Как холод портит наши клетки

При переохлаждении в клетках человека разрушается белковый цитоскелет.

У животных, которые умеют впадать в зимнюю спячку (или гибернацию), физиология во время этой самой спячки меняется чрезвычайно: например, у обитающего в Северной Америке тринадцатиполосного суслика температура тела может опускаться едва ли не до 0°С, а сердечный ритм замедляется в десять раз – с обычных двухсот ударов в минуту до двадцати.

Естественно, такие сильные изменения затрагивают не только органы и ткани целиком, но и отдельные клетки. Исследователи из Национальных институтов здоровья решили узнать, что происходит в клетках тринадцатиполосного суслика при сильном охлаждении, и сравнить их с человеческими, которым зимняя спячка неведома.

Сравнивали не обычные зрелые клетки, а индуцированные стволовые, которые получали из зрелых специализированных клеток человека и суслика с помощью некоторых молекулярно-биологических манипуляций. Клетки, превращенные в стволовые, обретали способность делиться и могли превращаться в другой любой тип клеток; теперь их программировали на то, чтобы они стали нейронами, и начинали охлаждать.

Отличия, как можно догадаться, оказались весьма существенными. Известно, что понижение температуры плохо сказывается системе микротрубочек – длинных белковых тяжей, которые пронизывают всю клетку и которые служат ей молекулярным скелетом. Микротрубочки поддерживают внутреннюю структуру клеток и служат своеобразными рельсами, по которым внутри клетки транспортируются различные грузы. В клетках человека система микротрубочек при охлаждении разрушалась – но в клетках суслика они оставались целыми.

Холодовое разрушение микротрубочек связано с поломками в митохондриях и лизосомах. Митохондрии часто называют энергетическими станциями клетки, они доверху нашпигованы ферментами, которые с помощью кислорода добывают для клетки энергию, окисляя разные вещества. Побочный продукт работы митохондрий – знамениты кислородные радикалы, очень сильные окислители, повреждающие ДНК, липиды и белки. У митохондрий есть защита против кислородных радикалов, но когда их становится слишком много, они становятся проблемой. На холоду радикалов-окислителей появляется все больше и больше, и они в конце концов начинают портить микротрубочки.

Лизосомы же представляют собой мембранные пузырьки с разными расщепляющими ферментами. При понижении температуры мембрана лизосом портится, их ферменты выливаются в клетку и расщепляют белки микротрубочек. У сусликов же ничего такого ни с митохондриями, ни с лизосомами не происходит.

Как сделать так, чтобы клетки человека вели себя на холоду, как клетки суслика? Во-первых, можно подавить активность ферментов, расщепляющих белки микротрубочек; во-вторых, можно пригасить активность митохондрий, чтобы они не так активно вырабатывали энергию – ведь радикалы-окислители появляются из-за энергетических биохимических реакций.

Исследователи так и поступили, и оказалось, что в клетках человека, несмотря на холод, цитоскелет – и, соответственно, внутриклеточная структура – сохраняются целыми, но только если использовать сразу оба способа, то есть если подавлять и активность ферментов-расщепителей, и активность митохондрий. То же самое получилось и с клетками сетчатки крыс и с почечными клетками мышей – их клетки выдерживали сильно охлаждение и последующее нагревание до обычной температуры. Подробно результаты экспериментов описаны в статье в Cell.

Животные, которые могут погружаться в зимнюю спячку, могут так делать потому, что их клетки способны затормозить обмен веществ и остыть до очень низкой температуры без вреда для себя. Если мы научимся делать так же со своими клетками, то сможем намного дольше хранить органы для пересадки, да и самого человека можно будет надолго остужать без риска повредить его органы и ткани (сильное охлаждение иногда выполняют в некоторых критических ситуациях, например, при травмах головы – гибернация позволяет защитить мозг от распространения повреждений, но при этом, как было сказано, есть риск повредить что-то еще из-за собственно охлаждения).

Однако все вышеописанные эксперименты ставили с клетками, и прежде чем мы начнем вводить в «зимнюю спячку» целые органы, потребуются дополнительные исследования.