Почему мы стареем?

Прошло 26 лет с тех пор, как впервые увидела свет книга Леонарда Гейфлика «Как и зачем мы стареем». Пожалуй, у каждого из нас возникнет такой вопрос, когда мы впервые увидим морщины на коже лица или «три седые волосинки в косе». Клетки нашего организма, как и мы, чувствуют приближение преклонного возраста. Отличие заключается лишь в том, что им известна точная дата своей смерти. Нет, наши клетки не посещают экстрасенсов и не путешествуют в машине времени. Просто каждая человеческая соматическая клетка, кроме половых и стволовых способна к делению примерно 50 раз, после чего подвергается апоптозу (клеточной смерти). В 1962 году Леонард Гейфлик исследовал этот феномен который получил название «Лимит Гейфлика». Исключение только раковые клетки, которые загадочным образом обманывают эту черту и остаются бессмертными. Со времени этого открытия многое изменилось, от создания адронного коллайдера до «технических революций» Илона Маска, но изменились ли наши представления и знания о старении?

Девять причин старения

Еще в 2013 году в журнале «Cell» группа ученых из Франции, Испании, Германии и Великобритании описали девять причин старения: 

• эпигенетические изменения;
• митохондриальная дисфункция;
• клеточное старение;
• нестабильность генома;
• изменения на уровне межклеточной коммуникации;
• потеря протеостаза (поддержания гомеостаза белков, а именно их правильной локализации, биогенеза, деградации);
• укорочение теломер;
• «истощение» стволовых клеток (снижение регенеративного потенциала);
• дерегуляция сигнальных путей в клетке, которые отвечают за поступление/недостатка питательных веществ. 

Причин так много, потому что старение – это многофакторный процесс. Представим, как мы складываем пазл. Сначала все кажется непонятным. Мы ищем, как сопоставить фрагменты между собой, чтобы в итоге получить целостную картину. Нечто похожее и со старением: каждая причина или теория – это будто отдельный фрагмент одного пазла, сложив который, мы сможем глубже понять этот сложный процесс.

Гены старения

Своеобразной «альфой» создание нашего организма является процесс экспрессии генов (реализации наследственной информации). Именно тех генов, которые достались нам в наследство от бабушек, дедушек, мамы и папы, и в которых закодирована вся информация, необходимая для образования (синтеза) белков. Процесс экспрессии можно представить так: наш организм, будто крупное предприятие, сообщает, что именно сейчас нужен определенный белок. Тогда «клеточная фабрика» передает это сообщение к «отделу экспрессии генов», и предприятие получает готовый продукт – белок. Этот процесс является достаточно значительным для эукариот (всех организмов, имеющих ядро) и длится 10-20 минут. Зато у бактерий экспрессия определенного, необходимого именно сейчас, гену длится лишь одну минуту. Все начинается с «копипаста» определенного участка молекулы ДНК (гена) на молекулу РНК и заканчивается образованием «рабочего» белка. Если нарушается какой-то из процессов на одном из участков, это зачастую приводит к тому, что белок не может добросовестно работать на пользу организма. Именно из-за того, что функционирование генов является столь важным для нашего организма, ученые начали искать причину старения в них.

Первым описанным «геном старения» стал age-I у далекой родственницы человеческой аскариды – нематоды Caenorhabditis elegans. Так, в результате мутации в гене age-I, средняя продолжительность жизни у нематоды C. elegans выросла на 65%. И аскарида, и C. elegans оба принадлежат к одному типу многоклеточных организмов нематод (круглых червей), однако аскарида выбрала более легкий паразитический образ жизни. А это означает, что для выживания ей необходимо попасть в организм человека. Зато C. elegans – самостоятельный организм, у которого ежедневный рацион в основном состоит из различных бактерий. Человеческая аскарида получила свою сомнительную славу за то, что способна вызывать у людей заболевание аскаридоз. А вот C. elegans завоевала внимание в научном кругу, потому что стала не только удобным модельным объектом для генетических исследований, но и первым многоклеточным организмом, ген которого полностью секвенировали (определили нуклеотидную последовательность молекулы ДНК) в далеком 1998 году.

 

База данных GenAge насчитывает более 1800 генов, связанных со старением: 838 в Caenorhabditis elegans, 883 – в Saccharomyces cerevisiae (пекарские дрожжи), 170 – в Drosophila melanogaster (плодовая мушка) и 126 – в Mus musculus (домовая мышь). Чтобы идентифицировать «ген старения», достаточно его «выключить» с помощью одного из методов генной инженерии, а тогда возрастет продолжительность жизни организма. Например, мутации в генах, кодирующих рецептор к инсулину, как в C. elegans (ген daf-2), так и плодовой мушки (ген chico), приводят к увеличению продолжительности жизни. А это означает, что некоторые гены «старения» эволюционно сохраняются. Например, ген рецептора к инсулину, который «горел» в нематоде и плодовой мушки есть также и у человека. Но пока что, к сожалению или к счастью, ученые не могут так же «выключить» его в человека и исследовать, как это повлияет на продолжительность жизни. Хотя Дженнифер Дудна (Jennifer Doudna) и Сэмюэль Стернберґ (Samuel Sternberg) в книге «Сломать ДНК» уверяют: «Рано или поздно людей добавят к все большего списку существ, чьи геномы доработали». Так, в Великобритании пока только одной исследовательской группе ученых удалось получить разрешение на проведение фундаментальных исследований при помощи системы CRISPR-Cas9 на человеческих эмбрионах, но при условии, что их непременно должны уничтожить в течение 14 дней.

В нашем организме молекула ДНК находится в постоянном взаимодействии с белками гистонами. Это возможно благодаря тому, что она содержит остатки ортофосфорной кислоты, поэтому возникает отрицательный заряд. Гистоны же, наоборот, содержат положительно заряженные аминокислоты, поэтому между этими двумя молекулами в прямом смысле возникает химическая связь. Но все это происходит не просто так. Общая длина генома одной клетки – более 2 метров, а объем ядра (органеллы, в которой содержится ДНК) – около 110 мкм. Возникает вопрос: как такая большая молекула помещается в клетке? Дело во взаимодействии ДНК с гистонами, что приводит к компактизации первой. ДНК, будто нить, многократно накручивается вокруг белков гистонов, в результате чего образуются различные структуры ее компактизации. Так образуются хромосомы. Именно с ними связана еще одна теория старения – теломеразная. Теломеры – это такие себе герои из киновселенной Marvel, которые защищают от повреждения важные для нашего организма гены. Пространственно теломеры расположены на концах линейных хромосом и являются повторяющимися нуклеотидными последовательностями, которые не кодируют белки. Вся наша большая молекула ДНК построена из более мелких частиц – нуклеотидов, которых всего четыре. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (аденина, тимина, гуанина и цитозина), остатка ортофосфорной кислоты и углевода дезоксырибозы. Проблема заключается в том, что каждый раз, когда одна клетка делится на две отдельные, а заодно происходит репликация, то теломеры укорачиваются на несколько нуклеотидов. Это как будто каждый раз, надевая бусы, терять по одной бусинке. Но если в случае ожерелья мы можем пойти в магазин и купить новое, то здесь не все так легко. Теломераза – фермент, который способен достраивать нуклеотиды теломеров, – активен только в стволовых и половых клетках. Соматические клетки такого преимущества лишены. Поэтому, пока есть теломеры, наши гены спят беззаботно и спокойно. Но как только этот «резерв» теряется во время репликации начинают укорачивать участки ДНК, которые содержат важную генетическую информацию, и тогда в «мире ДНК» наступает паника. Потому что рано или поздно это приведет к тому, что генетическая информация считается с матрицы ДНК как-то коряво. И те белки, которые выполняют важные функции в организме, как гемоглобин или инсулин, не смогут качественно и добросовестно выполнять свою работу.

А как насчет других молекул? На самом деле, наши белки, липиды и углеводы тоже страдают от таких себе bad guys из района ускоренного старения. Этими молекулами являются активные формы кислорода. Некоторые из них, но не все, могут быть свободными радикалами. В нашем организме они в основном образуются во время метаболизма молекулярного кислорода. Так, свободные радикалы благодаря неспареным электронам проявляют высокую химическую активность, то есть им просто жизненно необходимо вступить в реакцию то ли с каким-то белком, или с липидом. Кроме того, свободные радикалы характеризуются коротким временем существования и низкой специфичностью, то есть им все равно, кому из биомолекул передать электрон или к кому присоединиться. К свободным радикалам относятся, например, гидроксильный радикал (OH), супероксидный радикал (O2), оксид азота (NO). К активным формам кислорода относится всем известный перекись водорода. Его не только применяют в борьбе с бактериями как антисептик. Пероксид водорода образуется в небольших количествах в нашем организме, только здесь он выполняет функцию «социальной сети», которая будет передавать сообщения из внешней среды в клетки. Но это скорее положительная сторона этой молекулы. Потому, что чаще всего активные формы кислорода нарушают покой биомолекул, то есть вступают с ними в химические реакции. Как это влияет на организм? Свободные радикалы приводят к агрегации или своеобразного «склеивания» молекул белков, а это будет влиять, например, на развитие нейродегенеративных заболеваний, например болезней Паркинсона и Альцгеймера. Но не все так печально. В нашем организме есть и охранники в виде протеасом. Это крупные белковые комплексы, которые удаляют поврежденные белки, словно ревизоры – поврежденные продукты с полок магазинов. Однако с возрастом бдительность и внимание этих клеточных ревизоров ухудшается, а количество поврежденных белков постоянно растет. Одним из таких белков является липофусцин, так называемый возрастной пигмент. Результатом его накопления в клетках есть темные пятна, которые можно увидеть на коже людей пожилого возраста. Что касается молекулы ДНК, то активные формы кислорода не только могут повреждать эту молекулу, но и переключать режим жизни генов с on на off и наоборот. К таким изменениям в режиме работы ДНК приводят также эпигенетические «инструменты».

Термин «эпигенетика» в 1947 году ввел британский ученый Конрад Воддингтон, который изучал эмбриологию и биологию развития. Но больше всего его интересовали механизмы, контролирующие дифференцировку клеток. На самом деле все наши клетки рождаются с одинаковым генотипом, т. е. имеют одинаковые гены. Но в процессе дифференциации одни клетки становятся гепатоцитами (клетками печени), другие – миоцитами (клетками мышц), а третьи – кардиомиоцитами (клетками сердца). Это похоже на выбор профессии после школы: кто в будущем станет актером, кто-то — врачом, а кто-то — программистом. И если на наш выбор влияют увлечения, книги, фильмы, родители, то на то, какой именно станет клетка, – экспрессия генов и микроокружения (другие клетки). Эпигенетические изменения не приводят к изменению нуклеотидной последовательности. Ведь нуклеотиды в молекуле ДНК находятся в строгом порядке, словно солдаты в колонне. Если заменить один нуклеотид на другой (изменить последовательность), то это может привести к образованию «неправильного» белка. Эпигенетические «инструменты» работают другим образом. Они могут вызвать ацетилирование хроматина (присоединение/отсоединение ацетильной группы (CH3CO) от аминокислотных остатков, в основном с аминокислоты – лизина), что приводит к его перестройке или к метилированию ДНК (присоединение/отсоединение метильной группы (CH3) к азотистых оснований: аденина или цитозина). Как это связано со старением? Зачастую большинство участков молекулы ДНК у новорождённых организмов является метильными. Это означает, что такие гены находятся в неактивном состоянии, так сказать, молчат. Однако в преклонном возрасте эти гены деметилюются, «выходят на сцену», и тогда начинается «их игра», которая чаще всего завершается «лебединой песней».

Изучение свободных радикалов и их влияния на организм привело к рождению «свободнорадикальной теории старения», благодаря которой большой популярности приобрели антиоксиданты. К наиболее распространенным относятся витамины А, С, Е, а также кофермент Q10, который, словно добрый волшебник, превращает морщинистую кожу лица и рук человека преклонного возраста на кожу младенца, по крайней мере, так нас уверяют в рекламе «чудодейственных» кремов. Определенный эффект, конечно, есть. Но не все так радостно и однозначно. Некоторые исследования показывают, что диетические добавки, где содержатся антиоксиданты, никак не влияют на старение организма. Кроме того, правило «чем больше, тем лучше» в случае с этими веществами не работает. Наоборот, антиоксиданты в высоких концентрациях могут претерпевать метаморфоз и становиться прооксидантами, что может принести организму больше вреда, чем пользы, как это показали датские ученые в исследовании с антиоксидантными добавками. Однако в нашем организме есть свои эндогенные (внутренние) антиоксиданты. Более того, есть целая система антиоксидантной защиты, которая направлена на то, чтобы оберегать покой и жизни наших биомолекул. Например, супероксиддисмутаза – фермент, который обезвреживает -O2, или каталаза, которая осуществляет каталибтическое расщепление пероксида водорода до воды и кислорода. Просто с возрастом снижается способность нашего организма противостоять активным формам кислорода и свободным радикалам. Но, не следует забывать, что при условии полноценного, сбалансированного питания и диетических добавок можно получить те же витамины А, C, E. Они и являются природными антиоксидантами.

И хотя ученым уже немало известно о механизмах старения, вопрос до сих пор остается открытым. Сейчас на животных модельных объектах проводят разнообразные исследования, от поиска генов «старения» до диетического режима, известного как калорийное ограничение, поиске лекарств против болезней Альцгеймера и Паркинсона. Все эти исследования направлены на то, чтобы предотвратить возникновение одного или нескольких из девяти известных причин старения. Ведь это многофакторный процесс, и понятно, что единственной «таблеткой» против старения здесь не обойтись. Но пока наши собственные «стражи клеточных галактик» защищают биомолекулы, у ученых еще есть время, чтобы сопоставить каждый из фрагментов, сложить пазл и, наконец, получить целостную картину. И тогда, возможно, философский камень или фонтан молодости в далеком будущем станут не просто элементами легенд.