НЕКОТОРЫЕ ГИПОТЕЗЫ О МЕХАНИЗМАХ СТАРЕНИЯ

Число гипотез о природе старения весьма велико - десятки или сотни. В рамках настоящей работы мы коснемся лишь некоторых из моделей старения, так или иначе учитывающих роль генетического аппарата в этом процессе. Проанализируем наиболее распространенные модели старения с точки зрения соответствия перечисленным выше основным свойствам этого процесса.

Наибольшее внимание в наши дни привлекает теломерная гипотеза А.М. Оловникова, впервые высказанная более 25 лет назад [10]. Ее автор предположил, что в соматических клетках при каждой репликации из-за особенностей работы ферментов репликации (ДНК - полимеразы) недореплицируются концы хромосом - теломеры. В конце концов в результате постоянного укорочения хромосом при каждом митозе, недорепликация¹ захватывает области генома, существенные для выживания клеток, что и приводит к гибели клеток и старению организмов. Современные модификации этой гипотезы изложены Allsopp [18a] и ее модификация - Vaziri, Benchimol [88]: по мнению этих авторов укорочение теломер активирует синтез белка p53, количество которого действительно увеличивается при старении культивируемых клеток MDF. Этот белок запускает синтез ряда других, что и приводит к блоку клеток в G1 и старению.

Более 10 лет назад у инфузорий был обнаружен фермент ДНК нуклеотидтрансфераза (теломераза), достраивающий 3' концы линейных молекул ДНК хромосом короткими повторяющимися последовательностями. Позже и у других эукариот, в том числе в клетках человека, нормальных и иммортализированных раковых клетках HeLa [90] был также обнаружен этот фермент. Интересно, что помимо белковой части, теломераза содержит РНК, которая выполняет роль матрицы для наращивания ДНК короткими повторами. Такой процесс в половых и раковых клетках защищает генетически значимые участки хромосом. Это по сути своей и есть механизм смерти и бессмертия на клеточном уровне, первоначально разработанный Оловниковым [10]. Оказалось, что размер теломерной ДНК сперматозоидов не уменьшается с возрастом мужчин, тогда как в стареющих культурах нормальных фибробластов человека теломерные участки укорачиваются [56].

Недавно американские ученые [24] сообщили о том, что с помощью генно - инженерных методов удалось в нормальные, то есть стареющие со временем, клетки человека in vitro ввести и заставить экспрессироваться ген теломеразы. Это привело к увеличению в полтора раза числа циклов репродукции этих клеток.

Если считать, что этот механизм старения животных и человека, пусть не единственный, но главный, равно как и теломеразная защита хромосом germ line обеспечивает информационную преемственность в ряду поколений, то задачи дальнейших поисков заметно сужаются. Нейроны мышей проходят последние митотические циклы на 18-ые сутки беременности. Клетки нервных ганглиев дрозофилы делятся последний раз в личиночном периоде, а тканевые клетки имаго - это целиком постмитотические популяции. Поскольку в подавляющем большинстве дифференцированных соматических клеток активность теломеразы не выявляется [63], то, если строго подходить к предсказаниям теломерной гипотезы, следует заключить, что старение указанных клеток завершается сразу же после последней маргинотомии. Другими словами, ДНК нейронов новорожденных мышей полностью соответствует по степени поврежденности теломер ДНК старых животных. Следовательно, сами нейроны молодых животных по своим морфологическим и функциональным особенностям должны быть точно такими же, как и у стариков.

Понимая абсурдность такого предположения, Оловников выдвинул идею о том, что маргинотомия сопровождает не только репликативный, но и репаративный синтез [76].

Посмотрим, насколько хорошо гипотеза Оловникова согласуется с общими свойствами старения, перечисленными в предыдущем разделе: п. 2: теломеразная гипотеза предсказывает всеобщность старения, т.к. хромосомы всех многоклеточных имеют теломеры. Динамика смертности (распределение вероятности смерти по времени) согласно этой гипотезе будет универсальной, т.к. не участвующие в синтезе белков теломеры различных видов скорее всего имеют одинаковую форму распределения по длине, и различную среднюю длину у разных видов, что обеспечит им различную среднюю продолжительность жизни. П. 3: с точки зрения теломерной гипотезы дифференцировка клеток на нестареющие половые и стареющие соматические объясняется тем, что в первых, в отличие от вторых, работает теломераза, однако эта гипотеза не объясняет, почему в геноме половых клеток за миллионы поколений не накапливаются повреждения. Накопление мутаций, других повреждений генома и снижение репаративной активности в соматических клетках при старении надежно показано, так же, как и отсутствие таких событий в половых клетках при чередовании поколений. П. 4: хорошо согласуется с этой гипотезой, поскольку длинна теломер потомков полностью определяется этим же параметром у родителей, а у монозиготных близнецов и вовсе одинакова. П. 5: не согласуется с этой гипотезой - интенсивность репарации и скорость укорочения теломер, если следовать модифицированной гипотезе А.М.Оловникова, могут быть только обратно пропорциональны, в то время как интенсивность репарации часто прямо пропорциональна продолжительности жизни. В предельном случае мутантные линии без эксцизионной репарации, согласно этой гипотезе, не должны стареть, смерть их особей может быть обусловлена только случайными причинами, а кривые выживания будут экспоненциальными. В действительности это не происходит. Недавно Kruk [57] показал, что и в теломерных участках хромосом имеет место репарация, хотя и менее интенсивная, чем в активных генах, но более интенсивная, чем во всех остальных. Martinez [69] показал наличие положительного влияния искусственного стимулирования репарации на продолжительность жизни. П. 6 : естественно, что возможна селекция по наследуемому признаку - длине теломер, а , следовательно, и по продолжительности жизни. Мы полагаем, что эта гипотеза противоречит п. 7: непонятно, как может быть низким коэффициент наследования длины теломер, почему эта длинна различается у животных инбредных линий и, тем более, у монозиготных близнецов [68]. Также не ясны причины возможного резкого изменения длины теломер при смене поколений.П. 9: эта гипотеза предсказывает наличие плато на кривых выживания при естественном старении, поскольку до тех пор, пока теломеры не будут разрушены, изменений в функционировании клеток, а, следовательно, жизнеспособности организма не будет.

П. 10 Однако принципиально иная картина должна, в согласии с гипотезой маргинотомии возникать при радиационном укорочении жизни. Эта гипотеза предсказывает наличие плато на кривых выживания при естественном старении, поскольку до тех пор, пока теломеры не будут разрушены до неких критических пределов, изменений в функционировании клеток, а, следовательно, жизнеспособности организма не будет. Однако принципиально иная картина должна, в согласии с гипотезой маргинотомии возникать при радиационном укорочении жизни.

В пролиферирующих тканях 1 аберрация хромосом на клетку возникает после облучения в дозах 4-5 Гр [37]. Тогда при сохранении линейной дозовой зависимости под действием облучения в дозе 500 Гр, когда в эксперименте не наблюдается изменение формы кривой выживания (хотя и снижается средняя продолжительность жизни), в ядрах клеток нервных ганглиев должно быть примерно по 10 аберраций (число разрывов пропорционально размеру генома). В последние годы с помощь методов молекулярной цитогенетики И.Д.Александров и соавт. [3] обнаружили на D. melanogaster, что радиационные разрывы хромосом, ведущие к формированию аберраций, регулярно локализуются внутри генов, причем нередко их кластеры обнаруживаются в областях определенных последовательностей внутри интронов. Делеции различной величины фланкируют разрывы у 20% обменов. Укорочение новых концов хромосом (радиационные разрывы), расположенных вблизи или даже внутри генов и не защищенных теломерными участками, при маргинотомии, сопровождающей дальнейшую репарацию, несомненно приведет к быстрой гибели насекомых. О сохранении плато на кривых выживания при радиационном укорочении жизни [12], если верна гипотеза Оловникова, не может быть и речи.

Таким образом, механизм старения по Оловникову не обеспечивает возможности проявления ряда свойств этого процесса, которые наблюдаются в реальной жизни. К достоинствам этой гипотезы следует отнести возможность ее экспериментальной проверки. Достаточно измерить длину теломер в постмитотических клетках молодых и старых доноров (гипотеза предсказывает их укорочение), а также проверить, является ли, согласно предсказаниям гипотезы, прекращение работы некоторых генов и гибель клеток причиной смерти организма. Непосредственные измерения теломерных участков показали, что у мыши они значительно длиннее, чем у человека, хотя продолжительность жизни последнего в 50 раз больше. Кроме того, хотя теломерные участки в клетках крови человека укорачиваются с возрастом, в мышечных клетках человека [31] и мыши такого не найдено. Нет укорочения теломер и при клональном старении одиночных клеток дрожжей [39].

Принимая во внимание указанные соображения, можно заключить,что теломеразная гипотеза имеет отдаленное отношение к сущности старения. Она может быть предложена в качестве одного из объяснений причины существования лимита на число делений соматических клеток (лимита Хейфлика).

Продолжает активно разрабатываться свободно - радикальная гипотеза [45 - 47], впервые предложенная Н.М.Эмануэлем [17] и Harman [44]. Суть ее в том, что старение обусловлено повреждением макромолекул клеток под действием собственных свободных радикалов, которые в норме образуются в качестве побочных продуктов метаболизма в каждой клетке.

Не забыта до сих пор одна из первых генетических гипотез о механизме старения - гипотеза о плейотропности действия генов [28]. В ее основе лежит предположение о том, что действие некоторых генов имеет противоречивые последствия: будучи полезными в начале жизни эти гены со временем становятся смертельно опасными для их обладателя. Естественный отбор закрепляет эти гены благодаря их полезному действию или необходимости для молодых особей.

В современных работах Charlesworth, Hughes [25] и Tower [87] сопоставляются плейотропная гипотеза и концепция накопления мутаций как причины старения. Особенно популярно в последнее время представление об "антагонистической плейотропности" между ранней плодовитостью и долговечностью [92]. Djawdan et al. [33] предполагают, что эта плейотропность может существовать благодаря обмену в распределении энергии между воспроизведением и выживанием. Однако авторы указывают, что количественные соотношения между плодовитостью и продолжительностью жизни, предсказанные теоретически, не совпадают с полученными в эксперименте.

Это и не удивительно, поскольку еще в 1966 г Lamb показал, что обратная корреляция продолжительности жизни и плодовитости у дрозофил наблюдается только в стандартных для генетических экспериментов условиях содержания [58]. При содержании насекомых на обогащенной среде или при очень частых (через сут вместо одного -двух раз в неделю) пересадках на свежую среду продолжительность жизни плодовитых насекомых увеличивается и даже несколько превышает продолжительность жизни бесплодных (мутантов или стерилизованных небольшой дозой радиации) дрозофил. Отсюда автор сделал вывод о том, что ресурсы, одновременно необходимые для размножения и увеличения продолжительности жизни, содержатся в питательной среде, и только при их недостатке увеличение плодовитости снижает продолжительность жизни.

Ю.П. Алтухов [4] обсуждает корреляции между четырьмя факторами: гетерозиготностью генотипа, возрастом первой репродукции, размерами тела и продолжительностью жизни. Все эти четыре параметра для большого набора совершенно различных организмов (насекомых, рыб, млекопитающих, растений) попарно хорошо скоррелированы. В качестве основного, определяющего три остальные параметра, автор рассматривает аллозимную гетерозиготность.

Charlesworth, Hughes [25] пытаются на основе экспериментальных данных сделать выбор из двух моделей: теории старения "disposable soma" (по существу, обновленная теория накопления мутаций) и теории "антагонистической плейотропности". Однако ни одна из них по отдельности, по мнению авторов, не дает возможности удовлетворительно описать приведенные данные. Curtsinger, Fukui [29] в своем обзоре указывают, что эти модели старения - "антагонистическая плейотропность" и накопление мутации, не имеет реальной экспериментальной поддержки.

По мнению многих авторов, старение вызывается накоплением случайных повреждений в геноме. Гипотезу о первичности в старении стохастических повреждений ДНК в последнее время называют теорией старения "disposable soma".

Для проверки теории старения "disposable soma" Martinez [69] показал наличие положительного влияния искусственного стимулирования репарации на продолжительность жизни. Автор стимулировал репарацию путем повторяющегося повреждения у бесполого червя Paranais litoralis. Так как стимуляция репарации ведет к увеличению продолжительности жизни, автор полагает, что его данные подтверждают теорию старения "disposable soma" Abrams, Ludwig [18] добавляют к этой гипотезе еще одно положение: "эволюционная теория старения disposable soma " предполагает, что старение является результатом оптимального баланса ресурсов между воспроизведением и соматической репарацией. Причем в этой работе теоретически предсказывается, что теория старения "disposable soma" может предсказать распределение смертности по закону Гомперца только в виде исключения.

Рассмотрев широкий набор гипотез о механизмах старения, Toussaint, Remacle [86] пришли к выводу, что все они могут быть интегрированы в более общее понятие, каковым является концепция критического порога накопления ошибок, принимающая во внимание защитную роль систем репарации.

Мы не будем рассматривать все перечисленные гипотезы так же подробно, как гипотезу А.М.Оловникова. Однако отметим, что все гипотезы о первичной роли стохастических повреждений не согласуются с фактами, доказывающими, что существует генетически определенный механизм старения. Из списка свойств старения они не могут объяснить существования пп 1, 2, 3, 4, 9.

В этой связи особый интерес привлекает транспозонная гипотеза старения Кирквуда[56, 73]. Автор предположил, что транспозоны при перестройках не только перемещаются в геноме с места на место, а удваиваются, вследствие чего их число в геноме экспоненциально растет со временем в течение жизни. Пока число транспозонов мало, невелика и вероятность того, что перестройка затронет функциональную активность жизненно важных генов. Размножение транспозонов происходит в пределах избыточной ДНК, поскольку ее количество в геноме многих эукариот во много раз превышает размеры кодирующих белки областей и регуляторных участков. Размножение транспозонов вызывает экспоненциальный рост вероятности того, что будут затронуты гены, что и приводит к росту со временем вероятности гибели клеток, старению и смерти организма. Мы полагаем, что период, когда транспозоны размножаются в молчащей ДНК, можно рассматривать как потенциальную фазу старения. В половых клетках при прохождении мейотического кроссинговера избыточные транспозоны удаляются, что приводит к восстановлению репродуктивного потенциала этих клеток. Возможность удаления "новых" транспозонов обусловлена тем, что в гомологичных хромосомах они располагаются в разных сайтах. Из-за этого при кроссинговре образуются однонитевые петли, которые могут быть удалены ферментами репарации.

Значительный интерес с нашей точки зрения представляют данные об изменениях первичной структуры генома за счет мобильных элементов с возрастом. Так Egilmez, Reis [34] показали, что у нематоды в течение жизни в 14 раз возрастает эксцизия элемента Тс-1. Clark, Guadalupe [27] показали, что вставка в случайные места генома блока из 48 Р-элементов приводит к разнообразным изменениям продолжительности жизни, причем увеличение продолжительности жизни в этом случае не сопряжено с поздней плодовитостью. Woodruff, Nikitin [89] также указывают на то, что перемещение Р-элемента приводит к сокращению продолжительности жизни дрозофилы. Работа Nikitin, Woodruff [74] дополняет приведенные данные : перемещение транспозона mariner приводит к сокращению продолжительности жизни дрозофилы D. simulans и не влияет на продолжительность жизни D. melanogaster.

В этой модели хотелось бы отметить два обстоятельства:

1. Для реализации процесса Кирквуда необходима молчащая ДНК; известно, что для организмов без молчащей ДНК (прокариоты и некоторые одноклеточные эукариоты) типичное старение не характерно.

2. Модель хорошо согласуется с тем, что факторы, случайным образом повреждающие ДНК, ускоряют процесс старения. Мутации генов от внешних повреждающих факторов суммируются с повреждением генов транспозонами.

Однако, если верна гипотеза Кирквуда, то скорость старения должна зависеть от исходного размера генома и числа транспозонов в нем. В таком случае, D.melanogaster, имеющая в 7 раз больше транспозоноподобных элементов, чем D.simulans, должна стареть намного быстрее вида - близнеца. Таким образом, модели Кирквуда также противоречат некоторые твердо установленные факты о старении.

В последнее время многие авторы пришли к пониманию важности анализа дисперсии кривых выживания для изучения механизмов старения. Некоторые гипотезы о старении позволяют предсказать возможные дисперсии кривых выживания и корреляции продолжительности жизни с рядом других признаков организмов. Используя эти теоретические предсказания, Hughes et al. [25, 50], анализируя дисперсии кривых выживания, а также распределений мух по весу и плодовитости и корреляции между этими признаками, по результатам сравнения теоретических предсказаний с экспериментальными данными, сопоставляют две теории старения - плейотропную и накопления мутаций. В первой из них отдается предпочтение теории накопления мутаций перед теорией "антагонистической плейотропности". Во второй работе сделана попытка такого сравнения через сопоставление дисперсий кривых выживания родственных линий дрозофилы. Однозначного ответа о преимуществе одной из теорий получить не удалось. В работе [81] Promislow et al. использовали анализ дисперсий для проверки гипотезы Medawar об ослаблении отбора. Суть этой гипотезы сводится к накоплению вредных мутаций с возрастом вследствие ослабления отбора с увеличением возраста. Поскольку реальная дисперсия смертности исследованных дрозофил не совпадала с теоретически предсказанной на основе этой гипотезы, гипотеза не подтвердилась. Lebourg [61] развивает применение анализа дисперсий и предлагает применять мультивариантный анализ в сравнительной геронтологии.