Читать книгу Старение и антиэйджинг: медико-биологические подходы к увеличению продолжительности жизни и активному долголетию - А. С. Брюховецкий - Страница 8

История возникновения научных теорий старения человека является достаточно короткой и совсем небольшой по сравнению с 2 тыс. лет известной цивилизации, описанной в Библии. Мы не будем останавливаться на общеизвестных подходах к продлению жизни в древних цивилизациях и в Средние века, т.к. назвать их научными, наверное, было бы неправильно, хотя вся история человечества – это поиск Грааля бессмертия и чудодейственных средств продления собственной жизни. Сегодня существует несколько альтернативных теорий, которые отчасти противоречат друг другу, а отчасти друга друга дополняют. Современная биология уделяет проблеме старения очень много внимания, и с каждым годом появляются новые факты, позволяющие глубже понять механизмы этого процесса.

Первые попытки научного объяснения старения начались в конце XIX в. В 1882 г. в одной из первых работ известный зоолог и теоретик эволюционного учения Август Вейсман (Weissmann, 1882) предложил теорию происхождения старения как свойства, которое возникло в результате эволюции. Согласно А. Вейсману, «не стареющие организмы не только не являются полезными, они вредны, потому что занимают место молодых», что должно было привести эволюцию к возникновению старения. Его, правда чисто теоретическое, представление о старении и «бессмертии» клеток не было подтверждено им экспериментально, но он еще в 1881 г. предположил, что старение организма определяется тем обстоятельством, что у соматических клеток «…способность к росту путем деления не вечна, а ограниченна». По его же мнению, могут бесконечно входить в процесс деления только половые клетки, которые с этой точки зрения являются «бессмертными», т.е. иммортальными. Однако первые же опыты по выращиванию изолированных из организма клеток в культуре ткани, произведенные французским хирургом и патофизиологом Алексисом Каррелем (Carrel, 1912), казалось бы, полностью опровергли предположение А. Вейсмана о «смертности» соматических клеток. А. Каррель впервые в цитологической практике разработал технику выращивания культуры тканей с использованием плазмы крови и эмбриональной жидкости, позволившую длительное время поддерживать рост клеток, в т.ч. соматических, выделенных из организма. В своем самом известном эксперименте он удалил небольшое количество ткани из сердца эмбриона цыпленка, погрузил его в питательную среду и смог сохранить эту ткань живой в своей лаборатории. Спустя десятилетия после смерти самого Каррела в 1944 г. ткани цыпленка намеренно позволили умереть. За эти исследования, а также за разработку методик по сшиванию кровеносных сосудов А. Каррель в 1912 г. был удостоен Нобелевской премии. Вплоть до 1961 г. считалось, что постулат А. Вейсмана опровергнут, но американские цитологи Л. Хейфлик и П. Мурхед провели эксперименты по культивации фибробластов человеческих эмбрионов. Эти исследователи помещали в питательную среду отдельные клетки, а не цельный кусочек ткани, как это делал А. Каррель. Леонард Хейфлик обнаружил, что легочная ткань, по-видимому, отмирает после того, как ее клетки поделились определенное количество раз, обычно 50. Это число называли пределом Хейфлика. Более того: когда клетки приближались к своему пределу деления, они начинали напоминать старую ткань с возрастными пигментами, которые обнаруживаются в постаревших клетках сердца и головного мозга.

Оригинальную гипотезу старения выдвинул выдающийся русский биолог И. И. Мечников (1845—1916), который считал старение результатом интоксикации организма продуктами обмена бактерий, обитающих в кишечном тракте, и продуктами азотистого обмена веществ самого организма (мочевая кислота). Образуются ядовитые вещества, в т.ч. скатол, индол, фенол (карболовая кислота), крезол, кадаверин (трупный яд), тирамин и другие токсины. Данную теорию И. И. Мечников назвал теорией бактериальной интоксикации организма.

Важным шагом в исследовании старения был доклад английского биолога проф. Peter Brian Medawar перед Лондонским королевским обществом в 1951 г. под названием An Unresolved Problem in Biology («Нерешенная проблема биологии»; Medawar, 1952). В этой лекции он подчеркнул, что животные в природе редко доживают до возраста, когда старение становится заметным; таким образом, эволюция не могла оказывать влияние на процесс развития старения. Эта работа положила начало целой серии новых исследований. На протяжении следующих 25 лет исследования имели преимущественно описательный характер. Тем не менее начиная с конца 70-х гг. возникает большое количество теорий, которые пытались объяснить феномен старения (Древина, 2009). Например, в известном обзоре литературы по этому вопросу, опубликованном Калебом Финчем в 1990 г., насчитывалось ок. 4 тыс. ссылок (Finch, 1990) на различные научные исследования. Только в конце 1990-х гг. ситуация начала проясняться и большинство авторов стали приходить к общим выводам.

В настоящее время мир располагает более чем 300 общебиологическими теориями старения и психологическими подходами к определению сущности старости и старения. Остановимся очень кратко на основных биологических теориях старения человека. По мнению исследователей в области биологии, старение и смерть являются базовыми, сущностными биологическими свойствами, отражающими функционирование и эволюцию всех живых организмов, включая человека. Биологи исследуют организм, пытаясь измерить природу и предел возрастных изменений, понять, чем вызваны эти изменения, как их можно контролировать, корректировать, как можно смягчить последствия процесса старения. В этой связи биологическая наука располагает рядом теорий, непосредственно затрагивающих тематику процесса старения человека. Наиболее распространены в научном мире за рубежом два направления научных теоретических воззрений на него: это теории программированного старения и теории непрограммированного старения (Козлов, 1999).

Обобщая все вышеизложенные теории старения человека, попытаемся систематизировать наиболее значимые из них для современной геронтологии. Системный признак теории старения как запрограммированного или незапрограммированного старения может быть важным системообразующим звеном для целого ряда известных теорий старения.

Теории программированного старения

Генетические теории. Старение вызывается запрограммированными изменениями экспрессии генов, или экспрессией специфических белков. Гипотеза, согласно которой причиной старения являются изменения генетического аппарата клетки, является одной из наиболее признанных в современной геронтологии. Молекулярно-генетические теории подразделяются на две большие группы. Одни ученые рассматривают возрастные изменения генома как наследственно запрограммированные. Другие считают, что старение – результат накопления случайных мутаций. Отсюда следует, что процесс старения может являться или закономерным результатом роста и развития организма, или следствием накопления случайных ошибок в системе хранения и передачи генетической информации.

• Накопление «загрязнений»: накопление отходов метаболизма снижает жизнеспособность клеток;

• иммунологическая теория: определенные аллели могут увеличивать или сокращать продолжительность жизни;

• часы старения: старение и смерть являются результатом предопределенного биологического плана;

• эволюционные теории: естественный отбор устраняет индивидуумов после того, как они произведут потомство.

Теории «непрограммированного» старения

• Свободнорадикальная теория старения: старение является результатом случайного вредоносного повреждения тканей свободными радикалами;

• теория изнашивания: органы и ткани организма в процессе жизни изнашиваются, как изнашиваются и запчасти, «заложенные» в организме для их реставрации, и практически у организма не остается ресурса для их замещения при повреждении;

• теория старения по ошибке: основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными повреждающими факторами (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций и др.). 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, вирусов и токсических (мутагенных) веществ и т. д. С течением времени система репарации ДНК изнашивается, в результате чего происходит старение организма.

Теория запрограммированного старения – одна из самых распространенных научных теорий. Представители теории запрограммированного старения исходят из того, что функционирование живого организма запрограммировано природой лишь на период его активной жизнедеятельности, включающей развитие, т.е. рост организма, и способность к репродукции. Сторонники этой теории аргументируют свой вывод тем, что в природе всегда действовал и продолжает действовать закон естественного отбора и поэтому старые особи в естественных условиях встречаются крайне редко: прежде чем стать старыми, они либо погибают сами, либо их уничтожают свои же сородичи. В живой организм генетически заложена биологическая активность, распространяющаяся только на период его так называемой биологической полезности.

Некоторые теории старения, как, например, так называемые теории часов, исходят из того, что изменения, связанные со старением, подконтрольны своего рода биологическому датчику, основная функция которого состоит в том, чтобы следить за «расписанием» развития биологического организма до тех пор, пока он не достигнет половой зрелости и способности размножения. После выполнения программы или в отсутствие таковой расстраивается деятельность гипоталамуса и эндокринной системы, что приводит организм к снижению его физиологических функций (Козлов, 1999).

Представители теории программированного старения исходят из положения, согласно которому к процессу старения подключены генетические механизмы и только благодаря их действию происходит эволюция живой природы. Однако в процессе изменений, связанных со старением, могут действовать и другие механизмы, не включенные в генетическую программу, которые оказывают «непрограммированное» воздействие на организм. Такое воздействие может происходить в результате случайного повреждения клетки, необычного воздействия на молекулы, которые, в свою очередь, изменяют структуру клетки, ее функцию и сам процесс метаболизма. Эти необычные изменения могут затронуть и молекулу ДНК, несущую в себе генетическую информацию.

В результате нормальных метаболических процессов в пределах клеток могут образовываться ядовитые побочные продукты типа свободных радикалов. Их вредному воздействию противостоят несколько механизмов защиты клеток. Однако свободные радикалы могут повредить мембрану клетки и вызвать сбой в передаче генетической информации ДНК.

Таким образом, подход, в основе которого лежит представление о старении как процессе, запрограммированном эволюцией и включенном в генетический код (программируемое старение), и подход, согласно которому повреждения клеток не детерминируются генетически, а происходят вследствие сбоев (непрограммированного старения), имеют общий биологический характер в объяснении причин инволюции в старости. Стоит отметить, что в зависимости от предложенного механизма старения (в рамках биологического подхода) авторы выстраивают систему прогнозирования будущего состояния организма, мер профилактики негативных последствий, однако роль психологического фактора для увеличения продолжительности человеческой жизни при этом не учитывается.

Обе эти биологические теории старения являются очень общими, слишком широко трактующими причины процессов инволюции, происходящих в старости. В рамках этих подходов находят место теория основоположника отечественной геронтологии А. А. Богомольца, который связывал старение с дисгармонией физиологических процессов организма, и теория И. И. Мечникова, рассматривавшего старение как процесс интоксикации (Яцемирская, Беленькая, 1999).

Биологические теории старения являются наиболее обоснованными и верифицированными (в плане психологических исследований старости мы будем говорить не о теориях, а лишь о подходах к проблеме). Однако биологические теории не учитывают дифференциации двух аспектов старости – физиологического и психологического – и роли психологического фактора в удлинении человеческой жизни.

Все биологические теории старения можно условно разделить еще на две большие группы: эволюционные теории и теории, основанные на случайных повреждениях клеток. Первые считают, что старение является не необходимым свойством живых организмов, а запрограммированным процессом. Согласно им, старение развилось в результате эволюции из-за некоторых преимуществ, которые оно дает целой популяции. В отличие от них теории повреждения предполагают, что старение является результатом природного процесса накопления повреждений со временем, с которыми организм старается бороться, а различия старения у разных организмов являются результатом разной эффективности этой борьбы. Сейчас последний подход считается установленным в биологии старения (Kirkwood, 2005; Holliday, 2006; Hayflick, 2007). Тем не менее некоторые исследователи все еще защищают эволюционный подход (http://www.azinet.com/articles/Aging_Evolution.html), а некоторые другие совсем игнорируют деление на эволюционные теории и теории повреждений. Последнее утверждение является частично результатом смены терминологии: в некоторых работах последнего времени термин «эволюционные теории» ссылается не на теории запрограммированного старения, которые предлагают эволюционное возникновение старения как полезного явления, а на подход, который описывает, почему организмы должны стареть, в противоположность вопросу о биохимических и физиологических основах старения.

Гормонально-генетическая теория. Эта теория состоит в том, что в процессе жизни человека начиная с рождения идет повышение порога чувствительности гипоталамуса, что в конечном итоге после 40 лет приводит к гормональному дисбалансу и прогрессирующему нарушению всех видов обмена, в т.ч. гиперхолестеринемии. Поэтому одно из мнений, что лечение болезней старости необходимо начинать с улучшения чувствительности гипоталамуса, является краеугольным в этой теории.

Эволюционно-генетическая теория. Гипотеза, которая легла в основу эволюционно-генетического подхода, была предложена Питером Медаваром в 1952 г. (Medawar, 1952) и известна сейчас как теория накопления мутаций (англ. Mutations accumulation theory). Питер Медавар заметил, что животные в природе очень редко доживают до возраста, когда старение становится заметным. Согласно его идее, аллели, которые проявляются на протяжении поздних периодов жизни и которые возникают в результате мутаций зародышевых клеток, подвергаются довольно слабому эволюционному давлению, даже если в результате их действия страдают такие свойства, как выживание и размножение. Таким образом, эти мутации могут накапливаться в геноме на протяжении многих поколений. Тем не менее любая особь, которая сумела избежать смерти на протяжении долгого времени, испытывает на себе их действие, что проявляется как старение. То же самое верно и для животных в защищенных условиях.

В дальнейшем, в 1957 г. Д. Вильямс (Williams, 1957) предположил существование плейотропных генов, которые имеют разный эффект для выживания организмов на протяжении разных периодов жизни, т.е. они полезны в молодом возрасте, когда эффект естественного отбора сильный, но вредны позднее, когда эффект естественного отбора слабый. Эта идея сейчас известна как антагонистическая плейотропия (англ. Antagonistic pleiotropy).

Вместе две эти теории составляют основу современных представлений о генетике старения (Kirkwood, 2005). Тем не менее идентификация ответственных генов имела лишь ограниченный успех. Свидетельства о накоплении мутаций остаются спорными (Shaw et al., 1999), тогда как свидетельства наличия плейотропных генов сильнее, но и они недостаточно обоснованы. Примерами плейотропных генов можно назвать ген теломеразы у эукариотов и сигма-фактор σ⁷⁰ у бактерий. Хотя известно много генов, которые влияют на продолжительность жизни разных организмов, других четких примеров плейотропных генов все еще не обнаружено (Leroi et al., 2005).

Эволюционно-физиологическая теория. Теория антагонистической плейотропии предсказывает, что должны существовать гены с плейотропным эффектом, естественный отбор которых и приводит к возникновению старения. Несколько генов с плейотропным эффектом на разных стадиях жизни действительно найдены – сигма-70 E. coli, теломераза у эукариотов, – но непосредственной связи со старением показано не было, тем более не было показано, что это типичное явление для всех организмов, ответственное за все эффекты старения. То есть эти гены могут рассматриваться лишь как кандидаты на роль генов, предсказанных теорией. С другой стороны, ряд физиологических эффектов показан без определения генов, ответственных за них. Часто мы можем говорить о компромиссах, аналогичных предсказанным теорией антагонистической плейотропии, без четкого определения генов, от которых они зависят. Физиологическая основа таких компромиссов заложена в так называемой теории одноразовой сомы (англ. Disposable soma theory; Kirkwood, 1977). Эта теория задается вопросом, как организм должен распорядиться своими ресурсами (в первом варианте теории речь шла только о энергии) между поддержкой и ремонтом сомы и другими функциями, необходимыми для выживания. Необходимость компромисса возникает из-за ограниченности ресурсов или необходимости выбора лучшего пути их использования.

Поддержание тела должно осуществляться лишь настолько, насколько это необходимо на протяжении обычного времени выживания в природе. Например, поскольку 90% диких мышей умирает на протяжении первого года жизни, преимущественно от холода, инвестиции ресурсов в выживание на протяжении большего времени будут касаться только 10% популяции. Таким образом, трехлетняя продолжительность жизни мышей полностью достаточна для всех потребностей в природе, а с точки зрения эволюции ресурсы следует тратить, например, на улучшение сохранения тепла или размножения вместо борьбы со старостью. Таким образом, продолжительность жизни мыши наилучшим образом отвечает экологическим условиям ее жизни.

Теория «одноразового тела». Эта теория делает несколько допущений, которые касаются физиологии процесса старения. Согласно этой теории, старение возникает в результате неидеальных функций ремонта и поддержки соматических клеток, которые адаптированы для удовлетворения экологических потребностей. Повреждения, в свою очередь, являются результатом стохастических процессов, связанных с жизнедеятельностью клеток. Долголетие контролируется за счет контроля генов, которые отвечают за эти функции, а бессмертие генеративных клеток, в отличие от соматических, является результатом больших затрат ресурсов и, возможно, отсутствия некоторых источников повреждений.

На особом месте в этой теоретической конструкции стоит разработанная М. А. Шурдовым концепция старения, обусловленная «одноразовым мозгом». Согласно этой концепции, головной мозг человека стареет в первую очередь из-за того, что состоит из клеток нервной ткани, которые не имеют возможности для деления. Мозг млекопитающих как бы одноразового использования, хотя почти все органы и ткани его организма имеют способность к самообновлению и регенерации. Отсутствие способности у мозга к саногенезу и самореставрации и есть основное «слабое звено» в организме, и оно запускает системообразующие процессы. Человек рождается с маленьким головным мозгом, в котором уже есть ок. 100 млрд нервных клеток. С возрастом мозг вырастает в объеме и аксоны его нейронов достигают длины до 1 м, но количество клеток нервной ткани в мозге лишь уменьшается, однако при этом в процессе жизни, воспитания и обучения между этими клетками формируются новые синаптические связи. Именно количество связей между клетками в мозге определяет наличие определенных функциональных систем в организме и формирует жизнеобеспечивающие функции мозга. М. А. Шурдов пришел к выводу, что именно старение клеток нервной ткани головного мозга является «генератором» общего процесса увядания и старения всех систем организма человека. Нарушение центральных систем управления и надзора за органами и тканями организма со стороны увядающего и стареющего мозга при его локальной дегенерации синхронизирует общий системный возрастной дегенеративно-атрофический процесс в органах и тканях. Сосуды головного и спинного мозга человека одними из первых компонентов нервной ткани страдают в процессе этого старения за счет формирования повреждений сосудов мозга и запускают системные процессы дегенерации, атрофии и увядания в органах и тканях организма. М. А. Шурдов считает, что нейрореставрация стареющего мозга позволит значительно приостановить общеорганизменные системные процессы старения.

Свободнорадикальная теория старения

Выдвинутая практически одновременно Д. Харманом (1956) и Н. М. Эмануэлем (1958), свободнорадикальная теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистых заболеваний, ослабления иммунитета, нарушений функции мозга, катаракты, рака и некоторых других). Согласно этой теории, причиной нарушения функционирования клеток являются необходимые для многих биохимических процессов свободные радикалы – активные формы кислорода, синтезируемые главным образом в митохондриях – энергетических «фабриках» клеток. Если очень агрессивный, химически активный свободный радикал случайно покидает то место, где он нужен, он может повредить и ДНК, и РНК, и белки, и липиды. Природа предусмотрела механизм защиты от избытка свободных радикалов: кроме супероксиддисмутазы и некоторых других синтезируемых в митохондриях и клетках ферментов, антиоксидантным действием обладают многие вещества, поступающие в организм с пищей, в т.ч. витамины А, С и Е. Регулярное потребление овощей и фруктов и даже несколько чашек чая или кофе в день обеспечат вам достаточную дозу полифенолов, также являющихся хорошими антиоксидантами. К сожалению, избыток антиоксидантов – например, при передозировке биологически активных добавок – не только не полезен, но может даже усилить окислительные процессы в клетках.

Существуют свидетельства нескольких важнейших механизмов повреждения макромолекул, которые обычно действуют параллельно один другому или зависят один от другого (Kirkwood, 2005). Вероятно, любой из этих механизмов может при определенных обстоятельствах играть доминирующую роль. Во многих из этих процессов важную роль играют активные формы кислорода (в частности, свободные радикалы); набор свидетельств об их влиянии был получен достаточно давно и сейчас известен под названием «свободнорадикальная теория старения». Сегодня, тем не менее, механизмы старения намного более детализированы.

Теория соматических мутаций. Многие работы показали увеличение с возрастом числа соматических мутаций и других форм повреждения ДНК, предлагая репарацию (ремонт) ДНК в качестве важного фактора поддержки долголетия клеток. Повреждения ДНК типичны для клеток и вызываются такими факторами, как жесткая радиация и активные формы кислорода, и потому целостность ДНК может поддерживаться только за счет механизмов репарации. Действительно, существует зависимость между долголетием и репарацией ДНК, как это было продемонстрировано на примере фермента поли (АДФ-рибоза) полимеразы-1 (PARP-1), важного игрока в клеточном ответе на вызванное стрессом повреждение ДНК (Burke, 2001). Более высокие уровни PARP-1 ассоциируются с большей продолжительностью жизни.

Теория апоптоза. Академик РАН проф. В. П. Скулачев называет свою теорию теорией клеточного апоптоза. Апоптоз – 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, В. П. 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 В. П. 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 В. П. 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.

Теория накопления измененных белков. Так же важен для выживания клеток кругооборот белков, для которого критично появление поврежденных и лишних белков. Окисленные белки являются типичным результатом влияния активных форм кислорода, которые образуются в результате многих метаболических процессов клетки и часто мешают корректной работе белка. Тем не менее механизмы репарации не всегда могут распознать поврежденные белки и становятся менее эффективными с возрастом (Kirkwood, 2005) за счет снижения активности протеосомы (Carrard et al., 2002). В некоторых случаях белки являются частью статических структур, таких как клеточная стенка, которые не могут быть легко разрушены. Кругооборот белков зависит также и от белков-шаперонов, которые помогают белкам получать необходимую конформацию. С возрастом наблюдается снижение репарирующей активности (Soti, Csermey, 2003), хотя это снижение может быть результатом перегрузки шаперонов (и протеасомы) поврежденными белками.

Существуют свидетельства, что накопление поврежденных белков действительно происходит с возрастом и может отвечать за такие ассоциированные с возрастом болезни, как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и катаракта.

Митохондриальная теория старения. Митохондриальная теория старения впервые была предложена в 1978 г. (митохондриальная теория развития, старения и злокачественного роста; Лобачёв, 1985). Суть ее заключается в том, что замедление размножения митохондрий в высокодифференцированных клетках вследствие дефицита кодируемых в ядре митохондриальных белков создает условия для возникновения и селективного отбора дефектных делеционных мтДНК, увеличение доли которых постепенно снижает энергетическое обеспечение клеток. В 1980 г. была предложена радикальная митохондриальная теория старения (Miquel et al., 1980). В настоящее время накопилось много данных, свидетельствующих о том, что свободные радикалы не являются причиной естественного старения. Эти данные не опровергают митохондриальную теорию старения (Lobachev, 1985), которая опирается на свободные радикалы, но доказывают ложность радикального варианта митохондриальной теории старения (Miquel et al., 1980).

Важность связи между молекулярным стрессом и старением была предположена на основании наблюдений за эффектом накопления мутаций в митохондриальной ДНК (мтДНК) (Wallace, 1999). Эти данные были подкреплены наблюдением увеличения с возрастом числа клеток, которым не хватает цитохром-с-оксидазы (COX), что ассоциировано с мутациями мтДНК. Такие клетки часто имеют нарушения в производстве АТФ и клеточном энергетическом балансе.

Теломерная теория старения. Это одна из самых общепризнанных теорий старения, и поэтому мы остановимся на ней более подробно. В 1971 г. советский биолог Алексей Матвеевич Оловников предположил, что ограниченное количество делений клетки связано с механизмом удвоения ДНК. Он устроен так, что концы линейных хромосом – теломеры – с каждым делением укорачиваются, поэтому после некоторого количества делений клетка больше делиться не может. А. М. Оловников сформулировал проблему концевой недорепликации линейных молекул ДНК, поскольку ДНК-полимераза не может реплицировать несколько нуклеотидов на 3» -конце матрицы ДНК. Он же высказал мысль о том, что должен существовать особый биологический механизм, предотвращающий этот эффект. Предполагалось также, что названный механизм действует в половых, а также раковых клетках и в клетках организмов, размножающихся вегетативным путем, и не действует в большинстве других случаев, в частности во многих наших соматических клетках. Впоследствии предсказанный А. М. Оловниковым фермент, компенсирующий укорочение ДНК, был действительно обнаружен во всех типах клеток, перечисленных выше, и назван теломеразой. Фермент теломераза занимается тем, что наращивает на концах ядерной ДНК многократно повторяемый гексануклеотид (TTAGGG у человека), образующий теломеру. В итоге укорочение линейной ДНК затрагивает лишь этот нетранскрибируемый текст теломерного участка хромосомы, но не приводит к утрате наследственной информации и не нарушает механизма ее считывания. На определенной стадии развития, приходящейся на ранний эмбриогенез, в подавляющем большинстве соматических клеток человека происходит «выключение» гена, кодирующего теломеразу. Тем самым гено́м оказывается беззащитным перед опасностью укорочения. Медленно, но верно теломера укорачивается, что приводит к ухудшению функционирования хромосом. Это ухудшение наступает задолго до того, как исчезнет вся теломера и начнется деградация смысловых участков ДНК. Дело в том, что теломера, помимо защиты от потери генетического материала при репликации, играет также какую-то неясную пока структурную роль в расположении хромосом внутри ядра и в правильном их функционировании (Хлюпина, 2014). Сама же теломера была открыта в 1932 г. американским ученым Германом Джозефом Мёллером. Теломера – это концевая часть плеча хромосомы, представляющая собой повторяющиеся последовательности ДНК. Длина теломер у разных видов различна и меняется от приблизительно 300—600 пар оснований у дрожжей до многих тысяч пар оснований у человека. Состоят теломерные повторы из TG-богатых единиц длиной 6—8 п. о. Эти последовательности играют важную роль в защите концов хромосом от деградации. Хромосома имеет две теломеры. Теломера содержит 242 специальные последовательности ДНК, обеспечивающие точную репликацию хромосом. Считается, что функциями теломерного повтора также являются защита хромосом от деградации и предотвращение их слияния друг с другом. Анализ длины теломерных повторов выявил, что соматические клетки теряют от 50 до 200 нуклеотидов при каждом клеточном делении. Причина этого – неполная репликация концов хромосом из-за особенностей молекулярного механизма репликативного синтеза ДНК. Отстающая цепь репликативной вилки в синтезе ДНК не может синтезироваться до 5» -конца в отсутствие рибопраймера, который, в свою очередь, не образуется непосредственно на концевом фрагменте. Потери концевой ДНК делают невозможной бесконечную пролиферацию. Предполагают, что укорачивание хромосом до определенного размера индуцирует процессы клеточного старения, а длина теломер, по этим представлениям, может служить мерой пролиферативного потенциала клеток. Предложено несколько гипотетических моделей, объясняющих, каким образом клетка «устанавливает» длину своих теломер и в определенный момент запускает механизм блока пролиферации. Возможно, общее количество ТТАGGG-повторов определяется благодаря учету специфически связывающегося с ними белка. Другая модель исходит из того, что длинные теломеры молодых клеток представляют собой гетерохроматиновые блоки. Предполагается, что ген, супрессирующий программу клеточного старения, локализован в субтеломерном районе. По мере укорачивания теломер все больше субтеломерной ДНК подвергается гетерохроматизации. Гетерохроматизация гена-супрессора приводит к его инактивации и запуску механизма клеточного старения. Обнаружено, что в соматических клетках, делящихся в организме, длина теломер со временем уменьшается. Укорочение теломер наблюдается также по мере старения фибробластов в культуре. Более того, оказалось, что длина теломер лучше предсказывает способность клетки к делению, чем возраст донора клеток. Предположительно теломеры укорачиваются в результате того, что механизм, ответственный за удвоение ДНК в процессе клеточного деления, делает характерную ошибку: в каждой новой копии ДНК элиминируется маленький участок каждой теломеры. Из этого следует, что теломеры могут быть теми «часами», которые определяют в клетках потерю способности к пролиферации. Интересно, что длина теломер сохраняется или даже немного увеличивается в сперматозоидах и в трансформированных («бессмертных») клетках. Такое постоянство помогает объяснить, каким образом половые и злокачественные клетки не утрачивают способности к делению. После обнаружения теломер возник вопрос об их природе. Необходимо было установить механизм их образования на концах 23 хромосомы. Американские ученые К. Грейдер и Э. Блэкберн проводили исследование с целью выяснить, не участвует ли в формировании ДНК теломер какой-то неизвестный до этого времени фермент. В 1984 г. К. Грейдер обнаружила признаки ферментативной активности в клеточном экстракте. Обнаруженный энзим Э. Блэкберн и К. Грейдер назвали теломеразой. После его выделения и очистки ученые установили, что он состоит не только из протеина, но и из РНК, которая содержит ту же последовательность, что и теломера. Таким образом, РНК служит шаблоном для построения теломеры, в то время как белковый компонент фермента необходим непосредственно для ферментативной деятельности. Теломераза удлиняет ДНК теломеры, обеспечивая платформу, которая, в свою очередь, позволяет ДНК-полимеразам скопировать хромосому по всей длине без потери генетической информации. Таким образом, хромосома при копировании не укорачивается. Во многих клетках человека утрата их способности к делению связана с утратой теломер на концах хромосом после определенного количества делений. Это происходит из-за отсутствия фермента теломеразы, который обычно экспрессируется только у зародышевых и стволовых клеток. Теломераза позволяет им непрерывно делиться, формируя ткани и органы. У взрослых организмов теломераза экспрессируется в клетках, которые должны часто делиться, однако большинство соматических клеток ее не производят.

Полина Ребенина (2017) в своей статье сделала ряд обобщений о том, что фермент теломераза, который восстанавливает концы ДНК, способен достраивать укороченные концы хромосомы в клетках опухолей, что делает их бессмертными. Поэтому предел в 50 делений справедлив не для всех клеток: раковые, а также стволовые клетки могут делиться бесчисленное количество раз. Этот фермент всякий раз «заводит внутренние часы» заново при слиянии женской и мужской половых клеток. Благодаря ему дети проживают свой срок сполна, а не получают в наследство кусок жизни, как это, например, произошло с клоном овечки Долли. Хотя на самом деле неизвестно, насколько разрушение теломер влияет на процесс старения: основные исследования направлены на процессы сохранения целостности ДНК и в особенности ее теломерных участков, особенно при раке. Майкл Фоссел в одном из интервью (Fossel, 2016) предположил, что лечение теломеразой может использоваться не только для борьбы с раком, но и для борьбы со старением человеческого организма, увеличивая продолжительность жизни. Недавно было обнаружено, что окислительный стресс также может иметь влияние на утрату теломер, значительно ускоряя этот процесс в определенных тканях (von Zglinicki, 2002).

Позднее А. М. Оловников пришел к выводу, что данная теория не объясняет причины старения полностью, и внес в нее уточнения. Он предложил новую редусомную теорию старения. Редусома – это маленькая ядерная частица, располагающаяся в субтеломерных частях хромосомы. Оловников считал, что линейная молекула ДНК редусомы постепенно укорачивается из-за уменьшения ее линейной молекулы ДНК, покрытой белками, что приводит к уменьшению содержащихся в ней генов. Именно это укорочение молекул ДНК редусомы является отсчетом биологического времени и причиной старения. Однако эта последняя теория не получила того же одобрения со стороны ученых-геронтологов, как теломерная теория.

Эпигенетическая теория старения. Клетки со временем медленно теряют маркеры репрессированного хроматина, что может быть связано с дифференцировкой клеток в организме. Утрата маркеров репрессии рано или поздно должна приводить к дерепрессии дремлющих транспозонов, соответственно, к росту количества вызванных ими повреждений ДНК с последующей активацией клеточных систем репарации ДНК. Последние, помимо участия в восстановлении ДНК, вызывают и несанкционированные рекомбинации в теломерах. Также не исключено, что рекомбиназы транспозонов могут непосредственно инициировать подобные рекомбинации. В результате протяженные участки теломерной ДНК преобразуются в кольца и теряются, а теломеры укорачиваются на длину утраченной кольцевой ДНК. Данный процесс ускоряет утрату теломерной ДНК в десятки раз, а последующий апоптоз большинства клеток и предопределяет старение как биологическое явление. Предложенная теория является альтернативой гипотезе о генетически запрограммированном старении и гипотезе о старении как следствии накопления ошибок и повреждений, объясняет механизм ускорения утраты теломер в случае окислительного стресса и повреждений ДНК, а также взаимосвязь старения и возникновения опухолей (Галицкий, 2009).

В последнее время в качестве важного фактора старения рассматривается метилирование ДНК. Так, определение эпигенетического старения по метилированию ДНК генов ITGA2B, ASPA и PDE4C позволяет определить биологический возраст человека со средним абсолютным отклонением от хронологического возраста, не превышающим 5 лет. Эта точность выше, чем возрастные прогнозы на основе длины теломер (Weidner et al., 2014).

На первых этапах исследования старения многочисленные теории рассматривались как конкурирующие в пояснении эффекта старения. Тем не менее сегодня считается, что многие механизмы повреждения клеток действуют параллельно и клетки также должны тратить ресурсы на борьбу со многими механизмами. Для исследования взаимодействия между всеми механизмами борьбы с повреждениями был предложен системный подход к старению, который пытается одновременно принять во внимание большое количество таких механизмов. Более того, этот подход может четко разделить механизмы, которые действуют на разных стадиях жизни организма. Например, постепенное накопление мутаций в митохондриальной ДНК часто приводит к накоплению активных форм кислорода и снижению производства энергии, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости повреждения ДНК и белков клеток.

Другой аспект, который делает системный подход привлекательным, – это понимание разницы между разными типами клеток и тканей организма. Например, клетки, которые активно делятся, с большей вероятностью пострадают от накопления мутаций и утраты теломер, чем дифференцированные клетки. В то же время необходимо уточнить, что данный тезис не относится к быстро и многократно делящимся трансформированным и опухолевым клеткам, которые не утрачивают теломер и не накапливают мутаций. Дифференцированные клетки с большей вероятностью пострадают от повреждения белков, чем клетки, которые быстро делятся и «разбавляют» поврежденные белки вновь синтезированными. Даже если клетка теряет способность к пролиферации за счет процессов старения, баланс механизмов повреждения в ней сдвигается.

Другим подходом к изучению старения являются исследования популяционной динамики старения. Все математические модели старения можно примерно разбить на два главных типа: модели данных и системные модели (Новосельцев и др., 2003). Модели данных – это модели, которые не используют и не пытаются пояснить какие-либо гипотезы о физических процессах в системах, для которых эти данные получены. К моделям данных относятся, в частности, все модели математической статистики. В отличие от них, системные модели строятся преимущественно на базе физических законов и гипотез о структуре системы, главной в них является проверка предложенного механизма.

Первым законом старения является закон Гомпертца, который предлагает простую количественную модель старения. Этот закон дает возможность разделить два типа параметров процесса старения. Исследования отклонения закона старения от кривой Гомпертца могут дать дополнительную информацию относительно конкретных механизмов старения данного организма. Самый известный эффект такого отклонения – выход смертности на плато в позднем возрасте вместо экспоненциального роста, наблюдавшийся во многих организмах (Mueller, Rose, 1996). Для пояснения этого эффекта было предложено несколько моделей, среди которых вариации модели Стрелера – Милдвана (Там же) и теории надежности (Gavrilov, Gavrilova, 2006).

Системные модели рассматривают много отдельных факторов, событий и явлений, которые оказывают непосредственное влияние на выживание организмов и рождение потомства. Эти модели рассматривают старение как баланс и перераспределение ресурсов как в физиологическом (в течение жизни одного организма), так и в эволюционном аспектах. Как правило, особенно в последнем случае, речь идет о распределении ресурсов между непосредственными затратами на рождение потомства и затратами на выживание родителей (Новосельцев и др., 2003).

Старость как базовое биологическое свойство всех живых организмов рассматривается в теориях клеточных отходов, старения иммунной системы и цитологической теории. В каждой из этих теорий обосновывается своя модель механизма старения организма. В рамках биологического подхода рассматривается теория основоположника отечественной геронтологии В. А. Богомольца, который утверждал, что основным фактором старения является нарушение гармонии физиологических процессов.

Геронтолог В. В. Фролькис определяет старость как период сокращения адаптивных возможностей организма. Анализируя фундаментальные механизмы старения, автор не только констатирует факт снижения адаптивных возможностей организма, но и показывает тенденции саморегуляции, которые противодействуют процессам разрушения и направлены на стабилизацию жизнедеятельности и увеличения продолжительности жизни. Понятие антистарения, или витаукт (лат. vita – жизнь, auctum – увеличивать), является важным аспектом предложенной им адаптационно-регуляторной теории старения.

Подход, в основе которого лежит представление о старении как процессе, запрограммированном эволюцией и включенном в генетический код (программируемое старение), и подход, согласно которому повреждения клеток не детерминируются генетически, а происходят вследствие сбоев (непрограммированное старение), имеют общий биологический характер в объяснении причин инволюции в старости. Стоит отметить, что в зависимости от предложенного механизма старения (в рамках биологического подхода) авторы выстраивают систему прогнозирования будущего состояния организма, мер профилактики негативных последствий, однако роль психологического фактора для увеличения продолжительности человеческой жизни при этом не учитывается.

Целый спектр научных теорий старения рассматривает старость как социальную проблему. В теории освобождения, «выхода из игры» старение описывается как непременный процесс последовательного разрушения социальных связей. Данный процесс включает изменения мотивации, концентрации собственного внутреннего мира и снижение уровня коммуникаций. Объективными его проявлениями являются потеря социальных ролей, ухудшение состояния здоровья, снижение доходов, а также потеря близких людей. Разрушение социальных связей каждый индивид субъективно переживает как сужение спектра интересов, сосредоточенность на себе, осознание собственной ненужности.

Суть теории заключается в том, что определенный процесс разрушения биологически и психологически обусловлен и неизбежен. Разрыв между личностью и обществом происходит после выхода на пенсию. Сначала пожилой человек поддерживает старые связи, интересуется тем, что происходит на работе; со временем эти связи становятся «неорганическими» и постепенно прерываются. Количество информации, которую получает человек, уменьшается, снижается активность, в связи с чем ускоряется процесс старения.

Главный аспект теории активности – прямая связь между уровнем активности личности и удовлетворенностью жизнью. Согласно данной теории, пожилые люди должны привлекаться к общественной жизни, что существенно повысит положительные проявления эмоциональной сферы. Концепция непрерывного жизненного пути трактует старость как процесс борьбы за сохранение привычного стиля жизни.

Другая группа теорий старения рассматривает старость как исключительно когнитивную проблему. В основе этого подхода лежит так называемая модель дефицита – процесс потери или снижения эмоциональных и интеллектуальных способностей. Теория ингибиции (сдерживания) утверждает, что старые люди становятся менее умелыми в связи с осложнениями восприятия внешней информации и поэтому они концентрируются на выполнении более простых задач. Согласно теории отказа, интеллектуальные способности в пожилом возрасте ухудшаются вследствие недостаточного их использования в процессе деятельности. Другой вариант когнитивной теории, связанный с персональными аспектами старения: речь идет об основных способах интерпретации людьми преклонного возраста собственных возрастных изменений. При этом главное значение имеют три сферы: личные переживания (ухудшение самочувствия, уменьшение физической привлекательности), особенности социального статуса (активное привлечение, интеграция или изоляция), а также осознание конечности собственного бытия.

Самое современное направление в решении теоретических аспектов проблемы – это комплексные теории старения. Процесс старения является чрезвычайно многогранным и включает биологические, социальные и психологические составляющие, которые тесно связаны между собой. Дж. Тернер и Д. Хелмс выделяют три взаимосвязанные и взаимозависимые процесса старости:

1) психологическое старение – особенности осознания и отношения индивида к процессу своего старения при сравнении его со старением других людей;

2) биологическое старение – биологические изменения организма (инволюция);

3) социальное старение – особенности исполнения социальных ролей, связь старения с обществом.

В теоретической модели П. Балтеса подчеркивается, что процесс развития детерминирован сложным взаимодействием ряда факторов: внешнего (социальной среды), внутреннего (биологического) и синтеза биологического и социального. Эти факторы задают три направления развития: нормативное возрастное, нормативное историческое и ненормативное развитие жизни. Нормативное возрастное развитие связано с последовательным переходом от одного возрастного этапа к другому в биологическом (начало пубертатного периода или менопаузы) и социальном (влияние выхода на пенсию на поведение) аспектах старения. Нормативное историческое развитие происходит в контексте тех глобальных социально-исторических событий, которые переживают представители целого поколения. Ненормативное развитие жизни обусловливается влиянием событий, которые являются уникальными в жизни конкретного индивида (сыграть главную роль в фильме, получить Нобелевскую премию и т.п.). По мнению автора, степень влияния данных факторов отличается в разные возрастные периоды. В преклонном возрасте наибольшее влияние имеют нормативные возрастные факторы; кроме того, важно учитывать особенности ненормативных личных событий. Модель П. Балтеса дает возможность выделить типичные моменты развития разных людей, общие для конкретных поколений и специфические в жизни отдельного индивида.

Развитие психики не завершается в период юности. Определенная динамика психического развития отмечается и в более позднее время, поэтому в современной психологии принято выделять еще два периода: акмеологический период развития, или период взрослости, и период геронтогенеза. Специфику возрастного характера определяют следующие условия: физиологические; психологические (индивидуальные личностные особенности, уровень знаний, мышления); социальные (особенности условий жизни и требований общества, особенности взаимоотношений с окружающими). Возраст можно определять по хронологическим, биологическим или психологическим признакам, причем не всегда обнаруживается жесткая связь между психологическим возрастом и данным метрического свидетельства.

Попытки увеличения продолжительности жизни

На основе существующих теорий старения основным направлением исследований по геронтологии (так называемая биомедицинская геронтология) являются попытки увеличения продолжительности жизни, особенно человека. Заметное увеличение продолжительности жизни уже происходит в глобальном масштабе с помощью таких факторов, как общее улучшение медицинского обслуживания и повышение уровня жизни. На уровне индивидуума увеличение продолжительности жизни возможно за счет определенной диеты, физических нагрузок и избегания потенциально токсичных факторов, таких как курение. Тем не менее преимущественно все эти факторы направлены на преодоление не старения, а только «случайной» смертности (член Мейкхама в законе Гомпертца – Мейкхама), которая уже сегодня составляет небольшую долю смертности в развитых странах, и таким образом этот подход имеет ограниченный потенциал увеличения продолжительности жизни. Вопрос, следует ли увеличивать продолжительность жизни, сегодня является вопросом многочисленных дебатов на политическом уровне, а основная оппозиция преимущественно состоит из представителей некоторых религиозных конфессий. Ряд общественных (РТД, WTA) и религиозных (раэлиты) организаций активно выступает в поддержку работ по значительному увеличению продолжительности жизни человека. Под руководством Михаила Батина и Владимира Анисимова разрабатывается комплексная программа исследований «Наука против старения». В 2017 г. ученые из Университета штата Аризона Пол Нельсон и Джоанна Мазель, чья статья была опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, показали, что с математической точки зрения старение неизбежно, т.к. даже если создать для организма идеальные условия, в нем все равно будут накапливаться или злокачественные, или нефункциональные клетки, приводящие к смерти.

Существует несколько возможных стратегий, за счет которых исследователи надеются уменьшить скорость старения и увеличить продолжительность жизни. Например, продолжительность жизни увеличивается до 50% в результате ограничения калорий в диете, которая в общем остается здоровой, у многих животных, включая некоторых млекопитающих (грызунов). Влияние этого фактора на продолжительность жизни человека и других приматов пока еще не обнаружено, известных данных все еще недостаточно, и исследования продолжаются. Тем не менее на данный момент значительный успех все еще не достигнут и, как считает большинство геронтологов, неизвестно когда – через годы или десятилетия – произойдет значительный прогресс в этой отрасли.