<p><strong><em>Видео на конкурс «Био/Мол/Текст»:</em></strong> Многие люди считают старение нормальным процессом, таким же, как детство и юность. Но н
Почему мы стареем?
Автор
Редакторы
Видео на конкурс «Био/Мол/Текст»: Многие люди считают старение нормальным процессом, таким же, как детство и юность. Но наука позволила узнать о старении намного больше. Оказывается, если посмотреть на график риска сердечно-сосудистых, онкологических, и нейродегенеративных заболеваний, то риск всех этих болезней находится в прямой зависимости от возраста. И сейчас все больше ученых сходятся во мнении, что то, что раньше считалось отдельными болезнями, является следствием одного сложного процесса — старения организма. Так что же такое старение, и как оно связано со всеми этими заболеваниями?
<p>Рождение, рост, старение, смерть — эту череду событий мы воспринимаем как абсолютно естественную и неизбежную как минимум для всех животных. Но пар
Старение и долголетие
Эта статья — первая в цикле статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни».
В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением, осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза.
Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений.
Краткое содержание спецпроекта освещено в видеоролике «Стареть или не стареть? // Всё как у зверей». Подробности же узнаете из наших статей.
Организмы запрограммированы на
выживание, а отнюдь не на смерть.
Томас Кирквуд
Старение обычно определяют как закономерный процесс постепенного нарушения и потери важных функций организма, особенно — способности к размножению и регенерации. В результате снижается способность адаптироваться к условиям окружающей среды, противостоять хищникам и болезням. Однако исследования последних лет заставили усомниться в универсальности этого закона: похоже, он не действует в отношении ряда живых организмов (подробнее этот феномен, названный пренебрежимое, или незначительное, старение, и его счастливых «обладателей» рассмотрим в отдельной статье), да и со старением человека не всё так однозначно. Собственно, полного единомыслия по поводу причин, «целей» и механизмов старения не было раньше, нет и сейчас: существует множество теорий старения и подходов к его изучению на разных уровнях — эволюционном, популяционном, организменном, клеточном, молекулярном [1]. Одни из них рассматривают старение как запрограммированный, предопределенный процесс, «умышленно» (с точки зрения эволюционной целесообразности) работающий на расчистку пространства для новых поколений — то есть эволюционного пластилина, — другие — как квазипрограмму (имитацию программы, работающую «без злого умысла»), третьи — как стечение неблагоприятных обстоятельств, сбой в работе защитных систем, накопление всевозможных повреждений.
<p><em><strong>Статья на конкурс «био/мол/текст»:</strong></em> Пока нет единой теории, описывающей старение. Чтобы понять, как идет этот процесс, уче
Старение: запрограммированный процесс, который можно прервать, или неизбежность?
Новость о том, что в Москву прилетел Мартин Макфлай — герой ставшего легендарным сериала «Назад в будущее» — взорвала все социальные сети, а у многих навернулись ностальгические слезы, потому что с этого года все события, описанные в фильме, происходят в прошлом. «Время не повернуть вспять» — расхожее выражение, но мечты об осуществлении этой идеи не оставляют в покое лучшие умы человечества. Течение времени подразумевает, увы, старение, и ученые пытаются направить стрелки «биологических часов» вспять или хотя бы замедлить их ход.
На страницах истории нередко встречаются попытки создания эликсира молодости. Ходили слухи о том, что, например, Казанова принимал это зелье и на протяжении многих лет сохранял молодость и красоту. Сейчас проблема старения рассматривается намного шире: речь идет не только о старении внешнем (морщины, физическая слабость), а о причинах и молекулярных механизмах, связанных с этим процессом; ведутся горячие споры между двумя лагерями ученых, которые удачно названы В.П. Скулачёвым «пессимистами» и «оптимистами». Первые говорят о том, что старение неизбежно, этот процесс подобен тому, как изнашиваются механизмы машины, и ничего не остается, как выкинуть ее на свалку. «Оптимисты» же говорят нам о том, что старение вполне можно остановить, потому что это программа, работу которой можно нарушить .
Оптимисты из оптимистов, в частности, трансгуманисты, вообще настаивают на том, что старение — это болезнь, и что за ее лечение всерьез необходимо взяться всем миром. — Ред.
ВОЗ говорит, что пожилой возраст начинается с 60 лет, ООН — с 65 лет. А ученые считают, что оперировать одними только цифрами нельзя
Почему мы стареем
В 2018 году исследовательская компания Ipsos спросила у восемнадцати тысяч людей из тридцати стран, когда человека уже можно считать стариком. Для жителей Испании старость начинается в 74 года, России — в 61 год, а Саудовской Аравии — в 55 лет.
Всемирная организация здравоохранения говорит, что пожилой возраст начинается с 60 лет, Организация Объединенных Наций — с 65 лет. А ученые считают, что оперировать одними только цифрами нельзя: хронологический возраст не учитывает различия в генетике, образе жизни, состоянии здоровья. Не существует какого-то типичного старичка. Одному может требоваться ежедневная помощь в 60, а кто-то будет бегать марафоны в 80.
От слова «старение» становится немного не по себе и даже чуточку страшно. Мы верим, что знания помогают развеять любые тревоги.
Горящая изба и Купрум представляют новый проект «Взрослеем как взрослые» — об изменениях, которые постепенно происходят с нашим телом и разумом. Мы разберем возрастные изменения по науке и расскажем, как с ними счастливо жить и ничего не бояться.
Сегодня разберемся, почему мы стареем и зачем это нужно.
Биомаркеры старения
Многие ученые и философы говорят, что старение — это болезнь. Но вот главное отличие: болезнь сама по себе — это отклонение от нормы, с которым столкнутся не все, а от старости и смерти не защититься. Системы организма постепенно деградируют, а мы сталкиваемся с последствиями.
Когда мы говорим про старение, то речь не о морщинках или скрипучих суставах. Меняются клетки, из которых состоят ткани и органы. Они теряют возможность делиться, удалять продукты своей жизнедеятельности и даже забывают, как правильно функционировать. Меняется структура мембраны — оболочки клетки, так что кислороду и питательным веществам сложнее попадать внутрь. Ткани атрофируются: теряют массу и скукоживаются, как нервная ткань мозга, или становятся жестче, как сосуды и дыхательные пути. А из-за изменения клеток и тканей ухудшается работа органов. Например, сердце 70-летнего уже не может так же качать кровь, как тридцать лет назад.
Несмотря на то, что деградирует любое человеческое тело, темпы старения разные. Ученые ищут биомаркеры старения — такие показатели, которые помогут определять «возраст» тела и ожидаемую продолжительность жизни. Они же помогут узнать, что лежит в основе изменений систем и органов тела. Кандидаты уже есть: уровень кортизола, креатинина, тау-белка, общего холестерина и многие другие величины, которые можно измерить и сравнить. Но пока ни один из них не был единогласно признан учеными, хотя Национальный институт США по проблемам старения и другие организации десятилетиями спонсируют исследования, посвященные биомаркерам.
Да и сама концепция часто критикуется: как оценить, насколько тело старое и когда оно умрет, если мышцы рук и ног уже ослабли, а глаза по-прежнему зоркие? То есть критики настаивают, что деградация систем и органов происходит с разной скоростью и одним анализом крови не обойтись.
Как тело становится старым
В 2013 году в журнале Cell вышел большой обзор, посвященный старению. Исследователи выделили девять отличительных признаков, которые в сумме и приводят к старости. Вот они.
Нестабильность генома. Каждая клетка (кроме взрослых эритроцитов, у которых нет ДНК и других структур, чтобы помещалось больше кислорода) состоит из миллиардов букв ДНК. Если геном работает правильно, в нужных клетках воспроизводятся нужные гены, то с организмом все в порядке. Однако геном постоянно атакует как внешняя среда (ультрафиолет, загрязнение), так и внутренняя (мутации, свободные радикалы). В клетках есть специальные системы, способные находить и устранять повреждения цепочки ДНК. Однако с возрастом мутаций становится все больше. Например, рак — это результат накопленных мутаций в ДНК клеток.
Укорочение теломер. ДНК клетки — это «инструкция», что ей делать и как жить, которая копируется, когда клетка делится. В конце «инструкции» есть пустые «листы», они тоже копируются, но с каждой новой копией последний «лист» пропадает. Это теломеры — концевые участки хромосом, которые выполняют защитную функцию. Когда «листы» заканчиваются, делиться дальше нельзя: вместо пустого «листа» будет исчезать «страничка» важной информации. Тогда говорят, что достигнут предел Хейфлика и лимит делений исчерпан. Клетка становится стареющей и запускает процесс запрограммированной гибели либо ждет, пока ее унесут иммунные клетки.
«Листы», то есть теломеры, можно восполнить при помощи фермента теломеразы, который достраивает поврежденные или истощенные участки. Он есть у эмбриональных стволовых клеток, поэтому они непрерывно делятся. Он же активно работает в раковых клетках, поэтому они многократно и бесконтрольно делятся. У взрослых организмов в большинстве клеток теломераза не работает. Поэтому с каждым делением теломеры укорачиваются и клетка приближается к пределу Хейфлика.
Эпигенетические изменения. ДНК, наш генетический материал, — не просто цепочка, которая плавает внутри клетки, а структура, закрученная в несколько уровней. Сначала она наматывается на особые белки — гистоны, как нитка на катушку. У цепочки ДНК и у гистонов есть выступы из нескольких молекул, которые могут управлять генами: включать и выключать их, не вмешиваясь в их структуру. Все эти «выключатели» называются эпигеномом. С возрастом он меняется: «выключатели» появляются, исчезают, меняются местами. Из-за этого нарушается точная работа генов. Одна из самых известных молекул, которые влияют на эпигеном, — белок сиртуин. Исследования показывают, что если из-за мутаций он перестает работать, то длительность жизни мышей сокращается, а если работает сильнее, то увеличивается.
Потеря протеостаза — баланса белков. Белки регулируют почти все химические реакции, и из них состоит каждая клетка организма. Чтобы они работали, они должны быть правильно сложены, как оригами. В клетках даже есть специальные системы, которые разбирают молекулу белка и пакуют заново, если она сворачивается неправильно.
С течением жизни клетки побочные продукты обмена веществ повреждают белки, из-за чего они складываются неправильно. Помимо того, что они не могут выполнять свою работу, они могут слипаться и становиться опасными. Болезнь Альцгеймера — это пример болезни старшего возраста, которая вызвана неправильной упаковкой белка в мозгу.
Нарушение чувствительности к питательным веществам. Слишком активный метаболизм клеток ускоряет их старение. В организме много белковых комплексов, которые помогают ему распознавать, сколько и каких питательных веществ нужно и куда они пойдут. Благодаря им клетки понимают, что надо расти, размножаться, строить новые молекулы, но из-за процессов метаболизма образуется внутриклеточный мусор.
Побочные продукты обмена веществ с возрастом накапливаются в клетках и нарушают работу молекул, которые участвуют в сигнальных путях — тех самых белковых комплексах. Это сбивает с толку организм, и он может сигнализировать на клеточном уровне, что питания нужно больше, хотя это не так. Усиление работы сигнальных путей «изобилия» сокращает жизненный цикл клетки. А результатом становятся диабет, ожирение и другие метаболические синдромы.
Митохондриальная дисфункция. Митохондрии — электростанции клетки, которые производят почти всю ее энергию. Побочный эффект их работы — образование свободных радикалов, или активных форм кислорода. Они повреждают практически любую молекулу, к которой прикасаются, и их накопление приводит к оксидативному стрессу — когда клетка разрушается из-за переизбытка радикалов. Поэтому долго считалось, что они виноваты в старении и надо от них избавляться. Однако сейчас известно, что активные формы кислорода способны передавать некоторые сигналы и первыми запускают программируемую клеточную смерть, когда что-то в клетке сломалось и ей пора самоуничтожиться.
Клеточное старение. У большинства клеток ограничено количество делений. Так организм защищается от распространения мутаций, которые появляются в ДНК с течением жизни. Те, что больше не делятся, называются стареющими. У них снижается интенсивность обмена веществ, замедляется образование белков, исправление повреждений ДНК, копятся мутации. Они способны долгое время не самоуничтожаться и дожидаются, пока их зачистят иммунные клетки. С возрастом иммунная система работает хуже и пропускает все больше состарившихся клеток. Они не просто скапливаются, но еще и подают сигналы воспаления и выпускают свободные радикалы, которые повреждают другие клетки. Накопление старых клеток приводит к возрастным изменениям тканей и всего организма.
Истощение запаса стволовых клеток. Регенерация тканей и органов происходит благодаря стволовым клеткам, которые еще не приобрели свою функцию (например, быть клеткой крови или клеткой нервной системы). Они замещают погибшие клетки по необходимости, и с возрастом запас стволовых клеток снижается. Например, волосы седеют, когда пропадает запас стволовых клеток в волосяных фолликулах.
Изменение взаимодействия между клетками. В здоровых тканях и органах клетки постоянно общаются: посылают друг другу сигналы, которые позволяют синхронизировать работу. Например, если поцарапаться, клетки кожи и крови будут слать сигналы иммунным клеткам и другим клеткам крови, чтобы скорее летели к царапке латать дыру. У молодых после травмы воспаление пропадает и клетки замолкают на этот счет. Но в старшем возрасте стареющие клетки выбрасывают в общее пространство сигналы воспаления постоянно. В результате возникает хроническое воспаление, которое не связано ни с какой травмой и само повреждает окружающие ткани.
Зачем мы стареем
Помимо изучения молекулярных и клеточных механизмов старости ученые пытаются объяснить старение с эволюционной точки зрения. С появлением теории Дарвина ученые предположили, что старение запрограммировано: непригодные (то есть неспособные к размножению и борьбе за ресурсы) животные освобождают место для следующего поколения. Но с развитием биологии от идеи отказались: естественный отбор действует на репродуктивный успех особи, а не на общее выживание группы.
Вот еще пара популярных теорий. В 1950-х появилась теория, которую в шутку назвали «теория „оплата потом“». По-научному она зовется антагонистической плейотропией. Сейчас она одна из наиболее обоснованных и принимаемых теорий, которые объясняют старение. Согласно ей, есть гены, которые повышают шансы на выживание и успешное размножение в молодом возрасте, но в старшем возрасте они же могут быть вредны. И поскольку негативные эффекты появляются уже после периода размножения, естественный отбор на них не действует, и они продолжают передаваться из поколения в поколение.
Антагонистическая плейотропия предсказывает, что с увеличением возраста размножения должна вырастать продолжительность жизни. На мухах подтвердилось: у дрозофил, которым разрешали спариваться только в старости, продолжительность жизни увеличилась. Однако в молодом возрасте эти долгоживущие мухи были менее плодовитыми, чем контрольная группа с ранним размножением.
Эту теорию дополнила теория одноразовой сомы (сома на биологическом — это тело), ее придумали в 1970-х. Согласно ей, организм имеет ограниченное число ресурсов, которые он может потратить либо на размножение, то есть передачу своих генов в будущее, либо на починку клеточных и молекулярных процессов, то есть увеличение продолжительности своей жизни. Например, мыши больше сил вкладывают в воспроизводство, чем в поддержание здоровья, потому что из-за хищников они все равно долго не проживут. Эта теория также объясняет, почему лосось размножается один раз и после нереста погибает. Если животное не доживет до следующего сезона размножения, то естественный отбор будет способствовать тому, чтобы все ресурсы были направлены на размножение, а не поддержание сомы.
Обе эти теории дополняют друг друга и не противоречат молекулярным открытиям признаков старения, поэтому их признают в научном сообществе. Идей и гипотез, почему мы стареем, очень много, и с каждым новым открытием в науке о старости появляются новые. Понимание этих процессов позволит придумать, как продлить жизнь и излечить от болезней, которые сопутствуют старости.
