Считают, что основной вклад в процесс клеточного старения вносят возрастные изменения в двух регуляторных системах: генной и нейро-гуморальной. Первая действует изнутри и приводит к изменению количества и состава активных генов; вторая же подает клеткам приказ "постареть" снаружи, путем изменения количества гормонов, выделяемых эндокринными железами и клетками других тканей в кровь. Действуя вместе, они добиваются своих неутешительных для организма результатов: с одной стороны, в клетке накапливаются повреждения ДНК, повреждаются белки и жиры, а с другой - гены, отвечающие за выработку специфических веществ, которые нужны клетке для жизни и выполнения своих обязанностей в организме, отказываются работать в полную силу.

Как же это происходит и "кто виноват"?

Ленивые гены.
Одной из общепринятых и наиболее экспериментально подтвержденных теорий старения является теория накопления свободнорадикальных повреждений. Показано, что к старости в клетках практически у всех животных происходит накопление поврежденных молекул белков, жиров и ДНК. В последнем случае это приводит к мутациям и высокому риску образования опухолей. Почему гены, успешно справляющиеся с ремонтом таких повреждений в молодости, становятся в старости неэффективными, доподлинно неизвестно, и множество теорий проходят сейчас проверку на практике.

Ясно однако, что одна из задач, стоящих перед будущими создателями "вакцины вечной молодости",- не допустить накопления продуктов радикального окисления в клетке. Теоретически этого можно достичь двумя путями: не позволяя радикалам кислорода реагировать с клеточными молекулами, либо усилив "ремонтные" механизмы клетки до такого уровня, чтобы они успевали полностью заменять поврежденные белки, жиры или участки ДНК.

Эффективность первого пути уже доказана: понятие "антиоксидант" стало одним из самых модных в современной диетологии и медицине. Действительно, в исследованиях на разных видах животных видно, что вещества, улавливающие и нейтрализующие агрессивные формы кислорода (среди них витамины С, Е, каротины, клетчатка, пигменты фруктов), способствуют значительному повышению показателя средней продолжительности жизни (СПЖ). Об этом же говорит и статистика продолжительности жизни у человека.

Однако, как бы мы ни старались взять радикалы "под жесткий контроль", некоторая часть из них, по законам химии, все равно окажет свое вредоносное действие. К тому же в некоторых ситуациях (о чем уже писал Scientific, см. статью С. Мусина) свободные радикалы совершенно необходимы клетке. Да и повышение СПЖ при приеме антиоксидантов происходит за счет улучшения качества жизни (то есть предотвращения многих инфекционных, сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний). Количественного же скачка, о котором мечтает человечество - увеличения срока максимальной продолжительности жизни (МПЖ) - добиться таким способом не удается.

Поэтому более актуальным для "рецепта долгожительства" является вопрос "Как не допустить накопления повреждений". Для того, чтобы на него ответить, нужно понять:
- какие повреждения способны накапливаться в клетке,
- какие гены (и, соответственно, их продукты - ферменты) отвечают за восстановление (репарацию) каждого вида повреждений,
- как происходит регуляция таких генов и, наконец,
- под воздействием какого фактора(-ов) включаются гены, которые блокируют эффект "генов - реаниматоров" при старении клетки (такие "блокирующие" гены старения могут оказывать свой эффект не прямо, путем взаимодействия с ремонтными генами или их продуктами, а косвенно, например, химически модифицируя структуру ДНК и затрудняя таким образом доступ к поврежденным местам).

Пока известны лишь некоторые ответы на первые два пункта. Вопрос регуляции генов "антистарения" остается неизученным.

В то же время геронтологи (ученые, занимающиеся проблемами старения) возлагают большие надежды на попытки усилить активность генов тех ферментов, которые в норме предотвращают свободнорадикальное окисление. И к этому есть теоретические и важные практические предпосылки.

Показано, что видовая продолжительность жизни прямо коррелирует с активностью супероксиддисмутазы (см. ниже), содержанием бета-каротина, альфа-токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови. Птицы - падальщики, такие как вороны и грифы, питаются продуктами, которые вызывают в их организме повышенное образование радикалов кислорода. Усиленная система защитных ферментов, которую они приобрели в ходе эволюции, - по крайней мере одна из главных причин их долгожительства по сравнению с "нормально" питающимися видами. Таким образом, эволюция антиокислительной системы позволяет по крайней мере частично ответить на вопрос, почему лошадь живет дольше мыши, но меньше человека.

А генетики, которым удалось усилить продукцию каталазы и супероксиддисмутазы, ферментов, дезактивирующих свободные радикалы, добились тем самым значительного (до трехкратного) продления жизни у мух и червей. Все это выглядит очень обнадеживающе. Кроме того, притягательным является то, что, по крайней мере на первый взгляд, генетическое усиление нормальных "ремонтных" и "защитных" генов не предвещает того множества осложнений и побочных эффектов, с которыми придется столкнуться на других путях борьбы с клеточным старением.

Тихие "часовые" бомбы.

Теломеры и теломераза.
Это, пожалуй, одна из самых многообещающих, но и самых темных областей в изучении механизмов старения.

Scientific уже писал о теломеразе (см. новость ). Теломераза - это фермент, удлиняющий концы хромосом - теломеры - после каждого деления, и тем самым поддерживающий их стабильность. Она неактивна в большинстве клеток человеческого организма, кроме половых, стволовых и некоторых делящихся, например лимфоцитов во время иммунного ответа. При этом после каждого деления в клетках с неактивной теломеразой теломеры укорачиваются, и при достижении некоторой критической длины клетка перестает делиться. Поэтому есть все основания полагать, что теломераза является по крайней мере одним из главных внутриклеточных механизмов, регулирующих продолжительность жизни клеток.

Один из основных аргументов "за" - открытие американских ученых, которым в 1998 году удалось достичь "победы" над старением и смертью на клеточном уровне [1]. При введении дополнительных копий одной из составных частей теломеразы человеческие клетки не останавливали рост и не умирали, успешно преодолевая лимит Хейфлика и становясь вечноживущими или, как говорят биологи, иммортализованными (что и переводится буквально как "обессмерченные").

Более того, данные иммортализованные клетки не проявляли признаков "незалеченных" повреждений ДНК или хромосомных дефектов, которые характерны для вечноживущих раковых клеток. Это очень важное свойство клеток с искусственной теломеразой, так как приступая к экспериментам, ученые серьезно опасались перерождения клеток в опухолевые. Эти опасения связаны с тем, что большинство опухолевых клеток, способных жить "в пробирке", также обладают ненормально высокой активностью теломеразы.

В научно - популярной литературе данное исследование вызвало взрыв энтузиазма, вплоть до ожидания "эликсира бессмертия" к началу следующего десятилетия.

Действительно, эта этапная в биологии работа прояснила ответила на некоторые ключевые вопросы. Стало ясно, что, по крайней мере в некоторых типах клеток, теломераза является самым важным элементом в контроле клеточного старения. Второй, не менее важный вывод - по крайней мере некоторые типы клеток, с помощью теломеразы став бессмертными, способны сами эффективно восстанавливать урон, причиняемый свободными радикалами.

Казалось бы, действительно: виват! Проблема клеточного старения решена, и можно приняться за старение целого организма. Но, как всегда, реальность гораздо сложнее экспериментальной модели.

Давайте предположим, что ученым удалось сделать бессмертными (то есть постоянно делящимися) все клетки организма человека или животного. Что произойдет? С точки зрения биологии, такой организм тут же превратится в гигантскую опухоль. Правда, доброкачественную, но сути это не меняет: такой организм не сможет существовать, потому что непременным условием его существования является регуляция клеточного деления и созревания (чего иммортализованные клетки напрочь лишены).

Предполагают, что включение и выключение генов, регулирующих старение, может также регулироваться теломеразой и длиной теломеров: из некоторых экспериментов следует, что чем ближе ген к теломеру и чем теломер короче, тем слабее этот ген функционирует. Представим теперь, что роль такого гена в норме - подавлять активность других генов, отвечающих за старение (остановку деления, снижение клеточного энергетического обмена и т.п.). Тогда, будучи "ослабленным" при укорочении теломеры, он не сможет больше блокировать гены старения, которые получат наконец возможность проявиться в полную силу.

Как видно даже из этого упрощенного примера, система генетической регуляции может быть устроена очень непросто. Добавим к этому, что в разных типах клеток она функционирует по-разному: ведь каждый тип клеток производит свои, непохожие на другие вещества. Например, определенные клетки кожи производят коллаген и эластин; другие клетки кожи "специализируются" на выработке пигмента меланина, который защищает кожу от ультрафиолета. Мышечным клеткам для сокращения нужен белок миозин, а лимфоциты продуцируют множество регуляторных веществ, называемых лимфокинами, с помощью которых они отдают приказы другим клеткам. Для нервных же клеток важно проведение электрического импульса, поэтому они должны обеспечить себя множеством необходимых для этого белков (одним из которых является уже упоминавшийся миелин). Отсюда следует, что при старении в разных клетках должны быть "ослаблены" разные гены. Если при этом учесть, что почти каждый ген регулируется по-своему, становится ясным, с каким запутанным клубком проблем имеют дело генетики, занимающиеся этой проблемой.

На то, что теломеразный механизм - не единственный в контроле старения, указывают следующие находки. Во-первых, теломеры мыши гораздо длиннее (а продолжительность жизни гораздо короче), чем у человека. Во-вторых, даже когда клетки некоторых типов стареют, их теломеры не укорачиваются. И третья находка: мыши с "выключенной" теломеразой могли нормально жить и размножаться до шестого поколения, после чего, правда, теряли способность к дальнейшему воспроизводству.

Кроме того, сейчас совершенно непонятно, что является сигналом для включения и выключения генов теломеразы при развитии (и старении) организма. Все, конечно, помнят историю знаменитой клонированной овечки Долли. Вскоре после ее рождения оказалось, что ее теломеры намного короче, чем должны быть у животных ее возраста (напомню, что для клонирования было взято клеточное ядро взрослого (шестилетнего) животного, которым и заменили ядро в яйцеклетке "полусуррогатной матери" Долли; таким образом, ее теломеры изначально были "старыми").

Хотя пока неясно, как преждевременное укорочение теломер отразится на продолжительности жизни и состоянии Долли, ученые попытались провести похожий эксперимент, но с некоторыми изменениями. Они попробовали искусственно "состарить" (то есть сократить в пробирке длину теломер) клетки молодого теленка путем длительного культивирования их "в пробирке". Затем ядра этих клеток (в которых содержатся хромосомы с искусственно "состаренными" теломерами) они поместили вместо ядер нормальных яйцеклеток коров (напомню, что яйцеклетки характеризуется высокой активностью теломеразы и, соответственно, длинными теломерами независимо от возраста животного).

Таким образом удалось клонировать шестерых телят, развившихся из "состаренного" ядра, помещенного в "молодую" цитоплазму (внутриклеточную жидкость) яйцеклетки. К немалому удивлению исследователей, оказалось, что после их рождения длина искусственно укороченных теломер увеличилась, да так, что даже перегнала нормальную для телят их возраста.

Сейчас известно, что при развитии эмбриона из яйцеклетки, генетический материал внутри нее проходит тщательную проверку на нормальность. Похоже, что при нахождении повреждений ДНК или обнаружении несоответствий в работе генов, яйцеклетка способна исправлять по крайней мере некоторые из них. Данный процесс назвали "перепрограммирование" ДНК, и изучение его деталей несомненно поможет в борьбе с раком и старением (см. новость).

Для нашего же расследования важно, что ученые пока не могут предсказывать и влиять на изменения активности теломеразы при развитии организма. Также полностью неизвестны другие возможные функции теломеразы. Несмотря на то, что отсутствие теломеразы может в итоге запрещать клеткам делиться, появляются новые данные о том, что при ее активации этот загадочный фермент принимает активное участие в стимуляции клеточного роста и деления.

В завершение отмечу, что кроме усиления функции теломеразы, того же эффекта удлинения теломер можно достичь альтернативным путем. При этом стабильность хромосом поддерживается путем специфического механизма гомологичной рекомбинации (обмена одинаковыми участками) ДНК. Его роль в регуляции старения и развития организма также требует изучения.

"Биг Бен".
Как показывают некоторые эксперименты с гормонами и как мы видели только что на примере клонированных телят, некоторые ситуации позволяют предположить присутствие гипотетического "главного" центрального регуляторного механизма, "больших часов" организма, которые управляют активностью генов и заставляют все клетки выглядеть и вести себя "соответственно возрасту". На роль такого "Биг Бена" претендуют в первую очередь две железы внутренней секреции (т.е. выделяющие гормоны в кровь), которые входят в состав головного мозга. Они носят название гипофиз и эпифиз. Предполагают, что именно они могут являться "центрами управления", указывающими с помощью гормонов (прямо или через регуляцию других желез, например половых), каким органам в данном возрасте следует работать в полную силу, а каким пора бы и на покой.

"Троянские" гены.
Как уже упоминалось, кажется вероятным, что некоторые гены существуют специально, чтобы подталкивать нас к старости. Кроме теломеразы, недавно стали известны другие гены, умеющие отсчитывать время. У дрозофилы обнаружены так называемые "часовые" гены per (от period) и tim (от time), активность которых циклически регулируется на протяжении суток. У червя C. elegans похожие гены назвали clk-1, 2, 3 (от clock). О их функциях ученые пока лишь высказывают догадки, но уже известно, что мутации, выключающие этих "лазутчиков" способны продлять срок жизни животных.

Еще одна обширная группа генов, участвующих в регуляции старения, связана с исполнением программы апоптоза. У млекопитающих существует обширная система таких генов, со строгой иерархией внутри групп. Одними из ключевых в этой системе являются гены р53 и Rb. Это так называемые проапоптотические (т.е. способствующие апоптозу) гены - главные "надсмотрщики" за целостностью ДНК. Когда при старении клетки в ее ДНК накапливаются слишком много мутаций или разрывов, р53 подает команду либо на торможение ее активности (в том числе запрещая ей делиться), либо заставляет клетку совершить самоубийство путем запуска в ней программы апоптоза.

р53 оказывается выключенным или мутированным в огромном числе раковых опухолей, которые получают таким образом пропуск в бессмертие. Маловероятно, однако, что эксперименты с генами данной группы будут проводиться на людях - слишком уж опасное это занятие. На мышах, однако, показано, что выключение гена p66-shc, также обладающего проапоптотическим эффектом, позволяло продлить их жизненный срок в среднем на треть.

INDY и другие "гены похудения".
Давно известно, что урезание пищевого рациона (в калориях, но не в разнообразии продуктов!) способствует замедлению старения. Этот эффект обнаружен как у животных (мухи, черви, крысы, обезьяны), так и у человека (у всех на памяти, наверное, имя Поль Брегг и его "Чудо голодания"). Более того, большое количество, если не большинство описанных до сих пор манипуляций с генами червей и плодовых мушек так или иначе было связано с понижением потребления калорий в клетке.

К их числу относится ген INDY (I'm Not Dead Yet, [2]), впервые описанный в 2000 году. Мушки-дрозофилы с мутацией в данном гене жили вдвое дольше.

Эффект голодания связывают все с теми же свободными радикалами. Принцип прост: чем меньше веществ поступает в клетку, тем меньше вредоносных продуктов окисления в ней образуется. А значит - старение отступает!

В заключение этого раздела отмечу один характерный факт: практически все открытия в области генетики старения были сделаны случайным образом. Так случилось, например, с тем же геном INDY. Обнаружившие его ученые поначалу были этим открытием просто раздосадованы, так как на самом деле эффект продления жизни спутывал им все карты. Все дело в том, что мушки с мутацией в гене INDY должны были служить контролем в изучении совсем другого процесса, а контрольные животные в идеале не должны отличаться от нормальных сородичей ни по каким параметрам. Таким образом, системная генетика антистарения еще только начинается.

[1] Bodnar A.G., Ouellette M., Frolkis M., Holt S.E., Chiu C.P., Morin G.B., Harley C.B., Shay J.W., Lichsteiner S. and Wright W.E. . Extension of life span by introduction of telomerase into normal human cells. Science, Vol. 279, P. 349-352, (1998).

[2] Rogina B, Reenan RA, Nilsen SP, Helfand SL. Extended life-span conferred by cotransporter gene mutations in Drosophila. Science, Vol. 290, P. 2137-2140, (2000).

Сергей Григорович

Обсудить на форуме