Ключевые механизмы старения
Ключевые механизмы старения — типы биохимических изменений, происходящих во всех организмах по мере их биологического старения, которые ведут к постепенной прогрессирующей потере физиологической целостности, нарушениям функционирования и, в конечном итоге, смерти. Впервые они были определены в 2013 году в научной статье «The Hallmarks of Aging» с целью понимания сути биологического старения и обособления его глубинных механизмов[1]. Перевод статьи на русский под названием «Ключевые признаки старения» был опубликован на сайте научно-исследовательского учреждения МЧС России[2]. В 2022 году список механизмов старения было предложено расширить[3].
Были предложены три ключевых момента, исходя из которых данные механизмы старения определяются[1][2][4]:
- они проявляются с возрастом;
- ускорение старения при экспериментальном усилении данных механизмов;
- возможность замедлять, останавливать и поворачивать вспять процесс старения путём терапевтического воздействия на них.
Обзор
С течением времени почти все живые организмы имеют постепенные и необратимые возрастные изменения и связанную с этим потерю функций систем организма. Возраст является основным риск-фактором для главных болезней человека, включая рак, диабет, сердечно-сосудистые заболевания и нейродегенеративные болезни. Поэтому важно описать и классифицировать типы изменений, происходящих в организме с возрастом.
В январе 2023 года, через десять лет после публикации оригинальной активно цитируемой научной статьи её авторы расширили список предложенных механизмов[5][4]. В статье, закрытой платным доступом, были добавлены ещё три механизма (не включённые в нижеприведённый список): нарушенная макроаутофагия, хроническое воспаление и дисбактериоз. В целом 12 ключевых механизмов[4].
Все механизмы взаимосвязаны. Учёные постарались классифицировать их в несколько групп.
Первичные механизмы (причины повреждений)
- Нестабильность генома (повреждение ДНК, включая хромосомальные анеуплоидии и мутации митохондриальной ДНК)
- Укорочение теломер
- Эпигенетические альтерации
- Нарушение протеостаза
- Нарушение макроаутофагии
Эти механизмы однозначно негативны и запускают домино дальнейших повреждений[1][2].
Антагонистические механизмы (ответы организма на повреждения)
Эти механизмы являются частью антагонистических (компенсаторных) ответов на повреждения от первичных механизмов и предназначены для минимизации наносимого теми вреда. Антагонистические механизмы имеют и положительное, и отрицательное влияние на организм. При слабой активности они полезны. Но при активном длительном задействовании разрегулировываются и начинают превносить вред.
- Нарушение распознавания питательных веществ - клетка должна распознавать питательные вещества и на их основе синтезировать нужные ей. Но в случае длительного воздействия на клетку некоторых веществ, те могут начать вызывать повреждения.
- Митохондриальная дисфункция
- Клеточное старение (сенесценция) — механизм ликвидирует клетки с накопившимися серьёзными повреждениями и защищает организм от рака. Но в случае накопления большого количества сенесцентных клеток те ускоряют старение.
АФК служат важными переносчиками сигналов, но они также вызывают клеточные повреждения. И если повреждения от небольшого количества АФК клетка более-менее успешно ремонтирует и компенсирует, то высокие уровни АФК приводят к увеличению количества повреждений[1][2].
Интегративные механизмы
- Истощение стволовых клеток
- Изменённая межклеточная коммуникация
- Хроническое воспаление
- Дисбактериоз
Интегральные механизмы проявляются, когда повреждения, вызванные основными и антагонистическими группами повреждений, уже не могут быть скомпенсированы механизмами клеточного и тканевого гомеостаза[1][2].
Классический список механизмов
Каждый механизм был выделен по принципу, чтобы он отвечал следующим критериям[1][2][4]:
- проявляется по мере нормального старения;
- его экспериментальное усиление ускоряет старение;
- его экспериментальное исправление замедляет старение и увеличивает продолжительность здоровой жизни.
Эти условия применимы в различной степени ко всем нижеприведённым механизмам. Последний критерий в отношении многих механизмов является самым труднопроверяемым, поскольку наука ещё не нашла осуществимые на практике способы таких вмешательств в живые организмы.
Нестабильность генома
Исправное функционирование генома является наиболее важной предпосылкой для исправного функционирования клетки и организма в целом. Изменения в генетическом коде давно рассматривались как одна из главных причин старения[6][7]. В многоклеточном организме геномная нестабильность играет центральную роль в онкогенезе[8]. В организме человека это также фактор нейродегенеративных болезней, таких как боковой амиотрофический склероз и нервно-мышечное заболевание миотоническая дистрофия.
Мутации накапливаются и в ядерной ДНК, и в митохондриальной, а также появляются дефекты в ядерной ламине. Любопытно, что вопреки поверхностной логике, большинство мутаций в митохондриальной ДНК в зрелых или сенесцентных клетках вызваны не окислительными повреждениями, а ошибками репликации в начале жизни, которые затем множатся и вызывают нарушение дыхательной цепи в разных тканях организма[1][2]. Согласно исследованию 2022 года, ультра-чувствительное секвенирование показало, что большинство мутаций mtDNA в пожилых клетках происходят от репликацонных ошибок, вызванных ДНК-полимеразой γ, а не от окислительного стресса[4][9].
О темпах мутации ядерной ДНК можно судить по следующему примеру. Обычные клетки эпителия пищевода в организме молодых людей уже содержат сотни мутаций. К среднему возрасту количество мутаций в них уже может превысить 2000 на клетку[4][10]. Сравнительный анализ показывает, что темп накопления мутаций в клетках различных млекопитающих обратно коррелирует с их продолжительностью жизни[4][11].
Аномальные химические структуры в ДНК образуются преимущественно путём окислительного стресса и воздействия факторов окружающей среды[12]. Клетка имеет несколько механизмов репарации ДНК. Но результат подобного восстановления часто не идеален, и повреждения постепенно накапливаются.[6] В нескольких научных работах было продемонстрировано, что недостаточный уровень репарации ДНК приводит к большему накоплению повреждений ДНК, что в свою очередь приводит к ускоренному старению. А увеличение репарации ДНК приводит к большей продолжительности жизни[13].
Одним из факторов, приводящих к геномной нестабильности, являются возникающие в процессе жизни дефекты в ядерной ламине[4][14].
Укорочение теломер
Теломеры — это участки повторяющихся нуклеотидных последовательностей на концах хромосом, которые связываются со специализированными защитными протеинами, называемых шелтеринами или телосомами, с образованием защитной структуры, называемой Т-петлёй. Эта структура защищает хромосомную ДНК от прогрессирующей деградации. Также эта структура на позволяет белкам систем репарации ошибочно принять концы ДНК за концы разорванной хромосомы и случайно сшить две хромосомы вместе.
В процессе репликации в эукариотических клетках ДНК-полимераза не может скопировать крайние участки теломер. Вследствие этого после некоторого количества делений теломеры заметно сокращаются, что сказывается на геномной стабильности и в конечном итоге приводит либо к апоптозу, либо к сенесценции.[4]
Сокращение теломер ассоциировано со старением, смертностью и возрастными болезнями[15]. Влияние сокращения теломер на старение часто изучают на мышах. Эксперименты на генно-модифицированных животных дают основания предположить причинную связь между укорачиванием теломер и старением[16]. Ещё в 1960-ых годах Леонард Хейфлик продемонстрировал, что популяция соматических клеток плода человека проходит претерпевает 40-60 делений, после чего клетки входят в сенесцентную фазу. Всякий раз, когда клетка проходит через митоз, теломеры на концах хромосом слегка уменьшаются. Клеточное деление прекращается как только теломеры истощаются до критической длины[17]. Такое положение дел полезно чтобы остановить неконтролируемую клеточную пролиферацию (как то зарождающийся рак), но в случае нормально функционирующих клеток это не позволяет им продолжить деление, когда это необходимо.
Существует фермент теломераза, который удлиняет теломеры в гаметах и стволовых клетках[18][19]. В соматических клетках ген, ответственный за выработку теломеразы, деактивирован как защита от обращения данных клетов в раковые. Низкая активность теломеразы в соответствующих клетках человека приводит к ряду возрастных заболеваний, связанных с потерей регенеративных способностей тканей[20]. Было экспериментально показано, что ускоренное старение в теломераза-дефицитных мышах возвращается к норме, когда теломераза реактивируется.
Эпигенетические альтерации
Геном состоит из огромного количества генов, но в данном типе клеток и в данное время только часть из них экспрессируется. Результат функционирования генома зависит как от порядка нуклеотидов в нём так и от того, какие участки ДНК открыты для транскрипции и какие управляющие участки ДНК регулируют процесс.
При необходимости клетка может включать и выключать гены путями изменений в упаковываний ДНК на разных уровнях[21] и/или с помощью внешних молекулярных меток, устанавливаемых поверх ДНК (к примеру, метилирование). Последовательность самих нукеотидов в ДНК при этом не меняется. Это уровень регуляции работы генома, осуществляемый без изменений в самом геноме, - эпигеном. Эпигенетический профиль - когда, где и в какой степени изменения происходят - изменяется по мере старения: в основном за счёт накапливающихся поломок в эпигеноме, но возможна и программная составляющая, имеющая целью оптимизациию работы потрёпанной клетки в общем случае. Кроме того, может иметь место ускорение возрастных эпигенетических изменений и ускорение эпигенетических часов под воздействием факторов загрязнённой окружающей среды[22]. В результате данных возрастных изменений полезные гены могут прекратить работать, а ненужные гены включиться, что нарушает нормальное функционирование клетки[23]. Исследование на мышах показало, что на протяжении жизни происходит большой сдвиг в паттерне экспрессии генов в разных тканях[24].
Авторы статьи "Hallmarks of aging: An expanding universe" выделяют следующие разновидности эпигенетических альтераций, вносящих вклад в старение[4]:
- Изменения в паттерне метилирования ДНК,
- Аномальная посттрансляционная модификация гистонов, а также их потеря,
- Отклонения от нормы при ремоделировании хроматина,
- Сбои в работе некодирующих РНК (ncRNA).
Изменения метилирования ДНК
С возрастом метилирование одних участков ДНК возрастает, а других уменьшается. Это может приводить к ухудшение экспрессии нужных генов и к началу экспрессии генов, которые должны быть заглушены. Но функциональные последствия изменений для большинства случаев остаются неясными, поскольку эти изменения происходят на интронах и на межгенных участках[4].
На основе отслеживания метилирования ДНК были созданы ряд эпигенетических часов, позволяющих определять возраст организма и риски смертности. Эти эпигенетические часы позволяют дать оценку эффективности предполагаемых антивозрастных вмешательств в организм[4][25]. К примеру, в исследовании по геренерации щитовидной железы, продолжавшемся 1 год, эпигенетический возраст испытуемых добровольцев вместо того, чтобы увеличиться на 1 год, уменьшился на 1,5 года. Спустя 6 месяцев после завершения вмешательства их эпигенетический возраст был меньше хронологического на 2 года[4][26]. Подобным образом, в эксперименте, где добровольцам в течение 7-месяцев давали α-кетоглутарат, их эпигенетический возраст уменьшился на 8 лет[4][27].
Учёные отмечают, что изменения в метилировании ДНК ассоциированы с возрастом, однако до сих пор нет твёрдых доказательств, что эти изменения двигают развитие старения. Необходимы дальнейшие исследования, что дефектный паттерн метилирования ДНК ускоряет старение, а улучшение паттерна продлевает жизнь[4].
Модификация гистонов
С возрастом связаны глобальная потеря гистонов и изменения в посттрансляционной модификации гистонов. Увеличение образования гистонов увеличивает продолжительность жизни дрозофил[4][28].
Было проведено множество исследований на модельных животных, показывающих, что воздействие на ферменты, модифицирующие гистоны, приводят к изменению продолжительности и качества жизни[4]. Как пример, сиртуины являются типом ферментов с деацетилазной активностью. Они способствуют связыванию ДНК гистонами и, таким образом, выключают ненужные гены[29]. Эти фермены используют NAD как кофермент. По мере старения уровень NAD в клетках понижается, что приводит к снижению способности сиртуинов в определённое время выключать ненужные гены. Снижение активности сиртуинов ассоциировано с ускоренным старением, а увеличение активности, как было показано, предотвращает несколько возрастных болезней[30][31].
Отклонения в ремоделировании хроматина
Помимо изменений эпигенетических меток непостредственно на ДНК и модификации гистонов, существуют ещё несколько белков и хроматин-ремоделирующих факторов, наподобие гетерохроматинового белка 1a (HP1a) и белков группы polycomb, которые вовлечены в геномную стабильность и процессы репарации ДНК[32][33] и могут влиять на старение. Изменения в этих эпигенетических факторах могут оказать сильное влияние на архитектуру хроматина, включая глобальную потерю гетерохроматина и его перерастпределение, что часто и наблюдается в старых клетках[4].
Уже проведено много исследований на беспозвоночных по причинно-следственным связям между изменениями хроматина и темпом старения. Эти исследования продемонстрировали, что, к примеру, мутации потери функции в белках HP1 уменьшают продолжительность жизни, а повышенный темп их создания увеличивает продолжительность максимальной жизни и здоровой жизни[34]. Подобных исследований на млекопитающих пока мало, но большинство из них показывает, что расслабление гетерохроматина усиливает развитие старения и возрастных патологий, а поддержание гетерохроматина способствует долголетию[4].
Сбои в работе некодирующих РНК
Эксперименты на модельных животных показали, что многие типы ncRNA способны оказывать влияние на темп старения. К примеру, lncRNA (включая TERRA), microRNA, circRNA. Некодирующие РНК влиют на продолжительность максимальной жизни и здоровой жизни посредством посттранскрипционной регуляции компонентов путей, связанных со старением, и изменяя поведение стволовых клеток[4][35]
Просыпание ретротранспозонов и эндогенных ретровирусов
Следствием сбоев в эпигеноме является возможность просыпания в клетке ретротранспозонов и эндогенных ретровирусов.
Ретротранспозоны — это мобильные элементы в геномах, которые при некоторых условиях способны перемещаться из одного места генома в другое или копировать себя, иногда прихватывая с собой часть генетического материала или нарушая работу участка хромосомы, куда они встроились. Для перемещения и копировани ретротранспозоны используют механизмы клетки. Просыпание ретротранспозонов характерно для сенесцентных клеток. Проснувшиеся ретротранспозоны могут активировать пути иммунных механизмов, поскольку могут распознаться иммунной системой как чужеродная ДНК[36].
Ввод в организм пожилых мышей дикого типа нуклеозидных ингибиторов обратной транскриптазы (NRTI), которые подавляют или ослабляют высвобождение ретротранспозонов, уменьшает у них уровень маркеров генетических повреждений[37]. У Sirt6-дефицитных мышей ввод NRTI продлевает жизнь и улучшает здоровье[37]. Ввод в огранизм прогероидных мышей антисмысловых олигонуклеотидов (antisense oligonucleotide) увеличивает их продолжительность жизни[38]. В геномах некоторых людей-долгожителей обнаружен редкий вариант SIRT6-гена, который является более сильным ингибитором LINE1-ретротранспозонов и способен более надёжно уничтожать раковые клетки, чем стандартный SIRT6[39].
Эндогенные ретровирусы — это остатки ДНК вирусов, которые когда-то поразили предков организмов. Эти остатки ДНК могут сохраниться в геномах в подавленном состоянии и передаваться из поколения в поколение. При некоторых условиях (к примеру, разрушении ингибирующих их маркеров эндогенома или при сбое в управляющих участках ДНК), эти ретровирусы могут проснуться и внести свой вклад в старение. Они быть подавлены нейтрализующими антителами[40][41].
Нарушение протеостаза
Протеостаз — это гомеостазный процесс поддержание пула протеинов, необходимых для нормального функционирования клетки, в надлежащем качестве и в полном объёме[42]. Неправильное свёртывание протеинов, их окисление, неправильное расщепление и неправильная посттрансляционная модификация могут создать нефункционирующие и даже вредные протеины и протеиновые агрегации, которые затрудняют нормальное функционирование клетки и могут стать причиной многих болезней пожилого возраста (таких как БАС, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, катаракта)[43][44]. Эксперименты на дрожжах, нематодах и дрозофилах, к ходе которых с помощью генетических манипуляций с рибосомным белком RPS23 была увеличена аккуратность трансляции, показали увеличение продолжительности жизни у подопытных организмов[45]. А эксперименты на мышах, в ходе которых в рибосомный белок RPS9 были внесены мутации, увеличивающие количество ошибок при трансляции, привели к преждевременному старению животных[46].
Некоторые вещества, попадающие в огранизм извне, способны усугубить нарушение протеостаза и ускорить старение. Так, было зафиксировано уменьшение максимальной жизни и здоровой жизни у дрозофил, которых кормили пищей, обогащённой различными конечными продуктами гликирования (AGEs) и липофусцином (агрегация ковалетно-сшитых белков, сахаров и липидов). При этом в клетках огранизмов было обнаружено повышенное содержание белков, модифированных конечными продуктами гликирования, и карбонилированных белков. Все эти негативные вещи ещё более усугубились, когда учёные дополнительно вывели из строя в подопытных дрозофилах лизосомную протеазу cathepsin D[4][47].
Отдельные дефектные протеины могут быть разрушены специальными ферментами, такими как протеасома. Протеиновые агрегации могут быть удалены в процессе макроаутофагии путём включения их в аутофагосомы с дальнейшей доставкой в лизосомы для дальнейшего расщепления в них[48]. Но хотя повреждённые протеины постепенно утилизируются и перерабатываются, они успевают навредить клетке. С возрастом количество таких повреждённых белков и их агрегаций увеличивается - происходит нарушение протеостаза[49]. Этот процесс может быть замедлен и подавлен путём уменьшения потребляемых калорий[50] или приёмом рапамицина - оба метода ингибируют сигнальный путь mTOR[51]. Интраназальное введение в мышей рекомбинированного человеческого белка HSP70 увеличило в них активность протеасом, уменьшило в мозгу уровень липофусцинов, усилило их когнитивные способности и увеличило продолжительность жизни[52].
Нарушение макроаутофагии
Аутофагия — это процесс, в ходе которого клетка отправляет в лизосомы и переваривает в них свои собственные компоненты (такие как белки и органеллы) для получения энергии, для избавления себя от этих компонентов в случае их сильного повреждения или потому что те оказываются не нужны, а также для избавления себя от проникших патогенов. По мере старения аутофагия нарушается. Скомпрометированная аутофагия наблюдается при ряде старческих состояний, включая нейродегенерацию и иммуностарение[53]. Активация аутофагии может увеличить продолжительность жизни мышей[54] и усилить иммунный ответ на вакцинация в престарелых людях путём преодоления иммуностарения[55]. Ранее компрометация аутофагии рассматривали как часть механизма нарушения протеостаза, но поддержание динамической стабильности пула белков и обслуживание органелл есть разные вещи, поэтому было предложено выделить нарушение макроаутофагии в отдельный механизм[3].
Стоит отметить, что гены и белки, участвующие в аутофагии, также вовлечены в процесс фагоцитоза и в выдавливание из клетки внутриклеточного мусора (к примеру, нефункционированных митохондрий) в форме экзосфер для последующей утилизации их макрофагами[4][56].
В одном из исследований долгожителей учёные обследовали CD4+ лимфоциты у 16 потомков людей, имеющих исключительную продолжительность жизни, и обнаружили в этих клетках повышенную активность аутофагии по сравнению со сверстниками из контрольной группы[4][57].
Уже проведено много экспериментов на модельных организмах, доказывающих, что стимуляция аутофагии увеличивает в них продолжительности максимальной жизни и здоровой жизни. К примеру, увеличение аутофагии лишь в клетках энтероцита кишечника у дрозофил увеличивает у них продолжительность жизни[28]. В случае мышей, трансгенное увеличение экспрессии ATG5 под контролем постоянно экспрессируемого промотора достаточно для продления жизни, улучшения метаболического здоровья и моторной функции[58]
Пероральное введение в мышей спермидина усиливает аутофагию во многих органах и увеличивает их продолжительность жизни до 25%, а также замедляет старение сердца[59]. Механизм спермидина, усиливающий аутофагию, связан либо с ингибированием ацетилтрансферазы EP300 (что приводит к уменьшению ацетилирования нескольких ключевых белков аутофагии)[60], либо с модификацией белка eIF5A (который существенен для синтеза TFEB, важного для аутофагии)[61]. Стоит отметить, что EP300 также является мишенью для других веществ, за которыми обнаружены жизнепродлевающие свойства, - нордигидрогваяретовой кислоты[62] и салицилата (активное производное соединение аспирина)[63]. Фармакологическое ингибирование EP300 с помощью синтетического вещества C646 имитирует стимулирующее действие спермидина на аутофагию и иммунное наблюдение за раком[4][64]. Вышеперечисленные исследования проводились на мышах. Исследователи часто отмечают схожесть механизмов действия веществ, усиливающих аутофагию, с тем, что происходит при уменьшении потребления калорий, когда тоже наблюдается усиление аутофагии.
Нарушение распознавания питательных веществ
Клеточное распознавание питательных веществ — это способность клетки распознавать изменения в концентрациях поступающих к ней питательных веществ и правильно на это реагировать. Это такие вещества как глюкоза, жирные кислоты, аминокислоты. Во время их изобилия активизируется анаболизм посредством различных сигнальных путей. Наиболее хорошо изученный среди них — сигнальный путь mTOR [65] Когда питательные вещества в дефиците, рецептор AMPK чувствует это и выключает путь mTOR для сбережения ресурсов[66].
Клеточные системы распознавания веществ мало изменились в процессе эволюции. Они включают внеклеточные лиганды, такие как инсулин и инсулиноподобные факторы роста, рецепторные тирозинкиназы, с которыми те взаимодействуют, а также внутриклеточные сигнальные каскады. Эти каскады включают в себя сигнальные пути PI3K-AKT и Ras-MEK-ERK, а также факторы транскрипции, включая FOXO3 и E26, которые трансактивируют гены, вовлечённые в различные клеточные процессы. Комплекс mTORC1 реагирует на питательные вещества, такие как глюкоза и аминокислоты, и стрессорные факторы, такие как гипоксия и нехватка энергии, для регуляции активности множества белков, включая факторы транскрипции наподобие SREBP и TFEB. Эта сигнальная сеть является центральным регулятором клеточной активности, включающей в себя аутофагию, биогенез mRNA и рибосом, синтез белков, метаболизм глюкозы, нуклеотидов и липидов, биогенез митохондрий, активность протеасомы. Активность сигнального пути откликается на наличие питательных веществ и стрессовых факторов, активирую анаболизм, если питательные вещества в изобилии и отсутствует стресс, или активируя клеточные защитные механизмы в ответ на стресс и недостаток питания. Генетически уменьшенная активность компонентов в системах распознавания веществ может увеличить продолжительности максимальной и здоровой жизни в различных модельных организмах[67][68]. Геномные исследования на людях показали вовлечённость фактора транскрипции FOXO3[69] и генетических вариантов, кодирующих компоненты систем распознавания веществ, в долголетие людей[67]. Эпигенетический возраст также ассоциирован с внутриклеточным распознаванием веществ[70]. В юности внутриклеточные системы распознавания веществ функционирует таким образом, чтобы способствовать благоприятным анаболитическим процессам, но во взрослом возрасте они приобретают черты, двигающие старение[4].
В растущем организме важны рост и пролиферация клеток, поэтому путь mTOR высокоактивен. В выросшем организме путь mTOR естественным образом приглушается[71]. Было обнаружено, что принудительная активация этого пути во взрослой мыше ведёт к ускоренному старению и увеличению раковых заболеваний[72]. Методы приглушения пути mTOR, такие как уменьшение потребляемых калорий или приём рапамицина, на сегодняшний день считаются одними из самых надёжных методов увеличения продолжительности жизни червей, мух и мышей.[73][74]
Если углубиться во влияние диеты на внутриклеточные механизмы распознавание питительных веществ, то переедание
- усиливает работу внутриклеточных сенсоров на питательные вещества, таких как mTORC1 (активируется лейцином и другими аминокислотами) и Ацетилтрансфераза EP300 (активируется Acetyl-CoA);
- ингибирует работу сенсоров, которые срабатывают на нехватку питательных веществ, таких как AMPK и деацетилазы SIRT1 и SIRT3 (которые реагируют на NAD+);
- прекращает катаболические реакции (гликогенолиз, протеолиз для глюконеогенез, липолиз спаренный с кетогенезом) с последующим подавлением адаптивных клеточных ответов на стрессы, включая аутофагию, антиоксидантную защиту, репарацию ДНК.
И наоборот, ограничение питания ингибирует mTORC1 и EP300; активирует AMPK, SIRT1 и SIRT3; стимулирует адаптивные клеточные ответы на стрессы. В конечном итоге это удлиняет жизнь у многих модельных организмов вплоть до приматов[4][75].
Имеющиеся на данный момент свидетельства указывают на то, что можно добиться увеличения продолжительности жизни подопытных животных путями ингибирования анаболического сигналинга (ИФР-1, mTOR, гормон роста) (к примеру, ограничением в диете или рапамицином), а также активацией катаболического сигналинга (AMPK, сиртуины). Различные пути взаимосвязаны: так, активация AMPK ингибирует mTORC1 (белковый комплекс, каталитическим центром которого является mTOR) . Однако слишком низкий уровень анаболического сигналинга приводит к серьёзным проблемам со здоровьем (нарушение заживления ран, инсулинорезистентность, катаракта, тестикулярная дегенерация) и может привести к преждевременной смерти. Так, прогероидные мыши с очень низким уровнем ИФР-1 могут прожить дольше в случае небольшого дополнительного приёма ИФР-1[1][2].
C возрастом увеличивается активность mTOR в нейронах гипоталамуса мыши, что вносит вклад развитие их возрастного ожирения. Это можно вылечить прямой инфузией рапамицина в гипоталамус[1][2].
Парадоксально, но уровни ИФР-1 и гормона роста снижаются естественным образом во время нормального старения, также в мышах с преждевременным старением. Таким образом, снижение активности молекулярного пути ИФР-1 и инсулинового сигналинга является общей характеристикой нормального и ускоренного старения, а постоянно сниженная активность этих процессов увеличивает продолжительность жизни. Эти противоречащие друг другу наблюдения могут быть объяснены тем, что организм снижает активность анаболических путей в ответ на накопившиеся повреждения с целью экономии ресурсов и уменьшения темпа накопления дальнейших повреждений с целью прожить дольше[1][2].
Лекарственные вещества, нацеленные на такие болезни как рак и метаболические заболевания, часто изменяют внутриклеточные системы распознавания веществ, поэтому некоторые из этих веществ могут также иметь геропротекторные свойства. Рапамицин и его производные, которые ухудшают работу комплекса mTORC1, продлевают продолжительность жизни различных модельных животных, даже когда ввод их в организм начался в конце взрослой жизни[76]. В мышах рапамицин может улучшить различные аспекты здоровья и защищает организм от некоторых нейродегенеративных и других болезней пожилого возраста, хотя при этом он также может и усугубить отдельные возрастные черты, такие как катаракта[4]. В отношений людей можно отметить исследования, когда предупреждающий приём ингибиторов mTORC1 пожилыми добровольцами увеличил иммунный ответ их организмов на иммунизацию против гриппа[77] и уменьшил заболеваемость вирусными респитарными заболеваниями последующей зимой[78].
Нужны дополнительные исследования, чтобы понять, какие пути и в какой степени можно ингибировать и активировать, чтобы получить максимум полезных последствий при минимуме отрицательных[1][2].
Митохондриальная дисфункция
Митохондрия является элетростанцией клетки. Различные клетки человеческого тела содержат от нескольких до 2500 митохондрий[79], каждая из которых конвертирует углерод (в формате Acetyl-CoA) и кислород в энергию (в формате ATP) и диоксид углерода.
С возрастом эффективность митохондрий имеет тенденцию к снижению. Причины этого пока не до конца ясны, но подозреваются несколько механизмов: уменьшение биогенеза[80], накопление повреждений и мутаций в митохондриальной ДНК, окисление митохондриальных протеинов, сбои в контроле качества при митофагии.[81]
Неправильно функционирующие митоходрии вносят вклад в старение путём создания помех для внутриклеточных сигналов[82][83] и запуская воспалительные реакции[84].
Однако ситуация не всегда однозначна, поскольку митохондриальная дисфункция также связана с гормезисом. Митохондрии являются главным источником образования АФК и дефекты в митохондриях обычно (но не всегда) приводят к повышению образования таких молекул. Но хотя АФК вызывают неконтролируемые повреждения в клетке, они также являются важными сигнальными молекулами. Было сделано неожидинное наблюдение, что повышение АФК может увеличить продолжительность жизни дрожжей и C. elegans. Генетические манипуляции у мышей, которые приводят к увеличению образования АФК в митохондриях, не ускоряют старение, а мыши с усиленной антиоксидантной защитой не живут дольше. Причина этого в том, что увеличение уровня АФК явлется триггером для активации механизмов защиты и ремонта, и при некотором уровне АФК положительные последствия от них могут превзойти негативные[1][2].
Вещество метформин является слабым митохондриальным ядом, вызывающим низкоэнергетическое состояние, характеризующееся увеличением количества АМФ и активацией AMPK. При соблюдении некоторых условий метформин способен продлевать жизнь различных подопытных животных, в том числе мышей[1][2].
Тренировки на выносливость и периодические ограничения в питании могут увеличивать продолжительность здоровой жизни, защищая митохондрии от дегенерации. По-видимому, причина этого в активации аутофагии. Однако в это могут быть вовлечены и другие молекулярные пути, ведущие к долголетию[1][2].
Главным внутриклеточным процессом в поддержании качества митохондрий является митофагия, которая предотвращает накопление в клетке дефектных митохондрий. С возрастом митофагия ухудшается, что подстёгивает старение и является серьёзным риск-фактором для многих болезней, включая нейродегенеративные[3][85][86].
Клеточное старение
При определённых обстоятельствах клетка может прекратить клеточный цикл без умирания, вместо этого перейдя в спящий режим и почти прекратя выполнение своих нормальных функций. Это называется клеточным старением. Данный процесс может быть вызван несколькими факторами, среди которых укорочение теломер[87], повреждение ДНК[88] и стресс. Иммунная система имеет программу поиска и устранения сенесцентных клеток путём фагоцитоза[89]. В связи с этим есть гипотеза, что переход клеток в сенесцентный режим есть природный механизм для избавления организма от клеток, которые накопили больше повреждений, чем могут исправить системы ремонта. Но по мере ухудшения качества работы иммунной системы та уже перестаёт в полном объёме справлятья с чисткой организма от сенесцентных клеток.
Связи между сенесцентными клетками и старением организма следующие:
- Пропорция сенесцентных клеток в организме увеличивается с возрастом[90] (путём увеличения скорости генерации сенесцентных клеток и/или снижения скорости их удаления)[1][2],
- Сенесцентные клетки распространяют воспалительные сигнальные молекулы, которые вносят вклад в старение организма[91],
- Было обнанужено, что чистка тела от сенесцентных клеток отсрачивает начало возрастно-зависимых нарушений в работе организма[92].
Учёные обнаружили, что к увеличению продолжительности жизни могут приводить воздействия на механизм сенесцентности, выглядящие отчасти противоположными. Увеличение продолжительности жизни можно получить и путём лёгкой стимуляцией вызывающих сенесцентрость метаболических путей опухолевой супрессии, и удалением сенесцентных клеток из организма[1][2].
Но сенесцентные клетки имеют и некоторое положительное влияние на организм, как то способствовать заживлению ран[93]. По этой причине учёные предполагают, что чрезмерное удаление сенесцентных клеток из организма хотя и даёт кратковременный положительный эффект, может в дальнейшем привести к ускоренному накоплению сенесцентных клеток и ускорить старение[3]. Необходимы дальнейшие исследования для понимая возможной выгоды и побочных эффектов от терапии сенолитиками[3].
Истощение стволовых клеток
Стволовые клетки — это недифференцированные или частично дифференцированные клетки, которые имеют способность делиться бесконечно. Эмбрион в возрасте нескольких дней почти полностью состоит из стволовых клеток. По мере роста эмбриона клетки размножаются, дифференцируются и приступают к выполнению своих профильных функций внутри организма. Во взрослом организме стволовые клетки преимущественно сосредоточены в зонах, которые подвергаются интенсивному износу (желудочно-кишечный тракт, лёгкие, слизистые оболочки, кожа) или в местах образования клеток, требующих постоянного пополнения (эритроциты, клетки иммунной системы, сперматозоиды, волосяные фолликулы).
Потеря способности к регенерации является одним из самых очевидных следствий старения. В основном это происходит из-за того, что со временем количество в организме стволовых клеток и скорость их деления постепенно снижаются[94]. В качестве примеру можно привести уменьшение гемопоэза, что, среди прочего, ведёт к уменьшению количества и ухудшению качества иммунных клеток — процессу, называемому иммуностарением, а также к повышенному риску развития анемии и миелоидных злокачественных образований[1][2].
Было обнаружено, что омоложение стволовых клеток может обратить вспять некоторые проявления старения на уровне организма[95]. Так, трансплантация стволовых клеток, полученных из молодых мышей, прогероидным мышам увеличивает их продолжительность жизни и уменьшает дегенерацию даже в тех их тканях, в которые донорские клетки не попали. Учёные предполагают, что причиной этого являются секретируемые стволовыми клетками факторы[1][2].
Существует исследование на выборке в 16 человек, согласно которому физические упражнения в игровой форме замедляют потерю стволовых клеток в мышцах человека[3][96].
Изменённая межклеточная коммуникация
Различные ткани и составляющие их клетки нуждаются в тесной координации их работы для функционирования организма как единого целого. Одним из главных способов для этого является выделение сигнальных молекул в межтканевую жидкость и кровь. При достижении других клеток и тканей такие молекулы изменяют поведение тех. Профиль сигнальных молекул изменяется по мере старения.
Постепенное изменение профиля межклеточных сигнальных молекул приводит к вялотекущему хроническому воспалению, охватывающему весь организм, получившему название «инфламмэйнджинг»[97]. Кратковременное воспаление выполняет в испытавшем проблемы организме положительную роль, рекрутируя иммунную систему и системы ремонта в повреждённую часть организма настолько долго, насколько повреждение и угроза сохраняются. Но постоянное присутствие воспалительных маркеров по всему телу изнашивает иммунную систему и травмирует здоровые ткани[98].
Инфламмэйджинг является результатом многих процессов, главные из которых
- накопление провоспалительных повреждений в тканях,
- неспособность постепенно слабеющей иммунной системы эффективно удалять патогены и дисфункциональные клетки организма,
- склонность сенесцентных клеток секретировать провоспалительные факторы (см. "Клеточное старение"),
- повышенная активация транскрипционного фактора NF-kB,
- нарушения в процессе аутофагии[1][2].
Эти изменения приводят к повышенной активации многих провоспалительных путей, что приводит к повышенному образованию IL-1b, фактора некроза опухоли и интерферонов. Инфламмэйджинг также способствует патогенезу ожирения, диабета 2 типа, атеросклероза. Инфламмэйджинг также подавляет функции эпидермальных стволовых клеток (см. "Истощение стволовых клеток") и понижает эффективность иммунной системы в распознавании и удалении сенесцетных клеток (см. "Клеточное старение"), что является примерами связи различных механизмов старения между собой[1][2].
Появляется всё больше данных, что возраст-зависимые изменения в одной ткани могут вести к нарушениям в других тканях, создавая эффект "заразного старения", также называемый "эффектом свидетеля". Механизмов здесь несколько. К примеру, было обнаружено, что сенесцентные клетки выделяют специфический набор сигнальных молекул, получивший название SASP, который вызывает аналогичное сенесцентное состояние в соседних клетках[99]. Но есть у таких взаимосвязей и обратная, положительная сторона: жизнепродлевающие воздействия, направленные на одну ткань или орган, могут также замедлить старение в других тканях и органах[100].
Существует несколько способов восстановления межклеточных взаимодействия, приводящих к продлению жизжни и получению эффектов омоложения. Одним из них является замена в организме некоторых системных факторов крови[101][102]. Также было обнаружено, что можно увеличить продолжительность жизни мышей и получить более здоровое старение у людей методом кратковременного назначения противовоспалительных препаратов, таких как аспирин. Учитывая влияние кишечного микробиома на организм хозяина, можно сделать предположение о возможности увеличения продолжительности и качества жизни посредством измения этого микробиома[1][2].
Хроническое воспаление
Старость коррелирует с высокими уровнями воспалительных активаторов в крови, такими как IL-1, IL-6, C-реактивный белок, IFNα и другие[3]. Старческое хроническое воспаление (инфламмэйнджинг) первоначально рассматривалось как часть механизма изменённой межклеточной коммуникации. Однако вследствие его значительного вклада в старение[103] и болезни пожилого возраста[103][104], а также тесных взаимосвязей с клеточным старением и нарушением микробиома[105], учёные предложили рассматривать старческое воспаление в качестве самостоятельного механизма[3].
Дисбактериоз
С возрастом в микробиоме кишечника происходят заметные изменения, в осносном сдвиг в численности различных микроорганизмов и уменьшение их разнообразия[106]. В связке с потерей структурной целостности кишечника и других барьеров (как то гематоэнцефалический барьер) эти изменения в популяциях микроорганизмов могут способствовать старческому воспалению[3].
Расширенный список механизмов
В марте 2022 в Копенгагене состоялся исследовательский симпозиум "New Hallmarks of Ageing". По результатам обсуждений на нём, большая группа учёных в августе 2022 года предложила расширить классический список девяти механизмов ещё пятью[3][107][108]:
- скомпрометированная аутофагия,
- разрегулировка сплайсинга РНК,
- нарушение микробиома
- Изменение механических свойств внутриклеточных и межклеточных структур
- Старческое хроническое воспаление (инфламмэйнджинг)
Cкомпрометированная аутофагия
Выделить нарушение аутофагии органел в отдельный механизм было предложено авторами коненгагенского списка в августе 2022 и поддержано авторами оригинального списки механизмов старения в январе 2023.
Разрегулировка cплайсинга РНК
Сплайсинг РНК является частью процессинга РНК - процесса создания ДНК из мРНК. В исследовании на большом количестве людей было замечено, что по мере старения качество этого процесса ухудшается[109]. Разрегулировка сплайсинга РНК не относится ни к механизму нестабильности генома (который об изменениях в ДНК), ни к механизму эпигенетических альтераций (который об изменениях эпигенетических меток поверх ДНК)[3].
Нарушение микробиома
Дополнить список ключевых механизмов старения нарушением микробиома было предложен авторами коненгагенского списка в августе 2022. Предложение было поддержано авторами оригинального списки в январе 2023.
Изменение механических свойств внутриклеточных и межклеточных структур
Учёные предлагают рассматривать в рамках единого механизма как имежклеточные изменения, так и внутриклеточные[3].
По мере процесса жизнедеятельности во внеклеточном матриксе между молекулами коллагена вследствие гликирования образуются и накапливаваются сшивки. Из-за этого с годами постепенно теряется тканевая эластичность и изменяется поведение клеток[3][110].
Примером внутриклеточного изменения маханических свойств являются изменения в ядерной ламине — фибриллярной сетке внутри ядра, определяющей его механические свойства, участвующей в организации хроматина и ряде важных процессов. Нарушения в ядерной ламине являются ключевой особенностью прогерии[111] — болезни, во многих чертах напоминающей преждевременное старение. Клинические испытание показали, что лекарственное вещество, восстанавливающее целостность ядерной мембраны, увеличивает продолжительность жизни людей, больных прогерией[3][112].
Возрастные механические изменения тканей препятствуют мобильности фибробластов[113] и иммунных клеток[114][3].
Для решения этого класса проблем с целью омоложения организма перспективной выглядит направление механобиологии[3].
Старческое хроническое воспаление
Выделить старческое хроническое воспаление в отдельный механизм было предложено авторами коненгагенского списка в августе 2022 и поддержано авторами оригинального списки механизмов старения в январе 2023.
Прочие механизмы
Учёные подчёркивают, что не исключено существование и другие механизмы, способных вносить вклад в постепенное развитие в организме старения[3].
Альтернативные концептуальные модели
В 2014 году другие учёные предложили слегка другую концептуальную модель, названную "Семи столпов старения"[115]. Модель семи столпов подчёркивает взаимные взамосвязи между всеми выделенными в ней механизмами, что в явном виде не указывалось в работе "Hallmarks of aging"[116].
Подход SENS к старению, разработанный Обри ди Греем, предполагает, что существует 7 типов повреждений, исправление которых ликвидирует старение. Согласно этому подходу, все остальные возрастные изменения являются лишь следствием. По словам Обри ди Грея, существование 8-го типа повреждений возможно, но крайне маловероятно.
Связь с другими болезнями и механизмами
Авторы статьи "Hallmarks of aging" также связали различные ключевые механизмы старения с ключевыми механизмами рака[117].
Они также заключили, что ключевые механизмы старения не только взаимосвязаны между собой, но также связаны с недавно предложенными "ключевыми механизмами здеоровья", которые включают организационные особенности пространственной компартментализации, поддержание гомеостаза и адекватные реакции на стресс[4][118].
Критика
Научная статья "The hallmarks of aging" считается фундаментальной работой в области старения с момента публикации и предопределила направление многих исследований. Согласно Google Scholar, она цитируется более 1000 раз за год. Однако критики отмечают, что статья имеет ряд слабых мест и является скорее обзором различных аспектов старения, а не истинной парадигмой старения[116][119].
В частности, отмечаются
- Суждения построены на допущении, что внутриклеточные повреждения являются главным движущим фактором старения. Но об этом нельзя говорить как о доказанной истине.[116].
- Перечень механизмов несколько произволен и туманен. Существуют другие перечни механизмов старения, пересекающиеся с предоставленным списком лишь частично[116].
- Отсутствие указания на тесные связи между механизмами старения. Отсутствие ясного объяснение, как в целом механизмы складываются в старение.[116].
- Расплывчатая классификация механизмов на первичные, вторичные и третичные[116].
- Недостаточное обоснование, что первичные механизмы являются причиной запуска вторичных[116].
- Переоценка суждения об изменении продолжительности жизни как показателя изменения скорости старения. (К примеру, некоторые вмешательства в организмы продлевают жизнь за счёт воздействия на симптомы главных причин смерти, как то уменьшение вероятности образования рака, но это не затрагивает процесс старения в целом)[119].
- Делание выводов на основе экспериментов, в которых использовались модели с неясной актуальностью их задействования для изучения старения. (К примеру, вывод о роли длины теломер исходит из многочисленных экспериментов на клетках, но старения организма является свойством целостного организма.) Роль различных механизмов в старении различных животных разная. Есть животные, жизнь которых ограничена иными факторами, чем внутреннее старение, и эти факторы не всегда очевидны[119].
- Делание выводов на основе экспериментов, где использовалась схема исследования, не позволяющая должны образом оценить эффект вмешательства (замедляет ли вмешательство процесс старения, приводит к одноразовому улучшения которых характеристик без изменения скорости дальнейшего старения или комбинация этих двух эффектов)[119].
- Делание выводов на основе экспериментов с модельными животными, лишь фенотипически имитирующие старение (как то прогероидные животные и животные с различными мутациями), но это не есть истинное старение[119].
Необходимы дальнейшая работа, и чрезмерное зацикливание на статье может помешать созданию истинной парадигмы старения[116][119].
Общий перечень ключевых механизмов старения стал полезным контрольным списком для исследователй, изучающих отдельные болезни старения и пытающихся разобраться в их причинах[116]. Он побудил создание подобных перечней ключевых механизмов старения для отдельных органов и систем организма. К примеру, по старению лёгких[120], клеточному старению[121], экспрессии генов в стареющих клетках[122], старению мозга[123].