Поврежденные хромосомы не могут эффективно отправлять сообщения от ядра к другим клеточным структурам. Всякий раз при делении (репликации) клетки ДНК отделяется, чтобы генетическая информация могла быть скопирована. Когда это происходит, ДНК дублируется, в отличие от теломер.
Когда копирование завершено, копия отделяется от оригинала на теломере. Таким образом, с каждым клеточным делением теломера становится все короче и короче, пока не перестанет полностью защищать хромосому. В этот момент клетка умирает.
Мы используем длину теломер, чтобы определить возраст клетки и понять, сколько делений у нее осталось. Отсюда и геронтологический интерес к теломерам.
Старение характеризуется распадом участков хромосом в ядре, что препятствует передаче жизненной информации от ядра, или «библиотеки», к остальным участкам клетки. Так информация из ядра начинает поступать некорректно. Это информация о делении клетки, выработке энергии и удалении отходов. Из-за некорректной информации замедляется функционирование, начинается сбой в работе, и в конечном счете клетка умирает.
Итак, все клетки «смертны» за одним-единственным исключением – раковые клетки. В отличие от обычных клеток, раковые не поддаются программированию на смерть, а продолжают без конца делиться. Таким образом, они в конце концов заполоняют собой все клетки и органы, мы называем это метастазами. В раковых клетках теломеры не укорачиваются, чем, вероятно, можно объяснить их живучесть.
Лучшее понимание выживаемости теломер в раковых клетках может помочь нам разобраться в том, как влиять на них в обычных клетках и тем самым отсрочить старение. На сегодняшний день мы не можем управлять генами или длиной теломер в теле человека. Однако в экспериментах на мышах это возможно. Ученые могут разбивать их хромосомы, чтобы омолодить клетки.
В 2012 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине получил Синъя Яманака. Он смог омолодить зрелые клетки, при этом они превращались в клетки других типов – такие клетки называются плюрипотентными. Эмбрион человека на раннем этапе развития состоит именно из них, дальше они становятся нервными клетками, клетками кожи, сердца или печени и формируют систему органов.
У Яманаки получилось определить, какие гены у мышей регулируют переход от зрелых клеток к плюрипотентным. Когда такие гены включены, клетки кожи могут быть перепрограммированы в незрелые плюрипотентные клетки, т. е. они могут стать любыми клетками, какие выберет ученый.
Это крупное открытие имеет большой потенциал для будущих манипуляций с процессом старения, а также для разработки новых подходов к трансплантации органов.
Изображение хромосомы
Белки, функционирующие наподобие грузовиков с отходами и токсинами, которые они забирают в центры переработки внутри клетки и за ее пределами, также включаются и выключаются, следуя инструкциям клеточного ядра. У животных, генетически модифицированных для производства этих белков более высоких уровней, продолжительность жизни увеличивается на 30 %. Невероятно. Среднестатистический мужчина в Европе живет до 80 лет. Если бы мы могли что-то менять в белках, ответственных за переработку отходов клетки, средняя продолжительность жизни увеличилась бы до 105 лет. Самому старшему человеку в Великобритании 111 лет, и он мог бы дожить до 141, если бы мы могли вмешиваться в работу белков.
Многие болезни, связанные с возрастом, возникают из-за того, что у организма не хватает скорости избавляться от отходов клеток (мы говорим об артрите, деменции, заболеваниях сердца и раке).
Процесс очищения, который клетки используют для уничтожения и переработки отходов, известен как аутофагия. Нобелевскую премию в 2016 году по физиологии и медицине получил Ёсинори Осуми, японский ученый, молекулярный биолог. Осуми показал, что аутофагия работает и связана с процессом старения. Сейчас он изучает, как можно воздействовать на аутофагию, чтобы увеличить продолжительность жизни, не теряя здоровья.
Первая теория старения заключается в том, что мы запрограммированы на старение: каждому из нас предстоит умереть в определенном возрасте, и это зависит от наследуемых генов. Подтверждением этой теории служит сходная продолжительность жизни животных каждого вида. Так, слоны умирают в возрасте около 70 лет, паукообразные обезьяны – в возрасте около 25 лет, а люди – около 80 лет.
Технически нет никаких обоснований, почему тело человека стареет, если оно способно восстанавливаться и обновляться. Если бы можно было опираться на этот факт, то человек бы жил до тех пор, пока не произошел бы несчастный случай или что-то из окружающей среды его бы не убило.
И тем не менее люди стареют, изменения происходят почти на всех физиологических уровнях: гормоны, иммунная система, мышцы, функционирование сердечной мышцы и легочной системы, кровеносная система и мозг.
Следовательно, старение провоцируется чем-то еще, помимо времени. Теория запрограммированного старения утверждает, что старение – это запланированный процесс, то есть мы заранее запрограммированы постареть и умереть.
Теория скорости жизни утверждает, что людям и прочим живым существам отпущено определенное количество вдохов, сердечных сокращений и прочих параметров, и как только они израсходуются, человек или животное умрет. Любопытная теория, у которой даже есть некоторые доказательства. Существует прямая связь между частотой сердечных сокращений и продолжительностью жизни у большинства животных. У маленьких сердце бьется чаще и живут они меньше; у крупных животных – наоборот. Однако никаких свидетельств того, что у человека ограниченное количество сердцебиений на жизнь, нет; впрочем, люди с высокой частотой сердечных сокращений умирают действительно раньше.
Теория свободных радикалов широко известна и продвигается в обществе, особенно в ней заинтересованы производители пищевых добавок. Когда клетки вырабатывают энергию, они производят нестабильные молекулы водорода, которые называются свободными радикалами. Это – одни из тех «отходов» клетки, о которых мы с вами уже говорили. Согласно этой теории, избыток свободных радикалов ускоряет процесс старения. Также есть антиоксиданты, содержащиеся в растениях, они впитывают свободные радикалы как губка. В лабораторных экспериментах применение большого количества антиоксидантов способствует тому, что ущерб, нанесенный свободными радикалами, минимизируется. Однако исследования действия антиоксидантных добавок на людей не дали впечатляющих результатов. Не очень понятно, в чем причина, но о добавках мы еще поговорим.
Теория перекрестных белковых связей утверждает, что старение связано с чрезмерным связыванием белков в клетках, в результате которого формируются жесткие структуры, напоминающие лестницы, а это уже приводит к структурным изменениям и «одеревенению» тех частей организма, которые ответственны за возрастные расстройства. Например, речь идет об уплотнении артерий, катаракте, морщинах и фиброзе легких.
Наконец, еще одна популярная теория гласит, что старение в основном происходит из-за воспалений, которые неизбежно развиваются потому, что иммунная система с возрастом начинает работать хуже. Она борется с инфекциями и любыми инородными телами, попавшими в организм. Наиболее эффективная работа иммунитета приходится на подростковые годы, после чего эффективность снижается. Нарушение иммунного ответа приводит к апоптозу клеток и в конечном итоге к их гибели.
Благодаря потрясшему мир коронавирусу мы теперь все в курсе, насколько важную роль играет иммунная система и насколько она хрупка, особенно в зрелом возрасте. Люди старшего поколения вдвое чаще реагировали хуже на вирус, так как их возрастная иммунная система не могла с легкостью бороться с инфекцией. От коронавируса умерло менее 1 % людей в возрасте от 20 до 30 лет и 20 % людей старше 80 лет. В общей сложности 80 % смертей пришлось на людей старше 65 лет. В Италии, стране с самым старшим населением в мире, средний возраст умершего от коронавируса был 81 год. Между людьми, заболевшими коронавирусной инфекцией, и теми, кто от нее умер, пролегла разница в 20 лет. Следовательно, большое преимущество в борьбе с современными и будущими инфекциями дала бы возможность задержать процесс старения в иммунной системе.
В последнее время появилось больше понимания о том, как клеточные изменений снижают защитные механизмы иммунной системы.
Сейчас проводятся клинические испытания для оценки различных методов повышения иммунитета, которые появились из-за вспышки коронавируса.
Резюмируя, можно сказать, что, вероятно, все вышеперечисленные теории так или иначе описывают разные факторы, влияющие на старение и гибель клеток. Старение вряд ли происходит по одной-единственной причине, это процесс, протекающий на разных уровнях. Однако отличная новость заключается в том, что различные манипуляции, которые мы с вами уже обсудили, т. е. изменения в области питания, стресса, спорта, секса, смеха, дружбы и сна, – все они влияют на что-то, что описывает та или иная клеточная теория старения.
Значительная часть бюджета организаций по здравоохранению в западных странах уходит на проблемы, связанные с возрастом. Некоторые считают, что отсрочка старения принесет пользу единоразово, после чего те же расходы в области здравоохранения потребуются вновь. Однако есть доказательства обратного. Из опытов над животными мы знаем, что отсрочка старения приводит к понижению заболеваний и уровня смертности.
Иными словами, если в клетке замедлится процесс старения, сократится и время в конце жизни, когда животное страдает от болезней, связанных с возрастом. Например, у животных, которые потребляют меньшее количество калорий, снижается не только риск смерти, но и риск заболеть такими возрастными заболеваниями, как катаракта, заболевания почек, артрит, слабоумие и пр.
Если бы такого эффекта можно было достичь и в случае с людьми, мы бы сразу почувствовали положительную динамику в здоровье и жизненных силах, а также довольно затратный период слабости и недееспособности, приходящийся на конец жизни, наступал бы прямо перед смертью и длился бы меньше.