Старение и антистарение - грузы на весах жизни

Процессы старения и антистарения, наблюдаемые на колониальном и тканевом уровнях, являются общими для всех живых организмов. Подробная классификация и систематизация этих процессов, а также связей между ними, позволила авторам статьи предложить обобщающую интерпретацию старения – концепцию весов. Данная концепция отражает противодействие различных механизмов старения и антистарения, стресса и его последствий, определяющих в конечном итоге максимальную продолжительность жизни, отмечаемую «шкалой весов».

Старение организма является многопричинным разрушительным процессом, связанным с изменениями на молекулярном, клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. К сегодняшнему дню геронтология накопила значительный объем эмпирических данных, однако, современные теории старения в основном делают акцент на каком-то одном уровне старения, опуская общие закономерности и теряя целостную картину.

Первой теорией старения стала эволюционная гипотеза адаптивной пользы смерти и ее запрограммированности: выбраковка старых изношенных особей с целью освобождения жизненного пространства и ресурсов в пользу молодых. Изначально, по-видимому, ее выдвинул А. Уоллес, параллельно с Ч.Дарвином разрабатывавший теорию естественного отбора. В конце XIX века А. Вейсман предположил, что смерть – это качество, приобретенное в результате группового отбора и служащее залогом биологического бессмертия всего вида, а возможным механизмом старения является ограничение числа делений соматических клеток. Как и во многом другом, немецкий зоолог опередил свое время, так как уже много позднее, в 1932 году, были открыты теломеры (см. далее) – концевые участки хромосом, ограничивающие число делений соматический клетки. Старение может стабилизировать численность популяции при перенаселении, а укорочение жизненного цикла приводит к быстрой адаптации и стимуляции биологической эволюции видов. Существует современная гипотеза, согласно которой жизнь млекопитающих – в отличие от динозавров – лимитирована практически полной невозобновляемостью нейронов головного мозга (из-за превращения клеток радиальной глии в астроциты, см. Е. Б. Наймарк "Старение организма начинается с мозга"). Именно этот механизм, гарантированно сокращающий жизнь, резко ускорил темп эволюции млекопитающих и позволил им в свое время выиграть эволюционную гонку у динозавров.

С другой стороны высказывались предположения, согласно которым, старение может вообще не попадать под регуляцию отбором. С возрастом репродуктивный потенциал особей падает, и вредные мутации, проявляющиеся в старости, не успевают пройти отбор, они оказываются как бы спрятанными «в эволюционной тени». В таком случае можно предположить, что на продолжительность жизни влияет не какая-либо эволюционная, генетически закрепленная программа старения, но лишь накопленные геномом в течение многих поколений разрушительные мутации. И любая особь, которой хватает сноровки длительно избегать смерти в когтях хищника, от голода или от иных катастроф, с возрастом начинает испытывать на себе действие этих мутаций, что проявляется как старение. Идею о том, что старшие возрастные группы мало доступны для естественного отбора высказывал в начале XX века И.И. Мечников. В 1930г. Р. Фишер писал о снижении отбора с возрастом и уменьшением плодовитости. В 1952г. П. Медавар предложил теорию накопления мутаций, обуславливающих старение на поздних стадиях онтогенеза.

Существует еще и третья сторона, включающая компромиссные теории – неадаптивные, но эволюционные, руководствующиеся скорее вопросом «почему возникло старение», а не тем, «зачем оно нужно». В 1957 году Г. Вильямс предположил существование антагонистических плейотропных генов, т.е. таких случаев, когда один ген участвует в формировании не просто разных признаков, а признаков, дающих противоположные эффекты: полезный признак проявляется в молодом возрасте, когда действие естественного отбора сильнее, а вредный – позднее, когда влияние естественного отбора ослабевает.

Позже, в 1977г. появилась концепция Т. Кирквуда, названная теорией одноразовой сомы, в которой речь шла о распределении ограниченных ресурсов организма между поддержкой и ремонтом сомы (тела) и другими функциями, например размножением. Согласно этой гипотезе, индивидуум тратит ресурс либо на защиту и сохранение своего тела, либо на производство потомства, а старение есть расплата за бурную молодость – «плати позже». Однако не всегда отмечается обратная связь между репродуктивной активностью и продолжительностью жизни.

Репродуктивная активность является зачастую не характеристикой конкретной особи, а присущей всему виду R- или K-стратегией размножения, тогда она влияет на среднюю продолжительность жизни всех особей вида.

Виды, защищенные от риска (мощным панцирем, глубоководным образом жизни, ряд массивных древесных форм), имеют и длительную репродуктивную жизнь, и порой пренебрежимое старение.

Авторы обсуждаемой статьи, сотрудники кафедры микологии и альгологии биологического факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, И. С. Мажейка, О. А. Кудрявцева и О. В. Камзолкина, считают, что «научные теории, такие, как эволюционная, в современной биологии сместились с главенствующих позиций на второстепенные... В современной и, возможно, в будущей геронтологии эволюционный аспект не является выражено основным». Поэтому в данной обзорной статье рассматривается вопрос не «для чего» или «почему» возникло старение, а «как» оно реализуется. В то же время другие современные исследования эволюционный аспект учитывают (см.: Москалев А.А. «Новое в эволюционных представлениях о природе старения» и «Мои представления об эволюции старения»).

Объектом для внимания в данном обзоре являются в основном грибы – колониальные дрожжи Saccharomyces cerevisiae и пиреномицет Podospora anserine с многоклеточным нитчатым мицелием, входящие в список наиболее популярных моделей для исследования старения.

Можно провести аналогию между свойствами колоний одноклеточных организмов или организмов с мицелиальной организацией тела и тканями многоклеточных организмов. Начальная экспоненциальная фаза развития колониальных S. Cerevisiae, характеризующаяся максимальной скоростью клеточного деления, – что соответствует митотическим тканям (где клетки способны к делению) многоклеточных организмов; стационарная фаза, со сбалансированным размножением и отмиранием клеток дрожжей, – соответствует постмитотическим тканям (состоящим из клеток, необратимо потерявших способность к делению) многоклеточных.

Для построения концептуальной модели старения авторы статьи уточняют некоторые понятия классической терминологии и вводят новые. Так, они отказываются от альтернативного выбора между незапрограммированным и запрограммированным старением. Напротив, считают они, старение сочетает в себе случайностные процессы с запрограммированными, и между ними существуют градации, выражающиеся в степени генетической запрограммированности.

Кроме того вводится понятие сопряженного и несопряженного старения. В случае сопряженного старения клетки колонии/ткани стареют относительно синхронно, что приводит к общему старению структуры. При несопряженном старении быстрее стареют и гибнут отдельные клетки, нередко оздоравливая и продлевая жизнь оставшихся клеток и соответственно всей колонии/ткани. Такое старение становится антистарением для структуры в целом.

Предлагается выделить три базисных механизма старения/антистарения, общих для практически всех живых организмов и служащих основой для механизмов старения/антистарения следующего межтканевого уровня.

1. Хронологическое старение выражается в том, что с течением времени в клетках накапливаются нарушенные биомолекулы и уменьшается количество жизненно необходимых молекул, например, макроэргов, (молекул, содержащих богатые энергией, или макроэргические, связи, в т.ч. АТФ). Такое старение свойственно дрожжам в стационарной фазе и постмитотическим тканям. Накапливающиеся повреждения и дефицит авторы называют факторами данного механизма. Сам же механизм является сопряженным и слабо запрограммированным. Многие внутриклеточные нарушения связаны с окислением активными формами кислорода (АФК), продуцируемыми в митохондриях, поэтому дисфункция митохондрий считается центральным фактором старения.

2. В основе репликативного старения лежит ассиметричное деление клеток, так называемый ассиметричный цитокинез. Смысл его в противодействии механизму хронологическому: одна из делящихся клеток, материнская, забирает в себя дефектные структуры (факторы, хронологически накопившиеся), старится сама, омолаживая при этом вторую клетку (см. видео: Ярко-зеленые агрегаты поврежденных белков транспортируются из дочерней дрожжевой клетки в более крупную материнскую). Достигается это разницей клеточных размеров или односторонним транспортом факторов старения при делении – фильтрацией. За неравномерное распределение факторов между клетками в значительной мере отвечает материнская центросома, или клеточный центр,, которая стягивает к себе поврежденные окислением карбонилированные белки. У дрожжей в ассиметричном распределении играют роль также сиртуин Sir2 и шаперон Hsp 104, т.к. делеции по генам этих белков приводят к сбою в фильтрации. Материнская клетка не только удерживает поврежденные элементы, но и отдает дочерней значительную часть своей защиты: антиоксидантные ферменты (каталаза Ctt1), которые транспортируются приоритетно в «чистую» дочернюю клетку.

Репликативное старение, как правило, носит несопряженный характер: одни клетки, старея, омолаживают других. Так, дрожжевые материнские клетки, давшие жизнь свыше 10 дочерним клеткам, несут примерно в 4 раза больше дефектных белков, чем последние. Поэтому здесь можно говорить о слабо запрограммированном и выгодном для популяции суициде материнских клеток. Реже репликативное старение бывает псевдосопряженным: например, у P. Anserine материнской является верхняя клетка гифы и, старея, она останавливает рост всей колонии.

3. Клеточный суицид разграничивают на автофагию и апоптоз. Автофагия – саморастворение живых клеток под действием их собственных гидролитических ферментов – чаще выполняет функцию чистки клетки, чем приводит ее к гибели. Апоптоз, процесс запрограммированной самоликвидации на клеточном уровне, обычно запускается выходом из митохондрий белка цитохрома с, служащего сигналом для начала каскада химических реакций с участием каспаз и других ферментов, расщепляющих белки, хроматин, прочие структуры, и приводящих быстрой гибели клетки. Если апоптоз и автофагия действуют несопряженно, то они омолаживают колонию или ткань, уничтожая старые, больные, мутантные клетки и освобождая ресурсы для молодых. Апоптоз также может быть запущен внеклеточными сигналами, например, гормонами. В этом случае клетки гибнут не в одиночку, а сопряженно – группами и органами вплоть до целых организмов. Впрочем, массовая гибель клеток случается не только при нарушениях, но и при нормальном развитии. Например, человеческая ладонь изначально закладывается как лопаточка, а потом находящиеся между пальцами клетки апоптотически умирают, и пальцы разделяются (рис. 1). При нарушении этого эмбриологического процесса развиваются люди с перепонками между пальцами. Другой пример участия апоптоза в развитии организма – отмирание хвоста у головастиков при превращении их в лягушек. Еще один пример: часть клеток псевдоплазмодия миксомицета, состоящего из сползшихся амеб, «совершает» апоптоз и формирует ножку плодового тела ради того, чтобы другие клетки смогли превратиться в споры (см.: А. В. Марков «Амёбы-мутанты не позволяют себя обманывать»).

Как отдельный вид апоптоза в статье рассматривается замыкающий апоптоз. Авторы относят его к дополнительным механизмам старения.

Дополнительные механизмы старения в большинстве случаев видоспецифичны. Они дублируют базисные, повышая вероятность «своевременной» смерти клеток. Замыкающий апоптоз – наиболее универсальный из них, он является «контрольным выстрелом» в старую клетку и почти не зависит от внеклеточных условий.

К видоспецифичным дополнительным механизмам репликативного старения можно отнести обнаруженные в митохондриях дрожжей мобильные плазмидоподобные циклические последовательности ДНК, способные встраиваться в другие участки митохондриальной ДНК и приводящие к делециям. Подобные механизмы обнаружены у разных грибов. Однако плазмиды, вероятно, убыстряют старение, но не являются его ключевой причиной.

Еще одним дополнительным репликативным механизмом старения служит укорочение концевых участков хромосом, теломер, в результате неполной репликации этих участков в каждом из циклов митотического деления клеток. Такая неполная репликация теломерных участков хромосом приводит к их постпенному укорачиванию при каждом новом делении соматической клетки, и после некоторого определяемого длиной теломер числа делений теломеры просто «заканчиваются», и клетка не может больше делиться. По современным представлениям, укорочение теломер служит показателем общего нарушения ДНК и, в случае сильных повреждений, останавливает клеточное деление. У человека соматическая клетка может делиться около 52 раз, после чего теломеры исчезают, и в клетках запускается программа апоптоза.

В клетках зародышевой линии – предшественниках половых клеток и самих гаметах – происходит более жесткий контроль «чистоты» и чаще выбраковываются клетки с нарушенной ДНК. Действительно, если бы старость передавалась по наследству, «виды и популяции быстро бы деградировали». Существует специальный фермент – теломераза, – который достраивает укороченные теломерные участки в клетках зародышевой линии. Теломераза есть и в соматических клетках, однако там она заблокирована. (К слову, раковые клетки обладают незаблокированной теломеразой, из-за чего они и способны делиться бесконечное число раз.) Механизмы «обнуления» биологических часов во время мейоза и образования зиготы, вероятно, те же, что и у других тканей, и дополнительно к тому при мейозе происходит починка повреждений ДНК, основанная на гомологичной рекомбинации (см. также: А. В. Марков «На пути к разгадке тайны мейоза»). Авторы подробно останавливаются на передаче митохондрий при половом процессе.

Многие соматические ткани организмов обновляются на протяжении всей жизни. Наружный слой кожи, перья и шерсть животных периодически сменяются, а у листопадных деревьев ежегодно опадают и отрастают новые листья. Такие процессы носят название физиологической регенерации. В основе ее также лежат описанные базисные механизмы старения/антистарения: репликативный механизм, поддерживающий «чистоту» стволовых клеток, позволяет им постоянно поставлять замену отжившим клеткам дифференцированных тканей.

Межтканевые взаимодействия у животных регулируются нейрогуморально, но в самой нервной ткани млекопитающих заложен слабо запрограммированный суицид, основанный на почти полной невозобновляемости нейронов. Если сложные животные, так называемые унитарные организмы (не имеющие сменных запчастей), состоят из «многоразовых» тканей, то у растений, организмов модульных, смена органа-модуля (от листа до целой вегетативной особи) – закономерный этап нормального онтогенеза. Старый модуль отмирая, перераспределяет ресурсы, питательные вещества новому молодому, поэтому смерть модулей не ведет особь к гибели, а омолаживает ее (о гипотезе связи старения и онкогенеза с модульными колониальными организмами см.: А. В. Макрушин «Как и почему возникли механизмы старения и онкогенеза: гипотеза»).

В статье детально описаны факторы хронологического старения и стратегии защиты от этих факторов. Факторы хронологического старения разделяют на факторы, как таковые, и профакторы. К основным факторам они относят: дисфункциональные митохондрии, нарушенные белки и окисленные липиды, мобильные нуклеотидные последовательности и дефицит макроэргов. Факторы обладают следующими свойствами: они могут транспортироваться внутри клетки и они могут экспоненциально накапливаться, что «снежным комом» усиливает их повреждающую активность.

К профакторам следует отнести АФК и неточность синтеза и репарации (починки) белков и нуклеиновых кислот.

Стратегии защиты от накопления факторов хронологического старения разделяются на компенсаторную и превентивную.

Компенсаторная стратегия – это замена поврежденных путей метаболизма на альтернативные.

Превентивная стратегия в свою очередь делится на предотвращение накопления факторов и борьбу с ними.

Так, предотвращение реализуется за счет сокращения генерации АФК или их нейтрализации. Этого можно достичь, во-первых, снижением уровня дыхания и общей интенсивности метаболизма, вплоть до анабиоза. Во-вторых, переходом на альтернативное дыхание, при котором также снижается метаболизм, скорость роста и подавляется половое размножение, зато общая продолжительность жизни возрастает. Еще одним способом сокращения генерации АФК является синтез в стареющих клетках митохондриальных белков-разобщителей окислительного фосфорилирования, которые нарушают сопряжение между дыханием и синтезом АТФ, что приводит к падению скорости (или полному прекращению) производства АТФ. И, наконец, генерация АФК иногда уменьшается, как оказалось, при повышении скорости потока электронов через дыхательную цепь, но без снижения интенсивности дыхания.

В борьбе с повреждениями, нанесенными АФК, участвуют антиоксиданты, шапероны (главная функция которых состоит в восстановлении правильной третичной структуры повреждённых белков), убиквитин-протеосомная система (позволяющая обнаружить, пометить и затем уничтожить дефектный белок), ДНК-репаративные системы (исправляющие и разрывы в молекулах ДНК).

Особое внимание уделяется роли стресса, как модулятора продолжительности жизни. Мягкий продолжительный стресс вызывает явление гормезиса – полезного эффекта малых доз вредных внешних факторов. Мягкий стресс любой природы мобилизует защитные системы, подобно вакцинации или закаливанию. Такое явление объясняется формированием долгосрочной адаптации к стрессовому воздействию, обусловленной изменением экспрессии генов в клетках той функциональной системы, которая подвергается стрессу. Это изменение вызывается действием универсального неспецифического гормонального ответа на любое стрессовое воздействие. (Подробно идея стресса как неспецефического воздействия на организм, вызывающего неспецифический ответ, в т.ч. гормональный, описана в книге Г. Селье «Стресс без дистресса». Явление долгосрочной адаптации, являясь современным развитием идей Селье, основано на описанном им общем адаптационном синдроме.)

Воздействие стресса выводит организм из равновесного режима в неравновесный, отличающийся резким изменением продолжительности жизни. В неравновесном режиме может наблюдаться как ускоренное старение (при сильном стрессе или сопряженном запрограммированном суициде), так и переход в режим выживания (при умеренном стрессе), который характеризуется активацией стрессзащитных систем, экономичностью (снижением метаболизма и зачастую отказом от полового размножения) и увеличением продолжительности жизни.

В режим выживания переводит организм ретроградный ответ (пример компенсаторной стратегии). Ретроградной (обратной) называется передача сигнала от клеточных органелл (митохондрий, хлоропластов) к ядру, несущая информацию о состоянии и функционировании этих органелл в данных конкретных условиях и обеспечивающая таким образом обратную связь между ними и ядром. Ретроградный ответ является важным регуляторным механизмом у растений, животных и грибов; наиболее хорошо он изучен у дрожжей S. Cerevisiae. В частности ретроградным способом регулируется экспрессия генов альтернативной оксидазы, которая включает альтернативное дыхание при повреждении возрастом или стрессом дыхательной цепи. Альтернативное дыхание сокращает дыхательную цепь, снижает производство АТФ, но также снижает и генерацию АФК. В статье приведен ряд предполагаемых механизмов функционирования альтернативного дыхания.

Примером превентивной стратегии, переключающей организм в режим выживания, является диетическая регуляция. У различных живых существ такая регуляция запускается уменьшением потребления разных питательных веществ: аминокислот (у дрозофил), или глюкозы (у дрожжей), или калорий в принципе (у крыс). В любом случае организм переходит в экономичный режим выживания и, как правило, перестает размножаться, не снижая при этом ни уровня дыхания, ни метаболизма, и увеличивает продолжительность жизни. В статье обсуждаются возможные механизмы этого явления, такие как: снижение синтеза АФК в митохондриях; подавление инсулин-подобного IGF-1- регуляторного пути (IGF-1 – полипептид, стимулирующий рост и развитие клеток и тканей) и TOR-регуляторного пути (TOR – белок, регулирующий рост, деление клеток, синтеза белка, см. также: А. В. Марков «Рапамицин замедляет старение у мышей»); гормезис.

Описанные механизмы, совмещающие функции старения и антистарения, связаны между собой и дублируют друг друга. Авторы предлагают рассматривать их в ракурсе концепции весов (рис. 2). Система весов оптимизирована для колониального и тканевого уровней организации, она работает в равновесном и неравновесном режимах. Грузам на чашах весов по большей части соответствуют базисные механизмы, стрессы и защитные клеточные системы. Сопряженные механизмы и сильный стресс опускают левую чашу весов, сокращая жизнь. Репликативный механизм, несопряженный суицид и слабый стресс, включающий гормезис (приводящий к возникновению долгосрочных генетически обусловленных адаптаций) и различные стратегии защиты от хронологического старения, отклоняют стрелку весов вправо и увеличивают продолжительность жизни.

Авторы статьи считают, что предложенная ими концепция имеет фундаментальный характер, т.к. основана на общих для всех клеточных организмов механизмах старения/антистарения и открыта для добавления новых элементов и связей между ними.