Старіння
|
|
Старіння та розмноження
Розмноження — істотна функція життя організмів: усі інші життєві процеси, зокрема старіння і смерть, адаптовані до його потреб. Для розуміння процесу старіння важливо підкреслити відмінність між одноплідними та багатоплідними стратегіями розмноження. Одноплідні організми розмножуються за допомогою єдиного акту розмноження протягом життя організму. Більшість одноплідних організмів — однорічні та дворічні рослини, але серед них багато комах і кілька хребетних тварин, зокрема рожевий лосось та вугор. Багатоплідні організми, з іншого боку, розмножуються періодично протягом діапазону статевої зрілості, який зазвичай складає велику частину життя.Одноплідні організми
У одноплідних форм розмноження має місце під кінець життєвого періоду, після якого організм проходить через стадію дуже швидкого старіння, яке приводить до смерті організму. У рослин фаза старіння зазвичай є складовою частиною відтворного процесу, важливою для його завершення. Розповсюдження насіння, наприклад, супроводжується процесами визрівання, падіння плодів та висихання насіння — процесів, невіддільних від процесу старіння рослини. Це швидке старіння викликається за допомогою певних гормонів, рівень яких змінюється залежно від стану розвитку рослини та екологічних умов. Якщо, наприклад, запобігти виділенню гормону росту рослин — ауксину — експериментальними засобами, рослина живе довше і проходить через нетипове для неї повільне старіння.Подібна картина старіння спостерігається і в деяких комах, які вирізняються двома чіткими стратегіями адаптивного забарвлення: захисне забарвлення, за допомогою якого комахи маскуються від потенційних хижаків, та відлякуюче забарвлення, яке зазвичай вказує на отруйність комахи. Ці два приклади адаптації мають різні оптимальні стратегії виживання видів: комахи з захисним забарвленням вмирають щонайшвидше після завершення розмноження, тим самим скорочуючи можливість для хижаків навчитися розпізнавати їх,— тоді як комахи з відлякуючим забарвленням живуть дуже довго після розмноження, збільшуючи можливість хижаків запам'ятати їх. Обидві стратегії адаптацій знайдені серед представників родини метеликів-сатурній, на прикладі яких було показано, що тривалість їхнього життя після розмноження контролюється гормональною системою, яка також контролює долю часу, що комахи проводять в польоті: метелики з захисним забарвленням проводять більше часу в польоті, виснажують себе і швидко вмирають, тоді як метелики з відлякуючим забарвленням літають менше, зберігають енергію, і в результаті — живуть довше[1].
Ці приклади ілюструють випадок, коли в одноплідних форм, яким повна сила і функціональність потрібні фактично до кінця життя, старіння проходить дуже швидко і пов'язане зі завершенням процесу розмноження, та часто активно управляється відносно простими гормональними механізмами, які можуть розвиватися під дією природного відбору. Такі специфічні генетично контрольовані процеси старіння — є зразком запрограмованого закінчення життя, які проявляються, коли таке старіння надає перевагу для виживання молоді. Проте в інших випадках швидке старіння одноплідних організмів є результатом виснажування організмів, більше не потрібних після розмноження.
Багатоплідні організми
У багатоплідних організмів старіння має поступовий характер: без очевидних специфічних системних або екологічних механізмів, які б ініціювали цей процес. Старіння перш за все проявляється як зниження можливостей організму до розмноження. У видів, які досягають фіксованого розміру тіла, зниження можливостей до розмноження починається досить рано — і прискорюється із віком. У великих плазунів, які досягають статевої зрілості ще маючи невеликий розмір і продовжують рости протягом довгого відтворного періоду, число відкладених яєць збільшується віком з протягом досить довгого періоду, але кінець кінцем зрівнюється і поступово знижується. Відтворний період у таких випадках коротший ніж тривалість життя.
Ще однією особливістю багатоплідних організмів є залежність швидкості процесу старіння від здатності розмножатися та від можливостей виживання потомства — найплодовитіші організми старіють набагато швидше, ніж менш плодовиті. Така залежність дозволяє виживати тваринам з малою тривалістю життя за рахунок значного потомства, а неплодовитим тваринам — за рахунок більшого числа можливостей для розмноження.
Для математичного описання старіння багатоплідних організмів інколи використовується так званий закон смертності Ґомпертца-Мейкгама[1] (або просто Ґомпертца), згідно з яким ймовірність смерті експоненційно зростає з віком:
, де x — вік, а p — відносна ймовірність смерті за певний проміжок часу, a і b — коефіцієнти. Таким чином, при відсутності постійного члена a, розмір популяції знижується з віком за подвійною експонентою ![s(x)=exp[-m(b^x-1)]](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_sTUL5a-ZPm1Wn6ohs6n6uvcfCjKp7aCdqY7xlWTgisQ5-1ldbV7d1Ngo3OHwiHkBq_L5Mut0ila2P8xwj2sH_KUxL_COueemtueiWAhsKoVKppm68smPqyAejqOvVbj9A8ynveJCu8lSPMUWAUMw=s0-d)
[2].
Цей закон емпіричний та має місце не для всіх тварин і не на всіх
проміжках часу, але він найлегший для порівняння старіння різних
організмів, і тому коефіцієнт b часто використовується в якості показника швидкості старіння.Слід відзначити, що закон Ґомпертца-Мейкгама є лише наближенням, вірним у середньому віковому діапазоні. В області малого віку спостерігається значно вища смертність, ніж передбачається цим законом. Наприклад, північна тріска під час нересту може відкласти до 6 мільйонів ікринок, але лише невелика кількість з них виживає до моменту статевої зрілості[3]. Ця смертність є переважно результатом нездатності молоді уникати хижаків, боротися із хворобами, та також може бути результатом вроджених дефектів, і не є результатом старіння. В області пізнього віку, навпаки, спостерігається зменшення смертності порівняно із законом Ґомпертца, точніше вихід ймовірності смерті за одиницю часу на плато[4]. Як і у випадку дитячої смертності, це загальний закон, що спостерігається навіть у неживій природі[5]. І хоча одним з можливих пояснень цього явища могла би бути гетерогенність популяції, сучасні дані чітко вказують на зв'язок виходу смертності на плато із уповільненням процесу старіння[6].
Для багатоплідних організмів очевидний вплив факторів популяційної динаміки на еволюцію реплікативного (відтворного) та соматичного (тілесного) старіння. Пропорційний внесок індивідуума в швидкість збільшення розміру багатоплідної популяції зменшується з віком у міру зменшення здатності розмножатися. Ці факти пропонують наявність оптимального розміру потомства від одної особини. Наскільки це може направляти еволюцію специфічного старіння або методів захисту проти старіння, викликаного іншими чинниками, — усе ще залишається відкритим питанням, з якого немає згоди серед дослідників [1].
Старіння у різних таксономічних групах
Багатоклітинні тварини
Ефект старіння тварин зазвичай спостерігається тільки в захищених середовищах (наприклад, лабораторіях та зоопарках). У природних умовах домінуючою причиною смерті є хижаки, хвороби або нестача їжі, тому старіння проявляється дуже рідко. Зазвичай, природна тривалість життя тварини лише ненабагато перевищує час досягнення статевої зрілості, а максимальна тривалість життя до смерті від старості є в кілька разів більшою (проте, існують кілька виключень з цього правила). У наступній таблиці приведена таблиця максимальної зареєстрованої тривалості життя деяких організмів до смерті від старості, складена переважно засновуючись на даних, отриманих у захищених середовищах.
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
- Примітки:
- а Ця таблиця є скороченим варіантом таблиці, наведеної у статті Максимальна тривалість життя з ціллю показати приблизний діапазон тривалостей життя для основних груп організмів. Посилання на джерела кожного значення наведені у повному варіанті. При складанні таблиці вказувалися всі знайдені значення віку, хоча їхня достовірність різна. Найкращим джерелом віку для більшості організмів є AnAge Database через те, що ця база даних у більшості випадків містить детальні посилання на першоджерела використаної інформації та обговорює їхню достовірність. Детальніше див. тут.
- б Слід відзначити, що людина в найбільшій мірі з усіх тварин здатна користуватися послугами медицини, крім того, випадки довгого життя людини набагато краще задокументовані. В результаті тривалість життя людини здається довшою, ніж для подібних тварин.
Ссавці. Найкраще досліджена залежність тривалості життя від таксономічної групи серед ссавців. Примати, загалом, — найбільш довгоживуча група, хоча деякі невеликі мавпи Нового Світу мають досить коротке життя. Мишоподібні гризуни недовговічні, тоді як білячеподібні гризуни досягають втричі довшого віку, ніж мишоподібні. Довготривалість життя залежить від трьох окремих факторів: ваги мозку, ваги тіла, і швидкості обміну речовин (метаболізму)[1][7]. Залежність тривалості життя від цих факторів може бути виражена у формі емпіричного рівняння: L = 5,5 E0,54 S-0,34 M-0,42. Тривалість життя (L) ссавців в місцях залежить від мозкової ваги (E) і ваги тіла (S) в грамах і від швидкості обміну речовин (М) в калоріях на грам за годину. Позитивний показник експоненти для E (0,54) указує, що довговічність ссавців сильно і позитивно залежить від розміру мозку незалежно від розміру тіла або швидкості обміну речовин. Негативний коефіцієнт для швидкості обміну речовин вказує, що тривалість життя зменшується з ростом активності організму. Негативний показник для ваги тіла указує, що тенденція, що великі тварини живуть довше, є результатом не більшого розміру тіла, а більшою мозкової ваги.
Типова залежність дещо порушається у випадку порід собак. Більші за розміром породи собак, хоча і досягають статевої зрілості повільніше, живуть значно менше, різниця становить біля 2 разів між найбільшими та найменшими породами. Цей приклад був першим експериментом, який показав, що селекція в принципі здатна змінювати тривалість життя.
Птахи. Такий самий вигляд залежність L від E, S і М має і для птахів, але птахи загалом живуть довше, ніж ссавці, не зважаючи на вищі температури тіла і швидкості природного обміну.
Плазуни. Великі плазуни мають тривалості життя, що перевищують тривалості життя ссавців відповідного розміру, але швидкість їхнього природного обміну у десятки разів менша. Таким чином, повна витрата енергії за життя у плазунів менша, ніж у ссавців.
Членистоногі. Тривалість життя різних видів членистоногих може складати від кількох днів до кількох десятиліть. Надзвичайно недовговічні комахи мають єдину коротку відтворну фазу; довгоживучі павуки і ракоподібні — багатоплідні, з річними відтворними циклами.
Витрати енергії Великі тварини з дуже розвиненим мозком, особливо примати, виробляють протягом життя найбільшу кількість енергії. Наприклад, повне вироблення енергії за життя людини на грам тканини становить близько 1,2 млн. калорій, а за життя таких домашніх тварин, як коти і собаки, лише 0,4 млн. калорій.
Приведена вище залежність має місце для теплокровних тварин. Холоднокровні тварини, які впадають у періоди щоденної неактивності або зимової сплячки, можуть значно скорочувати свою метаболічну активність, часто більш ніж вдесятеро. Комахоїдні кажани помірних широт — найвідоміший приклад — хоча вони мають тривалості життя більш ніж у 20 років, майже 80 відсотків цього часу витрачається в глибокій сплячці. В результаті, витрата ними енергії протягом життя не перевищує витрати енергії іншими маленькими ссавцями.
Повільно старіючі хребетні тварини. Хоча у більшості тварин старіння очевидне, у деяких тварин воно незначне. Прикладами таких тварин є деякі великі плазуни, у першу чергу черепахи. Наприклад, галапагоська черепаха (Geochelone nigra) здатна жити до 177 років[8], а деякі риби, наприклад осетер досягають віку більш ніж у 150 років[9]. Проте, тривалість життя та старіння цих тварин досліджені дуже погано. Крім того, навіть протягом довгого життя, витрати енергії цих організмів незначні, набагато менші, ніж у ссавців. Крім того, ці тварини поступово збільшуються у розмірі навіть після досягнення статевої зрілості, що дозволяє їм розбавляти старіючі клітини тіла новими.
Одноплідні тварини. Як вже вказувалося, картина старіння одноплідних організмів дуже відмінна. Одним з дуже цікавих прикладів такого старіння є життєвий цикл рожевого лосося. Звичайна тривалість життя риби становить біля 2-х років. Мальки лосося вилупляються у прісноводних водоймах, мігрують вниз течією до моря, де й проводять більшу частину життя. Після досягнення статевої зрілості, лосось великою зграєю піднімається вверх проти течії до місць нересту, під час цієї подорожі старість риб ще не помітна, а риби повинні бути у відмінній фізичній формі, щоб підніматися через пороги. Проте, вже через тиждень після нересту, лосось вмирає від старості, що легко зауважити за деградацією майже всіх тканин організму. Хоча тривалість життя значно відрізняється у споріднених видів, всі вони мають лише одну можливість нересту, після якої всі риби вмирають[10].
Подібну картину старіння має і періодична цикада (Magicicada spp.), також відома як «17-річна сарана». Її личинки живуть у землі 17 років, після чого перетворюються на дорослих крилатих комах, спаровуються, відкладають яйця, та вмирають. Звичайно всі комахи у «виводку» на території сотень тисяч км² досягають дорослого стану разом у 24-годинний період, що, здається, є стратегією виживання, коли птахи та інші хижаки не мають можливості справитися з величезною кількістю цикад, крім того, полегшуються пошук партнера для спаровування. Тривалість життя дорослих комах складає лише кілька тижнів[10].
Зношування незамінних органів. Для деяких тварин результатом смерті може стати зношування важливих незамінних органів, навіть при незначному старінні решти організму. Наприклад, тривалість життя деяких травоїдних тварин обмежується сточуванням їхніх зубів під час пережовування жорсткої трави. Тоді як людина може виростити тільки два набори зубів, найбільш довгоживуча травоїдна тварина, слон, може виростити шість, що дозволяє заміняти сточені зуби новими. Проте, через відносно повільне старіння та невелике число природних хижаків, слони часто доживають до віку, коли останні набір зубів сточується, і тварина вмирає від голоду[10].
Довговічність деяких примітивних тварин. Ряд примітивних видів тварин практично запобігають старіння за рахунок швидкого оновлення клітин усіх тканин свого тіла, що можливо за рахунок простої та децентралізованої структури тіла. Прикладами таких організмів є морські актинії та прісноводні гідри. У найдетальнішому дослідженні, опублікованому в 1998 році[11], було показано, що за зовнішніми, мікроскопічними ознаками та здатністю до розмноження, гідра не проявляла ознак старіння протягом всього дослідження терміном у 4 роки. Навіть якщо ця істота можливо й може старіти, різниця між тривалістю життя і часом досягнення статевої зрілості, який складає лише близько тижня, є вражаючою.
Рослини
| Організм | Тривалість життя (оцінка) |
|---|---|
| Креозотовий кущ* (Larrea tridentata) | 11 000[12] |
| Секвойядендрон (Sequoiadendron giganteum) | 4 000[13][12] |
| Дуб черешчатий (Quercus robur) | 2 000[13] |
| Модрина європейська (Larix decidua) | 700[13] |
| Цибуля (Allium ursinum) | 8-10[14] |
| Молочна віка (Astragalus utahensis) | 3[14] |
- Примітка: * У цьому випадку можливі проблеми з ідентифікацією того ж «індивідуума».
Це «жовтіння» листя в літературі часто називається старінням листя або синдромом старіння[17]. За допомогою процесу старіння, поживні речовини вмираючого листа мобілізуються для використання іншими частинами рослини, що дозволяє підтримувати їхній ріст. Наявність поживних речовин, в першу чергу азоту, є головним лімітуючим фактором росту. Окрім того, рослини не можуть змінювати свого положення в ґрунті, і таким чином виснажують своє оточення. В результаті існує сильний добірний тиск розвитку систем повторної переробки необхідних для життя компонентів.
Є багато факторів, які можуть ініціювати програму старіння та переробки поживних речовин. У деяких видах її може викликати потреба в поживних речовинах в іншому місці, наприклад для розвитку насіння [18]. Так саме програма відмирання листя або інших частин рослини може бути викликана поступовим зниженням їхньої продуктивності з віком за рахунок старіння фотосинтетичного апарату або судинної системи цих частин організму, аналогічно процесу старіння тварин[16][17].
Процес старіння, аналогічний старінню багатоплідних тварин, також трапляється у рослин при відсутності запрограмованого старіння. Цей процес характеризується змінами клітинної структури, подібними до змін структури тваринних клітин.
Одноклітинні організми
У одноклітинних організмах були досліджені дві різні форми процесів старіння[19]. Перша — старіння, специфічне для материнської клітини при клітинному поділі, при якому материнська клітина старіє, тоді як дочірня клітина при кожному поділі обнуляє клітинний годинник (омолоджується). Старіння материнської клітини проявляється у поступовому уповільненні клітинного циклу, після чого клітина втрачає здатність до нових поділів, так зване реплікативне старіння. Цей процес був спочатку знайдений у клітин з асиметричним поділом, тобто в дріжджах, що брунькуються, а потім у асиметричної бактерії Caulobacter crescentus, де визначення материнської клітини очевидне[20]. Пізніше спостереження за поділом клітин дозволило визначити материнську клітину і в організмі з симетричним поділом — бактерії E. coli, де материнської клітиною є клітина із «старим кінцем», хоча пізніше були знайдені і незначні морфологічні відмінності між материнськими та дочірніми клітинами[21].
Вік в даному випадку визначається за числом поділів, через які пройшла клітина, а не календарним часом. Типова середня тривалість життя лабораторних дріжджів (Saccharomyces cerevisiae) дикого типу становить близько 25 поколінь. Функція розподілу тривалості життя індивідуальних клітин слідує закону Ґомпертца, так само, як і тривалість життя вищих тварин[19]. У бактерії Caulobacter crescentus середня тривалість життя становить від 100 до 130 поділів[20].
Другий процес старіння, також знайдений у цих трьох модельних організмах, — хронологічне старіння клітин, відоміший як умовне старіння (через те, що цей процес проявляється тільки за певними умовами навколишнього середовища). Цей процес проявляється у поступовій деградації і втраті життєздатності клітин протягом стаціонарної фази[19][22][23].
На прикладі дріжджів було знайдено, що, подібно до процесу реплікативного старіння, специфічного для материнських клітин, умовне старіння є як процесом зношування внутріклітинних структур, так і генетичної програми. Наприклад, клітинна стінка в стаціонарній фазі проходить через ряд генетично запрограмованих структурних змін з ціллю підвищити життєздатність та тривалість життя організму. Проте, врешті решт клітина старіє та вмирає[19].
Спадкування довголіття
Спадкування довголіття в популяціях таких тварин, як плодові мухи і миші, може бути визначене, якщо порівнювати таблиці тривалості життя природних популяцій і деяких мутантів та гібридів. Згідно з експериментальними даними, близько 30 відсотків варіації довголіття самиць та 20 відсотків довголіття самців визначається генетично. Ці значення подібні до наслідування таких фізіологічних рис, як кількість відкладених яєць і виробництво молока домашніми тваринами[1].Коефіцієнт експоненти функції Ґомпертца вказує швидкість старіння. Відмінності в довголіття між видами є результатом передусім відмінностей у швидкості старіння, і тому виражаються у відмінностях в цьому коефіцієнті.
Порівняння таблиць смертності різних штамів мишей одного виду вказує, що відмінності між штамами перш за все походять від відмінностей в незалежному від віку члені функції Ґомпертца. Якщо штами відрізняються тільки незалежним від віку членом, менш довголітні штами мають більшу смертність, вищу на постійну величину протягом всього життя, що проявляється у вертикальному зсуві функції Ґомпертца. При цьому часто трапляється, що гібриди першого покоління (F1) двох природних штамів живуть довше, ніж будь-який з батьків. Хоча досліджень біохімічних процесів таких гібридів не проводилося, таблиці тривалості життя указують, що гібриди відрізняються від батьківських штамів тільки незалежним від віку членом, але не зміною швидкості старіння. Інші дослідження також показали, що у значній мірі варіації в тривалості життя між штамами мишей пояснюються відмінностями в успадкованій сприйнятливості до певних хвороб.
Спадкування довголіття людей складніше досліджувати, тому що на тривалість життя впливають соціально-економічні та інші зовнішні чинники, які ускладнюють кореляції між близькими родичами. Проте, дослідження вказують на деяку, хоча і невелику, спадковість тривалості життя та сприйнятливості до таких хвороб як рак і хвороби серця, перш за все через те, що однояйцеві (генетично ідентичні) близнюки прагнуть мати подібніші частоти цих захворювань, ніж відповідні різнояйцеві (генетично різні) близнюки.
Зміни організму під час старіння
Фізіологія старіння
Верх: Первинні мишині фібробласти (MEF) до старіння.
Низ: MEF старіють після досягнення межі Гейфліка. Клітини збільшуються, отримують плоску форму та експресують нові гени, характерні для старіння (SABG, синій колір).
Всі ссавці є багатоплідними організмами, у яких старіння має повільний характер та охоплює практично всі системи організму. Загальні зміни включають зниження основної маси тіла (живих клітин та кісток) при зростанні повної маси за рахунок зростання кількості жирових відкладень та вмісту води. Основний обмін, тобто мінімальний рівень метаболічної активності, знижується у всіх тканинах, як і рівень добровільної активності, але остання сильно залежить від виду тварини та фізичної навантаження протягом попереднього життя.
Через формування перехресних зв'язків між молекулами колагену, основного структурного міжклітинного білка організму ссавців, та кальціфікацію гладких м'язів та стінок судин, збільшується жорсткість сполучної тканини. Проте, одночасно проходить декальціфікація скелетних кісток, в результаті чого кістки стають тонкіші, менш щільними і менш міцними. Через потоншення хребців зменшується ріст тіла.
У більшості тканин відбувається атрофія клітин і навіть цілих структур, особливо це помітно в деяких тканинах, що не відновлюються, перш за все центральній нервовій системі. Хоча навіть кількість периферійних нервових волокон людини зменшується на 20 відсотків до 90-літнього віку, найбільше страждають клітини кори головного мозку. Ця втрата нейронів є головною причиною зниження розумових здібностей старих людей, хоча деякий ефект має і зниження постачання кисню.
Також для багатьох тканин характерні відкладення інертних та потенційно шкідливих речовин. Наприклад, пігмент ліпофусцин, відсутній в молодості, в старості становить до 3 % маси серцевого м'язу. Дуже відомі відкладення і у кровоносних судинах — атеросклероз.
Також помітні зміни в ендокринній системі, яка уповільнює відповідь на зміни зовнішнього середовища, в результаті організм стає уразливішим до будь-яких несприятливих факторів (стресу).
Через старіння імунної системи збільшується ймовірність автоімунних реакцій при загальному зниженні активності тимус-залежної підсистеми. В результаті, як збільшується ймовірність ракових клітин розвитися у пухлину, так і виникає ризик автоімунних хвороб.
На клітинному рівні старіння проявляється в уповільненні поділу клітин. Частково цей ефект є результатом так званої межі Гейфліка поділу соматичних клітин. Ця межа пов'язана із відсутністю активної теломерази, в результаті чого кінцеві ділянки хромосом, теломери, скорочуються при кожному поділі. У людини соматична клітина максимально може поділитися біля 52 разів, після чого теломери зникають, і в клітини запускається програма апоптозу, «альтруїстичного самогубства» клітини. Хоча межа Гейфліка і вважається основною причиною зменшення рівня клітинного поділу, навіть стовбурові клітини, у яких ця межа відсутня, стають менш активними, уповільнюють свій поділ і не так часто перетворюються на соматичні клітини.
Генетика старіння
Генетика старіння еукаріотів
Під час старіння клітини проходять через ряд генетичних змін, які тим ти іншим чином впливають на хід процесу старіння. Дослідження старіння еукаріотів були проведені за допомогою цілого ряду модельних організмів, таких як домашня миша (Mus musculus), плодова муха (Drosophila melanogaster), круглі черви Caenorhabditis elegans, філаментарні гриби Podospora anserina і дріжджі Saccharomyces cerevisiae. Дослідження цих організмів виявили присутність як мінімум двох збережених шляхів, що активізуються під час старіння.| Podospora | Saccharomyces | Caenorhabditis | Drosophila | Миша |
|---|---|---|---|---|
| grisea | LAG1 | daf-2 | sod1 | Prop-1 |
| LAC1 | age-1/daf-23 | cat1 | p66shc | |
| RAS1 | daf-18 | mth | mclk1 | |
| RAS2 | akt-1/akt-2 | |||
| PHB1 | daf-16 | |||
| PHB2 | daf-12 | |||
| CDC7 | ctl-1 | |||
| BUD1 | old-1 | |||
| RTG2 | spe-26 | |||
| RPD3 | clk-1 | |||
| HDA1 | mev-1 | |||
| SIR2 | ||||
| SIR4-42 | ||||
| UTH4 | ||||
| YGL023 | ||||
| SGS1 | ||||
| RAD52 | ||||
| FOB1 |
Не зважаючи на відсутність зв'язку між циклічною ДНК і старінням у вищих організмах, додаткові копії гомологів Sir2 здібні до збільшення тривалості життя як червів, так і мух. Механізми, якими гомологи Sir2 у вищих організмах регулюють тривалість життя, залишаються неясними, але було встановлено, що людський білок SIRT1 деацетилює p53, Ku70 і сімейство факторів транскрипції forkhead. SIRT1 також може також регулювати інші ацетильовані білки, такі як CBP/p300, і може деацетилювати деякі амінокислоти гістонів.
RAS1 і RAS2 також впливають на старіння в дріжджах і мають людські гомологи. Було показано, що надмірна експресія RAS2 збільшує тривалість життя дріжджів.
Кілька інших генів регулюють старіння в дріжджах, збільшуючи опір окислювальному стресу. Супероксидна дісмутаза, білок, що захищає клітину проти ефектів активних форм кисню (АФК) мітохондрій, може уповільнити умовне старіння дріжджів, якщо надмірно експресується протягом стаціонарної фази.
Сильно пов'язаним із старінням вищих організмів є шлях інсуліну/IGF-1. Мутації, що впливають на інсуліно-подібну передачу сигналів у червів, мух і миш, часто пов'язані із збільшеною тривалістю життя. Цей шлях пригнічується за умовами обмеження калорій, і у свою чергу впливає на тривалість життя через механізм, залежний від білків p53/p21/Akt[24].
У дріжджах, активність Sir2 регулюється нікотинамідазою PNC1. Виробництво PNC1 збільшується на рівні транскрипції за умовами стресу, наприклад, під час низькокалорійної дієти, теплового або осмотичного шоку. Перетворюючи нікотинамід на ніацин, він усуває нікотинамід, який інгібує активність Sir2. Нікотинамідаза знайдена і у людини, де вона відома як PBEF і, можливо, виконує подібну функцію, а секретована форма PBEF, відома як вісфатін, можливо, допомагає регулювати рівень інсуліну в сироватці. Не відомо, проте, чи ці механізми також існують у людини через значні відмінності в фізіології миші та людини.
Було показано, що активність Sir2 зростає за умовами обмеження калорій в дієті мишей. Через відсутність доступної глюкози в клітинах утворюється більше вільного NAD+, що приводить до активації Sir2. Резвератрол, поліфенол знайдений в деяких фруктах, збільшує тривалість життя дріжджів, червів та мух за рахунок активізації діяльності Sir2 та імітації ефекту низькокалорійної дієти.
За деякими даними, процесу старіння можуть сприяти і флуктуації в експресії багатьох генів[25]. Індивідуальні, генетично ідентичні клітини можуть мати істотно різні відповіді на зовнішні стимули і помітно різні тривалості життя, указуючи, що епігенетичні фактори грають важливу роль у експресії генів і старінні.
Генетика старіння бактерій
Набагато менше відомо про старіння бактерій, незважаючи на їхню простішу структуру та зручність дослідження. Серед бактерій найкраще відомі зміни, що відбуваються під час умовного старіння (хронологічного старіння у стаціонарній фазі) бактерії E. coli[26].Більшість генетично контрольованих змін під час умовного старіння E. coli відбуваються через зміну в рівні експресії сігма-фактору σs, який відповідає за експресію генів, пов'язаних за ремонт пошкоджених білків, аналогічно гену C. elegans daf-16 та генам дріжджів RAS/PKA. σs конкурує з іншим сігма-фактором, σ70, який відповідає за ріст бактерії, і ніколи не експресується у «повну силу». Таким чином, бактерія продовжує обмежений ріст навіть в умовах стаціонарної фази, що надає їй можливість швидко відновити ріст, якщо умови змінюються, але недоліком є неможливість σs впоратися із значним окислювальним стресом. Таким чином, залишкова активність σ70 у стаціонарній фазі є прикладом так званої антагоністичної плейотропії (див. нижче), типу генетичної системи, яка розвивається за рахунок позитивного ефекту на одних стадіях життя, незважаючи на негативний ефект на інших, рідкісніших, стадіях.
Причини старіння
Історія дослідження
Перші спроби наукового пояснення старіння почалися наприкінці 19 століття. У одній з перших робіт Вейсман[27] запропонував теорію походження старіння як риси, що виникла в результаті еволюції. Згідно з ним, «старіючі організми не тільки не є корисними, вони шкідливі, тому що займають місце молодих», що, згідно з Вайсманом, повинно було привести еволюцію до виникнення старіння.Важливим кроком у дослідженні старіння була доповідь професора Пітера Медавара перед Лондонським королівським товариством в 1951 році під назвою «Нерозв'язана проблема біології»[28]. У цій лекції від підкреслив, що тварини в природі рідко доживають до віку, коли старіння стає помітним, таким чином еволюція не могла впливати на процес розвитку старіння. Ця робота поклала початок цілої серії нових досліджень.
Протягом наступних 25 років дослідження мали переважно описовий характер. Проте, починаючи з кінця 70-х років, виникає велика кількість теорій, які намагалися пояснити старіння. Наприклад, у відомому огляді, опублікованому Калебом Фінчем в 1990 році, нараховувалося біля 4 тис. посилань[29]. Тільки у кінці 1990-х років ситуація почала прояснятися, і більшість авторів почали приходити до спільних висновків.
Всі теорії старіння можливо умовно поділити на дві великі групи: еволюційні теорії та теорії, засновані на випадкових пошкодженнях клітин. Перші пропонують, що старіння є не необхідною рисою живих організмів, а запрограмованим процесом. Згідно з ними, старіння розвинулося в результаті еволюції через деякі переваги, які воно надає цілій популяції. На відміну від них, теорії пошкодження пропонують, що старіння є результатом природного процесу накопичення пошкоджень з часом, з якою організм намагається боротися, а відмінності старіння між організмами є результатом різної ефективності цієї боротьби. Зараз останній підхід вважається встановленим в біології старіння[30][31][32]. Проте, деякі дослідники все ще захищають еволюційний підхід[10], а деякі інші зовсім відкидають поділ на еволюційні теорії та теорії пошкоджень. Останнє ствердження є частково результатом зміни термінології: у деяких роботах останнього часу термін «еволюційні теорії» посилається не на теорії «запрограмованого старіння», що пропонують еволюційне виникнення старіння як корисного явища, а на підхід, що описує чому організми повинні старіти у протилежність питанню про біохімічні та фізіологічні основи старіння.
Чому виникає старіння
Еволюційно-генетичний підхід
Перша ідея, що лягла в основу генетичного підходу, була запропонована Пітером Медаваром в 1952 році[28] і відома зараз як «теорія накопичення мутацій» (англ. Mutations accumulation theory). Медавар відмітив, що тварини в природі дуже рідко доживають до віку, коли старіння стає помітним. Згідно з його ідеєю, алелі, що проявляються протягом пізніх періодів життя і що виникають в результаті мутацій зародкових клітин, піддаються досить слабкому еволюційному тиску проти себе, навіть якщо в результаті них страждають такі риси, як виживання та розмноження. Таким чином, ці мутації можуть накопичуватися в геномі протягом багатьох поколінь. Проте, будь-яка особина, що зуміла уникнути смерті протягом довгого часу, випробує на собі їхню дію, що проявляється як старіння. Те ж саме вірно і для тварин у захищених умовах.На додаток, у 1957 році Д. Вільямс[33] запропонував існування плейотропних генів, які мають різний ефект на виживання організмів протягом різних періодів життя, тобто корисні у молодому віці, коли ефект природного відбору сильний, та шкідливі пізніше, коли ефект природного відбору слабкий. Ця ідея зараз відома як «антагоністична плейотропія» (англ. Antagonistic pleiotropy).
Разом ці дві теорії складають основу сучасних уяв про генетику старіння[32]. Проте, ідентифікація відповідних генів мала лише обмежений успіх. Свідоцтва про накопичення мутацій залишаються спірними[34], тоді як свідоцтва наявності плейотропічних генів сильніші, але й вони бракують деталей. Прикладами плейотропних генів можна назвати теломеразу у еукаріотів та сігма-фактор σ70 у бактерій. Хоча відомо багато генів, що впливають на тривалість життя різних організмів, інших чітких прикладів плейотропних генів все ще немає[35].
Еволюційно-фізіологічний підхід
Хоча і відомо кілька специфічних генів, запропонованих теоріями накопичення мутацій та антагоністичної плейотропії, безпосереднього зв'язку із старінням показано не було, тим більш не було показано, що ефект цих генів типовий для всіх організмів та відповідає за всі аспекти старіння. Тобто ці гени можуть розглядатися лише як кандидати на роль генів, передбачених теорією. З іншого боку, ряд фізіологічних ефектів, передбачених в роботі Вільямса 1957 року про антагоністичну плейотропію[33], показані без визначення генів, що відповідають за них. Часто ми можемо розмовляти про компроміси, аналогічні передбаченим цією теорією, без чіткого визначення генів, від яких вони залежать. Фізіологічна основа таких компромісів закладена у так званій «теорії одноразової соми» (англ. Disposable soma theory)[36]. Ця теорія задається питанням, як організм має розпорядитися своїми ресурсами (у першому варіанті теорії мова йшла тільки про енергію) між підтримкою та ремонтом соми та іншими функціями, необхідними для виживання. Необхідність компромісу виникає через обмеженість ресурсів та необхідність вибору найкращого шляху їхнього використання.Підтримка соми повинна виконуватися лише настільки, наскільки це необхідно протягом звичайного часу виживання у природі. Наприклад, оскільки 90 % диких мишей вмирає протягом першого року життя, переважно від холоду, інвестиції ресурсів у виживання протягом довшого часу будуть стосуватися лише 10 % популяції. Таким чином, 3-річна тривалість життя мишей повністю достатня для всіх потреб у природі, а з точки зору еволюції, ресурси слід витрачати, наприклад, на покращення збереження тепла або розмноження, замість боротьби із старістю. Таким чином, тривалість життя миші найкраще відповідає екологічним умовам її життя.
Теорія одноразової соми робить кілька передбачень щодо фізіології процесу старіння. Згідно з цією теорією, старіння виникає в результаті неідеальних функцій ремонту і підтримки соматичних клітин, що адаптовані для задоволення екологічних потреб. Пошкодження, у свою чергу, є результатом стохастичних процесів, пов'язаних з життєдіяльністю клітин. Довголіття контролюється за рахунок контролю генів, що відповідають за ці функції, а безсмертя генеративних клітин, на відміну від соми, є результатом більших витрат ресурсів та, можливо, відсутності деяких джерел пошкоджень.
Як виникає старіння
Молекулярні механізми
Існують свідоцтва кількох найважливіших механізмів пошкодження макромолекул, які звичайно діють паралельно один одному або залежать один від одного[32]. Здається, будь-який з цих механізмів може займати домінуючу роль за певними обставинами.У багатьох з цих процесів важливу роль приймають активні форми кисню (зокрема вільні радикали), набір свідоцтв про їхній вплив був отриманий досить давно і зараз відомий під назвою «вільно-радикальної теорії старіння». Зараз, проте, механізми старіння набагато більше деталізовані.
Теорія соматичних мутацій. Багато робіт показали збільшення з віком числа соматичних мутацій та інших форм пошкодження ДНК, пропонуючи репарацію (ремонт) ДНК в якості важливого фактора підтримання довголіття клітин. Пошкодження ДНК типові в клітинах, та викликаються такими факторами як жорстка радіація та активні форми кисню, і тому цільність ДНК може підтримуватися тільки за рахунок механізмів репарації. Дійсно, існує залежність між довголіттям та репарацією ДНК, як це було продемонстровано на прикладі ферменту полі-АДФ-рибоза-полімераза-1 (PARP-1), важливого гравця в клітинній відповіді на викликане стресом пошкодження ДНК[37]. Вищі рівні PARP-1 асоціюються з більшою тривалістю життя.
Накопичення сміття і змінених білків. Також важливим для виживання клітини є кругообіг білків, для якого критичне усунення пошкоджених та зайвих білків. Окислені та карбонільовані білки є типовим результатом впливу активних форм кисню, що утворюються в результаті багатьох метаболічних процесів клітини та часто перешкоджають коректній роботі білка. Проте, механізми репарації не завжди можуть розпізнати пошкоджені білки[26] та стають менш ефективними з віком[32] за рахунок зниження активності протеасом[38]. У деяких випадках, білки є частиною статичних структур, таких як клітинна стінка, які не можуть бути легко зруйновані. Кругообіг білків залежить також і від білків-шаперонів, які допомагають білкам отримувати належну конформацію. Проте, з віком спостерігається зниження їхньої активності[39], хоча це зниження може бути результатом перевантаження шаперонів (та протеазом) пошкодженими білками.
Існують свідоцтва, що накопичення пошкоджених білків дійсно відбувається з віком та може відповідати за такі асоційовані з віком захворювання як хвороба Альцгеймера, хвороба Паркінсона та катаракта.
Мітохондріальна теорія. Важливий зв'язок між молекулярним стресом та старінням був запропонований, засновуючись на накопиченні мутацій в мітохондріальній ДНК (мтДНК)[40]. Ці дані були підкреплені спостереженням зростання з віком числа клітин, що бракують цитохром-с-оксидази (COX), асоційованих з мутаціями мтДНК. Такі клітини часто мають порушення у виробництві АТФ та клітинному енергетичному балансі.
Втрата теломер. В багатьох клітинах людини втрата здатності клітин до поділу пов'язана із втратою теломер на кінцях хромосом, що витрачаються після певної кількості поділів. Це трапляється через відсутність ферменту теломерази, який звичайно експресується тільки у зародкових та стовбурових клітинах. Нещодавно було знайдено, що окислювальний стрес (надмірне виділення активних форм кисню) також може мати ефект на втрату теломер, значно прискорюючи цей процес у певних тканинах[41].
Системні та мережеві механізми
На перших етапах дослідження старіння, численні теорії розглядалися як конкуруючі в поясненні ефекту старіння. Проте, зараз здається, що багато механізмів пошкодження клітин діють паралельно, і клітини також повинні витрачати ресурси на боротьбу з багатьма механізмами. Для дослідження взаємодії між всіма механізмами боротьби та пошкодження був запропонований системний підхід до старіння, який намагається одночасно прийняти до уваги багато таких механізмів. Більш того, цей підхід здатний чітко розрізнити механізми, що діють на різних стадіях життя організму. Наприклад, поступове накопичення мутацій у мітохондріальній ДНК з часом приводить до накопичення активних форм кисню та зниження виробництва енергії, що у свою чергу приводить до збільшення швидкості пошкодження ДНК та білків клітини.Іншій аспект, який робить системний підхід привабливим, це розуміння різниць між різними типами клітин та тканин організму. Наприклад, клітини, що активно діляться, ймовірніше постраждають від накопичення мутацій та втрати теломер, ніж диференційовані клітини. Проте, диференційовані клітини ймовірніше постраждають від пошкодження білків, які швидко розбавляються новими білками в клітинах, що щвидко діляться. Навіть якщо клітина втрачає здатність до проліферації за рахунок процесів старіння, баланс механізмів пошкодження в ній зсувається.
Популяційний підхід
Першим законом старіння є закон Ґомпертца, що пропонує просту кількісну модель старіння. Цей закон надає можливість відокремити два типа параметрів процесу старіння. Дослідження відхилення закону старіння від кривої Ґомпертца можуть надати додаткову інформацію щодо конкретних механізмів старіння даного організму. Найвідоміший ефект такого відхилення — вихід смертності на плато у пізньому віці замість замість експоненціального зростання, спостережений у багатьох організмах[6]. Для пояснення цього ефекти було запропоновано кілька моделей, серед яких варіації моделі Стрелера-Мілдвана[43] та теорії надійності[44].
Системні моделі загалом розглядають багато окремих факторів, подій і явищ, що безпосередньо впливають на виживання організмів і породження потомства. Ці моделі загалом розглядають старіння як баланс і перерозподіл ресурсів як в фізіологічному (впродовж життя одного організму), так і в еволюційному аспектах. Зазвичай, особливо в останньому випадку, мова йде про розподіл ресурсів між безпосередніми витратами на породження потомства і витратами на виживання батьків[42].
Клітинна відповідь на старіння
Важливим питанням старіння на рівні клітин та тканин є клітинна відповідь на пошкодження. Через стохастичну природу пошкоджень, окремі клітини старіють, наприклад через досягнення межі Гейфліка, швидше за решту клітин. Такі клітин потенційно можуть загрожувати здоров'ю всієї тканини. У найбільшій мірі така загроза проявляється серед стовбурових клітин та клітин, що проходять через швидкий поділ, таких як клітини кісткового мозку або епітелію кишечника, через великий потенціал таких тканин до створення мутантних, можливо ракових, клітин. Відомо, що саме клітини цих тканин швидко відповідають на пошкодження ініціацією програми апоптозу. Наприклад, навіть низькі дози радіації (0,1 Gy) викликають апоптоз в клітинах епітелію кишечника, а навіть слабкий хімічний стрес викликає апоптоз стовбурових клітин старих мишей.Як правило, в таких тканинах масовий апоптоз є ознакою зростання числа пошкоджень клітин. Проте, в інших тканинах відповіддю на зростання рівню пошкоджень може бути арешт клітини на певній стадії клітинного циклу для припинення поділу[32]. Баланс між апоптозом та арештом пошкоджених клітин найважливіший як компроміс між старінням та раком[45]. Тобто, або організм повинен вбити пошкоджені клітини, або дати їм можливість існувати, збільшуючи ризик виникнення раку. Таким чином, p53 і скорочення теломер, важливі фактори у викликанні апоптозу клітин, можуть розглядатися як приклад антагоністичної плейотропії, як було вказано вище.
У підсумку, згідно з сучасними поглядами, клітина старіє через накопичення пошкоджень. Швидкість цього накопичення визначається, у першу чергу, генетично визначеними витратами на ремонт та підтримку клітинних структур, які у свою чергу визначаються організмом для задовольняння своїх екологічних потреб. Довго-живучі організми мають більші витрати (інколи повільніший метаболізм), що приводить до повільнішого накопичення пошкоджень. Для боротьби з ризиком, який створюють пошкоджені клітини, організм має систему механізмів для боротьби з ними, які часто залучають другий ряд компромісів.
Старіння і людина
Демографія старіння
Віковий склад населення звичайно зображується у вигляді віково-статевих пірамід, на яких доля населення у кожному віці зображується залежно від віку. На таких пірамідах старіння населення виглядає як зростання долі старих людей наверху піраміди за рахунок молоді унизу. Процес старіння, таким чином, може бути двох типів: «старіння знизу», або зменшення народжуваності, та «старіння зверху», або збільшення середньої тривалості життя. У більшості країн світу старіння знизу є найбільшим з двох факторів, а у пост-радянських країнах, включаючи Україну, — єдиним. В Україні старіння населення частково компенсується падінням тривалості життя (з 71 року в 1989 році до 68 в 2005[46]), як через погіршення медичного обслуговування та збільшення соціальної нерівності, так і через розповсюдження епідемії СНІДу. Загалом у світі, згідно з даними ООН, відсоток населення старше 60 років становив 8 % у 1950 році, 10 % у 2000, та очікується на рівні 21 % у 2050.
Старіння населення має значний вплив на суспільство. Старі люди ймовірніше зберігатимуть гроші замість витрачання їх на товари широкого споживання. Це приводить до значного дефляційного тиску на економіку. Деякі економісти, особливо японські, бачать переваги в цьому процесі, виключно можливість просування автоматизації виробництва без загрози збільшення безробіття та рішення проблеми перенаселення. Проте, негативний ефект відчувається у системі соціального забезпечення та пенсій, які у багатьох країнах, переважно у Європі, фінансуються за рахунок податків з працюючої частини населення, яка постійно зменшується. Крім того, значний вплив здійснюється і на освіту, що проявляється як в зниженні державних витрат, так і в погіршенні загального рівня грамотності через повільнішу можливість старіючого населення пристосовуватися до зростаючих стандартів. Таким чином, контроль старіння населення та адаптація суспільства до нових умов є найважливішими задачами демографічної політики.
Соціологія старіння
Юридичні аспекти
Хоча у більшості країнах деякі права та обов'язки надаються людині починаючи з певного віку (такі як право голосу, право купувати алкоголь або кримінальна відповідальність), часто старі люди позбавляються деяких прав. Типовим прикладом є право водити машину, яке обмежується у багатьох країнах максимальним віком (звичайно 70-75 років).Економічні аспекти
Старі люди перш за все відрізняються тенденцією зберігання та інвестування грошей замість витрачання їх на споживчі товари. Крім того, загалом старе населення вибуває з числа робочої сили, збільшуючи навантаження на активних працівників, але й відкриваючи дорогу до автоматизації виробництва, як було вказано вище.Охорона здоров'я
Через велику кількість хвороб похилого віку та загальне зниження працездатності з віком, старе населення вимагає більших витрат на медичне та соціальне обслуговування. Багато розвинених країн очікують значне старіння населення найближчим часом, і тому турбуються щодо значного збільшення витрат для збереження якості охорони здоров'я на належному рівні. Напрямок діяльності з ціллю подолання цієї проблеми полягає в поліпшенні ефективності роботи системи охороно здоров'я, цілеспрямованіше надання допомоги, підтримка альтернативних організацій надання медичної допомоги та вплив на демографічну ситуацію.Культурні варіації
Існує багато варіацій між країнами як у визначенні старіння, так і у відношенні до нього. Наприклад, пенсійний вік варіюється між країнами у діапазоні від 55 до 70 років. На додаток, у багатьох суспільствах, переважно традиційних аграрних культурах, старість є ознакою мудрості, а старі люди мають великий вплив на суспільство.«Успішне старіння»
У наступній публікації[48], автори визначили поняття «успішного старіння» як комбінацію наступних факторів, що повинні супроводжувати старіння:
1. Низька вірогідність хвороб або інвалідності;
2. Високі можливості до навчання та фізичної діяльності;
3. Активне втягнення у життя суспільства.
Ці цілі можуть бути досягнуті як за допомогою суспільства, так і завдяки свідомим зусиллям старих людей з навчання та підтримки соціальних зв'язків, особливо з людьми молодшої вікової групи.
Спроби збільшення тривалості життя
Існує кілька можливих стратегій, за рахунок яких дослідники сподіваються зменшити швидкість старіння та продовжити життя. Наприклад, тривалість життя збільшується до 50 % в результаті обмеження калорій в дієті, яка загалом залишається здоровою, у багатьох тварин, включаючи деяких ссавців (гризунів). Хоча впливу цього фактору на тривалість життя людини та інших приматів поки що не знайдено, наявних даних все ще не вистачає, і дослідження продовжуються. Інші сподіваються на омолодження тканин за допомогою стовбурових клітин, заміну органів (штучними органами або органами, вирощеними для цієї цілі, наприклад, за допомогою клонування) або хімічними та іншими засобами (антиоксиданти, гормональна терапія), які б впливали на молекулярний ремонт клітин організму. Проте, в наш час[Коли?] значного успіху все ще не досягнуто і не відомо коли, через роки або десятиліття, відбудеться значний прогрес у цій галузі.
Проте, питання, чи слід збільшувати тривалість життя, зараз є питанням численних дебатів на політичному рівні, а основна опозиція переважно складається з представників деяких релігійних концесій.
Немає коментарів:
Дописати коментар