Как мы стареем

Неизбежность старения является суровой реальность жизни. Старение невозможно спутать ни с чем, учитывая обычно сопровождающие его утомляемость, хрупкость костей и общее ухудшение состояния здоровья. Преклонный возраст является основным фактором риска развития множества заболеваний, в том числе болезни Альцгеймера, рака, катаракты и макулярной дегенерации. Тогда как ученые значительно продвинулись в изучении и лечении каждого из этих заболеваний по отдельности, в наших знаниях о процессе старения до сих пор зияют огромные пробелы.

Процесс старения можно отследить не только до уровня клеток, которые в результате его гибнут или вступают в фазу физиологического старения, но и до уровня генома. Существует выраженная взаимосвязь между симптомами старения и накоплением мутаций, а также снижением эффективности механизмов восстановления повреждений ДНК. Приводящие к преждевременному старению заболевания обычно вызываются мутациями генов, вовлеченных в поддержание целостности ДНК. В то же время на клеточном уровне старению может способствовать целый ряд факторов, в том числе: снижение пролиферативной способности стволовых клеток, нарушения митохондриальных функций и склонность к аномальному сворачиванию белковых молекул. По словам Пола Роббинса (Paul Robbins) из исследовательского института Скриппса, по мере того, как исследователи получают все новую информацию о каждом из этих процессов, самым большим вопросом остается следующий: какой из этапов всех этих механизмов является оптимальной мишенью для вмешательства, направленного на обеспечение здорового старения?

Несмотря на то, что целый ряд подходов, начиная от низкокалорийной диеты и заканчивая генетическими манипуляциями, продемонстрировал возможность увеличения продолжительности жизни модельных организмов в лабораторных условиях, эти животные далеко не всегда наслаждаются увеличенными периодами хорошего состояния здоровья. Конечной целью подобных исследований должно быть не просто продление жизни, а разработка методов предотвращения возрастных болезней и угасания физических функций организма.

ГЕНОМ

Борьба с повреждениями

В процессе репликации ДНК вовлеченные в него механизмы допускают ошибки, что приводит к изменениям последовательности ДНК. Мутагены, такие как активные формы кислорода (АФК) или ультрафиолетовое излучение, также могут вызывать повреждения ДНК. В большинстве случаев специальные механизмы восстанавливают эти повреждения, однако часть ошибок избегает исправления и накапливается по мере старения организма. Также была выявлена взаимосвязь между старением и снижением эффективности механизмов восстановления повреждений ДНК, что увеличивает частоту появления необратимых ошибок в стареющих организмах.

При чрезмерном количестве повреждений ДНК клетка самоуничтожается или утрачивает способность к делению, то есть вступает в фазу физиологического старения. Гибель клеток может приводить к атрофии ткани или нарушению ее функций. В то же время клетки, вступившие в фазу физиологического старения, несмотря на свою пассивность, могут ускорять процесс старения организма путем секреции провоспалительных цитокинов, считающихся вовлеченными в развитие атеросклероза и других возрастных болезней. Кроме того, гистоны – белки, выступающие в роли каркаса для ДНК и обеспечивающие стабилизацию генома, – с возрастом начинают демонстрировать изменения, способствующие нарушениям процесса деления клеток, их вступлению в фазу физиологического старения и другим ассоциированным со старением процессам.

По словам Яна Вийджа (Jan Vijg), генетика из медицинского колледжа Альберта Эйнштейна, тогда как вклад повреждений ДНК в процесс старения до конца не ясен, совершенно однозначен тот факт, что эти повреждения и мутации способствуют развитию рака. По мере старения организма риск развития рака возрастает экспоненциально, поэтому вполне вероятно, что накопление повреждений генома в данном случае действительно является решающими фактором.

Характеризующиеся преждевременным старением заболевания человека также указывают на особую роль механизмов восстановления повреждений и стабилизации ДНК в процессе старения. Например, люди с прогерией Хатчинсона-Гилфорда имеют мутации в гене, кодирующем белки, формирующие каркас ядра – ядерные ламины, и уже в детском возрасте приобретают старческий внешний вид и страдают от выпадения волос, ухудшения зрения и атеросклероза. При синдроме Вернера, или прогерии взрослых, характеризующемся появлением симптомов преждевременного старения в подростковом возрасте, пациенты имеют мутации в гене, вовлеченном в механизмы восстановления повреждений ДНК.

Однако то, каким образом повреждения ДНК приводят к старению нормальных взрослых людей, остается открытым вопросом. По словам Вийджа, мы имеем в своем распоряжении прекрасные методы секвенирования последнего поколения и имеем возможность секвенировать выделяемую из тканей ДНК. Однако это не имеет большого смысла, так как мутации происходят случайным образом и их набор варьирует от клетки к клетке. В настоящее время Вийдж пытается разобраться в том, каким образом совместная активность этой мозаики из клеток приводит к старению.

Эпигенетические сдвиги

В начале 1990-х годов Жан-Пьер Исса (Jean-Pierre Issa), в то время работавший в университете Джонса Хопкинса и занимавшийся изучением изменений метилирования ДНК в клетках злокачественных опухолей толстого кишечника, заметил, что эпигенетические профили со временем изменяются, причем не только в раковых, но и, хотя и в меньшей степени, в нормальных клетках различных типов. И действительно, картирование профиля метилирования ДНК в клетках человека показало, что с возрастом определенные регионы генома становятся гиперметилированными, тогда как уровень метилирования других регионов значительно снижается. Также было установлено, что характер модифицирования гистонов (другой тип эпигенетических меток) в ряде тканей тоже изменяется с возрастом.

Эти изменения являются результатом ошибок, возникающих в процессе репликации и восстановления повреждений ДНК. В процессе репликации метилирование ДНК и модификации гистонов не всегда воспроизводятся с высокой точностью. При повреждениях ДНК репарационным белкам часто приходится удалять эпигенетические метки для получения доступа к поврежденному генетическому материалу. Впоследствии эти метки могут быть пропущены или восстановлены некорректно.

Нам предстоит разобраться, влияют ли эти эпигенетические изменения на старение, а именно – являются ли они сопутствующим старению проявлением или непосредственно вызывают возрастные симптомы и болезни, ограничивая продолжительность жизни.

Известно, что эпигенетические изменения способствуют развитию рака. Есть также весьма интересные данные, полученные в экспериментах на животных моделях, согласно которым изменения модификаций гистонов действительно оказывают влияние на процесс старения. Например, ингибирование фермента гистоновой деацетилазы увеличивает продолжительность жизни круглых червей Caenorhabditis elegans, тогда как модификации белков, вовлеченных в метилирование гистонов, приводят к появлению долгоживущих мух-дрозофил и C.elegans. Схожим образом, изменение характера ацетилирования может повлиять на продолжительность жизни дрожжей. В настоящее время Исса занимается поиском препаратов, способных модулировать метилирование ДНК в злокачественных клетках, и надеется, что со временем такие препараты позволят замедлять процесс старения.

Однако он отмечает, что возрастные изменения метилирования ДНК не единообразны. Его уровень увеличивается в одних регионах генома и уменьшается в других, поэтому устранения или повышения экспрессии осуществляющих эту модификацию ферментов метилтрансферраз недостаточно для возвращения характерного для молодого возраста профиля метилирования.

Проблема теломер

Особо важная форма повреждений ДНК возникает на теломерах – повторяющихся последовательностях нуклеотидов на концах хромосом, укорачивающихся по мере старения организма. Тогда как зародышевые и стволовые клетки экспрессируют фермент теломеразу, обеспечивающий восстановление теломер, в большинстве клеток теломеры укорачиваются после каждого деления, так как фермент ДНК-полимераза не способен полностью реплицировать концы хромосом. При чрезмерном укорочении или повреждении теломер в клетках запускается процесс апоптоза (запрограммированной клеточной гибели) или они вступают в фазу физиологического старения.

Повреждения теломер однозначно оказывают влияние на старение. Для мышей с короткими теломерами характерна малая продолжительность жизни, а также сниженная функциональность стволовых клеток и органов, тогда как мыши с повышенной активностью теломеразы стареют более медленно, чем обычные животные. Мутации теломер у человека ассоциированы с заболеваниями, сопровождающимися нарушениями функционирования органов и повышенным риском развития рака.

В последние годы исследователи также установили, что теломеры являются мишенью стресс-индуцированных повреждений ДНК. По словам Жуана Пасуша (Joao Passos) из института старения университета Ньюкасла, по непонятным на сегодняшний день причинам теломеры более чувствительны к внешнему стрессу, чем весь остальной геном.

Восстановление повреждений теломер является очень сложной задачей. Теломеры защищают хромосомы от слияния между собой путем вовлечения белковых комплексов – шелтеринов, благодаря которым обеспечивающие восстановление повреждений ДНК белки ошибочно не принимают концы хромосом за фрагменты двухцепочечных разрывов. Однако это может препятствовать восстановлению настоящих повреждений ДНК, приводя к гибели клетки или ее вступлению в фазу физиологического старения.

Пасуш предполагает, что сильная подверженность теломер повреждениям ДНК может быть направлена на защиту организма от развития рака. Учитывая неадекватные силе вызывающих их стрессоров повреждения теломер, а также тот факт, что их повреждения часто ведут к вступлению клетки в фазу физиологического старения, теломеры могут выступать в роли индикаторов, предупреждающих клетки о присутствии канцерогена. То есть теломеры фактически могут представлять собой своего рода сенсоры повреждений ДНК, подавляющие пролиферацию клеток в периоды стрессовых воздействий. Этот механизм является «палкой о двух концах», так как физиологическое старение клеток не только снижает риск развития рака, но и приводит к появлению симптомов старения.

КЛЕТОЧНЫЙ УРОВЕНЬ

В складках белковых молекул

Жизнеспособность организма зависит от нормального функционирования белков, которое, в свою очередь, невозможно без правильного сворачивания (фолдинга) белковых молекул. Неправильно сформированные белки в большинстве случаев бесполезны и часто образуют внутриклеточные агрегаты с другими аномальными белками. На сегодняшний день неясно, ведет ли нарушение формирования белковых молекул к старению, однако, судя по всему, эти два феномена являются компонентами одного целого. В довершение всего, преклонный возраст сопровождается угасанием функций молекулярных шаперонов – белков, способствующих процессу сворачивания белковых молекул, – и защитных механизмов, в нормальных условиях способствующих выведению аномальных белков из клетки.

По словам нейробиолога Клаудио Сото (Claudio Soto) из Техасского университета, существует гипотеза, согласно которой системное накопление агрегатов аномально свернутых белковых молекул во всех клетках организма приводит к прогрессивному нарушению их функций и старению.

Эксперименты на модельных организмах C.elegans принесли весьма интересные данные, способные облегчить поиск ответа на вопрос из серии «курица или яйцо», касающийся аномального сворачивания белковых молекул и старения. Молекулярный биолог Ричард Моримото (Richard Morimoto) из Северо-Западного университета и его коллеги продемонстрировали, что функциональность механизмов поддержания протеостаза (стабильности белковых молекул) в организме круглых червей, таких как молекулярные шапероны, вовлеченные в стресс-реакцию факторы транскрипции и ферменты, расщепляющие белки, начинает угасать уже на ранних этапах трехнедельного жизненного цикла этих организмов. Фактически эти изменения начинают проявляться в течение первых дней после наступления зрелости.

Сото считает, что проблемы со сворачиванием белковых молекул могут быть основным фактором среди множества молекулярных нарушений, характерных для стареющего организма. В конце концов, нормальное сворачивание белковых молекул необходимо для экспрессии генов, функционирования белков и огромного количества других критичных для жизнедеятельности механизмов.

Если аномальное сворачивание белковых молекул действительно является своего рода «спусковым крючком» для старения, нормализация этого процесса позволит отсрочивать развитие множества возрастных болезней, а возможно и само старение.

Митохондрии

Согласно разработанной в 1950-х годах свободнорадикальной теории старения, активные формы кислорода (АФК) вызывают старение посредством глобального повреждения клеток. Считается, что, как главным источникам АФК, митохондриям и, в особенности, вызванным АФК повреждениям этих органелл и их ДНК, принадлежит особая роль в процессе старения. По словам Джеральда Шадела (Gerald Shadel), занимающегося изучением митохондрий в Йельском университете, эта теория является одной из наиболее жизнеспособных теорий старения. Однако, несмотря на существование множества подтверждающих ее фактов, в последнее время появилось множество данных, опровергающих эту теорию.

Начиная с 1990-х годов исследователи, занимавшиеся изучением модельных организмов, стали описывать феномены, противоречащие свободно-радикальной теории. Например, блокирующие продукцию АФК ферменты не увеличивали продолжительность жизни мышей. А воздействие свободных радикалов на митохондрии круглых червей на определенном этапе развития даже увеличивало продолжительность их жизни. В 2011 году группа Шадела также продемонстрировала, что усиление продукции митохондриальных АФК продлевало жизнь дрожжам. Шадел предполагает, что в действительности опосредуемые АФК сигнальные механизмы играют важную роль в нормальной физиологии организма.

Подобные данные помогают сформировать новое видение роли окислительных повреждений митохондрий. По словам Торена Финкеля (Toren Finkel) из Национального института болезней сердца, легких и крови США, если повреждения не слишком серьезны, в ответ на них развивается определенная защитная реакция. А, как известно, то, что нас не убивает, делает нас сильнее.

Однако количеству повреждений, с которым может справиться органелла, существует предел и нарушения функционирования митохондрий вполне могут способствовать процессу старения. Недавно были получены данные, демонстрирующие существование взаимосвязи между мутациями митохондриальной ДНК и малой продолжительностью жизни.

Шадел считает, что роль митохондрий в процессе старения с большой вероятностью не ограничивается синтезом АФК и даже повреждениями ДНК. Учитывая многостороннюю вовлеченность митохондрий в метаболизм, воспаление и эпигенетическую регуляцию ядерной ДНК, эти органеллы вполне могут являться интегрирующим звеном для множества вовлеченных в старение механизмов.

Стволовые клетки

В организме здорового взрослого человека ежедневно формируется примерно 200 миллиардов новых эритроцитов, замещающих такое же количество клеток, выводимых из кровообращения каждые 24 часа. Однако активность кроветворения снижается с возрастом. По этой и ряду других причин примерно 10% людей в возрасте 65 лет и старше страдают анемией. В настоящее время исследователи приближаются к разгадке причины возрастного угасания регенеративных способностей гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) и других популяций стволовых клеток.

Несмотря на то, что ГСК в течение продолжительных периодов времени могут находиться в состоянии покоя, они остаются восприимчивыми к повреждениям ДНК. При этом, согласно данным, недавно полученным Дерриком Росси (Derrick Rossi) из Гарвардского университета и его коллегами, для находящихся в состоянии покоя мышиных ГСК характерно ослабление механизмов реагирования на повреждения ДНК и восстановления этих повреждений. Такое угасание способности к восстановлению повреждений ДНК может способствовать сохранению опасных мутаций.

Исследователи также продемонстрировали существование взаимосвязи между эпигенетическими изменениями, такими как локус-специфические изменения метилирования ДНК, и возрастным снижением регенеративной способность стволовых клеток. Также старению стволовых клеток могут способствовать возрастные изменения микроокружения, или ниши, в которой они делятся и дифференцируются. Например, в 2012 году Хартмут Гейгер (Hartmut Geiger) из университета Ульма (Германия) и его коллеги продемонстрировали, что возрастные изменения в клетках поддерживающего микроокружения оказывают влияние на популяции гематологических клеток-предшественников. Они установили, что в молодом микроокружении формируются более однородные популяции клеток по сравнению с микроокружением стареющего организма.

НА УРОВНЕ ОРГАНИЗМА

Межклеточные взаимодействия

Стволовые клетки и другие подверженные повреждениям и возрастному угасанию функций клетки стареют не в изоляции. Исследователи получают все новые данные, согласно которым некоторые процессы старения влияют на высвобождение циркулирующих в кровотоке регуляторных молекул.

Одним из таких регуляторов является фактор роста и дифференцировки-11 (growth differentiation factor 11, GDF11), управляющий профилями генной экспрессии, обеспечивающими передне-заднюю ориентацию эмбрионов млекопитающих и значительно ослабляющимися с возрастом. Недавно исследователи Гарвардского университета хирургическим путем соединили кровотоки молодой и старой мышей (этот классический подход называется парабиоз) для изучения вклада содержащихся в крови факторов в старение. В результате Эми Вейджерс (Amy Wagers), Ричард Ли (Richard Lee) и их коллеги установили, что молодая кровь может восстанавливать целый ряд угасающих функций сердца, головного мозга и скелетной мускулатуры стареющих мышей и что эти эффекты можно воспроизвести путем введения стареющим животным GDF11.

В настоящее время исследователи занимаются поиском источников циркулирующего GDF11, а также пытаются разобраться в механизмах, посредством которых он перестраивает стареющие ткани. Еще одним важным вопросом является подтверждение универсальности этого механизма среди млекопитающих, так как в таком случае полученные на мышах результаты могут распространяться и на человека.

Для изучения изменения уровня GDF11 с возрастом ученые собирают образцы крови особей млекопитающих разных возрастов, начиная от котов и заканчивая коровами и другими сельскохозяйственными животными. Они также надеются разработать более чувствительный количественный метод определения этого белка в крови человека для изучения ассоциаций между уровней GDF11 в крови и возрастными заболеваниями.

Другие группы исследователей посвятили свою работу изучению роли, принадлежащей в процессе старения ядерному фактору транскрипции каппа-би (NF-kB), являющемуся основным активатором воспаления. Чрезмерная активация этого фактора может запускать высвобождение находящимися в фазе физиологического старения клетками сигнальных молекул (цитокинов), стимулирующих воспаление и усугубляющих деградацию организма на системном уровне. По словам Пола Роббинса (Paul Robbins) из исследовательского института Скриппса, снижение уровня практически любого из активирующих NF-kB факторов улучшает ассоциированную со старением симптоматику. Роббинс и его коллеги продемонстрировали, что ингибирование NF-kB может предотвратить вступление в фазу физиологического старения клеток линии мышей, преждевременное старение которых обусловлено дефектами механизмов восстановления ДНК. По сути, они хотят описать вклад, вносимый в процесс старения событиями, происходящими внутри клетки, в сопоставлении с вкладом факторов, секретируемых этой клеткой и оказывающих влияние на удаленные от нее клетки.

Ссылки на публикации в научных журналах см. в оригинале статьи.

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам The Scientist: How We Age.

10.04.2015