Старение и гены - Москалев А.А.

15.11.2014

Год выпуска: 2008

Автор: Москалев А.А.

Жанр: Генетика

Формат: PDF

Качество: OCR

Описание: Идея написания книги «Старение и гены» возникла у автора после прочтения таких фундаментальных трудов, как «Молекулярные и физиологические механизмы старения» проф. Владимира Николаевича Анисимова (2003), «Стресс, старение и их биохимическая коррекция» Игоря Николаевича и Германа Игоревича Тодоровых (Тодоров, Тодоров, 2003). Кроме того, побудительной причиной была необходимость всестороннего анализа собственных экспериментальных работ в области стресс-индуцированного старения и гормезиса (влияния ионизирующей радиации, нарушения светового режима и индукции стерильности на продолжительность жизни дрозофил) в контексте современных достижений генетики старения и продолжительности жизни.

Анализ изменения функций при старении (плодовитости, подвижности, памяти) демонстрирует, что различные органы и ткани подвергаются возрастзависимым нарушениям с разной скоростью (Helfand, Inouye, 2002; Girardot et al., 2006). Кроме того, длительность жизни варьирует от особи к особи, что, по-видимому, обусловлено внешними и стохастическими причинами. Даже генетически сходные или идентичные особи могут иметь различные траектории продолжительности жизни (например, рабочие особи и матки общественных насекомых). Различия в долгожительстве между разными видами составляют несколько порядков: 106 — между всеми таксонами (от дрожжей до сосны долговечной) и 102 — внутри одного класса (от бурозубок до гренландского кита, от почвенных нематод до паразитических) (Finch, 1998; Miller, 2001). Возрастные изменения могут различаться по скорости: быть медленными (у некоторых губок, деревьев, глубоководных рыб, черепах), постепенными (у человека) или внезапными (у лососей) . Существуют также практически нестареющие виды и виды с «отрицательным старением» — когда плодовитость и размеры с возрастом увеличиваются (Finch, 1998; Vaupel et al., 2004). При этом возникают вопросы: есть ли в природе место для генетической обусловленности продолжительности жизни на фоне такого разнообразия вариантов старения? Что является основным субстратом старения и возможно ли его замедление?
До середины 90-х годов XX века считалось, что мы знаем ответы: в геронтологии доминировала концепция износа, пассивного снижения функционирования с возрастом (гипотеза «катастрофы ошибок», свободнорадикальная теория, гипотеза соматического мутагенеза). Кроме того, основные эволюционные теории старения подразумевали, что «гены старения» не могут возникнуть в естественных условиях, когда до старости доживают единицы и их генетический вклад в популяцию минимален.
Последние достижения молекулярной генетики, клинической эпидемиологии и демографии подготовили почву для смены парадигмы. Экспериментальные исследования, проведенные на модельных организмах (дрожжах, нематодах, дрозофилах, грызунах), показали реальную возможность увеличения стрессоустойчивости и продления активной жизни в результате гипоморфных мутаций, делеций или сверхэкспрессии отдельных генов. Как оказалось, многие регуляторные пути, контролирующие продолжительность жизни модельных животных, являются эволюционно консервативными. Картирование некоторых локусов исключительного долгожительства у человека подтвердило эту точку зрения. Мы также близки к пониманию основ самого старения. Детально изучены старение на молекулярном (модификации ДНК, белков и липидов) и клеточном (репликативное и стресс-индуцированное старение) уровнях, а также роль дерегуляции апоптоза и генетической нестабильности в возрастных патологиях. В настоящее время намечается переход от понимания старения как пассивного накопления ошибок к представлениям о регуляторных эпигенетических изменениях, влияющих на экспрессию генов (повреждение промоторов генов, деметилирование ДНК и гистонов, компенсаторный ферментативный стресс-ответ). В целом эти эпигенетические процессы уже не выглядят спонтанными, поскольку воспроизводятся от индивидуума к индивидууму (хотя и с поправкой на биологический возраст) и зачастую предшествуют возрастным проявлениям нарушения функций.
Вполне вероятно, что небольшое количество регуляторных генов может либо непосредственно контролировать продолжительность жизни, либо делать это в ответ на внешнесредовые стимулы (Helfand, Inouye, 2002). Роль генов в процессах старения обсуждается давно, начиная с эволюционных теорий Медавара (Medawar, 1946, 1952), Вильямса (Williams, 1957) и Кирквуда (Kirkwood, 1977), однако явных успехов в данной области до последнего времени добиться не удавалось. Было известно лишь то, что наследуемость продолжительности жизни, как правило, не превышает 30 %, т. е. соответствует наследованию полигенного количественного признака (наподобие роста или массы тела).
Генетика старения человека долгое время была ограничена методически, поскольку классические методы к данному объекту не применимы. В последнее время наметился определенный прогресс, в частности, благодаря появлению молекулярно-генетических методов работы с культурами клеток человека, картированию ряда локусов долгожительства у лиц в возрасте 90—100 лет и старше (ниже — столетние индивидуумы), и сравнению экспрессии генов различных тканей (мозга, мышц, печени, почек) стареющих и молодых индивидуумов. Была выявлена роль генотоксического и оксидативного стрессов в старении клеток человека; установлено, что при старении органов происходит репрессия около 1 % генов, начинающаяся довольно рано (после 40 лет); показана роль регуляции липопротеинового обмена и чувствительности к инсулину в долгожительстве (Lu et al., 2004; Englander, Ma, 2006; Zahn et al., 2006). Появляется вполне обоснованная надежда, что разработанных подходов уже достаточно, чтобы вскоре сделать человека главным генетическим объектом при исследовании механизмов старения.
Как оказалось, активные формы кислорода, возникающие в результате случайных ошибок в работе митохондрий, повреждают митохондриальный геном и внутреннюю мембрану этих органелл (Zhang, Herman, 2002; Balaban et al., 2005; Rand et al., 2006). Свободные радикалы, образуясь в достаточном количестве, модифицируют липиды, белки и, что часто необратимо, наследственный аппарат клетки (Martin, Grotewiel, 2006). Часть таких изменений носит регуляторный характер: например, ингибирование фосфатаз, контролирующих внутриклеточный сигналинг, т. е. цепь событий, запускаемых цитокином или гормоном (Giorgio et al., 2007). Промоторы генов ядра, которые в соответствии со своей природой богаты легко повреждаемыми GC-последовательностями, под действием свободных радикалов получают трудно репарируемые нарушения, что приводит к возрастзависимому выключению ряда чувствительных к оксидативному стрессу генов (Lu et al., 2004).
Помимо этого процесса в пролиферирующих тканях (красный костный мозг, эпителий кожи и кишечника) в результате стресс-активации ингибиторов циклинзависимых киназ (р21 и р16) запускается механизм, останавливающий клеточный цикл, что делает невозможным регенерацию (Patil et al., 2005; Herbig, Sedivy, 2006; Matheu et al., 2007). Схожие процессы затрагивают даже стволовые клетки, ранее считавшиеся нестареющими (Geiger et al., 2005; Sharpless, DePinho, 2007). Генетический анализ частичных синдромов преждевременного старения у человека (прогерия Хатчинсона—Джилфорда, синдром Вернера, атаксия—телеангиэктазия) выявил роль нарушения структуры хроматина и нестабильности генома в старении и в возрастных патологиях (Woodruff, Thompson, 2003; Du et al., 2004; Kurz, 2004; Carter et al., 2005; Hofer et al., 2005; Scaffidi et al., 2005).
При выяснении роли генов в регуляции старения неоценимую роль сыграли модельные генетические организмы (дрожжи, нематоды, дрозофилы, грызуны). В общей сложности на этих объектах удалось выявить около ста консервативных в эволюции генов, мутации в которых существенно (иногда в несколько раз) изменяют длительность жизни. Наибольший интерес представляют гены, мутации в которых увеличивают продолжительность жизни. Показано, что некоторые из них в различных аллельных вариантах принимают участие и в естественном варьировании продолжительности жизни.
Одним из таких механизмов является инсулиновый сигналинг. Так, мутация в рецепторе инсулина у нематод в 2 раза продлевает жизнь. Исследование этого феномена выявило механизм долгожительства. В ответ на внешнесредовые стимулы (обилие пищи, обонятельные и вкусовые сигналы) инсулиновый сигналинг в нервной ткани запускает каскад реакций, в том числе опосредованных вторичными гормонами, приводящий к активному росту и развитию организма, а также к готовности репродуктивной системы к размножению. Однако при этом происходит подавление транскрипционных факторов семейства FOXO, контролирующих стресс-ответ (через индукцию белков теплового шока, митохондриальной супероксиддисмутазы, ферментов репарации ДНК) и регулирующих состав липопротеинов. В результате ускоряются процессы старения и снижается продолжительность жизни. В условиях неблагоприятной внешней среды (температурный стресс, перенаселение) инсулиновый и TOR-сигналинг подавляются, угнетаются процессы роста и размножения (Kaeberlein et al., 2005c; Baumeister et al., 2006). Одновременно индуцируются параллельные пути SIRT и JNK, в результате чего реактивируется FOXO, что позволяет увеличить общую стрессоустойчивость организма и продолжительность жизни. При этом, как следствие, мобилизуются все возможности организма, происходит продление жизни для пережидания неблагоприятных условий, чтобы позже приступить к размножению (Guarente, Kenyon, 2000; Partridge et al., 2005a). Данный механизм имеет место не только у примитивных животных, но, по-видимому, и у млекопитающих. Например, пептидный гормон Klotho, мутация в гене которого приводит к уменьшению продолжительности жизни мышей, служит одним из позитивных регуляторов FOXO и контролирует окислительный стресс (Kurosu et al., 2005; Yamamoto et al., 2005).
На модельных животных свободнорадикальная теория старения также получила свое развитие. Оксидативный стресс является неотъемлемой частью клеточного старения. Репрессия или сверхэкспрессия генов ферментов антиоксидантной защиты существенно изменяет продолжительность жизни (Bayne et al., 2005; Orr et al., 2005). Однако не стоит преувеличивать их роль в естественном старении. Аналогично действуют и мутации генов белков теплового шока и ферментов репарации ДНК (Wang et al., 2003; Morrow et al., 2004; Olsen et al., 2006).
Таким образом, в последние несколько лет достигнуты значительные успехи в осмыслении генетических механизмов старения и долгожительства, благодаря чему наметились мишени для фармакологической коррекции старения и возрастзависимых заболеваний у человека.
Какова конечная цель таких исследований? После того как генетические механизмы регуляции старения будут изучены, наступит этап разработки методов замедления старения, позволяющих предотвращать развитие возрастзависимых патологий. Цель написания данной работы заключается в обзоре и систематизации достижений генетики старения и продолжительности жизни последних лет. Нами были поставлены следующие ключевые задачи:

обобщить эволюционные, клеточные и молекулярно-биохимические взгляды на природу генетической регуляции продолжительности жизни;
рассмотреть имеющиеся эволюционные и феноменологические классификации генов продолжительности жизни и предложить новую — функциональную;
исследовать достижения, методические особенности, преимущества и недостатки основных объектов генетики старения — дрожжей, нематод, дрозофил, грызунов; обсудить успехи генетики старения человека;
проанализировать основные процессы, плейотропно влияющие на скорость старения, — репликативное и стресс-индуцированное клеточное старение, поддержание стабильности генома и апоптоз;
рассмотреть генетические механизмы стрессоустойчивости и гормезиса, обеспечивающие возможность продления жизни при их активации молекулярно-генетическими манипуляциями или внешнесредовыми воздействиями;
всесторонне отразить возможные пути взаимодействия репродукции и старения, механизмы полового диморфизма продолжительности жизни.

Книга «Старение и гены» не была бы возможна без обсуждения затронутых вопросов с коллегами — геронтологами и генетиками А. М. Оловниковым, Е. Г. Пасюковой, А. В. Халявкиным и М. В. Шапошниковым, со студентами и аспирантами И. О. Велегжаниновым, Е. В. Турышевой, А. С. Яцкивом, О. А. Малышевой, Е. Н. Плюсниной и А. И. Шептяковой, а также с оппонентом моих диссертаций А. П. Акифьевым. Выражаю глубокую признательность за поддержку директору Института биологии Коми НЦ УрО РАН А. И. Таскаеву, ответственному редактору В. Н. Анисимову и рецензентам Ю. С. Оводову, В. С. Баранову и В. Г. Зайнуллину за глубокий анализ монографии, а также И. В. Рапоте, которая взяла на себя труд высказать замечания о рукописи.
Особая благодарность моей матери, Москалевой Н. И., за терпение и поддержку.

Содержание книги

«Старение и гены»

Введение в генетику старения