От редакции:
Достаточно ли безумна эта теория, чтобы быть верной (© Нильс Бор)?
Для начала прочитайте отрывок из комментария одного из читателей «Эксперта», С.В. Дубовского:
«…Луна – самое слабое звено в теории. Хотя сама теория и все придуманные механизмы просто блеск. Наверное, для всех биологических систем надо исходить из обязательного конца, независимого от внешних обстоятельств. Скорость часов (длительность жизни) задаются свойствами самой системы, но кто определяет скорость этого счетчика (будильника), мы не знаем. Сейчас можно взять модель А. Оловникова и выбросить из нее луну, вернее, заменить луну каким-то внутренним параметром или процессом человека…»
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Черная сицилийская ночь. Новолуние. Над неясными очертаниями вулкана время от времени вспыхивает алым густое облачко, подсвечиваемое изнутри жерла. Ощущения фантастические – восторг и жуть от мощи дикой природы. Эти ощущения потом вспомнит Алексей Оловников , когда будет строить свою почти мистическую теорию старения, в которой завязаны, кажется, не связанные между собой элементы – молодая Луна, приливы, песок в мозге (в той его части, которая называется эпифизом), вулканические выбросы гормонов, действующие на неизвестные пока науке маленькие ДНК, выступающие в роли биологических часов, которые отсчитывают, сколько нам осталось.

Почему есть определенный срок жизни, что является его причиной? Это вопросы, которые ставят перед собой ученые уже сотни лет. Существует . Среди них – теории, связанные с , или запрограммированными изменениями экспрессии генов; , или нарушениями работы генов, приводящими к синтезу избыточных белков. Некоторые авторы полагают, что старение связано с , износом в результате накопления повреждений.

Наиболее яркими и правдоподобными, по мнению президента Геронтологического общества РАН профессора Владимира Анисимова , остаются четыре теории: выдвинутая в пятидесятых Д. Харманом , элевационная В. Дильмана, клеточного старения Л. Хейфлика и теория А. Оловникова.

Наш соотечественник Владимир Дильман , последние годы живший в США, полагал, что старение и болезни, с ним связанные, – побочный продукт реализации генетической программы развития организма. Он же сформулировал идею о биологических часах как регуляторном механизме, определяющем закономерности различных гомеостатических систем.

Свободнорадикальная теория Хармана объясняет старение тем, что при внешних вредных воздействиях на организм в цитоплазме появляются свободные радикалы, в частности активные формы кислорода, продукты распада перекиси водорода, которые могут повреждать любые молекулы, в том числе ДНК. Со временем организм все хуже обезвреживает свободные радикалы, наступает старение и смерть. Сторонник этой теории академик Владимир Скулачев , правда, считает, что свободные радикалы появляются не случайно и предполагает, что программа старения заложена в организме человека. А раз так, то . Теория Хейфлика связана с эффектом предела деления клеток. Исчерпав лимит, клетки погибают, организм стареет. Однако Хейфлик не объяснил, почему существует этот предел. Загадку разгадал Алексей Оловников. Он предположил, что лимит Хейфлика связан с концевой недорепликацией ДНК. Вспомним, как делится клетка: по ДНК бежит специальный фермент – ДНК-полимераза, образуя копию, или реплику, ДНК. Но эта полимераза не считывает кончики ДНК, потому что не захватывает самые крайние последовательности нуклеотидов. Схематично линейная ДНК состоит из структурных генов, кодирующих белки, а на концах ее находятся участки, которые содержат регуляторные гены и некие последовательности, вроде бы не несущие никакой полезной информации. Эти последовательности еще в тридцатые годы открыли ученые Б. Макклинток и Г. Меллер. Они предположили, что кончики ДНК скорее всего служат защитой генома от повреждений. Ученые назвали их теломерами. Алексей Оловников предугадал, что всякий раз при делении клетки эти теломеры укорачиваются, и придерживался мнения, что это и есть причина старения. Однако в начале нового века он выдвинул новую оригинальную теорию, которую назвал редумерной. Он предположил, что старение связано с укорочением не теломер, а редумер. Редумеры же – это новый тип ДНК, которые, как маленькие петельки, располагаются на хромосомной ДНК. По его мнению, они укорачиваются под влиянием выбросов гормонов, а пик этих выбросов наступает в новолуние.

Идея Оловникова о редумерах многим показалась просто фантастикой – ведь подобные маленькие ДНК не были известны науке. Однако совсем недавно ученые открыли в митохондриях маленькие однонитчатые ДНК. Пока неясно, каково назначение этих коротких ниточек ДНК, но уже сам факт их существования позволяет надеяться, что и двунитчатые маленькие ДНК – редумеры Оловникова – не просто плод фантазии теоретика. «Конечно, редусомная теория Алексея Оловникова, несмотря на ее умозрительный и научно-фантастический характер, если даже и не подтвердится в целом, дает необыкновенный заряд и побуждает заняться поиском удивительного и красивого мира, с которым нас познакомил автор», – комментирует теорию Владимир Анисимов. Академик Владимир Скулачев тоже отмечает, что теория кажется немного сумасшедшей, но ведь все гении немного сумасшедшие… Скулачев не отрицает, что теория Оловникова вполне может оказаться правдой. Между прочим, Скулачев также сообщил, что Алексей Оловников уже не раз выдвигался кандидатом на Нобелевскую премию. Предоставим слово самому Алексею Оловникову.

– Алексей Матвеевич, в какой момент вы заинтересовались проблемами старения?

– Изначально я занимался экспериментальными работами в области иммунохимии. А старением заинтересовался в шестидесятые, когда Леонард Хейфлик поставил свои замечательные эксперименты. Он показал, что клетки имеют ограниченный митотический потенциал – в среднем они делятся около 50 раз. До этого считалось, что клетки удваиваются бесконечно. Хейфлик показал, что в клетках сидит нечто вроде «молекулярного бухгалтера», который отсчитывает деления. И всегда помнит, сколько раз клетка поделилась. В серии его экспериментов были и такие опыты: после двадцатого, к примеру, деления клетки замораживали в жидком азоте, а потом вынимали – через пять минут или год – и они продолжали делиться еще положенное число раз, около тридцати.

– И Хейфлик связывал этот эффект со старением?

– Да. И все вслед за ним тоже. Предполагалось, что клетки перестают делиться, погибают, организм стареет, начинаются возрастные болезни и так далее. В общем, когда я впервые услышал об опытах Хейфлика, я, естественно, очень заинтересовался. Повторно услышал о них в МГУ. Лекцию о работах Хейфлика прочитал первооткрыватель мезинхимальных стволовых клеток Александр Яковлевич Фриденштейн. Лекции он читал блестяще. Я слушал и обалдевал от этой загадки Хейфлика: ведь он не сказал, откуда у клетки есть этот лимит. Я вышел из университета в состоянии полутранса. Хорошо помню: осень, земля усыпана золотыми листьями. Я шел и неотрывно думал, ну что там работает? Ответ не приходил. Так я добрел до метро. А когда спустился вниз, услышал шум приближающегося поезда. И тут осенило. Я понял. Образ сложился. Что такое удвоение клеток? Это по сути удвоение ДНК. ДНК – это рельсы. По ДНК при клеточном удвоении продвигается специальный фермент ДНК-полимераза, который делает копии (реплики) ДНК. Полимераза движется, как ведущий вагон поезда. Но у ДНК, как и у рельсов, есть конец. Как и ведущий вагон, фермент ДНК-полимераза упирается в тупик. Представим себе, что в середине ведущего вагона есть каталитический центр, как в ДНК-полимеразе. Именно он касается рельсов и делает копию. Этот каталитический центр не доходит до конца рельсов. Это означает, что концевая часть нашей ДНК (если говорить о хромосомах, то кусочек теломеры) не будет скопирована. Вот так я нашел решение задачи Хейфлика.

– А когда вы выдвинули эту идею?

– В 1971 году я опубликовал статью в докладах Академии наук и в американском Journal Theoretical Biology. Тогда я считал, что теломеры представляют собой просто буферные участки ДНК, которые приносятся в жертву, становясь все короче и короче с каждым делением. Я бегал к молекулярным биологам с просьбами заняться экспериментами и проверить это. А мне мило так говорили: ну ты же вроде не дурак, что ж ты чушь несешь – ведь всем известно, что геном стабилен, не может он укорачиваться. Кстати, и Хейфлик из-за этой догмы не связывал лимит деления с ДНК. А я настаивал – ну скажите, где у меня логические проколы, ну попробуйте, все равно это сделают на Западе, давайте же мы вперед попытаемся.

– В общем, сделали на Западе?

– Да, все мои предсказания экспериментально подтвердились. Первое – что концы ДНК – буферная зона, и после каждого деления они укорачиваются. Второе предсказание – природа должна была изобрести компенсаторный механизм в виде особой ДНК-полимеразы, чтобы сохранять концы хромосом в половых клетках, иначе – конец живому. Этот механизм должен так же работать в бессмертных раковых клетках. Позже выяснилось, что этот компенсаторный механизм есть и в стволовых клетках. Эта компенсаторная ДНК-полимераза получила в литературе наименование теломеразы. Еще одно предсказание – в бактериях кольцевая ДНК придумана природой для того, чтобы не было концевой недорепликации. И наконец, я предсказал, что должна быть корреляция между размерами хромосомных концов или теломер и числом проделанных клетками делений. И считал, что это и есть причина старения.

– То есть клетки погибают, функции организма слабеют, он дряхлеет и умирает?

– Да, но именно последнее предсказание – о роли укорочения теломер в старении – я сам позже отверг.

– Оно не подтвердилось в экспериментах?

– Все предсказания подтвердились в экспериментах. В том числе и корреляция между степенью укорочения теломер и числом клеточных удвоений. Но некоторые исследования показали, что клетки даже старого человека сохраняют способность к удвоению. Брали клетки двадцатилетнего и девяностолетнего, и оказывалось, что разброс в их способности к делению не так уж и велик. Клетки просто не успевают исчерпать свой лимит удвоений до того, как организм постареет и даже отойдет в мир иной. Оказалось, кроме того, что лабораторные мыши с довольно длинными теломерами и дикие с короткими теломерами живут одинаковый срок. И я понял, что не укорочение теломер является движущей силой старения. Когда я высказал эту мысль, друзья на меня руками замахали: ты же сам придумал теломерную теорию, а теперь рубишь под собой сук!

– Вы разочаровались в теломерной теории?

– Я стал искать в клетке нечто, что не является теломерой, но так же, как и она, укорачиваясь, умеет считать. Тогда я предположил, что «бухгалтером» мог бы быть еще один тип молекулы ДНК.

– Это как же? Мы же знаем только об одной большой молекуле ДНК, которая находится в хромосоме?

– Ну да. А рядом с ней, я предположил, есть такие маленькие ДНК.

– Рисуйте…

– (Рисует и комментирует.) Вот длинная обычная хромосомная ДНК. На концах у нее теломерная ДНК, рядом так называемые субтеломерные участки, и в них – некоторые регуляторные гены. Так вот, над некоторыми регуляторными генами возникают, я полагаю, короткие молекулы ДНК, где содержатся копии регуляторных генов.

– Эта ваша «дээнкушка» плавает где-то рядом с большой ДНК?

– Нет, не плавает, а заякорена своими концами на теле хромосомы. Эти маленькие ДНК я назвал редумерами. У редумеры, как и у большой ДНК, есть небольшие кончики, вроде теломер, я их назвал акромерами. И этими акромерами она крепится в тех местах, которые ограничивают область хромосомного гена-оригинала. И эта маленькая копия с акромерами выглядит как скобочка или петля на большой ДНК. При делении редумера тоже реплицируется, и копии переходят в дочерние клетки, удерживаясь на хромосомах. И при репликации у нее тоже укорачиваются кончики, как теломеры у хромосомной ДНК. Термин редумера – от редуцировать, то есть уменьшать. Укорочение редумеры в делящейся клетке как раз и вызывает клеточное старение. Но поспешу заметить, что старение делящихся клеток – это еще не старение организма, которое связано с особой разновидностью редумер – хрономерами.

– А кто-нибудь видел эти ваши редумеры?

– Нет.

– Так почему же вы так уверены, что они там есть, почему не сказать, что вместо редумер там есть штепсель с розеткой или попугай с батарейкой. Вы все придумали!

– Конечно придумал. Один из известных ученых говорил, что наука – это коктейль фантазии и логики. Но кажется, вся эта фантазия вполне укладывается в логику. В логику клетки. Ведь механизм концевой недорепликации теломер я тоже нафантазировал.

– А что, редумеры нельзя увидеть?

– Знаете, как выглядит ДНК? На срезах – как запутанный клубок с многочисленными петлями. Я думаю, эти редумеры не раз видели, только не идентифицировали их. Когда-нибудь, уверен, их будут разглядывать на студенческом практикуме. В принципе их можно идентифицировать, если прицельно искать, а потом отделить от большой ДНК.

– В одной вашей научной статье я читала, что вы делите редумеры на принтомеры и хрономеры

– Да, редумеры – это общее, так сказать, родовое название. Они подразделяются на принтомеры, которые работают в делящихся клетках, и на хрономеры. Участниками биологических часов мозга, особо важных для понимания старения организма, являются именно хрономеры, которые находятся в гипоталамусе.

– Ну, приехали! Вы мне рассказывали, что редумеры уменьшаются при делении клеток и это ведет к старению, но ведь нейроны мозга не делятся. Как же тогда в них укорачиваются хрономеры?

– А вот это самое интересное. Укорочение хрономер идет не по механизму концевой недорепликации ДНК, как у теломер и принтомер. Укорочение хрономер связано с эффектом скраптинга (от слов transcription и rupture – разрыв). Разрыв маленькой хрономерной ДНК вызывается при особой форме транскрипции (то есть при построении РНК на ДНК), осуществляемой транскрипционной машиной – РНК-полимеразой. Предполагается, что при особо интенсивной транскрипции хрономер происходит разрыв фиксированного на теле хромосомы конца этой хрономеры. Такое случается изредка – на фоне резко повышающегося выброса гормонов в центральной нервной системе.

– При каких обстоятельствах?

– При участии Луны.

– Н-да…

– Вы думаете, не пора ли вызывать психовозку? Сейчас объясню. Тут мы немножко оставим в покое нашу рвущуюся хрономеру. Известный советский ученый Владимир Михайлович Дильман уже давно предполагал, что в гипоталамусе человека тикают биологические часы. Но он не объяснил, что является пружиной их механизма. Он был эндокринологом и связывал тиканье часов с уровнем гормонов. Гормоны выполняют множество функций в организме. Основными гормональными центрами мозга являются гипоталамус, гипофиз и эпифиз. В эндокринной системе работает своя система сдержек и противовесов – вырабатываются гормоны, синергисты и антагонисты, все для того, чтобы надежно работала система. Но я полагаю, что природа использовала эту управленческую эндокринную систему, еще и чтобы время считать. Мы ведь знаем, что примерно в пятнадцать лет происходит половое созревание, примерно в тридцать – полностью интеллектуально созревает мозг, примерно в пятьдесят – менопауза у женщин, и в некий срок – андропауза у мужчин. Гормоны подчиняются различным ритмам. Человек вообще насквозь пронизан ритмами. Природа, с моей точки зрения, должна была выбрать такой относительно редкий ритм, который бы влиял на укорочение хрономер и при этом действовал, максимально экономно расходуя длину этих хрономер.

– То есть биологическими часами управляют гормональные ритмы?

– Да. Этот темпоральный ритм я называю Т-ритмом. Некий гормон (или гормоны) на пике выброса должен действовать на укорочение хрономер. Как я уже сказал, за счет транскрипции. Поступление к клеткам гипоталамуса (именно там лежат хрономеры) стимулирующих гормонов заставляет РНК-полимеразы бежать по хрономере (и, конечно, вообще по любой транскрибируемой ДНК) быстрее, создавая много копий РНК. Но полимеразы бегут так интенсивно, что на пике гормонального Т-ритма чисто механически обрывают концы акромер в местах их заякоривания. Короткий оторванный кусочек акромеры разрушается ферментами, а вспомогательные белки, постоянно сидящие на ДНК хрономеры, закрепляют укоротившуюся теперь акромеру повторно на ее прежнем месте. Но теперь хрономера стала короче. И это равносильно одному «тику» хрономерных часов мозга. В следующий пик выброса гормонов она станет еще короче. Но что еще происходит? Поскольку места крепления ее концов на хромосомной ДНК всегда находятся на одном и том же стандартном расстоянии друг от друга, то хрономера, как некая петля или пружина, с каждым разом все сильнее натягивается между этими точками. В хрономере нарастает так называемое торсионное (крутильное) напряжение. А это напряжение неизбежно должно сказываться на работе РНК-полимеразы. В опытах с индивидуальной молекулой ДНК американские ученые намеренно сильно перекручивали, натягивали или, наоборот, распускали ДНК и наблюдали, как меняется темп движения полимераз по ДНК. Оказалось, что слишком большое торсионное напряжение в ДНК может даже остановить работу полимераз. Так и в чрезмерно натянутой хрономере должна падать продуктивность РНК-полимеразы.

– И почему это может влиять на старение всего организма?

– В петле-хрономере сидят гены, которые регулируют работу структурных генов в обычной хромосомной ДНК через регуляторные РНК. Так вот, РНК-полимераза из-за напряжения в натянувшейся хрономерной петле вынуждена двигаться все медленнее и, значит, производить все меньше регуляторных РНК. А без них активность структурных генов хромосом не может проявляться в полную силу. Поэтому падает синтез продуктов этих генов. Этих продуктов становится все меньше (или, напротив, больше, если укорочение хрономеры вызывает уменьшение синтеза белков-ингибиторов). То есть у старика какая-то продукция клеток может уменьшаться, а какая-то увеличиваться, и все это ведет к гормональному дисбалансу, к изменению активности самых разных клеток. И весь организм из-за этого стареет.

В общем, я постулировал, что сигналом старения является недостаточность продуктивности хрономерных регуляторных генов. И количество прожитых лет гипоталамус человека запоминает укороченными акромерами, а не теломерами большой ДНК, как думал раньше. Да, теломеры тоже укорачиваются, но они являются как бы невинными свидетелями процесса старения. Теломеры не могут о своем укорочении сказать клетке. А хрономеры могут. Потому что от них в конечном итоге зависит активность структурных генов.

– Ну и как, к примеру, этот процесс сообщает, что пришло время полового созревания?

– Если, к примеру, в гипоталамусе, укорачивается хрономера, которая регулирует продукцию генов большой ДНК, ответственных за сдерживание процесса полового созревания, то постепенно ее укорочение отпустит эти вожжи. Вы созреете.

– А с Луной какая связь?

– Я думаю, что Т-ритм – это лунный 28−дневный ритм. Солнце – наш ритмоводитель в суточных ритмах, а Луна тоже наш ритмоводитель, только в ритмах, контролирующих продолжительность жизни.

– Но тогда у нас должна быть какая-то антенна, что ли?

– Грависенсор. Вы слышали, что в нашем ухе есть сенсор, который позволяет нам знать, куда мы склоняем голову? Там на тоненьких волосках висят как бы маленькие шарики. Так вот они, когда мы наклоняемся, касаются клеток уха, и так мы чувствуем, в какую сторону наклонились.

– А ваш грависенсор сидит не в ухе?

– Нет, в эпифизе. Я назвал его луносенсором. И важнейшим компонентом этого луносенсора является песок.

– Песок в мозгах? Что ж, в этом что-то есть.

– Не удивляйтесь, есть научное название – песок мозга (brain sand). Это такие кальциевые камушки, которые находятся в межклеточном пространстве в эпифизе, или иначе в шишковидной железе нашего мозга. Они плотнее и крупнее клеток и под влиянием Луны, особенно сильно в период новолуний, давят на клетки эпифиза, и те начинают в ответ выбрасывать из этой эндокринной железы нейропептидные гормоны, находящиеся в специальных клеточных пузырьках-вакуолях. Так формируется пик выброса гормонов. Эпифизарные гормоны атакуют гипоталамус, стимулируют его, через него – гипофиз, и суммарно возникает гормональный коктейль, который заставляет клетки, содержащие хрономеры, особо напряженно работать и в ходе этой работы укорачивать их.

– И все это происходит в определенный момент?

– Да, При участии Луны. Луна гравитационно слабо влияет на все, что есть на Земле, поскольку ее гравитационная сила много меньше земной. Но в новолуние, когда Земля, Луна и Солнце выстраиваются в одну линию, гравитационная сила Луны суммируется с солнечной. И тогда, например, происходят наиболее мощные океанские приливы. И происходит смещение песчинок в эпифизе. Именно поэтому эпифизарный грависенсор я назвал луносенсором.

– А нельзя ли сделать так, чтобы эти ваши Т-ритмы, которые ведут к укорочению хрономер, тикали бы пореже?

– Действительно, хотелось бы, чтобы пореже. И думаю, в будущем такое станет возможным. Возникнет новая отрасль фармакологии – поиск лекарств, управляющих новой, постулированной мной физиологической системой организма – луносенсорной.

– Да, братья Гримм просто отдыхают. Как это вы так хитро связали Луну с песком, гормонами и хрономерами?

– На одной из конференций в Стромболи сицилийцы нас возили вокруг вулкана. Ночь, Луна, море, вулкан… Что-то в подсознании осело. А на конференции было много материалов об эпифизе. Вернувшись в Москву, я начал их читать. И надо же, что я вижу – срезы эпифиза, похожие на поле, усеянное валунами, а между ними клетки. Валуны – это песчинки. Тот самый песок мозга. И тогда произошел, как любят выражаться психологи, инсайт: Стромболи, Луна, песок в эпифизе. Все выстроилось и связалось. И я судорожно начал строчить новую теорию. Довольный, что все так логично. Но когда написал, прочитал еще одну небольшую заметку о том, что песок-то он есть, конечно, в эпифизе взрослого человека, но у эмбриона-то его нет.

– Представляю, ваша конструкция стала рушиться как замок из песка.

– Я пребывал в жутком расстройстве. Целых полчаса. Боже мой, но ведь эмбриону очень даже нужны часы, чтобы строить организм во времени. И я стал рыть всю информацию об этом песке. И тут природа протягивает руку. Действительно, у человеческого эмбриона нет песка в эпифизе, но, оказалось, его полно в эмбриональном гипофизе. И он там механически воздействует на эндокринные клетки. А потом, примерно к рождению ребенка, этот песок рассасывается в гипофизе и впервые появляется в эпифизе. Вот так.

– Нет, шлем не предлагаю. Но как только найдут редумеры, а я в этом уверен, можно будет использовать их продукты. А можно идти и другим путем. Мы с одним российским экспериментатором задумали проект, смысл которого в поиске прерывания лекарствами сигналов, ведущих мозг к старению.

11 Июля 2008

Механизмы старения достаточно сложны и многообразны. Сегодня существует несколько альтернативных теорий, которые отчасти противоречат друг другу, а отчасти – дополняют. Современная биология уделяет проблеме старения очень большое внимание, и с каждым годом появляются новые факты, позволяющие глубже понять механизмы этого процесса.

МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТЕОРИИ

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.

Теломерная теория

В 1961 году американский геронтолог Л. Хейфлик установил, что человеческие фибробласты – клетки кожи, способные к делению, – «в пробирке» могут делиться не более 50 раз. В честь первооткрывателя это явление назвали «пределом Хейфлика». Однако Хейфлик не предложил никакого объяснения этому явлению. В 1971 г. научный сотрудник Института биохимической физики РАН А.М. Оловников, используя данные о принципах синтеза ДНК в клетках, предложил гипотезу, по которой «предел Хейфлика» объясняется тем, что при каждом клеточном делении хромосомы немного укорачиваются. У хромосом имеются особые концевые участки – теломеры, которые после каждого удвоения хромосом становятся немного короче, и в какой-то момент укорачиваются настолько, что клетка уже не может делиться. Тогда она постепенно теряет жизнеспособность – именно в этом, согласно теломерной теории, и состоит старение клеток. Открытие в 1985 г. фермента теломеразы, достраивающего укороченные теломеры в половых клетках и клетках опухолей, обеспечивая их бессмертие, стало блестящим подтверждением теории Оловникова. Правда, предел в 50-60 делений справедлив далеко не для всех клеток: раковые и стволовые клетки теоретически могут делиться бесконечно долго, в живом организме стволовые клетки могут делиться не десятки, а тысячи раз, но связь старения клеток с укорочением теломер является общепризнанной. Любопытно, что сам автор недавно решил, что теломерная гипотеза не объясняет причин старения, и выдвинул сначала еще одну, редусомную, а потом и вторую, не менее фантастическую – луногравитационную. Обе они не получили ни экспериментального подтверждения, ни одобрения коллег.

Элевационная (онтогенетическая) теория старения

В начале 1950-х годов известный отечественный геронтолог В.М. Дильман выдвинул и обосновал идею о существовании единого регуляторного механизма, определяющего закономерности возрастных изменений различных гомеостатических (поддерживающих постоянство внутренней среды) систем организма. По гипотезе Дильмана, основным звеном механизмов как развития (лат. elevatio – подъем, в переносном смысле – развитие), так и последующего старения организма является гипоталамус – «дирижер» эндокринной системы. Главная причина старения – это возрастное снижение чувствительности гипоталамуса к регуляторным сигналам, поступающим от нервной системы и желез внутренней секреции. На протяжении 1960-80-х гг. с помощью экспериментальных исследований и клинических наблюдений было установлено, что именно этот процесс приводит к возрастным изменениям функций репродуктивной системы и гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой системы, обеспечивающей необходимый уровень вырабатываемых корой надпочечников глюкокортикоидов – «гормонов стресса», суточные колебания их концентрации и повышение секреции при стрессе, и, в конечном итоге, к развитию состояния так называемого «гиперадаптоза».
По концепции Дильмана, старение и связанные с ним болезни – это побочный продукт реализации генетической программы онтогенеза – развития организма. Онтогенетическая модель возрастной патологии открыла новые подходы к профилактике преждевременного старения и болезней, связанных с возрастом и являющихся основными причинами смерти человека: болезней сердца, злокачественных новообразований, инсультов, метаболической иммунодепрессии, атеросклероза, сахарного диабета пожилых и ожирения, психической депрессии, аутоиммунных и некоторых других заболеваний. Из онтогенетической модели следует, что развитие болезней и естественных старческих изменений можно затормозить, если стабилизировать состояние гомеостаза на уровне, достигаемом к окончанию развития организма. Если замедлить скорость старения, то, как полагал В.М. Дильман, можно увеличить видовые пределы жизни человека.

Адаптационно-регуляторная теория

Модель старения, разработанная выдающимся украинским физиологом и геронтологом В.В. Фролькисом в 1960-70-х гг., основана на широко распространенном представлении о том, что старость и смерть генетически запрограммированы. «Изюминка» теории Фролькиса состоит в том, что возрастное развитие и продолжительность жизни определяются балансом двух процессов: наряду с разрушительным процессом старения развертывается процесс «антистарения», для которого Фролькис предложил термин «витаукт» (лат. vita – жизнь, auctum – увеличивать). Этот процесс направлен на поддержание жизнеспособности организма, его адаптацию, увеличение продолжительности жизни. Представления об антистарении (витаукте) получили широкое распространение. Так, в 1995 г. в США состоялся первый международный конгресс по этой проблеме.

Существенным компонентом теории Фролькиса является разработанная им генорегуляторная гипотеза, по которой первичными механизмами старения являются нарушения в работе регуляторных генов, управляющих активностью структурных генов и, в результате, интенсивностью синтеза закодированных в них белков. Возрастные нарушения генной регуляции могут привести не только к изменению соотношения синтезируемых белков, но и к экспрессии ранее не работавших генов, появлению ранее не синтезировавшихся белков и, как результат, к старению и гибели клеток.

В.В.Фролькис полагал, что генорегуляторные механизмы старения являются основой развития распространенных видов возрастной патологии – атеросклероза, рака, диабета, болезней Паркинсона и Альцгеймера. В зависимости от активации или подавления функций тех или иных генов и будет развиваться тот или иной синдром старения, та или иная патология. На основе этих представлений была выдвинута идея генорегуляторной терапии, призванной предупреждать сдвиги, лежащие в основе развития возрастной патологии.

СТОХАСТИЧЕСКИЕ (ВЕРОЯТНОСТНЫЕ) ТЕОРИИ

Согласно этой группе теорий, старение – результат случайных процессов на молекулярном уровне. Об этом мы говорили выше: многие исследователи считают, что старение – это следствие накопления случайных мутаций в хромосомах в результате изнашивания механизмов репарации ДНК – исправления ошибок при ее копировании во время деления клеток.

Теория свободных радикалов

Практически одновременно выдвинутая 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.

Старение – это ошибка

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, воздействия вирусов и токсических (мутагенных) веществ и т.д. С течением времени система репарации ДНК изнашивается, в результате чего происходит старение организма.

Теория апоптоза (самоубийства клеток)

Академик В.П. Скулачев называет свою теорию теорией клеточного апоптоза. Апоптоз (греч. «листопад») – 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, 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 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 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.

Предел или лимит Хейфлика – теория, объясняющая природу механизма, стоящего за старением клеток. Согласно этой теории, нормальная человеческая клетка способна воспроизводить себя и делиться от сорока до шестидесяти раз, прежде чем она утратит эту способность и разрушится в результате запрограммированной смерти или апоптоза.

Теория, получившая название предела Хейфлика, подвигла учёных к пересмотру предшествовавшей ей теории Алексиса Карреля, согласно которой клетки способны бесконечно воспроизводить себя.

История создания теории Хейфлика

Леонард Хейфлик (родился 20 мая 1928 в Филадельфии), профессор анатомии Калифорнийского университета в Сан-Франциско, разработал свою теорию в тот период, когда работал в Вистаровском институте в Филадельфии (Пенсильвания), в 1965. Фрэнк Макфарлейн Бёрнет назвал эту теорию в честь Хейфлика в своей книге под названием «Внутренний мутагенез», изданной в 1974. Концепция предела Хейфлика помогла учёным изучить эффекты старения клеток в человеческом организме, развитие клетки от стадии эмбриона до момента смерти, включая эффект сокращения длины концевых участков хромосом, именуемых теломерами.

В 1961 Хейфлик начал работать в институте Вистара, где в ходе наблюдений увидел, что человеческие клетки не делятся бесконечно. Хейфлик и Пол Мурхед описали этот феномен в монографии под названием «Серийное культивирование штаммов диплоидных клеток человека». Работа Хейфлика в Вистаровском институте преследовала цель обеспечить питательным раствором учёных, проводивших в институте эксперименты, но при этом Хейфлик занимался собственными исследованиями эффектов вирусов в клетках. В 1965 Хейфлик более детальным образом изложил концепцию предела Хейфлика в монографии под названием «Ограниченная продолжительность жизни штаммов диплоидных клеток человека в искусственной среде».

Хейфлик пришёл к заключению, согласно которому клетка способна завершить митоз, т. е. процесс воспроизводства посредством деления, лишь от сорока до шестидесяти раз, после чего наступает смерть. Данное заключение относилось ко всем разновидностям клеток, будь то взрослые или зародышевые клетки. Хейфлик выдвинул гипотезу, согласно которой минимальная репликативная способность клетки связана с её старением и, соответственно, с процессом старения человеческого организма.

В 1974 Хейфлик стал одним из основателей Национального института проблем старения в Вифезде, в Мэриленде.

Это заведение является отделением Национального института здоровья США. В 1982 Хейфлик также стал вице-председателем американского Общества геронтологии, основанного в 1945 в Нью-Йорке. В дальнейшем Хейфлик работал над популяризацией своей теории и опровержением теории клеточного бессмертия Карреля.

Опровержение теории Карреля

Алексис Каррель, французский хирург, который в начале двадцатого века работал с тканями куриного сердца, считал, что клетки способны бесконечно воспроизводиться путём деления. Каррель утверждал, что ему удалось добиться деления клеток куриного сердца в питательной среде – этот процесс продолжался в течение более двадцати лет. Его эксперименты с тканью куриного сердца укрепили теорию бесконечного деления клеток. Учёные не раз пытались повторить работу Карреля, но их эксперименты так и не подтвердили «открытие» Карреля.

Критика теории Хейфлика

В 1990-ых годах некоторые учёные, такие как Гарри Рубин из Калифорнийского университета в Беркли, заявили, что предел Хейфлика относится исключительно к повреждённым клеткам. Рубин предположил, что повреждения клеток могут быть вызваны тем, что клетки находятся в среде, отличной от их изначальной среды в теле, или тем, что учёные подвергали клетки воздействию в лабораторных условиях.

Дальнейшие исследования феномена старения

Невзирая на критику, другие учёные использовали теорию Хейфлика как основу дальнейших исследований феномена клеточного старения, особенно теломеров, представляющих собой концевые участки хромосом. Теломеры защищают хромосомы и уменьшают мутации в ДНК. В 1973 российский учёный А. Оловников применил теорию клеточной смерти Хейфлика в своих исследованиях концов хромосом, не воспроизводящих себя во время митоза. По мнению Оловникова, процесс деления клеток завершается, как только клетка уже не может воспроизводить концы своих хромосом.

Годом позже, в 1974, Бёрнет назвал теорию Хейфлика пределом Хейфлика, употребив это название в своей работе, «Внутренний мутагенез». В центре работы Бёрнета стояло предположение о том, что старение является внутренним фактором, присущим клеткам разных форм жизни, и что их жизнедеятельность соответствует теории, известной под названием предел Хейфлика, устанавливающей время смерти организма.

Элизабет Блэкбёрн из университета Сан-Франциско и её коллега Джек Шостак, сотрудник Гарвардской медицинской школы в Бостоне, в Массачусетсе, обратились к теории предела Хейфлика в своих исследованиях структуры теломеров в 1982, когда им удалось клонировать и изолировать теломеры.

В 1989 Грейдер и Блэкбёрн сделали следующий шаг в изучение феномена старения клеток, открыв фермент под названием теломераза (фермент группы трансфераз, контролирующий размер, количество и нуклеотидный состав теломер хромосом). Грейдер и Блэкбёрн установили, что присутствие теломераз помогает клеткам тела избежать программированной смерти.

В 2009 Блэкбёрн, Д. Шостак и К. Грейдер получили Нобелевскую премию в сфере физиологии и медицине с формулировкой «за открытие механизмов защиты хромосом теломерами и фермента теломеразы». Их исследования были основаны на пределе Хейфлика.

Согласно этой теории, фибробласты человека
способны делиться только ограниченное число
раз (75-80 раз), после чего их способность к
пролиферации исчерпывается, и в таком состоянии
они способны находиться длительное время. Данное
свойство получило название «клеточное старение»
(«предел Хейфлика»), наследуется генетически и
связано с запрограммированным ингибированием
митотического потенциала в процессе
терминальной дифференцировки клеток человека

Предел или лимит Хейфлика (англ. Hayflick limit) -

Граница количества делений соматических клеток, названа в честь её открывателя Леонарда Хейфлика. В 1961 году Хейфлик наблюдал, как клетки человека, делящиеся в клеточной культуре, умирают приблизительно после 50 делений и проявляют признаки старения при приближении к этой границе.

Данная граница была найдена в культурах всех полностью дифференцированных клеток как человека, так и других многоклеточных организмов. Максимальное число делений клетки различно в зависимости от её типа и ещё сильнее различается в зависимости от организма, которому эта клетка принадлежит. Для большинства человеческих клеток предел Хейфлика составляет 52 деления.

Граница Хейфлика связана с сокращением размера теломер, участков ДНК на концах хромосом. Как известно, молекула ДНК способна к репликации перед каждым делением клетки. При этом имеющиеся у неё на концах теломеры после каждого деления клетки укорачиваются. Теломеры укорачиваются весьма медленно - по несколько (3-6) нуклеотидов за клеточный цикл, то есть за количество делений, соответствующее лимиту Хейфлика, они укоротятся всего на 150-300 нуклеотидов. Таким образом, чем короче у ДНК «теломерный хвост», тем больше делений у неё прошло, а значит - тем старше клетка.

В клетке существует фермент теломеразы, активность которого может обеспечивать удлинение теломер, при этом удлиняется и жизнь клетки. Клетки, в которых функционирует теломераза (половые, раковые), бессмертны. В обычных (соматических) клетках, из которых в основном и состоит организм, теломераза «не работает», поэтому теломеры при каждом делении клетки укорачиваются, что в конечном итоге приводит к её гибели в пределах лимита Хейфлика, потому что другой фермент - ДНК-полимераза - не способен реплицировать концы молекулы ДНК.

В настоящее время предложена эпигенетическая теория старения, которая объясняет эрозию теломер, прежде всего активностью клеточных рекомбиназ, активизирующихся в ответ на повреждения ДНК, вызванные, главным образом, возрастной депрессией мобильных элементов генома. Когда после определённого числа делений теломеры исчезают совсем, клетка замирает в определённой стадии клеточного цикла или запускает программу апоптоза - открытого во второй половине 20 века явления плавного разрушения клетки, проявляющегося в уменьшении размера клетки и минимизации количества вещества, попадающего в межклеточное пространство после её разрушения.

Принципиально, эксперимент проведённый Леонардом Хейфликом в коллаборации с Полом Мурхедом, был довольно простым: смешивали равные части нормальных мужских и женских фибробластов, различавшихся по количеству пройденных клеточных делений (мужские - 40 делений, женские - 10 делений) для того, чтобы фибробласты можно было отличить друг от друга в дальнейшем. Параллельно был поставлен контроль с мужскими 40-дневными фибробластами. Когда же контрольная несмешанная популяция мужских клеток перестала делиться, то смешанная опытная культура содержала только женские клетки, ведь все мужские клетки уже погибли. На основании этого Хейфлик сделал вывод, что нормальные клетки имеют ограниченную способность к делению в отличие от раковых клеток, которые иммортальны. Так было выдвинуто предположение, что так называемые «митотические часы» находятся внутри каждой клетки, на основании следующих наблюдений:

Нормальные фетальные фибробласты человека в культуре способны удваивать популяцию только ограниченное количество раз;

Клетки, которые подверглись криогенной обработке, «помнят», сколько раз они делились до заморозки.

Биологический смысл явления

В настоящее время главенствует точка зрения, связывающая лимит Хейфлика с проявлением механизма подавления опухолеобразования, возникшего у многоклеточных организмов. Другими словами, опухолесупрессорные механизмы, такие как репликативное старение и апоптоз, бесспорно полезны в раннем онтогенезе и зрелости, но побочно являются причиной старения - ограничивают продолжительность жизни в результате накопления дисфункциональных стареющих клеток или избыточной гибели функциональных.

Anоптоз - программированная клеточная гибель. В организме апоптоз выступает как неотъемлемый компонент механизма поддержания клеточного гомеостаза. Для организма в целом «безопаснее» иметь механизм элиминации генетически поврежденных клеток, чем риск возникновения очагов неконтролируемого автономного роста. Апоптоз выступает в качестве одного из механизмов, защищающих организм от клеток, несущих генетические повреждения, предрасполагающие к злокачественному перерождению. В коже пожилых людей в большом количестве содержатся стареющие фибробласты. Хорошо известны высокая чувствительность кожи пожилых людей к канцерогенному действию ультрафиолетовых лучей и сниженная способность к заживлению ран. Накопление с возрастом в тканях стареющих клеток, резистентных к апоптозу, возможно, является одной из причин, приводящей, в конечном счете к неоплазиям, нейродегенеративным процессам и смерти.