<<
>>

Свободные радикалы и старение

Теперь мы знаем, что клетки постоянно вырабатывают свободные радикалы. При физиологических условиях около 0.2 % общего потребляемого кислорода уходит на их генерирование, которое осуществляется во многих компартментах клетки и при участии многих ферментов.

Важный вклад в этот процесс вносят белки плазматической мембраны (принадлежащие к семейству ЫДОРИ-оксидаз), липидный метаболизм в пероксисомах, актив­ность различных цитозольных ферментов (таких как циклоокси­геназы). Однако наиболее значителен вклад митохондрий — око­ло 90 %. Образование активных форм кислорода в митохонд­риях является следствием окислительного фосфорилирования — процесса, использующего контролируемое окисление ЫДБИ или БДБИ для запасания потенциальной энергии протонов (Д¥) во внутренней мембране митохондрий. Эта потенциальная энергия в свою очередь используется для фосфорилирования АДФ через Б1-Б0-АТФазу. В нескольких местах цепи цитохромов электроны, получаемые от ЫДБИ или БДБИ, могут напрямую реагировать с кислородом или другими акцепторами электрона и генерировать свободные радикалы.
Ранее эти события рассматривали как по­бочную реакцию, однако теперь убеждены, что митохондриаль­ные активные формы кислорода играют большую роль в раз­личных redox-зависимых сигнальных процессах. Вполне вероятно также, что они служит механизмом «часов старения» (Turrens, 2003; Balaban et al., 2005).

Два главных участка генерации активных форм кислорода — комплексы I и III электронотранспортной цепи, где происходят большие изменения потенциальной энергии электронов, связан­ные с восстановлением кислорода. Экспериментальные манипу­ляции, увеличивающие окислительно-восстановительный потен­циал в комплексах I или III, повышают темп выработки активных форм кислорода. Участок I является мультисубъединичным комп­лексом, состоящим из 46 белков с общей молекулярной массой 1 МДа и по крайней мере из одного связанного флавинмонону­клеотида и 8 железосерных групп.

Как железосерные, так и фла­винмононуклеотидные группы участвуют в выработке активных форм кислорода (Balaban et al., 2005). Здесь возникает одна треть общего количества митохондриальных свободных радикалов. Кро­ме того, они образуются глицерол-3-фосфатдегидрогеназой, про­дуцирующей активные формы кислорода на цитозольную сторону митохондриальной мембраны (Miwa et al., 2004). В комплексе III O2- образуется посредством восстановленного убисемихинона либо на внутренней, либо на внешней поверхности мембраны. Этап тер­минального окисления на цитохром c оксидазе в интактной систе­ме не вносит существенного вклада в образование активных форм кислорода (Turrens, 2003; Balaban et al., 2005).

Как известно, увеличение темпов образования активных форм кислорода или снижение каталитической детоксификации их в результате снижения антиоксидантной защиты вызывает струк­турные модификации в ДНК, белках и липидах (Bayne et al., 2005; Ferguson et al., 2005). Накопление оксидативных повреждений с возрастом может происходить через увеличение образования сво­бодных радикалов, а также через снижение антиоксидантной спо­собности и репарации оксидативных повреждений, деградации окисленных макромолекул, либо через комбинацию этих меха­низмов (Martin, Grotewiel, 2006).

Супероксиддисмутаза, локализованная в митохондриях, пре­вращает O2- в перекись водорода, которая в свою очередь распа­дается под действием митохондриальных пероксидаз или диффун­дирует в цитозоль. Перекись водорода может быстро диффундиро­вать через клеточные мембраны и подвергаться расщеплению до высокоактивного гидроксил-радикала, способного вызывать окси- дативные повреждения разнообразных макромолекул (Bayne et al., 2005; Ferguson et al., 2005). Открытие супероксиддисмутазы было важным шагом в обосновании роли митохондрий в выработке сво­бодных радикалов и H2O2 (McCord, Fridovich, 1969). Существует

два внутриклеточных фермента с активностью супероксиддис- мутазы: SOD2 (Mn-зависимый фермент в матриксе митохондрий) и SOD1 (C^Zn-содержащий фермент цитозоля).

Оба фермента превращают 02- в перекись водорода, которая затем деактиви­руется или каталазой до воды и кислорода, или различными глу- татион-пероксидазами до восстановленного глутатиона и воды. Пероксиредоксины представляют собой еще одно семейство важ­ных перехватчиков свободных радикалов в митохондриях. Су­пероксид, который не был немедленно деактивирован, напрямую взаимодействует с окисленным цитохромом c или цитохром-ок- сидазой. Эта эффективная система утилизации приводит к тому, что количество свободных радикалов, выходящих из митохонд­рий, гораздо меньше генерируемого (Хавинсон и др., 2003; Bala- ban et al., 2005).

Трипептид у-глутамил-цистеинил-глицин, известный также как глутатион (GSH), — многосторонний биологический восстано­витель. GSH синтезируется в результате последовательного дей­ствия двух ферментов: глутамат-цистеинлигазы, катализирующей первый шаг синтеза de novo, и глутаматсинтазы, связывающей глицин с у-глутамил-цистеином для формирования глутатиона. Последний осуществляет множество физиологических функций, исполняя роль субстрата ферментативного восстановления пер­оксидов и коньюгата ксенобиотиков для облегчения их экспорта из клетки, а также участвуя в транспорте аминокислот, тиолиро- вании/детиолировании белков и поддержании клеточного окисли­тельно-восстановительного статуса (Orr et al., 2005). Повышение продукции активных форм кислорода вызывает сдвиг в окисли­тельно-восстановительном статусе клетки, который определяется количеством и соотношением взаимозаменяемых форм окисли­тельно-восстановительных пар, таких как дисульфиды GSH, цис­теин, тиоредоксин, NAD(P)H и NAD(P)+. Концентрация глута­тиона в клетке на 2—3 порядка выше, чем любого другого анти­окислителя. Он является главным детерминантом и индикатором общего окислительно-восстановительного статуса. Однако кон­центрация GSH зависит от нескольких факторов, в том числе от наличия предшественников и от темпов синтеза и окисления. Кон­центрация метионина может также влиять на состояние глута­тиона, поскольку он является предшественником в биосинтезе цистеина (Rebrin et al., 2004).

Окисление GSH, цистеина и ме­тионина — наиболее ранние клеточные ответы на увеличение выработки активных форм кислорода. Последствием увеличения продукции свободных радикалов является обратимое окисление белковых цистеинил-тиолов, приводящее к формированию сме­шанных протеин-глутатионил-дисульфидов с GSH и его метабо- 216

литами (протеин-цистеинилом и протеин-цистеинил-глицином). Тиолирование потенциально служит регулирующим механизмом активации/инактивации белков, вовлеченных в разнообразные функции, такие как трансдукция сигнала, активация генов и фер­ментов (Rebrin et al., 2004).

Темпы образования митохондриями свободных радикалов, супероксид-анион радикала (02- ) и перекиси водорода (H2O2) уве­личиваются с возрастом и отрицательно коррелируют с макси­мальной продолжительностью жизни, по крайней мере у млеко­питающих и насекомых (Bayne et al., 2005). Прямые экспери­менты по влиянию окислителей на скорость старения в целом подтверждают теорию Хармана. Например, мухи, обработанные паракватом (реагентом, вызывающим оксидативный стресс), ха­рактеризуются нарушениями циклов сон : бодрствование, сход­ными с наблюдаемыми при старении (Koh et al., 2006). У дрозо­филы старение и оксидативный стресс-ответ одинаково сверхэкс- прессируют гены биосинтеза пуринов, белков теплового шока, антиоксидантов и гены врожденного иммунного ответа. При этом одинаково подавляется активность субъединиц протеосомы и дру­гих протеаз (41 ген), щелочных фосфатаз (8 генов) и триацилгли- цероловых липаз (4 гена). В конечном счете при старении и окси- дативном кислородном стрессе перекрывается экспрессия 38 % генов (Landis et al., 2004). Дефект митохондриального фермента b-субъединицы сукцинатдегидрогеназы у дрозофилы обусловли­вает гиперчувствительность к кислороду и появление признаков прогероидного синдрома (раннее начало смертности и прежде­временное угасание поведенческих реакций). Все эти наруше­ния являются следствием повышенной выработки митохондрия­ми H202 (Walker et al., 2006а).

Возрастзависимое увеличение содержания оксидативно по­врежденных нуклеиновых кислот, белков и липидов отмечено в различных тканях у многих видов животных. В мозгу человека и других млекопитающих старение ассоциировано с увеличением окислительного повреждения как митохондриальной, так и ядер­ной ДНК, причем в митохондриальной ДНК уровень повреждений значительно выше, поскольку она ближе к основному источнику образования свободных радикалов. Оксидативное повреждение ядерной ДНК обусловливает возникновение разрывов цепей, спо­собных вызвать гибель клетки или мутации, нарушающие синтез белков и приводящие к клеточной дисфункции (Martin, Grotewiel,

2006) .

Высокое потребление кислорода постмитотическими клетка­ми повышает риск накопления оксидативных повреждений ДНК, особенно в промоторных областях генов нейронов. Промоторные участки генов особенно уязвимы, так как они содержат GC-бога­тые последовательности, которые очень чувствительны к повреж­дению и не защищены эксцизионной репарацией. Основным мо­дифицированным основанием является 8-оксо-2'-деоксигуанозин. Повреждение ДНК наблюдалось также и в экзонах, но в меньшей степени, чем в промоторах. Стабильно экспрессируемые и сверх- экспрессируемые гены стареющего кортекса демонстрируют не­большое число повреждений ДНК в своей промоторной облас­ти. Напротив, большинство генов с возрастзависимым снижением регуляции имеют значительно большее число повреждений. Та­ким образом, повреждение ДНК может снижать экспрессию наи­более уязвимых генов, вовлеченных в обучение, память и нейро­нальное выживание, инициируя программу старения мозга, на­чинающегося у человека после 40 лет (Lu et al., 2004; Englander, Ma, 2006).

Белки получают оксидативные повреждения аминокислот и кофакторов. Остатки метионина особенно чувствительны к оки­слению активными формами кислорода, образуя метионин-S- и метионины-сульфоксиды (Koc et al., 2004). Ключевой митохонд­риальной мишенью оксидативного повреждения служит фермент аконитаза (Bitterman et al., 2003).

До одной трети белков мозга у пожилых индивидуумов оксидативно повреждены, а их функцио­нирование снижается (Fraser et al., 2005). У мышей возрастзависи- мое снижение способности к скоординированным движениям так­же связано с окислением белков в мозжечке (Martin, Grotewiel, 2006). Оксидативное повреждение белков увеличивается с возрас­том у дрозофилы, в гепатоцитах крыс, в мозгу собаки, в хрустали­ке глаза человека. Карбонилирование белков в гепатоцитах крыс и хрусталике человека свидетельствует о том, что у старого организ­ма около 30 % общего белка клетки может быть оксидативно по­врежденным, по крайней мере в некоторых тканях (Martin, Grote­wiel, 2006). Одна из эволюционных теорий старения предполагает, что симметрично делящиеся организмы не стареют. Однако это противоречит экспериментальным данным. Иммунофлуоресцент­ный анализ на наличие карбонилированных белков в симметрич­но делящихся клетках дрожжей Schizosaccharomyces pombe де­монстрирует постепенное накопление со временем таких белков. При делении окисленные белки распределяются между двумя дочерними клетками. Тем не менее количество молодых клеток (т. е. содержащих мало окисленных белков) остается достаточно большим, чтобы обеспечить выживание популяции (Minois et al., 2006).

Карбонилирование возникает через прямое окисление опреде­ленных боковых цепей аминокислот и оксидативно-индуцирован- ного разложение пептидов. В норме такая модификация метит ферменты для деградации цитозольными нейтральными щелоч­ными протеазами или протеосомой. Однако темп белкового обме­на с возрастом снижается, что может приводить к накоплению по­врежденных белков в стареющей клетке (Tavernarakis, Driscoll, 2002).

Липиды являются важным повсеместным компонентом био­логических мембран, и их модификация окислительными про­цессами может влиять на текучесть и проницаемость мембран и инактивировать мембраносвязанные белки, обусловливая эффек­ты старения. Окислительные повреждения липидов возникают при автокаталитических реакциях перекисного окисления. Фосфо­липиды в наиболее метаболически активных тканях, таких как пе­чень, в особенности фосфолипиды митохондриальных мембран как наиболее близкие к месту образования активных форм кисло­рода, подвергаются наибольшему риску повреждения. Чувстви­тельность мембран к перекисному окислению липидов зависит от их качественного состава. Так, мембраны с большим количеством полиненасыщенных жирных кислот и особенно ю3-полиненасы- щенных жирных кислот (докозагексаеновой кислоты) особенно подвержены оксидативному стрессу (Andziak, Buffenstein, 2006; Martin, Grotewiel, 2006). Пероксиды распадаются до цитотоксич­ных альдегидов, таких как малоновый диальдегид и 4-гидрокси- ноненал. Накопление 4-гидроксиноненала увеличивается с воз­растом в некоторых тканях дрозофилы, а уровень малонового ди­альдегида и конъюгированного с гидроксиноненалом коллагена возрастает при старении крыс (Martin, Grotewiel, 2006).

Состав мембран изменяется при ограничении диеты, при этом происходит снижение накопления повреждений липидов (And­ziak, Buffenstein, 2006). Клеточное окружение влияет на окисле­ние липидов, модулируя количество повреждений. Переходные металлы, такие как железо, инициируют реакцию Фентона, со­провождающуюся образованием высокоактивных гидроксил- и алкоксил-радикалов. Возрастзависимые изменения внутриклеточ­ной концентрации железа могут влиять на скорость окислитель­ных процессов и на накопление повреждений. Действительно, уве­личение концентрации железа с возрастом коррелирует с уве­личением оксидативных повреждений у крыс и мышей. Однако результаты исследований возраст-ассоциированных изменений количества поврежденных липидов противоречивы и зависят от ткани и вида, что даже привело к заключению о том, что посте­пенное окислительное повреждение липидов не является интег­ральным показателем старения организма (Andziak, Buffenstein, 2006).

Признаком старения у нематод и других животных служит аутофлуоресценция клеток в результате лизосомального накопле­ния липофусцина — неперевариваемого продукта оксидативной деградации и автофагоцитоза клеточных компонентов (Garigan et al., 2002).

Оксидативный стресс влияет на выживание клеток и гомео­стаз. Он запускает изменение экспрессии генов, приводящее либо к клеточному старению, либо к апоптозу, либо к восстановлению клетки (Lehtinen et al., 2006). Преждевременное старение клеток в культуре индуцируется оксидативным стрессом (Hardy et al., 2005). Одним из механизмов этого явления может быть образова­ние одноцепочечных разрывов в теломерной ДНК (Kurz, 2004). У здоровых женщин предклимактерического возраста, имеющих детей с хроническими заболеваниями, оксидативный стресс и дли­на теломер зависели от длительности болезни детей (от 1 до 12 лет) (Sapolsky, 2004). Снижение концентрации окружающего кисло­рода значительно увеличивает продолжительность жизни пер­вичных клеток в культуре. Сходное увеличение достигается по­полнением уровня антиоксидантов. Например, увеличение уровня активности супероксиддисмутазы продлевает жизнь первичных фибробластов, а также снижает темпы укорочения теломер. На­против, выключение Sod методом РНК-интерференции индуци­рует клеточное старение через активацию р53 (Balaban et al., 2005). У мух с доминантно-негативной, т. е. не способной связываться с ДНК, формой р53, экспрессируемой в нейронах, устойчивость к индуктору активных форм кислорода параквату возрастала, так же как и продолжительность жизни (Bauer et al., 2005). Как уже говорилось ранее, белок р53 в ответ на повреждение ДНК инду­цирует транскрипцию р21 гена-ингибитора циклин-зависимых киназ, приводящего к необратимой остановке клеточного цикла. Сверхактивация р21 повышает уровни активных форм кислорода как в нормальных, так и в опухолевых клетках, причем пропор­ционально уровню р21. Ингибитор свободных радикалов NAC подавляет окрашивание р21-экспрессирующих клеток на старе- ние-ассоциированную ß-галактозидазу и защищает их от необра­тимой остановки роста, индуцированной р21. Еще один р53-инду- цируемый ген — PIG3 приводит к индукции свободных радика­лов (Macip et al., 2002).

Генетические модификации, увеличивающие продолжитель­ность жизни модельных животных, зачастую повышают их устой­чивость к окислительному стрессу.

При хронологическом старении дрожжей важная роль принад­лежит цитоплазматическим и митохондриальным супероксиддис- мутазам (гены Sodl и Sod2; сверхэкспрессия обоих генов прод­левает хронологическое выживание на 30 %). Экспрессия гена антиапоптозного белка человека Bcl-2 у дрожжей препятствует развитию дефектов у мутантов по sod и увеличивает выживание клеток дикого типа (предполагается, что гибель старых дрожже­вых клеток протекает по пути апоптоза) (Bitterman et al., 2003). Вы­ключение генов дрожжей sch9 и cyrl приводит к 3- и 2-кратному увеличению продолжительности жизни, а также к устойчивости к оксидативному стрессу. Оба гена участвуют в каскадах, подавляющих активность транскрипционных факторов, контро­лирующих ген Sod2 (Bitterman et al., 2003; Fabrizio et al., 2005). Окисленные метионины в составе белков репарируются анти­оксидантными ферментами — Met-S-SO-редуктазой (MsrA) и Met-R-SO-редуктазой (MsrB). У дрожжей присутствует по одному гену MsrA и MsrB. Делеция MsrA у дрожжей укорачивает про­должительность жизни на 26 %, а сверхэкспрессия — увеличивает на 25 % (Koc et al., 2004). При нормальных условиях оксидатив- но поврежденные белки, накапливающиеся в стареющих клетках дрожжей Saccharomyces cerevisiae, в отличие от Schizosaccharo- myces pombe распределяются между материнской и дочерней клет­ками асимметрично. Такой защиты дочерней клетки не наблю­дается у мутантов Sir2; отсюда предполагается, что эта деаце- тилаза может быть важна для защиты клетки от последствий оксидативного повреждения (Balaban et al., 2005).

Мутации, приводящие к снижению инсулинового сигналинга и к долгожительству нематод (daf-2), уменьшают количество карбо- нилированых (окисленных) белков (Baumeister et al., 2006). У му­тантов наблюдается снижение экспрессии компонентов электро­нотранспортной цепи митохондрий (Golden, Melov, 2004). Личин­ка dauer и долгоживущие взрослые особи мутантов daf-2 и age-1 имеют повышенную активность каталазы, цитоплазматической Cu,Zn-SOD, митохондриальной Mn-SOD (ген sod-3) и глутатион- S-трансферазы. Эта экспрессия опосредована транскрипционным фактором DAF-16 (McElwee et al., 2004). Известно, что удаление половых клеток у нематод продлевает жизнь. Оказалось, что жи­вотные с удаленными половыми клетками также имеют повышен­ную устойчивость к оксидативному стрессу (Arantes-Oliveira et al., 2002).

Лабораторная селекция самок дрозофилы на позднюю репро­дукцию привела к созданию ряда долгоживущих линий. Многие из них имеют повышенную устойчивость к оксидативному стрессу (Martin, Grotewiel, 2006). Удаление в мозгу дрозофилы медианных нейросекреторных клеток, синтезирующих инсулино­подобные пептиды, приводит к устойчивости к оксидативному стрессу (Broughton et al., 2005). Продлевающая жизнь мутация в гене рецептора инсулина InR у дрозофилы способствует повы­шенной экспрессии супероксиддисмутазы (Cheng et al., 2005). Ана­логично мутация субстрата инсулинового рецептора Chico увели­чивает как общую активность фермента Sod, так и продолжитель­ность жизни (Landis et al., 2003). Гетерозиготы по мутации гена рецептора другого гормона, экдизона, также имеют повышенную устойчивость к оксидативному стрессу (Simon et al., 2003). Долго­живущая линия дрозофил methuselah (mth) характеризуется уве­личением продолжительности жизни на 35 %, а также устойчи­востью к оксидантам. Продукт этого гена принадлежит к мемб­ранным рецепторам подсемейства секретинов, сопряженных с ГТФ-связывающими белками (GPCR). Эти рецепторы с семью трансмембранными доменами, модулируют большое количество сигнальных путей. Лиганды Mth кодируются у дрозофилы геном stunted, дающим два сплайсинговых варианта белка, содержащих их по 56 и 60 аминокислот (A и B). Эти белки соответствуют в- субъединице Р1Р0-АТФ-синтазы электронотранспортной цепи. Однако остается вопрос, как предполагаемый митохондриаль­ный белок может служить лигандом рецептора клеточной поверх­ности? Мутация гена, кодирующего эти лиганды, увеличивает как продолжительность жизни, так и устойчивость к оксидатив­ному стрессу (Helfand, Rogina, 2003а; Cvejic et al., 2004; Balaban et al., 2005). Эктопическая экспрессия d4E-BP у мух с отсутствием dFOXO восстанавливает их устойчивость к оксидативному стрес­су до контрольного уровня. d4E-BP контролирует белок elF4E, связывающий 5' кэп молекулы мРНК и регулирующий биосинтез белка (Tettweiler et al., 2005).

Отсутствие Sodl у дрозофилы увеличивает спонтанное по­вреждение генома как в соматических, так и в половых клетках. Определенные мутации с дефектими репарации ДНК, в том числе двойная мутация mei-91 mei-41DS (Woodruff et al., 2004), оставаясь толерантными у Sodf -мух, приводят к высокой смертности при введении в генетическое окружение гомозиготы с отсутствием Sodl. Сверхэкспрессия MsrA, преимущественно в нервной систе­ме, продлевает жизнь дрозофилы на 70 % (Koc et al., 2004).

Сверхэкспрессия каталазы в сочетании с Sod (либо только Sod) увеличивает продолжительность жизни дрозофилы, так же как сверхэкспрессия гена карбоксиметилтрансферазы белков (pcmt), участвующей в репарации поврежденных изоаспартиловых остат­ков и метионинсульфоксидредуктазы, репарирующей окисленные метионины (Helfand, Rogina, 2003b). У дрозофилы сверхэкспрес­сия Cu,Zn-Sod только лишь в мотонейронах продлевает жизнь на 40—50 % без изменения уровня метаболизма или фертильнос-ти (Guarente, Kenyon, 2000). Однако данный эффект, по-видимо­му, был обусловлен неблагоприятным генетическим окружением контрольной линии (Rand et al., 2006). В другом эксперименте проверка эффектов сверхэкспрессии человеческого Sod на раз­личном генетическом фоне, в том числе у долгоживущих диких линий дрозофилы, продемонстрировала выраженные генотип- и пол-специфичные эффекты, хотя в среднем продолжительность жизни все же увеличивалась. Таким образом, продление жизни у линий со сверхактивацией Sod не является эффектом лишь генети­ческого фона — здесь налицо эпистатическое взаимодействие Sod с другими генами, влияющее на выраженность эффектов (Spencer et al., 2003).

Истощение запасов глутатиона, индуцированное L-бутионин- SR-сульфоксимином (ингибитором активности глутамат-цистеин- лигазы), усиливает уязвимость к оксидативным повреждениям. В некоторых тканях количество глутатиона и их способность поддерживать его постоянный уровень при оксидативном стрессе имеют тенденцию к снижению с возрастом. На примере домовой мухи показано, что у молодых особей глутамат-цистеинлигаза имеет более высокую аффинность к своим субстратам, чем у ста­рых (Orr et al., 2005). Соотношение GSH/GSSG и содержание ме­тионина при старении дрозофилы также снижаются, а содержа­ние белковой смеси дисульфидов — увеличивается (Rebrin et al., 2004). Сверхэкспрессия гена глутамат-цистеинлигазы в нервной системе мух увеличивает среднюю и максимальную продолжи­тельности жизни на 50 %, не влияя на уровень потребления кисло­рода. Повсеместная ее сверхэкспрессия продлевает жизнь только на 24 %. Таким образом, усиление глутатионовой биосинтетиче­ской активности, особенно в нейрональной ткани, замедляет ста­рение, что подтверждает гипотезу оксидативного стресса как клю­чевого фактора старения (Orr et al., 2005).

Мухи, сверхэкспрессирующие ген белка теплового шока Hsp22 в мотонейронах, дольше поддерживают высокую локомоторную активность. У них также повышена устойчивость к оксидативному повреждению, вызванному паракватом (Morrow et al., 2004).

Мыши-гетерозиготы с мутацией рецептора инсулиноподоб­ного фактора роста IGF-1, как известно, живут дольше, а их фиб­робласты более устойчивы к оксидативному стрессу, чем конт­рольные (Cheng et al., 2005). Самки-гетерозиготы по инсулино­вому рецептору также обладают повышенной устойчивостью к оксидативному стрессу (Nelson, Padgett, 2003). У мышей, как изве­стно, сверхэкспрессия гена klotho подавляет старение и увеличи­вает продолжительность жизни через подавление инсулинового сигналинга и FOXO-зависимую индукцию Mn-SOD (Yamamoto et al., 2005). Нарушения в гене pßff110, кодирующем адапторный

белок для ряда рецепторов клеточной поверхности, включая ре­цептор инсулина, продлевают жизнь мышей и увеличивают их устойчивость к оксидативному стрессу. Клетки таких мутантов характеризуются снижением базального и стресс-индуцируемого уровней свободных радикалов. Есть свидетельства, указывающие на то, что p66shc регулирует у млекопитающих активность FOXO, а это в свою очередь увеличивает активность каталазы и супер- оксиддисмутазы (Balaban et al., 2005; Papazoglu, Mills, 2007). Сиг- налинг p53-p66Shc вовлечен в распространение проапоптозного оксидативного сигнала (Pelicci, 2004). Делеция гена MsrA у мы­шей снижает продолжительность жизни на 40 % (Koc et al., 2004). Трансгенные мыши со сверхэкспрессией гена человеческой ка­талазы в пероксисомах, ядре или митохондриях живут, напротив, на 5 месяцев дольше контроля. У них замедляется развитие кар­диопатологии и катаракты, снижается образование окислитель­ных повреждений и митохондриальных делеций, уменьшаются выработка H2O2 и Н202-индуцированная инактивация аконитазы (Schriner et al., 2005). С другой стороны, мыши, гетерозиготные по митохондриальной супероксиддисмутазе, характеризуются зна­чительным уровнем повреждения ядерной ДНК и высокой часто­той опухолеобразования (Balaban et al., 2005).

Среди млекопитающих виды с большей продолжительностью жизни обычно вырабатывают и накапливают меньше окисленных липидов (например, мембранных ю-3-полиненасыщенных жирных кислот), чем короткоживущие, в результате они меньше подвер­жены перекисному окислению (Andziak, Buffenstein, 2006).

Представители группы столетних индивидуумов у человека проявляют наравне с низкой резистентностью к инсулину мень­шую степень оксидативного стресса (Cheng et al., 2005). Напро­тив, недостаточная детоксификация радикалов обусловливает ряд возрастзависимых заболеваний, например болезни Паркинсона и Альцгеймера, а также ишемическо-реперфузионные повреждения при инсульте (Baumeister et al., 2006; Walker et al., 2006a).

Каким образом регулируется ответ клетки на оксидативный стресс и как он связан со старением? Ключевую роль в этом про­цессе отводят протеинкиназам и транскрипционным факторам. Протеинкиназа Ste20, которая у дрожжей Saccharomyces cerevisiae опосредует Н2О2-индуцируемую гибель клеток, у млекопитающих представлена Ste20-подобными киназами MST1 и MST2. В нейро­нах млекопитающих оксидативный стресс активирует MSTl-ки­назу, которая в свою очередь фосфорилирует FOX03, что подав­ляет способность последнего взаимодействовать с белками 14-3-3 в цитоплазме и способствует его перемещению в ядро. Актива­ция FOXO3 приводит к запуску апоптоза нейронов через актива- 224

цию транскрипции гена bim, кодирующего БИЭ-белок, напрямую вовлеченный в клеточную гибель. Выключение MST1 снижает ин­дуцируемую перекисью водорода экспрессию bim. Hippo, у дрозо­филы, ортолог MST1 также играет важную роль в апоптозе. Кро­ме того, выключение CST-1, ортолога MST1 у Caenorhabditis ele- gans, укорачивает продолжительность жизни и ускоряет старение тканей, тогда как сверхэкспрессия cst-1 стимулирует продолжи­тельность жизни и задерживает старение через фосфорилирова­ние DAF-16, ведущее к активации антистрессовых белков, напри­мер Hsp12.6 (Lehtinen et al., 2006).

Связь стресс-сигналинга и продолжительности жизни обосно­вывается еще и тем, что JNK-зависимый путь регуляции долгожи­тельства стимулируется клеточным стрессом, подавляя токсич­ность внутриклеточных активных форм кислорода. У нематод ак­тивация JNK при трансгенной сверхэкспрессии гена jnk-1 наравне с продолжительностью жизни увеличивает daf-16-зависимым об­разом толерантность к оксидативному стрессу (Baumeister et al., 2006). У Caenorhabditis elegans при оксидативном стрессе DAF-16 может также активироваться и р38-МАР-киназой SEK-1. Кроме того, корегулятором DAF-16, контролирующим его антиокис­лительную роль, является белок SMK-1, способствующий сверх­активации генов антиоксидантных ферментов митохондриальной супероксиддисмутазы и каталазы. Однако сверхэкспрессия одного лишь smk-1 не приводит к увеличению продолжительности жизни (Wolff et al., 2006). Ответ на оксидативный стресс у червей опосре­дуется активацией (и ядерной локализацией) белка SKN-1, родст­венного №-Е2-факторам стресс-ответа млекопитающих — Nrf1 и Nrf2. SKN-1 индуцируется в условиях оксидативного стресса, и его индукция продлевает жизнь нематоды (Baumeister et al., 2006). Наконец, активизация JNK-сигналинга снижает оксидативные по­вреждения и увеличивает продолжительность жизни дрозофилы (Balaban et al., 2005; Baumeister et al., 2006; Gami, Wolkow, 2006).

Таким образом, у червей, мух и мышей генетические измене­ния, повышающие активность FOXO, увеличивают устойчивость к оксидативным повреждениям через FOXO-зависимую транс­крипцию разнообразных генов, участвующих в стресс-ответе, на­пример Mn-Sod (Giannakou, Partridge, 2004; Wang et al., 2005). По-видимому, деацетилаза млекопитающих SIRT1 также защища­ет клетки от прямого оксидативного стресса (Balaban et al., 2005). Кстати сказать, при оксидативном стрессе увеличивается ассоциа­ция SIRT1 с FOXO3 и FOXO4 (Wang, Tissenbaum, 2006). SIRT1 мо­жет стимулировать способность FOXO индуцировать задержку клеточного цикла, возможно, предоставляя клетке больше време­ни на репарацию ДНК и детоксификацию свободных радикалов (Giannakou, Partridge, 2004). Возраст-ассоциированное увеличение концентрации активных форм кислорода может также приводить к индукции p38 MAPK стресс-ответа через накопление окислен­ной формы тиоредоксина, активирующего киназу ASK1 (Hsieh, Papaconstantinou, 2006).

Индукция стресс-активируемых киназ и транскрипционных факторов приводит к изменению паттерна экспрессии генов. Та­ким образом, старение нередко сопровождается компенсаторной активацией генов, участвующих в устранении последствий окси- дативного стресса.

Примерно четверть индуцированных при старении печени бел­ков участвует в оксидативном стресс-ответе, прежде всего это ша- пероны (Cao et al., 2001). В стареющей ретине сверхэкспресси- рован фермент фосфатидилсериндекарбоксилаза (расположенный во внутренней мембране митохондрий и участвующий в биосин­тезе фосфолипидов). Возможно, это компенсаторная реакция на оксидативное повреждение мембран (Carter et al., 2005). В скелет­ных мышцах обезьян старение изменяет экспрессию 300 (4.2 %) генов. Происходит скоординированная индукция генов ответа на оксидативный стресс, включая Hsp70, ORP150 (ген, кодирующий кислородрегулирумый белок с молекулярной массой 150 кДа) и p65 (ген субъединицы NF-kB) (Kayo et al., 2001). При старении в кортексе человека обнаруживается сверхэкспрессия ферментов эксцизионной репарации 8-оксогуанин-ДНК-гликозилазы и ура- цил-ДНК-гликозилазы (Lu et al., 2004). Активность гликозилаз NEIL1 и NEIL2 в постмитотическом мозгу усиливается в 1.5— 2 раза (Englander, Ma, 2006). Обнаружено значительное увели­чение с возрастом активности гликозилазы/АР-лиазы (mtODE), нацеленной на 8-оксогуанин в митохондриях (Souza-Pinto et al., 1999). Экспрессия и ферментативная активность сульфоксидре- дуктаз A и B, катализирующих репарацию оксидативных повреж­дений метиониновых остатков, снижается с возрастом в мозгу, пе­чени и почках крыс, так же как при репликативном старении фиб­робластов человека в культуре (Martin, Grotewiel, 2006).

Вполне закономерно, что в ряде исследований удалось пока­зать благотворное влияние на процессы старения различных син­тетических и природных антиоксидантов или индукторов анти­оксидантных ферментов. Антиоксиданты в пище защищают от возрастзависимого снижения поведенческих реакций у крыс. Фар­макологические антиоксиданты (витамин Е) снижают количество оксидативно поврежденных белков, липидов и ДНК у мышей. Аналогичная защита обнаружена у мух, получающих 4-фенилбу­тират — ингибитор гистоновых ацетилаз, усиливающий устой­чивость к оксидативному стрессу (Cook-Wiensa, Grotewiel, 2002;

Goddeeris et al., 2003; Martin, Grotewiel, 2006). Ограничение кало­рийности питания также снижает концентрацию 8-гидроксидеок- сигуанозина в ДНК и дитирозиновых перекрестных сшивок бел­ков в сердце мышей и предотвращает перестройки митохондри­ального генома (Lee et al., 2002).

В итоге следует отмутить, что свободнорадикальная теория подтверждается следующими фактами (Giorgio et al., 2007):

1) аэробные организмы постоянно образуют токсичные актив­ные формы кислорода;

2) клетки накапливают со временем окислительные поврежде­ния (окислительный стресс);

3) активные формы килорода способны вызывать клеточное старение и апоптоз;

4) активные формы кислорода, клеточное старение и апоптоз неразрывно связаны с возраст-ассоциированными дегенеративны­ми заболеваниями.

Несмотря на множество фактов, свидетельствующих в пользу свободнорадикальной теории, остаются открытыми следующие фундаментальные вопросы (Balaban et al., 2005):

Что управляет взаимосвязью между общим темпом метаболиз­ма и выработкой активных форма кислорода?

Какие наиболее важные внутриклеточные мишени свобод­ных радикалов и как оксидативные модификации этих мишеней влияют на продолжительность жизни?

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

Еще по теме Свободные радикалы и старение:

  1. Защита от свободных радикалов
  2. Угрозы, создаваемые свободными радикалами
  3. «СТАРЕНИЕ» КОЛЛАГЕНА - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ СТАРЕНИЯ СТРУКТУР ОРГАНИЗМА, ИЗМЕНЯЮЩИХ СВОЮ ДЛИНУ.
  4. Поглотители радикалов - втроем сильнее всего
  5. «Свободная» любовь
  6. «Свободная» любовь
  7. ПОЗВОЛЕНИЕ ГОВОРИТЬ СВОБОДНО
  8. Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с., 2008
  9. Старение организма
  10. 1. Главный виновник старения, или как бороться со стрессом
  11. АВАДХУТА ГИТА. Песня извечно свободного Поведанная Даттатреей Авадхутой 0000, 0000
  12. КАК ПРЕДОТВРАТИТЬ СТАРЕНИЕ КОЖИ ЛИЦА
  13. Глава 5. Внешняя среда и болезни старения
  14. ФИЗИЧЕСКИЕ И ДЫХАТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ, ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ
  15. РАСТЯЖЕНИЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ «СТАРЕНИЮ» КОЛЛАГЕНА ОРГАНОВ И РАЗВИТИЮ В НИХ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
  16. ДИСБАЛАНС: КОЖНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ И СТАРЕНИЕВ СВЕТЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ УМОМ И ТЕЛОМ
  17. Глава 13. Самая универсальная болезнь -- старение: роль внутренних и внешних факторов
  18. Ирина Млодик. Книга для неидеальных родителей, или Жизнь на свободную тему. (Родительская библиотека). — М.: Генезис,2009. 3-е изд. — 232 с., 2009