В целом для человека генетическая предрасположенность к долголетию играет, видимо, незначительную роль, исключая явно выраженные случаи прогерий.
Прогерии: наследственное ускоренное старение
Синдромы прогерий являются клиническими моделями ускоренного старения человека, изучение которых позволяет ответить на ряд фундаментальных вопросов о сущности и механизмах старения, соотношении старения отдельных органов и систем и целостного организма, роли процессов роста и развития и наличии отдельного механизма старения и его регуляции.
Прогерии, конечно, не болезни повсеместной и привычной для нашего глаза старости, но их можно признать одной из самых интересных клинических моделей для изучения методов продления жизни и улучшения ее качества.
Преждевременное старение у человека известно как прогерии, которые могут носить частный характер или затрагивать весь организм, начинаться с рождения – натогерии – или проявляться в среднем возрасте (синдром Вернера).
Разнообразие частичных прогерий огромно, в то же время достаточно четко выявляются некоторые общие их механизмы:
• нарушение репарации и репликации ДНК;
• генетическая нестабильность;
• нарушение свойств теломер, хроматина и ядра клетки; нарушение экспрессии генов;
• репликативное старение клетки;
• повышенная чувствительность клеток к апоптозу;
• элиминация и нарушения активности стволовых клеток.
Ускоренное укорочение теломер при прогериях, обусловливая репликативное старение дифференцированных соматических клеток и дисфункцию стволовых клеток, вызывает симптомы, во многом напоминающие нормальное старение. При этих синдромах формируется клиническая картина старости на много лет раньше, чем у прочих людей.
Синдром Хатчинсона-Гилфорда, или детская прогерия, – крайне редкое заболевание (менее 1,5 на миллион населения). Мутация, вызывающая ее, не наследуется, всегда возникает de novo, так как носители погибают до репродуктивного возраста. Дети шестилетнего возраста при синдроме Хатчинсона-Гилфорда выглядят как уже пожилые люди и погибают от атеросклероза в 12–15 лет. Характерны нарушения роста, липоатрофия, нарушения костеобразования, полная потеря волос, пятнистая гипопигментация кожи, характерны низкий рост, маленький клювообразный нос, срезанный подбородок.
Заболевание связано с дефектом гена структурного белка ядерной оболочки ламина А, что проявляется дисморфизмом поверхности ядра, увеличением повреждений ДНК, снижением экспрессии ряда ядерных белков; происходит снижение гетерохроматин-специфичного триметилирования в гистоне H3.
У пациентов с детской прогерией внешний вид очень характерен: большая голова, лобные бугры выступают над маленьким заостренным «птичьим» лицом с клювовидным носом, нижняя челюсть недоразвита; наблюдаются также атрофия мышц, дистрофические процессы в зубах, волосах и ногтях; отмечаются изменения костно-суставного аппарата, миокарда, гипоплазия половых органов, нарушение жирового обмена веществ, помутнение хрусталика, атеросклероз.
Прогерия взрослых имеет аутосомно-рецессивный тип наследования. Предполагается связь с нарушением репарации ДНК и обмена соединительной ткани.
Гистологическая картина включает уплощение эпидермиса, гомогенизацию и склероз соединительной ткани, атрофию подкожной клетчатки с замещением ее соединительной тканью. Отмечаются замедленный рост, симптомы гипогонадизма (при раннем развитии заболевания).
Обычно на третьем десятилетии жизни седеют и выпадают волосы, развивается катаракта, истончается кожа и атрофируется подкожная клетчатка на лице и конечностях, появляются очаги склеродермоподобного уплотнения, нарушения пигментации, гиперкератоз в местах давления, хронические трофические язвы. Обычно наблюдается остеопороз, кальцификация мягких тканей, часто наблюдается сахарный диабет, возможны злокачественные новообразования.
Лечение симптоматическое, в основном направлено на профилактику атеросклеротических осложнений, устранение сахарного диабета, трофических язв. Прогноз для выздоровления неблагоприятный; большинство больных погибает от атеросклеротических осложнений и злокачественных новообразований. Профилактика не разработана.
Синдром Вернера – наиболее частая и известная форма прогерии. Это аутосомно-рецессивное заболевание характеризуется преждевременным старением кожи, сосудистой и репродуктивной системы, костей, причем до полового созревания пациенты развиваются нормально.
Симптомы старения начинаются в ранней зрелости, но уже в молодом возрасте часто развивается катаракта, склеродермальные и дегенеративные сосудистые изменения, диабет и атеросклероз, остеопороз. Больные преждевременно погибают чаще от сердечно-сосудистой патологии. Средняя продолжительность жизни при данном заболевании – 40–50 лет.
При синдроме Вернера аутосомно-рецессивная мутация в гене WRN, находящемся на хромосоме 8, приводит к нарушению функции особой геликазы. Геликазы расплетают двухцепочечную ДНК, что является необходимым условием для большинства молекулярно-генетических процессов, таких как синтез копий ДНК, а также транскрипция РНК и репарация ДНК.
Линии «животных» и продолжительность жизни
Различия в ПЖ у различных линий мышей давно используются для целей геронтологии и биологии старения. Так, наличие короткоживущих линий позволяет экономить время при исследовании средств профилактики старения.
Однако не следует забывать, что это искусственно выведенные линии животных. Поэтому во многих случаях полученное продление жизни на короткоживущих линиях не воспроизводится на долгоживущих животных. Происходит, скорее, компенсация нарушений функций у короткоживущих линий, а также профилактика ряда типичных для линии заболеваний. Так, линия мышей AKR характеризуется очень высокой вероятностью развития опухолей с возрастом, и антиопухолевая терапия сама по себе будет способствовать увеличению ПЖ у них. Последний пример очень характерен, так как частота опухолей, воспалений и некоторых других патологий у мышей с возрастом может быть очень велика, и их профилактика, сама по себе не имеющая отношения к фундаментальным процессам старения, будет продлевать жизнь животным, что часто трактуется как наличие у испытуемого средства геропрофилактического эффекта.
Мутантные мыши часто используются для исследования старения и испытания средств профилактики старения, из которых наиболее интересны следующие.
Карликовые мыши Эймса (долгоживущие) являются гомозиготами аутосомно-рецессивной точечной мутации гена Prophet pit-1 и живут на 50–65 % дольше дикого типа. Это одна из первых и немногих моделей, указывающая на возможность значительно продлевать жизнь организма при генной мутации.
У мышей имеет место замедление развития, гипопитуитаризм, снижен IGF-1 фактор роста и температуры тела, имеет место иммунодепрессия. Повышение активности каталазы увеличивает стрессоустойчивость. Частота опухолей одинакова с диким типом.
Значительное продление жизни отмечено также у ряда других мутантных по гену гормона роста мышей (GHR-/-). В то же время у мышей GHR+/+ с дополнительными копиями гена гормона роста рост ускорен, а продолжительность жизни снижена до 2 раз.
Все эти наблюдения можно интерпретировать прежде всего как результат влияния на рост и развитие, что вторично отражается и на всем периоде жизни. Косвенно это указывает на запрограммированность старения как части жизненного цикла, какими бы конкретными механизмами это непосредственно ни обусловливалось.
Мыши с ускоренным старением (SAM). Известная линия мышей (SAM – senescence accelerated mouse) на основе линии AKR.
Сублиния SAMP живет 12–15 месяцев, а сублиния SAMR устойчива к преждевременному старению.
Интересно, что мыши SAMP нормально оканчивают развитие в 4 месяца, но затем у них быстро развиваются многие признаки старения: потеря волос, кожные изъязвления, уменьшение подвижности, ухудшение памяти, дезориентация, атрофия легких, повреждения сердца, катаракта, увеличение продукции свободных радикалов во всех органах.
Активность СОД в 2 раза меньше нормы, повышена частота хромосомных аберраций и микроядрышек. Частота опухолей изменена мало.
Мыши с генетическим ожирением. Мыши ob/ob имеют существенно укороченную ПЖ и повышенную скорость старения коллагена хвоста, а также снижение тимусзависимого иммунитета.
У них повышена частота опухолей, холестерин в крови и артериальное давление.
Мыши с мутацией гена Klotho. Еще одна известная линия мышей с ускоренным старением, укорочением ПЖ, снижением массы тела, бесплодием, атеросклерозом, остеопорозом, атрофией кожи и тимуса, эмфиземой легких.
Сахар в крови у них снижен, как и уровень инсулина, СТГ, ФСГ и ЛГ. Старческий фенотип у этих мышей проявляется раньше, чем у мышей SAMP.
Нокаут генов и трансгенные мыши. В основе метода лежит явление гомологичной рекомбинации: обмена соответствующими участками между парами гомологичных хромосом. Марио Капекки и Оливер Смитис независимо друг от друга изобрели способ выключения (нокаутирования) генов за счет гомологичной рекомбинации с участием искусственно синтезированных фрагментов ДНК, имеющих определенную последовательность нуклеотидов, соответствующую участку одного из генов, но некоторым образом видоизмененную. Такие фрагменты вводят в выращиваемые в культуре клетки обычно методом электропорации. За счет рекомбинации в некоторых клетках культуры введенная последовательность внедряется в хромосому на место нормальной, что приводит к изменению или отмене синтеза определенного белка. Добавив другой ген, не свойственный мышиным клеткам и делающий их устойчивыми к действию, например, антибиотика, рекомбинантные клетки можно легко отделить от остальных, получив культуру только рекомбинантных клеток.