Генетика старения и пути к долголетию

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Содержание

Введение

1. Эволюция взглядов на причины старения

1.1 Старение как пассивный процесс

1.2 Старение, как свойство самой клетки

1.3 Современные представления о генетике старения

2. Генетика старения и пути к долголетию

2.1 Модельные животные и гены их долголетия

2.2 Манипуляции с теломерами

Заключение

Источники

Введение

Медицина современности добилась головокружительных успехов в спасении человечества от всех тех угроз, которые были причиной людских смертей веками. Успехи её были столь высоки, что главным убийцей всё чаще называют старение. Вопросом времени было, когда медицина назовёт старение болезнью, которую нужно лечить.

Сейчас борьба со старением задействует всё большие людские и материальные ресурсы. Каждые 2 года, начиная с 2010, в Сочи проводится Международная конференция «Генетика старения и долголетия», главной задачей которой является мобилизация усилий учёных, общества и инвесторов ради разработки методов, которые в перспективе позволят увеличить среднюю продолжительность жизни. Президент мирового лидера в области фундаментальных и прикладных исследований механизмов старения -- Института исследований старения Бака -- Брайан Кеннеди обещает: «Через 20 лет у нас будет 20 лекарств, которые замедляют старение». Исследования Ричарда Миллера добились достойных успехов в увеличение продолжительности жизни лабораторных мышей, а нематоды Роберта Шмуклера Риса и вовсе поражаю своим долголетием.

Мы живём во время, когда успехи генетики, демографии и эпидемиологии подготовили почву, общество готово к переходу от понимания старения как неизбежного и естественного процесса к осознанию всех возникающих со временем нарушений как заболевания, которое можно и нужно лечить. И самым острым в этом вопросе становится вопросы объяснения причин, постановки проблем и, конечно, методологии.

1. Эволюция взглядов на причины старения

1.1 Старение как пассивный процесс

Согласно классическому определению, старение -- многопричинный разрушительный процесс, вызываемый комплексом регуляторных и стохастических факторов и определяемый генетически детерминированной биологической организацией живой системы [1].

Ключевое слово в этом определении «многопричинный». Несмотря на то, что старение само по себе приводит к множеству заболеваний, оно так же является следствием множества факторов. Из чего следует, что прежде чем говорить о противодействии старения, необходимо рассмотреть его механизмы, выделить первопричины и научиться купировать их действие.

Долгое время научное сообщество полагало, что старение связано с ограничением количества возможных делений соматических клеток. Так в 80х годах 19го века Август Вейсман сформулировал гипотезу, получившую впоследствии название «Гипотеза феноптоза», предполагавшую, что путём естественного отбора возник механизм, призванный исключать отживших свой век особей из популяции, аналогично апоптозу «старых» клеток многоклеточного организма. При этом индивидуальная для каждого отдельного вида продолжительность жизни объяснялась различным ограничением на количество делений клеток.

Это предположение считалось опровергнутым после того как Алексис Каррель якобы получил культуру бессмертных куриных клеток, что позволило научному сообществу считать, что соматические клетки способны на бессмертие, если обеспечить им идеальные условия существования. Этот довод породил мнение, что старение является исключительно результатом воздействия факторов внешней среды. В своём эксперименте Каррелю удалось более 34 лет поддерживать культуру фибробластов, выделенных из миокарда курицы, что давало человечеству надежду на бессмертие.

Именно благодаря такому подходу были достаточно подробно изучены такие теории старения, как гипотеза «катастрофы ошибок», предполагавшая, что дряхление происходит из-за накопления ошибок репарации, свободнорадикальная теория, утверждавшая, что в старении виноваты свободные радикалы, образующиеся при клеточном дыхании и повреждающие все структуры клетки, а так же концепция пассивного снижения функциональности и другие подобные теории. Разумеется, ни одна из них в чистом виде не объясняла старение, как таковое, но многие из них внесли определённый вклад в геронтологию и именно им принадлежит заслуга столь сильно увеличения продолжительности жизни сегодняшнего человека.

1.2 Старение, как свойство самой клетки

Эксперимент Карреля множество раз пытались повторить. Отрицательные результаты этих попыток натолкнули исследователей на мысль, что Каррель либо заблуждался в том, что его культура клеток была бессмертна, либо получил аномальный, выбивающийся из стандартных механизмов клеточной жизни, результат. В первом случае можно обвинить питательную среду, которую использовал Каррель. Он растил свою культуру в среде свежего экстракта куриных эмбрионов, прошедшего грубую очистку, в результате которой живые эмбриональные клетки могли смешиваться с отжившими свой век фибробластами и создавать иллюзию бессмертной культуры. Второе предположение имеет прецедент. В 1984 г. группа японских учёных сообщила, что ими были получены две линии иммортализованных куриных клеток, одна из которых возникла спонтанно. Однако клетки этой культуры, оказались зараженными ретровирусом лейкоза птиц, что говорит, о возможности обессмерчивания клеточной культуры Карреля в результате заражения онкогенным вирусом.

Впоследствии никому так и не удалось повторить эксперимент Карреля на нормальных клетках. Однако мнение о преобладающей роли внешних факторов в процессе старения главенствовало в научном сообществе аж до середины 20го века, когда Леонард Хейфлик в результате опытов над человеческими фибробластами пришёл к выводу, что предельное количество делений клеток не только строго определено, но оно так же имеет повторяющееся для каждой культуры значение. Это значение получило название «лимит Хейфлика», а его существование свидетельствует о том, что ограничение жизнедеятельности клеток связано не столько с условиями среды, сколько с внутренними механизмами самой клетки. Эти выводы вернули к жизни эволюционный подход к старению клетки.

Следующим шагом было изучение того, как именно клетки определяют, когда им положено делиться, а когда уже нет. В 1971 году русский ученый А.М.Оловников, обобщив свои наблюдения, пришел к выводу, что при репликации хромосом их концевые участки (теломеры) с каждым делением клетки укорачиваются и при достижении определенного предела репликация хромосом в соматических клетках прекращается, клетки перестают делиться и начинается процесс их старения, заканчивающийся гибелью клетки. Этот механизм был назван теломерными часами клетки.

Однако если с каждым делением клетка теряет частицу ДНК, то потомок должен бы был получать более короткую цепочку ДНК, чем в своё время получил его родитель, и иметь всё меньшую и меньшую продолжительность жизни с каждым поколением. Исходя из того, что этого не происходит, Оловников предсказал открытие фермента, названного им теломераза, который должен бы был достраивать теломеры в половых и стволовых клетках.

1.3 Современные представления о генетике старения

В 2009 году группа американских учёных получила Нобелевскую премию по физиологии и медицине за изучение механизмов действия теломеразы и её роли в старении и бессмертии раковых клеток. Это исследование во многом подтвердило предположение Оловникова. Настолько, что многие издания в том году писали, что учёный заслужил разделить эту премию с Американскими коллегами.

Оказалось, что достаточно длинные теломеры заставляют «молчать» гены, кодирующие фермент р53, который останавливает деление клетки (А), а впоследствии вызывает апоптоз (В), что показано на схеме (рис. 1)

Рис. 1. Схема гибели клетки после исчерпания лимита Хейфлика.

Согласно распространенной сейчас точке зрения, лимит Хейфлика является проявлением механизма, возникшего у многоклеточных организмов для подавления опухолеобразования. Другими словами, опухолесупрессорные механизмы, такие как репликативное старение и апоптоз, полезны в раннем возрасте, но со временем эффект из действия становится всё более и более губительным, и эти механизмы побочно становятся причиной старения. Стимулируя раннюю жизнеспособность, уменьшая вероятность возникновения рака и являясь барьером на пути накопления мутаций, они ограничивают продолжительность жизни в результате накопления дисфункциональных стареющих клеток или избыточной гибели функциональных. Это явление получило название антагонистической плейтропии. Этот термин означает наличие нескольких разных фенотипических эффектов одного гена, при котором этот ген имеет не просто разные, а противоположные эффекты. Однако сегодня этот термин используется для названия идеи предложенной ещё в 1957 году Дж. Вильямсом, также известной под шуточным названием «теория „оплаты потом“». Согласно этой теории, в организме должны существовать механизмы, которые имеют разный эффект на выживание организмов на протяжении разных периодов жизни, то есть полезны в молодом возрасте, но вредны позднее.

Существует большое количество фактов, указывающих на то, что именно теломерные часы в итоге играют ключевую роль в старении. Приведу некоторые из них.

· Длина теломер может ограничивать репликативный потенциал гемопоэтических клеток, внося вклад в снижение с возрастом функции иммунной системы.

· Кроме того, укорочение теломер стимулирует опухолеобразование через усиление нестабильности генома: теломера-индуцированный кризис генома.

· У человека длина теломер в лейкоцитах коррелирует с маркерами сердечно-сосудистых заболеваний.

· Длина теломер зарекомендовала себя как прогностический фактор смертности у людей старше 60 лет: пожилые люди с более короткими теломерами умирают чаще и раньше, чем те, чьи теломеры длиннее.

· Потеря теломер является причиной некоторых возрастзависимых патологий. Так, укорочение теломер в клетках печени больных с хроническим гепатитом является причиной цирроза, а также одной из возможных причин такого старение-ассоциированного заболевания, как атеросклероз.

Однако старый вывод о том, что длина теломер у человека обратнопропорциональна возрасту донора, сейчас часто ставится под сомнение. Анализ репликативной продолжительности жизни 124 клеточных культур фибробластов здоровых доноров не выявил достоверной связи с возрастом доноров. Здесь возникает вопрос: насколько клеточное старение существенно для старения целостного организма, ведь существуют стволовые клетки, имеющие активную теломеразу? Многие ткани состоят из короткоживущих клеток, требующих постоянного замещения. Кожа, выстилка просвета кишечника и кроветворные ткани являются наиболее яркими примерами.

Ранее предполагали, что стволовые клетки имеют неограниченные способности к самообновлению. Однако получены свидетельства постепенного спада репликативной способности кроветворных, кишечных и мышечных стволовых клеток. Несмотря на то, что стволовые клетки экспрессируют теломеразу, они не являются бессмертными, что обусловлено теломера-независимыми механизмами регуляции репликативного старения, такими как накопление катастрофического числа ошибок репарации. Возрастзависимое снижение активности клеток-предшественниц может быть также результатом изменения экспрессии системных факторов. Например, снижение активности стволовых клеток скелетных мышц (сателлитных клеток) из-за снижения в крови лигандов Notch-сигналинга. Данные изменения удается предотвратить при помощи обработки старых мышей белками сыворотки от молодых животных, что говорит о том, что сами стволовые клетки в отличие от соматических «не знают» когда им положено состариться доверяют в этом плане системным факторам, экспрессия которых снижается с возрастом.

Таким образом сложно резюмировать какую-либо конкретную причину старения. Различные группы клеток подвержены воздействию разных факторов. Каждый механизм старения должен быть изучен и купирован для дальнейшего роста продолжительности жизни современного организма.

2. Генетика старения и пути к долголетию

2.1 Модельные животные и гены их долголетия

Итак механизм старения нам ясен не до конца, хотя тем больше покровов срывается с тайн природы, чем большие ресурсы вкладываются в эту область. И известно нам уже не мало. Так можем ли мы, зная, что происходит, прекратить этот процесс, тем самым разорвав путы естественных ограничений. Нет, этого сделать мы не можем. Устройство этих механизмов очень сложно, все они играют свою собственную важную роль в организме, например тот же апоптоз призван защитить нас от раковым опухолей. Так что нельзя просто остановить процессы старения, необходимо искать им альтернатиру. старение клетка теломер ген

Такой альтернативой в природе являются «бессмертные» животные, которые нашли способы организовать свою жизнедеятельность, исключив из неё старение в привычном для нас смысле. Широкую известность в этом плане обрели голые землекопы - удивительные грызуны, структура генома которых весьма близка к их ближайшей родне: крвсам и мышам, но при этом продолжительностью жизни они превосходят опушённых сородичей в десятки раз. Более того, вероятность смерти для них вообще не коррелирует с их возрастом, т.е. при идеальных условиях эти млекопитающие теоретически бессмертны.

В 2011 году большая международная команда под руководством российского генетика Вадима Гладышева расшифровала геном голого землекопа. Исследование показало, что он отделился от своих ближайших «родственников», мышей и крыс, 75 млн лет назад, от человека -- 102 млн лет назад. Геном землекопа идентичен геномам мыши и человека на 93% .А вот качественная разница оказалась существенной. Так, в геноме голого землекопа оказалось намного меньше мобильных генетических элементов, чем у других млекопитающих. Мобильные генетические элементы составляют всего 25% генома землекопа (у крысы - 35%, у человека - 40%). Эта особенность делает их геном более устойчивым к негативным изменениям, вызванным их перемещениями. Это может частично объяснять их пресловутую устойчивость к раковым заболеваниям. Также было найдено около 200 новых генов, которые появились у землекопов после отделения их эволюционных линий от мышей и крыс.

Но гораздо интереснее, что Вадиму Гладышеву и его коллегам удалось обнаружить целый ряд одинаковых генов, связанных со старением, у человека, мыши и голого землекопа, которые с возрастом работали по-разному у этих трех видов. Вероятно, одними из наиболее важных у голого землекопа стали изменения в работе генов р16 и SMAD3, которые замедляют бесконтрольное размножение клеток и тесно связаны со многими возрастными патологиями. Во многом именно благодаря работе этих генов голые землекопы совершенно не подвержены опасным перерождениям клеток. Еще один ген, CYP46A1, который отвечает за здоровье нервных клеток, в мозге человека снижает свою активность с возрастом, а у голого землекопа, наоборот, показал повышенную экспрессию.

После этих первопроходческих работ за геном голого землекопа взялись и другие ученые. В 2013 году российские генетики из Университета Рочестера (Нью-Йорк), Вера Горбунова и Андрей Селуянов с коллегами, обнаружили в клетках соединительной ткани голого землекопа, фибробластах, повышенное содержание полисахарида гиалуронана (гиалуроновой кислоты). В клетках землекопа этого вещества оказалось в пять раз больше, чем у человека или мыши. Гиалуроновая кислота высокой молекулярной массы накапливалась в больших количествах в тканях голого землекопа из-за того, что ферменты, ответственные за ее разрушение, были подавлены. А фермент, синтезирующий эту кислоту, гиалуронансинтаза-2, напротив, проявлял у землекопов повышенную активность.

Выяснилось также, что гиалуронаны человека и голого землекопа из-за разной молекулярной массы (у землекопа она в пять раз больше) оказывают противоположное воздействие на организм. Мелкие человеческие (и мышиные) гиалуронаны стимулируют процессы воспаления и деление клеток, в то время как крупные гиалуронаны голого землекопа, напротив, подавляют воспаление и клеточное деление, препятствуя развитию онкологических заболеваний. Высоким содержанием гиалуроновой кислоты так же объясняется высокая устойчивость землекопов к свободным радикалам

В июне 2015 года группа ученых-нейробиологов из Австрии, Швеции и США под руководством Тибора Гаркани обнаружила, что голые землекопы имеют чрезвычайно длительный период созревания мозга: их мозг как бы «не торопится» взрослеть, долго находясь в детском, недоразвитом состоянии. Благодаря этому их нервные клетки приобретают большую устойчивость к нейродегенеративным процессам. Опираясь на эти факты, равно как и на отсутствие шерсти и другие черты, делающие землекопа похожим на детеныша даже во взрослом возрасте, ученые выдвинули гипотезу неотении -- удержания незрелых характеристик и задержки развития (подробнее о неотении можно прочитать в «ПМ» №?9`2012).

Существует еще ряд особенностей голых землекопов, которые пока ждут своего объяснения. Это и необычное строение РНК рибосомы (клеточной органеллы, в которой происходит образование вновь синтезированных белков), и мутация рецептора инсулина, в результате которой землекоп усваивает глюкозу в обход инсулина, и еще многое другое.

Вадим Гладышев, профессор, Harvard Medical School (США) по этому поводу заявил:

«Голый землекоп -- удивительное животное. Мы с коллегами просеквенировали его геном, и оказалось, что, похоже, он нашел свой собственный путь к долголетию… Мы обнаружили эти изменения. Теперь нам нужно узнать, будут ли и другие животные намного дольше жить, если внести такие же изменения в их геномы».

Механизмы защиты от старости землекопа крайне интересны. Его «тяжёлая» гиалуроновая кислота является перспективным действующим веществом. Однако исследования этой области продлятся ещё очень долгое время и совершенно не ясно, чем они закончатся.

Гораздо легче разобраться с причинами молодости мутантных организмов, так гомозиготные черв-нематоды, лишённые гена, названного Age-1, поставили рекорд среди лабораторных животных и начали жить дольше своих гетерезиготных сородичей в 10 раз.

У млекопитающих этому гену соответвует ген фосфаинозитол-3-киназы (PI3K). Соответсвенно, теоретически ингибирование его действия должно было привести к увеличению продолжительности жизни, и эта теория подтвердилась. Ген был ингибирован организмах лабораторных мышей и это показало увеличение продолжительности жизни, однакопоказало ряд побочных действий, например сказалось на репродукции.

«Мы исследовали ингибитор PI3K и увидели, что он положительно влияет на здоровье и увеличивает чувствительность к инсулину у мышей» - рассказывает Роберт Шмуклер Рис, профессор Университета медицинских наук Арканзаса (Литл-Рок, США). По его словам у его исследовательской группы имеется набор перспективных молекул, способных повторять эффект генетического вмешательства, а значит есть надежда, что гомозиготные нематоды приведут нас к лекарству от старения.

Есть и другие гены, которые помогают грызунам продлить свою жизнь, так животных с увеличенной экспрессией гена, отвечающего за энзим PEPCK-C (фосфоенолпируват-карбоксикиназу), который участвует в глюконеогенезе: синтезе глюкозы из неуглеводных соединений, пресса окрестила супермышима. Они, хоть и убавили в размерах, стали значительно выносливее, активнее и агрессивнее. Главным их плюсом стала великолепная выносливость по отношению к нагрузкам на сердце, что, учитывая, сколь высокий процент среди всех смертей в пожилом возрасте составляют заболевания сердца, может в перспективе продлить не мало жизней. Значительное увеличение отпущенного срока жизни показали грызуны с увеличенной экспрессией белка сиртуина в клетках головного мозга. Предполагается, что этот белок заставляет мозг выделять сигнальные вещества, которые запускают обновление мышечной ткани. Однако не ясным остаётся механизм действия на другие ткани организма. Но сиртуин тем не менее уже успели окрестить эликсиром молодости. На его основе уже ведётся разработка препарата, который можно будет назвать настоящим лекарством от старения уже для человека.

На самом деле здесь упомянуты лишь несколько нашумевших на момент открытия генов, манипуляции с которыми приводят к увеличению продолжительности жизни. Сейчас в разных модельных организмах, таких как дрожжи, мухи дрозофилы, лабораторные мыши и многие другие, чьи механизмы старения близки к человеческим, открыто огромное количество генов старения, каждый из которых заслуживает своей разработки и потенциально может привести к открытиям, которые защитят человечество от старости.

2.2 Манипуляции с теломерами

Продолжительность жизни уже человеческих клеток, пусть и выделенной культуры, удалось увеличить благодаря манипуляции с теломерами. "Мы нашли новый способ, который позволяет удлинить человеческие теломеры на целую тысячу нуклеотидов, а значит, фактически, повернуть время вспять. Наша разработка важна не только для исследований в области биогеронтологии, но и для биологов по всему миру, которые работают с клеточными культурами, поскольку данная методика позволяет значительно увеличить продолжительность жизни культивируемых клеток", -- говорит ведущий автор исследования Хелен Блау (Helen Blau), профессор микробиологии и иммунологии в Стэнфорде.

Модифицированная РНК, которая является основным инструментом новой технологии, переносит инструкции из генов ДНК в "белковые фабрики" клеток. РНК, использованная в стэнфордском эксперименте, содержала последовательность, кодирующую каталитическую субъединицу TERT, активный компонент природного фермента теломеразы.

Разработанная стэнфордскими учёными технология имеет важное преимущество перед другими потенциальными методами -- методика имеет временный эффект. На первый взгляд, кажется, что это не плюс, а минус. Но дело в том, что неконтролируемое деление клеток в теле человека связано с огромным риском быстрого развития рака. Блау и её коллеги отмечают в пресс-релизе, что постепенное и поэтапное удлинение теломер гораздо безопаснее любых других аналогов. Более того, она позволит воздействовать на конкретные ткани и группы клеток, что может стать удобным способом предотвращения конкретных возрастных заболеваний.

Заключение

Из всего выше сказанного, можно сделать довольно смелый вывод о том, что возрастные изменения в организме человека в скором будущем можно будет по желанию останавливать или даже обращать вспять.

Ключевым направлением в этом вопросе является генетика старения, которая уже сейчас предлагает подходы к решению этой проблемы, такие как углублённое исследование уже открытых генов старения и поиск новых подобных генетических механизмов, воздействуя на которые, можно существенно повлиять на здоровье пациента.

Актуальным является исследование возможных способов манипуляции с теломерными часами клеток, что не позволит добиться комплексного противовозрастного эффекта, но позволит временно и избирательно воздействовать на конкретные группы клеток.

Исследование «бессмертных» животных может привести к открытию новых механизмов и рабочих молекул и все эти исследования ведутся уже сейчас, что не может не впечатлять.

Источники

1. Фролькис В.В., Мурадян Х.К. «Старение, эволюция и продление жизни». Киев: Наук, думка, 1992.

2. ^ Williams G.C. «Pleiotropy, natural selection, and the evolution of senescence». Evolution 11, 1957

3. Москалёв А.А. «Старение и гены»

Размещено на Allbest.ru