Страница:
Этот феномен возраста клетки впервые был описан детально Леонардом Хейфликом в 1961 году, и поэтому предел клеточной пролиферации часто называют лимитом Хейфлика. С момента этого открытия Национальный институт старения (США) финансировал значительную часть исследований механизмов старения клеток в надежде на то, что будет обнаружен ключевой механизм, а это позволило бы вмешиваться в процесс старения на клеточном уровне.
В каждой из миллиардов клеток, составляющих наше тело, внутри ядра находится модель программы жизни, заключенная в ДНК. Она обусловливает индивидуальность каждого человека в утробе матери, будущий цвет глаз, пол, рост после рождения и последующие изменения в течение жизни – процесс, называемый старением. С тех пор как Хейфликом был открыт феномен возраста клетки, стало ясно, что существуют часы, которые отсчитывают не время, а число делений клетки.
За десятилетия, прошедшие после открытия Хейфлика, возникла теория механизма этих «часов» – теломерная гипотеза. Согласно этой гипотезе «часы» старения клетки пребывают на линейных окончаниях молекулы ДНК, в районе, называемом телoмер (tea-low-mere). Линейное окончание каждого участка ДНК заканчивается последовательностью TTAGGG, которая повторяется сотни раз, эффективно завершая конец. Это похоже на то, как пластик на концах шнурков нашей обуви покрывает и защищает шнурки от разволокнения.
В соответствии с теломерной гипотезой при делении клеток эта концевая часть ДНК укорачивается с каждым делением. При достижении ДНК критической длины деление клетки прекращается, и наступает ее старение. В некоторых клетках, например репродуктивных, теломерные часы «не тикают», теломеры не укорачиваются, а клетки, несомненно, могут делиться неопределенно долго – характеристика, свойственная «бесмертию» (immortality). «Бессмертие» клеток не означает, что они не могут умирать. Конечно же, как и ко всем клеткам, к ним нужно относиться бережно, чтобы сохранить их жизнеспособность. Бессмертие предполагает, что эти клетки не смертны, т. е. они не подвержены старению после определенного количества удвоений. Бессмертные клетки, при условии, что они основательно подпитаны и укреплены, потенциально могут делиться бесконечно.
Способность репродуктивных клеток к делению в режиме бессмертия происходит благодаря наличию белка, называемого теломеразой. Этот фермент представляет собой комплекс из двух различных молекул: одна из РНК, другая – из белка. Компонент РНК называется hTR (PHK человеческой теломеразы), а компонент белка – hТRТ (обратимая транскриптаза человеческой теломеразы).
Теломераза использует компонент РНК, чтобы направлять синтез повторной последовательности (TTAGGG), а слияние построечных блоков ДНК завершается hTRT. Вследствие этого сочетание hTR и hTRT составляет активную теломеразу и образно может быть представлено как крошечный механизм, который заводит «часы» стареющей клетки путем увеличения длины горящего фитиля.
Доказано, что теломераза аномально реактивирована при всех основных типах рака, и наоборот, она отсутствует в большинстве нормальных тканей. Явное исключение – репродуктивные клетки, где отмечается высокий уровень теломеразы и теломеры очень длинные. Предполагается, что теломераза в этих клетках функционально активна и обеспечивает полную реализацию генетической информации, которая передается из поколения в поколение. Теломераза присутствует в очень малом количестве также на этапах гемопоэза, в клетках кожи и желудочно-кишечного тракта. Однако и эти клетки стареют и постепенно теряют теломерную ДНК, что предполагает отсутствие у них достаточной активности теломеразы, чтобы быть «бессмертными». В 1994 году впервые была клонированна РНК – компонента теломеразы, а комбинации компонента РНК и белка способствуют появлению функционально активного фермента.
В то время как нормальные клетки в нашем организме делятся только определенное количество раз (смертность клетки), раковые клетки могут делиться беспредельно (бессмертие клетки). Нормальные клетки потенциально могут стать раковыми. Это возможно, если серия случайных мутаций повышает реактивную способность различных онкогенов и инактивирует подавленные гены опухоли. С каждой мутацией предраковые клетки все более отличаются от нормальных, становятся неконтролируемыми и могут начать порождать опухолевую массу. Однако большинство клеток, вероятно, преодолевает такие изменения, уничтожается, поскольку теломерное укорачивание ведет либо к старению клетки, либо к хромосомной нестабильности и смерти клеток. Для достижения большинством раковых опухолей угрожающих для жизни размеров или распространения метастазов по всему телу необходимо, чтобы некоторые раковые клетки стали «бессмертными», что происходит посредством активации теломеразы.
Теломераза дает возможность раковым клеткам укрепить длину теломера, обеспечивая их таким образом безграничной репликативной возможностью, или «бессмертием». Поскольку сама теломераза не способна трансформировать нормальную клетку в раковую, полагают, что она необходима лишь для неограниченного роста раковых клеток.
Усилия ученых направлены на обнаружение и разработку ингибитора этой маленькой молекулярной теломеразы, блокада которой позволит теломерам раковой клетки вновь обрести способность к укорачиванию и в конечном счете приводить раковую клетку к смерти. Уникальность такого подхода состоит в признании универсальности и специфичности теломеразы как объекта исследования в области онкологии, т. е. теломераза необыкновенно привлекательная цель для исследования лекарств, так как никогда не может быть открыта молекула, необходимая для продолжения роста опухолевых клеток без ограничения, которая присутствовала бы почти во всех видах раковых клеток и устранение которой фармакологическими средствами не вызывало бы никаких серьезных побочных эффектов.
В 2003 году А.М. Оловниковым была предложена оригинальная редусомная гипотеза старения и контроля за ходом биологического времени в индивидуальном развитии. Предполагалось существование в клетках редусом – перихромосомных частиц, возникающих при дифференцировках в ходе морфогенетического развития организма. Покрытая белками линейная молекула ДНК редусомы – это копия сегмента хромосомной ДНК.
Редусомы расположены преимущественно в субтеломерных регионах хромосом. Редусома не покидает тело своей хромосомы даже при клеточных делениях, удерживаясь в своем хромосомном 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. Основная часть ДНК большинства редусом представлена некодирующими генами, с которых транскрибируются так называемые микро-РНК и фонтанные РНК (фРНК), вовлеченные в регуляцию хроматина, специфичных для определенных дифференцировок, и в модуляцию уровней экспрессии хромосомных генов. Фонтанные РНК (фРНК) способны количественно менять уровень экспрессии генов в хромосомах; эти фРНК образуют специфические комплексы с фионами.
Фионы – это сайты хромосомной ДНК, комплементарные разным фРНК. Фионы находятся в окрестностях обычных хромосомных генов. Комплекс фРНК – фион при его специфическом взаимодействии с закрытыми воротами соответствующего ионного канала внутренней ядерной мембраны инициирует на очень короткий срок перевод канала в открытое состояние. Этим организуется работа ионного фонтана, который оказывается автоматически нацеленным на ближайший к данному фиону хромосомный ген. В зависимости от специфичности вовлеченных в процесс фРНК фионов и ионных каналов фонтаны своими ионами создают неидентичное ионное окружение вблизи разных структурных генов. Топографически специфичное воздействие ионных фонтанов влияет на конфигурацию соответствующих сегментов хроматина и на транскрипционную продуктивность хромосомных генов. Поэтому фонтанная система ядра способна управлять количественными признаками клеток и организма; она может контролировать доминантность аллелей и играть роль в индивидуальном развитии. Прогрессирующее укорочение ДНК редусом приводит к клеточному старению из-за постоянно возрастающей нехватки молекул низкомолекулярных РНК, транскрибируемых с редусомных генов.
Редусомы подразделяются на два типа: хроносомы и принтосомы. Линейные молекулы ДНК в двух типах редусом именуются соответственно хрономеры и принтомеры. Хроносомы отвечают за измерение биологического времени в неделящихся клетках ЦНС.
Принтосомы запоминают позиции клеток при интерпретации позиционной информации в морфогенезе и в соответствии с позицией клетки в морфогенетическом поле изменяют ее свойства и запоминают сделанное изменение (это принтомерный механизм интерпретации позиционной информации). Кроме того, принтомеры участвуют в поддержании состояния клеточной дифференцировки. Хрономера укорачивается в норме только на пике инфрадианного гормонального ритма (Т-ритма), который инициирует акт ее сверхскоростной транскрипции, завершающийся усечением конца хрономеры (эффект так называемого скраптинга). Принтомера может укорачиваться за счет эффекта концевой недорепликации ДНК и из-за скраптинга.
Эффект концевой недорепликации ДНК в удваивающихся клетках проявляется одновременно в укорочении как принтомер, так и теломер. Укорочение теломер – это лишь свидетель процесса старения клеток, тогда как истинной причиной биологического старения является только укорочение ДНК редусом. Процессинг определенных редусом в терминально дифференцирующихся клетках есть причина прекращения их делений. Сцепление генов в эукариотической хромосоме детерминируется дистанциями между генами и редусомами. В 2009 году гипотеза А.М. Оловникова получила блестящее подтверждение в исследованиях зарубежных ученых, ставших лауреатами Нобелевской премии за 2009 год по физиологии и медицине – Э. Блэкберна, К. Грейдера и Д. Шостака. К сожалению, как это уже бывало не раз в истории, первооткрыватель оказался обойденным.
Кроме методов генной инженерии, для перестройки деятельности организма на клеточном и молекулярном уровнях могут быть использованы методы нанотехнологни – технологии, связанной с разработкой устройств, способных осуществлять манипуляции с веществом с точностью до нанометра, т. е. оперировать отдельными атомами и молекулами. Ряд достижений нанотехнологии уже используется в биологии и медицине, например, для изготовления сверхчувствительных биосенсоров для детекции молекул. Однако наиболее захватывающие перспективы в этой области связаны с разработкой молекулярных роботов – устройств молекулярных размеров, основное назначение которых будет состоять в работе с отдельными молекулами и субклеточными структурами. Отдаленным естественным аналогом таких устройств может служить рибосома. Осуществляемая молекулярными роботами «хирургия» на клеточном и молекулярном уровнях позволит не только эффективно противодействовать процессам старения, но и ликвидировать его последствия, омолаживать клетки. Поскольку молекулярных роботов можно «собирать» из искусственных белков, используя биотехнологические методы (т. е. технология для их производства фактически уже существует), главная проблема для их изготовления заключается в проектировании, наиболее существенной частью которого является моделирование молекул. Оценки тенденций развития вычислительной техники позволяют предположить, что компьютеры достигнут мощности, необходимой для такого моделирования, к 2015 году. Поскольку генная терапия развивается весьма успешно и есть надежда, что имеющиеся трудности будут преодолены и в сравнительно недалеком будущем кажется вполне вероятным, что в начале XXI века будут разработаны методы генной инженерии, позволяющие модифицировать геном с целью замедления процесса старения.
И конечно же, проблема стволовых клеток – неспециализированных клеток, способных к самовоспроизводству в течение длительного времени путем деления (пролиферация). В определенных физиологических или экспериментальных условиях они (не специализированные клетки) могут становиться специализированными клетками (дифференциация).
Различают эмбриональные и взрослые стволовые клетки. Эмбриональные стволовые клетки обладают универсальной плюрипотентностью (способность стволовой клетки развиваться в любой тип клеток), большинство взрослых стволовых – ограниченной плюрипотентностью (приспособляемость или трансдифференциация). Уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток – плюрипотентность, т. е. способность дать начало по меньшей мере 350 различным типам клеток, послужила толчком к бурной исследовательской деятельности по изучению эмбриональных стволовых клеток и открыла широкие перспективы их практического использования в биологии и медицине, в первую очередь в трансплантологии, иммунологии и геронтологии. Миллиарды клеток растущего организма (человека или животного) происходят всего-навсего из одной клетки (зиготы), которая образуется в результате слияния мужской и женской гамет. Эта единственная клетка содержит не только информацию об организме, но и схему ее последовательного развертывания. Так развивается человеческий организм, состоящий из 1014 клеток.
В ходе эмбриогенеза оплодотворенная яйцеклетка делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это и есть эмбриональные стволовые клетки, геном которых находится в «нулевой точке»; механизмы, определяющие специализацию, еще не включены, из них потенциально могут развиться любые клетки. Таким образом, первое важное свойство эмбриональных стволовых клеток – плюрипотентность. При развитии человеческого зародыша под действием так называемых эмбриональных индукторов происходит включение тех или иных генов, после чего начинают формироваться семейства различных стволовых клеток и происходит сегментация зародыша (структурно выделяются участки будущих органов). Потомки этих стволовых клеток, размножаясь, следуют по уже определенному пути специализации (процесс получил название «коммитирование»).
В результате митоза стволовой клетки одна из дочерних клеток сохраняет ее свойства, другая – специализируется. Во взрослом организме имеются стволовые клетки тканей (например, в базальном слое эпидермиса – стволовые клетки эпидермиса, в криптах кишечника – стволовые клетки кишечника, в красном костном мозге – стволовые клетки крови). Благодаря делению этих клеток обновляются структуры тканей. Дифференциация клеток предполагает утрату способности к делению.
Высокодифференцированные клетки (кардиомиоциты, нейроны) не способны размножаться ни при каких обстоятельствах, в то время как менее дифференцированные клетки фибробласты, гепатоциты, частично сохраняют эту способность и при определенных условиях митотически увеличивают свое число. Общей закономерностью является то, что если клетка вышла на этап дифференцировки, то количество делений, которое она может пройти, ограничено (лимит Хейфлика).
Это объясняется наличием концевых повторяющихся последовательностей ДНК хромосом (теломеров), которые при воспроизведении генетического материала частично утрачиваются с каждым последующим делением. После того как теломеры утрачены полностью, клетки оказываются неспособными к дальнейшему размножению (например, для фибробласта лимит Хейфлика составляет 50 делений, для стволовой клетки крови – 100). Описанное явление имеет большое биологическое значение: в случае если произошла поломка в геноме клетки, мутация будет растиражирована в ограниченном количестве и не сыграет большой роли для организма в целом.
Эмбриональная стволовая клетка отличается от других клеток тем, что для нее лимит Хейфлика неисчерпаем (это обусловлено экспрессией фермента теломеразы, который после каждого деления «достраивает» теломеры), и клетка может делиться бесконечно. Таким образом, второе важное свойство эмбриональных стволовых клеток – фактическое бессмертие (иммортальность).
Итак, представляется весьма заманчивым взять плюрипотентную клетку, заставить ее пройти путь дифференцировки, получить из нее готовые ткани (органы) и пересадить их в стареющий организм, решив таким образом и проблему старения, и проблему болезни. Если, как указывалось, эмбриональная стволовая клетка бессмертна и саморазмножается, тогда достаточно удобно использовать бесконечную клеточную линию ее потомков. Однако время от времени происходящие генетические мутации в эмбриональных стволовых клетках будут передаваться дочерним клеткам и накапливаться в последующих клеточных поколениях. И все же выделение собственных эмбриональных стволовых клеток из взрослого организма, несмотря на малое содержание в тканях, для последующего лечения является оптимальным и наиболее безопасным методом, так как автоматически решается вопрос об иммунологической совместимости.
Существует возможность трансплантации непосредственно самих эмбриональных стволовых клеток. Это удобно тем, что экспрессия антигенов тканевой совместимости в эмбриональной ткани снижена и, соответственно, менее выражена реакция отторжения. Более того, эмбриональные стволовые клетки вырабатывают вещества, в том числе aльфа-фетопротеин, тормозящие иммунный ответ. Тем не менее, попав в организм реципиента, эмбриональные стволовые клетки неминуемо будут уничтожены, если не по принципу «чужого», то по принципу «отсутствия своего». Действие этих механизмов объясняется следующим образом. Чужеродные белки, попавшие в клетку, фрагментируются и, пройдя аппарат Гольджи, выставляются на клеточной мембране в составе антигенов главного комплекса гистосовместимости с тем, чтобы Т-лимфоциты смогли распознать «своего» или «чужого» и «чужого» уничтожить.
При трансплантации эмбриональных стволовых клеток их дальнейшая судьба, если удается уйти от иммунного надзора, определяется главным образом средой, в какую они попадают, и теми индукционными веществами, действию которых они подвергаются в этой среде. Например, стромальная стволовая клетка костного мозга при помещении в различные среды может развиться в хондроцит, гладкомышечную или жировую клетку. Поведение в этих условиях эмбриональной стволовой клетки сложно предугадать – слишком опасно сходство свойств эмбриональной стволовой клетки и клетки опухолевой природы.
Эмбриональные клетки, будучи взяты из одной среды и перенесены в другую, могут начать неконтролируемо размножаться и, в соответствии с теорией эмбриональных зачатков Конгейма, трансформироваться в опухолевую ткань. Следовательно, какими бы благородными мотивами ни руководствовались ученые, спеша помочь человечеству, не желающему стареть, исследования, а тем более внедрение новых методов омоложения с помощью стволовых клеток, требуют чрезвычайной осторожности и многоуровневого контроля. Если же сохранится существующий темп прогресса в экспериментальном изучении механизмов старения, то вполне правомерно ожидать получение в ближайшие 10–20 лет критически важных результатов в этой области. Учитывая все вышеизложенное, представляется вполне обоснованным надеяться, что эффективная терапия старения может быть реализована уже во второй четверти XXI века.
Таким образом, в настоящее время насчитывают свыше 200 теорий и гипотез, связанных со старением. Это указывает, с одной стороны, на большой интерес к этой проблеме, а с другой – на чрезвычайную ее сложность. Однако наука еще не располагает не только истинной, но даже общепризнанной теорией старения. Некоторые ученые связывают процесс старения с изменением какой-либо одной системы. Такой односторонний подход нередко ведет к преувеличению значения того или иного факта в изучаемом явлении. Наряду с этим следует отметить, что значительная часть теорий сыграла положительную роль в развитии геронтологии. Они дали толчок новым поискам и исследованиям. Согласно современным данным, старение человека нужно рассматривать не как механизм, обусловленный изменением какого-либо одного звена, а как сложное взаимодействие всех систем, охватывающее развитие структуры и функций всего организма. Изучение его природы показало, что старческие изменения развиваются на молекулярном, клеточном уровне и уровне целостного организма.
Клинические проявления старения
Многие из физиологических функций у пожилых изменяются под влиянием заболеваний, ассоциирующихся с возрастом. Известно, что возникновение и прогрессирование заболеваний определяется изменением физиологических функций. Однако нет единого мнения, является ли данное заболевание частью нормального процесса старения или нет. Многие исследователи, изучавшие естественные процессы старения, исключали из исследуемых групп пожилых. Полученные в этих исследованиях результаты представляют большую научную ценность. Однако представления о процессах нормального старения, не включающие развитие ассоциированных с возрастом заболеваний, являют собой ценность только с точки зрения общебиологических понятий.
Эволюционные биологи считают, что изменения, связанные со старением, – результат снижения силы естественного отбора, потому что биологические процессы, в результате которых происходит ухудшение жизненных функций, не могли быть отобраны эволюцией. Это, с их точки зрения, приводит к тому, что физиологические ухудшения усиливаются с возрастом, и именно по этой причине возникают связанные с возрастом заболевания. И действительно, только небольшое количество людей не имеют связанных с возрастом болезней, и именно это определяет двусмысленность разделения между возрастными физиологическими ухудшениями и заболеваниями, ассоциированными с возрастом. Например, потеря костной массы хорошо известное связанное с возрастом физиологическое ухудшение, а остеопороз – хорошо известное ассоциированное с возрастом заболевание, и граница между этими двумя понятиями очень расплывчата. В связи с этим рассматриваемые ниже физиологические отклонения, связанные с возрастом, будут анализироваться как неотъемлемая часть процесса старения. И при оценке таких изменений всегда важно представлять, когда эти отклонения – причина физиологических процессов, а когда – результат болезни пожилого человека.
Возрастная (физиологическая) инволюция функций
В общих темпах старения органов и их систем не отмечается межвидовой разницы. Однако существует межвидовая разновидность в деталях физиологических изменений, связанных с возрастом. Так, если у человека потеря костной массы (у женщин) происходит в постменопаузальный период, то у крыс потеря костной массы происходит в конце жизни и связана с нарушением функций почек. Другой пример – уменьшение гематокрита – у крыс отмечается после наступления зрелости, а у людей в старческом возрасте, или, если с возрастом у крыс отмечается увеличение уровня глюкокортикоидов, то для человека такая тенденция не характерна. Существуют и внутривидовые колебания процессов старения физиологических функций у человека. Этот феномен хорошо иллюстрируют результаты, полученные в Baltimore Longitudinal Study of Aging.
При 23-летнем наблюдении за клиренсом креатинина у 446 мужчин, при среднем падении клиренса на 0,86 мл/мин в год во всей группе, отмечалась часть пациентов, у которых скорость падения была значительно выше, и те, у которых клиренс креатинина за 23 года достоверно не изменился. Такая разнородность обусловлена как влиянием факторов внешней среды, так и, безусловно, генетическими особенностями индивидуумов. В этом случае возрастное снижение показателей предопределяет повышенную восприимчивость к болезням и понижает способность поддерживать должный уровень функционирования. Подобное состояние часто встречается у пожилых людей. Причем оно, как правило, затрагивает несколько физиологических к систем, в том числе те, которые имеют важное значение, например, для поддержания двигательной активности и когнитивные функции. Исследователи предполагают, что отмеченная неустойчивая регуляция в одной системе у пожилых людей приводит снижению физиологических параметров одновременно в нескольких физиологических системах. Тогда как у лиц, у которых при первичном обследовании уже имеются признаки болезни, отмечаются особенности, которые проявляются в виде морфологических повреждений органов и систем. Соответственно колебания нестабильность и слабость регуляторных механизмов, рассматриваемые с позиции состоянии здоровья, существенно увеличивает и без того высокий риск негативных последствий для здоровья, связанных с истощением функциональных резервов.
В каждой из миллиардов клеток, составляющих наше тело, внутри ядра находится модель программы жизни, заключенная в ДНК. Она обусловливает индивидуальность каждого человека в утробе матери, будущий цвет глаз, пол, рост после рождения и последующие изменения в течение жизни – процесс, называемый старением. С тех пор как Хейфликом был открыт феномен возраста клетки, стало ясно, что существуют часы, которые отсчитывают не время, а число делений клетки.
За десятилетия, прошедшие после открытия Хейфлика, возникла теория механизма этих «часов» – теломерная гипотеза. Согласно этой гипотезе «часы» старения клетки пребывают на линейных окончаниях молекулы ДНК, в районе, называемом телoмер (tea-low-mere). Линейное окончание каждого участка ДНК заканчивается последовательностью TTAGGG, которая повторяется сотни раз, эффективно завершая конец. Это похоже на то, как пластик на концах шнурков нашей обуви покрывает и защищает шнурки от разволокнения.
В соответствии с теломерной гипотезой при делении клеток эта концевая часть ДНК укорачивается с каждым делением. При достижении ДНК критической длины деление клетки прекращается, и наступает ее старение. В некоторых клетках, например репродуктивных, теломерные часы «не тикают», теломеры не укорачиваются, а клетки, несомненно, могут делиться неопределенно долго – характеристика, свойственная «бесмертию» (immortality). «Бессмертие» клеток не означает, что они не могут умирать. Конечно же, как и ко всем клеткам, к ним нужно относиться бережно, чтобы сохранить их жизнеспособность. Бессмертие предполагает, что эти клетки не смертны, т. е. они не подвержены старению после определенного количества удвоений. Бессмертные клетки, при условии, что они основательно подпитаны и укреплены, потенциально могут делиться бесконечно.
Способность репродуктивных клеток к делению в режиме бессмертия происходит благодаря наличию белка, называемого теломеразой. Этот фермент представляет собой комплекс из двух различных молекул: одна из РНК, другая – из белка. Компонент РНК называется hTR (PHK человеческой теломеразы), а компонент белка – hТRТ (обратимая транскриптаза человеческой теломеразы).
Теломераза использует компонент РНК, чтобы направлять синтез повторной последовательности (TTAGGG), а слияние построечных блоков ДНК завершается hTRT. Вследствие этого сочетание hTR и hTRT составляет активную теломеразу и образно может быть представлено как крошечный механизм, который заводит «часы» стареющей клетки путем увеличения длины горящего фитиля.
Доказано, что теломераза аномально реактивирована при всех основных типах рака, и наоборот, она отсутствует в большинстве нормальных тканей. Явное исключение – репродуктивные клетки, где отмечается высокий уровень теломеразы и теломеры очень длинные. Предполагается, что теломераза в этих клетках функционально активна и обеспечивает полную реализацию генетической информации, которая передается из поколения в поколение. Теломераза присутствует в очень малом количестве также на этапах гемопоэза, в клетках кожи и желудочно-кишечного тракта. Однако и эти клетки стареют и постепенно теряют теломерную ДНК, что предполагает отсутствие у них достаточной активности теломеразы, чтобы быть «бессмертными». В 1994 году впервые была клонированна РНК – компонента теломеразы, а комбинации компонента РНК и белка способствуют появлению функционально активного фермента.
В то время как нормальные клетки в нашем организме делятся только определенное количество раз (смертность клетки), раковые клетки могут делиться беспредельно (бессмертие клетки). Нормальные клетки потенциально могут стать раковыми. Это возможно, если серия случайных мутаций повышает реактивную способность различных онкогенов и инактивирует подавленные гены опухоли. С каждой мутацией предраковые клетки все более отличаются от нормальных, становятся неконтролируемыми и могут начать порождать опухолевую массу. Однако большинство клеток, вероятно, преодолевает такие изменения, уничтожается, поскольку теломерное укорачивание ведет либо к старению клетки, либо к хромосомной нестабильности и смерти клеток. Для достижения большинством раковых опухолей угрожающих для жизни размеров или распространения метастазов по всему телу необходимо, чтобы некоторые раковые клетки стали «бессмертными», что происходит посредством активации теломеразы.
Теломераза дает возможность раковым клеткам укрепить длину теломера, обеспечивая их таким образом безграничной репликативной возможностью, или «бессмертием». Поскольку сама теломераза не способна трансформировать нормальную клетку в раковую, полагают, что она необходима лишь для неограниченного роста раковых клеток.
Усилия ученых направлены на обнаружение и разработку ингибитора этой маленькой молекулярной теломеразы, блокада которой позволит теломерам раковой клетки вновь обрести способность к укорачиванию и в конечном счете приводить раковую клетку к смерти. Уникальность такого подхода состоит в признании универсальности и специфичности теломеразы как объекта исследования в области онкологии, т. е. теломераза необыкновенно привлекательная цель для исследования лекарств, так как никогда не может быть открыта молекула, необходимая для продолжения роста опухолевых клеток без ограничения, которая присутствовала бы почти во всех видах раковых клеток и устранение которой фармакологическими средствами не вызывало бы никаких серьезных побочных эффектов.
В 2003 году А.М. Оловниковым была предложена оригинальная редусомная гипотеза старения и контроля за ходом биологического времени в индивидуальном развитии. Предполагалось существование в клетках редусом – перихромосомных частиц, возникающих при дифференцировках в ходе морфогенетического развития организма. Покрытая белками линейная молекула ДНК редусомы – это копия сегмента хромосомной ДНК.
Редусомы расположены преимущественно в субтеломерных регионах хромосом. Редусома не покидает тело своей хромосомы даже при клеточных делениях, удерживаясь в своем хромосомном 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. Основная часть ДНК большинства редусом представлена некодирующими генами, с которых транскрибируются так называемые микро-РНК и фонтанные РНК (фРНК), вовлеченные в регуляцию хроматина, специфичных для определенных дифференцировок, и в модуляцию уровней экспрессии хромосомных генов. Фонтанные РНК (фРНК) способны количественно менять уровень экспрессии генов в хромосомах; эти фРНК образуют специфические комплексы с фионами.
Фионы – это сайты хромосомной ДНК, комплементарные разным фРНК. Фионы находятся в окрестностях обычных хромосомных генов. Комплекс фРНК – фион при его специфическом взаимодействии с закрытыми воротами соответствующего ионного канала внутренней ядерной мембраны инициирует на очень короткий срок перевод канала в открытое состояние. Этим организуется работа ионного фонтана, который оказывается автоматически нацеленным на ближайший к данному фиону хромосомный ген. В зависимости от специфичности вовлеченных в процесс фРНК фионов и ионных каналов фонтаны своими ионами создают неидентичное ионное окружение вблизи разных структурных генов. Топографически специфичное воздействие ионных фонтанов влияет на конфигурацию соответствующих сегментов хроматина и на транскрипционную продуктивность хромосомных генов. Поэтому фонтанная система ядра способна управлять количественными признаками клеток и организма; она может контролировать доминантность аллелей и играть роль в индивидуальном развитии. Прогрессирующее укорочение ДНК редусом приводит к клеточному старению из-за постоянно возрастающей нехватки молекул низкомолекулярных РНК, транскрибируемых с редусомных генов.
Редусомы подразделяются на два типа: хроносомы и принтосомы. Линейные молекулы ДНК в двух типах редусом именуются соответственно хрономеры и принтомеры. Хроносомы отвечают за измерение биологического времени в неделящихся клетках ЦНС.
Принтосомы запоминают позиции клеток при интерпретации позиционной информации в морфогенезе и в соответствии с позицией клетки в морфогенетическом поле изменяют ее свойства и запоминают сделанное изменение (это принтомерный механизм интерпретации позиционной информации). Кроме того, принтомеры участвуют в поддержании состояния клеточной дифференцировки. Хрономера укорачивается в норме только на пике инфрадианного гормонального ритма (Т-ритма), который инициирует акт ее сверхскоростной транскрипции, завершающийся усечением конца хрономеры (эффект так называемого скраптинга). Принтомера может укорачиваться за счет эффекта концевой недорепликации ДНК и из-за скраптинга.
Эффект концевой недорепликации ДНК в удваивающихся клетках проявляется одновременно в укорочении как принтомер, так и теломер. Укорочение теломер – это лишь свидетель процесса старения клеток, тогда как истинной причиной биологического старения является только укорочение ДНК редусом. Процессинг определенных редусом в терминально дифференцирующихся клетках есть причина прекращения их делений. Сцепление генов в эукариотической хромосоме детерминируется дистанциями между генами и редусомами. В 2009 году гипотеза А.М. Оловникова получила блестящее подтверждение в исследованиях зарубежных ученых, ставших лауреатами Нобелевской премии за 2009 год по физиологии и медицине – Э. Блэкберна, К. Грейдера и Д. Шостака. К сожалению, как это уже бывало не раз в истории, первооткрыватель оказался обойденным.
Кроме методов генной инженерии, для перестройки деятельности организма на клеточном и молекулярном уровнях могут быть использованы методы нанотехнологни – технологии, связанной с разработкой устройств, способных осуществлять манипуляции с веществом с точностью до нанометра, т. е. оперировать отдельными атомами и молекулами. Ряд достижений нанотехнологии уже используется в биологии и медицине, например, для изготовления сверхчувствительных биосенсоров для детекции молекул. Однако наиболее захватывающие перспективы в этой области связаны с разработкой молекулярных роботов – устройств молекулярных размеров, основное назначение которых будет состоять в работе с отдельными молекулами и субклеточными структурами. Отдаленным естественным аналогом таких устройств может служить рибосома. Осуществляемая молекулярными роботами «хирургия» на клеточном и молекулярном уровнях позволит не только эффективно противодействовать процессам старения, но и ликвидировать его последствия, омолаживать клетки. Поскольку молекулярных роботов можно «собирать» из искусственных белков, используя биотехнологические методы (т. е. технология для их производства фактически уже существует), главная проблема для их изготовления заключается в проектировании, наиболее существенной частью которого является моделирование молекул. Оценки тенденций развития вычислительной техники позволяют предположить, что компьютеры достигнут мощности, необходимой для такого моделирования, к 2015 году. Поскольку генная терапия развивается весьма успешно и есть надежда, что имеющиеся трудности будут преодолены и в сравнительно недалеком будущем кажется вполне вероятным, что в начале XXI века будут разработаны методы генной инженерии, позволяющие модифицировать геном с целью замедления процесса старения.
И конечно же, проблема стволовых клеток – неспециализированных клеток, способных к самовоспроизводству в течение длительного времени путем деления (пролиферация). В определенных физиологических или экспериментальных условиях они (не специализированные клетки) могут становиться специализированными клетками (дифференциация).
Различают эмбриональные и взрослые стволовые клетки. Эмбриональные стволовые клетки обладают универсальной плюрипотентностью (способность стволовой клетки развиваться в любой тип клеток), большинство взрослых стволовых – ограниченной плюрипотентностью (приспособляемость или трансдифференциация). Уникальное свойство эмбриональных стволовых клеток – плюрипотентность, т. е. способность дать начало по меньшей мере 350 различным типам клеток, послужила толчком к бурной исследовательской деятельности по изучению эмбриональных стволовых клеток и открыла широкие перспективы их практического использования в биологии и медицине, в первую очередь в трансплантологии, иммунологии и геронтологии. Миллиарды клеток растущего организма (человека или животного) происходят всего-навсего из одной клетки (зиготы), которая образуется в результате слияния мужской и женской гамет. Эта единственная клетка содержит не только информацию об организме, но и схему ее последовательного развертывания. Так развивается человеческий организм, состоящий из 1014 клеток.
В ходе эмбриогенеза оплодотворенная яйцеклетка делится и дает начало клеткам, не имеющим других функций, кроме передачи генетического материала в следующие клеточные поколения. Это и есть эмбриональные стволовые клетки, геном которых находится в «нулевой точке»; механизмы, определяющие специализацию, еще не включены, из них потенциально могут развиться любые клетки. Таким образом, первое важное свойство эмбриональных стволовых клеток – плюрипотентность. При развитии человеческого зародыша под действием так называемых эмбриональных индукторов происходит включение тех или иных генов, после чего начинают формироваться семейства различных стволовых клеток и происходит сегментация зародыша (структурно выделяются участки будущих органов). Потомки этих стволовых клеток, размножаясь, следуют по уже определенному пути специализации (процесс получил название «коммитирование»).
В результате митоза стволовой клетки одна из дочерних клеток сохраняет ее свойства, другая – специализируется. Во взрослом организме имеются стволовые клетки тканей (например, в базальном слое эпидермиса – стволовые клетки эпидермиса, в криптах кишечника – стволовые клетки кишечника, в красном костном мозге – стволовые клетки крови). Благодаря делению этих клеток обновляются структуры тканей. Дифференциация клеток предполагает утрату способности к делению.
Высокодифференцированные клетки (кардиомиоциты, нейроны) не способны размножаться ни при каких обстоятельствах, в то время как менее дифференцированные клетки фибробласты, гепатоциты, частично сохраняют эту способность и при определенных условиях митотически увеличивают свое число. Общей закономерностью является то, что если клетка вышла на этап дифференцировки, то количество делений, которое она может пройти, ограничено (лимит Хейфлика).
Это объясняется наличием концевых повторяющихся последовательностей ДНК хромосом (теломеров), которые при воспроизведении генетического материала частично утрачиваются с каждым последующим делением. После того как теломеры утрачены полностью, клетки оказываются неспособными к дальнейшему размножению (например, для фибробласта лимит Хейфлика составляет 50 делений, для стволовой клетки крови – 100). Описанное явление имеет большое биологическое значение: в случае если произошла поломка в геноме клетки, мутация будет растиражирована в ограниченном количестве и не сыграет большой роли для организма в целом.
Эмбриональная стволовая клетка отличается от других клеток тем, что для нее лимит Хейфлика неисчерпаем (это обусловлено экспрессией фермента теломеразы, который после каждого деления «достраивает» теломеры), и клетка может делиться бесконечно. Таким образом, второе важное свойство эмбриональных стволовых клеток – фактическое бессмертие (иммортальность).
Итак, представляется весьма заманчивым взять плюрипотентную клетку, заставить ее пройти путь дифференцировки, получить из нее готовые ткани (органы) и пересадить их в стареющий организм, решив таким образом и проблему старения, и проблему болезни. Если, как указывалось, эмбриональная стволовая клетка бессмертна и саморазмножается, тогда достаточно удобно использовать бесконечную клеточную линию ее потомков. Однако время от времени происходящие генетические мутации в эмбриональных стволовых клетках будут передаваться дочерним клеткам и накапливаться в последующих клеточных поколениях. И все же выделение собственных эмбриональных стволовых клеток из взрослого организма, несмотря на малое содержание в тканях, для последующего лечения является оптимальным и наиболее безопасным методом, так как автоматически решается вопрос об иммунологической совместимости.
Существует возможность трансплантации непосредственно самих эмбриональных стволовых клеток. Это удобно тем, что экспрессия антигенов тканевой совместимости в эмбриональной ткани снижена и, соответственно, менее выражена реакция отторжения. Более того, эмбриональные стволовые клетки вырабатывают вещества, в том числе aльфа-фетопротеин, тормозящие иммунный ответ. Тем не менее, попав в организм реципиента, эмбриональные стволовые клетки неминуемо будут уничтожены, если не по принципу «чужого», то по принципу «отсутствия своего». Действие этих механизмов объясняется следующим образом. Чужеродные белки, попавшие в клетку, фрагментируются и, пройдя аппарат Гольджи, выставляются на клеточной мембране в составе антигенов главного комплекса гистосовместимости с тем, чтобы Т-лимфоциты смогли распознать «своего» или «чужого» и «чужого» уничтожить.
При трансплантации эмбриональных стволовых клеток их дальнейшая судьба, если удается уйти от иммунного надзора, определяется главным образом средой, в какую они попадают, и теми индукционными веществами, действию которых они подвергаются в этой среде. Например, стромальная стволовая клетка костного мозга при помещении в различные среды может развиться в хондроцит, гладкомышечную или жировую клетку. Поведение в этих условиях эмбриональной стволовой клетки сложно предугадать – слишком опасно сходство свойств эмбриональной стволовой клетки и клетки опухолевой природы.
Эмбриональные клетки, будучи взяты из одной среды и перенесены в другую, могут начать неконтролируемо размножаться и, в соответствии с теорией эмбриональных зачатков Конгейма, трансформироваться в опухолевую ткань. Следовательно, какими бы благородными мотивами ни руководствовались ученые, спеша помочь человечеству, не желающему стареть, исследования, а тем более внедрение новых методов омоложения с помощью стволовых клеток, требуют чрезвычайной осторожности и многоуровневого контроля. Если же сохранится существующий темп прогресса в экспериментальном изучении механизмов старения, то вполне правомерно ожидать получение в ближайшие 10–20 лет критически важных результатов в этой области. Учитывая все вышеизложенное, представляется вполне обоснованным надеяться, что эффективная терапия старения может быть реализована уже во второй четверти XXI века.
Таким образом, в настоящее время насчитывают свыше 200 теорий и гипотез, связанных со старением. Это указывает, с одной стороны, на большой интерес к этой проблеме, а с другой – на чрезвычайную ее сложность. Однако наука еще не располагает не только истинной, но даже общепризнанной теорией старения. Некоторые ученые связывают процесс старения с изменением какой-либо одной системы. Такой односторонний подход нередко ведет к преувеличению значения того или иного факта в изучаемом явлении. Наряду с этим следует отметить, что значительная часть теорий сыграла положительную роль в развитии геронтологии. Они дали толчок новым поискам и исследованиям. Согласно современным данным, старение человека нужно рассматривать не как механизм, обусловленный изменением какого-либо одного звена, а как сложное взаимодействие всех систем, охватывающее развитие структуры и функций всего организма. Изучение его природы показало, что старческие изменения развиваются на молекулярном, клеточном уровне и уровне целостного организма.
Клинические проявления старения
Старость – самая безнадежная из всех болезней.
Томас Манн
Когда жизнь рода обеспечена, природа постепенно выпускает индивидуума из рук своих.
Иоган Гердер
Многие из физиологических функций у пожилых изменяются под влиянием заболеваний, ассоциирующихся с возрастом. Известно, что возникновение и прогрессирование заболеваний определяется изменением физиологических функций. Однако нет единого мнения, является ли данное заболевание частью нормального процесса старения или нет. Многие исследователи, изучавшие естественные процессы старения, исключали из исследуемых групп пожилых. Полученные в этих исследованиях результаты представляют большую научную ценность. Однако представления о процессах нормального старения, не включающие развитие ассоциированных с возрастом заболеваний, являют собой ценность только с точки зрения общебиологических понятий.
Эволюционные биологи считают, что изменения, связанные со старением, – результат снижения силы естественного отбора, потому что биологические процессы, в результате которых происходит ухудшение жизненных функций, не могли быть отобраны эволюцией. Это, с их точки зрения, приводит к тому, что физиологические ухудшения усиливаются с возрастом, и именно по этой причине возникают связанные с возрастом заболевания. И действительно, только небольшое количество людей не имеют связанных с возрастом болезней, и именно это определяет двусмысленность разделения между возрастными физиологическими ухудшениями и заболеваниями, ассоциированными с возрастом. Например, потеря костной массы хорошо известное связанное с возрастом физиологическое ухудшение, а остеопороз – хорошо известное ассоциированное с возрастом заболевание, и граница между этими двумя понятиями очень расплывчата. В связи с этим рассматриваемые ниже физиологические отклонения, связанные с возрастом, будут анализироваться как неотъемлемая часть процесса старения. И при оценке таких изменений всегда важно представлять, когда эти отклонения – причина физиологических процессов, а когда – результат болезни пожилого человека.
Возрастная (физиологическая) инволюция функций
Cuncta potest igitur tacito pede lapsa vetustas.
(Старость, подкравшаяся молчаливой стопой, может все разрушить.)
Овидий
В общих темпах старения органов и их систем не отмечается межвидовой разницы. Однако существует межвидовая разновидность в деталях физиологических изменений, связанных с возрастом. Так, если у человека потеря костной массы (у женщин) происходит в постменопаузальный период, то у крыс потеря костной массы происходит в конце жизни и связана с нарушением функций почек. Другой пример – уменьшение гематокрита – у крыс отмечается после наступления зрелости, а у людей в старческом возрасте, или, если с возрастом у крыс отмечается увеличение уровня глюкокортикоидов, то для человека такая тенденция не характерна. Существуют и внутривидовые колебания процессов старения физиологических функций у человека. Этот феномен хорошо иллюстрируют результаты, полученные в Baltimore Longitudinal Study of Aging.
При 23-летнем наблюдении за клиренсом креатинина у 446 мужчин, при среднем падении клиренса на 0,86 мл/мин в год во всей группе, отмечалась часть пациентов, у которых скорость падения была значительно выше, и те, у которых клиренс креатинина за 23 года достоверно не изменился. Такая разнородность обусловлена как влиянием факторов внешней среды, так и, безусловно, генетическими особенностями индивидуумов. В этом случае возрастное снижение показателей предопределяет повышенную восприимчивость к болезням и понижает способность поддерживать должный уровень функционирования. Подобное состояние часто встречается у пожилых людей. Причем оно, как правило, затрагивает несколько физиологических к систем, в том числе те, которые имеют важное значение, например, для поддержания двигательной активности и когнитивные функции. Исследователи предполагают, что отмеченная неустойчивая регуляция в одной системе у пожилых людей приводит снижению физиологических параметров одновременно в нескольких физиологических системах. Тогда как у лиц, у которых при первичном обследовании уже имеются признаки болезни, отмечаются особенности, которые проявляются в виде морфологических повреждений органов и систем. Соответственно колебания нестабильность и слабость регуляторных механизмов, рассматриваемые с позиции состоянии здоровья, существенно увеличивает и без того высокий риск негативных последствий для здоровья, связанных с истощением функциональных резервов.