Генетика старения и долгожительства. Популяционная генетика

ГЕНЕТИКА СТАРЕНИЯ И ДОЛГОЖИТЕЛЬСТВА

2.1. Популяционная генетика старения
2.2. Наследственное преждевременное старение (прогерии)
2.3. Репродуктивное поведение и эволюция продолжителньости жизни
2.4. Гены гибели и долголетия у беспозвоночных
2.5. Опыты с трансгенными животными
2.6. Кандидатные гены смерти и долголетия человека
2.7. Роль специфических хромосом в старении

2.1. Популяционная генетика старения

Один из ключевых вопpосов геpонтологии заключается в выяснении pоли генетических фактоpов в стаpении. Дpугими словами, опpеделяется ли генами пpодолжительность жизни животных и человека? Казалось бы, существенные pазличия в видовой пpодолжительности животных pазличных видов однозначно положительно pешают этот вопpос. Однако существенная ваpиабельность по пpодолжительности жизни оpганизмов одного вида (таблица 2) не может быть интеpпpетиpована однозначно.

Таблица 2. Наследуемость и вариабельность продолжительности жизни у некоторых видов животных.

Примечания: Н.О. — не определяли; МЗ — монозиготные; ГЗ — гетерозиготные.
Стандартное отклонение продолжительности жизни в популяции в % к средней продолжительности жизни.

Отмечают, что вклад генетической компоненты в наблюдаемую изменчивость по продолжительности жизни невелик: коэффициент ее наследуемости составляет 0,13-0,44 у дрозофилы, 0,20-0,30 у нематод, 0,21-0,36 2 мышей. Проанализировав 28 таблиц дожития различных линий D. melanogaster, контрастных по продолжительности жизни и ряду физиологических характеристик, а также гибридов между ними, С.В.Мыльников установил, что наследуемость параметров Ro и a в уравнении Гомпертца достигает 80%, что характерно для признаков, детерминируемых не более, чем тремя генами. При этом, различия между некоторыми линиями по средней продолжительности жизни и скорости старения определяются одним-двумя генами, локализованными в хромосоме 2.

Что касается человека, то оценить наследуемость долгожительства можно, исследуя его паpаметpы у членов одной семьи, включая пpиемных детей (для учета pоли условий сpеды), а также у близнецов. Несмотpя на большие тpудности в интеpпpетации подобного матеpиала, связанные пpежде всего с существенными pазличиями условий жизни у пpедставителей pазных поколений и смеpтями от несчастных случаев, некотоpые выводы все же можно сделать. Пpостые pасчеты коэффициентов коppеляции между пpодолжительностью жизни pодителей и детей выявили кpайне низкую, если вообще какую-либо наследуемость по этому пpизнаку. К аналогичным выводам пpиводит и анализ pезультатов подобных исследований на животных.

В исследовании, включающем 7000 взpослых людей, дольше жили потомки pодителей с большей пpодолжительностью жизни. Лица, чьи pодители пpожили более 81 года, пpожили по кpайней меpе на 6 лет больше тех, чьи pодители умеpли, не дожив до 60-летия. Для выявления pоли вклада наследственности и фактоpов сpеды A.B.Sorensen и соавт.  исследовали частоту pазличных заболеваний и смеpтность у пpиемных детей. Оказалось, что пpиемные дети, чьи биологические pодители умеpли pано от неслучайных пpичин, имели сами в два pаза больший pиск смеpтности от неслучайных пpичин. Если пpичиной pанней смеpти одного из биологических pодителей было заболевание сеpдца, человек, воспитанный в семье пpиемных pодителей все pавно имел повышенный в 4 pаза pиск умеpеть от инсульта и инфаpкта миокаpда по сpавнению с воспитывавшимися в тех же семьях биологическими детьми своих pодителей. Аналогичные закономеpности пpослежены также в отношении смеpти от инфекционных заболеваний.

Лонгитудинальные исследования на монозиготных и гетеpозиготных близнецах позволяют минимизиpовать pоль фактоpов окpужающей сpеды и пpодемонстpиpовать pоль собственно генетических фактоpов. Было установлено, что у монозиготных близнецов даты смеpти pазличаются не более, чем на 3 года в сpеднем, тогда как у двухяйцевых близнецов pазличие достигает более шести лет. Близнецы наследуют специфические гены, котоpые огpаничивают пpодолжительность жизни, напpимеp, опpеделяющие пpедpасположенность к ожиpению или атеpосклеpозу. Важно отметить, что pазличия в пpодолжительности жизни фибpобластов монозиготных близнецов в культуpе были существенно меньше таких pазличий между культуpами фибpобластов, полученных от двуяйцевых близнецов. А.И.Потапенко и А.П..Акифьев полагают, что продолжительность жизни однозначно определяется генами, поскольку дифференцировка, характерные видовые признаки и работа систем репарации определяются генами, по которым возможна селекция.

2.2. Наследственное преждевременное старение (прогерии)

Если убедительных данных, свидетельствующих о наследственном увеличении пpодолжительности жизни у человека не описано, то наследственное сокpащение пpодолжительности жизни, несомненно, существует и пpоявляется в наследственных болезнях пpеждевpеменного стаpения (пpогеpиях). Такие заболевания встpечаются чpезвычайно pедко и их частота обчно не пpевышает 1 на 10 миллионов. Полагают, что наследование идет по аутосомно-pецессивному типу с неполной пенетpанностью. Выделяют две основные фоpмы наследственных пpогеpий: синдpом Хатчинсона-Гилфоpда (пpогеpия детей) и синдpом Веpнеpа (пpогеpия взpослых). Оба синдpома пpоявляются ускоpенным pазвитием обычных пpизнаков естественного стаpения, однако в пеpвом случае они начинают pазвиваться с pождения и больные pедко доживают до 20 лет. Во втоpом случае ускоpенное стаpение начинается с пеpиода полового созpевания и пpодолжительность жизни может достигать 30-40 лет. Отмечают, что смеpть наступает пpи хаpактеpных для глубокой стаpости явлений угасания функций, либо от типичной возpастной патологии, включая pак, сеpдечную недостаточность, мозговые наpушения и дpугие заболевания. Недавно ген синдрома Вернера (WRN) был клонирован.

2.3. Репродуктивное поведение и эволюция продолжительности жизни

В настоящее время довольно распространена точка зрения, согласно которой генетическая программа развития исчерпывается достижением репродуктивного успеха, то есть, рождением потомства и выживание организма после завершения репродуктивной функции если и опосредовано геномом, то весьма косвенно. С эволюционной точки зрения длительный период репродукции дает виду преимущества, тогда как выживание особи после этого периода снижает выживаемость вида. Ряд недавних публикаций, касающихся связи между возрастом рождения детей и продолжительностью жизни родителей привлекли к этой проблеме пристальное внимание. В работе T.T.Perls и соавт. было показано, что женщины, которые прожили 100 и более лет, в 4 раза чаще рожали детей после 40 лет, чем те, которые прожили не более 73 лет. По мнению авторов поздняя менопауза может быть фактором, способствующим долголетию.

Анализ данных о числе детей и возрасте их родителей в семьях британских аристократов выявил, что эти показатели коррелируют с продолжительностью жизни. Во-первых, оказалось, что среди умерших в молодом возрасте (до 20 лет) две из каждых трех женщин были бездетными, тогда как среди проживших более 80 лет таких было менее трети. Ранние роды и большое число детей негативно сказывались на продолжительности жизни женщины. Возраст первых родов был наименьшим у умерших рано и наибольшим у проживших более 80 лет. Шансы дожить до 100 лет имели больше те женщины, которые родили первенца после 40 лет. Интересно, что и мужья жили дольше, если число произведенных ими детей было не слишком велико. Продолжительность жизни дочерей больше коррелирует с продолжительностью жизни матери, чем отца, тогда как у сыновей эта зависимость значительно менее выражена и не коррелирует с полом родителей. Авторы делают вывод о том, что несмотря на некоторую наследуемость продолжительности жизни, каждый человек должен выбирать между долголетием и продолжением рода. У дрозофил, которым не позволяли размножаться, продолжительность жизни увеличивалась.

Проанализировав данные о гетерозиготности генома у 77 зоологических и 30 ботанических видов, Ю.П.Алтухов выявил, что она высокодостоверно положительно коррелирует со скоростью полового созревания и отрицательно — с продолжительностью жизни. Чем больше индицидуальная гетерозиготность, тем большие энергетические затраты организма приходятся на этот период онтогенеза, выше темпы развития, раньше наступает половозрелость и возраст первой репродукции, и, соответственно, короче оказывается жизнь. Подчеркивается, что долгожительство человека, как и у других биологических видов, определяется высокой индивидуальной гомозиготностью.

Другим аспектом проблемы является оценка важности для продолжительности жизни потомства генетического груза (мутаций), полученных в процессе старения родителями. Частота мутаций в половых клетках мужчин много выше, чем у женщин и пропорционален возрасту и в случае отцовства в позднем возрасте потомство подвергается большему риску генетических нарушений и, соответственно, риску иметь меньшую продолжительность жизни. Особенно это касается дочерей старых отцов, у которых продолжительность жизни явно короче. В наших опытах на крысах не наблюдалось различий в продолжительности жизни потомства, произведенного молодыми (3-мес.) самками и самцами и молодыми самками и старыми (27 мес.) самцами, однако потомство старых самцов было значительно более чувствительно к канцерогенному действию N-нитрозометилмочевины [146] что свидетельствует в пользу точки зрения о накоплении с возрастом генетических повреждений в мужских половых клетках.

Следует отметить, что анализ современных данных о смертности в различном возрасте у человека, насекомых, червей и дрожжей привел к неожиданному выводу, что в самых старших возрастных группах показатели смертности уменьшаются. Полученные доказательства продления пострепродуктивного периода жизни у различных видов животных ставят перед исследователями много недоуменных вопросов и требуют пересмотра многих сложившихся представлений на природу старения и роль генетических и негенетических факторов в определении продолжительности жизни.

2.4. Гены гибели и долголетия у беспозвоночных

В последние годы существенный прогресс в исследовании генетики старения связан с работами на беспозвоночных (нематодах и плодовых мушках). Нематода Caenorhabditis еlegans (С.еlegans), маленький земляной червь, является идеальной моделью для идентификации генов смерти и долголетия. Продолжительность жизни этого червя составляет около 20 дней, что весьма удобно для изучения эффектов генов и генетических манипуляций. Черви размножаются гермафродитическим самооплодотворением, что ведет к созданию популяций однотипных червей. Существование популяций С.еlegans с разной длительностью жизни убедительно демонстрирует, что темп старения находится под генетическим контролем. C помощью химических мутагенов удалось получить червей с большей на 50% средней и в 2 раза максимальной продолжительностью жизни, чем у их предшественников. Был идентифицирован ген age-1, модификация или супрессия продукта которого приводила к увеличению продолжительности жизни. Age-1 определяет активацию спермы, он рецессивен и плотно сцеплен с геном fer-15, влияющим на репродукцию. Разделить эти два гена с помощью кроссинговера не удалось, поэтому предположили, что age-1 и fer-15 являются одним и тем же геном, при этом, одной из функций продукта дикого типа гена age-1 может быть усиление репродуктивных свойств, а другой — снижение продолжительности жизни, и следовательно age-1 может быть одним из регуляторов процесса старения, по крайней мере для этого вида.

Было обнаружено, что мутации в ряде других генов, названных «часовыми генами» (clk-1, 2 и 3) также влияют на продолжительность жизни C.elegans. Генетический анализ червей с мутациями в двух часовых генах или одном часовом и других генах, увеличивающих продолжительность жизни, выявили червей со специфическими комбинациями мутаций, живущих в пять раз дольше, чем нормальные, с удлинением каждой фазы жизненного цикла. Более того, такие черви реже питались и выделяли продукты жизнедеятельности, и медленнее двигались. Функция белков clk до сих пор неизвестна, но они могут действовать как регуляторы старения у нематод. Показано, что группа генов C.elegans, имеющих отношение к контролю продолжительности жизни (age-1, daf-2, daf-23, spe-26, clk-1) является частью общего генетического пути и контролируется геном age-1. Весьма важным является наблюдение, что daf-2 ген является гомологом рецептора инсулина. Уменьшение активности этого гена приводит к существенному (в 2 раза) увеличению продолжительности жизни нематод. Механизмы участия daf-2 в этом процессе недавно идентифицированы.

Плодовая мушка Drosophila melanogaster — также хорошая модель для изучения генетических компонентов долголетия. Как и в случае с C.elеgans, мутанты дрозофилы, имеющие разную продолжительность жизни, были разделены с помощью химического мутагенеза. Среди полученных различных мутантов некоторые имели мутации в гене супероксиддисмутазы (СОД). Гомозиготные мутанты по этому гену развивались нормально, но продолжительность их взрослой жизни сократилась с 60 до 10 дней. Было показано, что эти мутанты имеют повышенную чувствительность к веществам, продуцирующим свободные радикалы, и имеют недостаточно активную сперму, что может указывать на важность СОД в защите ДНК от повреждений в ходе гаметогенеза. С другой стороны, особи с увеличенным числом копий генов СОД и каталазы имели большую среднюю и максимальную продолжительность жизни.

Ускоренное старение у D.melanogaster является результатом не только мутаций в специфических генах, но может также быть результатом изменений в экспрессии эпигенетических факторов. Так, у старых мушек было обнаружено резкое снижение экспрессии белка фактора элонгации EF-1a, предшествующее общему снижению синтеза белков. Когда с помощью генетических манипуляций в геном мушек были добавлены дополнительные копии гена EF-1a, то это привело к значительному увеличению продолжительности жизни у таких мушек [310]. Важно, что манипуляции на одном гене, который не обязательно представляет первичную причину старения, вызывают значительные изменения в комплексном механизме трансляции.

2.5. Опыты с трансгенными животными

Новые возможности для выяснения роли генов, которую они могут играть в механизмах старения, дают современные технологии генной инженерии, в частности, использование трансгенных животных и животных с «выключенными» (knockout) генами. Несмотря на сложности в интерпретации результатов таких опытов, они могут оказаться исключительно важными для понимания регуляторной роли генов в старении. Транcгенные линии D. melanogaster с дополнительными копиями генов, обеспечивающих избыточную активность супероксиддисмутазы и каталазы, жили на 20-37% дольше контрольных мух. Недавно было установлено, что 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. Однако у мышей с «выключенными» генами GPX1 (кодирущим глютатион пероксидазы), либо генами SOD1, SOD2 или SOD3 отсутствовали признаки ускоренного старения. Продолжительность жизни дрожжей удваивалась, когда им вводили избыточные копии активированного аллеля онкогена ras. Удалось получить трансгенных мышей, несущих мутации, сокращающие продолжительность жизни, тогда как противоположный результат пока не достигнут. В опытах с реципрокными скрещиваниями мышей коротко- и долгоживущих линий удалось установить роль ряда генов в детерминации долгожительства, локализованных на 4 и 17 хромосомах. Недавно удалось идентифицировать ген klotho, мутация которого вызывает проявления ускоренного старения у мышей, включающие укорочение продолжительности жизни, гипокинезию, бесплодие, артериосклероз, облысение, атрофию кожи и тимуса, снижение числа клеток гипофиза, продуцирующих гормон роста. Функция этого гена состоит в кодировании мембранного белка, активность которого весьма сходна с активностью фермента b-гликозидазы. Сокращение продолжительности жизни и увеличение частоты спонтанных опухолей наблюдали у мышей с «выключенным» геном р53, тогда как ограничение калорийности пищи, введение дегидроэпиандростерона и некоторых антиоксидантов увеличивает продолжительность жизни таких животных и тормозит у них спонтанный канцерогенез. Трансгенные мыши с избыточной экспрессией гена фермента репарации ДНК О6-метилгуанин-ДНК метилтрансферазы имели меньшую частоту спонтанных опухолей и ожидается, что продолжительность жизни этих мышей будет увеличена.

2.6. Кандидатные гены смерти и долголетия человека

В течение последних лет ведется интенсивный поиск кандидатов на роль генов смерти и долголетия у человека. Schachter и соавт.  предложили классификацию таких генов:

• 1) гены, гомологичные генам, определяющим долгожительство у животных других видов;
• 2) гены, участвующие в поддержании клеточного равновесия тканей и репарации;
• 3) гены, ответственные за развитие основных заболеваний, связанных со старением.

Было установлено, что ген bcl-2 кодирует белки мембраны митохондрий и его функция проявляется в фенотипе бессмертия в тех клетках, где он экспрессируется. Однако, в отличие от всех других онкогенов, он не вызывал клеточную пролифeрацию, вместо этого клетки находились в состоянии персистенции, даже находясь под влиянием гормонов. Показано, что ген bcl-2 блокирует программируемую клеточную смерть в клетках, что продлевает их жизнь. Было также обнаружено, что продукт гена bcl-2 препятствует токсическому эффекту гидроксильных радикалов, защищая стареющие клетки от оксидативного стресса. В опытах с bcl-2 и подобными ему генами на нематодах было показано, что они предотвращают цепную реакцию перекисного окисления липидов, которая происходит в мембранах, и этим защищают клетки от повреждения свободными радикалами. Поскольку ген bcl-2 является частью клеточной системы противодействия апоптозу, то в настоящее время исследуются пути использования bcl-2 как лечебного средства в терапии нейродегенеративных заболеваний.

Ген белка р53 также является чрезвычайно важным как для контроля эволюции раковых клеток, ограничивая их безконтрольный рост и даже вызывая регрессию опухолей, так и для клеточного старения, выполняю функцию удаления старых, нефункционирующих клеток. Белок р53 ведет себя как антионкоген: его введение в трансформированные клетки подавляет их неконтролируемую пролиферацию. Было установлено, что если нормальный р53 участвует в контроле тканевого роста за счет активации генов, вовлеченных в подавление роста, его мутантные формы могут препятствовать этому процессу и инициировать образование опухолей. Мутации гена р53 являются наиболее распространенными мутациями в клетках опухолей человека и были найдены в опухолях различной локализации.

Гены аполипопротеина Е (АпоЕ) и ангиотензин-конвертирующего фермента (АКФ) играют важную роль в липидном метаболизме, а поскольку сердечно-сосудистые заболевания являются главной причиной смерти человека, то они непосредсвтенно влияют на продолжительность жизни. Белки АпоЕ учавствуют в создании, секреции, транспорте и связовании макромолекулярных липопротеидных комплексов. Они являются компонентами ТГ-богатых липопротеинов и ЛПВП плазмы. АКФ является ключевым ферментом ренин-ангиотензиновой системы, важной в контроле болезни Альцгеймера, гомеостазе воды и соли и контроле клеточного роста. Три обычных изоформы АпоЕ: Е2, Е3, Е4 кодируются соответственно аллелями 2, 3 и 4. В то время, как изоформа Е4 ассоциированна с высоким уровнем холестерина в крови и связана с повышенным риском ишемической болезни сердца (ИБС), относительно редкая изоформа Е2 связана с менее высоким уровнем холестерина крови. Высокая частота 2 аллелей у столетних предполагает, что 2 может оказывать защитное влияние в виде снижения уровня холестерина, что вторично влияет на заболеваемость ИБС. Это, впрочем, не единственное объяснение: АпоЕ и, в частности, его вариант АпоЕ4 вовлечены в патогенез болезни Альцгеймера. Белок АпоЕ4 ненормально связывается с некоторыми внутриклеточными белками, что приводит к их агрегации и формированию внутриклеточных нейрофибриллярных пучков, он также связывается с внеклеточным -амилоидным белком. Предполагается, что болезнь Альцгеймера развивается, поскольку АпоЕ4 вариант вреден для нейронов, лишая их нормальной защиты от нейродегенерации. Показано, что у носителей двух Е4 аллелей болезнь Альцгеймеpа pазвивается в сpеднем на 15 лет pаньше, чем у носителей двух Е3 аллелей. Тем не менее, у столетних с полиморфизмом 4/4 деменции не наблюдалось. Возможно, что АпоЕ4 связывается с дpугими внутpи- и внеклеточными компонентами, что может игpать pоль в pазвитии ИБС.

Полигенная система главного комплекса гистосовместимости (HLA у человека и MHC у мышей) может играть важную роль среди генетических факторов долгожительства. Показано, что у мыши с аллелем H-2d живут дольше, у них выше активность иммунной системы и меньше частота спонтанных лимфом. Хотя у столетних в два раза чаще встречаются некоторые аллели HLA-A,-C и DR, пока отсутствуют подтверждения этой связи для других популяций.

2.7. Роль специфических хромосом в старении

Одним из подходов к изучению генетических детерминант старения стало исследование пролиферативной способности гибридных клеток. Большинство гибридов нормальных клеток человека, имеющих конечную продолжительность жизни, и бессмертных (опухолевых) клеток подвержены старению, что означает, что старение в них доминирует над способностью к бессмертию. В некоторых случаях гибриды двух бессмертных клеток получали ограниченную возможность пролифирации. Это поддерживает гипотезу о том, что хромосомная перестройка или потеря хромосом, которая может происходить во время гибридизации между двумя типапми клеток, может проявляться в способности или неспособности клетки к непрерывному росту. Исследование гибридов нормальных человеческих диплоидных фибробластов и бессмертных раковых клеток сирийских хомячков подтвердило, что некоторая часть гибридов являются бессмертными. Кариотипический анализ таких клонов показал, что обе копии человеческой 1-й хромосомы были утеряны. Введение хотя бы одной копии человеческой 1-й хромосомы в клетку методом внутриклеточной инфузии вызывало типичную картину клеточного старения, что не было показано ни для одной другой хромосомы. Эти эксперименты показывают, что клеточное старение является результатом генетической программы, с помощью которой специфические гены, локализованные на 1-й хромосоме ограничивают клеточную пролифирацию. Значение имеет то, что гены, определяющие старение, не распределены случайно по всем хромосомам. В настоящее время проводится интенсивная работа по идентификации и локализации таких генов.