2.3. Теорії старіння клітин
Механізми старіння достатньо складні і різноманітні. Сьогодні існує більше 200 альтернативних теорій процесу старіння, які частково суперечать одна одній, а частково – доповнюють. Сучасна біологія приділяє проблемі старіння дуже велику увагу, і з кожним роком з'являються нові факти, що дозволяють глибше зрозуміти механізми цього процесу.
Гіпотеза, за якою причиною старіння є зміни генетичного апарату клітини, є однією з найбільш визнаних у сучасній геронтологіі. Молекулярно-генетичні теорії поділяються на дві великі групи. Одні вчені розглядають вікові зміни генома як спадково запрограмовані. Інші вважають, що старіння – результат накопичення випадкових мутацій. Звідси випливає, що процес старіння може бути або закономірним результатом росту і розвитку організму, або наслідком накопичення випадкових мутацій в хромосомах в результаті зношування механізмів репарації ДНК – виправлення помилок при її копіюванні під час ділення клітин.
Теломерна теорія
У 1961 році американські геронтологи Л. Хейфлік і П. Мурхед довели, що навіть в ідеальних умовах культивування фібробласти ембріона людини здатні ділитися лише певну кількість разів (50±10), після чого їх здатність до проліферації вичерпується, причому в такому стані вони здатні перебувати тривалий час. Дана властивість, названа клітинним старінням («ліміт Хейфліка»), успадковується генетично і не залежить від умов культивування клітин.
У 1971 А. М. Оловников запропонував теорію маргінотоміі. В соматичних клітинах при кожній реплікації через особливості роботи ферментів реплікації (ДНК-полімерази) недореплікуються кінці хромосом – теломери. Так, в результаті постійного укорочення хромосом при кожному мітозі недореплікація захоплює області генома, суттєві для виживання клітин, що і призводить до загибелі клітин і старіння організмів. Однак стовбурові і ракові можуть ділитися практично нескінченно, добудовуючи укорочені теломери.
У 1985 була відкрита теломераза (Грейдер і Блекборн). Теломераза – фермент (білок), основна функція якого – добудовувати нові нуклеотидні послідовності в теломерних ділянках хромосом. Теломераза несе власну РНК-матрицю, і тому відноситься до класу зворотних транскриптаз. Встановлено, що репресія теломерази визначає клітинне старіння в культурі («ліміт Хейфліка») і клітини хворих синдромом передчасного старіння мають укорочені теломери [3]. При введенні теломерази в клітини фібробластів людини, які в нормі діляться лише 75-80 разів, дані клітини здатні ділитися 280 разів без будь-яких ознак старіння і патології. Не викликає сумніву, що багато клітин, що діляться в організмі, в тому числі фібробласти людини, не встигають за людське життя повністю вичерпати «ліміт Хейфліка». У зв'язку з цим А. М. Оловников вважає «ліміт Хейфліка», при всій його абсолютної достовірності, лабораторним феноменом. Основна властивість теломерази – контроль клітинного ділення, а для виникнення пухлинного росту необхідні додаткові мутації і чинники.
При старінні відбувається не якісна, а кількісна зміна різних ознак, число яких величезне. Згідно фонтанної теорії іонної модуляції експресії генів, їх продуктивність змінюється в залежності від надходження іонів з перинуклеарної цистерни всередину ядра через передбачувані фонтанні РНК-(фРНК)-залежні іонні (кальцієві та цинкові) канали внутрішньої ядерної мембрани. Коли теломери стають в старіючих клітинах занадто короткими, фРНК-залежні іонні канали можуть стати недоступними для субтеломерних генів. Це може кількісно міняти продуктивність відповідних генів і служити фактором клітинного старіння [4].
Теорія апоптозу (самогубства) клітин
Теорію обґрунтував академік В.П. Скулачов. Він припустив, що клітина закінчує свій життєвий цикл і самознищується, щоб її місце зайняла нова і здорова. Старіння – результат того, що в організмі гине більше клітин, ніж народжується, а відмираючі функціональні клітини замінюються сполучною тканиною.
Апоптоз – програмована клітинна загибель (ПКЗ). Для організму в цілому «безпечніше» мати механізми елімінації генетично пошкоджених клітин, ніж ризик виникнення вогнищ неконтрольованого автономного зростання. В багатоклітинних організмі апоптоз виступає як невід'ємна компонента механізмів підтримки клітинного гомеостазу, тісно пов'язана з мітозом. Вибір конкретної «стратегії» організму – репарації ДНК, блокади проліферації або апоптозу, залежить значною мірою від типу клітин, їх локалізації, мікрооточення, характеру шкідливого чинника і ступеня ушкодження. У кожному разі ефективна відповідь на пошкодження ДНК є ключовою ланкою для виживання багатоклітинного організму . Однак між розглянутими явищами є і суттєві відмінності: якщо при апоптозі протягом декількох годин відбуваються загибель і дезінтеграція клітин, то при старінні, незважаючи на зупинку поділу, клітини тривало зберігають свою життєздатність. Ще одна відмінність між двома станами полягає в тому, що індукування апоптозу зовнішніми сигналами відбувається незалежно від віку клітин, в той час як темпи реалізації програми старіння цілком визначаються числом попередніх подвоєнь клітинної популяції. Принципове значення має той факт, що клітини при старінні не тільки припиняють поділ, але одночасно набувають стійкості до індукторів апоптозу. Загальновідомо, що основним механізмом загибелі клітин під впливом хіміотерапевтичних агентів є апоптоз. Ініціація апоптозу у відповідь на генотоксичні пошкодження відбувається за участю продукту гена р53. Тому мутації гена р53 сполучені з підвищеною резистентністю до хіміопрепаратів і радіації. Апоптоз виступає в якості одного з механізмів, що захищають організм від клітин, несучих генетичні ушкодження, що призводять до злоякісної трансформації [5]. В шкірі літніх людей є велика кількість старіючих фібробластів. Крім того, шкіра літніх високо чутлива до канцерогенної дії ультрафіолету, а також у неї знижена здатність до загоєння ран. Накопичення в тканинах з віком резистентних до апоптозу старіючих клітин, можливо, призводить до акумуляції множинних ушкоджень, а згодом – до неоплазії, нейродегенеративних процесів або вторинної смерті, наприклад, внаслідок інфаркту міокарда.
Таким чином, аналіз взаємозв'язку апоптозу і старіння показує, що одним з проявів процесу старіння є поломка механізму регуляції апоптозу. Дане порушення лежить в основі клітинного старіння і знаходить своє відображення у вигляді порушення клітинного гомеостазу при «нормальному» старінні і при формуванні вікової патології.
Елеваційна (онтогенетична) теорія
На початку 1950-х років відомий вітчизняний геронтолог В. М. Дільман висунув і обґрунтував ідею про існування єдиного регуляторного механізму, що визначає закономірності вікових змін різних гомеостатичних (підтримуючих постійність внутрішнього середовища) систем організму. За гіпотезою Дільмана, основною ланкою механізмів як розвитку (лат. elevatio – підйом, в переносному значенні – розвиток), так і подальшого старіння організму є гіпоталамус – «диригент» ендокринної системи. Головна причина старіння - це вікове зниження чутливості гіпоталамуса до регуляторних сигналів, що надходять від нервової системи і залоз внутрішньої секреції. Протягом 1960- 80-х рр. за допомогою експериментальних досліджень і клінічних спостережень було встановлено, що саме цей процес призводить до вікових змін функцій репродуктивної системи та гіпоталамо-гіпофізарно-надниркової системи, що забезпечує необхідний рівень вироблюваних корою наднирників глюкокортикоїдів – «гормонів стресу», добові коливання їх концентрації та підвищення секреції при стресі, і, в кінцевому підсумку, до розвитку стану так званого «гіперадаптоза». За концепцією Дільмана, старіння та пов'язані з ним хвороби – це побічний продукт реалізації генетичної програми онтогенезу – розвитку організму. Онтогенетична модель вікової патології відкрила нові підходи до профілактики передчасного старіння і хвороб, пов'язаних з віком і є основними причинами смерті людини: хвороб серця, злоякісних новоутворень, інсультів, метаболічної імунодепресії, атеросклерозу, цукрового діабету літніх людей і ожиріння, психічної депресії, аутоімунних та деяких інших захворювань. З онтогенетичної моделі випливає, що розвиток хвороб і природних старечих змін можна загальмувати, якщо стабілізувати стан гомеостазу на рівні, що досягається до закінчення розвитку організму. Якщо сповільнити швидкість старіння, то, як вважав В. М. Дільман, можна збільшити видові межі життя людини [6].
Адаптаційно-регуляторна теорія
Модель старіння, розроблена видатним українським фізіологом і геронтологом В.В. Фролькісом в 1960-70-х рр., заснована на широко поширеному уявленні про те, що старість і смерть генетично запрограмовані. Цікавість теорії Фролькіса полягає в тому, що віковий розвиток і тривалість життя визначаються балансом двох процесів: поряд з руйнівним процесом старіння розгортається процес «антистаріння», для якого Фролькіс запропонував термін «вітаукт» (лат. vita – життя, auctum – збільшувати) . Цей процес спрямований на підтримку життєздатності організму, його адаптацію, збільшення тривалості життя. Уявлення про антистаріння (вітаукт) отримали широке поширення. Так, в 1995 р. в США відбувся перший міжнародний конгрес з цієї проблеми. Істотним компонентом теорії Фролькіса є розроблена ним генорегуляторна гіпотеза, за якою первинними механізмами старіння є порушення в роботі регуляторних генів, керуючих активністю структурних генів і, в результаті, інтенсивністю синтезу закодованих в них білків. Вікові порушення генної регуляції можуть привести не тільки до зміни співвідношення синтезованих білків, але і до експресії раніше не працючих генів, появі білків, які раніше не синтезувалися, і, як результат, до старіння і загибелі клітин. В. В. Фролькіс вважав, що генорегуляторні механізми старіння є основою розвитку поширених видів вікової патології – атеросклерозу, раку, діабету, хвороб Паркінсона й Альцгеймера. Залежно від активації або придушення функцій тих чи інших генів і розвиватиметься той чи інший синдром старіння, та чи інша патологія. На основі цих уявлень була висунута ідея генорегуляторної терапії, покликаної попереджати зрушення, що лежать в основі розвитку вікової патології [7-8].
Теорія вільних радикалів
Практично одночасно висунута Д. Харманом (1956) і Н. М. Емануелем (1958). Суть теорії: старіння обумовлено пошкодженням макромолекул клітин під дією власних вільних радикалів (ВР), які в нормі утворюються як побічні продукти метаболізму в кожній клітині. ВР - це активна форма кисню, яка синтезується в мітохондріях і необхідна для деяких біохімічних процесів організму. Відповідно до цієї теорії, віднайдені в мітохондріях клітин молекули ВР викликають пошкодження мембран, колагену, ДНК, хроматину, структурних білків, а також беруть участь в епігенетичній регуляції експресії ядерних та мітохондріальних генів, приводячи до метилювання ДНК, впливають на внутрішньоклітинний рівень кальцію і т.д. Підраховано, що за 70 років організм людини виробляє близько 1 т радикалів кисню, хоча тільки 2-5% вдихуваного з повітрям кисню перетворюється в його токсичні радикали [9]. Переважна більшість з них нейтралізується ще до того, як встигнуть пошкодити ті чи інші компоненти клітини. Так, за даними Л. К. Обухової [10], з 1 млн. утворюваних супероксидних радикалів від ферментного захисту вислизає не більше 4. Якби не існувало механізмів інактивації ВР, то вони викликали б швидке руйнування біологічних структур. До основних ендогенних факторів антиоксидантного захисту (АОЗ) організму відносяться деякі ферменти і вітаміни: каталаза (каталізує розкладання Н2О2 до води і кисню), глутатіонпероксидаза (що робить те ж саме, але з використанням відновленого глутатіону GSH в якості другого субстрату), β-каротин, вітамін Е-α-токоферол (імовірно, що перехоплює перекисні радикали RO2), вітамін С, або аскорбінова кислота (імовірно, для реактивації вітаміну Е), сечова кислота, мелатонін, хелатні агенти і фермент супероксиддисмутаза (СОД) – каталізуючий дисмутацію O2 в Н2О2, захищає субклітинні структури від цих радикалів – Сu, Zn-СОД (СОД1) в цитозолі, Mn-СОД (СОД2) – в мітохондріях і Fe-СОД – в аеробних бактеріях [11].
Теорія одноразової (витрачуваної) [12] соми
Запропонована у 1977 Т. Кірквудом. Ця теорія задається питанням, як організм повинен розпорядитися своїми ресурсами (у першому варіанті теорії мова йшла тільки про енергію) між підтримкою і ремонтом соми та іншими функціями, необхідними для виживання. Необхідність компромісу у використанні цих ресурсів виникає у зв'язку з обмеженістю ресурсів і необхідністю вибору кращого шляхи їх використання.
Основний постулат теорії свідчить, що старіння виникає через прогресуючі обмеження у витратах організму на підтримання та репарацію соми (соматичних клітин – всіх клітин організму, за винятком гамет), які виникають завдяки конкуренції з потребою в енергії та репродукції. Старіння, таким чином, відбувається в результаті накопичення ушкоджень в клітинах і тканинах. Максимальна тривалість життя не визначена чіткими часовими рамками, вона може піддаватися зміні, наприклад, за допомогою варіювання між ушкодженнями і посиленням функцій підтримки соми.