Биохимия старения

Канунго М. С.

Возникает вопрос, действительно ли те клетки, которые сохраняют способность делиться в течение всей жизни, не стареют? Действительно ли они обновляются всякий раз, когда делятся? Можно ли считать две дочерние клетки полностью идентичными не только в отношении содержания ДНК, но и родительских органелл? Известно, что во время созревания сперматиды наблюдается неадекватное деление.

Вернет [3] предположил, что клетки одного типа могут быть более ответственны за старение, чем другие. По его мнению клетки тимуса и тимус-зависимые клетки, которые подвержены ослаблению пролиферации по типу фазы III, определяют темп старения. Вернет — сторонник той точки зрения, что изменения в этих клетках ответственны за аутоиммунные заболевания, которые чаще встречаются в пожилом возрасте. Эта концепция основана на представлении, что причиной старения являются соматические мутации, однако доказательств для нее пока нет.

Если старение — внутреннее свойство клеток, тогда оно должно быть присуще и одноклеточным организмам. Амебы проходят ограниченное число делений и живут ограниченное время, если их содержать на неполноценном рационе. Они продолжают расти и размножаться непрерывно только в том случае, если питание обильно, чего обычно не бывает в естественных условиях [38]. Многие клоны парамеций [46, 47] и аскомицетов [41] имеют ограниченную пролиферативную активность.

Старение клеток in vivo и после трансплантации

Клетки некоторых типов стареют in vivo после немногочисленных делений, другие — после большого числа делений. Различия зависят от степени дифференцировки клеток, их окружения и питания. Ограниченная жизнеспособность клеток может быть следствием снижения функциональной активности и старения организма в целом. Нельзя ли избежать старения и надолго сохранить клетки живыми путем переноса их молодому хозяину? Вместе с тем, если клетки организма постоянно замещать клетками более молодого индивидуума, не сделает ли это его жизнь более продолжительной или бесконечной? Трансплантация клеток молодому хозяину обеспечивает им естественное физиологическое окружение, которое нельзя создать при культивировании вне организма. Поэтому опыты по трансплантации позволяют отчасти отклонить упреки по поводу неестественного окружения клетки при культивирований in vitro и неприменимости полученных этим способом результатов к процессу старения организма.

Старение клеток in vivo

Ранние работы по старению клеток in vivo были проведены на интактных объектах. Уайтли и Хортом [50] нашли, что число митотических фигур на единицу поверхности клеток эпидермиса уха мыши составило 30, 15 и 2–6 в возрасте 9 дней, 3 дней и 33–36 мес (старые мыши) соответственно. Трашер и Гройлих [49], изучая радиоавтографически пролиферативную активность клеток двенадцатиперстной кишки мышей в возрасте 10, 30–70, 380–390 и 579–638 дней (старые мыши), обнаружили, что продолжительность клеточного цикла с возрастом увеличивается (табл. 8.3). Преимущественно увеличивалась продолжительность G₁– фазы, тогда как фаза синтеза ДНК (S-фаза) не изменялась. Эти исследования ясно показывают, что, хотя клетки некоторых типов сохраняют способность к пролиферации вплоть до очень старого возраста, их активность существенно снижается.

Таблица 8.3. Время митотического цикла клеток обкладочного эпителия крипт тонкого кишечника мышей линии BCF₁ в различном возрасте [2]

_{¹⁾ TC, TG1, TS, TG2 и ТM — соответственно продолжительность (в часах) клеточного цикла, фаз G1, S, G2 и митоза.}

Такое явление, как смерть клетки, встречается не только в старческом возрасте или в фазе III при культивировании, клетки гибнут и в период раннего развития. Жабры и хвост головастика, предпочка и первичная почка высших позвоночных элиминируются в период раннего развития вследствие отмирания клеток этих органов [42]. Образование и формирование пальцев конечностей у позвоночных также сопровождается процессами гибели и резорбции клеток [51]. При метаморфозе, т. е. превращении личинки насекомого во взрослую особь, наблюдается массовое отмирание клеток органов личинки. Следовательно, гибель клеток в период развития необходима для образования совершенных и функционально активных органов взрослых особей, она своевременна и наступает на соответствующих стадиях развития, т. е. и здесь однажды сформированные клетки стареют и умирают.

Старение клеток после трансплантации

У насекомых с полным превращением, например у дрозофилы, на определенных участках эмбриона расположены группы специализированных клеток — имагинальные диски. Клетки каждого диска предназначены для дифференцировки специфического типа, т. е. превращения в определенный орган. Когда имагинальный диск эмбриона пересаживают в полость тела личинки того же вида, эти клетки пролиферируют, но остаются в недифференцированном состоянии до образования куколки. В период окукливания они дифференцируются и превращаются в определенную структуру. После дифференцировки эти клетки не пролиферируют. Если же имагинальный диск пересадить в тело взрослой особи того же вида, то клетки диска делятся, но не дифференцируются до конца жизни хозяина. Если диск извлечь в любом периоде жизни хозяина, разделить на фрагменты и пересадить взрослым особям, то клетки продолжают делиться у реципиента, не дифференцируясь. Используя метод серийных трансплантаций, Хейдорн [20] показал, что клетки имагинального диска сохраняют пролиферативную активность длительное время, во много раз превышающее максимальную продолжительность жизни насекомого. Эти исследования доказали, что, по крайней мере у насекомых, клетки пролиферируют в определенных условиях в течение времени, которое существенно больше продолжительности жизни хозяина. Однако неизвестно, замедляется ли постепенно пролиферативная активность или нет. Имагинальные диски имеются только у насекомых; так как у позвоночных сравнимые эмбриональные структуры отсутствуют, значение этих исследований для старения высших животных остается проблематичным.

С целью изучения процессов старения клеток и тканей производили пересадку тканей мышей одного возраста реципиенту (хозяину) другого возраста. Эти исследования выполнялись на инбредных и сингенных мышах, чтобы по возможности избежать несовместимости тканей. Крои [31, 32] серийно пересаживал кожу тела, уха и хвоста мышей-родителей молодым гибридам F₁. Когда хозяин F₁ старел, трансплантаты отделяли и пересаживали мышам F₂. Такие последовательные переносы лоскутов кожи показали, что ее жизнеспособность и пролиферативный потенциал клеток сохраняются в течение 7–8 лет, что значительно превышает продолжительность жизни мыши. Однако после 5–6 пассажей трансплантат уменьшался в размере, с каждым последующим переносом пролиферация клеток снижалась и в конце концов ткань дегенерировала. Можно сделать вывод, что клетки сохраняют свою жизнеспособность в течение времени, превышающего продолжительность жизни хозяина, а ограничение пролиферативной активности зависит от условий внеклеточного окружения.

Влияние возраста донора на пересаженную ткань было изучено путем трансплантации кожи старой и молодой (возраст 680 и 74 дня) мыши 74-дневному животному [32]. Старая кожа отмирала у молодой мыши через 199–200 дней, но молодая ткань сохранялась дольше, до 300 дней. Хортон [29] пересаживал кожу старых (30–32 мес) мышей молодым (3–4 мес) реципиентам. Трансплантаты переживали более 4 лет, что значительно больше максимальной продолжительности жизни мышей. Следует отметить, что скорость деления клеток трансплантированной ткани была снижена. Это может быть одной из причин ее более длительного выживания.

Клетки кроветворной системы сохраняют высокую пролиферативную способность in vivo, и, по-видимому, это свойство не подвержено возрастным изменениям. Кроветворная ткань содержит стволовые клетки, или клетки-предшественники. Полагают, что каждая стволовая клетка делится, образуя одну стволовую клетку — потомка и дифференцированную клетку. Последняя начинает экспоненциально делиться с образованием клеток, которые имеют малую продолжительность жизни. Стволовые клетки имеют большую продолжительность жизни и сохраняют способность к пролиферации в течение всей жизни животного. Способность этих клеток пролиферировать была исследована посредством серийных пересадок молодым реципиентам, чья кроветворная система была разрушена массивным облучением всего тела (~800 рад). Когда реципиенты старели, трансплантированные кроветворные клетки переносили более молодым облученным реципиентам. Было показано, что защита от последствий облучения, создаваемая пересаженными клетками у реципиента, с каждой пересадкой ослаблялась [1,6]. Это может свидетельствовать об ограниченном пролиферативном потенциале стволовых клеток. В другом исследовании облученным мышам внутривенно вводили живые кроветворные клетки. Через 9-14 дней стволовые клетки образовывали колонии в селезенке хозяина. Каждая колония: развивалась из одной стволовой клетки. Клетки этих колоний были затем серийно пересажены более молодым облученным реципиентам (рис. 8.4). Результаты показали, что число колоний, образующихся в селезенке, снижается с каждой трансплантацией [33, 34]. Даже если согласиться с тем, что пролиферативная активность клеток кроветворной системы снижается после определенного возраста, оставалось необъяснимым влияние больших доз радиации на старение кроветворной системы и организма.

Рис. 8.4. Исследование колониеобразующей активности клеток костного мозга методом серийных трансплантаций облученным реципиентам [44]

Ситуация стала более ясной, когда в качестве реципиентов, кроветворных клеток вместо облученных мышей использовали, животных с генетически детерминированной анемией [21, 22]. Клетки молодых и старых доноров излечивают анемию и одинаково хорошо размножаются в течение 36 мес при четырех последовательных трансплантациях. Однако наблюдается постепенное снижение колониеобразующей активности стволовых клеток, которая регистрируется по числу колоний в селезенке реципиента, причем снижение больше выражено для клеток старых доноров. По-видимому, можно сделать вывод, что кроветворные клетки способны лишь к ограниченному числу делений, хотя они могут делиться в течение времени, превышающего продолжительность жизни мыши.