Рис. 8. Сенесцентные клетки (темные пятна) на здоровом матриксе (слева) и на матриксе, устойчивом к действию коллагеназ (справа).
Адаптировано из [31]
Потеря веса, дистрофия жировой ткани, остеопороз[13], искривление позвоночника (кифоз) и гипертония – такие изменения появились у мышек с устойчивым к расщеплению ферментами коллагеном намного раньше, чем у их собратьев из контрольной группы. Примечательно то, что мутацию коллагена тестировали на двух генетических линиях мышей – C57BL-6 и C57BL-129, что практически исключает возможность каких-либо специфических реакций в рамках одной генетической линии. Нет, скорее всего, мы имеем дело с неким общим феноменом, механизм которого не до конца ясен.
Факт старения клеток под влиянием окружающей их среды известен очень давно. Однако какой именно фактор из микроокружения вызывает старение клеток, неизвестно. Может быть, какие-то гормоны? Я предполагаю, что решение проблемы кроется в ВКМ, поскольку он содержит долгоживущие белки, в которых повреждения накапливаются сами по себе (без участия ферментов). Сшитый и полный токсичных аддуктов ВКМ негативно влияет на расположенные в нем клетки. Клетки хуже выполняют свои функции и, более того, сами начинают выделять различные факторы, усугубляющие старение, например воспалительные цитокины. Можно считать матрикс этакими часами старения: действительно, с 1970-х годов известно, что растворимость коллагена[14] кожи человека очень тесно коррелирует с его возрастом (рис. 9), но про это все уже давно забыли, увлекшись модными эпигенетическими часами. Вспомните вопрос, который мы ставили в начале главы, говоря о том, что у нейронов нет собственных биологических часов, которые говорят им, что пора умирать, – такими часами им служит весь организм: «Какой именно фактор служит синхронизатором-часами?». Вполне возможно, что это ВКМ.
Рис. 9. Зависимость логарифма времени, необходимого для расщепления 50 % коллагена кожи коллагеназой, от возраста.
Адаптировано из [33]
Спонтанная модификация долгоживущих белков ВКМ приводит к старению всего организма – это так называемая сильная ВКМ-гипотеза (еще не имеющая окончательных доказательств), которую я развиваю. Согласно ей изменение ВКМ – единственный либо основной фактор старения. Согласно слабой (имеющей все необходимые доказательства) ВКМ-гипотезе ВКМ является одним из факторов старения, его изменение может играть роль пускового механизма этого процесса. Кстати, и тут несправедливость: гликирование не входит даже в список признаков старения (Hallmarks of Aging) [34], хотя удовлетворяет всем критериям. Мы с профессором Москалевым попытались устранить эту несправедливость, выпустив в 2020 году фундаментальный обзор на эту тему в журнале Aging Research Reviews [9].
Сильная ВКМ-гипотеза позволяет объяснить бессмертие стареющих видов очень просто: бессмертие вида возможно потому, что новая особь строит новый ВКМ заново, а продолжительность жизни, по крайней мере некоторых видов клеток, вероятно, не ограничена.
Признаки старения
Изменение долгоживущих белков матрикса является не просто одним из ключевых признаков старения, а, вероятно, его пусковым механизмом. Тем не менее важно сказать несколько слов о других признаках старения (hallmarks of aging). Можно ли, влияя на них, управлять скоростью старения, замедлить его? Мы будем придерживаться определения старения как процесса, характеризующегося ростом вероятности умереть с возрастом.
В течение жизни в организме накапливаются повреждения генетического кода, записанного в ДНК клеток. Чтобы свести их к минимуму, организмы выработали механизмы ремонта ДНК и исправляют большую часть повреждений, но не все. К повреждению ДНК приводит воздействие факторов внешней среды: ультрафиолетового излучения, некоторых химических веществ и даже вирусов. С другой стороны, ДНК повреждают и процессы, происходящие в самом организме: продукция клетками активных форм кислорода, удвоение ДНК при делении клеток и т. д. [35]. Физические упражнения могут способствовать уменьшению повреждения ДНК активными формами кислорода [36]. Белок MTH1 участвует в ремонте повреждений ДНК и РНК, вызываемых активными формами кислорода. Сверхэкспрессия гена MTH1 хотя и увеличивала медианную продолжительность жизни мышей примерно на 15 % [37], но не влияла на скорость их старения в сравнении с мышами дикого типа [38].
Укорочение теломер наблюдается при нормальном старении как у человека, так и у мышей. Ускоренное сокращение длины теломер сокращает жизнь мышей и людей [35]. Скорость укорочения теломер может быть замедлена посредством здорового питания и физической активности [39, 40]. Исследования, посвященные связи между длиной теломер и продолжительностью жизни, дают противоречивые результаты [41]. Удлинение теломер позволяло увеличить максимальную продолжительность жизни мышей с 1000 до 1300 дней [42], однако не влияло на скорость их старения [38].
Эпигенетика изучает механизмы, изменяющие работу генов. Старение сопровождается эпигенетическими изменениями. Предполагается, что в отличие от поломок ДНК, эпигенетические изменения можно «откатить» до состояния, присущего более молодому организму [35]. «Откатить» эпигенетический возраст по часам Хорвата почти на 2 года можно физическими тренировками в комплексе с диетой [43]. Но означает ли это омоложение? Если бы это было омоложение, то физические тренировки и диетическое питание позволили бы людям быть постоянно молодыми. Эпигенетический «откат» увеличивал максимальную продолжительность жизни короткоживущим мышам примерно до 29 недель [44], но существенно не влиял на скорость их старения, если рассматривать старение как процесс, характеризующийся ростом вероятности умереть с возрастом.
В клетках организма есть механизмы, направленные на сохранение стабильности и функциональности их белков, – механизмы протеостаза. Старение связано с нарушением протеостаза [35].
Гормезис при старении определяется как процесс, посредством которого кратковременный и несмертельный стрессор индуцирует механизмы стрессовой реакции организма, тем самым повышая стрессоустойчивость и общую продолжительность жизни. Умеренный стресс для митохондрий (частиц клеток живого организма, которые отвечают за выработку энергии) назвали митогормезисом. Впервые митогормезис был описан для червей нематод Caenorhabditis elegans, которым ограничивали поступление глюкозы с пищей. Низкая доступность АТФ из-за низкой гликолитической активности вызывает активацию 5’АМФ-активируемой протеинкиназы (АМПК). АМПК, в свою очередь, способствует общему катаболизму и митохондриальному дыханию, что приводит к увеличению выработки активных форм кислорода – гормонального стрессора. Это активирует дальнейшую защиту от стресса, увеличивая продолжительность жизни. Слишком высокий уровень активных форм кислорода в результате окисления приводит к значительному повреждению липидов и ДНК клеток организма – окислительному стрессу. При чрезмерном стрессе погибают клетки, ускоряется развитие возрастных заболеваний. Если организм со стрессом справляется, то тренируются механизмы защиты от стресса и повышается стрессоустойчивость. В результате активизируется стресс-защита и увеличивается продолжительность жизни животного. При старении наблюдается прогрессивная дисфункция митохондрий (частиц клеток живого организма, отвечающих за выработку энергии), которая приводит к чрезмерной выработке активных форм кислорода. Дисфункциональные митохондрии могут вносить свой вклад в старение независимо от активных форм кислорода. Тренировки на выносливость и периодические ограничения в питании могут увеличивать продолжительность здоровой жизни, защищая митохондрии от дегенерации [34]. Однако упражнения на выносливость и сокращение калорийности питания хотя и увеличивали продолжительность жизни крыс, но не влияли на скорость их старения, если рассматривать старение как процесс, характеризующийся ростом вероятности умереть с возрастом [45].
Старение клеток сопровождается прекращением их деления. С возрастом число стареющих клеток растет [35]. Исследования показывают, что физические упражнения и исключение чрезмерного потребления калорий предотвращают преждевременное накопление стареющих клеток [46, 47]. В то же время чем дольше живут животные, тем больше их клетки склонны к старению для защиты от мутаций [48]. В настоящий момент известна и вредная, и парадоксально полезная роль стареющих клеток в организме [49]. Так, например, стареющие клетки могут не только способствовать фиброзу, но и тормозить фиброз тканей [50]. Удаление стареющих клеток у мышей увеличило их максимальную продолжительность жизни примерно с 1000 до 1200 дней [51], но не влияло на скорость их старения [38].
Снижение регенеративного потенциала тканей – одна из наиболее очевидных характеристик старения. Предполагается, что это происходит из-за истощения стволовых клеток, которые способны самообновляться, образуя новые стволовые клетки, делиться и «превращаться» в клетки различных органов и тканей [35]. Однако лечение сердца стволовыми клетками не снижало смертность людей [52]. Как оказалось, стволовые клетки не влияют на регенерацию сердца в старом организме [53], так как более жесткий ВКМ старой сердечной мышцы передает сигналы клеткам, заставляя их приобретать стареющий фенотип [54, 55].
В процессе старения увеличивается уровень вялотекущего воспаления [35]. Основные причины вялотекущего воспаления, которых можно избежать, – это хронические психосоциальные стрессы, плохое питание, малоподвижный образ жизни, ожирение, курение, аллергии, плохой уход за зубами, дефицит сна, дефицит солнца, возрастные заболевания [56]. Хотя удаление гена RIP3 увеличивало продолжительность жизни мышей с дисфункцией метаболизма холестерина [57] и снижало уровень экспрессии целого ряда маркеров воспаления, это не влияло на скорость их старения [38].