — про мышей и про миоглобин. Начнем с мышей.

Ох уж эти мыши! Наверное, еще не раз мы с ними столкнемся... Всё же, как-никак, главный «медицинский двойник» человека — модель наша с вами и наших болезней. При этом мыши так похожи на человека — и так сильно от него отличаются.

Чтобы мыши еще больше походили на людей, их генетически модифицируют и «гуманизируют» (см. задачу «Мыши или собаки»).

Но случай с «белым сердцем» показывает другую сторону медали. Наверняка ученым часто хочется, чтобы мыши были поменьше похожи на людей! С млекопитающими столько проблем — слишком сложный у них геном и организм. Многие гены присутствуют во множестве копий общего эволюционного происхождения, чьи функции частично перекрываются и могут компенсировать друг друга. Стараешься, выключаешь важный ген — а никакого «хорошего фенотипа» (то есть четкого отличия от нормы, которое сразу же позволило бы судить о функциях белка) не получается. Даже когда ген один (как в случае миоглобина) — включаются физиологические и биохимические компенсации.

Еще одна сложность с мышами и прочими млекопитающими — масса возможных побочных эффектов от любого вещества. Как раньше пытались доказывать, что миоглобин играет важную роль? Его «отключали» с помощью таких веществ, как нитрит натрия или угарный газ. Эффект был, да еще какой! Только вот у нокаутных мышей вообще без миоглобина его не было... Это не помешало еще много раз наступать на те же грабли — достаточно вспомнить историю с «молекулой памяти», протеинкиназой М-дзета.

Да, все-таки с дрожжами проще...(хотя и с ними, конечно, могут возникнуть те же проблемы).

Переходя теперь к миоглобину — сначала о глобинах вообще. Я уже упоминал, что у человека есть несколько генов, отвечающих за альфа- и бета-цепи гемоглобина,– и их можно обсудить как-нибудь в другой раз. Но, оказывается, у позвоночных есть еще как минимум два белка из этого семейства, открытых сравнительно недавно, — нейроглобин и цитоглобин. Первый образуется в отдельных участках мозга, довольно далек от других глобинов позвоночных и родственен нейроглобинам беспозвоночных. Второй образуется в разных тканях, и он довольно близкий «родственник» миоглобина. Функции их пока сравнительно слабо изучены, но известно, что их синтез усиливается при гипоксии. Может быть, и у наших нокаутных мышей они играют дополнительную роль в защите мозга и сердца.

Теперь — о самом миоглобине. Изучают его уже сто лет, и он по праву считается одним из самых изученных белков. Самая известная его «заслуга» — то, что это первый белок, для которого с атомным разрешением была установлена третичная структура (Джон Кендрю и Макс Перуц, Нобелевская премия по химии 1962 года). Но и у этого белка постоянно находят новые функции; постоянно расширяется понимание того, в каких процессах в организме он задействован (см. U. B. Hendgen-Cotta et al., 2010. Unmasking the Janus face of myoglobin in health and disease). Это и течение паразитарных инфекций, и ангиогенез, и развитие раковых опухолей (судя по его возможной роли, мыши без миоглобина, может быть, и впрямь болеют раком чаще обычных).

Один из выводов, который можно сделать на основании данных о миоглобине, — это двойственность его влияний (не зря в цитированном обзоре его сравнивают с двуликим Янусом). Как уже упоминалось, он может разрушать оксид азота NO, препятствующий клеточному дыханию, и тем самым ускорять его. С другой стороны, при нехватке кислорода миоглобин может восстанавливать нитриты до NO; тогда клеточное дыхание замедляется. В норме это тоже полезно, так как защищает клетки сердца от гибели при ишемии/реперфузии (см. Reperfusion injury). Позднее выяснилось, что миоглобин есть в клетках гладких мышц стенок сосудов; там он тоже может участвовать в синтезе NO из нитритов и стимулировать расширение сосудов.

Наверное, мыши с белым сердцем чаще умирают от инфаркта. Но, как всегда, всё зависит от конкретных условий: в некоторых случаях мыши без миоглобина даже выигрывают по сравнению с нормой. Чтобы проверить реакцию сердца на хронический стресс, нормальным и нокаутным мышам вводили неизбирательный агонист бета-адренорецепторов изопреналин (см. задачу «Дела сердечные» — кстати, там мы уже кратко обсуждали мышей без миоглобина, но вряд ли кто-то про это вспомнил). У обеих групп мышей через две недели наблюдали признаки гипертрофии сердечной мышцы. При этом у «нормальных» мышей всё было совсем не нормально — у них был расширен левый желудочек, что говорит о декомпенсации сердечной деятельности, и возникал связанный с этим отек легких. А у «ненормальных» мышей всё было в норме. Оказалось, что в сердечной мышце у них активируются совсем разные наборы генов, и теперь можно долго разбираться в том, как эти гены влияют на развитие патологии (см. A. Molojavyi et al., 2010. Myoglobin-deficient mice activate a distinct cardiac gene expression program in response to isoproterenol-induced hypertrophy).

Не менее интересные новые данные можно получать и про «традиционные» функции миоглобина — связывание и запасание кислорода. Пример — статья 2013 года в Science “Evolution of Mammalian Diving Capacity Traced by Myoglobin Net Surface Charge” (ее краткое изложение можно посмотреть здесь, а полную версию — здесь). В ней сравниваются свойства миоглобинов 130 видов млекопитающих. Оказывается, по последовательности можно предсказать суммарный поверхностный заряд молекулы. И этот заряд (как и концентрация гемоглобина) хорошо коррелирует с максимальной длительностью ныряния. Возможно, больший заряд при высокой концентрации миоглобина предотвращает агрегацию и слипание его молекул в клетке.

А замечательно тут то, что концентрации миоглобина у разных вымерших предков современных зверей определить мы не можем, а вот последовательность его аминокислот с помощью современных методов биоинформатики можем. Зная эту последовательность и рассчитав заряд, мы можем определить, сколько времени ископаемое животное могло проводить под водой! Судя по этим данным, подтверждаются теории о водных или полуводных предках таких наземных животных, как ехидны, даманы и слоны. Правда, у мышей водных предков вроде бы не обнаружилось.