1
Генетика и космонавтика: начало

340 дней к моей коже ничего не прикасалось… а сейчас любое прикосновение обжигает.

СКОТТ КЕЛЛИ,

астронавт

Мы находились в кольце мониторов, пестрящих молекулярными и генетическими данными, а также всевозможной телеметрией, – и все как один недоумевали и волновались. Просто глазам поверить не могли.

«Вы когда-нибудь видели, чтобы показатели у человека так зашкаливали? – спросил доктор Сем Мейдан. – Как он вообще выжил?»

Дело было морозным декабрьским вечером в Нью-Йорке, заканчивался 2017 г. Мы собрались в генетической лаборатории в Медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете. Только что был закончен интегрированный анализ всех молекулярных данных (ДНК, РНК, белки, малые молекулы), взятых у капитана Скотта Келли, вернувшегося из самой долгой космической экспедиции в истории NASA. Он провел на орбите почти целый год (340 дней кряду). Долгосрочный космический полет Келли проводился в рамках уникального эксперимента NASA под названием Twins Study, в котором участвовали два астронавта, являющихся однояйцевыми близнецами, – Марк и Скотт Келли. Эксперимент должен был показать отличия состояний человеческого организма до, во время и после годичного космического полета. Эксперимент выполнялся с участием 10 исследовательских команд со всех уголков США. Наша лаборатория занималась анализом генетических, эпигенетических, микробиологических показателей, а еще мы изучали экспрессию генов. У нас были исчерпывающие молекулярные и генетические данные по результатам того времени, что Скотт провел в космосе, и мы могли сравнивать их с аналогичными данными Марка, остававшегося на Земле. Перед нами стояли следующие задачи: 1) оценить, что произошло со Скоттом за время столь долгого полета; 2) изучить изменения, чтобы в дальнейшем ориентироваться на них при подготовке пилотируемой экспедиции к Марсу; 3) спланировать, как снизить для других астронавтов те риски, которые будут выявлены.

Было ясно, что организму Скотта пришлось несладко и он был вынужден заново привыкать к вернувшемуся тяготению. Сам Скотт описал пережитые мытарства в книге «Стойкость: Мой год в космосе»^[2]. «Лодыжки у меня распухли, как баскетбольные мячи, – отмечал он в удивительно спокойной манере, – хотелось только в больничку».

Несмотря на желание поскорее попасть в интенсивную терапию, ему была понятна причина таких перемен в организме: еще бы, он ведь только вернулся из космоса! Но иммунитету от этого понимания не легче. Скотт покрылся сыпью, страдал от зуда при прикосновении. Даже обычная одежда казалась ему тяжкой ношей, давящей под действием гравитации и вызывающей раздражение кожи. Мы судили об иммунном ответе по молекулярным показателям его анализов крови. Особенно заметно изменились белки и экспрессия генов (синтез РНК). Тем не менее все в изумлении глядели на мониторы… Может быть, такая реакция – это нормальная обратная адаптация к тяготению? Не придется ли из-за этого менять планы на экспедицию к Марсу?

«Это самые высокие уровни маркеров воспаления и цитокинового стресса, какие я видел, – сказал я, – надо бы еще раз проверить эти данные».

Мы провели проверку вместе с доктором Скоттом Смитом из NASA, который руководит отделом по биохимическому анализу состояния астронавтов (как наших близнецов, так и других), и он подтвердил, что все верно. А также добавил: «Это наивысшие значения, которые я когда-либо видел». Образцы обрабатывались в двух экземплярах для верности, и наши результаты совпали с расчетными. Хотя воспаление – одна из нормальных реакций организма на стресс, в случае капитана Келли возврат в земную гравитацию спровоцировал небывалый всплеск маркеров (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Как показал эксперимент Twins Study, у братьев Келли значительно отличалась экспрессия многих цитокинов. Черным цветом показана экспрессия цитокинов у Скотта Келли, а серым – у его брата Марка, остававшегося на Земле. Пунктирными линиями отмечено, когда Скотт отправился на МКС и когда вернулся на Землю. Уровни цитокинов нормализованы по их медианной экспрессии для обоих братьев на всем протяжении полета. Таков, например, CXC-хемокин 5, играющий важную роль при ремоделировании тканей. Всплеск содержания других молекул наблюдался прежде всего по возвращении на Землю – это касается антагониста рецептора интерлейкина-1 (IL-ra1), C-реактивного белка (CRP), участвующего в воспалительных процессах, а также тиреотропного гормона (ТТГ).

В частности, после возвращения на Землю у него фиксировались запредельные уровни антагониста рецептора интерлейкина-1 (IL-ra1) – важнейшего естественного противовоспалительного белка. То же касалось других цитокинов (интерлейкина-6, интерлейкина-10) и C-реактивного белка (CRP). Зашкаливал и цитокин CCL-2 (цитокины – это белки, служащие для передачи сигналов от одних клеток к другим), подтягивающий иммунные клетки к ранам или очагам инфекции.

Мы быстро прошерстили весь массив научной литературы, и в частности медицинские журналы: хотели выяснить, наблюдались ли у кого-нибудь показатели, близкие к этим. В особенности нас интересовал IL-ra1 (у Келли > 10 000 пг/мкл). Ближайшие значения по IL-ra1, которые нам удалось отыскать, наблюдались у пациентов, только что перенесших инфаркт миокарда (статья 2004 г., Patti и др.). Пиковые значения интерлейкина-10 фиксировались у пациентов, выживших после сепсиса.

Несмотря на дискомфорт, вызванный возвращением на Землю, Скотт почти сразу же отправился в бассейн, а в течение нескольких дней вернулся к нормальной жизни. Однако у него радикально изменился не только уровень этих биомаркеров. Изменения наблюдались в разных тканях – костях, крови, а также на уровне ДНК и РНК. Нам выпал беспрецедентный шанс изучить его организм во всех деталях – от каждого нуклеотида в генетическом коде до клеточных реакций во всем теле, вылившихся в фенотипические изменения. Большинство из этих показателей были новыми и ранее не измерялись даже у астронавтов. Келли был первым из астронавтов, которому составили полный генетический профиль (секвенировали геном), а также проверили другие характеристики (рис. 1.2). По этим данным мы старались предположить, что же происходит с человеком, прожившим год в космосе.

Рис. 1.2. Платформа для мультиомиксного отслеживания здоровья астронавтов в клиническом разрезе. Выделены представители четырех когорт, бывших под наблюдением: астронавты, онкобольные, пациенты, получавшие иммунотерапию, и обычные пациенты. В каждом примере подчеркнуты свои омические данные, которые могут использоваться при регулярном мониторинге и дальнейшем отслеживании. Молекулярные взаимодействия между омическими категориями показывают, что все эти измерения необходимо интегрировать в рамках единой платформы.

Ущерб для ДНК

Первым делом мы проверили, как на Скотта повлияла радиация. Жесткое излучение может повреждать ДНК, клетки, белки, а также нарушать работу механизмов, регулирующих функционирование клетки. Галактические космические лучи рождаются в звездах, т. е. за пределами нашей Солнечной системы. Кроме того, есть высокоэнергетические частицы, испускаемые нашим Солнцем. Оба этих потока частиц пронизывали тело Скотта. Подобно микроскопическим пулям, частицы оставляют за собой разрушения. Потоки этих частиц обычно состоят из высокоэнергетических протонов, ядер гелия, а также высокоэнергетических ионов, именуемых HZE-ионами, где H означает «высокий», Z – «атомный номер», а E – «энергия». Вредоносное воздействие таких лучей на организм астронавтов впервые наблюдали в 1969 и 1970 гг., когда Нил Армстронг, слетавший на Луну и обратно, специально обертывал лодыжки фольгой с чувствительным слоем, в котором оставались следы HZE-частиц. Рисунок на этих детекторах напоминал снимки столкновения атомов в ускорителях частиц. Правда, в данном случае «ускоритель» выстреливал HZE-частицы, а мишенью, к сожалению, было человеческое тело.

Как правило, днем HZE-частицы остаются незамеченными, но, когда на МКС Скотт закрывал глаза, погружаясь в сон, он видел вспышки света, будто у него под веками проносились падающие звезды. Истинной причиной такой волшебной иллюминации были как раз HZE-частицы, бомбардировавшие сетчатку и проходившие прямо через глаза. Вместо колыбельной Скотт мог засыпать под такой прекрасный фейерверк, но расплачиваться за это приходилось сетчаткой, на которой не оставалось живого места^[3].

Учитывая это, мы волновались, что же обнаружится в организме Скотта после столь долгого полета. Как оказалось, нас ждали сюрпризы. Например, мы ожидали, что его теломеры под действием излучения и стресса, сопряженного с космическим полетом, будут рваться и укорачиваться (теломеры – это концевые участки хромосом, которые, как правило, укорачиваются при старении организма). Кроме того, на длину теломер влияет рацион и уровень стресса. По мере исчезновения теломер хромосомы теряют стабильность, что, в свою очередь, активизирует старение на молекулярном уровне. Доктор Сьюзен Бейли как раз занималась этим вопросом, и мы отправили ей в лабораторию часть анализируемой нами ДНК, а также позаимствовали у нее лабораторные образцы – для контроля.

Неожиданные эффекты космического полета

Как ни странно, теломеры у Скотта за время пребывания в космосе удлинились, что полностью противоречило нашим ожиданиям. Мы перепроверили оба контрольных набора ДНК – из лаборатории Бейли и из нашей – и убедились, что теломеры действительно стали длиннее. Наиболее выраженным это явление оказалось в одном из типов иммунных клеток, так называемых T-клетках (преимущественно в T-клетках категории CD4+, также такие изменения прослеживались в клетках категории CD8+). Менее выраженное удлинение теломер наблюдалось в B-клетках (категория CD19+). Поскольку эти результаты подтвердились на множестве реплицированных образцов, вытяжек, в разных лабораториях и с применением разных методов (флуоресцентная гибридизация in situ, ПЦР, нанопоровое секвенирование), мы сочли результаты корректными.

Однако сразу же возникли вопросы «как?» и «почему?». Мы изучали другие собранные данные, пытаясь осмыслить эту аномалию. Процесс поддержания теломер обычно коррелирует с потерей веса, а Скотт за время экспедиции похудел примерно на 7 % – поскольку условия работы на МКС очень суровые. Помимо прочего, он ежедневно делал зарядку, питался продуктами с улучшенными питательными свойствами, не употреблял алкоголь. Можно сказать, что в космосе у него был более здоровый образ жизни, чем на Земле. Кроме того, с поддержанием теломер связан метаболизм фолиевой кислоты, а уровни фолиевой кислоты в крови Скотта за время полета также выросли. За время экспедиции Скотт подрос на 5 см. Кроме того, в космосе скорость его движения была ближе к скорости света, чем на Земле.

Когда мы обнародовали эти результаты, многим они показались захватывающими, и нас спрашивали: «Так что же, в космосе скрыт источник молодости? Можно ли подрасти и омолодиться, если слетать в космос?» В каком-то смысле – да.

Во-первых, требовалось изолировать все переменные и учесть, а что еще произошло со Скоттом. Взять, например, фактор приближения к скорости света: Скотт во время полета перемещался в среднем со скоростью 7,68 км/c. Это достаточно много, чтобы на человеческом организме начали сказываться эйнштейновские релятивистские эффекты и замедление времени. Чем ближе к скорости света та скорость, с которой движется объект, тем сильнее замедляется время. Для движущегося объекта время течет медленнее, чем для других объектов, находящихся в стационарной системе координат. Это явление зависит от нескольких факторов, которые можно вводить в уравнение Эйнштейна/Шварцшильда, предполагая, что:

1. dr = 0 (мы остаемся на окружности с неизменным радиусом) и df = 0 (остаемся в одной и той же орбитальной плоскости);

2. МКС движется со скоростью 7,68 км/c, а радиус орбиты МКС составляет 400 км от поверхности Земли;

3. Изменения, произошедшие с Марком Келли (dt_MK), остававшимся на Земле, относительно изменений со Скоттом Келли (dt_SK), находившимся на МКС.

В полном уравнении также содержатся координаты кошироты (тета), скорость света (c), а также гравитационная метрика между двумя сферами. Уравнение в целом выглядит так:

Как следует из этого уравнения, Скотт помолодел примерно на 0,1 сек. относительно всех, кто остался на Земле, в том числе стал моложе своего брата. Скотт родился через 6 мин после Марка, а проведя год в космосе, отыграл у брата еще примерно 0,1 сек. Правда, хотя в буквальном смысле он действительно стал моложе, чем если бы провел это время на Земле, этот фактор вряд ли существенно повлиял на увеличение его теломер.

Мы это знаем, так как наблюдали в его организме изменения еще по многим другим биологическим модальностям, например изменение экспрессии генов (включение или выключение генов либо снижение или увеличение их активности). У нас тысячи генов, экспрессия которых меняется каждый день, поэтому неудивительно, что мы могли наблюдать изменения в работе генов Келли, когда он отправился в космос и когда вернулся на Землю. Эти изменения коснулись, в частности, тех генов, которые отвечают за восстановление ДНК и клеточное дыхание. Иммунная система Келли работала очень активно, в том числе когда впервые в истории он получил прививку от гриппа, находясь на орбите. Кроме того, наблюдались признаки гиперкапнии – это состояние, возникающее при перенасыщении крови диоксидом углерода. При гиперкапнии ощущается головокружение и головная боль – и действительно, в своей книге Скотт упоминает об этом. Он отметил, что у него болела голова из-за того, что в крови прыгал уровень диоксида углерода. Всякий раз, когда на МКС выходили из строя установки для очистки воздуха от углекислоты, Скотт жаловался на усиление головных болей.

Мы проанализировали уровни содержания углекислого газа в воздухе на космической станции. Хотя некоторые флуктуации действительно наблюдались, они были не слишком серьезными и не должны были приводить к физиологическим изменениям. Нам пришлось искать другие причины. Оказывается, дыхание в невесомости происходит не так, как на Земле. В частности, при каждом выдохе на МКС у вас перед лицом образуется небольшое облачко CO₂, которое не рассеивается, если только вы не отплывете в сторону или не сдуете его феном. Соответственно, некоторые изменения, которые мы наблюдали в крови Скотта и которые, надо полагать, прослеживаются и в крови других астронавтов и космонавтов, связаны именно с высокой концентрацией CO₂ у самого лица. Такая «атмосфера» более напоминает венерианскую, чем земную.

Также мы рассмотрели динамику микробиома у Скотта. Микробиом – это совокупность микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибков и других клеток, не являющихся человеческими), обитающих в нашем теле. Нас интересовало, что произошло с микробиомом в ходе космического полета. Мы наблюдали некоторые изменения в соотношении определенных видов, в частности фирмикутов и бактероидов^[4] (соотношение F/B). Для этого использовались результаты анализа кала Келли, проведенного докторами Стефаном Грином, Фредом Туреком, Мартой Хотц Витатерной, а также наши собственные результаты анализа мазков с кожи и из полости рта. Общее биоразнообразие в целом сохранилось, и это хорошо. Эти показатели в конце концов вернулись в норму, поэтому никакого «пожара» на уровне микробиома не случилось.

Молекулярный состав крови Скотта имел некоторые особенности. Количество митохондрий, которые обычно находятся внутри клеток и отвечают за клеточное дыхание (т. е. буквально обеспечивают поступление в клетки кислорода и энергии), достигло в крови пиковых значений, когда Скотт оказался в космосе. У здорового человека примерно 500 экземпляров митохондриальной ДНК (мтДНК) на миллилитр крови, а у Скотта этот уровень достигал 6500 экземпляров на миллилитр, по данным докторов Киити Накахиры и Агустина Чхоя. Затем мы совместно со Стейси Хорнер и Нанданом Гокхале из Университета Дьюка исследовали РНК в крови и также выявили многочисленные следы митохондрий.