90178 (Горячие точки современной геронтологии)

Горячие точки современной геронтологии

Владимир Николаевич Анисимов, д.м.н., проф., рук. отд. канцерогенеза и онкогеронтологии НИИ онкологии им.Н.Н.Петрова, СПб

Перспективы биологии: от ложного знания - к истинному невежеству.

В.Я.Александров

За последние 160 лет ожидаемая продолжительность жизни в экономически развитых странах постоянно увеличивалась со средней скоростью 3 мес/год, и нет никаких оснований полагать, что эта тенденция изменится в ближайшее время [1]. Более того, стремительно растет число лиц, проживших 100 и более лет. В некоторых странах Европы их количество удваивается каждые 10 лет. Растет число долгожителей и в России. Например, в Санкт-Петербурге в 1979 г. было 92 жителя, перешагнувших 100-летний рубеж, в 1996 г. - 150, а в 2001 г. - уже 369 [2]. По данным ООН, наиболее быстро растущий сегмент старческой популяции - лица 80 лет и старше. Такое глобальное постарение населения сопряжено с проблемой качества жизни в пожилом возрасте. Все это определяет возросший интерес к геронтологии, и прежде всего - к изучению первичных механизмов старения организмов и популяций, а также факторов, определяющих продолжительность жизни.

До настоящего времени обсуждается вопрос, можно ли разделить нормальное, или физиологическое старение (без болезней) и патологическое старение, непосредственно связанное с такими заболеваниями, как рак, болезни сердца и сосудов, остеопороз, остеоартрит, сахарный диабет и некоторыми нейродегенеративными заболеваниями (болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона и др.) *.

* Термины, используемые для описания старения, довольно неточны, поскольку нет общепринятого определения самого процесса. В англоязычной литературе имеются два термина - aging и senescence, и хотя оба переводятся на русский язык одним словом старение, но в отечественной литературе aging обычно соответствует нормальному, или физиологическому старению, а senescence определяют как патологическое старение.

Этой проблемой уже более 40 лет занимается Балтиморский проект по старению (Baltimore Longitudinal Study on Aging, BCLA) Национального института старения США, в рамках которого ведутся наблюдения за группами здоровых людей на протяжении их жизни. Поскольку возрастная динамика показателей весьма варьирует от человека к человеку, практически невозможно оценить степень старения отдельного индивидуума, основываясь на измерении одной или нескольких биохимических, физиологических или физических характеристик. Поэтому до сих пор и нет универсальных тестов для определения биологического возраста, сопоставимого по надежности с хронологическим.

Благодаря работе BCLA выяснилось, что большинство измеряемых показателей меняется с возрастом постепенно, тогда как скачкообразные изменения скорее характерны для ассоциированной с возрастом патологии. Различают заболевания, ассоциированные со старением (aging-dependent), или с возрастом (age-dependent). Так, некоторые генетически детерминированные заболевания (например, болезнь Хантингтона) зависят от возраста, поскольку проявляются в предсказуемые годы. Изменения, связанные с нормальным старением, могут играть существенную роль в развитии той или иной патологии. Поэтому весьма важно отличать непатологические возрастные изменения (например, поседение волос) от способствующих развитию одного или нескольких патологических процессов (например, накоплению оксидативных повреждений) и вызывающих или указывающих на заболевание (например, образование амилоидных бляшек в мозге как фактор риска болезни Альцгеймера). Такое разграничение необходимо для выбора профилактических мер против преждевременного старения и возрастной патологии.

В короткой журнальной статье невозможно осветить даже бегло основные направления исследований современной фундаментальной геронтологии, поэтому отошлем читателя к соответствующей литературе [3, 4]. Мы коснемся лишь наиболее “горячих точек” в этой области, которая, по мнению журнала "Science", станет в ближайшие 25 лет одной из наиболее приоритетных научных дисциплин.

Поиск генов старения и долголетия

Пpодолжительность жизни животных и человека существенно pазличается у pазных видов. Этот показатель варьирует в 1 млн раз среди всех видов и от 10 до 50 раз внутри групп с одинаковым уровнем организации. Cреди млекопитающих рекорд долгожительства принадлежит одной из пород китов (свыше 200 лет), лабораторные грызуны живут не более двух-трех лет, а многие другие грызуны такого же размера - до 5-10 лет и более. Поскольку видовая максимальная продолжительность жизни коррелирует со скоростью развития, есть основания полагать, что имеются сходные механизмы развития и старения, которые видоспецифичны и генетически запрограммированы. Генетический код человека и шимпанзе сходен на 98%, однако человек живет до 122 лет, а шимпанзе до 56 лет. Очень небольшое число генов может определять различия между ними в стратегии развития и скорости физиологического старения [5].

Оценить наследуемость долгожительства у человека можно, наблюдая за членами одной семьи, включая пpиемных детей (для учета pоли условий сpеды). Результаты большинства исследований долгожительства у близнецов показывают, что наследуемость продолжительности жизни у человека не превышает 50%. По данным шведских геронтологов, изучавших большую группу близнецов, воспитывавшихся в разных семьях, одна треть изменчивости в общей смертности обусловлена генетическими факторами. На пpодолжительность жизни близнецов могут влиять специфические гены, напpимеp опpеделяющие пpедpасположенность к ожиpению или атеpосклеpозу. Вместе с тем получены данные, свидетельствующие о большей наследуемости долгожительства. Так, потомки столетних имели в четыре раза большую вероятность прожить 85 лет и более, чем дети тех, кто умер до 73 лет [4].

Сегодня довольно распространена точка зрения, согласно которой генетическая программа развития исчерпывается репродуктивным успехом (т.е. рождением потомства), а выживание организма после завершения репродуктивной функции если и опосредовано геномом, то весьма косвенно [4]. Ряд недавних публикаций, касающихся связи между возрастом рождения детей и продолжительностью жизни родителей, привлек к этой проблеме пристальное внимание. Показано, что женщины, прожившие 100 и более лет, в четыре раза чаще рожали детей после 40 лет, чем прожившие не более 73 лет [6]. По мнению авторов, поздняя менопауза может быть фактором, способствующим долголетию.

Анализ данных о количестве детей и возрасте их родителей в семьях британских аристократов выявил, что эти показатели коррелируют с продолжительностью жизни [7]. Среди умерших в молодом возрасте (до 20 лет) две из каждых трех женщин были бездетными, а среди проживших более 80 лет таких было менее трети. Ранние роды и большое число детей негативно сказывались на продолжительности жизни женщины. Возраст первых родов был наименьшим у умерших рано и наибольшим у проживших более 80 лет. Больше шансов дожить до 100 лет имели родившие первенца после 40 лет. Интересно, что и мужья жили дольше, если число произведенных ими детей было не слишком велико (а дрозофилы жили дольше, если им не позволяли размножаться). Продолжительность жизни дочерей больше связана с продолжительностью жизни матери, чем отца; у сыновей эта зависимость значительно менее выражена и не определяется полом родителей.

В последние годы существенный прогресс в изучении генетики старения обусловлен работами на беспозвоночных. Популярной моделью стала нематода (Caenorhabditis еlegans), которая живет около 20 дней. Черви размножаются гермафродитическим самооплодотворением, что обеспечивает формирование генетически однотипных популяций. C помощью химических мутагенов или методов генной инженерии получили червей с большей на 50% средней и в два раза большей максимальной продолжительностью жизни, чем у их предшественников. Наличие таких популяций нематод убедительно свидетельствует о генетическом контроле темпа старения. Идентифицирован ген age-1, модификация или супрессия продукта которого увеличивает продолжительность жизни [4]. Этот ген контролирует целую группу генов, имеющих отношение к продолжительности жизни (daf-2, daf-23, spe-26, clk-1). Так, уменьшение активности гена daf-2 (гомолога гена рецептора инсулина) в два раза увеличивает продолжительность жизни нематод.

Другая хорошая модель для геронтологов - плодовая мушка Drosophila melanogaster. Как и в случае с нематодой, получены мутанты дрозофилы, имеющие разную продолжительность жизни. Особи с увеличенным числом копий генов ферментов супероксиддисмутазы (sod1) и каталазы жили на 20-37% дольше обычных, а мухи с избыточными копиями генов лишь одного из этих ферментов антиокислительной защиты таким эффектом не обладали [8]. Трансгенные дрозофилы с избыточной экспрессией гена sod1 в мотонейронах жили на 40% дольше и были значительно устойчивее к окислительному стрессу, чем мухи, не имевшие этого гена [9].

У дрозофил, как и у нематод, система передачи сигнала от инсулина и инсулинподобного фактора-1 (IGF-1) также регулирует размеры тела и продолжительность жизни (рис.1). Так, мутации в регуляторном участке гена гомолога рецептора инсулина (chico) увеличивали продолжительность жизни мух на 45%. Мухи, гетерозиготные по двум различным мутациям в этом гене, жили на 85% дольше, чем дрозофилы дикого типа [10]. Оба типа мутаций в этом гене также сопровождались усилением активности фермента супероксиддисмутазы.

Рис. 1. Схемы передачи сигнала инсулина у нематоды, плодовых мух и млекопитающих.

Хотя параллели между системами регуляции инсулина у нематод и плодовых мух весьма отчетливы, но есть и определенные различия. Так, линия дрозофил c мутацией, названная mth (“мафусаилова” от Methuselach - Мафусаил) не только увеличивала их продолжительность жизни на 35%, но и повышала устойчивость к стрессу, вызванному самыми различными факторами: голоданием, нагреванием или добавлением в корм параквата - генератора активных форм кислорода [11].

С помощью методов генной инженерии получены линии мышей с увеличенной продолжительностью жизни. Гомозиготные мыши с “выключенным” геном рецептора гормона роста (ghr-/-) живут значительно дольше, чем гетерозиготные (ghr+/-) или дикого типа (ghr+/+). У мышей ghr-/-, пропорциональных карликов, замедлен рост, уменьшены длина костей и содержание костных минералов, нет рецептора гормона роста и белка, связывающего его, снижено содержание в крови инсулин-подобного фактора роста I и связывающего его белка-3, а в сыворотке крови увеличена концентрация гормона роста [12].

Карликовые мыши Эймса (мутанты, несущие единичные точечные мутации в Prophet pit-1 гене) живут на 50-64% дольше, чем особи дикого типа. Эта модель - один из первых примеров способности единичного гена продлевать жизнь млекопитающим. У мышей Эйсма снижен уровень пролактина, тиреоидстимулирующего гормона, гормона роста, инсулин-подобного фактора-1 и инсулина в крови, повышена чувствительность к инсулину и понижена температура тела [13]. Как самцы, так и самки карликовых мышей бесплодны и иммунодепрессивны.

У самок мышей Igf1r+/- с частично нокаутированным геном рецептора IGF-1 средняя продолжительность жизни увеличена на 33% по сравнению с самками дикого типа (p < 0.001), а у самцов - лишь на 16%. У этих мышей нет карликовости, а основной обмен, температура тела, потребление корма, физическая активность и фертильность не отличались от контроля, но они более устойчивы к окислительному стрессу по сравнению с контролем (Igf1r+/+) [14].

В течение последних лет ведется интенсивный поиск кандидатов на роль генов смерти и долголетия у человека. В настоящее время принято считать, что для долгожительства человека важен только один ген аполипопротеина Е (AпоЕ). У проживших 100 лет преобладает аллель AпоЕ-E2. Напротив, усиление аллеля E4 располагает к гиперхолестеринемии, коронарной болезни сердца и болезни Альцгеймера (но не к раку или диабету). У лиц старше 90 лет риск болезни Альцгеймера, связанный с аллелем E4, достигает плато. Полагают, что AпоЕ должен рассматриваться скорее как ген “хилости” (frailty), а не как ген долголетия.

Это направление - одно из самых перспективных в современной геронтологии, но оно требует сложного оборудования и больших средств для изучения генетических маркеров старения и ассоциированных с возрастом заболеваний. Однако накопленные к настоящему времени данные позволяют полагать, что нет и, наверное, не будет обнаружен единственный ген, определяющий старение и долголетие как индивидуума, так и вида.

Свободные радикалы и старение

В последние годы наиболее популярна свободноpадикальная теоpия стаpения. Практически одновременно выдвинутая Д.Харманом (1956) и Н.М.Эмануэлем (1958), она объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистых заболеваний, возрастной иммунодепрессии, дисфункции мозга, катаракты, рака и некоторых других). Согласно этой теоpии, пpодуциpуемые главным образом в митохондриях активные формы кислорода (О2-., Н2О2, НО·, О2) повpеждают клеточные макpомолекулы. Подсчитано, что за 70 лет жизни человека организм производит около тонны радикалов кислорода, хотя только 2-5% вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы.

В клетке крысы за день может образоваться до 104 вызванных активными формами кислорода повреждений ДНК, и до 10% молекул белка могут иметь карбонильные модификации. Подавляющее большинство из них нейтрализуется еще до того, как успеют повредить те или иные компоненты клетки. Так, из каждого миллиона супероксидных радикалов от ферментной защиты ускользает не более четырех.

Сегодня показано, что видовая продолжительность жизни коррелирует с активностью фермента супероксиддисмутазы (СОД), содержанием -каротина, -токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови. Так, у долгоживущих линий D.melanogaster активность антиоксидантных ферментов (СОД, каталазы, глютатионредуктазы и ксантиндегидрогеназы) достоверно выше, чем у короткоживующих линий мух [14].