Біоінформатика

Теории, объясняющие старение организмов можно классифицировать различными способами. Например, существует разделение на три группы: 1) генетические теории, в которых генно-контролируемые запрограммированные «биологические часы», такие как теломеры регулируют рост, зрелость и старость, 2) нейроэндокринные теории и 3) теории накопления повреждений. Вообще говоря, это разделение довольно условное, потому как все эти механизмы важны и взаимосвязаны. Классификация важнейших теорий старения по уровню интеграции (Yin, Chen, 2005) Организменный уровень интеграции Теория изнашивания - Sacher, 1966 Теория катастрофы ошибок - Orgel, 1963 Теория стрессового повреждения - Stlye, 1970 Теория аутоинтоксикации - Metchnikoff, 1904 Эволюционная теория (теория программированного старения) - Williams, 1957 Теория сохранения информации (теория программированного старения) Органный уровень Эндокринная теория - Korenchevsky, 1961 Иммунологическая теория - Walford, 1969 Торможение головного мозга Клеточный уровень Теория клеточных мембран - Zg-Nagy, 1978 Теория соматических мутаций - Szillard, 1959 Митохондриальная теория - Miquel et al., 1980 Митохондриально-лизосомальная теория - Brunk, Terman, 2002 Теория пролиферативного лимита клетки (теория программированного старения) - Hayflick, Moorhead, 1961 Молекулярный уровень Теория накопление повреждений ДНК - Vilenchik, 1970 Теория следовых элементов - Eichhorn, 1979 Свободно-радикальная теория - Harman, 1956 Теория поперченных сшивок - Bjorksten, 1968 Теория окислительного стресса - Sohal, Allen, 1990; Yu, Yang, 1996 Теория неэнзиматической гликозиляции - Cerami, 1985 Теория карбонильной интоксикации - Yin, Brunk, 1995 Теория катастрофы загрязнения - Terman, 2001 Теория генных мутаций Теория укорочения теломер (теория программированного старения) - Оловников, 1971 Теории старения 1. Свободнорадикальная теория старения Дэнхема Хармана Свободнорадикальная теория старения была представлена в 1956 Денхамом Харманом (биохимиком, специалистом в области питания), который предположил, что старение является результатом случайного вредоносного повреждения тканей свободными радикалами. В ходе жизнедеятельности каждой клетки через неё проходит огромное количество кислорода. Он используется для клеточного дыхания, дающего клетке энергию. Но небольшая доля кислорода при этом уходит в паразитные соединения, обладающие огромной реакционной способностью. Их называют АФК – активные формы кислорода (хотя в их составе бывает и не только кислород). Примерами таких веществ могут служить всем хорошо известные перекись водорода и озон. Эти два вещества, однако, относительно малоактивны и могут существовать долго. Другие же АФК несравненно агрессивней. В организме они живут лишь тысячные доли секунды. А потом вступают в реакцию с другими молекулами, повреждая их. Они атакуют белки, липиды клеточных мембран, ДНК... В результате атак со стороны АФК повреждаются митохондрии. Накопление этих повреждений и является сутью старения. Из интервьюс Д.Харманом: • Максимальная же продолжительность жизни очень индивидуальная и остается неизменной — 115–120 лет • Согласно исследованиям, проведенным учеными компании Pracon Inc., если бы американцы ежедневно принимали оптимальное количество трех антиоксидантов — бета-каротина, витамина С и витамина Е, то мы могли бы сохранить 8.7 миллиардов долларов ежегодно только за счет уменьшения госпитализаций при сердечных болезнях и раке. Свободнорадикальные реакции лежат в основе более 50 болезней, в число которых входит рак, сердечные болезни, паралич, ревматоидный артрит, катаракта, болезнь Альцгеймера. Список продолжает расширяться. • Уменьшение потребления калорий действительно может увеличить максимальную продолжительность жизни. В экспериментах на крысах уменьшение потребления калорий на 40% снизило вес и потребление кислорода на 40%, при этом средняя продолжительность жизни увеличилась на 40%, а максимальная — на 49%. Я считаю, что это связано с пониженным потреблением кислорода, от 1 до 3% которого тратится на образование супероксидрадикала и перекиси водорода. Следовательно, сокращая потребление калорий, мы уменьшаем вероятность образование этих вредных веществ. • Я принимаю 200 мг витамина Е ежедневно, 10 мг коэнзима Q-10 во время каждого приема пищи, 1 таблетку дрожжей, содержащую 50 мкг селена, дважды в день, а также одну мультивитаминную таблетку. • Есть еще кое-что, от чего зависит продолжительность жизни. Надо сохранять свой вес на нормальном уровне, не курить и не пить. Как видите, ничего нового. Все это было известно еще нашим предкам. 2. Теория клеточного старения Леонарда Хейфлика В 1961 г. Леонард Хейфлик (профессор анатомии и молекулярной биологии) представил данные о том, что даже в идеальных условиях культивирования фибробласты эмбриона человека способны делиться только ограниченное число раз (50 ± 10). Последняя фаза жизни клеток в культуре была уподоблена клеточному старению, а сам феномен получил по имени автора название "предела Хейфлика". Сам Хейфлик не предложил объяснение этого явления. Чем больше живут животные данного вида, тем больше делений совершают выделенные из них клетки in vitro. Т. е. 50 делений — это видовая характеристика лимита Хейфлика только для человека; у других организмов он может быть и значительно меньше (15-20 у мышей), и значительно больше (110 черепахи). 3. Теломерная теория А.М. Оловникова как развитие теории Хейфлика В 1971 г. научный сотрудник Института биохимической физики РАН А.М. Оловников, используя данные о принципах синтеза ДНК в клетках, предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки – теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться. Тогда она постепенно теряет жизнеспособность – именно в этом, согласно теломерной теории, и состоит старение клеток. Открытие в 1985 г. фермента теломеразы, достраивающего укороченные теломеры в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие, стало подтверждением теории Оловникова. Правда, предел в 50-60 делений справедлив далеко не для всех клеток: раковые и стволовые клетки теоретически могут делиться бесконечно долго, в живом организме стволовые клетки могут делиться не десятки, а тысячи раз, но связь старения клеток с укорочением теломер является общепризнанной. Справка: Теломеры (от греч. telos — конец и meros — часть) — концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию. У большинства эукариот теломеры состоят из специализированной линейной хромосомной ДНК, состоящеи из коротких тандемных повторов. В теломерных участках хромосом ДНК вместе со специфически связывающимися с теломерными ДНК-повторами белками образует нуклеопротеидный комплекс — конститутивный (структурный) теломерный гетерохроматин. Теломерные повторы — весьма консервативные последовательности, например повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов TTAGGG, повторы всех насекомых — TTAGG, повторы большинства растений — TTTAGGG. В каждом цикле деления теломеры клетки укорачивается, из-за неспособности ДНК-полимеразы синтезировать копию ДНК с самого конца. Данный феномен носит название концевой недорепликации. Существует специальный фермент — теломераза, который при помощи собственной РНК-матрицы достраивает теломерные повторы и удлиняет теломеры. Из интервью с А.М. Оловниковым: • Само же укорочение теломер – это уже не гипотеза, а как говорится, медицинский факт. Но оно не является причиной старения, хотя именно изучение теломер продолжающееся и приводит к представлению о том, что когда мы говорим о старении, нужно найти некой другой объект. Редумеры – объект, ответственный за старение. • Но в дальнейшем появились факты, говорящие о том, что все-таки укорачивание теломер не является основной причиной старения, а скорее является каким-то побочным результатом, но не первопричиной. Чтобы объяснить новые факты, Алексей Матвеевич разработал новую теорию старения, которая называется редумерная теория старения. Суть ее состоит в следующем, что в процессе развития организма, когда из одной клетки постепенно формируется сложный организм, состоящий из многих разных типов клеток и ткани, в процессе этой дифференцировки клеток на хромосомах образуются так называемые редумеры. Это такие маленькие кусочки ДНК, содержащие определенные регуляторные гены, которые необходимы для того, чтобы клетка дифференцировалась, чтобы клетка стала нервной клеткой или мышечной клеткой. И вот эти короткие кусочки ДНК, редумеры, они укорачиваются тоже с каждым клеточным делением по тому же механизму, что и теломеры. Потому что так устроен процесс удвоения ДНК, что при этом кончики молекулы ДНК теряются, молекула становится с каждым разом короче. Но в отличие от теломер, которые не содержат никакой полезной информации, редумеры содержат полезную информацию, содержат гены, необходимые для нормальной работы клетки. И поэтому, когда укорачиваются редумеры, клетка начинает работать все хуже и хуже, в ней нарушается система регуляции, и вот это, собственно, и есть старение. В этом суть редумерной теории старения. • (Что надо делать, чтобы радикально увеличить жизнь?) Если действительно говорить о редумерах, то я думаю, что когда мы будем ими управлять, мы сможем делать стволовые клетки из обычных соматических клеток. В какой-то мере сейчас в мире работаем со стволовыми клетками в значительной мере вслепую. Вот мы сможем и ими управлять, можем делать стволовые клетки из обычных клеток соматических. И более того, я совершенно не исключаю, что ряд раковых заболеваний, я думаю, можно будет лечить с помощью редумерной терапии. Для нормализации раковых клеток разного происхождения потребуется научиться контролировать работу разных редумер или их хромосомных оригиналов. А первым шагом на этом пути должно быть все то же самое, о чем мы до сих пор говорили – нужно сначала найти редумеры в клетке. А то, что они там присутствуют, в этом я уверен. Осталось, правда, немногое – начать да кончить. Что надо сделать? Надо их найти, определить последовательность вот этих кирпичиков, нуклеотидов в них и дальше синтезировать их искусственно и затем можно их встроить в такие вирусы, безопасные вирусы, которые могли бы приходить в клетки. Редусомная теория Оловникова Покрытая белками линейная молекула ДНК редусомы – это копия сегмента хромосомной ДНК в гнезде. Подобно теломерной ДНК линейная ДНК редусомы с течением времени укорачивается. Поэтому крошечные редусомы прогрессирующе уменьшаются в размерах; отсюда и их название. Вместе с убылью ДНК в редусоме уменьшается и количество содержащихся в ней разных генов. Укорочение молекул редусомной ДНК (и вызванное этим изменение набора генов в редусомах, меняет с возрастом уровень экспрессии различных хромосомных генов и благодаря этому служит ключевым средством измерения биологического времени в индивидуальном развитии. 5. Теория расходуемой (одноразовой) сомы (теория перекрестных сшивок) Теория одноразовой сомы была предложена Томасом Кирквудом в 1977 году в опубликованной в журнале Nature статье "Эволюция старения". Том Кирквуд родился в 1951 году в Дурбане, Южная Африка. Учился в Кэмбридже и Оксфорде, возглавлял лабораторию вычислительной биологии в Лондонском Национальном Институте Медицинских Исследований. В настоящее время Том Кирквуд является главой Института Старения и Здоровья в Университете Ньюкастла. Кирквуд является автором "Время нашей жизни: наука о старении человека" (1999) и "Конец возрасту: почему все в старении меняется" (2001), а также соавтором "Шанс, развитие и старение" 2000, совместно с Калебом Финчем. Этот механизм старения немного похож на воздействие свободных радикалов. Только роль агрессивных веществ здесь играют сахара, в первую очередь – всегда присутствующая в организме глюкоза. Сахара могут вступать в химическую реакцию с различными белками. При этом, естественно, функции этих белков могут нарушаться. Но что гораздо хуже, молекулы сахаров, соединяясь с белками, обладают способностью «сшивать» молекулы белков между собой. Из-за этого клетки начинают хуже работать. В них накапливается клеточный мусор. Одно из проявлений такой сшивки белков – потеря тканями эластичности. Внешне наиболее заметным оказывается появление на коже морщин. Но гораздо больший вред приносит потеря эластичности кровеносных сосудов и лёгких. В принципе, у клеток есть механизмы для разрушения подобных сшивок. Но этот процесс требует от организма очень больших энергозатрат. Сегодня уже существуют лекарственные препараты, которые разбивают внутренние сшивки и превращают их в питательные вещества для клетки. 6. Теория ошибок Гипотеза «старения по ошибке» была выдвинута в 1954 г. американским физиком М. Сциллардом. Исследуя эффекты воздействия радиации на живые организмы, он показал, что действие ионизирующего излучения существенно сокращает срок жизни людей и животных. Под воздействием радиации происходят многочисленные мутации в молекуле ДНК и инициируются некоторые симптомы старения, такие как седина или раковые опухоли. Из своих наблюдений Сцилард сделал вывод, что мутации являются непосредственной причиной старения живых организмов. Однако он не объяснил факта старения людей и животных, не подвергавшихся облучению. Его последователь Л. Оргель считал, что мутации в генетическом аппарате клетки могут быть либо спонтанными, либо возникать в ответ на воздействие агрессивных факторов – ионизирующей радиации, ультрафиолета, воздействия вирусов и токсических (мутагенных) веществ и т.д. С течением времени система репарации ДНК изнашивается, в результате чего происходит старение организма. 7. Теория апоптоза (самоубийства клеток) Академик В.П. Скулачев называет свою теорию теорией клеточного апоптоза. Апоптоз (греч. «листопад») – процесс запрограммированной гибели клетки. Как деревья избавляются от частей, чтобы сохранить целое, так и каждая отдельная клетка, пройдя свой жизненный цикл, должна отмереть и ее место должна занять новая. Если клетка заразится вирусом, или в ней произойдет мутация, ведущая к озлокачествлению, или просто истечет срок ее существования, то, чтобы не подвергать опасности весь организм, она должна умереть. В отличие от некроза – насильственной гибели клеток из-за травмы, ожога, отравления, недостатка кислорода в результате закупоривания кровеносных сосудов и т.д., при апоптозе клетка аккуратно саморазбирается на части, и соседние клетки используют ее фрагменты в качестве строительного материала. Самоликвидации подвергаются и митохондрии – изучив этот процесс, Скулачев назвал его митоптозом. Митоптоз происходит, если в митохондриях образуется слишком много свободных радикалов. Когда количество погибших митохондрий слишком велико, продукты их распада отравляют клетку и приводят к ее апоптозу. Старение, с точки зрения Скулачева, – результат того, что в организме гибнет больше клеток, чем рождается, а отмирающие функциональные клетки заменяются соединительной тканью. Суть его работы – поиск методов противодействия разрушению клеточных структур свободными радикалами. По мнению ученого, старость – это болезнь, которую можно и нужно лечить, программу старения организма можно вывести из строя и тем самым выключить механизм, сокращающий нашу жизнь. По мнению Скулачева, главная из активных форм кислорода, приводящих к гибели митохондрий и клеток – перекись водорода. В настоящее время под его руководством проходит испытания препарат SKQ, предназначенный для предотвращения признаков старения. Из интервью В.П. Скулачева: — Какие открытия, эксперименты на этом направлении представляются вам наиболее значимыми и перспективными? — Ну прежде всего то, за что С. Бреннер, Х. Хорвиц и Д. Салстон стали лауреатами Нобелевской премии 2002 года. Премию дали за открытие генов запрограммированной смерти клетки. Исследовался червяк, который живет около двух недель, состоит всего из 959 клеток. И судьба каждой была прослежена от яйцеклетки до взрослого организма. В финале клеток насчитали меньше, чем должно было быть по расчетам. Число — нечетное, а ведь при делении клеток пополам оно заведомо должно быть четным. Значит, по пути творилось что-то неладное. Стали разбираться. И оказалось: при развитии этого червячка 131 клетка кончает жизнь самоубийством. Чрезвычайно интересными были, на мой взгляд, эксперименты Нильса-Гёрана Ларсона из Каролинского института в Стокгольме (научная публикация — совсем недавняя, в мае прошлого года). Опыты проводились на мышах с измененным геном белка, называемого «митохондриальная ДНК-полимераза». Этот белок синтезирует ДНК внутриклеточных органелл митохондрий. Он делает на матрице старой ДНК новую ДНК, выполняя одновременно роль и «наборщика», и «корректора». Целенаправленное повреждение нужного гена — и вот уже остался один «наборщик», а «корректора» сократили. Результат: ускорение накопления ошибок и — ускорение старения. Если в контрольной группе животные старели «нормально», то в группе мутантных мышей животные быстро превращались в маленьких, горбатеньких, усохших старушек. Ларсон показал, что на программу смерти можно влиять. В его случае — ускорить. Мы сейчас в нашем институте работаем в обратном направлении. Задача на перспективу — не просто замедлить механизм накопления ошибок, старения, а сломать, отменить этот механизм. — И что тогда? — Вечная молодость, только и всего. 8. Адаптационно-регуляторная теория В.В. Фролькис - выдающийся современный украинский физиолог и геронтолог профессор (1924-1999). Родился в г. Житомире. Модель старения, разработанная выдающимся украинским физиологом и геронтологом В.В. Фролькисом в 1960-70-х гг., основана на широко распространенном представлении о том, что старость и смерть генетически запрограммированы. «Изюминка» теории Фролькиса состоит в том, что возрастное развитие и продолжительность жизни определяются балансом двух процессов: наряду с разрушительным процессом старения развертывается процесс «антистарения», для которого Фролькис предложил термин «витаукт» (лат. vita – жизнь, auctum – увеличивать). Этот процесс направлен на поддержание жизнеспособности организма, его адаптацию, увеличение продолжительности жизни. Представления об антистарении (витаукте) получили широкое распространение. Так, в 1995 г. в США состоялся первый международный конгресс по этой проблеме. Существенным компонентом теории Фролькиса является разработанная им генорегуляторная гипотеза, по которой первичными механизмами старения являются нарушения в работе регуляторных генов, управляющих активностью структурных генов и, в результате, интенсивностью синтеза закодированных в них белков. Возрастные нарушения генной регуляции могут привести не только к изменению соотношения синтезируемых белков, но и к экспрессии ранее не работавших генов, появлению ранее не синтезировавшихся белков и, как результат, к старению и гибели клеток. В.В.Фролькис полагал, что генорегуляторные механизмы старения являются основой развития распространенных видов возрастной патологии – атеросклероза, рака, диабета, болезней Паркинсона и Альцгеймера. В зависимости от активации или подавления функций тех или иных генов и будет развиваться тот или иной синдром старения, та или иная патология. На основе этих представлений была выдвинута идея генорегуляторной терапии, призванной предупреждать сдвиги, лежащие в основе развития возрастной патологии. 9. Теория соматических мутаций Среди современных теорий старения, основанных на предположении, что ДНК является основной мишенью повреждающих агентов в клетке, доминирует теория соматических мутаций, согласно которой старение - результат взаимодействия различных эндогенных и экзогенных повреждающих агентов с генетическим материалом клетки и постепенного накопления случайных мутаций в геноме соматических клеток. Повреждения ядерной и митохондриальной ДНК соматических клеток, такие, как точечные мутации, делеции и транслокации, приводят к активации или инактивации специфических генов, вовлеченных в регуляцию клеточного цикла и контроль роста. Накопление с возрастом таких мутаций в различных органах и тканях - основной фактор, определяющий развитие возрастной патологии, включая рак.