Гипотезы старения
Историки-антропологи установили, что в течение большей части человеческой истории средняя продолжительность жизни людей была очень небольшой – примерно 30-35 лет. И лишь сравнительно недавно, начиная с XVII - XVIII веков, средняя продолжительность жизни стала расти, и в развитых странах этот процесс продолжается и сегодня. В основном, это связывают с ростом благосостояния, улучшением качества жизни, развитием медицины. Так, например, открытие антибиотиков позволило резко сократить смертность от инфекционных болезней. А детская смертность, опять-таки в развитых странах, уже сегодня, практически сведена к нулю.
Современная биология очень большое внимание уделяет проблеме старения, и с каждым годом появляются новые факты, позволяющие глубже понять механизмы этого процесса. Механизмы старения достаточно сложны и многообразны. По крайней мере, сегодня существует несколько альтернативных теорий, которые, возможно, отчасти противоречат друг другу, а отчасти - дополняют.
Некоторые специалисты считают, что старение человеческого организма происходит примерно так же, как старение и износ техники, например, автомобиля. То есть, это – неизбежный процесс износа тех частей, из которых состоит наш организм.
Другие ученые считают, что старение связано с накоплением в популяциях определенных мутаций, которые проявляются только в зрелом возрасте и не отбраковываются естественным отбором. Это происходит потому, что вред от этих мутаций проявляется только после того, как человек уже вышел из репродуктивной фазы, уже не рожает детей, поэтому отбор уже не действует на те мутации, которые в этом возрасте проявляются. Есть и такая точка зрения, что многие мутации, проявляющиеся в зрелом возрасте, могут давать какой-то положительный эффект в молодости, то есть какие-то генетические особенности могут повышать репродуктивный успех молодых людей, но за это приходится расплачиваться потом.
И, наконец, есть точка зрения, что старение связано с некоей целенаправленной программой самоуничтожения. Популяции может быть невыгодно, чтобы особи, которые не участвуют в размножении, продолжали жить, занимать место, потреблять ресурсы. И в организме работает специальная программа, которая его фактически убивает. Достоверно известно, что у клеток такая программа есть. Член-корреспондент Российской академии наук, Борис Федорович Ванюшин приводил пример некоторых лососевых рыб, которые умирают после первого нереста и вроде бы это у них генетически запрограммировано. И вот сегодня мы попросили рассказать о последних достижениях в изучении старения ведущего научного сотрудника Института биохимической физики Российской академии наук Алексея Матвеевича Оловникова. Свой рассказ Алексей Оловников начал с определения «старения»
Что такое старение
Прежде всего, давайте договоримся, что же такое старение. Старение, как я понимаю, это зависящее от возраста снижение резистентности - сопротивляемости, устойчивости организма к возмущающим воздействиям. Например, когда вы заболели гриппом, у вас тоже снизилась резистентность, но вы выздоровели, и степень сопротивляемости восстановилась. А после того, как организм достигает расцвета, сопротивляемость с годами становится все слабее, слабее. Разные системы организма слабеют в разном темпе, но, тем не менее, ко всем ним относится это определение. О старении говорят, что это естественный процесс. Безусловно. Но болезнь это или не болезнь? Среди геронтологов на этот счет есть споры. Я уверен, что старение – это особая форма болезни. Это – хроническая универсальная болезнь количественных признаков. На самом деле, старый человек отличается от молодого по очень многим количественным показателям и очень мало по качественным. Разве что, седина, которой нет у молодых людей, но, в общем, он так же ходит, бегает, но с меньшей скоростью и так далее.
Имеет ли старение организма и старение неживых устройств что-то общее, подчиняются ли они какому-то единому механизму? Мой ответ – ни в коем случае. Есть два класса объяснений старения в литературе. Это случайность, это какие-то случайные повреждения. И второй вариант – старение подчиняется некоей биологической программе. Я сразу скажу, что я сторонник второй точки зрения.
Но нет программы старения, а есть программа продолжительности жизни. Человек живет, грубо говоря, сто лет, а мышь живет около двух лет. Есть виды, которые живут очень долго. Кит, например, живет дольше нас с вами. Некоторые киты живут два с половиной века, долго живут черепахи и вороны. Но дело еще и в том, что черепаха холоднокровная, а конь, кит и мы с вами теплокровные. Очень долго живут птицы. Если мы возьмем, например, животных примерно одного размера - воробья и мышь, то оказывается, что воробей живет много дольше, чем мышь. Хотя, вроде бы, с какой стати? Это до сих пор в значительной мере загадка.
Стохастические теории старения
Если говорить о том, какие сейчас вообще существуют теории старения, то работоспособных среди них совсем немного. Из тех теорий, которые можно отнести к стохастическим или вероятностным, это - свободно-радикальная теория. Здесь имеются ввиду химические свободные радикалы. Они необходимы для биохимических процессов в организме и образуются в митохондриях - в энергетической фабрике клетки. Но если свободный радикал случайно покидает то место, где он нужен, то он может повредить и ДНК, и РНК, и белки, и липиды, и такой радикал может быть очень опасным для клетки, потому что это очень агрессивная, химически-активная молекула.
Кроме свободно-радикальной к вероятностным теориям можно отнести идею, так называемых, «перекрестных сшивок». Это процесс, при котором молекулы, как бы, сшиваются, и возникает ошибка, а в дальнейшем такие ошибки могут накапливаться.
Кроме того, есть мутационная теория. Если возникают какие-то случайные ошибки в генетическом коде, в последовательности нуклеотидов ДНК, то будет построен неправильно работающий белок, и это, конечно, тоже плохо для клетки. Но это все случайность.
Организмы, которые не стареют
Я считаю, что этого мало. Не случайные процессы являются первопричиной старения. Свободно-радикальный механизм и другие упомянутые мной процессы не являются движущей силой процесса старения, который универсален. В бегонии, которая размножается вегетативно, точно так же вырабатываются свободные радикалы, как во всех других организмах, а, тем не менее, она не стареет. И через десять лет, и через сто лет, и через тысячу лет бегония будет той же самой. Она не стареет.
Только не надо путать отсутствие старения с вечной жизнью. Если мы возьмем нестареющее животное, это не означает, что оно неуязвимо к упавшему кирпичу или с ним ничего не случится, если мы бросим его на сковородку. Я не знаю, насколько эта правда, но говорят, что самка камбалы не стареет вообще, а самец стареет. По крайней мере, это написано в книге замечательного американского биолога Хейфлика (Leonard Hayflick). Есть асцидии (Ascidiae), про которых тоже пишут, что они не стареют. Это такие беспозвоночные животные. Или гидра фуска, которая живет в наших прудах. Пока температура воды 20 градусов она размножается, почкуется, растет, но, тем не менее, она не стареет. А когда осенью снижается температура до 10 градусов, она переходит немедленно к половому размножению и прекращает свое существование.
Предел Хейфлика
В 1961 году Леонард Хейфлик обнаружил замечательный эффект. Он экспериментально показал, что соматические (телесные) клетки могут делиться только ограниченное число раз. В клетках есть своего рода молекулярный бухгалтер, который считает, сколько сделано делений и не дает сделать больше определенного количества. Хейфлик показал, что фибробласты клеток кожи делятся примерно 50 плюс-минус 10 делений, после чего останавливаются.
Кстати, как это делается: вы засеваете суспензии, например, клеток кожи, просто в чашку или, точнее, в культеральный флакон, чтобы все было стерильно. Когда все зарастает, то есть образуется популяция, берем и снимаем весь этот, так называемый, монослой. Его разделяем, вновь суспендируем и выливаем половину содержимого в чистый флакон. А вторую половину замораживаем. Когда снова зарастает весь флакон - это означает, что популяция удвоилась. И этот процесс мы повторяем и повторяем. Экспериментальным путем было определено, что удвоение происходит только около 50 раз. Тогда и стало ясно, что в клетках есть молекулярный бухгалтер, который контролирует число делений.
Хейфлик выяснил даже такое неожиданное свойство клеток: он замораживал в жидком азоте суспензию клеток, которая прошла только 20 удвоений, и держал в жидком азоте минуту или год - это неважно, потому что биологические процессы при таких низких температурах не идут. Оказалось, что клетки помнят, что они могут сделать еще только 30 удвоений.
Почему это происходит? И вдруг я понял это, придя в метро и услышав шум приближающегося поезда. Я понял, что на самом деле все связано с ферментом, который снимает копии с ДНК, чтобы сделать новую. Представим себе, что поезд это - полимераза, которая ползет по рельсам - ДНК. И этот поезд копирует то, что под ним, то есть делает еще один экземпляр рельсов, проезжая по ним. Если та часть этого поезда (или полимеразы), которая ползет по рельсам (или ДНК), если она находится не на самом краю этой молекулы, а где-то, скажем, посередине и уползает вдаль, то весь отрезок между краем молекулы и положением фермента окажется в мертвой зоне. Это отрезок не будет воспроизведен в новом экземпляре ДНК. И реплика, то есть копия ДНК кажется укороченной. Это первое, как бы мог работать молекулярный бухгалтер. И вторая причина такая: ДНК всегда делается таким образом: сначала синтезируется РНК, а уже потом ДНК. Эта РНК потом удаляется и остается только чистая молекула ДНК, и реплика оказывается укороченной не только на мертвую зону, о которой мы говорили, но и на длину РНК. Я несколько лет после этого размышлял над тем, о чем сейчас рассказал, и чуть было не опоздал, между прочим.
Я опубликовал работу в 1971 году, а спустя год после моей публикации до того же, додумался Уотсон - тот самый, что вместе с Криком открыл двойную спираль.
Почему жизнь не прекращается
Основное возражение было таким: геном стабилен, а ты говоришь о том, что он укорачивается. К чему это приведет? Тогда весь геном с бесконечным числом делений должен укорачиваться и тогда все живое давно должно исчезнуть. Почему жизнь не прекращается, если это все верно? Если ДНК на своих концах должна укорачиваться в дочерних клетках все больше и больше, то это означает, что постепенно весь геном наш укоротится до нуля, жизнь прекратится.
Природа должна была изобрести некий фермент, который компенсирует вот это укорочение. Все обычные ДНК полимеразы должны вести при своей репликации к уменьшению реплики, то есть копия обычно короче, чем матрица, но что-то должно противоборствовать этому. Должен быть особый компенсирующий фермент, особая компенсирующая ДНК полимераза - поезд с обратным ходом.
Оказалось, что эта особая форма компенсирующей ДНК полимеразы есть в половых клетках. Природа ее создала для половых клеток, а в соматических, то есть в телесных, обычных клетках она отключена. Ген есть, компенсирующая полимераза не работает. Поэтому обычные клетки стареют, поэтому для них есть лимит Хейфлика. А в половых клетках она работает, она активна и все время она компенсирует сдвиг - откатывает поезд на исходную позицию. Поэтому ДНК в половых клетках всегда та же, она не укорачивается. Эту компенсирующую полимеразу нашли много лет спустя и назвали ее теломераза. Она может удлинять теломеры. (Теломер – это конец хромосомы. «Телос» – конец, «мер» – часть, концевая часть хромосомы.) Теломеразу открыли в Америке Грейдер и Блекберн, две исследовательницы, в 1980-х годах. Но они работали с теломеразой, которую обнаружили у инфузории, то есть у одноклеточных, которые размножаются делением. У инфузорий очень много хромосом и много, следовательно, концов, им требуется много компенсирующего фермента. Старение - это расплата за специализацию клеток
Вернемся к старению. Если это все так, то можно объяснить и одну особенность у бактерий. Многие вирусы, не все, но многие имеют кольцевую форму ДНК. Бактерии все имеют кольцевую форму. Зачем? Чтобы размножаться бесконечно. У кольца, как всем известно, нет конца. Именно поэтому, не прибегая к помощи теломеразы, которая бы компенсировала сдвиг, а просто, лишив ДНК концов, бактерии решили проблему кольцевой репликации. Поэтому бактерии не стареют.
(Здесь Александр Марков обратил внимание на такой важный момент: «На самом деле, поскольку бактерии появились раньше, чем формы жизни с линейными хромосомами, то можно сказать, что это было изначальное свойство живых клеток иметь именно кольцевую ДНК. Когда появились более сложные организмы, у них хромосомы стали линейными, и возникла система, ограничивающая количество клеточных делений»).
Я считаю, что клеточное старение, если сказать в одной фразе - это расплата за дифференцировку клеток у многоклеточных организмов, за то, что клетка специализируется. Пока я говорил о том, что клетки умирают, а о самом старении ничего. Если мы возьмем старую клетку и сравним ее с молодой, то у нее должны быть теломеры, то есть концы хромосом укорочены и, более того, если мы в динамике будем смотреть, то клетка, прошедшая 20 удвоений, имеет укороченные теломеры, 30 - еще более укороченные, а 40 - еще более укороченные. Так оно все и получилось.
Подтверждение гипотезы и продолжение исследования
В 1998 году на Западе возник настоящий бум - и на телевидении, и в газетах, и даже до нас немножко докатилось - когда американские ученые сделали замечательное исследование. Две лаборатории с разрывом в месяц опубликовали сообщение, в котором говорилось, что они ввели теломеразу в клетки, и клетки стали бессмертными. Причем клетки остались нормальными - не превратились в раковые. В подавляющем большинстве случаев в раковых клетках высокая активность теломеразы. Но в раковой клетке происходят мутации, которые заставляют клетку все время делиться, не обращая внимания на сигналы соседей. Именно поэтому клетки не останавливаются в своих делениях. Когда нормальная клетка видит соседа, наступает так называемый эффект клеточного торможения. Это то, что отсутствует в клетке злокачественной опухоли.
Я тогда подумал, что связь теломер со старением подтверждена. Но, на самом деле, как я думаю сегодня, причина иная. Сегодня я считаю, что, несмотря на все подтвердившиеся предсказания теломерной гипотезы, она не объясняет, почему же все-таки организм стареет. Она не объясняет, каким образом клетка понимает, что она сделала много делений. Для того, чтобы объяснить это, я считаю, теломеры не годятся. Сегодня я считаю именно так. Я сегодня думаю, что в действительности укорочение теломер есть лишь невинный свидетель некоего совершенно другого процесса. Вы спросите - какого? Процесса укорочения редумер. И это некая новая сущность, которая требует детального объяснения. Об этом мы еще непременно поговорим.
