<<
>>

Генетика продолжительности жизни

Продолжительность жизни, т. е. способность поддер­живать жизнеспособность организма длительное время, является комплексным количественным признаком, вносящим определяю- ший вклад в дарвиновскую приспособленность.

Раскрытие гене­тической структуры долгожительства — фундаментальная проб­лема эволюции онтогенеза, эволюционной генетики и молекуляр- 30 ной геронтологии. Среди множества факторов, ограничивающих продолжительность жизни, включая несчастные случаи, голод и насильственную гибель, только старение является внутренней при­чиной (Flatt, 2004; Vijg, Suh, 2005). Даже в благоприятных лабо­раторных условиях старение имеет место у подавляющего боль­шинства животных. К сожалению, в эксперименте крайне трудно отделить биологический компонент продолжительности жизни от остальных (Poirier, Seroude, 2005).

Старению можно дать такое рабочее определение: это потеря приспособленности, проявляющаяся после достижения максиму­ма репродуктивной функции (Vijg, Suh, 2005). На популяционном уровне старение выражается в снижении способности давать по­томство и в увеличении вероятности гибели.

Оно протекает с раз­ными скоростями у разных видов животных, а это, по всей ве­роятности, указывает на то, что скорость старения определяется не только механическим износом (Partridge, Gems, 2002). Таким об­разом, старение — комплексный результат взаимодействия генов и среды, регулируемый стрессом, метаболическими факторами и репродукцией (Heininger, 2002), а также защитными системами на уровне клетки, ткани и организма. В отличие от продолжитель­ности жизни, старение сложно оценить при помощи каких-либо простых критериев. Проявления его чрезвычайно сложны. Более того, многие из них могут быть частью патологий (Vijg, Suh,

2005) .

Как правило, при поиске «геронтогенов» (так называемых ге­нов старения и продолжительности жизни) у модельных объектов применяют фенотипический скрининг, который имеет целью вы­деление мутантных линий, характеризующихся свойствами, отра­жающими значительное изменение темпа старения.

Фенотипом, оцениваемым при таком скрининге, может быть либо сама про­должительность жизни, либо скорость функциональных наруше­ний, связанных со старением. Для ускорения темпов исследований могут быть оценены фенотипы стресс-ответа (устойчивость к теп - ловому и окислительному шоку), поскольку они часто связаны с увеличением продолжительности жизни (Poirier, Seroude, 2005). Функциональное старение модельных объектов можно измерить по возрастзависимой динамике поведенческих реакций. Жизне­способность, измеренная через анализ стереотипных поведенче­ских актов, снижается с возрастом предсказуемым образом. От­бор мутантных особей, проявляющих задержку функционального старения, является альтернативой исследования продолжитель­ности жизни (Poirier, Seroude, 2005).

Взгляд на старение как на процесс пассивного функционального постепенного спада поддерживается исследованиями, показы-31 вающими, что с возрастом происходит снижение общего синтеза РНК и белка (Brack et al., 1996; Tahoe et al., 2004). Однако такой вывод справедлив лишь отчасти. Дело в том, что наибольший вклад в общий синтез макромолекул вносит герминативная ткань. Глобальное снижение биосинтеза в пострепродуктивном возрасте можно считать результатом уменьшения именно ее вклада. Совре­менные молекулярные методы измерения активности определен­ных генов и белков в соматических тканях показали, что процесс старения является периодом воспроизводимых динамических из­менений. Уровень экспрессии одних генов возрастает, тогда как других — снижается, часто демонстрируя довольно сложные вре­менные паттерны. Причем эти изменения не являются стохас­тическим нарушением гомеостаза, поскольку стереотипно вос­производятся от животного к животному (Helfand, Inouye, 2002). Выделяют два вида изменений экспрессии генов при старении: ре­парацию (компенсационный ответ с позитивным эффектом) и де­регуляцию (ответ с нейтральным или негативным эффектом) (T o- wer, 1996). Скоординированное изменение экспрессии генов начи­нается в ранней зрелости (Lu et al., 2004; McCarroll et al., 2004).

Однако геномная регуляция еще не доказывает того, что старение «запрограммировано» или эволюционно селективно. Напротив, изменение экспрессии может быть ответом на случайные повреж­дения (молекулярные ошибки, оксидативный стресс) или отра­жать побочные плейотропные эффекты адаптивных генов (Bla­lock et al., 2003).

В идеале следует различать события, которые вызывают ста­рение, и те, что вызывают болезни. Оба этих феномена снижают продолжительность жизни у модельных организмов. Старение — это угасание, которое наблюдается у подавляющего большинства особей популяции, тогда как конкретные возрастзависимые болез­ни случаются лишь у некоторых из них. Применительно к модель­ным объектам можно сказать, что механизм или ген, относящийся к старению, будет проявляться у большинства лабораторных ли­ний дикого типа (Bitterman et al., 2003). Форма кривых выживания дрозофил, мышей и человека, представленная в безразмерных ве­личинах, практически одинакова. Этот факт может свидетельство­вать об универсальности фундаментального механизма старения (Акифьев и др., 1997). Таким образом, с определенными ограниче­ниями (см. разд. 1.3) результаты, полученные на одном модельном объекте, могут использоваться для объяснения старения других.

Ранние исследования генетических основ старения базирова­лись на использовании селективного скрещивания. В 60-х годах XX века на трех различных линиях Drosophila subobscura было по­казано увеличение продолжительности жизни в потомстве от ста- 32

рых долгоживущих родителей по сравнению с потомками от моло­дых родителей (Wattiaux, 1968). В 80-х годах удалось существенно увеличить среднюю продолжительность жизни как методом пря­мой селекции, так и косвенно — через отбор на позднюю репро­дукцию (Rose, Charlesworth, 1981; Luckinbill, Clare, 1985). Но­вый этап в исследованиях генетики продолжительности жизни начался в конце 80-х годов, когда были обнаружены мутации, спо­собные продлевать жизнь. Долгоживущая линия и связанная с ней мутация были впервые выявлены у нематоды Caenorhabditis ele- gans.

Так был открыт ген age-1, кодирующий компонент фосфои- нозитол-3-киназного (PI3K) каскада. Затем было показано увели­чение продолжительности жизни нематод в результате мутации гена daf-2 инсулиноподобного рецептора, контролирующего PI3K (Klass, Hirsh, 1976; Friedman, Johnson, 1988; Johnson, 1990; Kenyon et al., 1993). Дрожжи Saccharomyces cerevisiae стали следующим организмом, у которого были выявлены гены долгожительства (Kennedy et al., 1995). Как выяснилось позже, эти гены (например, Sir2) высококонсервативны в эволюции от дрожжей до человека (Fabrizio et al., 2005b). Наконец, в 1998 г. был открыт methuselah (mth) — первый «геронтоген» (ген, мутация в котором продле­вает жизнь) у дрозофилы (Lin et al., 1998). В следующем году были опубликованы результаты, свидетельствующие об увеличе­нии продолжительности жизни мышей с мутацией в гене p66 (Migliaccio et al., 1999). К данному моменту установлены десят­ки таких генов (см. ниже, табл. 5—8).

Однако исследователи в области генетики продолжительнос­ти жизни столкнулись с целым рядом проблем (Felkai et al., 1999). Так, вовлечение того или иного гена в процесс старения можно изучить лишь на интактном организме и в связи с его продол­жительностью жизни (такие эксперименты отличаются длитель­ностью), а изменение функций многих генов ведет к уменьшению продолжительности жизни, однако это может быть не только ре­зультатом ускорения нормального старения, но и следствием не­зависимой от старения специфичной патологии.

Решением последней проблемы может стать поиск генов, вы­ключение которых продлевает жизнь. Гены долгожительства мо­гут быть также идентифицированы путем измерения продолжи­тельности жизни мутантов со сверхэкспрессией гена-кандидата (Butler et al., 2003). Однако и здесь мы можем затронуть не меха­низмы самого старения, а, например, уровень метаболизма (путем снижения температуры или ограничения подвижности) или пло­довитость (Helfand, Rogina, 2003a, 2003b). Так или иначе, но мы не можем заплатить слишком высокую цену за долгожительство — пожертвовать качеством жизни (снижение репродукции или по- 33 движности).

Поэтому любое увеличение продолжительности жиз­ни в эксперименте должно сопровождаться измерениями уровня метаболизма, физической активности и репродукции (Helfand, Rogina, 2003a, 2003b).

Как часто бывает с признаками, связанными с приспособлен­ностью, продолжительность жизни уменьшается при инбредной депрессии и увеличивается при гетерозисе, когда разные инбред- ные линии скрещиваются друг с другом. Ранние исследования Гонзалеса и Пирла на дрозофиле выявили, что фиксация рецес­сивных мутаций снижает продолжительность жизни (Gonzalez, 1923; Pearl et al., 1923). Впоследствии Кларк и Мейнард Смит показали, что скрещивания между инбредными линиями Droso­phila subobscura приводят к удвоению средней продолжительнос­ти жизни (Clarke, Smith, 1955). А в 1995 г. Хьюджес выяснил, что инбридинг увеличивает прежде всего возрастзависимую (биоло­гическую) компоненту смертности, т. е. скорость старения (Hug­hes, 1995).

Г енетическая основа инбредной депрессии неясна. Инбридинг оказывает негативное влияние практически на все признаки, такие как репродукция, развитие и выживаемость. Предположительно, это вызывается возросшей гомозиготностью, приводящей либо к экспрессии вредных рецессивных аллелей, либо к снижению вкла­да локусов, которые проявляют сверхдоминирование. Эффекты инбридинга на жизнеспособность можно подразделить на чрез­мерно (например, летали) и умеренно (полулетали и квазинорма­ли) вредные. Межлинейные различия эффектов у дрозофил указы­вают на то, что инбредная депрессия в каждом случае определяет­ся различными генами. Вклад этих генов в старение зависит от частоты их аллелей в аутбредной популяции (Vermeulen, Bijlsma, 2004).

Генетические подходы обычно требуют унификации генетиче­ского фона, что увеличивает степень инбридинга и вероятность накопления вредных мутаций. Это приводит к искусственному снижению продолжительности жизни. Использование инбредных лабораторных линий в исследованиях старения является риско­ванным, поскольку фиксирование вредных аллелей в таких линиях может приводить к идентификации генов, продлевающих жизнь единственно путем ослабления инбредной депрессии, как генов долгожительства.

Генетические вмешательства могут просто «спа­сать» от вредных мутаций, не замедляя старения, а просто увели­чивая продолжительность жизни до «нормальной» (Helfand, Rogi­na, 2003a, 2003b; Swindell, Bouzat, 2006; Toivonen et al., 2007).

Существует вероятность, что известные эксперименты по се­лекции дрозофилы на увеличение продолжительность жизни у ла- 34

бораторных линий также могут просто восстанавливать исходную длительность жизни особей дикого типа. Как оказалось, продол­жительности жизни мух из вновь пойманной популяции и особей линии, селектируемой на долгожительство в лабораторных усло­виях в течение 20 лет, существенно не отличаются, так же как и скорости старения, оцениваемые по величине угла наклона линии Гомпертца (Linnen et al., 2001).

Сравнение продолжительности жизни в поколениях инбред- ной и аутбредной линий дрозофил, подвергаемых хроническому облучению ионизирующей радиацией в малых дозах, показало, что облучение инбредной линии значительно увеличивает про­должительность жизни мух, начиная со второго облучаемого по­коления. У аутбредной линии такого эффекта не наблюдали. Ве­роятно, это связано с радиационно-индуцированным подавлением инбредной депрессии (Москалев, Зайнуллин, 2006).

Несмотря на существенное, иногда на 85 %, продление жизни у ряда мутантов дрозофилы (methuselah, InR, Chico, Sod), зачас­тую они живут не дольше линий, недавно отловленных в дикой природе (Spencer et al., 2003). Эксперименты с использованием инбредных линий очень распространены. Результаты известных исследований долгожительства у трансгенных дрозофил, сверх- экспрессирующих ген Cu,Zn-Sod, могут быть артефактом, по­скольку генетический фон исходных линий сам по себе приводил к относительному укорочению их продолжительности жизни (Orr, Sohal, 2003). Сверхэкспрессия гена цитозольной Cu,Zn-SOD в долгоживущих линиях дрозофил не продлевает жизнь (Trifunovic et al., 2005). Знаменитый «геронтоген» дрозофилы Indy (I’m not dead yet), кодирующий транспортный белок промежуточных ком­понентов цикла Кребса и якобы увеличивающий продолжитель­ность жизни вдвое, также оказался артефактом. Причины этого артефакта — высокоинбредный генетический фон и зараженность внутриклеточным паразитом Wolbachia (Toivonen et al., 2007).

С другой стороны, использование только аутбредного фона тоже чревато проблемами — влияние невыравненного генетиче­ского фона может привести к ложным выводам. Одним из вариан­тов устранения проблемы является тестирование генетического вмешательства в разном генетическом окружении, включая дру­гие инбредные или аутбредные линии (Helfand, Rogina, 2003a, 2003b; Toivonen et al., 2007). Еще одним способом решения проб­лемы генетического фона является использование модифициро­ванных индуцибельных генов (содержащих регуляторные последо­вательности, активирующие экспрессию гена в ответ на внешнее воздействие — изменение температуры, добавление антибиотика и т. п.), поскольку в этом случае генетический фон идентичен, а различия обусловлены присутствием или отсутствием индуци­рующего агента. При этом мы исключаем также нежелательную активизацию мутации на ранних стадиях развития, так как она мо­жет обусловить снижение продолжительности жизни не за счет ускорения старения (процесса, протекающего у взрослой особи), а в силу повреждений на ранних стадиях онтогенеза, либо вовсе быть леталью (Helfand, Rogina, 2003a, 2003b).

Как следует из исследований, выполненных на организмах в ряду от дрожжей до человека, продолжительность жизни имеет выраженный генетический компонент (Vijg, Suh, 2005). Его вклад включает аддитивную и неаддитивную составляющие генетиче­ской дисперсии (меры изменчивости) наследуемости, достигаю­щие от 10 до 35 % (Finch, 1998; Flatt, 2004).

Поиск генов, вовлеченных в процесс старения, на генетиче­ски управляемых модельных организмах, таких как дрожжи, не­матоды, дрозофилы и мыши, показал, что старение регулируется специфическими генами, и позволил проанализировать механиз­мы этого влияния, включая физиологические изменения на уров­не организма, трансдукцию сигналов и регуляцию генов. Сходст­во фенотипов мутаций ортологичных генов у разных модельных видов демонстрирует, что подобные дефекты могут нарушать ре­гуляторные системы, контролирующие старение и у высших орга­низмов (Guarente, Kenyon, 2000). В то же время становится оче­видным, что организмы не запрограммированы на старение, одна­ко имеют программу продолжительности жизни, опирающуюся на активность систем самоподдержания и стресс-ответа (Vijg, Suh, 2005).

Многие механизмы старения могут быть идентичны у раз­личных видов, благодаря тому что все эукариоты функционально схожи между собой (Bitterman et al., 2003). Тем не менее стоит различать частные («приватные») и общие («публичные») «гены старения» (Martin et al., 1996). «Приватные» гены проявляются при случайных герминативных мутациях, которые нейтральны в раннем возрасте, но проявляют вредные свойства в старости. У че­ловека, например, они обусловливают некоторые возрастзависи- мые заболевания, такие как наследственные формы болезней Аль­цгеймера и Хантингтона. Сюда относятся и видоспецифичные «гены старения». Количество различных локусов таких генов, ве­роятно, очень велико, но мутации в них являются редкими. Общих (для всех особей вида и для разных видов) «генов старения», на­против, относительно мало. К ним можно отнести p53, участвую­щий в предотвращении рака через индукцию клеточного старе­ния в делящихся тканях или апоптоза в сердце и в мозгу (Vijg, Suh, 2005). '

Изложенные в предыдущем разделе эволюционные теории старения предполагают наличие не менее трех классов «геронто­генов».

1. Согласно теории отработанной сомы, старение вызывается накоплением соматических повреждений, которым противостоят системы соматического поддержания, такие как антиоксидантная защита, репарация ДНК и белков. Таким образом, данная теория постулирует существование генов обеспечения долгожительства (longevity assurance genes), основная функция которых — поддер­жание выживания организма путем репарации соматических кле­ток. Потеря генов обеспечения долгожительства ускоряет прояв­ление фенотипов старения и уменьшает продолжительность жиз­ни (Vijg, Suh, 2005).

2. Теория антагонистической плейотропии постулирует нали­чие плейотропных «генов старения». Их задача — усиление ре­продуктивного успеха в молодости, несмотря на отсроченные не­гативные эффекты. Их мутации способны продлевать жизнь ценой снижения репродукции (Vijg, Suh, 2005).

3. Теория накопления мутаций постулирует наличие аллелей с небольшими вредными эффектами, не проявляющимися до старо­сти и, таким образом, избегающими давления естественного отбо­ра (Martin et al., 2007).

Ричард Миллер (Miller, 2001) феноменологически подразде­лил гены долгожительства на шесть больших групп.

1. Гены, вызывающие старение. Гипотетическая группа, воз­никшая в эволюции для преобразования молодого здорового ин­дивидуума в старый и больной. Такие гены до сих пор обнаруже­ны не были (Miller, 2001). Большинство геронтологов уверено, что аналогичных генов нет, поскольку они будут снижать репродук­тивную пригодность и элиминироваться отбором (Гаврилов, Гав­рилова, 1991; Butler et al., 2003). В изогенных популяциях при оди­наковых внешнесредовых условиях одни особи умирают рано, тог­да как другие характеризуются долгожительством. Такое наблю­дение ставит под сомнение мнение о «генетической программе» старения (Rea et al., 2005). Другие свидетельства против запрог­раммированности старения приведены выше при рассмотрении соответствующей эволюционной теории.

2а. Гены, мутации в которых изменяют продолжительность жизни, увеличивая риск заболеваний в молодости или зре­лости. Сюда относятся, например, врожденные нарушения функ­ции сердца, диабет I типа. В естественных условиях они приводят к существенному снижению продолжительности жизни. По-види­мому, многие из таких генов не способны пролить свет на причи­ны старения (Miller, 2001). Однако в том случае, если они уско- 37 ряют множество аспектов старения, их можно отнести к истин­ным генам продолжительности жизни. Например, полное отсутст­вие митохондриального фермента супероксиддисмутазы 2 (Sod2) у мышей приводит к их гибели спустя месяц после рождения по причине кардиомиопатии. Является ли этот ген истинным геном продолжительности жизни, или просто вызывает несовместимый с жизнью дефект? Гетерозиготы по данной мутации характери­зуются измененной функцией митохондрий и высокой чувстви­тельностью кардиомиоцитов к апоптоз-индуцирующим агентам, что отмечается и при естественном старении (Butler et al., 2003).

2б. Мутантные гены, изменяющие продолжительность жиз­ни, увеличивая риск раннего возникновения заболеваний, ча­стично напоминающих своими симптомами старение. Клас­сические примеры таких заболеваний — прогерии Вернера и Хат­чинсона—Джилфорда (Miller, 2001). Некоторые симптомы данных заболеваний напоминают естественное старение, хотя другие важ­ные признаки могут отсутствовать. Например, мутации в гене за­болевания Хатчинсона—Джилфорда приводят к преждевремен­ному развитию сердечно-сосудистой патологии, однако у таких больных не развивается другого характерного признака старе­ния — нейродегенерации (Butler et al., 2003).

3. Гены, влияющие на возрастзависимые патологии. Их очень много. Это гены, мутации в которых приводят к болез­ни Альцгеймера, атеросклерозу, раку груди, дегенерации желтого пятна, диабету II типа, облысению, саркопении, старению иммун­ной системы. Такие гены с возрастзависимым проявлением были предсказаны эволюционными теориями старения (Miller, 2001). Данные локусы не регулируют весь процесс старения, а лишь от­дельные его фенотипы. Так, у человека различия в этих генах обу­словливают, как скоро конкретный индивидуум поседеет, облы­сеет, приобретет остеопороз, диабет или когнитивные нарушения (Butler et al., 2003).

4. Гены, мутации в которых увеличивают максимальную продолжительность жизни путем замедления процессов старе ния. Известны уже десятки генов, мутации в которых увеличи вают жизнь модельных объектов — нематод, дрозофил и мышей. Как правило, они замедляют старение. Например мутантные кар ликовые мыши rit1 характеризуются меньшей скоростью ста рения иммунной системы, суставов и соединительной ткани. Та ким образом, это гены не только долгожительства, но и антистаре ния. Поскольку долгоживущие мутанты не вытесняют носителей других аллелей в естественных и лабораторных популяциях, при обычных условиях они не несут особых селективных преиму ществ (Miller, 2001), хотя некоторые из них участвуют во внутри- 38

видовом варьировании продолжительности жизни (Flatt, 2004). Аллели, приводящие к долгожительству, присутствуют и у чело­века, но их труднее продемонстрировать у долгоживущего вида по сравнению с короткоживущими модельными животными. При­мерами являются гены Propl и Ghr. Наилучший путь их иденти­фикации — обнаружение таких генов сначала у беспозвоночных, подтвердждение их наличия у млекопитающих, а затем исследо­вание их причастности к продолжительности жизни человека (But­ler et al., 2003).

Генетические исследования беспозвоночных животных вы­явили множество механизмов, обусловливающих продолжитель­ность жизни. Среди них инсулин/IGF-1-сигналинг, регулирую­щий транскрипционный фактор FOXO и TOR-путь, сиртуины, JNK-каскад, системы детоксификации свободных радикалов и вредных метаболитов, репарации белков и ДНК. Все эти меха­низмы присутствуют и у млекопитающих.

Важно знать при этом, обусловлен ли эффект инактивацией ге­на (loss of function), или индуцированным увеличением экспрес­сии (gain of function). Скрининг мутантов с потерей функции гена обычно приводит к обнаружению гипоморфных (частичная поте­ря функции) или нулевых, нокаутных (полная потеря функции), аллелей. Поиск генов с повышенной экспрессией, приводящей к увеличению продолжительности жизни, позволяет выявить гены, вовлеченные в процессы, не обнаруживаемые методом мутаций инактивации (Poirier, Seroude, 2005). Метод РНК-интерференции у нематоды позволил in vivo подавлять экспрессию генов, при­чем на интересующей нас стадии развития. С появлением данной методики количество открытых «геронтогенов» выросло в разы.

Для примера, у имаго нематод РНК-интерференция в одном из экспериментов позволила выявить 64 гена, увеличивающих продолжительность жизни на 10 % и более. Как оказалось, более 90 % из них высококонсервативно в эволюции от дрожжей до человека. Инактивация генов синтеза белка (генов факторов ини­циации трансляции и компонентов 40S-субъединицы рибосомы) сопровождалась наибольшим увеличением продолжительности жизни. Возможно, что снижение общего биосинтеза белка позво­лило перенаправить энергию на поддержание генома и адаптацию к стрессам. В условиях стресс-процесса в эндоплазматической се­ти также блокируется синтез белка. Инактивация оксидоредук­тазы эндоплазматического ретикулума, кодируемой геном ero-1, продлевает жизнь на 32 %. Выключение генов сигналинга — еще один путь влияния на долгожительство. Потеря функции ге­на sem-5, негативно регулирующего RAS-MAP- и №3-трансдук- цию сигнала, привела к увеличению жизни на 24 %, так же как инактивация генов серин-треониновых протеинкиназ — tpa-1 и tag-181, а также sel-5 (гены ARK-семейства киназ) и pat-4 (ген ин- тегриноподобной киназы). Выключение рецептора инсулина daf-2 продлило жизнь на 79 %, как и ингибирование структурно сход­ных с daf-2 серпентиновых рецепторов str-49 и sre-25. Около 20 % обнаруженных генов участвуют в связывании и процессинге РНК (гены РНК-геликаз, факторов сплайсинга мРНК, рибонуклеаз, фак­торов полиаденилирования и метилирования РНК) и во взаимо­действии с хроматином (гены регуляторов репликации ДНК и транскрипционных факторов), что может быть одной из причин наблюдаемого при старении изменения экспрессии генов (Curran, Ruvkun, 2007).

Мутации, изменяющие продолжительность жизни, очень час­то рассматриваются как ускоряющие или замедляющие старе­ние. Однако надо всегда помнить, что старение составляет основу лишь возрастзависимой компоненты смертности. Расчет парамет­ров этой компоненты не обнаружил статистически значимого за­медления старения у известных долгоживущих мутантов мышей GHRHR,IGF-1R,INSR,PROP1 и TRX либо его ускорения у мутано- тов ATM + TERC, BubR1, klotho, LMNA, PRDX1, p53, WRN + TERC или TOP3B. Зачастую изменения экспрессии в этих генах влияют на независимую от возраста компоненту смертности, определяю­щую здоровье. В то же время статистически значимое изменение скорости старения было отмечено у мышей с изменениями актив­ности CEBP, MSRA, SHC1, гены гормона роста, GHR, PIT1 и PolgA (Magalhaes et al., 2005).

5. Естественно встречаемые аллели и аллельные комбина­ции, изменяющие продолжительность жизни. Как уже говори­лось, наследуемость продолжительности жизни у мух, грызунов и людей обычно составляет 15—25 %. Она представляет собой долю дисперсии выживаемости, обусловленную генетическими факто­рами у особей с определенным генотипом в определенных усло­виях среды. Среди таких факторов следует отметить гены катего­рии 3 (см. выше, с. 38), а также локусы количественных признаков (QTL), представляющие собой полиморфные гены, отвечающие за скорость старения внутри вида. QTL-анализ у нематод, дрозо­фил и мышей выявил десятки таких локусов, вовлеченных в есте­ственный внутрипопуляционный полиморфизм продолжительнос­ти жизни (Miller, 2001 ; Flatt, 2004). Подобных локусов, вероятно, гораздо больше, однако аллели с очень малыми эффектами, дейст­вующими кумулятивно, остаются за рамками исследований (But­ler et al., 2003). Выявление последних может стать реальностью при сочетании QTL-анализа с анализом экспрессии на микрочи­пах. Суть последнего метода заключается в изучении результатов гибридизации выделенной из клетки информационной РНК с нук­леотидными последовательностями, соответствующими интере­сующим нас генам. Данным способом можно количественно оце­нить активность тех или иных генов.

Исследование методом QTL-анализа позволяет ответить на важный вопрос: участвуют ли «геронтогены», выявленные мето­дами молекулярной генетики, в естественной вариации продолжи­тельности жизни в популяциях? Для перехода от карты QTL к кон­кретным генам необходимо определить как можно более малый участок. Затем применяется делеционный комплементационный анализ, который позволяет производить тонкое картирование ре­цессивных мутаций через использование хорошо изученных хро­мосомных делеций (Poirier, Seroude, 2005). Наиболее успешно ме­тод был применен при изучении нематод и дрозофил (Shmookler et al., 2006).

У нематод методом QTL-анализа продолжительности жизни с использованием транспозонов в качестве маркеров были кар­тированы локусы на хромосоме I (около локуса hP4), III (около stP127), IV (около stP44), V (около stP192, stP23 и stP6), а также на X-хромосоме (около stP129 и stP2). По признаку длительности жизни наблюдали значимое эпистатическое взаимодействие меж­ду локусами (stP128) (хромосома V) и (stP127) (хромосома III). На хромосоме I в QTL расположены гены rad-8, sod-2 и daf-16, влияющие на стрессоустойчивость. Остальные локусы близки «геронтогенам» akt-1 (хромосома V), akt-2 (X-хромосома), daf-12 (X-хромосома), clk-1, clk-2 и gro-1 (хромосома III). Активная ко­пия sir-2 расположена возле локуса на хромосоме IV. Мутация spe-26, близко расположенная к sir-2, также увеличивает продол­жительность жизни нематоды через ослабление сперматогенеза (Ayyadevara et al., 2003).

У дрозофилы исследования методом QTL-анализа выявили влияние на вариацию продолжительности жизни как доминиро­вания этих локусов (аллельного взаимодействия для одного гена), так и эпистаза (взаимодействия аллелей разных генов). Было по­казано, что генетическая архитектура (т. е. количество генов и степень аллельных и генных взаимодействий) зависит от средо- вых условий, в которых существуют индивидуумы (Fox et al., 2004). Кроме того, большинство локусов количественных призна­ков у дрозофилы оказалось пол-специфичным (Wilson et al., 2006). В естественном варьировании продолжительности жизни могут принимать участие известные молекулярным геронтологам гены: локус алкоголь-дегидрогеназы (Adh), чья экспрессия также сни­жается с возрастом, и локус инсулиноподобного рецептора (InR), мутация в котором значительно продлевает жизнь. Как оказа-41

лось, дикие популяции дрозофилы имеют обширный полиморфизм по локусу InR. Кластеры генов белков теплового шока (hsp22— hsp28) и акцессорных белков (Acp26A и Acp70A, причем послед­ний широко известен как половой пептид, ускоряющий старение самок), вовлеченных в репродукцию и регуляцию продолжитель­ности жизни, также проявляют генетическую вариацию по про­должительности жизни (Flatt, 2004).

Метод QTL-анализа позволяет выявлять и новые гены продол­жительности жизни. Нарпример, с его помощью была обнаруже­на причастность к старению генов ДОФА-декарбоксилазы (Ddc), Shuttle craft (stc) и ms(2)35ci. Ddc кодирует фермент, необходи­мый для выработки дофамина и серотонина в ЦНС и гиподерме. Ген stc является гомологом NF-X1 человека, кодирующего транскрипционный фактор РНК полимеразы II. Ген stc экспрес­сируется на эмбриональной, личиночной и взрослой стадиях жиз­ни, прежде всего в мозгу и яичниках мух. О гене ms(2)35Ci извест­но только то, что это рецессивная аллель, в гомозиготе приводя­щая к стерильности самцов (De Luca et al., 2003; Poirier, Seroude, 2005).

Исследования полиморфизма и дивергенции по гену долгожи­тельства mth на естественном популяционном уровне у трех видов дрозофилы (Drosophila melanogaster, D. simulans и D. yakuba) вы­явили нестереотипный паттерн аминокислотной дивергенции во внутри- и внеклеточном петлевых доменах белка Mth. Хотя эти данные не отвечают на вопрос, эволюционировал ли полимор­физм гена mth в ответ на отбор по продолжительности жизни, они показывают важность данного признака (mth) для организма (Schmidt et al. 2000).

Приведенные выше данные не являются сюрпризом: нет при­чин, по которым главные «геронтогены» не играли бы роли в бо­лее тонких аллельных вариантах при формировании продолжи­тельности жизни в естественных популяциях. Однако они переки­дывают необходимый мостик между молекулярной генетикой и эволюционной генетикой старения (Flatt, 2004).

6. Гены, обусловливающие долгожительство определенных видов. Почему животные, имеющие одинаковые размеры, напри­мер грызуны (крысы) и птицы (голуби), так различаются по про­должительности жизни (Butler et al., 2003)? Различия долгожи­тельства имеют место и у относительно близких филетических групп. Паразитические нематоды млекопитающих и почвенные не­матоды различаются по продолжительности жизни на 2 порядка. Среди грызунов суматранский гребенчатый дикобраз (27.75 лет) и имеющий размеры мыши голый слепыш (30 лет) живут гораздо дольше, чем близкие к ним виды. Люди живут дольше, чем шим- 42 панзе, павианы и лемуры. Гены, обеспечивающие замедленное старение, приобретают эволюционное преимущество, когда вид оказывается в благоприятных условиях, характеризующихся не­высокими рисками гибели. В этом случае в результате отбора воз­никает вид, живущий вместо нескольких месяцев годы и даже де­сятилетия. Снижение рисков стало следствием таких ароморфо- зов, как приобретение способности к полету или средств пассивной защиты от хищников (панцырь, иглы), а также появления воз­можности обмена информацией для защиты от хищников и поис­ка пропитания либо возникновения географической изоляции от хищников. В новых условиях жизненный цикл, при котором обра­зуется малое количество потомков за длительный период времени, получает преимущество по сравнению с имевшей место высокой ранней плодовитостью (Miller, 2001).

Какое количество генов необходимо для подобного перехода? Одни считают, что таких генов должно быть очень много: переход требует изменений, ведущих к отсрочке возникновения рака, деге­нерации мышц, костей и печени, развития катаракты, а также по­вышению долговременной устойчивости к инфекциям. Основной проблемой данной модели является необходимость механизма ко­ординации и синхронизации этих процессов, поскольку долгожи­тельство невозможно при отсутствии хотя бы одного из них (Mil­ler, 2001). В таком случае, вероятно, большая часть генов долго­жительства будет видоспецифична. Действительно, лишь около одной трети изменений возрастзависимой экспрессии генов кор­релирует у мышей и человека, что может косвенно подтверждать данную точку зрения (Kyng et al., 2003).

Согласно другой модели, количество генов межвидовых разли­чий долгожительства невелико. При этом они регулируют множе­ство процессов развития и старения наподобие реостата, обуслов­ливая темп дегенерации. Действительно, как ограничение калорий­ности пищи, так и отдельные мутации показывают, что широкий круг возрастзависимых процессов замедляется скоординированно (Miller, 2001). На наш взгляд, обе модели могут иметь право на су­ществование. Несмотря на то что консервативных в эволюции ге­нов стрессоустойчивости немного, они контролируют большое ко­личество эффекторных генов. И те и другие способны влиять на продолжительность жизни.

С нашей точки зрения, данную феноменологическую класси­фикацию необходимо дополнить еще двумя группами. Это гены со старение-ассоциированной экспрессией и генетические марке­ры старения. Рассмотрим их.

7. Гены, экспрессия которых изменяется при старении.

Сюда следует отнести сотни генов, испытывающих возрастзави-

симое подавление или сверхактивацию. Эта новая область иссле­дования требует дорогостоящих методов и мощных компьютер­ных средств обработки данных, поскольку речь идет об измерении активности десятков тысяч генов, а также о межвидовом сравне­нии экспрессии ортологичных генов.

С возрастом у дрожжей изменяется экспрессия 150 генов (т. е. 2.5 % генома) в 2 раза и более. При старении репрессируется ряд генов гликолиза, биосинтеза, сворачивания и деградации бел­ка, тогда как несколько генов белков-транспортеров, напротив, сверхактивируется. Это приводит к снижению функции гликоли­за, белкового обмена и стресс-ответа, но при этом к более активно­му использованию транспортной системы. Примечательно, что из­менения экспрессии генов оксидативного стресс-ответа не проис­ходит (Koc et al., 2004). В старых клетках также индуцируются гены глюконеогенеза, глиоксилатного цикла, метаболизма липи­дов и выработки гликогена, т. е. при клеточном старении происхо­дит сдвиг к накоплению энергии (Lesur, CampbeП, 2004).

У дрозофилы в одном из экспериментов изучение возрастной динамики транскрипционной активности выявило 43 гена, актив­ность которых с возрастом увеличивается, и 89 генов, экспрессия которых снижается. Снижение репродуктивной способности — один из фенотипов старения. В то же время сигналы из гермина­тивной ткани влияют на длительность жизни. У дрозофилы пока­зано снижение уровня РНК нескольких генов репродукции. Сре­ди них 2 гена акцессорных белков семейства Acp. Белки Acp самца облегчают сохранение спермы в семяприемниках самки и стиму­лируют откладку яиц, однако уменьшают продолжительность ее жизни. Снижается экспрессия ряда предполагаемых генов гамето­генеза, в частности это касается гена белка из семейства септинов, участвующих в сперматогенезе. Метаболизм также является фи­зиологическим процессом, претерпевающим изменение с возрас­том: снижается транскрипция генов фруктозо-1,6-бифосфат-альдо- лазы, альдозо-3-эпимеразы, митохондриальной глицерол-3-фос- фат-дегидрогеназы. Все они контролируют превращения глюкозы и других сахаров, участвующих в гликолизе. Возрастзависимое снижение претерпевает и экспрессия гена фермента цикла три- карбоновых кислот — аконитазы. Наблюдали также уменьшение транскрипционных уровней цитохрома с и других ферментов оки­слительного фосфорилирования и электронотранспортной цепи митохондрий. Известным атрибутом старения является постепен­ное уменьшение устойчивости к различным стрессам, таким как тепловой шок и оксидативный стресс. С возрастом снижается транскрипция генов малого белка теплового шока (/кр2б) и алко- гольдегидрогеназы. Гены глутатион-5-трансферазы D1 и шапе- 44 рона 60, напротив, сверхэкспрессированы у старых особей (Zou et al., 2000).

Транскрипция около 23 % генома дрозофилы оказалась под­вержена изменению при старении. Изначально предполагалось, что возрастзависимый паттерн экспрессии опосредуется транс­крипционным подавлением через модификацию структуры и орга­низации хромосом, что приводит к дерегуляции отдельных генов, нарушая гомеостаз организма. Однако у дрозофилы не было обна­ружено свидетельств возрастзависимого изменения транскрипции в специфичных участках генома или повсеместной дерегуляции экспрессии генов (Pletcher et al., 2002). Использование технологии экспрессионных микрочипов для изучения специфичности транс­крипционных ответов при старении в голове, тораксе и туловище дрозофилы привело к обнаружению как специфических, так и об­щих транскрипционых ответов в этих тканях в процессе старения. Около половины генов, снижающих свою экспрессию с возрастом, связано с репродукцией и относится к гонадам. Подавление мито­хондриальных генов, активация JNK-механизма и сверхактивация субъединиц протеосомы в грудном отделе тела стареющей мухи предполагают особую чувствительность мышц (метаболически высокоактивной ткани) к старению. Возрастзависимое наруше­ние генов синаптической передачи наблюдали в головном отделе мухи. Общим оказалось подавление активности многих генов, свя­занных с метаболизмом (генов окислительного фосфорилирова­ния, цикла трикарбоновых кислот, выработки АТФ), тогда как гены синтеза пуринов сверхактивируются (Girardot et al., 2006). Сравнение паттернов экспрессии при старении нематод и дро­зофил показало наличие общей возрастзависимой программы ген - ной экспрессии, запускающейся в ранней зрелости и модифици­рующей репарацию ДНК, катаболизм, пептидолиз и клеточный транспорт. С возрастом репрессируются гены компонентов мито­хондриальной дыхательной цепи, АТФ-синтазного комплекса и цикла Кребса, а также АТФ-зависимого активного транспорта (включая транспорт ионов, питательных веществ и трансмитте­ров). Это приводит к снижению экскреции и физиологической активности нейронов и мышц. Межвидовая корреляция экспрес­сии генов-ортологов составляла в среднем 0.16 и была достоверной. Таким образом, большинство возрастзависимых изменений видо­специфично, однако консервативный компонент составляет не­сколько сотен пар ортологов. Было показано, что консервативная в эволюции репрессия генов окислительного метаболизма и гло­бальные изменения паттерна экспрессии начинаются внезапно в ранней зрелости, задолго до начала функциональных нарушений. Данный паттерн у обоих организмов достоверно коррелирует с из- 45 менениями при тепловом и оксидативном стрессе. Это свидетель­ствует о том, что далеко не все изменения генной экспрессии при старении обусловлены накоплением повреждений. Нематоды име­ли, кроме того, и видоспецифичные особенности экспрессии ге­нов при старении. У Caenorhabditis elegans репрессируются гены коллагенов и индуцируются гены гистонов, транспозаз, ДНК- и РНК-геликаз. Однако подобные изменения не отмечались у дрозо­филы. Напротив, только при старении дрозофилы индуцируются гены цитохрома P450s, гликозилаз и пептидогликановых рецепто­ров (McCarroll et al., 2004).

Старение мышей связано со специфическими изменениями транскрипции генов в мускулатуре кишечника, коре головного мозга, мозжечке (Kayo et al., 2001). Старение мозга приводит к на­рушению когнитивных и моторных способностей и является фак­тором риска для развития таких нейрологических заболеваний, как болезнь Альцгеймера и Паркинсона. При сравнении неокор- текса и мозжечка 5- и 30-месячных мышей было показано, что из 6347 изученных генов 63 (1 %) увеличили свою экспрессию в 1.7 раза в стареющем неокортексе и столько же — в 2 раза в старе­ющем мозжечке. Одну четверть из них составляли гены воспали­тельного ответа. Затем идут гены стресс-ответа, что согласуется с оксидативным стрессом и накоплением поврежденных белков (Lee C. et al., 2000). С использованием олигонуклеотидных масси­вов высокой плотности были проанализированы различия в экс­прессии генов в гипоталамусе и коре молодых и старых мышей. Показано, что старение связано со снижением активности многих генов, вовлеченных в синаптическую передачу как в гипоталаму­се, так и в кортексе. Уровень экспрессии гена синаптического ве- зикула-ассоциированного белка синаптотагмина I, вовлеченного в регуляцию высвобождения нейротрансмиттера, снижается бо­лее чем в 10 раз. Ген одного из белков, участвующих в экзоцито- зе синаптических везикул, также снижает свою экспрессию в не­сколько раз. Экспрессия гена цАМФ-зависимой протеинкиназы С снижается более чем в 3 раза. Она играет роль в синаптической пластичности и формировании следов памяти. Изменяется при старении экспрессия генов динамина и связанного с клатрином белка AP-2. Последние играют роль в росте нейронов и рециркуля­ции синаптических пузырьков. В ткани стареющего мозга также накапливается A—X-актин, сверхактивированный при болезни Альцгеймера (Jiang et al., 2001).

Сопоставление экспрессии транскриптов в гематопоэтических стволовых клетках и в переднем мозгу инбредных мышей с про­должительностью жизни (один из вариантов метода QTL-анализа) выявило, что экспрессия генов двух членов семейства глута-46

тион-Б-трансфераз — Gstm6 и Gsta3 в стволовых клетках и в моз­гу коррелирует с продолжительностью жизни. Экспрессия генов стволовых клеток — Ube2s (ген фермента, коньюгирующего уби- квитин) и C5r1 (ген рецептора 1 компонента комплемента 5) так­же коррелирует с продолжительностью жизни (De Haan, Williams, 2004).

Анализ экспрессии генов клеток печени показал, что старе­ние сопровождается изменением активности примерно 1 % генов. При этом 43 % из них активируются, а 57 % — подавляются. Боль­шинство сверхактивированных генов связано с воспалением. Из­вестны и другие патогенные белки, сверхактивированные в старе­ющей печени: бигликан — протеогликан внеклеточного матрикса печени, ответственный за фиброз; амилоид P — компонент сыворотки, гликопротеин амилоидных отложений, индуцирующий воспаление; цистатин B — ингибитор цистеиновых протеаз, участвующий в фиброзе. Одна четверть индуцированных при старении печени белков участвует в стресс­ответе, прежде всего оксидатив-ном. В репликации ДНК и регуляции клеточного цикла участвуют 23 % генов, чья экспрессия снижается при старении, причем большинство из них имеет негативное влияние на рост клетки и деление. При старении печени также снижается экспрессия генов метаболизма ксенобиотиков и гена аполипопротеина Е, секретируе-мого печенью и необходимого для выведения липопротеинов из крови. Нарушения в этом гене связаны с тяжелой формой атеро­склероза у мышей. Снижение его экспрессии также может увели­чивать количество атеросклеротических повреждений (Cao et al., 2001).

Всесторонний анализ экспрессии генов в сердце молодых (5 месяцев) и старых (30 месяцев) мышей показал, что старение связано с транскрипционными изменениями, способствующими сдвигу от метаболизма жиров к углеводному метаболизму и повышеннию экспрессии генов внеклеточного матрикса. Ряд ге­нов, продукты которых (смутелин В, кальпонин 2, тропонины Т1 и С, клаудин 5, коннексин 43) выпоняют структурную функцию (функции компонентов внеклеточного матрикса, клеточной адге­зии и роста), индуцируется в результате старения. Многократно увеличивается экспрессия гена главного компонента телец Леви a-синуклеина — маркера нейродегенерации при паркинсонизме. Это может свидетельствовать о нарушении симпатической иннер­вации сердца с возрастом. Окисление жирных кислот служит глав­ным источником энергии для сердца. Происходит скоординиро­ванное снижение экспрессии генов, участвующих в транспорте жирных кислот в митохондрии, включая карнитин-О-пальмитоил- трансферазу 1, карнитин-ацетилтрансферазу, митохондриальную

карнитин/ацилкарнитинтранслоказу и карнитин-пальмитоилтран- сферазу 2. Некоторые подавляемые гены отвечают за липолиз: триацилглицеролгидролаза, мобилизующая триацилглицеролы из хранилищ; гормон-чувствительная липаза; ацил-КоА-тиоэстераза 1, модулирующая клеточный уровень лигандов комплекса жир­ных кислот с КоА. Старение также приводит к подавлению генов ß-окисления жирных кислот в митохондриях. Все это обуслов­ливает нарушение функций митохондрий и снижение пальмито- ил-карнитинзависимого дыхания в митохондриях сердца старею­щих крыс. Подавляется также экспрессия фруктозо-1,6-бифосфа- тазы 2 — ключевого фермента глюконеогенеза. Аллостерический фермент фосфофруктокиназа, контролирующая скорость глико­лиза, напротив, индуцируется (Lee et al., 2002).

Идентифицировано 712 транскриптов, различным образом экспрессирующихся в молодых и старых скелетных мышцах мы­шей. Индивидуальный анализ генов показал, что транскрипцион­ный профиль при старении мышц связан с повышенной актив­ностью р53 (Edwards et al., 2007).

Около 4 % из 11 000 исследованных генов фронтального кор- текса человека претерпевают значительные изменения экспрессии с возрастом (в 1.5 раза и более). Существенно снижается экспрес­сия рецепторов нейротрансмиттеров, вовлеченных в синаптиче­скую пластичность, а также генов, отвечающих за высвобождение синаптических пузырьков и их циркуляцию. Компоненты главных путей, трансдуцирующих сигнал и опосредующих длительное по- тенциирование и хранение памяти, также подавляются с возрас­том. Главные кальций-связывающие белки, кальциевый насос и кальций-активируемый транскрипционный фактор, которые сти­мулируют нейрональное выживание, также значительно репресси­рованы. В стареющем кортексе снижается экспрессия генов, вклю­ченных в везикулярный/белковый транспорт, и подавлен синтез белков, которые стабилизируют микротрубочки и стимулируют аксональный транспорт. В то же время старение фронтального кортекса человека связано с увеличением экспрессии генов воспа­лительного и иммунного ответов, а также генов, которые опосре­дуют стресс-ответ и репарацию: это гены, участвующие в свора­чивании белковой молекулы, в антиоксидантной защите и в гоме­остазе ионов металлов (Lu et al., 2004).

В скелетной мышце человека при старении было обнаружено достоверное изменение экспрессии 250 генов. Среди них CYP26B1, который в возрасте 50 лет увеличивает экспрессию на 90 %. Он ко­дирует монооксигеназу, являющуюся членом семейства цитохро­ма P450 и метаболизирующую токсичные вещества. Напротив, ген LASS5 (гомолог гена долгожительства дрожжей lagl) снижает свою экспрессию на 25 %. Он участвует в церамидном сигнальном пути, опосредующем стресс-ответ и апоптоз. Г ены симпортеров и переносчиков хлорида необходимы для транспорта растворенных веществ при мышечном сокращении. Снижение уровня их экс­прессии ведет к ослаблению тонуса мышц (Zahn et al., 2006).

Обнаружено 985 генов, изменяющих экспрессию в коровом веществе и центральной части почки человека с возрастом, причем профили экспрессии в этих двух частях органа сходны. При ста­рении увеличивается экспрессия генов, связанных с формирова­нием внеклеточного матрикса — базальной мембраны, участвую­щей в почечной фильтрации. Показано, что 7 сверхактивирован­ных генов участвуют в поддержании эпителиальной полярности, 11 — кодируют рибосомальные белки, ряд генов кодирует транс­крипционные факторы и сигнальные белки (Rodwell et al., 2004).

Таким образом, некоторые аспекты старения влияют только на специфические ткани, например, обусловливают постепенное ослабление мышц, снижение синаптической функции в мозгу и темпа фильтрации в почке. Другие проявления старения наблю­даются во всех клетках (накопление оксидативных повреждений в митохондриях, повреждения ДНК и белков). Поэтому неуди­вительно, что сравнение транскрипционного профиля стареющих мышц, почек и мозга привело к обнаружению общих свойств, со­ответствующих шести генетическим путям. Четыре группы генов с возрастом активируются (гены внеклеточного матрикса, регуля­ции роста клеток, активации комплемента, компонентов цитозоль­ных рибосом), оставшиеся две — подавляются (гены хлоридного транспорта и субъединиц митохондриальной электронотранспор­тной цепи) (Zahn et al., 2006).

8. Генетические маркеры старения. На примере мышей были выявлены некоторые маркеры старения, предсказывающие остав­шуюся продолжительность жизни и физиологический возраст. Среди них следует отметить изменение уровня СБ4-лимфоцитов и экспрессии генов клеточного цикла, таких как, например, pltfNK4a (Krishnamurthy et al., 2004; Zahn et al., 2006). Регулятор старения p16 экспрессируется многими (но не всеми) стареющими клетка­ми, а также некоторыми опухолевыми клетками, особенно поте­рявшими фукциональный pRB (Campisi, d’Adda di Fagagna, 2007). Еще один известный биомаркер — это старение-ассоциированная ß-галактозидаза. В образцах кожи человека с возрастом ее экс­прессия увеличивается как в фибробластах, так и в кератиноцитах (Dimri et al., 1995). Ее накопление является результатом увеличе­ния числа лизосом в стареющей клетке (ß-галактозидаза — лизо- сомальный фермент). В данном случае стареющие клетки олича- лись от нестареющих за счет окрашивания при рН 6. В этом случае

только старые клетки имеют достаточную активность Р-галактози- дазы для конвертирования неокрашенного субстрата в синий про­дукт расщепления (Kurz, 2004). При изучении преждевременно­го старения клеток, индуцированного онкогенами, были иденти­фицированы еще три белка, впоследствии позволившие успешно маркировать другие типы стареющих клеток: DEC1, p15 и DCR2. Их функция при старении неясна (Campisi, d’Adda di Fagagna, 2007). В дальнейшем в категорию биомаркеров могут перейти воз- растзависимые гены из категории 7 (экспрессия которых меняется при старении), что позволит оценивать физиологический возраст вне зависимости от хронологического (Rodwell et al., 2004).

Всесторонний анализ имеющихся у нас сведений позволил предложить функциональную классификацию генов продолжи­тельности жизни.

1. «Регуляторы» продолжительности жизни — переключатели онтогенетических программ, которые отвечают за восприятие и передачу внешнесредовых сигналов, синтез, рецепцию и транс- дукцию гормонов инсулинового пути, вторичных липофильных гормонов. Большая часть из них способствует росту и размноже­нию, но подавляет стрессоустойчивость. Некоторые, напротив, стимулируют устойчивость к стрессу (например, klotho).

2. «Медиаторы» (гены киназ, деацетилаз белков, транскрип­ционных факторов), под действием регуляторов осуществляющие переключение программ стрессоустойчивости в ответ на сигналы из окружающей среды (наличие пищи, перенаселение, темпера­турный и световой режимы, облучение) или на эндогенный окис­лительный стресс. «Медиаторы» тканеспецифичным образом ре­гулируют экспрессию различных эффекторых генов либо непо­средственно активность или время жизни белков. Кроме того, они взаимодействуют между собой, подавляя или стимулируя эффек­ты друг друга.

3. «Эффекторы» продолжительности жизни — гены стрессо­устойчивости (гены белков теплового шока, антиоксидантной за­щиты, репарации белков и ДНК, компонентов протеосомы, каль- паинов, белков автофагии, врожденного иммунитета, детоксифи­кации ксенобиотиков, регуляторов метаболизма). В определенном смысле их можно считать генами антистарения, и их сверхэксп­рессия, как правило, увеличивает продолжительность жизни. За­частую они действуют аддитивно, активируясь под действием от­дельных «медиаторов» и увеличивая продолжительность жизни в условиях стресса. Ряд «медиаторов», напротив, подавляет их активность.

4. Гены жизнеспособности — обычные гены «домашнего хо­зяйства» (housekeeping genes). Они функционируют повсеместно,

на всех стадиях жизненного цикла, и обеспечивают структуру клетки, биосинтез аминокислот, липидов и нуклеотидов, глико­лиз, цикл трикарбоновых кислот и т. д. Их мутации либо летальны, либо ведут к патологиям. В условиях стресса некоторые из них мо­гут временно репрессироваться под действием «медиаторов», что позволяет сэкономить ресурсы для функционирования «генов-эф­фекторов» и увеличить продолжительность жизни.

5. Гены, участвующие в функционировании митохондрий, — гены компонентов электронотранспортной цепи, рассопрягающих белков и ген clk-1 нематод. Эти гены регулируют энергетический метаболизм, уровень свободных радикалов, а некоторые из них — апоптоз.

6. Гены-регуляторы клеточного старения и апоптоза (p53, p21, p16, pRB). Они участвуют в предотвращении рака, в регуляции клеточного цикла и гибели ненужных или вредных клеток в ран­нем онтогенезе и зрелости. Их плейотропным побочным дейст­вием в старости является старение (репликативное или стресс-ин- дуцированное) делящихся клеток или избыточная убыль постми­тотических клеток. Как показано на нематодах, эти гены способны неизвестным апоптознезависимым образом влиять на старение так называемых постмитотических организмов.

Таким образом, гены играют важную роль как в детерминации продолжительности жизни, так и в процессе старения. Однако это не означает обязательного присутствия в геноме локусов, непо­средственно управляющих старением (наподобие эмбрионального развития). Гены могут просто очерчивать пределы, в которых ор­ганизм отвечает на стресс или повреждение. Они не контролируют процесс, а детерминируют возможные ответы, задавая скорость старения. Например, если старение вызывается накоплением по­вреждений от токсичного агента, то гены, участвующие в детокси­фикации, будут играть большую роль в детерминировании про­должительности жизни, но не будут ответственны за причину про­цесса (Helfand, Rogina, 2003а).

Количественный признак в отличие от менделевского харак­теризуется градиентом фенотипов. Варьирование обусловлено влиянием нескольких различных генов, каждый из которых при­вносит свой небольшой вклад в исследуемый фенотип. Кроме то­го, многие количественные признаки подвержены влиянию внеш- несредовых и онтогенетических факторов. В результате такого взаимодействия различные генотипы могут приводить к идентич­ным фенотипам (Poirier, Seroude, 2005). С другой стороны, один и тот же генотип может лежать в основе различающихся феноти­пов. Изучение общественных насекомых, у которых касты раз­личаются по продолжительности жизни на порядки, продемон- 51

стрировало это со всей очевидность. Касты сильно различаются по поведению, морфологии и продолжительности жизни, что яв­ляется результатом баланса между наследуемыми профилями ген - ной экспрессии и внешними рисками смертности. В онтогенезе эти различные программы запускаются эпигенетическими фак­торами, такими как качественный состав пищи (Rueppell et al., 2004).

Поскольку люди живут гораздо дольше модельных животных (которые к тому же умирают от ^охарактеризованных патологий и болезней), генетика продолжительности жизни человека являет­ся более сложной. Даже возрастзависимые патологии мышей и че­ловека явно различаются (Butler et al., 2003).

Чтобы по возможности отделить «геронтогены» от генов воз- растзависимых заболеваний, геронтология человека делает основ­ной упор в исследованиях на так называемое «обычное», или «бла­гополучное», старение при отсутствии патологий (Weinert, Ti- miras, 2003). Наиболее плодотворным объектом исследования в связи с этим являются столетние индивидуумы. Во-первых, они обычно поддерживают хорошее здоровье до очень старого воз­раста, даже вне зависимости от образа жизни — столетние инди­видуумы часто избавлены от сердечно-сосудистых заболеваний, болезни Альцгеймера, сахарного диабета и рака. Во-вторых, их потомки наследуют устойчивость ко многим причинам смертно­сти — среди них на 50 % менее распространены вышеперечис­ленные заболевания. Вероятность наследования долгожительства в семьях долгожителей возрастает в 4—17 раз, что предполагает скорее генетические, чем внешнесредовые предпосылки к исключительному долголетию (Butler et al., 2003; Atzmon et al.,

2006) . Кровные родственники столетних индивидуумов характе­ризуются 4-кратным увеличением вероятности дожить до 91 го­да, тогда как кровные родственники 95-летних имеют в 2.3 раза больше шансов дожить до этого возраста (Schoenmaker et al., 2006).

Изучение генов чрезвычайно старых здоровых индивидуумов с точки зрения генетики старения очень плодотворно, поскольку они «насыщены» генами долгожительства и являются генетиче­ски гомогенными в большей степени, чем остальная популяция. Однако они представляют собой недостаточно большую выборку, к тому же отсутствует контрольная когорта (Karasik et al., 2005). За последние 10 лет в различных популяциях среди столетних индивидуумов неоднократно были предприняты попытки найти гены долгожительства. На данную роль у человека претендуют PON1, IGF-1, PAPR-1 и гены цитокинов, ферментов антиоксидант­ной защиты (Sod) и компонентов метаболизма липидов. Среди лиц в возрасте 90—100 лет и старше (т. е. столетних индивидуумов) особо выделяются три генотипа: аллели гена CETP (CETP VV) и гена аполипопротеина C3 (APOC-3 CC) и делеция в гене адипо- нектина (ADIPOQ). Важно отметить, что APOC-3 находится под транскрипционным контролем FOXO-1, ортологи которого конт­ролируют долгожительство у всех генетических моделей (Martin et al., 2007). Для столетних индивидуумов характерны крупные ли­попротеиновые частицы и большое количество липопротеинов высокой плотности (Atzmon et al., 2006). В отличие от тех, кто не доживает до 90 лет, они сохраняют чувствительность к инсулину и устойчивость к оксидативному стрессу (Cheng et al., 2005).

Чтобы обойти проблемы, связанные с исследованием долгожи­телей, для изучения был предложен альтернативный фенотип — биологический («физиологический», «функциональный») возраст. Поскольку ткани стареют с разной скоростью, а болезни варьи­руют от индивидуума к индивидууму, люди с возрастом все боль­ше различаются. В результате хронологический возраст не спосо­бен быть точным индикатором процесса старения. Биологический возраст имеет выраженный генетический компонент (27—57 %) и позволяет сравнивать функциональный статус одного индивидуу­ма с другим того же хронологического возраста и в результате та­кого сопоставления делать выводы о различии в скорости ста­рения (Karasik et al., 2005). Вариация фенотипа биологического возраста во многом определяется аддитивными генетическими факторами (наследственность составляет 0.57 ± 0.06) и в меньшей степени — средовыми. Она обусловлена локусами количествен­ных признаков на хромосомах 3p, 7q, 11p, 16q и 21q (Karasik et al., 2005).

Наиболее обещающие гены-кандидаты межиндивидуальных отличий по биологическому возрасту у человека участвуют в ре­гуляции кровяного давления и метаболизма липидов, определяют функциональные регуляторной оси гормона роста/инсулина/рос- товых факторов, регулируют процессы воспаления, метилирова­ния ДНК, эпигенетического подавления генов (в том числе генов ДНК-геликаз и экзонуклеаз). Кроме того, сюда относятся гены антиоксидантных ферментов (Sod1 и Sod2), гены стресс-ответа, факторы поддержания теломер. Ряд исследований посвящен по­тенциальной роли в регуляции продолжительности жизни аполи­попротеина A1 (APOA-I), аполипопротеина C3 (APOC-III), аполи­попротеина A4 (APOA-IV), ингибитора активатора плазминогена типа I (PAI-1) и SHC-трансформирующего белка (SHC1) (Karasik et al., 2005).

Исследования близнецов показали, что примерно 25 % вариации продолжительности жизни человека объясняется гене-53

тическими факторами (Schoenmaker et al., 2006). Для оценки вкла­да генов в варьирование продолжительности жизни человече­ской популяции в будущем потребуются крупномасштабные ис­следования методом случай-контроля. При этом большое количе­ство аллелей генов продолжительности жизни, соответствующих модификациям всех функциональных модулей таких генов, бу­дут проанализированы на все возможные вариации последова­тельности и сопоставлены с детальной информацией о фенотипе каждого индивидуума за продолжительный период времени. Это позволит вскрыть генетические факторы, вносящие вклад в каждое отдельное проявление старения человека (Vijg, Suh, 2005).

С точки зрения генетики продолжительности жизни и старе­ния, перспективными задачами являются поиск биомаркеров ста­рения, негенетических методов вмешательства в процессы ста­рения (лекарств), генетических механизмов их действия и SNP (полиморфизмов одиночных генов долгожительства и возраст- зависимых заболеваний), а также анализ механизмов внешне- средового влияния (калорийности пищи и др.) и дальнейшие ис­следования в области сравнительной биологии старения (Butler et al., 2003).

<< | >>
Источник: Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с.. 2008

Еще по теме Генетика продолжительности жизни:

  1. Йога и продолжительность жизни.
  2. Продолжительный вдох / Продолжительный выдох
  3. Продолжительность голодания сокращать не надо
  4. Продолжительный вдох / Нормальный выдох
  5. Нормальный вдох / Продолжительный выдох
  6. КАК УВЕЛИЧИТЬ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ И РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ГРУДНОГО ВСКАРМЛИВАНИЯ
  7. КАК УВЕЛИЧИТЬ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ И РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ГРУДНОГО ВСКАРМЛИВАНИЯ
  8. "Случай 1. Продолжительное ухудшение, ведущее к смерти."
  9. Грудное вскармливание: начало, продолжительность и практика исключительно грудного вскармливания
  10. Грудное вскармливание: начало, продолжительность и практика исключительно грудного вскармливания
  11. ЧУВСТВО ЖИЗНИ
  12. РАДОСТЬ ЖИЗНИ
  13. Первая наука жизни
  14. Этапы человеческой жизни