База данных исследований по борьбе со старением

Несколько лет назад молекулярный биолог Джон Седивы (John Sedivy) выполнил шуточный он-лайн тест по определению реального «биологического» возраста. Среди вопросов о частоте курения и занятий спортом был один весьма странный: Какую машину вы водите? Сначала Седивы отметил пункт для небольшого седана. После этого, из любопытства, они изменил свой ответ на большой внедорожник. Это омолодило его на 3 года. Несколько позже на конференции по старению в Европе исследователь из университета Брауна пошутил, что американцы разгадали секрет долголетия: «вождение больших гудящих автомобилей».

Митохондрии генерируются аденозин-5’-трифосфат (АТФ) и являются источником потенциально токсичных активных форм кислорода (АФК). Было высказано предположение, что постепенное угасание функций митохондрий, наблюдаемое в совокупности со старением, в действительности может быть причиной запуска процесса старения.

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД+) является коферментом, входящим в состав всех клеток организма. Он выступает в роли как критичного кофермента для ферментов, обеспечивающих протекание окислительно-восстановительных реакций, переносящего электроны от одной реакции к другой, так и в роли косубстрата для других ферментов, таких как сиртуины и поли(аденозиндифосфат(АДФ)-рибоза)полимеразы. Концентрации НАД+ в клетках изменяются по мере старения, а модулирование использования или продукции НАД+ может увеличить как продолжительность жизни, так и продолжительность здоровой жизни. В данной статье приведен обзор факторов, регулирующих НАД+, и обсуждение того, как применение пищевых добавок, содержащих предшественники НАД+, может стать новой терапевтической возможностью для воздействия на старение и ассоциированные с ним заболевания, в особенности нейродегенеративные болезни.

Способность микробиома кишечника оказывать влияние на состояние здоровья имеет особое значение для пожилых людей. Это обусловлено способностью микробиома модулировать возрастные изменения врожденного иммунитета, мышечной ткани (саркопения) и познавательной функции, являющиеся элементами дряхлости. Как исследования на клеточных культурах, так и независимые от них исследования показывают, что микробиом пожилых люде отличается от микробиома молодых.

Возраст является наиболее важным фактором риска практически для всех основных причин смертности в развитых странах. Несмотря на это, бОльшая часть биомедицинских исследований посвящена изучению процессов отдельных заболеваний практически без учета взаимосвязи между старением и заболеванием.

Целью изучения стволовых клеток и старения является понимание того, каким образом стволовые клетки поддерживают здоровье ткани, какие механизмы в конечном итоге ведут к угасанию функциональности стволовых клеток по мере старения, а также как можно повысить регенеративный потенциал соматических клеток для обеспечения здорового старения.

Теломеры являются защитными комплексами на концевых участках хромосом эукариотов. Разрушение теломер может приводить к потенциально неадекватным клеточным изменениям, блокировать деление клетки и нарушать процесс обновления ткани. Недавние достижения в понимании процессов, лежащих в основе заболеваний человека, прояснили ролей биологии теломер, в особенности в болезнях, ассоциированных со старением человека, и некоторых возрастных процессах.

Старение напоминает очень сложный пазл — это одно из самых комплексных и малоизученных явлений в биологии. В старении задействован целый комплекс изменений на молекулярном, клеточном, тканевом и системном уровнях. Различаются механизмы старения делящихся и постмитотических клеток, стволовых и дифференцированных клеток. Ускорению старения способствуют изменения внутренней среды организма — превышение уровней глюкозы, некоторых липидов (холестерина, омега-6, насыщенных и трансжиров), аминокислот (метионина, триптофана), гормонов глюкокортикоидов, провоспалительных цитокинов, преобладание прооксидантов над антиоксидантами. Напротив, контролирование вышеперечисленных факторов — залог активного долголетия.

Не менее важны с точки зрения старения и факторы окружающей среды (ионизирующие излучения, количественный и качественный состав пищи), образ жизни (режим сна, регулярность приема пищи), физическая нагрузка, вредные привычки (курение, злоупотребление алкоголем), психологические стрессы. В силу множественности причин у каждого человека скорость старения до определенной степени индивидуальна. Даже у одного и того же индивида разные органы стареют с разной скоростью.

На молекулярном уровне старение обусловлено труднорепарируемыми повреждениями макромолекул — агрегатами полиубиквитинированных и карбонилированных белков, конечными продуктами гликирования, липофусцином, окислительными повреждениями и разрывами ДНК, перекрестным сшивкам макромолекул, глобальным возраст-зависимым деметилированием генома. Данные изменения трудно устранимы и нарушают работу структур клетки — митохондрий, ядра, лизосом, рибосом, митотического аппарата. В результате происходит замедление метаболизма, снижение уровней важных гормонов, нарушение регуляции жизненно важных процессов репарации и регенерации в организме.

В результате взаимодействия глюкозы и аминокислот образуются конечные продукты гликирования. Они взаимодействуют с особыми RAGE рецепторами на поверхности клеток, вызывая воспалительные реакции. Привлекаемые цитокинами к очагу воспаления клетки иммунной системы — макрофаги — атакуют и повреждают данный участок ткани, выбрасывая свободные радикалы. Подобные процессы в стенке сосудов, например, ведут к развитию атеросклероза.

С возрастом происходит постепенное накопление нефункциональных митохондрий. Причиной этому являются делеции митохондриальной ДНК при размножении митохондрий внутри клетки. Более короткие, поврежденные мтДНК легче реплицируются, поэтому в клетке начинают преобладать нефункциональные митохондрии с дефектами ДНК. Поврежденные митохондрии являются источником свободных формиловых пептидов и внеклеточной мтДНК. Данные молекулы вызывают воспалительные реакции в организме, так как напоминают по своей структуре бактериальные. Как известно, митохондрии являются основным поставщиком энергетической валюты клетки — АТФ. Недостаток АТФ сказывается на таких энергозатратных процессах как протеасомальная деградация поврежденных белков, аутофагия, репарация повреждений ДНК. Активная протеасома и аутофагия необходимы для устранения поврежденных белков и структур клетки. Кроме того, дефектные митохондрии образуют большое количество свободных радикалов, приводящих к перекисному окислению липидов мембран, карбонилированию белков, окислительному повреждению оснований ДНК.

Карбонилированные белки становятся гидрофобными и начинают агрегировать. Продукты перекисного окисления липидов взаимодействуют с белковыми агрегатами и ДНК, образуя перекрестные сшивки. Нерастворимый продукт взаимодействия окисленных белков и липидов — липофусцин, поврежденные митохондрии и агрегаты белков — накапливаются в лизосомах, структурах клетки, предназначенных для переваривания внутриклеточного мусора. Этот процесс носит название аутофагии. Для активации литических ферментов лизосом необходима кислая среда. Скопление непереваренных структур приводит к ингибированию протонного насоса лизосом и они утрачивают способность к аутофагии, что приводит к еще большему скоплению внутриклеточного мусора и утрате контроля качества митохондрий. Порочный круг замыкается.

Помимо контроля качества внутриклеточных структур, аутофагия является процессом, в результате которого голодающая клетка восполняет запасы аминокислот для синтеза новых белков. На поверхности лизосом находится мультибелковый комплекс киназы mTOR, который активирует синтез новых белков, рост и деление клеток при наличии в клетке достаточного количества аминокислот, таких как метионин. В то же время киназа mTOR подавляет аутофагию, осуществляющуюся при участии лизосом.

При активации mTOR клетка гипертрофируется — увеличивается в размерах. В ней происходит ускорение биосинтеза белка, часть из которых не успевает приобретать нативную конформацию и агрегирует, скапливаясь в эндоплазматической сети. В результате развивается ответ на неправильно свернутые белки (unfolded protein response) и стресс эндоплазматической сети (endoplasmic reticulum stress) — процесс, приводящий к старению или апоптозу. Активация mTOR приводит к ингибированию аутофагии, и, следовательно, к накоплению белковых агрегатов и дисфункциональных митохондрий.
Проблемы, связанные с дисфункциональными митохондриями и накоплением агрегатов белков (амилоида) и липофусцина, преобладают в постмитотических (неделящихся) клетках, таких как нейроны и мышечные волокна.

В делящихся клетках, к которым относятся стволовые клетки, клетки эндотелия сосудов, кишечного и кожного эпителия, фибробласты, ключевую роль их старении играет генетическая нестабильность, которая возникает при ошибках, связанных с удвоением ДНК и процессом деления.

Укорочение теломер, блокирование репликационной вилки, дезаминирование метилцитозина, транспозиции мобильных генетических элементов, окислительные повреждения нуклеотидов, сшивки ДНК-белок и ДНК-ДНК, одно- и двухцепочечные разрывы нитей ДНК приводят к накоплению мутаций, эпимутаций и поломкам хромосом. Все эти процессы лежат в основе подавления экспрессии жизненно важных генов, репликативного и стресс-индуцированного клеточного старения, в том числе стволовых клеток.

Старение связано не только с повреждением и накоплением мутаций в ДНК, но и с эпигенетическими сдвигами. Эпигенетические изменения — это изменения в ДНК, не связанные с изменением последовательности нуклеотидов. Сюда можно отнести изменение уровня метилирования ДНК (модификация, выключающая активность гена или целого сегмента хромосомы), модификацию гистоновых белков (защищающих и регулирующих активность молекулы ДНК), изменение спектра некодирующих РНК. Эпигенетические изменения при старении отвечают за тканеспецифическое изменение экспрессии около 10% генов нашего генома.

Стареющие клетки выделяют провоспалительные цитокины, проонкогенные факторы роста и металлопротеиназы, разрушающие ткань и вызывающие системные изменения в организме. Разрушение матрикса и изменение соотношения ростовых факторов в микроокружении стволовой клетки (стволовой нише) приводит к аберрантной диференцировке, при которой вместо необходимых для регенерации ткани типов клеток возникают другие, не являющиеся необходимыми. Проонкогенные и провоспалительные факторы совместно с генетической нестабильностью способствуют опухолевому перерождению стволовой клетки. Воспалительные процессы подталкивают стволовые клетки к несимметричному делению, в результате которого уменьшается количество стволовых клеток в ткани.

Воспалительные процессы в желудочно-кишечном тракте, связанные с неправильным режимом питания или нездоровой пищей, приводят к обеднению и качественному перерождению микрофлоры, в пользу более патогенных видов, например к активизации Helicobacter pylori, Bacteroides fragilis и Escherichia coli. Такие изменения через активизацию рецепторов TLR на поверхности клеток индуцируют активность ключевого транскрипционного фактора воспаления — NF-kB, который запускает секрецию провоспалительных цитокинов, оказывающих воздействие на весь организм.

Хронические воспалительные процессы, возникающие с возрастом в результате действия патогенной микробиоты, высвобождения фрагментов поврежденных митохондрий, циркуляции конечных продуктов гликирования и их взаимодействия с RAGE, секреторного фенотипа сенесцентных клеток, вызывают системные изменения в организме, в том числе в головном мозге. Цитокины воспаления активируют клетки микроглии, клетки иммунного происхождения в ткани головного мозга. Активированные воспалением клетки микроглии негативно влияют на функцию гипоталамуса — ключевого нейро-эндокринного регулятора физиологических функций организма, коры больших полушарий, отвечающих за когнитивные процессы, и гиппокампа, отвечающего за память и отсутствие депрессии. В этих процессах ключевую роль также играет транскрипционный фактор NF-kB.

Профессор РАН, д.б.н., Москалев А.А.

О старении в схемах

Авторы:

Разработка данной концепции связана с именами C. Роджерса, Т. Фридманна и Р. Роблина.

История:

Концепция генной терапии возникла в 1960 — 1970-х гг. К январю 2014 г., было проведено и утверждено около 2000 клинических опытов в области генной терапии.

Пример:

В 1990 г. Ашанти де Сильва успешно прошла курс генной терапии от тяжёлого комбинированного иммунодефицита.

Описание:

Целью генной терапии является лечение и предотвращение болезней путем изменения экспрессии определенных генов данного индивидуума. Генная терапия может быть направлена на соматические (неполовые) клетки или половые клетки (яйцеклетки и сперматозоиды). В соматической генной терапии изменяется геном реципиента, но эти изменения не передаются следующему поколению. В генной терапии половых клеток, изменяются родительские яйцеклетки или сперматозоиды с целью передать эти изменения потомкам. Исследования генной тепарии половых клеток практически не проводятся, по крайней мере, на высших животных и человеке, хотя ведется активная дискуссия относительно важности и желательности таких исследований.

Генная терапия в настоящее время время находится в периоде становления. Эта технология может стать важным методом лечения генетических болезней с короткой прогнозируемой продолжительностью жизни, таких как муковисцидоз. Благодаря генной терапии, гены, вызывающие болезнь, могут быть удалены и их нормальная функция восстановлена. Кроме того, технология позволяет добавлять в клетки новые функции, такие как выработка медиаторных белков иммунной системы.

Дополнения и критика:

В настоящее время на генную терапию возлагаются новые надежды в связи с возможностью использования эмбриональных зародышевых клеток человека. 

В эмбриональные зародышевые клетки человека можно вставить лечебный ген. Этот ген может быть либо активным, либо находиться в режиме ожидания. В последнем случае активация гена происходит после того, как модифицированная эмбриональная зародышевая клетка дифференцируется в желаемый тип клеток.
Следует отметить, что генная терапия связана с высокими рисками, которые касаются генетических манипуляций и их эпигенетических последствий.

Публикации:

• Brownborg, Holly M., et al. «Dwarf mice and the aging process.» Nature 384.6604 (1996): 33-33.
• Guarente L., Kenyon C. Genetic pathways that regulate ageing in model organisms //Nature. — 2000. — Т. 408. — №. 6809. — С. 255-262.
• Chang P. L. Microcapsules as Bio‐organs for Somatic Gene Therapya //Annals of the New York Academy of Sciences. — 1997. — Т. 831. — №. 1. — С. 461-473.
• Westphal S. DNA nanoballs boost gene therapy //New Scientist. — 2002. — Т. 19. — С. 15-16.
• Li A. A. et al. Enhancement of myoblast microencapsulation for gene therapy //Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. — 2006. — Т. 77. — №. 2. — С. 296-306.