X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение. Что такое старение? Обычно под старением понимают процесс, при котором постепенно нарушаются и теряются важные функции организма, в том числе способность к размножению и регенерации. Относительно причин старения выдвигаются различные гипотезы, которые можно разделить на две группы. Приверженцы первой утверждают, что процесс обусловлен некой программой, заложенной эволюцией, причём эту программу можно замедлить или сломать. Приверженцы второй группы возражают: никакой специальной программы не существует, однако со временем накапливаются повреждения и поломки во всех структурах организма, что и приводит к старению. Со временем в ДНК возникают мутации, хуже регулируется экспрессия генов, в клетках накапливаются агрегаты повреждённых белков и липидов. Кроме того, реже происходит деление клеток (с последующим укорочением концов теломер), и свои функции они выполняют менее эффективно, что в свою очередь ведёт к замедлению регенерации органов, уменьшению мышечной массы, ослаблению иммунитета, снижению умственных способностей и т.д.

На данный момент ведутся исследования по «продлению жизни» с выяснением причин старения, и надо сказать, что достигнуты немалые успехи и виднеются перспективы.

Обсуждение. С возрастом в нашем организме накапливаются высокомолекулярные «шлаки», продукты окисления, которые можно очистить только при помощи антиоксидантов. Проблема в том, что уровень наших антиоксидантов с возрастом понижается, соответственно этому была гипотеза «антиоксидантной системы»,нейтрализующей АФК. Речь идет о ферменте «каталаза», разрушающем пероксид водорода, пагубно воздействующем на организм. Впоследствии применение синтетических антиоксидантов вызвало большой интерес, и стало применимо в медицине. Стоит отметить, что в человеческом организме существует ген фермента антиоксидантной защиты (каталазы).

Еще одним достижением при «исканиях эликсира молодости» является открытие «клеточного переключателя», отвечающего за здоровую старость учеными из института Солка. Известно, что при делении клеток укорачиваются концы теломер, что является одним из механизмов старения по Хейфлику. Этот «выключатель» управляет обновлением тканей легких, печени или других органов. Управление активностью теломеразы позволит лечить многие болезни, связанные со старением организма. Исчерпание ресурса теломер завершает цикл деления клетки, что приводит к нарушению работы органов и тканей в старости. Однако некоторые клетки вырабатывают фермент теломеразу, которая восстанавливает теломеры, и процесс клеточного деления продолжается. Ученые выявили, что активность теломеразы можно включать и отключать.

В серии опытов ученые использовали одноклеточный организм — дрожжи Saccharomyces cerevisiae, применяемые для приготовления вина и хлеба. Используя современные технологии, они смогли наблюдать за поведением теломеразного комплекса в процессе деления клеток и сделали множество открытий. Используя механизм «разборки», можно поддерживать низкие уровни теломеразы и продлевать ресурс деления клеток. Хотя сокращение теломер способствует старению, раковые клетки наоборот используют высокие уровни теломеразы, чтобы вызвать неконтролируемое деление. Выключатель, обнаруженный учеными, может сдерживать активность теломеразы ниже этого порога.

Одним из немаловажных успехов биологов было увеличение продолжительности жизни лабораторных животных — круглого червя Caenorhabditis elegans, мушки Drosophila melanogaster и мыши Mus musculus. Использовали два подхода: искусственно вызванные мутации в определённых генах и специальную низкокалорийную диету.

«Обнуление» использовал в своих ранних экспериментах по клонированию Джон Гёрдон (John Bertrand Gurdon) — британский биолог, нобелевский лауреат 2012 года. Он извлекал ядро из яйцеклетки южноафриканской водной лягушки (шпорцевой лягушки) и вместо него помещал туда ядро мышечной или кишечной клетки головастика. Пересаженное ядро перепрограммировалось под действием тех же веществ, что инициируют «обнуление» оплодотворённой яйцеклетки. Такая гибридная клетка развивалась в нормальный организм без видимых признаков преждевременного старения. Данный эксперимент опроверг гипотезу о том, что процесс взросления и дифференцировки клеток сопровождается потерей генетического материала. К тому же Гёрдон доказал, что возраст ядра-донора может быть «обнулён». Сотрудники Стэнфордского университета супруги Ирина и Михаил Конбой (Irina Conboy и Michael Conboy) с соавторами ещё в 2005 году продемонстрировали возможность омоложения клеток и тканей под внешним биологическим воздействием. Они использовали гетерохронический парабиоз (сокращённо — ГП) — метод, при котором старая и молодая мыши сшиваются боками, подобно сиамским близнецам, создаются общая кровеносная система и пул крови. При этом, как показали эксперименты, к клеткам мышц и печени старой мыши возвращается юность. Они приобретают фенотип молодых клеток, а молекулярные метки старения пропадают. Восстанавливают свой потенциал и тканеспецифичные стволовые клетки мышц.

В 2014 году биологи из Гарвардского университета под руководством Ли Рубин и Эмми Уэгерс (Lee Rubin и Amy Wagers), используя гетерохронический парабиоз, выявили фактор роста и дифференцировки 11 (grow differentiation factor11) — гормон GDF11, который обращает старение вспять в большинстве тканей. GDF11 синтезируется в организме, но его уровень снижается с возрастом. Таким образом, при определенном генно-инженерном воздействии на этот ген можно продлить его «часы работы».

При изучении молекулярных признаков старения, как правило, бывает не вполне ясно, что является собственно старением, а что — его следствием. Чтобы провести подобное разграничение, исследователи обычно используют генетические манипуляции с сигнальными путями внутри клетки. Возьмём, например, сигнальный путь фактора NF-kB — белкового комплекса, контролирующего транскрипцию ДНК. Он участвует в клеточном ответе на стресс, свободные радикалы, бактерии, вирусы и др. При сравнении старых и молодых тканей мыши и человека биологи обнаружили, что в постаревших тканях уровень экспрессии генов, регулируемых сигнальным путём NF-kB, повышается. Этот факт породил гипотезу о том, что сигнальный путь NF-kB необходим для поддержания возрастного фенотипа. Для проверки этой гипотезы Томас Рэндо и Говард Чэнг (Thomas Rando и Howard Chang) из Стэнфордского университета создали трансгенных мышей, в коже которых сигнальный путь NF-kB в определённый момент можно было подавлять. В своей статье в журнале Cell авторы пишут, что, когда мыши постарели и стали заметны такие признаки старения, как истончение кожи, был включён ген ингибитора NF-kB. Это привело к заметному омоложению клеток кожи, маркеры клеточного старения исчезли, к стволовым клеткам вернулась изначальная способность к делению и восстановились утратившиеся слои кожи.

Томас Рэндо и Говард Чэнг в той же статье в журнале «Cell» описывают эксперименты по введению старым мышам рапамицина (бактериального токсина, использующегося как иммунодепрессант) — ингибитора фермента mTOR. Этот фермент распознаёт уровень питательных веществ в клетке и регулирует синтез белков и утилизацию энергии. С возрастом его активность в стволовых клетках и клетках-предшественниках возрастает, с чем связывают старение кроветворной системы. Эксперименты показали, что рапамицин увеличивает продолжительность жизни мышей: он не только ограничивает возрастное повышение белка mTOR, но и интенсифицирует размножение стволовых клеток. Команде австрийских, голландских и американских генетиков удалось совершить большой прорыв в области борьбы со старением. Они модифицировали специальный белок, который начал запускать в организме крыс реакции, ведущие к гибели старых и больных клеток. В 2016 году ученые получили ещё одно подтверждение, что именно старение клеток определяет срок жизни организма. Мыши, у которых генетически был усилен процесс очищения от старых клеток, увеличивали продолжительность своей жизни более чем на 20% . Именно на борьбу со старыми клетками, которые биологи назвали «стойкие стареющие клетки», был направлен новый эксперимент ученых. Ранее уже делались попытки создать препараты, уничтожающие испорченные клетки (т.н. сенолитические соединения), но у них обнаружились побочные эффекты, такие как уничтожение здоровых клеток и снижение количества тромбоцитов. В своей новой работе биологи модифицировали белок FOXO4, уровень которого повышен в стареющих клетках. Ранее ученые обнаружили, что именно этот белок не давал старым клеткам гибнуть. Он связывался со «стражем генома» — белком р53, который запускает процесс самоуничтожения «испорченных клеток», и не давал ему исполнить свою функцию. Ученые создали модифицированную версию белка FOXO4, которая уже не мешала белку р53 «уничтожать» старые клетки. Чтобы проверить свое предположение о позитивном воздействии модифицированного белка, они вводили его путем инъекций специальным мутантным мышам, которые быстро стареют. Эти грызуны живут примерно вдвое меньше обычных мышей, и уже в раннем возрасте у них начинает выпадать шерсть, нарушаются функции почек и снижается физическая активность.

После введения модифицированного белка FOXO4 у грызунов увеличивалась плотность шерсти, устранялось повреждение почек, они становились более подвижными. После этого исследователи протестировали новый белок и на нормальных старых мышах, и те тоже показали общее улучшение своего здоровья. Роль белка p53 несомненно важна, так как при его отсутствии могу возникнуть злокачественные новообразования во время дисфункции теломер.

Американские ученые использовали теломеразу – фермент, который достраивает укороченные теломеры. Благодаря ему стареющие клетки организма могут делиться, как молодые. Раньше такие опыты проводились только на животных. Элизабет Пэрриш стала первым в истории человеком, которого омолодили с помощью подобной генной терапии. Анализы показывают, что ее кровь и теломеры действительно вернулись к уровню 25-летней девушки. Постоянно обновляющиеся ткани способствуют увеличению продолжительности жизни. При делении клеток происходит омоложение тканей: новые клетки приходят на место поврежденных, при этом интенсивнее происходит репарация (устранение повреждений ДНК) и возможна регенерация при повреждении тканей. Но в то же время обновляющиеся ткани подвержены гиперпролиферации, что ведет к образованию опухолей, в том числе — злокачественных. Это происходит из-за нарушений регуляции деления клеток и повышенной частоты мутагенеза в активно делящихся клетках.

Заключение. Таким образом, в современном мире изучение механизмов старения и способов «омоложения» не стоит на месте. Несмотря на это новые методы имеют не только положительные стороны, но и отрицательные(чрезмерная репарация тканей и выведение определенных генов из строя при изучении обеспечивали образование злокачественных новообразований. Также как и «метаморфоз» стволовых клеток в раковые). Но все приведенные в пример исследования несомненно имею огромные перспективы, так как задействованы многие методы (генная инженерия, эксперимент, применение фармакологических средств, генная терапия) нужно лишь время.

Источники:

1. Л.К.Обухова, Д.М.Измайлов, А.С.Соловьева Академик Н.М. Эмануэль о природе старения и возможности продления жизни// Клиническая геронтология. 2006. № 3. С. 3-14.

2. www.webmedinfo.ru

3. Н.Н.Мушкамбаров Геронтология in polemico 2011. С.70-76

4. М.Батин Научные тренды продления жизни. 2010. С. 121,157.

5. В.Н.Ярыгин Биология 2008. Т.1 с.420-445

Код для цитирования: Скопировать