Старение было центром исследований на протяжении многих веков. Несмотря на значительный прогресс в увеличении средней продолжительности жизни, старение было центром исследований на протяжении многих веков. Процесс старения остается в значительной степени неуловимым и, к сожалению, неизбежным. В этом обзоре мы попытались обобщить современные теории старения и подходы к его пониманию.
Ряд теорий, которые подразделяются на две основные категории, были предложены в попытке объяснить процесс старения. Первая категория состоит из концепций, утверждающих, что старение запрограммировано, и тех, которые утверждают, что старение вызвано накоплением ущерба. И наоборот, последняя категория теорий предлагает различные источники и цели ущерба. Они не обязательно являются взаимоисключающими. Скорее старение может варьироваться у разных видов, а запрограммированное старение может ускорить накопление повреждений или уменьшить способность к ремонту. Какие виды повреждений возникают при старении?
Основной функцией митохондрий является дыхание, которое способствует выработке энергии. Митохондрии расщепляют органические соединения на воду и углекислый газ, выделяя энергию в виде аденозинтрифосфата (АТФ). Каждая митохондрия содержится в двойной мембране. Внешняя мембрана относительно проницаема для небольших молекул через транспортные белки, известные как порины. Внутренняя мембрана образует складки (кристы), которые увеличивают площадь мембраны. Митохондриальное дыхание генерирует протонный градиент через внутреннюю мембрану и трансмембранный потенциал через комплексы дыхательных цепей (I – IV), позволяя электрону течь из восстановительных эквивалентов NADH и FADH 2 в кислород. Одновременно энергия, выделяющаяся при окислении NADH и FADH 2 , используется для откачки ионов H + из матрицы в пространство между внешней и внутренней мембранами. Таким образом, межмембранное пространство митохондрий заряжено положительно; и матрица, отрицательно. Накопленная энергия используется для синтеза АТФ другим мембраносвязанным белковым комплексом — АТФ-синтазой.
Отличительной проблемой для дыхания является выделение избыточной энергии во время окисления органических молекул кислородом (превращается в восстановительные эквиваленты NADH и FADH 2). В этом контексте дыхательная цепь используется для разрыва всей реакции на промежуточные стадии, энергия которых будет более эффективно сохраняться (для установления протонного градиента). Кроме того, электроны могут транспортироваться по одному или парами (как два восстановительных эквивалента) в дыхательной цепи. В конце каталитического цикла восстановления кислорода до двух молекул воды четыре электрона последовательно передаются восстановленным цитохромом с в цитохром с оксидазу.
Во время дыхания кислород восстанавливается в несколько этапов, образуя супероксидный радикал (O 2 — ) и перекись водорода. Чаще всего эти молекулы, известные как активные формы кислорода (АФК), остаются связанными с оксидазой цитохрома с, пока не завершится восстановление кислорода до воды. В отличие от обычной последовательности восстановления кислорода цитохром с оксидазой, молекулы кислорода могут иногда образовывать супероксидные частицы, реагируя с восстановленными компонентами цепи переноса электронов. Это обычно происходит на уровне комплексов I и III в дыхательной цепи. Кроме того, белок p66Shc может генерировать АФК через цитохром С. Короткоживущие АФК являются мощными индукторами окислительного повреждения любой биомолекулы. В частности, продуцируемые митохондриями АФК вызывают вредные мутации мтДНК. Митохондрии несут свой собственный геном, унаследованный от бактериального предка, живущего у ранних эукариот. мтДНК кодирует в основном молекулы РНК, необходимые для синтеза митохондриальных белков и субъединиц ферментов дыхательной цепи. МтДНК человека кодирует две рибосомные РНК и 22 транспортные РНК, семь белков респираторного комплекса I (ND1, ND2, ND3, ND4, ND4L, ND5, ND6), один белок респираторного комплекса III (CYB), три белка респираторного комплекса IV (CO1, CO 2 , CO3) и две белковые субъединицы АТФ-синтазы (ATP6, ATP8). Большинство других белков, важных для митохондриальной функции, кодируются ядерным геномом.
Мутации в митохондриальной ДНК могут влиять на продолжительность жизни. Наиболее ярким примером является дефицит гена COX5 , кодирующего пятую субъединицу цитохром с оксидазы в грибе Podospora anserina, что проявляется в увеличении продолжительности жизни в 10 раз. Учитывая это, нарушение нормального дыхательного пути у P. anserine приводит к использованию альтернативного пути, который является частным только для нескольких таксономических групп.
Клетки обладают своими собственными ROS-метаболизирующими ферментами. Супероксидный радикал превращается супероксиддисмутазой (СОД) в менее химически активную перекись водорода. Клетки человека содержат митохондриальную марганцевую супероксиддисмутазу (MnSOD) и несколько клеточных медно-цинковых супероксиддисмутаз. Перекись водорода, которая образуется из супероксидного радикала или другими путями, расщепляется каталазой (CAT), пероксиредоксином (Prx) и глутатионпероксидазой (GPx). Перекись водорода может самопроизвольно реагировать с ионом двухвалентного железа (II) по реакции Фентона с образованием высокореактивных гидроксильных радикалов (OH E), которые могут быть вредными для клеточного функционирования.
Рассмотрение АФК как первичных повреждающих молекул не только для митохондрий, но и для других клеточных компартментов в процессе старения клеток было предложено Д. Харманом в 1956 году и остается укоренившимся до наших дней. Снижение выработки АФК с использованием митохондриально-направленных перезаряжаемых антиоксидантов послужило основой для подхода, предложенного В.П. Скулачевым, для предотвращения возрастных нарушений. Важно отметить, что роль АФК в возрастной патологии претерпела несколько пересмотров в последние годы. Первоначально считалось, что поврежденные митохондрии увеличивают выработку АФК и тем самым ускоряют старение. Тем не менее, в конечном итоге было доказано, что большинство недостатков митохондрий не заканчиваются повышенным уровнем АФК, а полностью инактивированными митохондриями, что привело к гипотезе о том, что клетки, лишенные функции митохондрий, представляют угрозу для всего организма.
Несколько исследований поставили под сомнение отрицательную роль, отводимую АФК как первичным медиаторам повреждения клеток при старении. Эндогенно продуцированные АФК у широкого спектра видов животных обратно коррелируют с продолжительностью жизни; однако экспериментальные данные свидетельствуют о том, что голые крольчонки Heterocephalus glaber , которые демонстрируют исключительную долговечность, переносят гораздо более высокие уровни АФК и окислительного повреждения у короткоживущих мышей ( Mus musculus ). Известно, что АФК играют важную роль в иммунном функционировании, клеточной передаче сигналов и реакции на стресс. Особое внимание следует уделить взаимосвязи между путем инактивации АФК и старением. Хотя может показаться, что более сильная защита от ROS продлевает срок службы, на самом деле это не так. Наоборот, была установлена отрицательная корреляция между уровнем ферментов, метаболизирующих АФК, и продолжительностью жизни млекопитающих. В то же время воздействие повышенных концентраций ферментов, участвующих в инактивации АФК, приводит к увеличению продолжительности жизни. Положительное влияние наблюдалось через генетическую активацию каталазы в митохондриях: не в ядрах мышиных клеток. Было показано, что сверхэкспрессия CuZnSOD увеличивает продолжительность жизни у взрослых Drosophila melanogaster. С другой стороны, делеции в генах, участвующих в метаболических путях АФК, не влияют на продолжительность жизни нематоды Caenorhabditis elegans , тогда как делеция гена sod-2 даже увеличивает его.
В целом, АФК, по-видимому, играют пагубную роль в клеточном функционировании, в частности в митохондриях, во время старения, но все же благотворно влияет на другие пути.
Другая теория, которая пытается объяснить процесс старения, предполагает, что накопление биологического мусора, который не может быть полностью удален из организма, является причиной старения клеток. В своей основной форме эта теория была описана В. Гладышевым. Он считает, что из-за стохастической природы биохимических реакций, в том числе ферментативных путей, могут возникать побочные реакции. Степень сложности биохимической сети способствует формированию ассортимента побочных продуктов. Некоторые из них легко устраняются путем выведения или деградации. Каждый побочный продукт расщепляется соответствующим ферментом или рядом ферментов, что, в свою очередь, усложняет обмен веществ и увеличивает количество побочных продуктов. Ферментативные пути метаболизма побочных продуктов различаются у разных видов. Эти пути, хотя они и немногочисленны, имеют тенденцию ограничиваться только наиболее часто производимыми соединениями с токсичными свойствами, что позволяет накоплению других побочных продуктов. Единственный механизм, посредством которого эти агенты растворяются в клетках, — это деление клеток. Это относится только к репликативным клеткам. Проблема для многоклеточных организмов, таких как организм человека, заключается в том, что многие типы клеток теряют репликативную способность или медленно делятся, даже если они остаются активными на протяжении всей жизни. Эти клетки, включая кардиомиоциты и нейроны головного мозга, накапливают метаболические отходы, которые в конечном итоге влияют на нормальное функционирование клеток. Обычным побочным продуктом клеточного метаболизма, по-видимому, является липофусцин, вещество, состоящее из неразлагаемого материала, который накапливается в лизосомах. Лизосомы представляют собой внутриклеточные органеллы, служащие в качестве разлагающих компартментов для внутри- и внеклеточных компонентов. Кроме того, гидролазы фермента расщепления, содержащиеся в лизосомах, транспортируются в везикулах из эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи. Гидролазы переносятся в лизосомы после связывания с 6-фосфатными остатками маннозы. Лизосомные ферменты активны только при кислотном лизосомальном рН. Отложение липофусцина снижает уровни ферментов и ухудшает лизосомальное подкисление, что в конечном итоге влияет на активность гидролазы. Каждый организм содержит видоспецифичные группы лизосомальных ферментов и ферменты, ответственные за расщепление метаболических остатков в других клеточных компартментах.
Накопление неразлагаемого материала может происходить во внутриклеточной и внеклеточной средах. Среди внеклеточных отложений, обнаруженных у людей, стоит упомянуть холестеринсодержащие бляшки и их окисленные производные в кровеносных сосудах, а также белковые полимеры, такие как β-амилоид в центральной нервной системе. Атеросклеротические бляшки содержат липиды, откладывающиеся на стенках кровеносных сосудов. Во-первых, это окисленные и гликированные производные холестерина; однако могут присутствовать другие липиды. Липопротеины низкой плотности (ЛПНП) транспортируют молекулы жира по всему телу, откуда они накапливаются на стенках артерий.
Атеросклеротические бляшки служат местом для рекрутирования моноцитов, которые в конечном итоге дифференцируются в макрофаги. Эти иммунные клетки поглощают холестерин и оказываются полезными в какой-то момент. Однако при определенных условиях макрофаги накапливаются в бляшках и образуют нагруженные липидами пенистые клетки. Сравнение полиморфизмов ДНК у французских долгожителей с контрольными индивидуумами в исследовании общегеномных ассоциаций (GWAS) продемонстрировало, что один из генотипов ApoE (аллель E2), компонент липопротеинов очень низкой плотности, был значительно чаще встречаться в группе долгожителей, тогда как аллель Е4, связанный с высоким риском атеросклероза, встречался значительно реже. Кроме того, аллели ApoB, основной компонент липопротеинов низкой плотности, не связаны с продолжительностью жизни.
Амилоидные белки представляют собой еще один класс токсичных отходов, накапливающихся главным образом в нервной системе. Наиболее хорошо описанным амилоидным белком является β-амилоид, который, как известно, вызывает болезнь Альцгеймера. Он генерируется из функционально важного белка, белка-предшественника амилоида, путем расщепления молекулы-предшественника на обоих концах β- и γ-секретазой. Β-Амилоидный белок может существовать в нескольких формах, одна из которых, богатая β-листами, является токсичной. Токсичность связана с β-амилоидной полимеризацией, которая может побудить другие мономеры принять неправильно сложенную структуру. Полимеризация амилоидного β-пептида приводит к образованию амилоидных бляшек в нервных клетках, вызывая болезнь Альцгеймера. Имеются данные, свидетельствующие о том, что β-амилоидные пептиды могут самопроизвольно подвергаться модификации пироглутамата и приобретать более высокую токсичность. Существует широкий спектр соединений, кроме β-амилоидных пептидов, способных к самополимеризации в токсичные нерастворимые структуры. Вероятно, что спонтанная модификация белков также играет роль в формировании метаболического мусора.
Другим долгоживущим млекопитающим, геном которого недавно был аннотирован лабораторией В. Гладышева, является летучая мышь Брандта. Ввиду вышесказанного, летучие мыши демонстрируют исключительную долговечность по сравнению с млекопитающими аналогичного размера. Срок службы летучей мыши Брандта составляет более 40 лет, что является самым длинным за всю историю позитивной связи между продолжительностью жизни и размером тела, учитывая вес летучей мыши 4–8 г. Геном этого ночного насекомоядного млекопитающего содержит 22 256 генов и 194 псевдогена, содержащих 2 × 10 9 нуклеотидов. В общей сложности 67 семейств генов значительно расширились, и 44 семейства генов сократились. Связанные с иммунитетом гены в расширенных семействах генов заслуживают более тщательного изучения. В ходе эволюции летучая мышь Брандта приобрела 349 генов и потеряла 98 генов. Некоторые гены участвуют в эхолокации, зрительной адаптации к условиям слабого освещения и гибернации. Предполагаемые мутации продления продолжительности жизни обнаруживаются в рецепторах гормона роста (GHR) и инсулиноподобных факторах роста (IGF1R). Мутации в гене IGF1R (daf-2) были обнаружены у долгоживущих мутантов C. elegans . Было показано, что профили экспрессии пути indulin / IGF1, такого как FOXO1, в летучей мыши Брандта изменяются аналогично мутантным долгоживущим мышам и являются типичными для замедленного метаболизма.
Морские ежи относятся к типу иглокожих, суперфиллум Deuterostomia, как позвоночные. Они ближе к позвоночным животным, чем к таким протостомам, как членистоногие и моллюски. Взрослые морские ежи обладают пятикратной симметрией. Морские ежи заключены в известковую оболочку в форме шара, состоящую также из рядов пластин с пентамерной симметрией. Рот расположен на нижней стороне и анус на верхней части тела. Тело покрыто гибкими шипами, движимыми видами мышц. Морские ежи привлекли внимание как модель биологии развития. Сперма и яйцеклетки попадают в морскую воду и могут быть получены в лабораторных условиях. Оплодотворение происходит снаружи в воде с последующим немедленным делением клеток. Эти существа всколыхнули еще одну волну интереса как долгожители. Strongylocentrotus franciscanus , или красный морской еж, встречается в Тихом океане вдоль североамериканского побережья в холодном калифорнийском течении. Исключительная долговечность этого вида была подтверждена. Тетрациклин, введенный в красного ежа, откладывается в известковой оболочке. Сбор и анализ морских ежей в течение одного года после инъекции позволяет оценить годовые полосы роста. Было показано, что период ускоренного роста сопровождается выраженным замедлением.
Статистический анализ изменения размера тела S. franciscanus позволил оценить максимальную продолжительность жизни. Более крупные люди могут выжить в пожилом возрасте, превышающем не менее 100 лет. Другое подтверждение было получено с помощью радиоуглеродного распределения ( 14 C) в известковых зубах S. franciscanus . Увеличенное количество радиоуглерода в мировом океане, благодаря испытанию ядерной бомбы в 1950-х годах, использовалось в качестве маркера для оценки среднего роста зубов у ежа Красного моря в течение нескольких десятилетий. Оба исследования показали, что S. franciscanus живет более 100 лет. Важно отметить, что лишь немногие виды морских ежей демонстрируют длительную продолжительность жизни. Другой морской еж, найденный в Тихом океане, S. purpuratus, разделяющий среду обитания с S. franciscanus, имеет долгую продолжительность жизни 50 лет, но не так много, как у ежей Красного моря. В то же время пестрый морской еж, Variegates Lytechinus, живет всего 3-4 года. Резкое несоответствие в продолжительности жизни среди родственных видов имеет перспективу использования этих животных в качестве моделей для понимания генетического фона долголетия.
Выводы
Почти все современные теории старения имеют общий факт, что основной причиной старения является накопление молекулярного повреждения, вызванного, главным образом, АФК, но роль амилоидного белка, конечных продуктов гликирования и липофусцина также признается. Существующие теории различаются по степени, в которой накопление отходов кодируется в геноме, и является ли это запрограммированной смертью или накоплением, которое, как считается, несет затраты на эволюционные выгоды. В дополнение к самому повреждению, скорость накопления также вызывает беспокойство, которое является результатом общей метаболической активности. Наиболее существенные изменения в долговечности модельных организмов оказываются мутациями в метаболических путях. Наряду с анализом модельных организмов можно расширить анализ генома долгоживущих животных и короткоживущих видов-партнеров.
Добавить комментарий