Материал: Биология размножения и развития

Основные гипотезы старения

Несмотря на большой интерес ученых самых разных специальностей к проблеме старения, до сих пор точно не известно, что его вызывает. Нет пока единой универсальной и завершенной теории старения. Есть многочисленные гипотезы, нередко частично совпадающие друг с другом или рассматривающие разные звенья одних и тех же процессов. В целом эти гипотезы затрагивают все уровни - от молекулярного до систем регуляции целостного организма, так как при всей важности и первичной значимости молекулярно-генетических изменений только ими было бы трудно объяснить все многообразие проявлений в общей картине старения человека. На каждом новом уровне биологической организации возникают свои качественно новые механизмы, ведущие к старению.

Молекулярно-генетические гипотезы. Эти гипотезы объясняют процесс старения первичными изменениями генетического аппарата клетки. Большую их часть можно подразделить на два основных варианта.

В первом случае возрастные изменения генетического аппарата клеток рассматриваются как наследственно запрограммированные, во втором - как случайные. Таким образом, старение может являться запрограммированным закономерным процессом, логическим следствием роста и созревания организма, либо результатом накопления случайных ошибок в системе хранения и передачи генетической информации.

Если придерживаться первого мнения, то старение, по сути, становится продолжением развития, в течение которого в определенной, закрепленной в эволюции последовательности включаются и выключаются различные участки генома. Тогда при «растягивании» программы развития замедляется работа «биологических часов», задающих темп программе старения. Например, в опытах с ограничением питания в молодом возрасте (животные с «продленной жизнью») происходит замедление роста, а, следовательно, и старения. Предполагается, что замедление роста, отодвигание полового созревания и достижения окончательных размеров тела приводит к увеличению продолжительности жизни. То есть, старение, как и другие этапы онтогенеза, контролируется генами.

Гено-регуляторная гипотеза. Согласно этой концепции первичные изменения происходят в регуляторных генах - наиболее активных и наименее защищенных структурах ДНК. Предполагается, что эти гены могут определять темп и последовательность включения и выключения тех генов (структурных), от которых зависят возрастные изменения в структуре и функции клеток. Прямых доказательств возрастных изменений ДНК немного. В последнее время высказывалось предположение о связи старения с участками ДНК, часть которых сокращается в размерах при старении. Сообщалось и об открытии особого хромосомного фермента, препятствующего старению ДНК и способного омолаживать клетки человека.

Гипотеза ошибок. Она впервые была предложена Л.Оргелем (1963). Основывается эта гипотеза на предположении, что основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений в результате мутаций, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными повреждающими факторами: (ионизирующая радиация, стрессы, ультрафиолетовые лучи, вирусы, накопление в организме побочных продуктов химических реакций). Гены, таким образом, могут просто терять способность правильно регулировать те или иные активности в связи с накоплением повреждений ДНК.

Свободнорадикальная гипотеза. В этой гипотезе особое значение придается так называемым «свободным радикалам» - высокоактивным химическим частицам. С возрастом они накапливаются в тканях и в силу своей активности могут в конечном итоге ухудшать работу клеток и повреждать ДНК.

Нейро-эндокринные и иммунные гипотезы. С самого начала активно разрабатывались гипотезы, связывающие ведущие механизмы старения на уровне организма с первичными сдвигами в нейро-эндокринной системе, которые могут привести к вторичным изменениям в тканях. При старении изменяется функция не одной какой-либо железы (гипофиза, щитовидной, половых желез и т.д.), а вся нейро-эндокринная ситуация организма.

Довольно широкую известность получили гипотезы, связывающие старение с первичными изменениями в гипоталамусе. Гипоталамус - отдел промежуточного мозга, генератор биологических ритмов организма, играющий ведущую роль в регуляции деятельности желез внутренней секреции. Согласно гипотезе «гипоталамических часов» (Дильман,1968, 1976), старость рассматривается как нарушение внутренней среды организма, связанное с нарастанием активности гипоталамуса. В итоге в пожилом возрасте резко увеличивается секреция гипоталамических гормонов (либеринов) и ряда гормонов гипофиза (гонадотропинов, соматотропина), а также инсулина. Но наряду со стимуляцией одних структур гипоталамуса, другие при старении снижают свою активность, что приводит к «разрегулированию» многих сторон обмена и функций организма.

Опыт создания общебиологической комплексной теории старения целостного организма отражен в адаптационно-регуляторной гипотезе (Фролькис, 1970, 1975). Она опирается на общее представление об изменениях саморегуляции организма на разных уровнях его организации как причинах старения. Следствием этих процессов являются сдвиги в адаптивных возможностях организма. Благодаря неравномерному характеру этих возрастных изменений, приспособительные механизмы развиваются на разных уровнях жизнедеятельности, начиная с регуляторных генов.

Наряду с возрастной инволюцией, угасанием, нарушениями обменно-гормонального статуса и ряда функций, период старения характеризуется также возникновением важных адаптивных механизмов. Так, например, при падении секреции гормонов щитовидной железы повышается чувствительность к ним соответствующих тканей («мишеней»).

Особые приспособительные механизмы, характерные только для человека, - это высокий уровень социально-трудовой деятельности, активности, что позволяет сохранить умственную и физическую работоспособность до глубокой старости. Они тормозят старение и способствуют увеличению продолжительности жизни. Такое понимание механизмов старения согласуется с представлением о нем как о развивающейся в эволюции адаптации.

К молекулярно-генетическим и нейроэндокринным гипотезам непосредственно примыкают и иммунные гипотезы старения. Иммунная система тесно связана с адаптацией, приспособлением организма к стрессу, вызываемому изменениями окружающей среды. При старении функция иммунной системы снижена, она теряет свою эффективность в выполнении ряда специфических задач.

Лимфоидная гипотеза. Этот новый вариант иммунной теории старения основывается на представлении о старении как возрастном снижении интенсивности самообновления организма и утрате его сопротивляемости, на несомненной связи иммунной системы со старением и длительностью предстоящей жизни (Подколзин, Донцов, 1996).

Предполагается, что причиной рано наступающего снижения иммунных функций является необходимость ограничения роста, причем, лимфоцитам приписывается контроль над процессами деления самых различных типов клеток, а следовательно, участие в ключевых механизмах реализации программы роста. Ослабление этой функции лимфоцитов может предопределить и снижение потенциальной способности клеток к делению в старости.

Морфологическим субстратом старения, по мнению авторов гипотезы, является гипоталамус, который оказывает первичное регулирующее влияние на иммунную систему. В качестве аргумента приводятся результаты пересадки регуляторных ядер гипоталамуса старым животным, что позволило восстановить у них ряд частных функций (половую, иммунную и др.) и достичь некоторых показателей общего омоложения.

Таким образом, к настоящему времени собрано огромное количество фундаментальных данных о сущности, особенностях и механизмах процессов старения на разных уровнях биологической организации. Хотя предложено уже около 300 гипотез, действенной полноценной теории онтогенеза пока еще нет. Безусловно, она вберет в себя многое из того, что содержится в современных гипотезах.

Очевидно, что поскольку старение человека определяется, по крайней мере, двумя группами факторов - генетическими и экологическими, то не существует какой-то единственной универсальной причины старения, а есть множество частично взаимосвязанных и независимых механизмов как запрограммированных, так и случайных, которые и составляют комплексный феномен - старение.

ЛЕКЦИЯ 16

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОЛОГИИ РАЗМНОЖЕНИЯ И РАЗВИТИЯ

ПЛАН

• 1. Фундаментальные задачи биологии индивидуального развития
• 2. Прикладные задачи биологии индивидуального развития

Фундаментальные задачи биологии индивидуального развития

Необходимо еще раз выделить фундаментальные проблемы, разработка которых в ближайшее время создаст основу для значительного прогресса в биологии развития. Прежде всего это выяснение молекулярно-генетических механизмов развития. В настоящее время эта задача решается, а в ближайшие годы будет решаться все более широко с использованием новейших достижений молекулярной генетики и генной инженерии.

Генная инженерия - это комплекс методов, разработанных в молекулярной генетике, позволяющих манипулировать с генами. В результате этих манипуляций исследователь получает возможность выделить в чистом виде и размножить любой ген, исследовать его структуру, выяснить, какие области кодируют белок и какие участвуют в процессах регуляции. Такие изолированные гены с установленной структурой вводят в бактериальную клетку, соматические клетки животных и человека, культивируемые вне организма, и исследователь получает возможность изучать закономерности их экспрессии и структурно-функциональных взаимоотношений с другими генами и с геномом в целом.

В последнее время разрабатываются подходы к введению таких генов в развивающийся эмбрион, а следовательно, во взрослый многоклеточный организм, т.е. открываются перспективы для генной инженерии эукариотических организмов. Сейчас ясно, что наиболее перспективен путь введения генов в яйцеклетки и ранние эмбрионы многоклеточного организма, когда будущий организм представлен одной или несколькими клетками, которые в генетическом отношении адекватны взрослой особи. Иначе говоря, зародилось направление генной инженерии высших организмов, которое развивается на стыке эмбриологии и молекулярной генетики и получило название эмбриогенетики. Речь идет об эмбриогенетической инженерии, открывающей большие перспективы в изучении структуры, функции и механизмов регуляции генов и генетического аппарата в индивидуальном развитии и во взрослом организме животных (и человека). Уже известны примеры успешных попыток ввести гены вирусов в животный организм вышеописанным способом, однако реализация возможностей этого направления только начинается. Это направление обещает дать очень многое для разработки общебиологической проблемы - раскрытия принципов регулирования функций генов у эукариот.