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.

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.

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).

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).

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.

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 p27^KIP1, 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.