Последний раз редактировалось Sterchow 20.08.2011, 20:20, всего редактировалось 2 раз(а).
Общее описание основных теорий старения
Все теории старения можно условно разделить на две большие группы: эволюционные теории и теории, основанные на случайных повреждениях клеток. Первые считают, что старение является не необходимым свойством живых организмов, а запрограммированным процессом. Согласно им, старение развилось в результате эволюции из-за некоторых преимуществ, которые оно даёт целой популяции. В отличие от них, теории повреждения предполагают, что старение является результатом природного процесса накопления повреждений со временем, с которыми организм старается бороться, а различия старения у разных организмов является результатом разной эффективности этой борьбы. Сейчас второй подход подтверждён опытным путём в биологии старения.
Эволюционно-генетическая теория старения Вейсмана и Комфорта
Продолжительность жизни вида — эволюционно выработанное свойство, обеспечивающее биологическое процветание вида. Способы ограничения продолжительности жизни эволюционировали в зависимости от вида размножения и других факторов. Стареют многократно размножающиеся виды. Организмы с единственным актом репродукции погибают в результате быстро развивающегося процесса, который мы назвали генетически обусловленной (запрограммированной) смертью. Как же возникло старение в процессе эволюции? Ответ на этот вопрос важен для понимания сущности процесса старения.
Первый, кто указал на эволюционную ценность старения, был Вейсман. Согласно Вейсману, старение — полезное свойство вида, обеспечивающее смерть организма, потерявшего способность размножаться, но способного конкурировать со своими потомками за пищу и пространство.
При первом знакомстве идея Вейсмана о возникновении старения как благоприятного признака в процессе эволюции кажется сама собой разумеющейся, легко объяснимой и понятной. Действительно, если старение — это средство обеспечить смену поколений, возможность изменяться и приспосабливаться к среде, то первое, что должны приобрести виды в своем развитии — это способность стареть и умирать. Но при анализе взглядов Вейсмана встречается ряд трудностей.
Как же может наследоваться способность подвергаться старению, если это свойство развивается главным образом после того, как репродуктивный период в основном закончился? Ведь давление естественного отбора падает в течение репродуктивного периода жизни и достигает нуля, когда репродуктивный период кончается. (Из этого общего правила есть исключения, описанные Блестом). Любой полезный признак, способствующий процветанию вида, сохраняется и закрепляется естественным отбором в том случае, если он появляется в репродуктивном периоде жизни особи, передается потомкам, распространяется на большую часть особей.
Ценность генотипа для вида измеряется вкладом, который он вносит в наследственную основу следующего поколения. ,.
Исследователи стараются обойти трудности объяснения эволюционного возникновения старения. С этой целью сконструировано несколько гипотез, к сожалению, мало обоснованных фактами.
Так, Комфорт совсем отказался от одного из основных постулатов теории Вейсмана — положения о том, что старение подвержено действию естественного отбора. Старение, по Комфорту, не предусмотрено чертежами машины, начертанными эволюцией. Поскольку природа не заботится о пострепродуктивном периоде жизни организмов, защитные механизмы в этот период ослабевают, проявляется действие не устраняемых отбором вредных генов — развивается процесс, который мы н
Однако старение не ускоряет, по большому счёту, естественный отбор, ибо потенциально нестареющий организм не защищён от болезней и не является неуязвимым, следовательно, он болеет и переживает травмы, а также попадает в фатальные, или просто опасные для себя ситуации, а, значит, его можно убить таким же способом, как и стареющий. В связи с этим, мала вероятность того, что организм будет самоуничтожаться путём генетической программы – факторов естественного отбора и так более, чем достаточно…
Теория накопления ошибок в коде ДНК в ходе митоза, наиболее распространённый вариант - теломерная теория
Была впервые предложена Л. Оргелем (1963). Она основывается на предположении, что основной причиной старения является накопление с возрастом генети¬ческих повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различ¬ными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в орга¬низме побочных продуктов химических реакций и другие). Гены, таким образом, могут просто терять способность правильно регулировать те или иные активности в связи с накоплением повреждений ДНК.
В то же время существует специальная система репарации, обеспечивающая относительную прочность структуры ДНК и надежность в си¬стеме передачи наследственной информации. В опытах на нескольких видах животных показана связь между активнос¬тью систем репарации ДНК и продолжительностью жизни. Предполагается ее возрастное ослабление при старении. Роль репарации отчетливо выступает во многих случаях преждев¬ременного старения и резкого укорочения длительности жиз¬ни. Это относится, прежде всего, к наследственным болезням репарации (прогерии, синдром Тернера, некоторые формы болезни Дауна и другие). В то же время имеются новые дан¬ные о многочисленных репарациях ДНК, которые использу¬ются как аргумент против гипотез ошибок. В статье под на¬званием «Наука отрицает старость» французский исследова¬тель Р. Россьон (1995) полагает, что в свете этих фактов тео¬рия накопления ошибок в нуклеотидных последовательно¬стях. требует пересмотра. Все же репарация, видимо, не при¬водит к 100% исправлению повреждений.
Некоторые геронтологи, и среди них Ф. Маррот Сайнекс из Медицинской школы Бостонского универ¬ситета, полагают, что ключевым моментом в старе¬нии являются ошибки в ДНК. Необратимые измене¬ния в химической структуре длинных, образующих ДНК цепочек атомов получили название мутаций. По Сайнексу, мутации — это изменения в информа¬ции, зашифрованной в структуре ДНК, которая конт¬ролирует функционирование клетки. Мутации могут возникать в результате неисправленных ошибок при образовании повой ДНК, в результате ошибок в про¬цессе восстановления или из-за повреждения ДНК загрязняющими химическими веществами. Мутации в ДНК клетки могут привести к тому, что клетка нач¬нет синтезировать измененную РНК, а это в свою очередь приведет к синтезу измененных белков - ферментов. Видоизмененный фермент может работать хуже нормального, а то и вовсе не работать. В итоге реакции обмена веществ, в которых участвует такой дефектный фермент, могут прекратиться, и клетка перестает выполнять свои функции или даже погибнет.Теория старения в результате накопления мута¬ций впервые была выдвинута в 1954 г. физиком Лео Сцилардом который пришел к этому выводу, на¬блюдая за действием радиации на людей и живот¬ных, сокращавшим их жизнь. Радиация вызывает множественные мутации ДНК, а также ускоряет появление таких признаков старения, как седина или раковые опухоли. Из этого Сцилард сделал вывод, что именно мутации являются причиной старения лю¬дей и животных. И хотя он не сумел объяснить, ка-ким образом мутации возникают у людей и живот¬ных, не подвергавшихся облучению, по его мнению, они. возможно, есть не что иное, как результат есте¬ственных повреждений клеток.Некоторые современные геронтологи, в частности д-р Говард Кёртис из Брукхвейнской националь¬ной лаборатории в Нью-Порке, разделяют точку зре¬ния Сцилардл и также считают, что старение вызы¬вается накоплением в течение жизни неисправленных мутаций, разрушающих функциональные потенции клетки. Кёртис полагает, что старение, вызванное му¬тациями, можно предотвратить или по крайней мере замедлить, исправляя посредством генной инженерии те процессы 11 клетках тела, которые обусловливают репарацию (ремонт) ДНК.
По мысли некоторых ученых, обусловленное мута¬циями ДНК старение не так серьезно, как старение, вызванное неисправимыми повреждениям и РНК, белков и ферментов Д-р Лесли Оргел из Института Солка в Ла-Хойе (Калифорния) предположил, что ошибки в синтезе РНК и белков приводят к старе¬нию клеток в результате, как он это назвал, «ката¬строфы ошибок». Каждая молекула РНК, считанная с ДНК, ответственна за синтез множества копий определенного фермента; РНК служит «матрицей», с которой делается множество идентичных копий молекулы белка. Следовательно, при дефектной РНК каждая белковая молекула, сходящая с «конвейера» будет так же дефектна и не сможет эффективно участвовать в реакциях обмена веществ. Кроме того, не¬которые ферменты участвуют в производстве белков на базе «матричной» РНК, а другие осуществляют синтез РНК на матрице ДНК. Значит, если ошибка вкралась в структуру РНК или белка, она будет производить все более ущербные «матрицы», что приведет к кумулятивному эффекту - лавинообразно¬му накоплению ошибок и к последней катастрофе — смерти.
Ученые обнаружили, что действие ферментов из культуры старых человеческих клеток ненормально: 25 % таких ферментов дефектны, что служит под¬тверждением теории «катастрофы ошибок» Оргела. И хотя это еще не окончательное доказательство, можно надеяться, что попытки предотвратить старе¬ние, вызванное накоплением ошибок, окажутся успеш¬ными.
Многие геронтологи считают, что старение - ре¬зультат накопления таких неисправленных ошибок. По словам Хейфлика, «потеря точной или надежной (контролирующей) информации происходит из-за накопления случайных воздействий, повреждающих жизненно важные молекулы ДНК, РНК и белков. Когда достигается пороговая величина такого рода „поражений", „повреждений", „погрешностей" или „ошибок", нормальные биологические процессы пре¬кращаются и возрастные изменения становятся очевидными. Истинная природа ущерба, наносимого жизненно важным молекулам, пока неизвестна, но известен сам факт его проявления».
В соответствии с теорией Оловникова, теломеразная активность (ТАК) должна присутствовать в клетках половой линии и раковых клетках. Действительно, теломераза активна в половых и в ряде стволовых клеток, но не активна в большинстве соматических клеток (Harley et al., 1990). На определенной стадии развития, приходящейся на ранний эмбриогенез, происходит выключение гена, теломеразы в подавляющем большинстве соматических клеток человека. Выключение теломеразного гена есть этап онтогенеза, совершающийся в определенный момент жизни организма и не во всех типах клеток. ТАК была обнаружена в некоторых соматических клетках костного мозга, лейкоцитах периферической крови, в Т- и В- лимфоцитах (Sakaguchi, 1996), в семенниках, эпидермисе кожи и эпидермисе шейки матки в клетках нижней части крипт толстой кишки (Kuniyasu, 1997), в клетках эндометрия матки (Kyo et al., 1997, Saito et al., 1997). Все эти ткани характеризуются высокими темпами обновления. Важно отметить, что ТАК в пересчете на одну клетку в этих нормальных популяциях существенно ниже, чем в популяциях раковых клеток. Теломеразная активность детектируется у многих иммортальных клеточных культур, например, ТАК была обнаружена в опухолевых культурах. Было примерно подсчитано, что ТАК присутствует в 85% различных опухолевых клеток (Kim et al., 1994). Кроме того, оказалось, что в большинстве раковых клеток теломеры довольно короткие, обычно короче тех, которые имеют место в клетках тех тканей, из которых они возникли (Shay and Wright, 1996).
Поскольку примерно 85% опухолей человека обладают теломеразной активностью, то можно утверждать, что активация теломеразы участвует в онкогенезе. Следовательно, увеличение надежности репрессии этого фермента должно резко уменьшать вероятность развития опухоли. Можно предположить, что особенности регуляции теломеразы у человека связаны с тем, что репрессия теломеразы имеет еще одну функцию - защиту от опухолей.
Если полагать, что клетки человека способны в среднем на 50 удвоений, то из одной клетки может образоваться 1050 клеток, которые будут весить около 1000 кг. Очевидно, что при весе опухоли в 1т говорить о защите организма поздно. Однако, на самом деле, такой расчет неверен. Эпидемиологическая статистика позволила рассчитать, что в среднем для превращения нормальной клетки в опухолевую требуется от трех до семи независимых случайных событий (Альберте, 1994). Таким образом, при развитии опухоли происходит несколько этапов клонирования. Если положить, что в среднем частота мутаций 1 на 106 клеток, то каждое такое событие потребует примерно 20 генераций (220 106). Значит, для образования опухоли потребуется в среднем от 60 до 140 генераций. Как видно, ограничения в 50 удвоений вполне достаточно для остановки роста большинства опухолей на еще не диагностируемых стадиях. Кроме того, посылка о том, что клетка организма способна в среднем на 50 делений, сомнительна, поскольку к такому количеству делений способна только малая доля клеток. К сожалению, трудно установить пролиферативный потенциал отдельных клеток в составе организма. Опыты, проведенные в культуре клеток, свидетельствуют, что даже внутри одного клона клеток существует огромная гетерогенность клеток по пролиферативному потенциалу.
Все воспроизводимые случаи иммортализации фибробластов человека в культуре происходят после того, как клетки пройдут дополнительные раунды репликации, а это значит, что реактивации теломеразы предшествует чрезмерное укорачивание теломер.
Возможной причиной увеличения вероятности реактивации теломеразы при чрезмерном укорачивании теломер является резкое увеличение генетической нестабильности хромосом с короткими теломерами.
Учитывая все вышесказанное, можно предположить (Егоров, 1997), что, в большинстве случаев, первым шагом при канцерогенезе является не реактивация теломеразы, но другие события, позволяющие клетке, прежде всего, получить селективное преимущество в росте. В пользу этой возможности свидетельствует также тот факт, что теломеры опухолевых клеток с реактивированной теломеразой почти всегда короче, чем теломеры из окружающей опухоль нормальной ткани.
Введенная теломераза обладала способностью поддерживать длину теломер, пролиферация клеток перестала угасать со временем и, по всей видимости, клетки стали иммортальными. Опыты, проведенные другими группами ученых, подтвердили эти результаты (Nakayama et al., 1998). Полученные данные можно суммировать следующим образом. Введение теломеразы - "теломеризация" клеток - может приводить: к стабилизации длины теломер (результат должен зависеть, по крайней мере, от эффективности работы промотора - возможна частичная компенсация недорепликации, полная компенсация и даже удлинение теломер) и к приобретению клетками способности к неограниченному размножению. В результате "теломеризации" клетки не приобретают никаких признаков злокачественной трансформации (независимость роста от прикрепления к субстрату, от наличия сыворотки, от клеточной плотности, способность к росту в полужидком агаре), а кариотип клеток остается стабильным, как в культурах диплоидных фибробластов человека. Отмена позволяет клеткам пролиферировать дополнительное время (для фибробластов человека - около 30-40 удвоений популяции), пока второй механизм (М2) не вызовет состояние кризиса. Кризис характеризуется процессом пролиферации, сопровождающимся массовой гибелью клеток. При этом размер популяции какое-то время может быть стабильным. С низкой вероятностью после кризиса могут возникнуть иммортальные клетки. Полагают, что кризис вызывается чрезмерным укорачиванием теломер, приводящим к их физическому исчезновению (Shay et al., 1993). В большинстве случаев единственным путем выхода из кризиса является реактивация теломеразы. Однако полная активация теломеразы может вызвать геометрический рост клеток всех органов, результат этого - неконтролируемое увеличение биомассы и участь выброшенного на берег кита. В связи с этим необходимо найти механизмы регуляции активности
Интоксикационная (свободнорадикальная) теория старения
Свободно-радикальная теория старения предполагает, что реакции с участием свободных радикалов, в значительной степени проявляющиеся в ходе нормального метаболизма, являются скрытыми разрушающими факторами, ответственными за процесс старения (Harman, 1978 ).
Основные данные в пользу участия свободных радикалов в старении организма получены в исследованиях повреждений биологических компонентов, вызванных свободными радикалами, и их накоплением в клетке . Наличие окислительного повреждения описано для всех до сих пор известных основных типов молекул клетки, включая углеводы, белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Предположение состоит в том, что накопление поврежденных молекул в клетках и тканях стареющего организма является следствием снижения возможностей антиоксидантной защиты. Анализ жирных кислот выявил, что как митохондриальные, так и микросомальные мембраны с возрастом становятся более подвержены перокислению благодаря возрастанию количества полиненасыщенных жирных кислот.
Однако постепенно начинают появляться экспериментальные данные, не согласующиеся с теорией. В февральском номере журнала PLoS Genetics опубликована любопытная статья за авторством исследователей из Университета Макгилла (Канада), убедительно доказывающая отсутствие связи между окислительным стрессом и старением. Данные канадских ученых говорят об обратной зависимости: продолжительность жизни некоторых организмов с частично нарушенной способностью противостоять накоплению АФК не уменьшается, а увеличивается.
«Проблема теории в том, что она основывается лишь на корреляции двух событий, совокупности доказательств, – объясняет Зигфрид Хекими из Университета Макгилла. – Действительно, чем старше организм, тем больше он страдает от окислительного стресса. За счет этого и укрепилась указанная гипотеза: люди принимают корреляцию за причинно-следственную связь».
Группа доктора Хекими экспериментировала на Caenorhabditis elegans – нематодах, широко использующихся как модельный организм в различных исследованиях. Ученые поэтапно «выключили» пять генов, отвечающих за производство особой группы ферментов супероксиддисмутаз (СОД), которые призваны защищать клетки от воздействия АФК. В ходе наблюдений за «мутировавшими» организмами не было отмечено сокращения продолжительности жизни ни у одного из них, хотя окислительный стресс развивался гораздо активнее. При этом одна из полученных разновидностей червей продемонстрировала повышенную жизнеспособность.
«Мутация, увеличивающая продолжительность жизни, связана с митохондриальной СОД, – находит объяснение этому феномену г-н Хекими. – Такие результаты согласуются с проведенными ранее исследованиями, определившими ведущую роль митохондрий в процессе старения. Похоже, подавление активности митохондрий с помощью АФК пошло нематодам на пользу».
Тем не менее было бы большой ошибкой считать, что окислительный стресс оказывает положительное влияние на организм. «АФК, вне всякого сомнения, наносят нам вред, – предостерегает от неверного толкования результатов исследования доктор Хекими. – Мы лишь показали, что они, вероятно, не связаны со старением».
Безусловно, как и любой другой механизм, тонкий механизм процессов с участием АФК может нарушаться. В частности, одной из главных опасностей для его нормального функционирования может быть недостаток кислорода в среде, где он протекает. И именно тогда начинают развиваться те процессы, которые представляют действительную опасность - распространение цепных радикальных реакций, при которых повреждается множество биологически важных макромолекул. В результате возникают гигантские макромолекулярные химеры, к которым относят атеросклеротические и амилоидные бляшки, старческие пятна (липофусцин), другие склеротические структуры и многие еще слабо идентифицированные балластные, а точнее, токсичные субстанции. Организм борется с ними, интенсифицируя продукцию АФК, но именно в АФК и видят причину патологии и стремятся их немедленно устранить. В итоге, борьба с АФК может лишь навредить организму, не увеличивая, а, скорее, повышая вероятность его гибели или возникновения тяжёлых форм различных заболеваний…
|
