2.6. Роль окислительного стресса в старении

Одной из наиболее плодотворно развивающихся в последние годы фундаментальных теорий является свободнорадикальная теория старения, практически одновременно выдвинутая в 1956 г. D. Harman (Harman, 1994) и в 1958 г. Н. М Эмануэлем (Эмануэль, 1975; Emanuel, 1985) (рис. 5, 6). Эта теория объясняет не только механизм старения, но и широкий круг связанных с ним патологических процессов (сердечно-сосудистые заболевания, возрастные иммунодепрессия и дисфункция мозга, катаракта, рак и некоторые другие).

Согласно этой теории, продуцируемые главным образом в митохондриях клеток молекулы супероксида (О^-₂), Н₂О₂, гидроксильного радикала (НО) и, возможно, синглетного кислорода (О₂) повреждают клеточные макромолекулы (ДНК, белки, липиды) (Cutler, 1991; Harman, 1994; Barja, 2002). Полагают, что активные формы кислорода вызывают повреждения мембран, коллагена, ДНК, хроматина, структурных белков и участвуют в регуляции внутриклеточного уровня кальция и т. д. (Гусев, Панченко, 1997; Papa, Skulachev, 1997; Кольтовер, 1998; Skulachev, 1999, 2001; Barja, 2002). Подсчитано, что за 70 лет жизни человека организм производит около 1 т радикалов кислорода, хотя только 2-5 % вдыхаемого с воздухом кислорода превращается в его токсические радикалы. В клетке крысы может возникать до 10⁴ вызванных активными формами кислорода повреждений ДНК в день {Ames ct al., 1993) и при постоянных условиях до 10 % молекул белка могут иметь карбонильные модификации. Подавляющее большинство из них нейтрализуется еще до того, как успеют повредить те или иные компоненты клетки. Так, из каждого миллиона образующихся супероксидных радикалов от ферментной защиты ускользает не более четырех. К основным эндогенным факторам антиоксидантной защиты организма относятся некоторые ферменты и витамины (табл. 16).

Показано, что видовая продолжительность жизни прямо коррелирует с активностью супероксиддисмутазы (СОД), содержанием -каротина, -токоферола и мочевой кислоты в сыворотке крови (Cutler, 1991). Более того, у долгоживущих линий D. melanogaster экспрессия СОД, каталазы, глютатионредуктазы и ксантиндегидрогеназы была достоверно большей, чем у короткоживущих линий мух (Arkind et al., 1996). Выявлена положительная корреляция между продолжительностью жизни млекопитающих и резистентностью их клеток к окислительному стрессу, вызываемому различными агентами (Kapahi et al., 1999).

Установлена высокая корреляция между активностью основного обмена, активностью СОД и максимальной продолжительностью жизни у животных 14 видов, включая человека. В этой связи интересно наблюдение, что при повышении температуры происходит усиление образования 8-оксигуанина в ДНК, что свидетельствует о том, что нагревание может усиливать окислительный стресс, повышая уровень активных форм кислорода (Bruskov et al., 2002). Выявлено существенное накопление с возрастом продуктов окислительного повреждения белков свободными радикалами, генерируемыми нейтрофилами (Pleshakova et al., 1998; Плешакова и др., 2000). Однако при лонгитудинальном исследовании экскреции с мочой продуктов окислительного повреждения ДНК 8-оксигуанина (8-ОНГ) и его дезоксирибуноклеозида (8-ОНдГ) у мышей и крыс обнаружено снижение их величины с возрастом (Обухова и др., 1997), что может отражать снижение эффективности их репарации, поскольку при этом увеличивается их содержание в ДНК печени, почек и желудка (Ames, 1989). У крыс OXYS с ускоренным старением выявлены дисфункция митохондрий и нарушения поведения, свойственные нейродегенеративным заболеваниям (Колосова и др., 2001).

Было установлено, что с возрастом происходит снижение общей антиокислительной и антирадикальной активности крови у людей (Anisimov et al., 2001). У людей старческого возраста (83-85 лет) и долгожителей (90-105 лет) выявлено повышение уровня продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) в липопротсинах низкой плотности (ЛНП) и сниженной устойчивостью ЛНК к окислению по сравнению со здоровыми людьми в возрасте 36-59 лет (Шабалин и др., 2002).

В пользу свободнорадикальной теории старения говорят эксперименты, в которых трансгенные линии D. melanogaster с дополнительными копиями генов, обеспечивающих избыточную активность СОД и каталазы, жили на 20-37 % дольше контрольных мух, тогда как мухи с избыточными копиями генов лишь одного из этих ферментов антиокислительной защиты таким эффектом не обладали (Оrr, Sohal, 1994), Трансгенные дрозофилы с избыточной экспрессией гена SOD1 в мотонейронах жили на 40 % дольше и были значительно устойчивее к окислительному стрессу, чем мухи, не имевшие этого гена (Parkes et al., 1998). Витамин Е, мелатонин, хелатные агенты и некоторые синтетические антиоксиданты увеличивали продолжительность жизни не только дрозофил, но и лабораторных мышей и крыс (Обухова, Эмануэль, 1983; Harman, 1994; Rciter, 1995; Газиев и др., 1997; Anisimov et al., 2001) (см. главу 9). На модели экспериментальной мозговой ишемии установлено, что применение карнозина существенно уменьшает смертность и улучшает функцию мозга у крыс. При ишемии сердца карнозин защищает кардиомиоциты от повреждения и улучшает сократимость сердечной мышцы. В механизме защитного действия карнозина важную роль играют его антиоксидантная активность, способность защищать мембраны, образовывать комплексы с переходными металлами и регулировать функцию макрофагов (Болдырев, 1998).

У гомозиготных мышей, с выключенным геном Prdx1, кодирующим небольшие антиокислительные белки пероксиредоксины, содержащие каталитические остатки цистеина и использующие тиоредоксин как донор электронов, было отмечено существенное укорочение продолжительности жизни по сравнению с контролем дикого типа, сопровождавшееся увеличением частоты развития новообразований (Neumann et ai., 2003). Поскольку частота опухолей увеличивалась также и у гетерозиготов Prdx1^+/- авторы полагают, что этот ген может являться антионкогеном. В этой же работе было показано, что эмбриональные фибробласты мышей Prdx1^-/- имеют сниженный пролиферативный потенциал in vitro и повышенную чувствительность к окислительному повреждению ДНК.

Однако то обстоятельство, что продукты взаимодействия АФК с макромолекулами постоянно обнаруживаются в органах и тканях организма, свидетельствует о том, что системы антиоксидантной защиты недостаточно эффективны и что клетки постоянно подвергаются окислительному стрессу. Противодействие ему может играть существенную роль в механизме геропротекторного действия эндогенных и экзогенных антиоксидантов (см. главу 9).

В последние годы получила развитие так называемая митохондриальная теория старения, в основе которой лежат два предположения (Linnane et al., 1989):

Во-первых, предполагается, что мутации митохондриальной ДНК (мтДНК) накапливаются с возрастом и могут достигать значительной частоты. Однако само по себе это предположение не может объяснить роль мтДНК в старении, поскольку каждая клетка содержит несколько митохондриальных геномов. Случайный мутагенез будет приводить к формированию смеси различных типов мутантных и дикого типа молекул. Необходим специальный механизм, который сможет обеспечить создание достаточно высокой концентрации фенотипически значимых мутантов, способных преодолеть фенотипический порог (Khrapko et ab, 2003; Kraytsberg etal., 2003).

Во-вторых, предполагается, что мутации мтДНК распределяются таким образом, что каждая клетка содержит одну мутацию или главным образом один тип мутаций. При этом мутация может полностью реализовать свою потенциальную возможность нарушить физиологию клетки и тем самым быть активно вовлеченной в процесс старения. Хотя прямых доказательств того, что мутации в мтДНК вызывают значимые для старения эффекты, еще мало (за исключением, пожалуй, саркопении), исследования самого последнего времени полностью подтвердили оба упомянутых предположения, тем самым укрепив митохондриально-мутационную теорию старения (de Grey, 2002; Kraytsberg et al., 2003). При экстраполяции кривой экспоненциального накопления повреждений мтДНК (как точечных мугаций, так и делеций) до уровня 100 % в клетках сердца человека дает оценку 129 лет. Повреждения мтДК приводят к нарушению дыхания митохондрий, что увеличивает образование АФК и соответственно новым повреждениям мтДНК.

Было убедительно показано, что у пластинчатых грибов Роdospora anserina старение обусловлено нестабильностью митохондриальной ДНК, а именно накоплением кольцевой многомерной молекулы ДНК, называемой senДНК {Dufour et al., 2000). Авторы установили, что инактивация ядерного гена СОХ5, кодирующего субъединицу V комплекса цитохром с оксидазы приводит у этих грибов к использованию альтернативного дыхательного пути и уменьшению продукции АФК, что сопровождается существенным увеличением продолжительности жизни, ассоциированным со стабилизацией митохондриальной хромосомы. Более того, эта мутация предотвращает накопление senДНК в митохондриях.

Сторонники митохондриальной теории старения полагают, что в основе старения лежит прогрессивная потеря функции митохондрий в различных тканях организма (Gershon, 1999; Salvoli et al., 2001). В пользу такой точки зрения свидетельствуют следующие данные:

- накопление в митохондриальной ДНК (мтДНК) больших делеций и точковых мутаций в тканях пожилых индивидуумов и уменьшение количества копий;

- снижение с возрастом активности ферментов, обеспечивающих перенос электронов в дыхательной цепи, в лимфоцитах, скелектных мышцах и кардиомиоцитах;

- как следствие этих процессов - увеличение продукции АКФ и прогрессивное перекисное окисление липидов и белков мембран;

- изменения морфологической структуры митохондрий и снижение мембранного потенциала митохондрий, обеспечивающего энергию для синтеза АТФ;

- клетки молодых крыс быстро стареют и подвергаются дегенерации, когда в них с помощью микроинъекции вводят митохондрии из фибробластов старых крыс;

- установлена обратная корреляция между продукцией перекиси водорода, митохондриями и максимальной продолжительностью жизни вида.

Наследуемая по материнской линии мтДНК реплицируется в течение всей жизни организма как в пролиферирующих, так и в постмитотических клетках, что в конечном счете приводит к тому, что частота мутаций мтДНК во много раз превышает таковую в ядерной ДНК. В значительной мере это обусловлено неэффективностью систем репарации ДНК и близостью к митохондриальной мембране, где генерируются АФК. Возрастные нарушения дыхания митохондрий выявлены не только в нормальных тканях, но и у лиц с нейродегенеративными заболеваниями - болезнью Альцгеймера, болезнью Паркинсона, хореей Хантингтона, двигательных расстройствах, миопатии скелетных и сердечной мышцы и др. (James, Murphy, 2002; Troen, 2003). Эти заболевания характеризуются также высокой частотой мутаций в мтДНК. Имеются данные об ассоциации апоптоза с фрагментацией мтДНК.

Наследуемый полиморфизм митохондриальнои ДНК ассоциирован со старением и долголетием: гаплотип J гораздо чаще встречается у столетних мужчин северной Италии, чем у молодых (De Benedicts et ai., 1999). Интересно, что этот же митохондриальный гаплотип в высокой степени экспрессируется при многих комплексных заболеваниях, давая пример антагонистической плейотропии, то есть гена или генов, которые, неблагоприятным образом сказываясь в молодом возрасте, оказывают благоприятное действие в пожилом возрасте, обеспечивая благополучное старение. Картину делают еще более сложной данные о том, что частоты полиморфизмов мтДНК в популяциях пожилых людей в Италии, Ирландии и Японии существенно различаются (Ross et aL, 2001).

Дизайн сайта разработан KN Graphics