Генетика старения и как с ней бороться

Круглые черви Caenorhabditis elegans стареют и умирают в течение нескольких недель, тогда как люди в некоторых случаях переживают даже столетний юбилей. Это говорит о том, что мутации, накопившиеся в процессе эволюции, результатом которой стало появление человека, увеличили продолжительность жизни по крайней мере в 2000 раз. В течение многих столетий люди пытались разгадать секрет долголетия, однако только недавно ученые стали понемногу приближаться к разгадке.

В течение многих лет молекулярные биологи, специализирующиеся на механизмах регуляции физиологических и биохимических процессов, игнорировали вопросы старения, так как, согласно традиционным представлениям, ассоциированное со старением ухудшение состояния тканей является результатом пассивного процесса износа. Однако сейчас мы уже знаем, что процессом старения, как и многими другими биологическими процессами, управляют классические сигнальные механизмы и факторы транскрипции. Как правило, эти механизмы идентифицируют при изучении мелких организмов с небольшой продолжительностью жизни, таких как дрожжи, черви и мухи-дрозофилы, однако большая часть из них оказывает сходные эффекты и на млекопитающих. Изучение этих механизмов и влияния физиологических и внешних факторов на их работу открывает перспективы создания препаратов, замедляющих процессы старения человека.

Существует мнение, что попытки замедлить процесс старения означают неминуемую смерть от возрастных заболеваний, таких как рак или болезнь Альцгеймера. Однако, как показывают результаты научных исследований, замедляющие старение мутации, как правило, откладывают и начало развития подобных заболеваний.

Механизмы, регулирующие старение

Многие продлевающие жизнь мутации затрагивают гены, кодирующие рецепторы питательных веществ и белки, участвующие в формировании стресс-реакций. В условиях изобилия пищи и отсутствия стрессов эти гены способствуют росту организма и его размножению. В неблагоприятных для жизни условиях активность этих генов изменяется: часть из них начинает активно работать, тогда как остальные блокируются. В результате происходит глобальный физиологический сдвиг, направленный на защиту клеток и поддержание их жизнедеятельности. Этот сдвиг не только позволяет организму пережить неблагоприятный период, но и увеличивает продолжительность жизни.

Наиболее известным из факторов, увеличивающих продолжительности жизни, является низкокалорийная диета, что показано на широком спектре организмов, начиная от дрожжей и заканчивая обезьянами. Этот феномен впервые открыт в экспериментах на крысах, проведенных во времена Великой депрессии на фоне опасений, что хроническое недоедание чревато уменьшением продолжительность жизни людей. Изначально специалисты объясняли «волшебный» эффект голодания снижением скорости накопления клеточных повреждений, являющихся побочным продуктом нормального обмена веществ. Однако удачно спланированный эксперимент на мухах-дрозофилах (Mair et al., Demography of dietary restriction and death in Drosophila. Science 301, 1731–1733 (2003)) показал, что низкокалорийная диета приводит к резкому снижению коэффициента смертности (количества смертей в день). Это свидетельствует о том, что эффекты голодания являются результатом остро протекающего процесса. Сейчас нам известно, что в развитии эффектов низкокалорийной диеты участвует ряд механизмов распознавания питательных веществ, в том числе опосредуемых такими белками, как ферменты АМФ-киназа и, тоже относящаяся к классу киназ, мишень рапамицина (target of rapamycin, TOR), а также сиртуины (sirtuins) и гормоны инсулин и инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1). Неожиданной находкой оказался тот факт, что основная роль того или иного механизма в продлении жизни организма зависит от характера голодания. Так, например, эксперименты на C.elegans показали, что три варианта схем ограничения калорийности рациона (голодание в течение всей жизни, кормление через день и переход на низкокалорийную диету в среднем возрасте) запускают различные механизмы с одинаковым конечным результатом – увеличением продолжительности жизни.

Продолжительность жизни могут увеличивать и многие другие факторы, в том числе хемо- и термосенсорные сигналы (как повышение, так и понижение температуры внешней среды) нагревание, окислительный стресс, сигналы репродуктивной системы, а также снижение скорости клеточного дыхания или трансляции. В большинстве, а, возможно, и во всех перечисленных случаях процессом увеличения продолжительности жизни активно управляют особые регуляторные белки.

Старение вызывает глобальное угасание функций всех тканей организма, поэтому, на первый взгляд, его замедление выглядит невыполнимой задачей. Однако эксперименты на лабораторных животных показали, что для этого не надо бороться по отдельности с каждым из проявлений старения, такими как атрофия мышечной ткани, морщины и накопление дефектных митохондрий – достаточно лишь изменить работу одного-единственного гена, а остальное организм сделает сам. Другими словами, живые существа потенциально способны жить дольше, чем принято считать нормальным.

Инсулин и инсулиноподобный фактор роста-1

Первым из открытых учеными «регуляторов» скорости старения является сигнальный механизм, опосредуемый инсулином и инсулиноподобным фактором роста-1. Мутация, снижающая в геноме C.elegans активность гена daf-2, кодирующего гормональный рецептор, сходный с рецепторами к инсулину и IGF-1 у млекопитающих, более чем в два раза продлевает жизнь червей. Мутации, влияющие на активность задействованных в этом сигнальном механизме ферментов-киназ: фосфатидилинозитол-3-киназы (PI(3)K), AKT-киназы и пируватдегидрогеназы (PDK), также увеличивает продолжительность жизни этих организмов. Наиболее впечатляющей особенностью этих (и многих других) долгоживущих мутантов является их способность длительное время сохранять все признаки молодого организма. Подавление сигнального механизма, опосредованного инсулином и IGF-1, влияет на продолжительность жизни посредством изменения экспрессии генов, кодирующих ряд факторов транскрипции (в том числе DAF-16, FOXO, HSF-1 и SKN-1). Эти факторы, в свою очередь, стимулируют или подавляют экспрессию других генов, в том числе участвующих в развитии стресс-реакций, обеспечивающих механизмы аутофагии (переработки дефектных фрагментов клетки для синтеза новых органелл), а также кодирующих антимикробные пептиды, белки-шапероны, аполипопротеины, липазы и ионные каналы. Кумулятивным эффектом происходящих при этом изменений и является увеличение продолжительности жизни. Интересен тот факт, что ряд генов, обычно экспрессированных в зародышевых клетках, аномально экспрессирован в соматических клетках daf-2-мутантов. Судя по всему, эти гены (по крайней мере, частично) обуславливают увеличение продолжительность жизни организма, а детальное изучение их работы может преподнести ученым еще не один сюрприз. Например, активность некоторых из этих генов в клетках daf-2-мутантов повышена в два раза. Пока остается только догадываться, что же произойдет, если их активность увеличить в десять раз.

Изменение работы обсуждаемого сигнального механизма в одной ткани влияет на функционирование остальных тканей организма и приводит к установлению нового гомеостаза. Например, повышение активности фактора транскрипции DAF-16 в одной ткани C.elegans дикого типа, посредством запуска механизма обратного регулирования экспрессии гена инсулина, приводит к повышению активности этого фактора во всех тканях, то есть имеет место так называемое неавтономная клеточная реакция. Кроме того, экспрессия гена daf-16 в одной ткани (например, жировой или нервной) продлевает жизнь у не отличающихся долгожительством червей с двойной мутацией, daf-16(–) daf-2(–). Аналогичными свойствами обладают и другие факторы транскрипции, в том числе HSF-1 и SKN-1. Понимание механизмов работы этой сложной системы межтканевых взаимосвязей позволит координировать скорости старения различных тканей.

Влияние опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма на продолжительность жизни сохранились в ходе эволюции. Системное подавление этого механизма, также как и избирательная стимуляция активности фактора транскрипции FOXO (аналога DAF-16) в жировой ткани продлевает жизнь мух-дрозофил. У инбредных линий мышей также обнаружена выраженная обратная взаимосвязь между уровнем IGF-1 и продолжительностью жизни. Аналогичным эффектом обладают также мутации, подавляющие активность рецепторов к инсулину и IGF-1, а также других белков-участников сигнального механизма. Схожая взаимосвязь наблюдается и у собак. Существуют данные, согласно которым собаки низкорослых пород, имеющие мутацию, снижающую активность IGF-1, живут дольше крупных собак. Однако для мух-дрозофил и мышей существование взаимосвязи между размером тела и продолжительностью жизни не подтвердилась.

Опосредуемый инсулином и IGF-1 сигнальный механизм играет важную роль в жизнедеятельности всех животных, поэтому долгожительство организмов, несущих нарушающие его работу мутации, несколько неожиданно. В действительности, нокаутирование гена рецептора к инсулину ведет к развитию у мышей диабета. Поэтому при вмешательствах в этот механизм для получения положительных результатов очень важно выбрать правильную мишень. Интересно также то, что долгожительство могут вызывать мутации, как повышающие, так и снижающие чувствительность к инсулину. Возможно, подавление опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма и активность белков-аналогов DAF-16 (FOXO) запускает замедляющий старение сдвиг физиологических процессов в сторону защиты и поддержания жизнедеятельности клетки.

Существующие статистические данные подтверждают гипотезу, согласно которой эффекты модулирования опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма распространяются и на человека. Мутации, нарушающие функции рецептора IGF-1, характерны для когорты перешагнувших столетний рубеж евреев ашкенази, а определенные вариации ДНК в гене рецептора к инсулину ассоциированы с долгожительством в японской когорте. Варианты генов AKT и FOXO3A ассоциированы с долголетием соответственно в трех и семи когортах долгожителей. Когорты, характеризующиеся гиперэкспрессией FOXO3A, разбросаны по всему миру, к ним относятся: гаитянцы японского происхождения, евреи ашкенази, представители населения Италии, Германии, Китая, Калифорнии и Новой Англии. Причем ассоциированный с долголетием вариант гена FOXO3A чаще встречаются у людей, достигших 100 лет, чем у девяностолетних, что подтверждает его роль в долголетии.

Так как опосредуемый инсулином и IGF-1 сигнальный механизм обеспечивает распознавание питательных веществ и влияет на развитие C.elegans в условиях ограниченного доступа к пище, он с большой степенью вероятности участвует в развитии реакции организма на голодание (рис. 1, 2). Согласно существующим научным данным, кормление каждый второй день продлевает жизнь C.elegans за счет подавления работы этого сигнального механизма. Долгоживущие линии мух-дрозофил с мутациями генов, обеспечивающих его работу, реагируют на низкокалорийную диету так, как будто они уже в какой-то степени ограничены в калориях в силу своих генетических особенностей, что свидетельствует о частичном наложении двух рассматриваемых механизмов. Низкокалорийная диета не увеличивает продолжительность жизни мышей с мутациями гена рецептора к гормону роста, являющемуся одним из звеньев опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма, поэтому логично предположить, что ее влияние на обычных животных опосредовано подавлением передачи соответствующих сигналов. И, наконец, низкокалорийная диета может подавлять развитие рака посредством подавления активности опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма. В пользу этого свидетельствуют наблюдения, согласно которым ограничение калорий не влияет на развитие опухолей, вызванных мутациями, обеспечивающими стойкую активацию этого механизма.

Рисунок 1. Механизмы, задействованные в увеличении продолжительности жизни в условиях хронического голодания. Результаты гено- и фенотипического анализа свидетельствуют о том, что хроническое голодание увеличивает продолжительность жизни червей, мух-дрозофил и мышей посредством подавления активности TOR. Опосредуемый TOR механизм (фиолетовые стрелки) регулирует процессы аутофагии и трансляции. Фактор транскрипции PHA-4 необходим для аутофагии и влияет на экспрессию генов стресс-реакции в условиях голодания. Его влияние на трансляцию не изучено. У дрозофил снижение активности TOR улучшает клеточное дыхание за счет предотвращения трансляционного ингибирования компонентов цепи переноса электронов. Посредством активации фактора транскрипции SKN-1 в нейронах (зеленые стрелки) хроническое голодание также стимулирует клеточное дыхание у червей и, соответственно, продлевает им жизнь. Хроническое голодание продлевает жизнь дрозофил и мышей (по крайней мере, частично) и за счет подавления активности опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма (IIS, красные стрелки). Белки сиртуины также участвуют в реализации эффекта голодания, однако их роль в сигнальных механизмах, опосредуемых TOR, инсулином и IGF-1, не изучена.

Рисунок 2. Различные рецепторы питательных веществ (красного цвета) и факторы транскрипции (голубого цвета), обеспечивающие продление жизни C.elegans в различных моделях низкокалорийной диеты. Мутации гена eat-2, подавляющие поступление питательных веществ в течение всей жизни, скорее всего, увеличивают продолжительность жизни посредством подавления активности TOR, так как дополнительное подавление экспрессии этого белка не вызывает дальнейшего увеличения продолжительности жизни eat-2-мутантов. Фактор транскрипции SKN-1 причастен к продлевающему жизнь действию хронического голодания, однако его взаимодействие с TOR не изучено. Интересно, что наличие функционального гена SIR-2.1 необходимо для проявления способности слабых (но не сильных) мутаций гена eat-2 изменять продолжительность жизни. Если голодание начинается в среднем возрасте, для увеличения продолжительности жизни необходимы функциональные варианты генов АМФ-киназы и DAF-16. Кормление через день, вероятнее всего, продлевает жизнь посредством подавления опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма, так как оно не оказывает влияния на daf-2-мутантов и зависит от активности гена daf-16 (иллюстрации из статьи Cynthia J. Kenyon “The genetics of ageing” // Nature 464, 504-512).

Подавление остроты (или изменение) обоняния и чувства вкуса также продлевает жизнь C.elegans за счет подавления опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма. Снижение остроты органов чувств влияет и на продолжительность жизни мух-дрозофил, усиливая эффект низкокалорийной диеты. Неизвестно, влияет ли острота обоняния и вкуса на продолжительность жизни человека, однако ощущение запаха употребляемый еды повышает уровень инсулина в крови.

У млекопитающих в ответ на поступление в организм глюкозы происходит подъем уровня инсулина, который можно расценивать как прогностический фактор уменьшения продолжительности жизни. Добавление 2% глюкозы в питательную бактериальную массу укорачивает жизнь C.elegans за счет подавления активности DAF-16/FOXO и HSF-1. Любопытно, что такая диета укорачивала практически до нормальных значений жизнь долгоживущих линий C.elegans с мутациями рецепторов инсулина и IGF-1. Причины этого неясны, однако, если эта закономерность распространяется и на млекопитающих, мыши с мутациями в генах рецепторов к инсулину и IGF-1, чья продолжительность жизни на 15-40% больше нормы, смогут жить еще дольше на низкоуглеводной диете. В целом эти данные свидетельствуют о том, что такая диета может быть полезной и для человека. Кроме того, они ведут к парадоксальному выводу, что при соблюдении низкоуглеводной диеты заболевания, характеризующиеся нарушением работы рецепторов инсулина, могут способствовать долголетию.

Давление естественного отбора не может быть причиной сохранения обеспечивающих долголетие мутаций, так как оно, в первую очередь, направлено на выживание наиболее приспособленных особей детородного возраста и теряет свое значение по мере старения организма и утраты им способности к размножению. Механизмы, обеспечивающие сдвиг метаболизма в сторону защиты и поддержания жизнеспособности клеток, могли появиться в результате отбора особей, способных с наименьшими потерями переживать неблагоприятные для жизни периоды. Увеличение продолжительности жизни (в том числе и в масштабах эволюции живого) может быть своего рода «побочным эффектом» обеспечиваемого этими механизмами замедления износа метаболических систем организма.

Мишень рапамицина (target of rapamycin, TOR)

Киназа TOR является важнейшим сенсором аминокислот и других питательных веществ, стимулирующим рост организма и блокирующим аутофагию и другие механизмы утилизации отходов жизнедеятельности в условиях изобилия пищи. Подавление активности опосредуемого TOR механизма повышает устойчивость к факторам окружающей среды и увеличивает продолжительность жизни многих организмов (рис. 1, 2). Однако, по крайней мере у C.elegans, подавление активности TOR продлевает жизнь независимо от факторов транскрипции DAF-16/FOXO3, что указывает на отсутствие взаимосвязи между ним и опосредуемым инсулином и IGF-1 сигнальным механизмом.

Как и в случае с описанным ранее сигнальным механизмом, регулируемым инсулином и IGF-1, для проявления сниженной активности TOR на продолжительность жизни необходимы изменения в работе факторов транскрипции. Это утверждение распространяется, по крайней мере, на круглых червей (фактор транскрипции PHA-4/FOXA) и дрожжи. При поступлении в организм питательных веществ TOR стимулирует трансляцию, и наоборот, в условиях низкокалорийной диеты активность TOR и, соответственно, трансляции падает, что продлевает жизнь дрожжей, круглых червей, мух-дрозофил и мышей. Подавление трансляции с помощью других механизмов также увеличивает продолжительность жизни дрожжей, круглых червей и дрозофил.

Подавление активности TOR также стимулирует аутофагию, являющуюся необходимым условием увеличения продолжительности жизни, по крайней мере, у круглых червей и дрозофил. Стимулировать аутофагию при этом могут промежуточные механизмы – например, у круглых червей в этом задействован фактор транскрипции PHA-4/FOXA.

Из всех механизмов регистрации поступающих в организм питательных веществ опосредуемый TOR сигнальный механизм имеет наиболее выраженную взаимосвязь с процессами, запускаемыми голоданием. Физиологические эффекты подавления активности TOR сходны с эффектами низкокалорийной диеты, которая не вызывает дальнейшего увеличения продолжительности жизни дрожжей, круглых червей и мух-дрозофил, в организме которых подавлена активность TOR.

Снижение количества аминокислоты метионина в рационе млекопитающих и белка – в рационе мух-дрозофил увеличивает продолжительность жизни этих организмов. Возможно, различные типы диеты запускают разные механизмы, направленные на защиту клеток и, как следствие этого, увеличивающие продолжительность жизни. Судя по всему, низкоуглеводная диета подавляет сигнальный механизм, опосредуемый инсулином и IGF-1, а снижение количества аминокислот в рационе подавляет активность TOR. Возможно, в будущем ученые найдут рецепт оптимальной диеты долголетия и здоровья.

Аденозинмонофосфат-киназа

Фермент АМФ-киназа является сенсором питательных веществ и энергии, активирующим катаболизм (реакции, связанные с распадом веществ, их окислением и выведением из организма продуктов распада) и подавляющим анаболизм (противоположный процесс синтеза и усвоения веществ) при повышении внутриклеточного соотношения молекул-энергоносителей АМФ/АТФ. Повышение экспрессии АМФ-киназы продлевает жизнь C.elegans, а активирующий этот фермент антидиабетический препарат метформин – мышам. АМФ-киназа также участвует в реализации эффектов увеличивающих продолжительность жизни мутаций, снижающих активность опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма, однако ее роль в этом процессе неясна.

АМФ-киназа участвует и в механизмах, обеспечивающих продление жизни в условиях голодания. У C.elegans увеличение продолжительность жизни, обусловленное переходом на низкокалорийную диету в среднем возрасте, невозможно без участия АМФ-киназы, которая непосредственно фосфорилирует и активирует фактор транскрипции DAF-16/FOXO. Этот механизм не задействован в процессах, обуславливающих продление жизни в условиях голодания в течение всей жизни, и наоборот, гены, участвующие в этих процессах (pha-4/FOXA и skn-1/NRF), остаются не у дел при переходе на низкокалорийную диету в среднем возрасте. Таким образом, выбор механизмов, влияющих на продолжительность жизни, в большей степени обусловлен режимом питания, а не количеством поступающей в организм пищи.

Сиртуины

Сиртуины – НАД+-зависимые белковые деацетилазы, гиперэкспрессия которых увеличивает продолжительность жизни дрожжей, круглых червей и мух-дрозофил. Механизмы этого феномена на сегодняшний день неясны. Высказано предположение, что сиртуин Sir2 продлевает жизнь дрожжей за счет подавления процессов формирования токсичных внехромосомных рибосомальных кольцевых ДНК, однако он может действовать и посредством других механизмов. Интересен тот факт, что Sir2 способствует происходящей во время деления клеток сегрегации поврежденных белков в материнской клетке, но гиперэкспрессия этого белка, хотя и продлевает жизнь, но не влияет на процесс сегрегации. Недавно полученные данные указывают на то, что Sir2 увеличивает продолжительность жизни за счет поддержания генов теломер в неактивном состоянии. Этот механизм защиты от старения, скорее всего, имеет значение для не имеющих кольцевых ДНК многоклеточных организмов.

В условиях окислительного стресса SIRT1 млекопитающих непосредственно деацетилирует белки FOXO, в результате их мишенью становится ген, участвующий в формировании устойчивости к стрессу. Судя по всему, окислительный стресс оказывает аналогичное влияние и на C.elegans, так как он стимулирует связывание SIR-2.1 и DAF-16 и может увеличивать продолжительность жизни червей посредством SIR-2.1- и DAF-16-зависимого механизма. Сиртуины способны деацетилировать факторы транскрипции семейства FOXO. При этом долгожительство организмов, имеющих мутации, нарушающие работу опосредуемого инсулином и IGF-1 сигнального механизма, не требует участия Sir2.1, поэтому логично предположить, что у круглых червей сиртуины влияют на функционирование DAF-16/FOXO и продолжительность жизни независимо от указанного сигнального механизма. Аналогичная закономерность распространяется и на другой регулятор стресс-реакции – киназу Jun-1 (JNK-1), продлевающую жизнь круглым червям и мухам-дрозофилам путем фосфорилирования DAF-16/FOXO. Однако (по крайней мере, у дрозофил) JNK-1 модулирует активность белка липокаина, который, в свою очередь, влияет на работу сигнального механизма, опосредуемого инсулином и IGF-1.

Долгоживущие линии мух-дрозофил, для которых характерна гиперэкспрессия SIR2, также отличаются гиперэкспрессией белка-шаперона, предотвращающего запуск опосредованной SIR2 клеточной гибели. Поэтому подтверждение способности SIR2 увеличивать продолжительность жизни дрозофил требует дальнейших исследований. Неизвестно также, играет ли фактор транскрипции FOXO какую-либо роль в долголетии этих насекомых, однако, судя по всему, в этом механизме задействованы гистоновая деацетилаза RPD3 и белок-супрессор опухолевого роста р53.

На сегодняшний день нет доказательств способности сиртуинов продлевать жизнь млекопитающих. В рамках одной аккуратно спланированной работы (Pearson, K.J. et al., “Resveratrol delays age-related deterioration and mimics transcriptional aspects of dietary restriction without extending life span” // Cell Metab. 8, 157–168 (2008)) ученые продемонстрировали, что ресвератрол (resveratrol) – растительный полифенол, усиливающий влияние сиртуинов на многие процессы, продлевает жизнь мышей, содержащихся на богатой жирами диете, однако не оказывает влияния на продолжительность жизни животных, употребляющих обычный корм. Взаимоотношения между сиртуинами и ресвератролом сложны и малоизучены, поэтому эти данные не означают, что сиртуины не оказывают влияния на продолжительность жизни млекопитающих, а свидетельствуют о необходимости дальнейшего изучения этого вопроса.

Все варианты низкокалорийной диеты, кроме умеренного хронического (в течение всей жизни) голодания, вызывают выраженное увеличение продолжительности жизни C.elegans, не имеющих функционального гена sir2.1. В экспериментах на мухах-дрозофилах протестирована только одна модель голодания, в реализации влияния которой на продолжительность жизни насекомых задействованы сиртуины. Хроническое голодание также не оказывает влияния на продолжительность жизни мышей в отсутствие белка SIRT1. Учитывая то, что сиртуины являются сенсорами питательных веществ, можно утверждать, что – по крайней мере у мышей – в условиях голодания эти белки выполняют важные функции (в некоторых случаях совершенно неожиданные) в регуляции широкого спектра метаболических механизмов, а также механизмов развития стресс-реакций.

Снижение активности дыхания

Умеренное снижение активности клеточного дыхания продлевает жизнь многим организмам, в том числе дрожжам, круглым червям, мухам-дрозофилам и мышам. Это утверждение противоречит данным, согласно которым активное дыхание способствует долголетию в условиях голодания. Однако, возможно, активизация дыхания увеличивает продолжительность жизни по одной причине и уменьшает – по другой. В пользу этой идеи свидетельствует то, что низкокалорийная диета повышает устойчивость организма к неблагоприятным факторам окружающей среды, а подавление дыхания не оказывает такого эффекта. В любом случае, эти данные объясняют классический природный феномен – выраженную корреляцию между скоростью обмена веществ млекопитающих (снижающуюся по мере увеличения размера организма) и продолжительностью жизни (как правило, чем крупнее организм, тем дольше он живет). Возможно, бОльшая продолжительность жизни крупных млекопитающих частично обусловлена более медленным обменом веществ. Существуют исключения, которые, однако, не опровергают это правило, так как их можно объяснить участием других механизмов. Например, собаки маленьких пород живут дольше крупных собак благодаря низким уровням IGF-1.

У дрожжей, круглых червей и в клетках млекопитающих подавление клеточного дыхания запускает сохранившуюся в ходе эволюции так называемую «ретроградную реакцию», заключающуюся в стимуляции работы генов, активирующих альтернативные механизмы выработки энергии, а также механизмы защиты клеток. При этом мутации, полностью предотвращающие развитие «ретроградной реакции» либо блокирующие работу отдельных задействованных в ней генов, предотвращают увеличение продолжительности жизни дрожжей и круглых червей. Интересно, что увеличение продолжительности жизни круглых червей (но не дрозофил) происходит при снижении активности дыхания в процессе развития организма, что указывает на участие феномена молекулярной памяти. Аналогичная ситуация наблюдается у мышей. Кроме того, подавление дыхания нейронов продлевает жизнь, по крайней мере, мухам-дрозофилам. Это говорит о том, что и в данном случае имеет место неавтономная клеточная реакция.

Сигналы репродуктивной системы

Известно, что спаривание укорачивает жизнь животные некоторых видов. Это подтверждает идею, согласно которой животное вынуждено «выбирать», на что ему лучше расходовать имеющиеся ресурсы: на размножение или долгую жизнь. Однако многие из идентифицированных в последнее время механизмов продления жизни практически (или вообще) не оказывают влияния на репродуктивную функцию. Более того, многие из долгоживущих мутантов оставляют после себя больше потомства, чем нормальные животные. А наблюдение за рыбками гуппи показало, что удаление хищников, в естественных условиях оказывающих на них сильное давление, увеличивает не только продолжительность жизни, но и количество потомков. Таким образом, долголетие не всегда покупается ценой отказа от размножения.

Удаление всей репродуктивной системы не влияет на продолжительность жизни C.elegans, тогда как удаление только половых клеток увеличивает ее на 60%.

Возможно, это обусловлено тем, что сигналы половой системы о «неготовности» организма к размножению откладывают его старение. Судя по всему, этот механизм также появился на ранних этапах эволюции, поскольку подавление митоза и стимуляция мейоза половых клеток увеличивает продолжительности жизни как у червей, так и у мух. Более того, в обоих случаях наблюдается повышение активности задействованного в механизмах продления жизни фактора транскрипции FOXO.

Утрата половых клеток активирует DAF-16/FOXO посредством особого механизма, не имеющего отношения к сигнальному пути, опосредуемому инсулином и IGF-1. Для его запуска необходимы вспомогательный белок KRI-1 и гомолог транскрипционного фактора элонгации/сплайсинга TCER-1. Утрата половых клеток значительно продлевает жизнь и без того долгоживущих daf-2-мутантов, что указывает на синергичность действия этих двух механизмов. Эффекты утраты половых клеток на организм опосредованы действием половых гормонов и не идентифицированных на данный момент сигналов, активирующих экспрессию гена TCER-1. Активировать описанный механизм можно и без удаления половых клеток. Так, например, гиперэкспрессия TCER-1 продлевает жизнь червей, не нарушая их репродуктивной функции.

Репродуктивная система млекопитающих также может оказывать влияние на продолжительность жизни. Трансплантация старым мышам яичников молодых особей продлевает им жизнь. Женщины по мере старения постепенно утрачивают половые клетки, при этом удаление соматических тканей яичников значительно повышает их смертность от разных причин. На сегодняшний день еще слишком рано говорить о взаимосвязи или простом совпадении между описанным феноменом и ситуацией, наблюдаемой у C.elegans, однако это, определенно, наводит на размышления.

Теломеры

Теломеры укорачиваются с возрастом и оказывают влияние на старение организма, однако их действие отличается от действия описанных ранее механизмов. Генетически модифицированные мыши с аномально длинными теломерами живут дольше нормальных животных, однако только при условии, что проделанные над их геномом манипуляции обеспечивают их устойчивость к злокачественным заболеваниям. Низкокалорийная диета, изменение работы сенсоров питательных веществ и снижение активности клеточного дыхания также подавляют рост опухолей. (Мутации, увеличившие продолжительность жизни в ходе эволюции, также, возможно, предотвращали развитие рака, частота возникновения которого тесно связана с физиологическим старением многих видов.) Все эти факты указывают на то, что удлинение теломер увеличивает продолжительность жизни не за счет смещения метаболизма в сторону защитного физиологического состояния, а за счет какого-то иного механизма, например, замедленного сокращения популяции стволовых клеток. Было бы очень интересно узнать, приведет ли комбинация удлинения теломер и низкокалорийной диеты или мутаций генов рецепторов питательных веществ к заметному росту продолжительности жизни без рака?

Причины старения

Несмотря на все усилия ученых, ряд аспектов старения продолжает оставаться под покровом тайны. Одной из таких загадок является собственно причина старения.

С возрастом белковый гомеостаз организма нарушается, что ведет к накоплению макромолекулярных повреждений, традиционно считающихся причиной старения. Однако однозначных доказательств этой теории нет и неизвестно, какие именно повреждения запускают процессы старения. Основными претендентами считаются повреждения, вызываемые активными формами кислорода (АФК), являющимися побочными продуктами клеточного дыхания. Многие долгоживущие мутанты устойчивы к окислительному стрессу. Тестирование клеток млекопитающих, отличающихся большой продолжительностью жизни, в лабораторных условиях также продемонстрировало их высокую стрессоустойчивость. Однако, учитывая то, что дыхательная цепь прошла многовековую эволюцию, логично предположить, что параллельно ей эволюционировали и механизмы нейтрализации ее токсичных побочных продуктов.

В последние годы теория о роли активных форм кислорода в процессах старения претерпела фундаментальные изменения. Во-первых, установлено, что небольшое количество активных форм кислорода может быть полезно для организма и, в определенных условиях, даже продлевает жизнь круглым червям. Физическая нагрузка активирует в клетках человека АМФ-киназу, стимулирующую усвоение содержащейся в крови глюкозы. Антиоксиданты предотвращают стимуляцию усвоения глюкозы, что указывает на возможное участие в этом процессе активных форм кислорода. Гиперэкспрессия антиоксиданта супероксиддисмутазы (СОД) продлевает жизнь мухам-дрозофилам, однако она стимулирует экспрессию множества генов-мишеней FOXO, что указывает на роль этого фермента в запуске опосредуемого FOXO сигнального механизма. Инактивация генов супероксиддисмутазы повышает уровень окислительных повреждений, однако не уменьшает, а даже увеличивает продолжительность жизни, тогда как прием антиоксидантов снижает количество окислительных повреждений без увеличения продолжительности жизни. Несмотря на существование у многих долгоживущих мутантов взаимосвязи между устойчивостью к стрессу и долголетием, в ряде случаев продемонстрирована независимость этих феноменов друг от друга. Ни один из перечисленных фактов не подтверждает идею, согласно которой молекулярные повреждения вызывают старение. Они даже частично опровергают ее, так как в каждом случае действительной причиной может быть совсем другой тип повреждений.

Ключевые моменты времени

В определенном возрасте у большинства людей развивается дальнозоркость и происходит перераспределение жира в организме, у женщин наступает менопауза. Почему эти изменения у всех происходят примерно в одном и том же возрасте? Одним из возможных объяснений является то, что со временем в организме снижается уровень агентов, регулирующих скорость старения, и достижение им определенного порога запускает различные механизмы старения. У C.elegans идентифицированы гены, экспрессия которых меняется с возрастом. Многие из этих генов содержат центр связывания фактора транскрипции GATA, связывающий и фактор DAF-16/FOXO. DAF-16, в свою очередь, во взрослом возрасте регулируется микроРНК lin-4, которая управляет наступлением очередного этапа развития в более раннем возрасте. Возможно, эта микроРНК (или какой-либо другой фактор) изменяет активность DAF-16 или GATA, управляя при этом процессом старения. У дрожжей и мышей активность сиртуинов и уровень сиртуин-зависимых модификаций хроматина снижается со временем, что уменьшает продолжительность жизни, по крайней мере, дрожжей. У млекопитающих по мере старения растет содержание в крови сигнальных белков семейства Wnt, что запускает старение мышечных стволовых клеток.

Из других возможных механизмов управления процессами старения специалисты отмечают регуляторный каскад, запускаемый белковым продуктом гена period (per) – одного из белков, обеспечивающих работу биологических часов организма. Эту гипотезу подтверждает преждевременное старение мышей, имеющих мутации генов, кодирующих факторы транскрипции, задействованные в формировании суточных ритмов.

Как остановить часы?

В литературе описан случай девочки, которой на сегодняшний день 17 лет, однако она до сих пор остается младенцем. Причина остановки ее роста и развития неизвестна. Неизвестно также станет ли она когда-нибудь взрослой. Возможно, она откроет человечеству какую-то совершенно новую информацию.

Случайные факторы

Помимо генов и окружающей среды, на скорость старения организма влияют различные случайные факторы. Продолжительность жизни не является постоянным параметром даже для генетически идентичных организмов. Возможно, какое-то нарушение метаболизма или экспрессии гена-регулятора запускает ускоряющий старение каскад событий. Для изучения влияния стохастических факторов на продолжительность жизни необходимо идентифицировать маркер, уже на ранних этапах развития прогнозирующий скорость старения, отсортировать животных в зависимости от экспрессии этого маркера и проанализировать особенности особей каждой из получившихся групп. На основании полученных результатов можно будет строить различные гипотезы и тестировать их.

Значительное увеличение продолжительности жизни

Снижение активности клеточного дыхания увеличивает и без того значительную продолжительность жизни линий C.elegans с мутациями гена daf-2 в два раза, а манипуляции над репродуктивной системой – в шесть раз. Полное блокирование одного из этапов сигнального механизма, опосредуемого инсулином и IGF-1, вводит C.elegans в состояние своего рода «спячки» (dauer stage), обычно обеспечивающее выживание личинок в неблагоприятных условиях. После выхода из этого состояния черви развиваются во взрослых особей, живущих в десять раз дольше нормальных. Продолжительность жизни долгоживущих линий мышей менее впечатляюща, однако комбинирование мутаций и низкокалорийной диеты позволяет добиться почти двукратного ее увеличения. Механизмы, лежащие в основе этих феноменов, совершенно неясны, и только их детальное изучение позволит получить ответы на многие вопросы.

Эволюция создала огромный спектр продолжительности жизни, которая, возможно, является «легко изменяемым» признаком. Можно ли быстро изменить продолжительность жизни с помощью мутаций регуляторных генов? Известно, что мутации гена IGF-1 обеспечивают долгую жизнь собак маленьких пород. Существует гипотеза, согласно которой мутации, влияющие на активность клеточного дыхания, способствовали увеличению продолжительности жизни крупных млекопитающих. Дальнейшие исследования могут выявить неизвестные ранее взаимосвязи между лабораторными мутациями и эволюционными причинами долголетия.

Перспективы клинического применения

До недавнего времени возможность значительного увеличения продолжительности жизни казалась совершенно нереальной. Однако сегодня мы имеем убедительные доказательства обратного: линии здоровых, долгоживущих круглых червей, мух-дрозофил и мышей.

Существует официально одобренный для клинического применения препарат-ингибитор TOR рапамицин (rapamycin), продлевающий жизнь мышей даже при начале терапии в преклонном возрасте. Однако, по крайней мере на сегодняшний день, Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) не считает пожилой возраст как таковой показанием к началу лечения. Поэтому подобные препараты могут получить официальное одобрение только в случае их эффективности в лечении того или иного заболевания. Рапамицин является иммуносупрессантом, что, возможно, нейтрализует его влияние на продолжительность жизни. Еще один официально одобренный препарат из группы ингибиторов фарнезилтрансферазы (FTI) обезвреживает аномальный ядерный белок ламин А, вызывающий характеризующуюся преждевременным старением болезнь Гетчинсона-Гилфорда. В процессе нормального старения в ядрах происходит накопление аномального ламина, что указывает на потенциальную возможность использования этого препарата для продления молодости.

Препараты, воздействующие на белок-переносчик холестерина, низкая активность которого генетически взаимосвязана с исключительным долголетием, в настоящее время проходят клинические исследования в качестве средств профилактики сосудистых заболеваний. Также находящиеся на стадии разработки препараты для лечения ассоциированных с возрастом заболеваний, в том числе противоопухолевые средства, блокирующие активность IGF-1, теоретически могут не только улучшить состояние здоровья в целом, но и увеличивать продолжительности жизни.

В целом потенциал, а также возможные серьезные побочные эффекты подобных препаратов на сегодняшний день неизвестны. Однако поиск веществ и методов, воздействующих на уже известные и пока еще не открытые гены и сигнальные пути, связанные со старением, продолжается. Дождёмся ли результатов мы с вами – другой вопрос…

Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Nature: Cynthia J. Kenyon, The genetics of ageing.

13.04.2010