ГЕНЫ СТАРЕНИЯ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ

Продолжительность жизни является комплексным количественным признаком. Выявление генетических механизмов ее формирования – фундаментальная проблема биологии развития, эволюционной генетики и молекулярной геронтологии. Среди множества факторов, ограничивающих продолжительность жизни организма, включая несчастные случаи, голод, хищничество и паразитизм, только старение является пока неустранимой «внутренней» причиной. Старение в биологии — процесс постепенного угнетения основных функций организма, в том числе регенерационных и репродуктивных, вследствие чего организм становится менее приспособленным к условиям окружающей среды (теряет способность противостоять стрессам, болезням и травмам), что делает гибель организма неизбежной. Даже в благоприятных лабораторных условиях старение проявляется у подавляющего большинства видов животных. Старение протекает с разными скоростями у разных видов, что, по всей видимости, указывает на то, что причиной старения является не только механический износ, но и генетическая обусловленность. Старение – комплексный процесс взаимодействия генов и среды, регулируемый стрессом, метаболическими факторами и репродукцией, а также защитными системами на уровне клетки, ткани и организма. Геномная регуляция еще не доказывает того, что старение «запрограммировано». Изменение активности (экспрессии) определенных генов, наблюдаемое при старении, может быть ответом на случайные повреждения (молекулярные ошибки, оксидативный стресс) или отражать побочные плейотропные (множественные) эффекты генов, контролирующих процессы роста, развития и метаболизма.

Как правило, при поиске «геронтогенов» (генов, контролирующих старение и продолжительность жизни) у модельных животных применяют поиск мутантных линий, характеризующихся свойствами, отражающими значительное изменение темпа старения. Наиболее продуктивными подходами являются: поиск генов, выключение которых (loss of function) продлевает жизнь; анализ продолжительности жизни мутантов со сверхактивацией (gain of function) гена-кандидата. Фенотипами, оцениваемыми при этом, помимо самой длительности жизни, может быть скорость возникновения функциональных нарушений, связанных со старением (например, динамика поведенческих реакций и накопление липофусцина в клетках). Для ускорения темпов исследований могут быть применены стресс-факторы (обычно тепловой или окислительный шок), поскольку устойчивость к стрессу, как правило, связана с увеличением продолжительности жизни. Однако, изучая «геронтоген», мы можем повлиять на механизмы старения не непосредственно, а опосредованно через изменение уровеня метаболизма (путем снижения температуры тела или ограничения подвижности) или плодовитости. В таком случае вряд ли кто-либо готов заплатить слишком высокую цену за долгожительство – пожертвовать качеством жизни (снижением репродукции или подвижности). Поэтому любое увеличение продолжительности жизни должно сопровождаться контролем уровня метаболизма, физической активности и репродукции.
Данный подход активно развивается в последнее десятилетие, и приносит существенные плоды: у разных модельных животных было выявлено несколько десятков генов, изменение активности которых замедляет скорость старения . При благоприятных условиях внешней среды результатом данной регуляции является перераспределение энергетических и пластических ресурсов клетки и организма от репаративных путей, обеспечивающих поддержание жизнеспособности, к процессам роста и размножения. Напротив, при неблагоприятных условиях, гормональное стимулирование роста прекращается, но активируются белки, способствующие увеличению стрессоустойчивости клеток. Данный регуляторный путь консервативен в эволюции от беспозвоночных до млекопитающих.

Особые белки, участвующие в межклеточной сигнализации и называемые факторами роста (growth factors, GF), определяют судьбу клетки, запуская внутриклеточные каскады фосфорилирования различных белков через активацию особых клеточных ферментов - протеинкиназ. Связывание одного из таких факторов (инсулиноподобного фактора роста, IGF-1) с рецептором инсулина/IGF-1 на внешней поверхности клетки активирует на внутренней мембране клетки фосфоинозитол-3-киназу (PI3K), что приводит к образованию низкомолекулярного посредника — фосфоинозитид-3,4,5-трифосфата. Он связывается с другой киназой, которая называется 3-фосфоинозитид-зависимая киназа 1 (PDK-1) и в свою очередь активирует (фосфорилирулирует) киназы Akt/PKB и SGK-1, что позволяет протекать нормальным ростовым процессам в клетке. В то же время выключаются факторы стрессоустойчивости, такие как транскрипционный фактор FOXO (см. дальше). То есть наравне с нормальным ростом клетки при благоприятных условиях питания снижается стрессоустойчивость, что ускоряет старение. Напротив, мутации генов перечисленных киназ или сверхэкспрессия фосфатазы PTEN, блокирующей каскад этих киназ, продлевают жизнь модельным животным. Например, как показано в группе д-ра Шмуклер Райса, выключение гена PI3K у нематоды (age-1) вызывает продление жизни до 10 раз. При этом мутантным животным приходится пожертвовать размерами тела и скоростью метаболизма.
Еще одно семейство киназ - TOR - высоко консервативно от дрожжей до человека и участвует в регуляции многих клеточных процессов в присутствии достаточного количества питательных веществ (прежде всего, аминокислот): роста клетки, автофагии, биогенеза рибосом, трансляции, метаболизма углеводов и аминокислот, стресс-ответа,  организации актинового цитоскелета. Выключение функции компонентов TOR-каскада фосфорилирования продлевает жизнь модельным животным  — нематодам и дрозофилам, что может быть связано с переключением программы развития и роста на программу поддержания жизнеспособности в условиях стресса, как и в случае с вышеописанным инсулин/IGF-1 сигнализированием. Однако в случае мутации стресс-ответ запускается даже в отсутствие внешнего стресса (голода, перегрева), что позволяет лучше справляться со спонтанным внутриклеточным стрессом (от свободных радикалов или поврежденной ДНК) и жить дольше.

JNK- и MST-1-зависимые каскады фосфорилирования выполняют эволюционно консервативную (у нематод, дрозофил, млекопитающих) функцию регуляции различных форм устойчивости к стрессам через активацию транскрипционных факторов FOXO и HSF-1. Как следствие, в результате сверхактивации JNK наблюдается увеличение продолжительности жизни.

Деацетилазы семейства Sir2/ SIRT1 (сиртуины) в ответ на стрессовые воздействия подавляют проапоптозную функцию транскрипционных факторов р53 и FOXO, а также репрессируют гены, контролирующие участие эндоплазматической сети в стресс-ответе, способствуя выживаемости клетки и увеличению продолжительности жизни. Другая деацетилаза, Rpd3/HDAC, напротив, способствует старению, а мутация ее гена продлевает жизнь.

Группа белков FOXO играет ключевую роль в ответе на различные виды стресса (например, согласно обзору АА Москалева - на ионизирующую радиацию) и регулирует широкий спектр реакций клетки – изменение метаболизма, задержку клеточного цикла, дифференцировку, апоптоз и старение, что и определяет роль FOXO-зависимых механизмов в детерминации продолжительности жизни. Активация инсулин/IGF-1-пути приводит к выключению трансактиваторной функции FOXO, препятствуя его переходу из цитоплазмы в ядро. При действии стрессоров, инсулиновый путь инактивируется, а JNK и SIRT1, напротив, индуцируются. В результате дефосфорилированный транскрипционный фактор FOXO перемещается в ядро, что приводит к остановке роста клетки (через транскрипцию гена р27 ингибитора циклин-зависимых киназ) и увеличению устойчивости к стрессу, обусловливая повышение продолжительности жизни организма. К FOXO-регулируемым относятся такие гены продолжительности жизни как гены супероксиддисмутазы и каталазы, аполипопротеина C-III, белков теплового шока и белка репарации GADD45. В условиях жесткого стресса FOXO активирует  проапоптозный ген bim.  Даже сверхактивация генноинженерными методами некоторых из этих генов (супероксиддисмутазы, каталазы и белков теплового шока) сама по себе  способна приводить к увеличению продолжительности жизни модельных животных.

Еще один транскрипционный фактор, HSF-1, индуцируется в ответ на тепловой шок и контролирует гены ответа на стресс, ответственные за увеличение продолжительности жизни, такие как гены малых белков теплового шока. HSF-1 генетически взаимодействует с FOXO, по крайней мере, у нематод.

Мутация в гене klotho приводит к уменьшению, а сверхэкспрессия — к увеличению продолжительности жизни мышей. Кодируемый данным геном пептидный гормон ингибирует эффекты инсулин/IGF-1 пути, увеличивая устойчивость к окислительному стрессу на уровне клетки и организма.

У мышей с мутацией в гене p66 наблюдается увеличение продолжительности жизни. В норме этот ген, в ответ на р53-зависимую активацию, увеличивает выработку активных форм кислорода в клетке и вызывает ее апоптоз.

Помимо вышепепечисленных генов, к долгожительству модельных животных могут приводить: сверхэкспрессия генов репарации окисленных белков (метионинредуктазы)
генов протеосомы, автофагии, а также выключение ряда митохондриальных белков (например, субъединиц белков электронотранспортной цепи) и регуляторов функции рибосом.

В то время как сверхактивация первой группы генов позволяет эффективнее утилизировать внутриклеточный «мусор», накапливающийся в постмитотических клетках с возрастом (липофусцин, агрегаты окисленных белков, дефектные митохондрии), ингибирование генов второй группы позволяет замедлить метаболизм, сэкономив энергетические ресурсы на процессы, обеспечивающие устойчивость к стрессам.

Описанные выше исследования в области генетики продолжительности жизни и старения не помогли ответить на два важных вопроса: 1) участвуют ли «геронтогены», выявленные методами молекулярной генетики, в естественной вариации продолжительности жизни в популяциях; 2) полиморфизм каких генов является причиной внутривидового варьирования продолжительности жизни? На эти вопросы позволяет ответить исследовательский подход, получивший название «анализ локусов количественных признаков» (QTL). Анализ QTL у нематод, дрозофил и мышей привел к обнаружению десятков генов, вовлеченных в естественный полиморфизм продолжительности жизни и подтвердил участие в естественном полиморфизме продолжительности жизни практически всех известных «геронтогенов». Анализ QTL позволил выявить и ряд новых генов, связанных с долгожительством. У дрозофил с помощью QTL была обнаружена причастность к старению генов дофа-декарбоксилазы (Ddc), а также генов Shuttle craft (stc) и ms(2)35ci. Ген Ddc кодирует фермент, необходимый для выработки дофамина и серотонина в ЦНС и гиподерме. Ген stc, экспрессируемый в мозге и яичниках мух, является гомологом человеческого гена NF-X1, кодирующего транскрипционный фактор РНК полимеразы II. О гене ms(2)35Ci известно только то, что это рецессивная аллель, в гомозиготе приводящая к стерильности самцов.

Исследования в данной области крайне малочисленны, хотя самих видов-долгожителей с так называемым «незначительным» (negligible) старением известно довольно много. Определенный прорыв достигнут в исследованиях долгожительства маток медоносной пчелы, которые живут на порядок дольше рабочих особей. У маток была выявлена очень высокая активность гена вителлогенина, желточного гликопротеина, синтезируемого в клетках жирового тела. Выделяясь в гемолимфу, белок вителлогенин поглощается развивающимися ооцитами. Тот факт, что вителлогенин защищает маток пчел от обработки паракватом, вызывающим образование активных форм кислорода, навел на мысль, что данный белок принимает на себя основной удар окислительного стресса, выступая в роли антиоксиданта и способствуя увеличению продолжительности жизни.

Первые геронтогены (в частности age-1) были открыты на нематоде в лаборатории Синтии Кеньон

Следует особо выделить несколько групп специалистов, наиболее активно занимающихся исследованиями в области генетики старения модельных животных. Исследования на нематодах и дрозофилах проводят группы Линды Партридж и Девида Джемса в Institute of Healthy Ageing

А также лаборатория по исследованию генетики старения дрозофил Марка Татара

На наш взгляд, ближайшими задачами генетики старения и долголетия являются:

- дальнейшие исследования в области сравнительной генетики старения (сравнение генов долголетия у разных видов животных и человека);

- поиск эффективных биомаркеров старения;

- выявление генетических механизмов действия замедляющих старение фармакологических препаратов и биодобавок;

- анализ полиморфизмов генов долгожительства и возрастзависимых заболеваний у человека;

- определение генных сетей, обусловливающих механизмы внешнесредового влияния на продолжительность жизни (калорийности пищи, светового режима и др.).

По-видимому, наибольшего эффекта увеличения продолжительности жизни возможно будет добиться одновременной регуляцией (генетическими и фармакологическими методами) сразу нескольких генных сетей, контролирующих продолжительность жизни.

Полные тексты публикаций основных специалистов в области генетики старения и продолжительности жизни Вы можете прочитать на их собственных сайтах:

Д. Джемс

Л. Партридж

С. Кеньон

Другие классические экспериментальные работы по генетике старения Вы также можете найти здесь.

По данной теме на русском языке существует лишь небольшое количество обзоров. Например, статьи д.б.н. Москалева АА в журнале Успехи геронтологии (статья1, статья2) , а также книга этого же автора "Старение и гены" (см. полный текст в файле).