Москалев А.А. Старение и гены

Подождите немного. Документ загружается.

УДК 577 + 575

ББК 28.04

М82

Москалев А. А. Старение и гены. — СПб.: Наука, 2008. — 358 с.

ISBN 978-5-02-026314-7

Представлен аналитический обзор достижений генетики старения и продолжитель-

ности жизни. Обобщены эволюционные, клеточные и молекулярно-генетические взгля-

ды на природу старения. Рассмотрены классификации генов продолжительности жизни

(эволюционная и феноменологическая), предложена новая, функциональная, классифи-

кация. Проанализированы преимущества и недостатки основных модельных объектов

генетики старения: дрожжей, нематод, дрозофил, грызунов. Обсуждены достижения

генетики старения человека. Подробно описаны основные механизмы, плейотропно

влияющие на скорость старения, — репликативное и стресс-индуцированное клеточное

старение, поддержание стабильности генома и апоптоз. В экстремальных условиях сре-

ды (при голодании, температурном стрессе, нарушениях светового режима, облучении,

окислительном стрессе) происходит переключение с программы размножения на про-

грамму стрессоустойчивости. Рассмотрены основные регуляторные и эффекторные пу-

ти, лежащие в основе такой устойчивости. Сделан всесторонний обзор взаимодействия

репродукции и старения.

Монография предназначена для специалистов, интересующихся проблемами ста-

рения и продления жизни, генетиков, геронтологов, гериатров, экологов и радиобиол-

огов. Библиогр. 551 назв. Ил. 17. Табл. 9.

Ответственный редактор

проф. В. Н. АНИСИМОВ

Рецензенты:

акад. РАН Ю. С. ОВОДОВ, чл.-кор. РАМН В. С. БАРАНОВ,

проф. В. Г. ЗАЙНУЛЛИН

Moskalev A. Aging and genes. — Saint Petersburg: Nauka, 2008. — 358 p.

ISBN 978-5-02-026314-7

It is presented modern review of aging and longevity genetics achievements. We summa-

rized evolutionary, cell and molecular genetics points of view on aging nature. It is considered

classifications of longevity genes (evolutional and phenomenological) and has been proposed

new functional classification. It is investigated the progress, advantages and imperfections of

basic model objects of aging genetics: yeasts, roundworms, flies, rodents. It is discussed the re-

sults of human longevity genetics. It is described in details the fundamental mechanisms, which

influenced pleiotropically on aging speed — replicative and stress-induced cell senescence, ge-

nome stability maintenance and apoptosis. In extreme environment (starvation, heat shock,

light cycle disturbances, ionizing irradiation, and oxidative stress) occurs switching from re-

production program to stress-tolerance. It has been examined basic regulatory and effector pat-

hways, which underlies such stress-resistance. It has been offered thorough review of reproduc-

tion and aging interaction.

The book may be recommended to readership, interested in aging and longevity prob-

lems, geneticists, gerontologists, geriatricians, ecologists and radiobiologists. Bibl. 551. Il. 17.

Tabl. 9.

В оформлении обложки использован фрагмент рисунка Б. Ермолаева (1977 г.)

Издательство «Наука», 2008

ISBN 978-5-02-026314-7

ВВЕДЕНИЕ

Nascimur uno modo, multis morimu

Lusius Cestius Pius

Согласно классическому определению, старение — многопри-

чинный разрушительный процесс, вызываемый комплексом регу-

ляторных и стохастических факторов и определяемый генетиче-

ски детерминированной биологической организацией живой си-

стемы (Фролькис, 1992).

Анализ изменения функций при старении (плодовитости, по-

движности, памяти) демонстрирует, что различные органы и тка-

ни подвергаются возрастзависимым нарушениям с разной ско-

ростью (Helfand, Inouye, 2002; Girardot et al., 2006). Кроме того,

длительность жизни варьирует от особи к особи, что, по-видимо-

му, обусловлено внешними и стохастическими причинами. Даже

генетически сходные или идентичные особи могут иметь различ-

ные траектории продолжительности жизни (например, рабочие

особи и матки общественных насекомых). Различия в долгожите-

льстве между разными видами составляют несколько порядков:

— между всеми таксонами (от дрожжей до сосны долговечной)

и 10

— внутри одного класса (от бурозубок до гренландского

кита, от почвенных нематод до паразитических) (Finch, 1998; Mil-

ler, 2001). Возрастные изменения могут различаться по скорости:

быть медленными (у некоторых губок, деревьев, глубоководных

рыб, черепах), постепенными (у человека) или внезапными (у ло-

сосей). Существуют также практически нестареющие виды и ви-

ды с «отрицательным старением» — когда плодовитость и разме-

ры с возрастом увеличиваются (Finch, 1998; Vaupel et al., 2004).

При этом возникают вопросы: есть ли в природе место для генети-

ческой обусловленности продолжительности жизни на фоне тако-

Одним способом мы рождаемся, разными — умираем, Луций Цестий

Пий.

го разнообразия вариантов старения? Что является основным суб-

стратом старения и возможно ли его замедление?

До середины 90-х годов XX века считалось, что мы знаем отве-

ты: в геронтологии доминировала концепция износа, пассивного

снижения функционирования с возрастом (гипотеза «катастрофы

ошибок», свободнорадикальная теория, гипотеза соматического

мутагенеза). Кроме того, основные эволюционные теории ста-

рения подразумевали, что «гены старения» не могут возникнуть в

естественных условиях, когда до старости доживают единицы и их

генетический вклад в популяцию минимален.

Последние достижения молекулярной генетики, клинической

эпидемиологии и демографии подготовили почву для смены пара-

дигмы. Экспериментальные исследования, проведенные на модель-

ных организмах (дрожжах, нематодах, дрозофилах, грызунах), по-

казали реальную возможность увеличения стрессоустойчивости и

продления активной жизни в результате гипоморфных мутаций,

делеций или сверхэкспрессии отдельных генов. Как оказалось,

многие регуляторные пути, контролирующие продолжительность

жизни модельных животных, являются эволюционно консерватив-

ными. Картирование некоторых локусов исключительного долго-

жительства у человека подтвердило эту точку зрения. Мы также

близки к пониманию основ самого старения. Детально изучены

старение на молекулярном (модификации ДНК, белков и липидов)

и клеточном (репликативное и стресс-индуцированное старение)

уровнях, а также роль дерегуляции апоптоза и генетической неста-

бильности в возрастных патологиях. В настоящее время намечает-

ся переход от понимания старения как пассивного накопления

ошибок к представлениям о регуляторных эпигенетических изме-

нениях, влияющих на экспрессию генов (повреждение промото-

ров генов, деметилирование ДНК и гистонов, компенсаторный

ферментативный стресс-ответ). В целом эти эпигенетические про-

цессы уже не выглядят спонтанными, поскольку воспроизводятся

от индивидуума к индивидууму (хотя и с поправкой на биологиче-

ский возраст) и зачастую предшествуют возрастным проявлениям

нарушения функций.

Вполне вероятно, что небольшое количество регуляторных ге-

нов может либо непосредственно контролировать продолжитель-

ность жизни, либо делать это в ответ на внешнесредовые стимулы

(Helfand, Inouye, 2002). Роль генов в процессах старения обсуж-

дается давно, начиная с эволюционных теорий Медавара (Meda-

war, 1946, 1952), Вильямса (Williams, 1957) и Кирквуда (Kirkwood,

1977), однако явных успехов в данной области до последнего вре-

мени добиться не удавалось. Было известно лишь то, что наследуе-

мость продолжительности жизни, как правило, не превышает 30 %,

т. е. соответствует наследованию полигенного количественного

признака (наподобие роста или массы тела).

Генетика старения человека долгое время была ограничена ме-

тодически, поскольку классические методы к данному объекту не

применимы. В последнее время наметился определенный про-

гресс, в частности, благодаря появлению молекулярно-генетиче-

ских методов работы с культурами клеток человека, картирова-

нию ряда локусов долгожительства у лиц в возрасте 90—100 лет и

старше (ниже — столетние индивидуумы), и сравнению экспрес-

сии генов различных тканей (мозга, мышц, печени, почек) старею-

щих и молодых индивидуумов. Была выявлена роль генотоксиче-

ского и оксидативного стрессов в старении клеток человека; уста-

новлено, что при старении органов происходит репрессия около

1 % генов, начинающаяся довольно рано (после 40 лет); показа-

на роль регуляции липопротеинового обмена и чувствительно-

сти к инсулину в долгожительстве (Lu et al., 2004; Englander, Ma,

2006; Zahn et al., 2006). Появляется вполне обоснованная надежда,

что разработанных подходов уже достаточно, чтобы вскоре сде-

лать человека главным генетическим объектом при исследовании

механизмов старения.

Как оказалось, активные формы кислорода, возникающие в

результате случайных ошибок в работе митохондрий, повреж-

дают митохондриальный геном и внутреннюю мембрану этих ор-

ганелл (Zhang, Herman, 2002; Balaban et al., 2005; Rand et al., 2006).

Свободные радикалы, образуясь в достаточном количестве, моди-

фицируют липиды, белки и, что часто необратимо, наследствен-

ный аппарат клетки (Martin, Grotewiel, 2006). Часть таких измене-

ний носит регуляторный характер: например, ингибирование фос-

фатаз, контролирующих внутриклеточный сигналинг, т. е. цепь

событий, запускаемых цитокином или гормоном (Giorgio et al.,

2007). Промоторы генов ядра, которые в соответствии со своей

природой богаты легко повреждаемыми GC-последовательностя-

ми, под действием свободных радикалов получают трудно репа-

рируемые нарушения, что приводит к возрастзависимому выклю-

чению ряда чувствительных к оксидативному стрессу генов (Lu

et al., 2004).

Помимо этого процесса в пролиферирующих тканях (красный

костный мозг, эпителий кожи и кишечника) в результате стресс-

активации ингибиторов циклинзависимых киназ (р21 и р16) запу-

скается механизм, останавливающий клеточный цикл, что делает

невозможным регенерацию (Patil et al., 2005; Herbig, Sedivy, 2006;

Matheu et al., 2007). Схожие процессы затрагивают даже стволо-

вые клетки, ранее считавшиеся нестареющими (Geiger et al., 2005;

Sharpless, DePinho, 2007). Генетический анализ частичных синдро-

мов преждевременного старения у человека (прогерия Хатчин-

сона—Джилфорда, синдром Вернера, атаксия—телеангиэктазия)

выявил роль нарушения структуры хроматина и нестабильности

генома в старении и в возрастных патологиях (Woodruff, Thomp-

son, 2003; Du et al., 2004; Kurz, 2004; Carter et al., 2005; Hofer et al.,

2005; Scaffidi et al., 2005).

При выяснении роли генов в регуляции старения неоценимую

роль сыграли модельные генетические организмы (дрожжи, нема-

тоды, дрозофилы, грызуны). В общей сложности на этих объектах

удалось выявить около ста консервативных в эволюции генов, му-

тации в которых существенно (иногда в несколько раз) изменяют

длительность жизни. Наибольший интерес представляют гены,

мутации в которых увеличивают продолжительность жизни. По-

казано, что некоторые из них в различных аллельных вариантах

принимают участие и в естественном варьировании продолжи-

тельности жизни.

Одним из таких механизмов является инсулиновый сигналинг.

Так, мутация в рецепторе инсулина у нематод в 2 раза продлевает

жизнь. Исследование этого феномена выявило механизм долго-

жительства. В ответ на внешнесредовые стимулы (обилие пищи,

обонятельные и вкусовые сигналы) инсулиновый сигналинг в нерв-

ной ткани запускает каскад реакций, в том числе опосредованных

вторичными гормонами, приводящий к активному росту и раз-

витию организма, а также к готовности репродуктивной систе-

мы к размножению. Однако при этом происходит подавление

транскрипционных факторов семейства FOXO, контролирующих

стресс-ответ (через индукцию белков теплового шока, митохонд-

риальной супероксиддисмутазы, ферментов репарации ДНК) и

регулирующих состав липопротеинов. В результате ускоряются

процессы старения и снижается продолжительность жизни. В усло-

виях неблагоприятной внешней среды (температурный стресс, пе-

ренаселение) инсулиновый и TOR-сигналинг подавляются, угне-

таются процессы роста и размножения (Kaeberlein et al., 2005c;

Baumeister et al., 2006). Одновременно индуцируются параллель-

ные пути SIRT и JNK, в результате чего реактивируется FOXO,

что позволяет увеличить общую стрессоустойчивость организма и

продолжительность жизни. При этом, как следствие, мобилизуют-

ся все возможности организма, происходит продление жизни для

пережидания неблагоприятных условий, чтобы позже приступить

к размножению (Guarente, Kenyon, 2000; Partridge et al., 2005a).

Данный механизм имеет место не только у примитивных живот-

ных, но, по-видимому, и у млекопитающих. Например, пептидный

гормон Klotho, мутация в гене которого приводит к уменьшению

продолжительности жизни мышей, служит одним из позитивных

регуляторов FOXO и контролирует окислительный стресс (Kuro-

su et al., 2005; Yamamoto et al., 2005).

На модельных животных свободнорадикальная теория старе-

ния также получила свое развитие. Оксидативный стресс является

неотъемлемой частью клеточного старения. Репрессия или сверх-

экспрессия генов ферментов антиоксидантной защиты сущест-

венно изменяет продолжительность жизни (Bayne et al., 2005; Orr

et al., 2005). Однако не стоит преувеличивать их роль в естествен-

ном старении. Аналогично действуют и мутации генов белков теп-

лового шока и ферментов репарации ДНК (Wang et al., 2003; Mor-

row et al., 2004; Olsen et al., 2006).

Таким образом, в последние несколько лет достигнуты значи-

тельные успехи в осмыслении генетических механизмов старения

и долгожительства, благодаря чему наметились мишени для фар-

макологической коррекции старения и возрастзависимых заболе-

ваний у человека.

Какова конечная цель таких исследований? После того как ге-

нетические механизмы регуляции старения будут изучены, насту-

пит этап разработки методов замедления старения, позволяющих

предотвращать развитие возрастзависимых патологий. Цель напи-

сания данной работы заключается в обзоре и систематизации до-

стижений генетики старения и продолжительности жизни послед-

них лет. Нами были поставлены следующие ключевые задачи:

1) обобщить эволюционные, клеточные и молекулярно-биохи-

мические взгляды на природу генетической регуляции продолжи-

тельности жизни;

2) рассмотреть имеющиеся эволюционные и феноменологиче-

ские классификации генов продолжительности жизни и предло-

жить новую — функциональную;

3) исследовать достижения, методические особенности, преи-

мущества и недостатки основных объектов генетики старения —

дрожжей, нематод, дрозофил, грызунов; обсудить успехи генети-

ки старения человека;

4) проанализировать основные процессы, плейотропно влияю-

щие на скорость старения, — репликативное и стресс-индуциро-

ванное клеточное старение, поддержание стабильности генома и

апоптоз;

5) рассмотреть генетические механизмы стрессоустойчивос-

ти и гормезиса, обеспечивающие возможность продления жизни

при их активации молекулярно-генетическими манипуляциями

или внешнесредовыми воздействиями;

6) всесторонне отразить возможные пути взаимодействия ре-

продукции и старения, механизмы полового диморфизма продол-

жительности жизни.

Идея написания монографии возникла у автора после прочте-

ния таких фундаментальных трудов, как «Молекулярные и физио-

логические механизмы старения» проф. Владимира Николаевича

Анисимова (2003),«Стресс, старение и их биохимическая коррек-

ция» Игоря Николаевича и Германа Игоревича Тодоровых (Тодо-

ров, Тодоров, 2003). Кроме того, побудительной причиной была

необходимость всестороннего анализа собственных эксперимен-

тальных работ в области стресс-индуцированного старения и гор-

мезиса (влияния ионизирующей радиации, нарушения светового

режима и индукции стерильности на продолжительность жизни

дрозофил) в контексте современных достижений генетики старе-

ния и продолжительности жизни.

Работа не была бы возможна без обсуждения затронутых во-

просов с коллегами — геронтологами и генетиками А. М. Олов-

никовым, Е. Г. Пасюковой, А. В. Халявкиным и М. В. Шапош-

никовым, со студентами и аспирантами И. О. Велегжаниновым,

Е. В. Турышевой, А. С. Яцкивом, О. А. Малышевой, Е. Н. Плюс-

ниной и А. И. Шептяковой, а также с оппонентом моих диссер-

таций А. П. Акифьевым. Выражаю глубокую признательность за

поддержку директору Института биологии Коми НЦ УрО РАН

А. И. Таскаеву, ответственному редактору В. Н. Анисимову и ре-

цензентам Ю. С. Оводову, В. С. Баранову и В. Г. Зайнуллину за

глубокий анализ монографии, а также И. В. Рапоте, которая взяла

на себя труд высказать замечания о рукописи.

Особая благодарность моей матери, Москалевой Н. И., за тер-

пение и поддержку.