Владимир Скулачёв - Жизнь без старости

Но, несмотря на всю привлекательность гипотезы о неуклонно сокращающихся теломерах как молекулярных часах клетки, многие ее аспекты остаются неясными, а ряд фактов вступает с ней в противоречие. Как уже было отмечено выше, у мышей и крыс теломеры почти на порядок длиннее, чем у человека, а теломераза активна и в соматических клетках. Однако стареют эти грызуны значительно быстрее людей. Эксперименты на мышах, у которых был удален ген теломеразы, показали, что животные жизнеспособны и плодовиты в течение 6 поколений [18]. Скорость укорочения теломер у мутантных животных составила 4.8±2.4 тысячи пар оснований на поколение, что сравнимо со скоростью укорочения теломер у человека. В культуре клеток из мутантных животных в более поздних поколениях наблюдался рост частоты хромосомных аберраций, однако влияния укорочения теломер на значение предела Хейфлика не было выявлено. Этот факт, а также ряд других наблюдений [7] указывают, что укорочение теломер является далеко не единственным механизмом ограничения пролиферации соматических клеток.

Следует также отметить, что экспериментальные доказательства роли феномена предела Хейфлика в старении многоклеточных организмов достаточно немногочисленны, и интерпретация данных, полученных на культурах, где клетки подвергаются ряду нефизиологических стрессовых факторов, требует осторожности [72]. В частности, показано, что снижение концентрации кислорода от обычного значения 20 % до 1 % приводило к замедлению репликативного старения фибробластов человека [293], а также что концентрация кислорода ограничивает пролиферацию в культуре мышиных фибробластов [256].

Однако теломеры могут играть важную роль в процессе старения и вне контекста ограничения пролиферативной активности. Как было отмечено выше, теломерные участки ДНК хромосом более уязвимы для различных вредоносных стрессовых факторов, в том числе АФК. Таким образом, теломеры могут служить индикатором стресса в клетке, генерируя сигнал «повреждение ДНК!» при относительно низком уровне стресса, еще не слишком опасном для остальной хромосомной ДНК.

Укорочение теломер является важным (но не единственным!) физиологическим механизмом, задействованным в ограничении пролиферации соматических клеток и предотвращении возникновения рака. Весьма вероятно, что этот феномен приводит также к сокращению с возрастом числа функциональных клеток в ряде органов, и — как следствие — к снижению жизнеспособности организма, т. е. к старению.

Интересным вопросом, связанным с эволюционным значением теломер, является причина перехода от кольцевой ДНК к линейной. Согласно гипотезе Боулза [25], этот переход — ни что иное, как возникновение первой «программы старения» у ранних, одноклеточных форм жизни: неуклонное укорачивание ДНК при каждом следующем делении приводит в итоге к падению жизнеспособности, и тем самым ускоряет смену поколений.

Однако универсальность данного механизма старения представляется маловероятной. Об этом свидетельствует отсутствие ускоренного старения у мышей, лишенных теломеразы. Еще один пример: у нематоды Caenorhabditis elegans вообще отсутствует деление соматических клеток во взрослом состоянии, что никак не мешает прогрессирующему старению этого хорошо изученного модельного организма.

К сожалению, наши знания о роли теломер в жизни и смерти клеток пока недостаточны для построения полной непротиворечивой картины. Поэтому исследование теломер остается одной из интереснейших и многообещающих областей клеточной и молекулярной биологии.

Старение, равно как и ряд нейродегенеративных заболеваний (в том числе, болезни Альцгеймера и Паркинсона), сопровождается хронической воспалительной реакцией, ростом уровня АФК в тканях и прогрессирующей дисфункцией митохондрий. Все это приводит к снижению уровня синтеза АТФ, повышению апоптозной активности и клеточной гибели. Одна из достаточно эффективных мер противодействия этим негативным явлениям — это регулярные физические тренировки на выносливость. Помимо очевидного благотворного влияния на физическую форму человека и здоровье в целом, такие тренировки снижают вероятность возникновения патологий сердца [32,6], болезни Альцгеймера [270,215] и целого ряда хронических заболеваний, в том числе и связанных с воспалительными реакциями [23,234]. В исследовании на небольшой выборке (28 человек) добровольцев было также показано, что у пожилых людей, регулярно выполнявших физические упражнения, ускоряется заживление ран [84]. Этот эффект был затем подтвержден в экспериментах на мышах: у пожилых (18 месяцев) животных, подвергавшихся физической нагрузке, раны заживали быстрее, а также наблюдалось снижение воспалительной реакции [151].

Прояснение молекулярного механизма, обусловливающего положительное влияние продолжительной физической нагрузки, является одной из активно развивающихся областей современной физиологии. Уже ясно, что центральную роль в этом механизме играет стимуляция биогенеза митохондрий [344] и митохондриальных функций в целом, а также повышение эффективности контроля уровня АФК [6,215].

Показано, что у мышей, подвергавшихся регулярной тренировке на выносливость (бег 45 мин — 2 часа в день, 5 дней в неделю, в течение 8 недель начиная с 3х-месячного возраста), возрастают уровень митохондриальных транскрипционных факторов, количество митохондриальной ДНК и продукция АТФ митохондриями мышц; повышается устойчивость к глюкозе и увеличивается общий уровень физической активности [55]. Было также установлено, что у взрослых (20 мес.) и старых (30 мес.) крыс регулярные физические упражнения (8 недель) приводили к снижению уровня повреждения ДНК, активации систем репарации, повышению устойчивости к окислительному стрессу, и снижению возраст-зависимого роста уровня 8-окси-2'-деоксигуанозина (8-OHdG) в мышцах [271].

Примечательно, что физическая нагрузка также стимулирует биогенез митохондрий мозга: у молодых (2 мес.) мышей, в течение 8 недель подвергавшихся физической нагрузке (1 час в день, 6 дней в неделю), в тканях мозга заметно увеличивалось количество митохондриальной ДНК, а также иРНК ряда белков-маркеров митохондриального биогенеза [344]. Возможно, именно это явление обусловливает благоприятный эффект физической нагрузки при развитии возраст-зависимых нейродегенеративных заболеваний [215].

Исследования последних лет выявили ряд деталей молекулярного механизма вышеописанного положительного действия физической нагрузки [120]. При сокращении мышц происходит выход кальция из саркоплазматического ретикулума; это влияет на активность кальций-зависимых ферментов, в частности — кальций/кальмодулин-зависимых киназ. В результате изменяется профиль фосфорилирования ряда транскрипционных факторов и их ко-активаторов, в том числе — белка PGC-1a, одного из основных регуляторов биогенеза и функций митохондрий [120].