<<
>>

Митохондриальная теория старения

Один-два миллиарда лет назад произошло внедрение в архея-подобную клетку эубактерии, эволюционировавшей в мито­хондрию. Постепенно ответственность за ее репликацию и под­держание перешла к клетке-хозяину.

На данный момент из тысяч белков, составляющих митохондрию, только небольшое количест­во все еще кодируется митохондриальной ДНК (мтДНК человека кодирует всего 37 генов). Несмотря на то что клетка способна вы­рабатывать энергию независимо от митохондрий (в процессе гли­колиза), на них была возложена большая часть ответственности за энергобезопасность, что обусловило возможность возникновения в эволюции энергозатратных нервных и мышечных клеток, т. е. мозга и сердца (Balaban et al., 2005). Митохондрия — главный источник клеточного АТФ. Кроме того, она играет ключевую роль в • -окислении жирных кислот, биосинтезе фосфолипидов, кальциевом синалинге и апоптозе (Kujoth et al., 2005). Однако вторгшаяся эубактерия медленно убивает своего хозяина, вырабатывая потенциально опасные активные формы кислорода.
Митохондрии также являются первым компартментом клетки, повреждаемым этими радикалами (Felkai et al., 1999; Balaban et al., 2005).

Начиная с Денхама Хармана многие исследователи отводят митохондриям важную роль в старении (Harman, 1972). В 1980 г. Мигель (цит. по: Vina et al., 2005) развил данную теорию, обозна­чив митохондрии одновременно как источник свободных радика­лов и как мишень оксидативного повреждения стареющей клетки. В современном виде митохондриальная теория старения была предложена Линнаном (Linnane et al., 1989). Согласно этой теории, накопление митохондриальных мутаций в течение всей жизни вносит важный вклад в постепенное снижение клеточной биоэнер­гетической способности, ассоциированной со старением и нейро­дегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгейме­ра и Паркинсона.

Эти мутации возникают как следствие образова­ния деструктивных свободных радикалов при окислительном метаболизме (Korpelainen, 1999).

Стареющие клетки характеризуются дисфункцией митохонд­рий. Генетический аспект старения митохондрий контролируется мтДНК, ядерными генами, а также взаимодействием ядерной и мтДНК (Rand et al., 2006). Анализ мутационного паттерна мтДНК осложняется тем, что клетки содержат смесь мутантной и нор­мальной мтДНК и при каждом делении нормальные и мутантные гены перераспределяются между дочерними клетками, по-види­мому, случайным образом (Korpelainen, 1999). О том, что при нор­мальном старении целостность митохондрий с возрастом сни- 234

жается, говорит возрастзависимое увеличение уровня поврежде­ний мтДНК. В различных тканях грызунов, макак-резусов и людей мтДНК накапливает с возрастом замены оснований и делеции. Бо­лее того, по механизму клональной экспансии данные дефекты распространяются по всей клетке (гомоплазмия) (Kujoth et al., 2007). В такой постмитотической ткани, как мозг, повреждение, оцениваемое по биомаркеру 8-оксо-2'-деоксигуанозину, в мито­хондриях в 3 раза выше, чем в ядерной ДНК. Причины различий, возможно, кроются в близости митохондриальной ДНК к источни­ку оксидантов и в отсутствии гистоновой защиты. В настоящее время показано также возрастзависимое накопление точечых му­таций в участках контроля репликации мтДНК (Zhang, Herman, 2002; Balaban et al., 2005). Герминативные мутации мтДНК у паци­ентов с митохондриальными заболеваниями приводят к прежде­временному появлению признаков старения (Korpelainen, 1999). Точечные мутации и делеции мтДНК накапливаются при старении в различных тканях у человека, обезьян и грызунов. Эти мутации неравномерно распределены и накапливаются клонально, в опре­деленных клетках, вызывая мозаичный паттерн дисфункций дыха­тельной цепи в таких тканях, как сердце, скелетные мышцы и мозг (Trifunovic et al., 2004). У дрозофилы данный вид накапливаемых с возрастом повреждений отмечается в тораксе с большей часто­той по сравнению с брюшным или головным отделом тела, что го­ворит о тканеспецифичности данного процесса (прежде всего в мышечной ткани) (Yui et al., 2003).

У человека накопление деле- ций мтДНК наиболее активно протекает в нервной и мышечной тканях. Варьирование числа делеций для одной ткани у людей од­ного возраста меньше, чем между разными тканями одного орга­низма (Cortopassi et al., 1992). О роли митохондрий в старении может свидетельствовать и тот факт, что снижение калорийности пищи, увеличивающее продолжительность жизни многих модель­ных объектов, задерживает накопление мутаций мтДНК и редуци­рует опосредованный митохондриями апоптоз (Kujoth et al., 2005). Существует точка зрения, согласно которой дефектные мито­хондрии стареющих клеток вступают в порочный круг — они вы­рабатывают свободные радикалы, индуцирующие дополнитель­ное повреждение мтДНК и ферментов митохондрий, которые в свою очередь дают начало еще большему количеству активных форм кислорода (Hutter et al., 2004). Мыши, гомозиготные по му­тации гена PolgA — каталитической субъединицы мтДНК-поли- меразы, кодируемой в ядре, характеризуются нарушением способ­ности к коррекции ошибок вновь синтезируемой мтДНК. У них в 3—5 раз выше уровень точечных мутаций и делетированной мтДНК. При этом происходит снижение продолжительности жиз­ни, сопровождающееся преждевременном началом связанных со старением нарушений, таких как потеря массы тела и подкожного жира, облысение, кифоз, остеопороз, анемия, снижение фертиль­ности и увеличение сердца. По-видимому, это связано с падением активности дыхательной цепи и выработки АТФ, причем прежде всего в сердце, что само по себе может являться причиной уско­ренного старения (Trifunovic et al., 2004; Balaban et al., 2005). Одна­ко стоит отметить, что накопление мутаций мтДНК не сопровож­дается увеличением оксидативного стресса (т. е. количества окис­ленных оснований РНК и ДНК и темпов перекисного окисления липидов) или дефектами клеточной пролиферации, уровень обра­зования активных форм кислорода также находился в норме, что противоречит концепции порочного круга. Мутации в мтДНК кор­релируют с индукцией маркеров апоптоза (активацией эффектор- ной каспазы-3), особенно в тканях, характеризующихся быстрой заменой клеток.
Уровень маркеров апоптоза также возрастает при старении нормальных мышей. Таким образом, накопление мута­ций мтДНК, стимулирующее апоптоз, может служить одним из механизмов старения млекопитающих (Kujoth et al., 2005; Trifu­novic et al., 2005).

Старые митохондрии имеют измененную морфологию и про­дуцируют больше оксидантов и меньше АТФ. Морфологические изменения старых митохондрий, по крайней мере у дрозофил, вы­ражаются в реорганизации митохондриальных крист (Balaban et al., 2005). Так, например, нарушения в митохондриях с воз­растом приводят к тому, что у летающих насекомых происходит снижение как частоты взмахов крыльев, так и способности к про­должительному полету. Как известно, благодаря присутствию тра- хеолярных впячиваний, ткани насекомых получают воздух не­посредственно из атмосферы, что обусловливает в них более вы­сокие концентрации кислорода, чем в тканях млекопитающих. Митохондрии, выделенные у насекомых, вырабатывают 02- и H2O2 также на относительно высоком уровне. Поэтому дыхатель­ная способность митохондрий дрозофилы значительно снижает­ся с возрастом, как и активность оксидазы цитохрома c (комп­лекс IV), что может быть причиной упоминавшегося выше пороч­ного круга. Действительно, экспериментальное ингибирование активности комплекса IV увеличивает выработку Н202 (Ferguson et al., 2005).

С возрастом у многих организмов 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). Репрессия генов оксидативного метаболизма и

глобальные изменения паттерна экспрессии начинаются в ранней зрелости, задолго до начала функциональных нарушений (McCar- roll et al., 2004; Girardot et al., 2006). Как у нематод, так и у дрозо­фил происходит примерно 2-кратное снижение функции большо­го количества генов, вовлеченных в синтез АТФ и в митохонд­риальное дыхание (Balaban et al., 2005).

У млекопитающих при старении мозга снижают свою активность железосерный белок Риске и НАДН-дегидрогеназа (Blalock et al., 2003). В стареющей двенадцатиперстной кишке (энергозависимом органе) происходит снижение экспрессии субъединиц Va и Vila оксидазы цитохрома c и АТФ-синтазы • (Englander, 2005). Наиболее выраженные изме­нения функций митохондрий у млекопитающих выявлены в тка­нях с высокой митохондриальной функцией. В печени, мышцах и в мозгу активность электронотранспортных комплексов I, III и IV снижается с возрастом, тогда как функция комплекса II остается по большей части неизменной. В стареющих постмитотических тканях (мышцах и нейронах) in situ выявляются также дефекты цитохром c-оксидазы. Аналогичные, но менее выраженные воз- растзависимые изменения затрагивают и ткани с изначально низ­кой активностью митохондрий, хотя пролиферирующие клетки в отличие от постмитотических вырабатывают большую часть энер­гии за счет гликолиза (Hutter et al., 2004). Возрастзависимое сни­жение выработки энергии приводит к угнетению таких энерго­зависимых процессов, обеспечивающих стрессоустойчивость и долгожительство, как детоксификация вредных метаболитов и ре­парация ДНК и белков.

Мутации, затрагивающие различные аспекты функционирования митохондрий, способны существенным образом влиять на продолжительность жизни. Например, механизмы взаимодейст­вия митохондрий и ядра управляют старением дрожжей. Деле- ция мтДНК увеличивает продолжительность жизни материнской клетки. Это увеличение зависит от гена rtg2, сигнализирующего в ядро о дисфункции митохондрий по механизму ретроградной ре­гуляции. Ретроградный механизм приводит к изменению паттерна экспрессии ядерных генов и в конечном итоге увеличивает про­должительность жизни клетки. Есть предположение, что у нема­тод продукт гена clk-1 «докладывает» ядру о состоянии метаболиз­ма митохондрий, вынуждая ядерные гены устанавливать коррект­ный уровень поведения, развития и старения (Guarente, Kenyon, 2000). Мутация isp-1 у нематод в гене компонента (кодирующего железосерный белок Риске) комплекса III дыхательной цепи при­водит к замедлению развития и снижению потребления кислоро­да, а также к долгожительству.

Скрининг на основе РНК-интерфе- ренции у червей показал, что снижение уровня активности различ- 237 ных компонентов дыхательной цепи (комплексов I, III, IV или V) также ведет к увеличению продолжительности жизни. Около 15 % из общего пула генов долгожительства у нематод регулируют активность митохондрий: это гены компонентов электронотранс­портной цепи, митохондриальных переносчиков, рибосомальных субъединиц митохондрий. Несмотря на долгожительство, такие мутанты имеют измененную морфологию митохондрий, значи­тельное снижение потребления кислорода и стационарный уро­вень АТФ (Balaban et al., 2005). Полный скрининг генома нематод с помощью РНК-интерференции выявил 89 генов, инактивация которых продлевает жизнь на 5—70 %. Среди вновь открытых генов продолжительности жизни 25 % участвуют в различных аспектах метаболизма (углеводный и спиртовый метаболизм, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование, метаболизм пуринов). Возможно, что инактивация этих ферментов снижает скорость ге­нерации энергии (наподобие снижения калорийности питания), подавляя не только продукцию АТФ, но и образование свободных радикалов.

Кроме компонентов системы окислительного фосфорилиро­вания в регулирование продолжительности жизни вовлечены фер­менты углеводного метаболизма (например, УРФ-глюкозо-1-фо- сфат-уридилтрансфераза) и цикла трикарбоновых кислот (аконит- атгидратаза, изоцитратдегидрогеназа), поставляющие топливо для окислительного фосфорилирования (Hamilton et al., 2006). Инги­бирование митохондриального дыхания или синтеза АТФ — это daf-16-независимый механизм увеличения продолжительности жизни нематоды. В другом эксперименте подавление активности генов методом РНК-интерференции привело к увеличению про­должительности жизни и к выявлению 12 генов, кодирующих ком­поненты дыхательной цепи митохондрий. Мутантные животные характеризовались малыми размерами тела, замедлением движе­ния и питания. Однако у животных с подавлением генов nuo-5 (НАДН-убихиноноксидоредуктаза) и cchl-1 (цитохром c гем- лиаза) размеры тела были в норме, однако продолжительность жизни также увеличивалась (Hansen et al., 2005). Напротив, мута­ция Mev-1 у нематод, связанная с нарушением субъединицы фер­мента сукцинатдегидрогеназы, входящего в состав комплекса II электронотранспортной цепи, приводит к структурным наруше­ниям в митохондриях (снижает сукцинат-цитохром c редуктаз- ную активность), вызывая увеличение выработки активных форм кислорода и повышение уровня повреждений ядерной ДНК, что приводит к снижению длительности жизни (Felkai et al., 1999).

Удаление убихинона из диеты червей продлевает жизнь на 60 %. Мутация в гене фермента выработки убихинона (кофермен - 238

та Q) clk-1 замедляет развитие и приводит к долгожительству, обу­словливая дефицит дыхания, зависимого от комплекса I, и снижая цитоплазматический уровень свободных радикалов. Сверхэксп­рессия clk-1, напротив, увеличивает активность митохондрий и уменьшает продолжительность жизни (Felkai et al., 1999; Balaban et al., 2005).

Возросшее количество генов-кандидатов, регулирующих про­должительность жизни, требует исследования их полиморфизма в популяциях дикого типа. Одним из таких кандидатов является мтДНК, отдельные гаплотипы которой ассоциируются с варьиро­ванием продолжительности жизни. Как оказалось, у дрозофилы влияние мтДНК гаплотипов на продолжительность жизни в боль­шей мере зависит от ядерного генетического фона (митохондри­ально-ядерный эпистаз), чем собственно от мтДНК. Это естест­венно, ведь более 90 % митохондриальных белков кодируется в ядре (Rand et al., 2006).

В митохондриях стареющих клеток существенно возрастает олигомицин-ингибируемое дыхание, что указывает на низкое со­пряжение электронного транспорта с фосфорилированием (Hutter et al., 2004). Причинами рассопряжения являются оксидативное повреждение митохондриальной мембраны, активация митохонд­риальных пор проницаемости и неспецифическая утечка протонов (Hutter et al., 2004). Предотвращающий утечку кардиолипин (бис- фосфатидилглицерол внутренней мембраны митохондрий) очень чувствителен к оксидативному повреждению. Он также участвует в регуляции активности ряда митохондриальных белков, таких как АДФ/АТФ-переносчик, переносчик фосфата, митохондриальная АТФ-синтаза (Zhang, Herman, 2002). Экспрессия a-субъедини­цы митохондриальной F1 АТФ-синтазы, сопрягающей оксидатив­ное фосфорилирование с синтезом АТФ, значительно снижается в стареющем кортексе млекопитающих. Искусственное снижение активности гена F1 АТФ-синтазы a с помощью РНК-интерферен- ции достоверно увеличивало повреждение промоторов генов, ре­прессируемых при старении. Эффект нокаута F1 АТФ-синтазы •частично смягчался антиоксидантом — витамином Е (Lu et al., 2004). Такая дисфункция митохондрий снижает уровень клеточ­ной энергии. Стареющие фибробласты человека имеют более вы­сокое соотношение АМФ : АТФ, чем молодые клетки (Apfeld et al., 2004). Это результат не только ослабления сопряжения в ми­тохондриях, но и активизации гликолиза, а также возраст- ассцоциированного оксидативного повреждения адениннук- леотидтранслоказы, являющейся частью митохондриальной поры, которая служит критическим регулятором апоптоза (Zhang, Her­man, 2002; Hutter et al., 2004).

Предполагается, что организм активно распознает изменения энергетического уровня и отвечает подстройкой продолжитель­ности жизни. AMPK (АМФ-активируемая протеинкиназа) при­надлежит к консервативному семейству протеинкиназ, которые функционируют как энергетические сенсоры, координируя ответ на стрессы, понижающие энергетический уровень. AMPK пред­ставляет собой гетеротримерный комплекс, состоящий из ката­литической a-субъединицы и регуляторных в- и у-субъединиц. AMPK активируется АМФ и ингибируется АТФ по аллостери­ческому механизму. Таким образом, AMPK является сенсором низкого энергетического уровня и становится активной, когда со­отношение АМФ : АТФ принимает высокие значения. У нематод АМФ-зависимая активация а-субъединицы AAK-2 увеличивает продолжительность жизни. Импульс высокой температуры (внеш­ний стресс), снижающий энергетический уровень, увеличивает продолжительность жизни и уменьшает фертильность aak-2-за- висимым образом. Гены аак-2 и daf-16 (FOXO) функционируют параллельно, опосредуя продление жизни у мутантов по инсули­ноподобному рецептору. Когда у грызунов наличие энергии лими­тировано, функция AMPK восстанавливает нормальный уровень энергии, стимулируя поглощение глюкозы скелетными мышцами, гликолиз в сердце и пищевое поведение через регуляцию гипоталамуса (Apfeld et al., 2004). Один из механизмов возник­новения AMPK-эффектов у млекопитающих — регуляция актив­ности FOXO3 через фосфорилирование, что приводит к транс­крипции генов репарации (GADD45a) и антиоксидантной защиты (ген альдегиддегидрогеназы ЗА1, гены металлотионеинов Mt1/2 и GST), а также к активации вторичных энергетических путей клет­ки. Кроме того, AMPK регулирует метаболизм и рост клетки пу­тем фосфорилирования ацетил-КоА-карбоксилазы, комплекса 2 туберозного склероза и p27KIP1, а также транскрипцию генов — через фосфорилирование р53 (Greer et al., 2007). Известно, что в сердце крыс инсулин предотвращает активацию AMPK в ответ на снижение энергетического уровня после ишемии или аноксии. Эта схема может быть эволюционно консервативной и позволять животным оптимально использовать энергетические ресурсы в ранней зрелости, что способствует успеху размножения (Apfeld et al., 2004).

Межвидовое сравнение показало, что гены электронотранс­портной цепи снижают экспрессию с возрастом у человека, мы­шей и дрозофил. Это вступает в кажущееся противоречие с увели­чением продолжительности жизни у мутантов нематод, дефект­ных по аналогичным генам. Уже упоминался ген, кодирующий NADH-дегидрогеназу (NDUFA10), — один из генов, проявляю-

щих наибольшее снижение экспрессии с возрастом у человека. В то же время подавление его ортолога у нематод (K04G7.4) при­водит к наибольшему эффекту продления жизни. Данное противо­речие исчезает, если предположить, что снижение экспрессии ге­нов электронотранспортной цепи в старости может быть полез­ным компенсаторным механизмом, продлевающим жизнь (Zahn et al., 2006).

Митохондрии играют ключевую роль в процессах старения, будучи главным источником свободных радикалов и индукторов апоптоза. Кроме того, их основная функция — синтез АТФ претер­певает возрастзависимый спад. Вместе с тем не удалось подтвер­дить гипотезу порочного круга, согласно которой свободные ради­калы повреждают мтДНК, что приводит к еще большей их выра­ботке. Однако, хотя мутации мтДНК не увеличивают образования активных форм кислорода, они вызывают снижение биоэнергети­ческой способности, что подрывает такие энергозависимые кле­точные процессы, как репарация ДНК, протеолитическая актив­ность и детоксификация ксенобиотиков.

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

Еще по теме Митохондриальная теория старения:

  1. «СТАРЕНИЕ» КОЛЛАГЕНА - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ СТАРЕНИЯ СТРУКТУР ОРГАНИЗМА, ИЗМЕНЯЮЩИХ СВОЮ ДЛИНУ.
  2. Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с., 2008
  3. Старение организма
  4. 1. Главный виновник старения, или как бороться со стрессом
  5. КАК ПРЕДОТВРАТИТЬ СТАРЕНИЕ КОЖИ ЛИЦА
  6. Глава 5. Внешняя среда и болезни старения
  7. ФИЗИЧЕСКИЕ И ДЫХАТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ, ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ
  8. РАСТЯЖЕНИЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ «СТАРЕНИЮ» КОЛЛАГЕНА ОРГАНОВ И РАЗВИТИЮ В НИХ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
  9. ДИСБАЛАНС: КОЖНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ И СТАРЕНИЕВ СВЕТЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ УМОМ И ТЕЛОМ
  10. Глава 13. Самая универсальная болезнь -- старение: роль внутренних и внешних факторов
  11. ДЫХАТЕЛЬНОЕ УПРАЖНЕНИЕ № 5, НАПРАВЛЕННОЕ НА РАЗВИТИЕ ДЫХАТЕЛЬНЫХ МЫШЦ ЖИВОТА И ТАКЖЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЮЩЕЕ «СТАРЕНИЮ» ОРГАНОВ ГРУДНОЙ, БРЮШНОЙ. И ГАЗОВОЙ ПОЛОСТЕЙ.
  12. Теория трех дош
  13. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА ФАРМАЦЕВТИЧЕСКОГО МЕНЕДЖМЕНТА И МАРКЕТИНГА
  14. Теория
  15. Теория
  16. Теория
  17. Теория