Москалев А.А. Старение и гены

Подождите немного. Документ загружается.

на всех стадиях жизненного цикла, и обеспечивают структуру

клетки, биосинтез аминокислот, липидов и нуклеотидов, глико-

лиз, цикл трикарбоновых кислот и т. д. Их мутации либо летальны,

либо ведут к патологиям. В условиях стресса некоторые из них мо-

гут временно репрессироваться под действием «медиаторов», что

позволяет сэкономить ресурсы для функционирования «генов-эф-

фекторов» и увеличить продолжительность жизни.

5. Гены, участвующие в функционировании митохондрий, —

гены компонентов электронотранспортной цепи, рассопрягающих

белков и ген clk-1 нематод. Эти гены регулируют энергетический

метаболизм, уровень свободных радикалов, а некоторые из них —

апоптоз.

6. Гены-регуляторы клеточного старения и апоптоза (p53, p21,

p16, pRB). Они участвуют в предотвращении рака, в регуляции

клеточного цикла и гибели ненужных или вредных клеток в ран-

нем онтогенезе и зрелости. Их плейотропным побочным дейст-

вием в старости является старение (репликативное или стресс-ин-

дуцированное) делящихся клеток или избыточная убыль постми-

тотических клеток. Как показано на нематодах, эти гены способны

неизвестным апоптознезависимым образом влиять на старение так

называемых постмитотических организмов.

Таким образом, гены играют важную роль как в детерминации

продолжительности жизни, так и в процессе старения. Однако это

не означает обязательного присутствия в геноме локусов, непо-

средственно управляющих старением (наподобие эмбрионального

развития). Гены могут просто очерчивать пределы, в которых ор-

ганизм отвечает на стресс или повреждение. Они не контролируют

процесс, а детерминируют возможные ответы, задавая скорость

старения. Например, если старение вызывается накоплением по-

вреждений от токсичного агента, то гены, участвующие в детокси-

фикации, будут играть большую роль в детерминировании про-

должительности жизни, но не будут ответственны за причину про-

цесса (Helfand, Rogina, 2003а).

Количественный признак в отличие от менделевского харак-

теризуется градиентом фенотипов. Варьирование обусловлено

влиянием нескольких различных генов, каждый из которых при-

вносит свой небольшой вклад в исследуемый фенотип. Кроме то-

го, многие количественные признаки подвержены влиянию внеш-

несредовых и онтогенетических факторов. В результате такого

взаимодействия различные генотипы могут приводить к идентич-

ным фенотипам (Poirier, Seroude, 2005). С другой стороны, один и

тот же генотип может лежать в основе различающихся феноти-

пов. Изучение общественных насекомых, у которых касты раз-

личаются по продолжительности жизни на порядки, продемон-

стрировало это со всей очевидность. Касты сильно различаются

по поведению, морфологии и продолжительности жизни, что яв-

ляется результатом баланса между наследуемыми профилями ген-

ной экспрессии и внешними рисками смертности. В онтогенезе

эти различные программы запускаются эпигенетическими фак-

торами, такими как качественный состав пищи (Rueppell et al.,

2004).

Поскольку люди живут гораздо дольше модельных животных

(которые к тому же умирают от неохарактеризованных патологий

и болезней), генетика продолжительности жизни человека являет-

ся более сложной. Даже возрастзависимые патологии мышей и че-

ловека явно различаются (Butler et al., 2003).

Чтобы по возможности отделить «геронтогены» от генов воз-

растзависимых заболеваний, геронтология человека делает основ-

ной упор в исследованиях на так называемое «обычное», или «бла-

гополучное», старение при отсутствии патологий (Weinert, Ti-

miras, 2003). Наиболее плодотворным объектом исследования в

связи с этим являются столетние индивидуумы. Во-первых, они

обычно поддерживают хорошее здоровье до очень старого воз-

раста, даже вне зависимости от образа жизни — столетние инди-

видуумы часто избавлены от сердечно-сосудистых заболеваний,

болезни Альцгеймера, сахарного диабета и рака. Во-вторых, их

потомки наследуют устойчивость ко многим причинам смертно-

сти — среди них на 50 % менее распространены вышеперечис-

ленные заболевания. Вероятность наследования долгожительства

в семьях долгожителей возрастает в 4—17 раз, что предполагает

скорее генетические, чем внешнесредовые предпосылки к

исключительному долголетию (Butler et al., 2003; Atzmon et al.,

2006). Кровные родственники столетних индивидуумов характе-

ризуются 4-кратным увеличением вероятности дожить до 91 го-

да, тогда как кровные родственники 95-летних имеют в 2.3 раза

больше шансов дожить до этого возраста (Schoenmaker et al.,

2006).

Изучение генов чрезвычайно старых здоровых индивидуумов

с точки зрения генетики старения очень плодотворно, поскольку

они «насыщены» генами долгожительства и являются генетиче-

ски гомогенными в большей степени, чем остальная популяция.

Однако они представляют собой недостаточно большую выборку,

к тому же отсутствует контрольная когорта (Karasik et al., 2005).

За последние 10 лет в различных популяциях среди столетних

индивидуумов неоднократно были предприняты попытки найти

гены долгожительства. На данную роль у человека претендуют

PON1, IGF-1, PAPR-1 и гены цитокинов, ферментов антиоксидант-

ной защиты (Sod) и компонентов метаболизма липидов. Среди лиц

в возрасте 90—100 лет и старше (т. е. столетних индивидуумов)

особо выделяются три генотипа: аллели гена CETP (CETP VV) и

гена аполипопротеина C3 (APOC-3 CC) и делеция в гене адипо-

нектина (ADIPOQ). Важно отметить, что APOC-3 находится под

транскрипционным контролем FOXO-1, ортологи которого конт-

ролируют долгожительство у всех генетических моделей (Martin

et al., 2007). Для столетних индивидуумов характерны крупные ли-

попротеиновые частицы и большое количество липопротеинов

высокой плотности (Atzmon et al., 2006). В отличие от тех, кто не

доживает до 90 лет, они сохраняют чувствительность к инсулину и

устойчивость к оксидативному стрессу (Cheng et al., 2005).

Чтобы обойти проблемы, связанные с исследованием долгожи-

телей, для изучения был предложен альтернативный фенотип —

биологический («физиологический», «функциональный») возраст.

Поскольку ткани стареют с разной скоростью, а болезни варьи-

руют от индивидуума к индивидууму, люди с возрастом все боль-

ше различаются. В результате хронологический возраст не спосо-

бен быть точным индикатором процесса старения. Биологический

возраст имеет выраженный генетический компонент (27—57 %) и

позволяет сравнивать функциональный статус одного индивидуу-

ма с другим того же хронологического возраста и в результате та-

кого сопоставления делать выводы о различии в скорости ста-

рения (Karasik et al., 2005). Вариация фенотипа биологического

возраста во многом определяется аддитивными генетическими

факторами (наследственность составляет 0.57 ± 0.06) и в меньшей

степени — средовыми. Она обусловлена локусами количествен-

ных признаков на хромосомах 3p, 7q, 11p, 16q и 21q (Karasik et al.,

2005).

Наиболее обещающие гены-кандидаты межиндивидуальных

отличий по биологическому возрасту у человека участвуют в ре-

гуляции кровяного давления и метаболизма липидов, определяют

функциональные регуляторной оси гормона роста/инсулина/рос-

товых факторов, регулируют процессы воспаления, метилирова-

ния ДНК, эпигенетического подавления генов (в том числе генов

ДНК-геликаз и экзонуклеаз). Кроме того, сюда относятся гены

антиоксидантных ферментов (Sod1 и Sod2), гены стресс-ответа,

факторы поддержания теломер. Ряд исследований посвящен по-

тенциальной роли в регуляции продолжительности жизни аполи-

попротеина A1 (APOA-I), аполипопротеина C3 (APOC-III), аполи-

попротеина A4 (APOA-IV), ингибитора активатора плазминогена

типа I (PAI-1) и SHC-трансформирующего белка (SHC1) (Karasik

et al., 2005).

Исследования близнецов показали, что примерно 25 % вариации

продолжительности жизни человека объясняется гене-53

тическими факторами (Schoenmaker et al., 2006). Для оценки вкла-

да генов в варьирование продолжительности жизни человече-

ской популяции в будущем потребуются крупномасштабные ис-

следования методом случай-контроля. При этом большое количе-

ство аллелей генов продолжительности жизни, соответствующих

модификациям всех функциональных модулей таких генов, бу-

дут проанализированы на все возможные вариации последова-

тельности и сопоставлены с детальной информацией о фенотипе

каждого индивидуума за продолжительный период времени. Это

позволит вскрыть генетические факторы, вносящие вклад в

каждое отдельное проявление старения человека (Vijg, Suh,

2005).

С точки зрения генетики продолжительности жизни и старе-

ния, перспективными задачами являются поиск биомаркеров ста-

рения, негенетических методов вмешательства в процессы ста-

рения (лекарств), генетических механизмов их действия и SNP

(полиморфизмов одиночных генов долгожительства и возраст-

зависимых заболеваний), а также анализ механизмов внешне-

средового влияния (калорийности пищи и др.) и дальнейшие ис-

следования в области сравнительной биологии старения (Butler

et al., 2003).

1.3. Объекты генетики

продолжительности жизни и старения

Модельные оранизмы сыграли решающую роль в обна-

ружении генов продолжительности жизни и контролируемых ими

механизмов. Модель генетического исследования старения дол-

жна обладать (Holmes, Ottinger, 2003) рядом признаков:

1) специфичностью, способностью прямо отвечать на постав-

ленную исследователем задачу или гипотезу;

2) общностью, т. е. высокой степенью вероятности, с которой

находки могут быть применены к другим видам;

3) выполнимостью, которая включает в себя стоимость и тре-

бования к содержанию данного вида или линии.

В полной мере данным требованиям удовлетворяют следую-

щие классические модели: дрожжи, нематоды, дрозофилы и мы-

ши. В последнее время заслуженное внимание в качестве моде-

лей уделяют и долгоживущим представителям видов насекомых,

птиц, рукокрылых, грызунов (голому слепышу). Возрастзависи-

мые изменения экспрессии генов иногда удобнее изучать на бо-

лее близких к человеку видах — обезьянах, собаках, крупных

домашних животных, которые для другого вида исследований

не удовлетворяют вышеперечисленным требованиям к модели

старения.

1.3.1. Дрожжи

Дрожжи Saccharomyces cerevisiae были предложены в

качестве геронтологической модели в 1959 г. (Mortimer, Johnston,

1959), что было воспринято с определенным скептицизмом: как

одноклеточный организм может прояснить самый сложный био-

логический феномен — старение человека? Однако именно иссле-

дования на дрожжах позволили накопить доказательства того, что

все эукариоты обладают удивительно консервативными механиз-

мами продолжительности жизни (Bitterman et al., 2003).

Дрожжи как объект исследования имеют ряд преимуществ —

предельно малую продолжительность жизни (2—4 дня), полностью

секвенированный геном и хорошо изученную биологию (Lesur,

Campbell, 2004). Они несут 32 хромосомы. Размер их генома со-

ставляет всего 12 Мб. Из 6300 имеющихся в наличии генов 11 %

гомологичны генам человека (Vijg, 2007).

У дрожжей измеряют репликативную и хронологическую про-

должительности жизни (Fabrizio et al., 2005b).

В середине XX века Эндрю Бартон проследил судьбу индиви-

дуальной клетки дрожжей и обнаружил, что материнские клетки

смертны (Barton, 1950). У почкующихся дрожжей репликативное

старение возникает из-за асимметричного деления клетки, приво-

дящего к возникновению большой материнской клетки (почки) и

маленьких дочерних. Большая часть макромолекулярного соста-

ва дочерней клетки синтезируется заново, в то время как состав

материнской клетки стареет с каждым делением (Guarente et al.,

1998). По сути дела, при такой «спиральной» форме старения ма-

теринская клетка при делении стареет на одно поколение, тогда

как каждая новая почка начинает жизнь с нулевого возраста

(Hoopes et al., 2002). Репликативное старение дрожжей измеряет-

ся под микроскопом по количеству дочерних клеток, образуе-

мых одиночной материнской клеткой до момента остановки де-

лений. Оно аналогично репликативной продолжительности жизни

фибробластов и лимфоцитов млекопитающих в первичных куль-

турах клеток (Fabrizio et al., 2005b). Однако имеется два важных

отличия: во-первых, деление клетки дрожжей асимметричное,

во-вторых, в конце своей жизни материнская дрожжевая клетка

лизируется, а не подвергается терминальной дифференцировке,

как у млекопитающих (Hoopes et al., 2002). Медианная репли-

кативная продолжительность жизни дикого типа S. cerevisiae со-

ставляет около 25 генераций, максимальная — 40 генераций (Le-

sur, Campbell, 2004). При старении клетка дрожжей подвергается

характерным структурным и метаболическим изменениям. Ког-

да клетка стареет, она накапливает рубцы почкования, увеличи-

вается в размерах, делится более медленно и, наконец, становит-

ся стерильной (Bitterman et al., 2003), в итоге заканчивая свою

жизнь по механизму альтруистического самоубийства (Longo et

al., 2005).

Хронологическое старение — неделящееся состояние клетки

при недостатке питательных веществ (Bitterman et al., 2003).

Оно может служить в качестве модели старения постмитотиче-

ской клетки высших организмов. Хронологическое старение изме-

ряется средним и максимальным временем выживания популяции

неделящихся дрожжей. Для исследования хронологического ста-

рения дрожжевые клетки выращивают на среде с глюкозой, а за-

тем либо поддерживают на этой среде без обновления питатель-

ных веществ, либо отмывают и инкубируют в воде (ограничение

калорийности питания). Выживаемость отслеживается до гибели

99 % популяции (Fabrizio et al., 2005).

Дрожжи как объякт геронтологии позволили выявить несколь-

ко десятков генов, способных влиять на продолжительность жиз-

ни; многие из них эволюционно консервативны (табл. 5).

Таким образом, почкующиеся дрожжи как модельный объект

генетики старения позволяют найти ответы на следующие вопро-

сы.

1. Какие механизмы старения возникли в эволюции на стадии

одноклеточности?

2. Почему при асимметричном цитокинезе дочерние клетки не

наследуют показания часов репликативного старения?

3. Почему клетка подвергается репликативному старению да-

же при активной теломеразе?

В гл. 2—4 будет подробно рассмотрен вклад исследований ге-

нетики старения дрожжей в современную геронтологию. Тем не

менее, несмотря на то что дрожжи являются простым одноклеточ-

ным организмом, изучение их генетики помогло понять процесс

функционирования одного из главных механизмов старения — ге-

нетической нестабильности. Кроме того, изучение данного объек-

та позволило выявить эволюционно консервативные генные сети,

отвечающие за реализацию «программы продолжительности жиз-

ни» в условиях стресса (когда определяющую роль играют сиртуи-

ны, TOR-сигналинг, антиокислительные ферменты, ферменты ре-

парации ДНК).