7 основных причин старения
Старение есть сумма всех механизмов, которые изменяют функции живого существа, препятствуют поддержанию физиологического баланса и в конечном итоге приводят к смерти. Процесс старения это процесс сложный, постепенный, зависящий от многих биологических факторов. Ученые всегда проявляли особый интерес к старению и поиску подходов к изучению этого феномена.
Исследования показали, что старение контролируется генетическими факторами и биологическими процессами, присущими человечеству.
Чтобы замедлить этот естественный процесс и увеличить продолжительности жизни, первым шагом является понимание причин старения: как оно действует на живые организмы, и какие факторы влияют на продолжительность жизни.
Существует 7 основных причин: повреждение генома, эпигенетические факторы, укорочение теломер, развернутая реакция белка, дисфункция митохондрий, клеточное старение и истощение стволовых клеток.
Ошибки репарации ДНК
Геном — это сумма генетической информации человека или вида. Геном является картой для построения всего организма. Генетическая информация, в основном, хранится в ядре клетки в виде молекул ДНК. Участок ДНК, задающий последовательность определённого полипептида, либо функциональной РНК, представляет ген. Геном человека содержит от 25 000 до 30 000 генов.
Но молекулы ДНК не лежат в свободном виде в ядре клетки, они упакованы вместе с белками-гистонами в хромосомы. Хромосомы содержат всю генетическую информацию и реплицируются с каждым клеточным делением.
На протяжении всей жизни клетки делятся множество раз, в результате генетический материал постоянно воспроизводится в живых системах и передается вновь созданным дочерним клеткам. Во время клеточного деления довольно часто наблюдаются генетические ошибки, которые образуются во время репликации ДНК. Они называются ошибками репликации ДНК. Ошибки репликации приводят к нарушению функционирования клетки и могут повлиять на оставшуюся ткань, если клетка не будет устранена в результате запуска апоптоза (гибели клеток) или старения (ухудшения функций клетки).
В организме также существует система, которая восстанавливает молекулу ДНК, модифицированную во время репликации. Система использует белки и ферменты. PARP1 — участвует в репарации ДНК и сиртуинов, а также в регуляции экпрессии генов, ремоделировании хроматина и функционировании митохондрий. NAD+ является косубстратом PARP. С возрастом происходит увеличение экспрессии белков PARP, что говорит о частых ошибках репликации и необходимости их устранения. В ответ на повреждения ДНК из-за работы PARP в клетке также очень быстро истощаются запасы NAD+, что приводит к клеточной гибели.
Активация фермента PARP может индуцировать сверхэкспрессию белка P53. Белок Р53 представляет другую систему контроля жизненного цикла клетки. Р53 отвечает за элиминацию канцерогенных клеток и позволяет продлить жизнь органов, предотвращая развитие раковых клеток. Однако, чем больше белка активируется, тем больше он ускоряет процесс старения, приводя к усиленному разрушению клеток и потери гомогенности тканей.
Механизм укорочения теломерных повторов
Способность диплоидных клеток к пролиферации ограничена. Этот процесс регулируется теломерами. Теломеры оказывают защитное действие на ДНК. Теломеры являются той частью хромосомы, которая не содержит генетической информации, и разрушаются на протяжении всей жизни при каждой репликации до тех пор пока полностью не исчезнут. Поскольку ДНК больше не защищена, при репликации важная информация «разжевывается», что приводит к апоптозу клетки или созданию раковой клетки. Фермент теломераза обеспечивает полную репликацию теломер. Он обнаружен только в стволовых, эмбриональных и раковых клетках. Присутствие этого фермента в раковых клетках объясняет, почему они бессмертны: они могут делиться бесконечно, не останавливаясь на своих «биологических часах». Работа этого фермента представляет большой научный интерес, однако, его активация может быть связана с виндукцией злокачественной трансформации.
Сокращение теломер можно сравнить с биологическими часами, которые активируют старение клеток, как только время истекает. Этот механизм ограничивает продолжительность жизни всех клеток, поэтому является центральным.
Эпигенетические механизмы и старение
Эпигенетика занимается изучением механизмов, управляющих экспрессией генома. Экспрессия генов может варьировать в зависимости от факторов окружающей среды. Органы демонстрируют эту изменчивость: каждая клетка имеет сходную генетическую информацию, но разные функции, что показывает разницу в экспрессии генов в зависимости от окружающей среды.
Существует несколько эпигенетических механизмов регуляции активности генов:
- Реакции метилирования.
Метилирование — это эпигенетическая модификация генома посредством добавления или удаления метильной группы. Реакции метилирования могут активировать, ингибировать экспрессию генов, или повысить вероятность мутации. Процесс метилирования оказывает влияние на рецепторы эстрогенов, опухолевые супрессоры и другие важные гены. Эпигенетические модификации, связанные с метилированием, растут с возрастом и могут привести к серьезным проблемам со здоровьем.
- Ремоделирование хроматина.
В ядре ДНК принимает форму хроматина, что позволяет компактизовать генетический материал. С возрастом ремоделирование хроматина уменьшается, стабильность хромосом снижается, что сопровождается преждевременным старением.
- Модификация гистонов.
Гистоны — это белки, вокруг которых обернута ДНК. Они составляют большую часть хромосомы. Любая модификация компонентов гистонов может изменить экспрессию генов. Например, некоторые гормоны ответственны за добавление или удаление компонентов гистонов (сиртуинов, NF-kB) и влияют на стабильность генома. Модификация гистонов влияет на продолжительность жизни посредством модификаций экспрессии некоторых генов.
Нарушение конформации белков, как причина старения
Белки представлены полипептидной цепью, состоящей из последовательности аминокислот. Работают белки благодаря своей конформационной структуре: вторичной, третичной, четвертичной. Складывание белка представляет физический процесс-фолдинг, посредством которого белок становится функционально активным.
Исследования показали, что нарушение процесса фолдинга белка составляет патофизиологическую основу многих возрастных заболеваний различной этиологии, в том числе болезни Альцгеймера, болезнь Паркинсона и прочих.
Последствия нарушения конформационных структур связаны с накоплением агрегатов белков неправильной конформации.
Митохондриальная дисфункция и возраст
Митохондрии — это клеточные органеллы, ответственные за поддержание клеточного дыхания и синтез АТФ — основного источника энергии. Митохондрии обладают собственной ДНК, называемой мтДНК.
Дисфункция митохондрии является основной причиной старения из-за жизненно важной роли митохондрий в клетках. Возрастная дисфункция наблюдается с возрастом, может привести к гибели клетки. Ее причиной служит окислительный стресс, нарушение клеточно-митохондриальной связи.
Клеточное старение происходит, когда возраст клетки увеличивается и ее функция уменьшается. Клетка прекращает делиться и меняет свою активность. Стареющие клетки можно увидеть на всех этапах жизни. С возрастом их число увеличивается в некоторых тканях, вызывая их гетерогенность.
Механизм клеточного старения полезен в молодости. Он защищает организм от пролиферации раковых клеток, но требует эффективной работы иммунной системы для устранения стареющих клеток. При старении эффективность иммунной системы снижается, обновления стволовых клеток происходит реже.
Стволовые клетки — это недифференцированные клетки, которые не принадлежат к какому-либо конкретному органу и поэтому могут генерировать специализированные клетки посредством «клеточной дифференцировки».
Стволовые клетки позволяют обновлять клетки в органе, они хранятся в организме и используются при необходимости.
Некоторые клетки стареют и умирают регулярно и требуют замены. Срок жизни эритроцита в среднем 120 дней. Другие органы могут расти и требовать больше ткани (например, матка во время беременности). Некоторые органы не имеют стволовых клеток и поэтому не могут быть обновлены при повреждении, например, сердце, поджелудочная железа.
При старении ткани также не восстанавливаются из-за замедления деления клеток и отсутствия замены стволовых клеток. Это объясняется избыточной экспрессией белков, блокирующих клеточный цикл, или накоплением повреждений ДНК на стволовых клетках.
Истощение стволовых клеток является одной из основных причин старения, поскольку препятствует обновлению клеток и является причиной старения органов. Понимание работы стволовых клеток будет жизненно важным для регенеративной медицины в будущем.
Вышеуказанные причины потенциально ответственны за изменение функций организма. Некоторые из них лежат в основе полезных механизмов, которые становятся вредными с возрастом, как в случае с клеточным старением и системой репарации ДНК. Механизмы предотвращают развитие рака, но по мере того, как их активность становится слишком высокой, происходит сбой, дегенерация тела ускоряется.
Другими причинами являются простые механизмы, которые медленно развиваются во времени (митохондриальная дисфункция, укорочение теломер). Необходимо понимать их, если мы когда-нибудь захотим поработать над этим, чтобы потенциально замедлить старение, и увеличить продолжительность жизни человека.
Источник
Лекарство от старости: как ученые омолаживают пациентов уже сегодня
Российские биологи оживили коловраток, которые 24 тысячи лет пролежали в вечной мерзлоте на востоке Якутии. Коловратки – самые маленькие многоклеточные животные на планете. Их размер – несколько десятков микрометров, тоньше человеческого волоса. По словам авторов эксперимента, у коловраток есть защитный механизм, который позволяет затормаживать обмен веществ и жить десятки тысяч лет. Сейчас биологи занимаются детальным изучением этих удивительных существ. Есть ли шанс, что ученые получат ключи к бессмертию? И до какого возраста при самом благоприятном исходе может дожить современный человек? На эти вопросы ответили эксперты программы «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным на РЕН ТВ.
Долгожители
Индонезиец Сапарман Содимеджо по прозвищу Дедушка Гото, судя по его сохранившимся документам, родился еще во времена Голландской Ост-Индии в 1870 году и умер в 2017-м, не дожив до своего 150-летия всего четыре года. Если дата рождения Сапармана соответствует действительности, то он – мировой рекордсмен по продолжительности жизни.
В 2019 году, по данным ООН, в мире насчитывалось более полумиллиона человек старше 100 лет. Это в четыре раза больше, чем в 2000 году. Старейший житель Земли на сегодняшний день – японка Кейн Танака. В январе ей исполнилось 118 лет. Ученые всего мира веками ищут рецепт долголетия. Один из способов омолодить организм – трансплантация.
«В последние годы очень сильно повысилась продолжительность жизни людей с пересаженными сердцами. Сердца можно потенциально пересаживать очень пожилым людям. Здесь очень важна оперативная техника, очень важен подбор совместимости», – отметил кандидат медицинских наук Ярослав Ашихмин.
Искусственно выращенные органы
Острая нехватка доноров – одна из основных проблем современной трансплантологии, поэтому сегодня ученые работают над биоинженерными технологиями, которые позволяют выращивать искусственные органы, правда, относительно простые по своей структуре, такие как мочевой пузырь или кровеносные сосуды.
Еще в 1999 году доктор Энтони Атала из США пересадил пациенту мочевой пузырь, созданный из стволовых клеток. Процесс выращивания органа занял всего полтора месяца. С тех пор в мире провели более 30 подобных операций.
«На сегодняшний день стволовые клетки проходят такой этап истории, который ознаменован переходом от выращивания тканей к выращиванию органов, поэтому эти технологии, безусловно, имеют перспективы, но еще много остается неясных вопросов», – сказал директор научно-исследовательского центра геронтологии Кирилл Прощаев.
Сейчас многие клиники предлагают замедлить старение с помощью инъекции из стволовых клеток. Попадая в кровь, миллионы клеток начинают делиться, обновляя ткани организма.
«Что касается стволовых клеток, то надежды очень большие. Но они не показали пока эффекта в плане омоложения на самом деле, кроме редких экспериментов с кожей», – пояснил Ярослав Ашихмин.
Напечатанные на 3D-принтере органы
Сейчас человеческие органы печатают на 3D-принтере. Вместо бумаги используют специальный гидрогель, а вместо чернил – стволовые клетки. Их наносят слой за слоем, связывая между собой с помощью ультрафиолетового излучения.
«Если просто ввести стволовые клетки в какой-то орган, то они могут встраиваться очень хаотично. Идея 3D-печати состоит в том, чтобы создать для них специальные направления, специальную матрицу для того, чтобы они правильным образом встраивались и формировали какой-то орган либо ткань», – отметил Ярослав Ашихмин.
Биопечатью донорских органов занимаются более 150 научных групп по всему миру. Британские ученые из Шеффилдского университета успешно пересаживают людям распечатанные уши, носы, подбородки и глаза. Всего за час биологи могут создать 150 протезов. А российским ученым впервые удалось распечатать на 3D-принтере щитовидную железу и успешно пересадить ее животному.
«Железистые органы проще организованы, чем другие. Плюс клетки железы активно размножаются, и не нужны очень сложные условия для того, чтобы они выполняли свою функцию, поэтому щитовидная железа и поджелудочная железа – это те органы, которые удобно печатать», – сказал Ярослав Ашихмин.
Американские ученые из Института регенеративной медицины пошли еще дальше. В этом году они напечатали на биопринтере образцы человеческой печени. Созданную ткань биологи планируют отправить в космос, чтобы проверить ее на устойчивость к радиации. Правда, до массового производства искусственных органов ученым еще далеко.
«Главная проблема заключается в сложности структурирования. Например, необходимо, чтобы в ткань проходили нервные волокна. Их напечатать крайне сложно внутри ткани. Сеть кровеносных сосудов тоже очень сложно включить внутрь ткани», – отметил Ярослав Ашихмин.
Эксперимент с чистым кислородом
Израильские ученые из университета Тель-Авива нашли другой способ продлить жизнь человека. Они провели ряд экспериментов и пришли к выводу, что омолодить человеческий организм можно с помощью чистого кислорода. В исследовании участвовали 35 здоровых людей старше 64 лет.
Каждого из них на полтора часа в день помещали в специальную барокамеру, где они дышали чистым кислородом. Через три месяца у всех пациентов удлинились так называемые теломеры – участки хромосом, которые защищают их от разрушения. С возрастом у всех людей теломеры укорачиваются, что приводит к старению клеток. Правда, по мнению большинства медиков, кислородная терапия – не панацея.
«Беда вся в том, что старение – очень многогранный процесс, и, помимо длины теломер, сюда включается еще около 20 разных факторов, поэтому, к сожалению, пока что не показала своей эффективности терапия, которая удлиняет теломеры», – пояснил Ярослав Ашихмин.
Таблетка от старения
Профессор Гордон Литгоу из Калифорнии предложил другую таблетку от старости. Он заявил, что значительно продлить жизнь поможет препарат, который назначают диабетикам. Лекарство понижает уровень глюкозы в крови и укрепляет кости. У подопытных мышей, которым давали этот препарат, продолжительность жизни увеличилась на 40 процентов.
«Существующие лекарства от диабета действительно продлевают жизнь. Они продлевают жизнь через управление обмена глюкозой. Важны не только сами препараты от диабета, но и контроль за своим здоровьем», – отметил Кирилл Прощаев.
Универсального рецепта от старости биологи пока не нашли. Даже при самых благоприятных условиях человек не проживет дольше 150 лет. Верхний предел продолжительности жизни установила группа ученых из Сингапура, России и США. Они исследовали кровяные тельца нескольких тысяч человек разных возрастов и пришли к выводу, что со временем организм теряет способность восстанавливать клетки крови.
О невероятных событиях истории и современности, об удивительных изобретениях и явлениях вы можете узнать в программе «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным!
Источник
