Теории старения. Часть вторая

Подробный материал опубликован в четвертом номере журнала Les Nouvelles Esthétiques за 2017 год


Мутационная теория старения и теория нестабильности генома


Постулат данных теория — накопление мутационных изменений в геноме приводит к старению организма на всех уровнях организации. Одним из первых автор этой теории был американский физик Лео Силард. Будучи ядерным физиком, в 159 году он предположил, что ионизирующее излучение приводит к ускорению старения. Позднее, в 1961 году, Линдоп и Ротблат показали, что радиация сокращает жизнь крыс и мышей. И только позднее было показано, что в данном случае основной причиной сокращения жизни является рост канцерогенеза, но не физиологическое ускорение старения.

Мутация ДНК противостоят механизмы распознавания повреждений/репарации ДНК. В настоящее время механизмы репарации ДНК хорошо изучены, в том числе и на примере кожных фибробластов. Харт и Сетлоу в 1974 году показали, что активность механизмов репарации ДНК в кожных фибробластах, облученных УФ-радиацией, зависит от максимальной продолжительности жизни данного вида животных. Пропорциональной зависимости между продолжительностью жизни и активностью механизмов репарации ДНК не установлено, но ясно, что эти механизмы играют существенную роль в увеличении продолжительности жизни.

Специально разработанные методики in vivo изучения интенсивности мутаций показали рост таковых по мере старения организма. Тем не менее на тех же мышах показано, что для одних клеток/тканей рост количества мутаций с возрастом достоверный, а для других — нет. Сегодня ясно, что по мере взросления рост мутаций увеличивается, но остается неизменным в старости. И общий уровень накопленных мутаций даже в старческом возрасте незначителен для того, чтобы оказывать влияние на продолжительность жизни.

Основываясь на выраженности функциональных возрастных нарушений, свойственных ряду органов (например, мозгу и сердцу), и на несоответствии незначительности накопленных мутационных изменений в ДНК клеток этих органов, в настоящий момент исследователи не рассматривают данные теории как основополагающие.

Теория репликативного старения и теломерная теория


В 1961 году профессор анатомии Калифорнийского университета Леонард Хейфлик при изучении деления человеческих фибробластов в монослое обнаружил предел данного деления — около 50 раз. В 1971 году советский молекулярный биолог Алексей Оловников для объяснения экспериментальных данных Хейфлика предположил, что причина лимитированного количества делений клетки заключается в укорочении хромосомы при каждом делении. А уже в 1985 году была открыта обратная транскриптаза, которой является теломераза (спустя 24 года коллектив американских ученых получил Нобелевскую премию за открытие механизма старения, предсказанного Оловниковым).

Разнообразные исследования Хейфлика показали, что клетки запоминают количество предшествующих делений. При увеличении возраста пробанда на 1 год количество делений в культуре фибробластов снижается на 0,2. Это значит, что репликативный потенциал фибробластов человека за сто лет снижается всего на 20 делений, а весь этот потенциал достаточен для жизни в 250 лет.

Важно, что в эксперименте Хейфлика in vitro клетки отделяли друг от друга при помощи трипсина и инкубировали в присутствии сыворотки. Как оказалось позднее, это не так уж и безобидно: нарушается стабильность плазмолеммы и ядерной мембраны, что приводит к деградации мембранных белков, полисом и негистоновых ядерных белков. Скорее всего, не внутренние часы, а именно 50-кратная обработка типсином вызывала старение и гибель культуры фибробластов. Таким образом, в 1978-1979 гг. исследователи из нескольких стран провели ревизию теории Хейфлика. Было обнаружено, что ряд клеток подвергается делению около 170 раз, а культура сохраняет стабильность гораздо более длительное время (рис. 1).

Теория Хейфлика

РИС. 1 Результат исследования Хейфлика; ревизия результатов его исследования



Исследования теломер и толемераз позволили раскрыть многие особенности жизнедеятельности клетки, но не добавили яности в вопросе старения.

Теломера — это концевая несимметричная часть молекулы ДНК, состоящая их гексануклеотидных (TTAGGG) повторов. Теломера необходима для корректного разведения обеих целей ДНК, инициирования репликации, профилактики связывания двух цепей друг с другом и потери генетического укорачивается на 50-100 нуклеотидных пар, что за 50 делений составит 2-3 тыс. нуклеотидных пар, и это около 20% всей длины теломеры. Критическое укорочение теломеры и/или ее повреждение являются причинами запрета деления клетки (рис. 2).

В исследованиях показано, что фибробласты 90-летних доноров делились всего на 20 раз меньше, чем фибробласты, полученные от плода человек а. То есть старыми фибробласты стали не потому, что много делились. Математический подсчет количества делений гемопоэтических клеток указывает, что оно может составлять 400-450 раз у 60-летнего пробанда. Таким образом, неизвестно, существует ли предел делений клеток in vivo.

Теория Хейфлика

РИС. 2 Укорочение и повреждение теломеры как причины запрета деления клетки



Попытки обосновать существование генетически запрограммированного предела продолжительности жизни ссылками на предел клеточных делений нельзя признать убедительными. Это тем более важно на фоне того, что выполнение высокоспециализированной функции оказывается несовместимым с клеточным делением (например, нервные и мышечные клетки), а снижение митотической активности является нормальным физиологическим процессом, связанным с дифференцировкой клеток.

Вместе с тем очевидно, что переход части клеток в постмитотическое состояние создает предпосылки к снижению регенераторных возможностей организма и в конечном счете — к уменьшению числа функционирующих клеток, что действительно наблюдается с возрастом. Поэтому исследование кинетики клеточных популяций на разных этапах жизни организма может иметь большое значение для выяснения механизмов, определяющих продолжительность жизни.

Теория дисдифференцировки и эпигенетическая теория


Ричард Катлер в 1991 году предположил, что зрелая (дифференцированная) клетка в процессе своей жизни (старения) может подвергаться изменениям в реакциях транскрипции. Иными словами, происходит ее дисдифференцировка — строгий паттерн экспрессируемых генов со временем «размывается» (ослабевает), приводя к изнашиванию морфологии/функции клеток и тканей.

Эта теория основана в том числе и на том, что экспрессия генов в дифференцированных клетках (например, мозга) более гетерогенная и широкая у особой с более выраженным старением.

Схожего мнения придерживался Владимир Фролькис; его адаптационно-регуляторная теория старения гласит, что при нарушении активности работы регуляторных генов страдает функция структурных генов. Это может привести к выключению традиционных генов и включению ранее не работавших генов (и появлению в клетке не свойственных ей белков).

Вышеуказанные теории получили второе дыхание в связи с развитием эпигенетической теории старения. Эпигенетика изучает процессы наследования, не затрагивающие последовательности нуклеотидов в ДНК, а также то, каким образом из поколения в поколение экспрессия одного и того же паттерна генов наследуется без изменений. Или каким образом обеспечивается продолжительный контроль за единообразием экспрессии определенного паттерна генов в долгоживущей дифференцированной клетке, несмотря на воздействующие на нее факторы. Или каким образом в митотических клетках наследуются изменениям в функции генов, которые не могут быть объяснены изменениями в последовательности ДНК.

Эпигенетические механизмы контроля за стабильностью экспрессии генов включают:
  • метилирование ДНК;
  • ацетилирование гистонных белков;
  • экспрессию микроРНК.

Эти механизмы стимулируются как внешними, так и внутренними факторами (энергетический метаболизм, питание, физические нагрузки) и влияют на процессы старения и развитие возраст-ассоциированных заболеваний.

В исследованиях было обнаружено, что для более старых клеток характерны иные «узоры» метилирования ДНК и ацетилирования гистонных белков по сравнению с молодыми. Например, эпигенетические различия у однояйцевых близнецов в старшем возрасте были значительно более выраженными, чем в молодом. Это подтверждает тот факт, что один и тот же геном в процессе жизни может подвергаться различным эпигенетическим модификациям с исходом в разную траекторию фенотипа (например, более или менее старый).

Старческая немощь (потеря веса, мышечная слабость, саркопения) ассоциирована с глобальным снижением метилирования ДНК. Старение в принципе ассоциировано со снижением метилирования ДНК в определенных локусах. Отмеченное с возрастом снижением ацетилирования гистонных белков приводит к более плотной упаковке хроматина, что затрудняет экспрессию генов.

Эпигенетическая теория старения выглядит многообещающей, но еще предстоит провести широкий спектр биологических исследований.

Заказать
Заказать
Укажите, пожалуйста, компанию, которую Вы представляете и род деятельности
Консультация со специалистом
Укажите, пожалуйста, компанию, которую Вы представляете и род деятельности
Заказать статью

Укажите, пожалуйста, компанию, которую Вы представляете и род деятельности
Консультация со специалистом
Укажите, пожалуйста, компанию, которую Вы представляете и род деятельности