Почему мы стареем?

Почему мы стареем? Можно ли будет когда-нибудь радикально увеличить продолжительность жизни человека или вообще достичь бессмертия? Вероятно, эти вопросы занимали умы людей с тех пор как они научились мыслить. Первая книга по старению, «Ainul Hayat», была написана Мухамедом Ибн Юсуфом Аль-Харави (Mohammad Ibn Yusuf Al-Harawi) в 1582 г. В ней обсуждались вполне современные вопросы – как диета, образ жизни и окружающая среда влияют на старение. С 1925 года в базе данных PubMed индексировано около 400 тысяч статей, так или иначе связанных с проблемой старения. 

Существует около 300 теорий старения, но ни одна из них не объясняет всех накопленных в этой области фактов. Сегодня большинство этих теорий имеют чисто историческое значение. Как это ни странно, но даже общепринятого определения самого понятия «старение» не существует. Для простоты в дальнейшем мы будем понимать старение как постепенное снижение плодовитости и повышение склонности к заболеваниям и функциональным нарушениям органов и тканей с возрастом, что статистически проявляется как постепенное повышение вероятности смерти. Наиболее принципиальным, по большому счету, разногласием между авторами разных теорий, можно считать вопрос о том, является ли старение следствием накопления случайных повреждений (какова бы ни была их природа) или реализацией специальной закодированной в геноме программы старения. 

Непосредственные причины старения были предметом жарких дебатов очень долгое время (Holliday, 2006). Благодаря интенсивным исследованиям двух последних десятилетий, стало вполне ясным, что старение клеток и организма в целом имеет множество причин. Наиболее важные из них: повреждения ядерного и митохондриального геномов, накопление продуктов гликации и сшивок между молекулами медленно обновляющихся белков, таких как коллаген и эластин, оксидативное повреждение различных макромолекул, нарушения иммунитета и воспалительные повреждения тканей, гормональный дисбаланс и связанное с ним нарушение гомеостаза, мышечная слабость (саркопения), остеопороз и остеоартрит, резко повышенная вероятность возникновения опухолей, сердечнососудистые, нейродегенеративные и метаболические болезни. Существенной частью старения и, вероятно, одним из его механизмов являются эпигенетические изменения (Ashapkin et al., 2017; 2018). Следует подчеркнуть, что различные причины старения не являются независимыми. Например, эпигенетические системы регулируют экспрессию генов и поэтому, прямо или опосредовано, влияют на все остальные процессы, играющие роль в старении. Активные компоненты эпигенетических систем закодированы в геноме и, следовательно, также подвержены возрастной деградации, как и все остальные. К тому же они находятся под эпигенетическим контролем, то есть регулируют сами себя. Способность эпигенетических систем влиять на все остальные причины старения ставит их в ключевое положение по отношению к старению как таковому. Одним из последствий накопления эпигенетических аномалий в клетках являются прогрессивно нарастающие вариации в уровнях экспрессии генов между одинаковыми клетками одной и той же ткани. Напрашивается предположение, что накопление устойчивых повреждений макромолекул, в том числе случайных ошибок в метилировании ДНК и белков хроматина, приводит к постепенно нарастающему транскрипционному «шуму» и фенотипическим вариациям между исходно однородными клетками. По достижении критического уровня они становятся разрушительными для функции тканей, что естественным образом объясняет такую характерную черту старения как прогрессивное нарушение различных физиологических функций, вариабельное по своим конкретным проявлениям и временным параметрам. В конечном итоге это приводит к нарушениям работы жизненно важных органов (сердце, почки, мозг и т.д.), что и является непосредственной причиной смерти. Многие органы млекопитающих построены таким образом, что большинство их клеток не могут быть эффективно исправлены или заменены. Таким органом является, например, мозг, нейроны которого утрачиваются безвозвратно, накапливая аномально модифицированные белки в виде бляшек и фибриллярных клубков. Молекулы кристаллина в хрусталике глаза не обновляются и постепенно образуют нерастворимые агрегаты, нарушающие прозрачность хрусталика. Недостаточно эффективно обновляются компоненты суставов, совсем не обновляются зубы и т.д. Такие органы генетически запрограммированы как не обновляемые и постепенно изнашивающиеся. Следовательно, принципиальная разница между понятиями генетически запрограммированного и стохастического старения отсутствует. Важнейшим эволюционным свойством животных является конечный срок жизни пост-митотических клеток, поскольку существует множество событий, приводящих к их гибели (случайные мутации, повреждения хромосом, повреждения митохондрий и т.п.). Самым обильным белком организма является коллаген. Его молекулы обмениваются очень медленно и в ходе своего многолетнего периода жизни подвергаются процессам гликации. В результате образуются поперечные сшивки, ухудшающие механические свойства тканей. Весьма ограничены возможности обновления органов сердечнососудистой системы. В дизайне многих жизненно важных органов заложена конечная продолжительность их нормального функционирования. С возрастом явно ухудшаются многие процессы, зависящие от пролиферации клеток: заживление ран, иммунные ответы, обновление мышечных волокон. 

Продолжительность жизни определяется эффективностью механизмов, поддерживающих нормальное состояние клеток, органов и организма в целом. Важнейшие из них:

  • Множественные пути репарации ДНК; ежедневно в каждой клетке возникает ~10000 апуриновых сайтов и все они репарируются; надежность систем репарации ДНК увеличивается тем, что их функции отчасти дублируются;

  • Защита от активных форм кислорода (АФК) в виде антиоксидантов и ферментов;

  • Удаление дефектных белков протеазами;

  • Репарация белков (ренатурация белками-шаперонами, энзиматическое восстановление оксидативных повреждений);

  • Точность синтеза макромолекул (механизмы коррекции ошибок);

  • Иммунные ответы против патогенов и паразитов;

  • Детоксикация пищевых химикатов ферментами системы цитохромов;

  • Заживление ран, свертывание крови, срастание сломанных костей и порванных связок;

  • Физиологический гомеостаз, включая температурный контроль;

  • Эпигенетическая стабильность дифференцированных клеток, защита от неопластических трансформаций;

  • Удаление поврежденных и других ненужных клеток апоптозом;

Каждый из этих механизмов запрограммирован в огромном количестве генов (иммунные ответы – около 1000, репарация ДНК – 150, и т.д.). В целом они работают над поддержанием порядка в организме. Со временем работа этих механизмов неизбежно деградирует. В каждом конкретном случае это приводит к своим специфическим проявлениям нарушения порядка, а в сумме – к многочисленным причинам и проявлениям процесса старения как такового.

Возможно ли существование организмов без старения и ограничения продолжительности жизни? Очевидно, оно может быть достигнуто только системами поддержания, обеспечивающими постоянное и полное восстановление всех пришедших в негодность органов и тканей. Примеры такого типа встречаются среди примитивных видов, способных к регенерации всех органов (гидра, кишечнополостные, плоские черви), но совершенно немыслимы среди сложно организованных видов, у которых многие органы состоят из пост-митотических клеток и не подлежат регенерации.

Очевидно, на каждую из причин старения можно воздействовать таким образом, что ее вклад в общее старение уменьшится. Тем самым старение как сумму всех процессов можно несколько замедлить. Но столь же очевидна бесперспективность попыток остановить и, тем более, обратить вспять сразу все процессы, ответственные за старение.

Питание и образ жизни в значительной степени определяют ход старения. Несмотря на успехи исследований старения на животных, в которых были обнаружены многие экспериментальные способы весьма существенно увеличить продолжительность жизни, попытки использования их результатов в клинической практике для продления жизни человека оказались в основном неэффективными. Возможно, поэтому гериатрическая медицина и геронтология сфокусированы сегодня не столько на попытках замедлить старение как таковое, сколько на профилактике и лечении хронических заболеваний, сопутствующих преклонному возрасту (онкологические, сердечнососудистые, нейродегенеративные, метаболические). С этим же связано смещение в последние годы акцентов с поиска методов, увеличивающих продолжительности жизни (lifespan), на методы, продляющие период жизни в добром здравии (healthspan), когда сохраняются физическое и умственное благополучие, активность, продуктивность и независимость в повседневной жизни. Можно предположить, что в основе многих заболеваний и синдромов старческого возраста лежат общие фундаментальные механизмы старения. Поиски терапевтических воздействий на эти механизмы нужны, в первую очередь, чтобы продлить период относительно благополучного и независимого существования, и лишь во вторую очередь, чтобы увеличить продолжительность жизни как таковую.

Одной из главных характеристик старения является хроническое умеренное по масштабам воспаление. Был даже придуман термин, объединяющий эти два процесса «inflammaging», чтобы подчеркнуть наличие воспалительного компонента у многих заболеваний старческого возраста, таких как рак, чувствительность к инфекциям, деменция и др. (Franceschi and Campisi, 2014). В формировании этого состояния участвует не только иммунная система, но и многие другие органы – жировая ткань, скелетная мускулатура, печень, желудочно-кишечный тракт. И хотя механизмы этого процесса не вполне понятны, роль главного стимула для его инициации, скорее всего, играет накопление продуктов распада клеток и тканей в ответ на их повреждения, например, АФК. Следовательно, предотвращение таких повреждений является одним из наиболее реальных способов замедлить старение. Разумеется, оно должно быть достаточно эффективным, чтобы как можно дольше не допускать достижения критического предела, после которого эти повреждения трансформируются в заболевания старческого возраста. Показано, например, что у человека экстремальное долгожительство коррелирует с профилем жирных кислот, устойчивым к перекисному окислению (Jove et al., 2017).

На модельных организмах (дрожжи, нематоды, мухи и мыши) показано, что старение контролируется генетически. Известно более 2000 генов («геронтогены»), от активности которых зависит продолжительность жизни. Многие из этих генов кодируют белки общих сигнальных путей, таких как инсулин/инсулин-подобный фактор роста (Insulin/Insulin-like growth factor 1 Signalling pathway – IIS), мишень рапамицина (mechanical Target Of Rapamycin pathway- mTOR) и АМФ-активируемая протеин-киназа (AMP Kinase pathway - AMPK).

Старение постимитотических клеток (нейроны, миофибриллы) можно обозначить как хронологическое, а старение делящихся клеток (особенно стволовых) – как хронологическое плюс репликативное, подразумевая под последним накопление дефектов, специфически связанных с делением клеток (укорочение теломер, накопление ошибок репликации ДНК). Поскольку мутации накапливаются с возрастом, возрастает вероятность таких событий с клеткой как апоптоз, злокачественная трансформация, необратимый митотический арест (сенесценция). Старение неизбежно, но продолжительность жизни можно изменить с помощью экспериментальных внешних воздействий или генетических манипуляций. К последним относятся, например, мутации в генах уже упомянутых сигнальных путей IIS, mTOR и AMPK. Из внешних воздействий, увеличивающих продолжительность жизни, наиболее изучено ограничение калорийности питания. Следует учитывать, что увеличение средней продолжительности жизни еще не означает замедление старения, поскольку смертность связана с множеством факторов, не имеющих непосредственного отношения к старению. Тем не менее, поскольку многие из перечисленных способов продления жизни также явно улучшают здоровье, можно предположить, что они замедляют старение как таковое. Более трудным является вопрос: можно ли полностью остановить старение или даже запустить его вспять? Примером полного «обнуления» биологических часов старения является оплодотворение: у человека при слиянии яйцеклетки и сперматозоида, имеющих возраст от двух десятилетий и выше, образуется зигота нулевого возраста. Поскольку нет оснований считать половые клетки особо защищенными от хронологического старения, без такого «перезапуска» биологических часов виды старели бы с каждым поколением, неся в своих клетках груз старости всех предшествующих поколений. Аналогичный «перезапуск» наблюдается и при переносе ядра соматической клетки в ооцит, из которого удалили собственное ядро. В результате образуется полноценный новый организм. Таким образом, цитоплазма ооцита обладает способностью «стирать» все следы старения, накопившиеся в ядре дифференцированной соматической клетки. Еще один пример экспериментального «обнуления» биологических часов старения – получение индуцированных плюрипотентных стволовых клеток. Показано, что даже полученные из соматических клеток доноров >100-летнего возраста индуцированные плюрипотентные клетки имеют такие же теломеры, профиль экспрессии генов, уровень маркеров оксидативного стресса и митохондриального метаболизма, как эмбриональные стволовые клетки, полученные из внутренней клеточной массы ранних эмбрионов. Практически не различаются они и по эпигенетическому профилю, то есть имеют биологический возраст, близкий к нулевому. Эти эксперименты доказывают, что возрастные изменения ядра соматической клетки, какой бы они ни были природы, в принципе обратимы. Это, однако, не исключает накопления и каких-то необратимых изменений в ходе хронологического старения, если они не являются специфической причиной старения как биологического явления. Очевидно, постепенно накапливающиеся мутации увеличивают генетическое разнообразие человека как биологического вида, но не имеют прямого отношения к старению. В приведенных примерах «обнуление» биологических часов сопряжено с де-дифференцировкой. Остается вопрос, возможно ли разделить эти два процесса. То есть омолодить клетку, не нарушая ее дифференцированного состояния. В экспериментах по гетерохронному парабиозу (объединение кровеносных систем мышей разного возраста) показано, что клетки мышц и печени более старой мыши приобретают не только более молодой фенотип, но и молекулярный профиль, характерный для более молодых клеток (Conboy et al., 2005), а клетки более молодой мыши – наоборот (Villeda et al., 2011). Системная среда в значительной степени определяет биологический (отличный от хронологического) возраст клеток. Гетерохронный парабиоз восстанавливает число вновь образующихся нейронов и их прогениторных клеток в гиппокампе (отдел головного мозга) старых мышей (Katsimpardi et al., 2014). Нейрональные стволовые клетки находятся в особой нише, где непосредственно контактируют с кровеносными сосудами и цереброспинальной жидкостью. Это обеспечивает поступление сигнальных молекул, секретируемых эндотелиальными клетками, и системных факторов, регулирующих пролиферацию и дифференцировку нейрональных стволовых клеток. При старении происходит деградация сосудов, ухудшение кровотока и, как следствие, падение нейрогенного потенциала стволовых клеток. Системные факторы молодой мыши восстанавливают его.

Анализ профилей активности генов в клетках кожи мышей разного возраста показал, что у старых особей более активно экспрессируются гены, регулируемые фактором транскрипции NF-kB (Adler et al., 2007). Временное выключение гена NF-kB в участках кожи у старых мышей с помощью специальных трансгенных конструкций приводило к тому, что по профилю экспрессии генов они становились более сходными с кожей молодых мышей, чем с контрольными участками своей собственной кожи. Это коррелировало с явными признаками омоложения: исчезали маркеры старения (SA-β-gal, p16INK4A), восстанавливалась пролиферативная активность прогениторных клеток, увеличивалась толщина, улучшалась структура и состояние кожи в целом. При этом кожа сохраняла естественную слоистую структуру, в которой клетки каждого типа занимали свою правильную нишу, то есть, омоложение происходило без нарушения идентичности клеток. По-видимому, многие характеристики старения являются следствием не пассивного накопления случайных повреждений, а особой программы активности генов, зависящей от регуляторного фактора NF-κB. Данная программа действует автономно в каждой клетке, поскольку омоложение отдельных участков кожи наблюдалось у животных, которые во всех остальных отношениях оставались старыми.

Фермент mTOR является сенсором питательных веществ, регулирующим уровень белкового синтеза и утилизации энергии в соответствии с доступными пищевыми ресурсами. У млекопитающих он интегрирует многочисленные сигналы от питательных веществ, факторов роста и кислорода, регулируя клеточный рост, пролиферацию и выживание. Его ингибитор рапамицин увеличивает продолжительность жизни у мышей (Harrison et al., 2009). В гемопоэтических стволовых клетках старых мышей активность mTOR повышена, а рапамицин усиливает их функциональную активность и уменьшает содержание маркеров старения (p16Ink4a, p19Arf) (Chen et al., 2009). Во всех рассмотренных примерах омоложение старых клеток не может сделать их строго идентичными молодым, поскольку они неминуемо уже накопили какое-то количество мутаций, необратимых в принципе. И хотя роль мутаций в старении является практически общепризнанной, не существует ни одного доказательства, что они являются прямой причиной старения. Сама возможность «обнуления» возрастных часов наводит на мысль, что очень существенной частью механизма старения могут быть обратимые по своей природе эпигенетические изменения (Ashapkin et al., 2017; 2018). Другие причины старения, такие как накопление поврежденных молекул белков и укорочение теломер, также вполне могут быть обратимыми.

Можно предположить, что эпигеном играет роль универсального сенсора любых нарушений функции клеток и тканей, отвечающего на изменения генома и внутренней среды организма, в том числе и связанные со старением. С другой стороны, он определяет изменения в экспрессии генов, лежащие в основе фенотипа старения. Как и другие системы клетки, он подвержен постепенной возрастной деградации под действием повреждений генома, стресс-факторов и других промоторов старения. Но, в отличие от мутаций и других типов повреждения генома, возрастные эпигенетические повреждения могут быть частично или полностью возвращены к «молодому» состоянию. Поэтому познание эпигенома и способов манипуляции с ним является одним из подходов к лечению возрастных патологий и продлению жизни в добром здравии.

Из всех видов повреждений, которые могут накапливаться с возрастом, необратимыми в принципе являются только мутации ДНК. Один из источников их возникновения – ошибки при нормальной репликации ДНК. В норме точность репликации ДНК очень высока: большинство ошибок исправляется механизмами коррекции в ходе самой репликации, остальные – системами репарации ДНК после ее завершения. Частота ошибок резко возрастает при репликации ДНК, содержащей нерепарированные повреждения. Например, 8-гидрокси-гуанин (типичный продукт повреждения ДНК АФК) спаривается с аденином, что приводит к трансверсиям (заменам остатков гуанина на остатки тимина). В быстро делящихся клетках частота таких мутаций может увеличиваться. При ошибках расхождения хромосом в митозах могут возникать анеуплоидии (недостаток или избыток хромосом). Перестройки генома могут возникать при ошибках репарации двунитевых разрывов, независимо от репликации ДНК. В отличие от повреждений ДНК, мутации практически необратимы. Особым видом повреждений являются эпимутации, то есть случайные ошибки в копировании эпигенетических меток. Спонтанно или под действием таких факторов как АФК, радиоактивные частицы, химические агенты и даже некоторые компоненты пищи в каждой клетке ежедневно образуется 10-50 двунитевых разрывов ДНК. Это – трудно репарируемые повреждения, которые часто приводят к гибели клеток, митотическому аресту или геномным перестройкам. Мутации являются своего рода «оборотной стороной медали» систем репарации и репликации ДНК. В большинстве случаев не-нейтральные мутации имеют негативные последствия, вплоть до генетических болезней или злокачественной трансформации клеток. С другой стороны, существование определенного мутационного фона является необходимым условием эволюции живых организмов, без которого жизнь была бы невозможна. К тому же, существование репаративных систем, достаточно эффективных для достижения практически нулевого уровня мутаций, потребовало бы слишком больших энергетических ресурсов. Очевидно, в ходе эволюции эффективность репаративных систем «подгонялась» до такого уровня, при котором ощутимые последствия накопления мутаций проявляются в основном после репродуктивного периода и, поэтому, не влияют на репродуктивную успешность вида. Естественным следствием такой эволюции можно считать возникновение старения как процесса прогрессивного накопления мутаций в соматических клетках. Понятно также, что скорость этого процесса должна быть достаточно вариабельной у разных индивидов в зависимости от особенностей генов, кодирующих системы репарации ДНК. К тому же сами системы репарации, как и все остальные, подвержены старению и деградируют с возрастом. Неудивительно, что частота мутаций в соматических клетках, например, лимфоцитах, у старых индивидов в несколько раз выше, чем у молодых. Интересно, что рестрикция калорий, увеличивающая продолжительность жизни у мышей, одновременно уменьшает степень возрастного нарастания частоты мутаций. Возрастное увеличение мутаций характерно не для всех органов, например, оно наблюдается в печени, селезенке, сердце и тонком кишечнике, но не в семенниках и мозге. Частота мутаций митохондриального генома (мтДНК) существенно выше, чем ядерного. Это может быть естественным следствием непосредственной близости к основному источнику АФК, отсутствия защиты в виде белков хроматина и, наконец, более бедной системы репарации ДНК. Функциональные последствия накопления мутаций в мтДНК, по-видимому, смягчаются тем, что в каждой клетке она присутствует в виде многих копий, а количество закодированных в ней генов невелико. Тем не менее, накопление мутантных молекул мтДНК нередко приводит к функциональным нарушениям, особенно в респираторной цепи митохондрий.

Мутации, изменяющие продолжительность жизни, обычно связаны с плейотропными эффектами. Например, мутации гена ДНК-хеликазы, приводящие к возникновению прогерии (синдром Вернера), очевидно, изменяют метаболизм ДНК, что приводит к самым разным последствиям на уровне организма. Мутации, увеличивающие продолжительность жизни у нематод и мух, могут быть связаны с уменьшением температуры тела и, как следствие, замедлением метаболизма, или уменьшением плодовитости. Эффекты ограничения калорий у грызунов приводят к уменьшению плодовитости, что, по-видимому, является эволюционным приобретением, направленным на выживание в условиях недостатка пищевых ресурсов. Очевидно, такое «переключение» в низко-фертильное состояние может происходить и в результате мутации одного или нескольких генов. Как бы то ни было, мутации немногочисленных генов вряд ли могут обеспечить выживание в условиях естественного отбора. По-видимому, продолжительность жизни определяется большим числом генов. Например, процессы репарации ДНК зависят от активности примерно 150 генов, которая, к тому же, скоординирована с активностью генов, регулирующих клеточный цикл, поскольку деления клеток обычно не происходит в условиях нерепарированных повреждений генома. Еще больше число генов обеспечивает остальные функции поддержания нормального состояния органов и тканей. От активности каждого из них генов в той или иной степени зависит скорость старения и продолжительность жизни.

Интересно, что многие омолаживающие агенты действуют на компартменты стволовых клеток: возможно, генетические и биохимические пути, определяющие функции стволовых клеток и продолжительность жизни, перекрываются (Rando, 2006; Sharpless and DePinho, 2007; Rando and Wyss-Coray, 2014). Вполне вероятно, что многие аспекты старения организма определяются изменениями в способности стволовых клеток к самообновлению. Еще одно важное предположение – все генетические и средовые воздействия, изменяющие продолжительность жизни, действуют через эффекты на эпигеном.

------------
Литература
1. Ashapkin V.V., Kutueva L.I., and Vanyushin B. F. (2017) Aging as an epigenetic phenomenon. Current Genomics 18, 385–407.
2. Ashapkin V.V., Kutueva L.I., and Vanyushin B. F. (2018) Aging Epigenetics: Accumulation of Errors and More. In: Aging. Exploring a Complex Phenomenon. Edited by Shamim I. Ahmad, CRC Press. Taylor & Francis Group, Boca Raton, London, New York, pp. 175–205.
3. Chen C., Liu Y., Liu Y., and Zheng P. (2009) mTOR regulation and therapeutic rejuvenation of aging hematopoietic stem cells. Sci Signal 2, ra75.
4. Conboy I.M., Conboy M.J., Wagers A.J., et al. (2005) Rejuvenation of aged progenitor cells by exposure to a young systemic environment. Nature 433, 760–764.
5. Franceschi C. and Campisi J. (2014) Chronic inflammation (inflammaging) and its potential contribution to age-associated diseases. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 69(S1), S4–S9.
6. Harrison D.E., Strong R., Sharp Z.D., et al. (2009) Rapamycin fed late in life extends lifespan in genetically heterogeneous mice. Nature 460, 392–395.
7. Holliday R. (2006) Aging is no longer an unsolved problem in biology. Ann NY Acad Sci 1067, 1–9.
8. Jove M., Naudi A., Gambini J., et al. (2017) A stress-resistant lipidomic signature confers extreme longevity to humans. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 72, 30–37.
9. Katsimpardi L., Litterman N.K., Schein P.A., et al. (2014) Vascular and neurogenic rejuvenation of the aging mouse brain by young systemic factors. Science 344, 630–634.
10. Rando T.A. (2006) Stem cells, ageing and the quest for immortality. Nature 441, 1080–1086.
11. Rando T.A. and Wyss-Coray T. (2014) Stem cells as vehicles for youthful regeneration of aged tissues. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 69(S1), S39–S42.
12. Sharpless N.E. and DePinho R.A. (2007) How stem cells age and why this makes us grow old. Nature Rev Mol Cell Biol 8, 703–713.
13. Villeda S.A., Luo J., Mosher K.I., et al. (2011) The ageing systemic milieu negatively regulates neurogenesis and cognitive function. Nature 477, 90–94.

Отлично!

Теперь Вы подписаны на нашу новостную рассылку.