Эволюционное возникновение генетических механизмов старения

Оглавление Дорога к бессмертию Бессмертие и религия Бессмертие в древнем Египте Бессмертие в древней Греции Бессмертие в Индуизме Бессмертие в Буддизме Бессмертие в Иудаизме Бессмертие в Христианстве Бессмертие в Исламе Бессмертие в Зороастризме Бессмертие в Синтоизме Бессмертие в Даосизме Бессмертие в религиях заключение Философия бессмертия Иммортализм Трансгуманизм Бессмертие и наука История анабиоза Анабиоз в природе Диапауза Оцепенение Спячка Анабиоз, различные стадии Анабиоз человека Смерть Философия смерти Танатология Кора головного мозга Анатомия коры головного мозга Физиология коры головного мозга Бессмертие и анабиоз Анабиоз, медицина и биология Дегидратация Искусственная гипотермия Клатраты ксенона Анабиоз клатратный Анабиоз и экономика Цена анабиоза Анабиоз и закон Анабиоз в Антарктиде Техническое обеспечение анабиоза Бессмертие и вера Библиотека Ordo Deus Каталог заглавий Каталог авторский Каталог заболеваний Каталог систематический Общий терминологический словарь Словарь естественнонаучных и технических терминов Словарь медицинских терминов Краткие сведения об упоминаемых авторах Рецепты эликсиров бессмертия Избранные афоризмы Список литературы и других источников информации Контактная страница Ordo Deus План развития Ordo Deus Организация - Ordo Deus Устав Ordo Deus Завет Ordo Deus Хроники Ordo Deus Полный свод знаний Коллектив Ordo Deus

Эволюционное возникновение генетических механизмов старения Бердышев Геннадий Дмитриевич Киев 1977г. К настоящему времени накоплены многочисленные данные, которые показывают важную роль наследственных факторов не только на ранних, но и на поздних этапах онтогенеза, в частности, на этапе старения и умирания. Об этом свидетельствуют семейная наследуемость долголетия, высокая конкордантность продолжительности жизни однояйцевых близнецов, низкая жизнеспособность организмов с нарушенным генотипом, а также данные о роли в долголетии гетерозиса, системы репарации ДНК и других генетических процессов. Можно считать доказанным, что под генетическим контролем находятся все этапы жизненной траектории организмов. Старение так же запрограммировано, как и эмбриогенез, как и другие этапы онтогенеза. Признание генетической детерминации старения не отрицает роли средовых, случайных по отношению к генотипу, факторов в процессах старения и смерти клеток и организмов. Экологические условия могут замедлять или ускорять темпы развертывания генетической программы развития и старения; у одних видов они могут изменять продолжительность жизни в несколько раз (многие беспозвоночные, пресмыкающие, рыбы, амфибии, некоторые растения), на другие виды они действуют в меньшей степени (птицы, млекопитающие), на третьи - почти не действуют (организмы с запрограммированной смертью, например, горбуша, бабочки-поденки, осьминоги, кальмары и т. д.). Учитывая тесную связь генотипа и среды, необходимо рассматривать влияние экологических и генетических факторов на процессы старения в их сложном и тесном взаимодействии. С целью подчеркнуть единство и взаимозависимость этих факторов, мы назвали их эколого-генетическими и разработали эколого-генетическую теорию старения, которая определяет роль генетически детерминированных и стохастических, случайных факторов в старении и долголетии. Согласно этой теории, генетические факторы у теплокровных животных ответственны лишь за часть (60-70%) всех повреждений, ведущих к старению; другая часть повреждений вызывается стохастическими процессами. Генетические механизмы старения многообразны и недостаточно изучены. Они разыгрываются на всех уровнях организации генных регуляторных систем. Мы обнаружили и изучили следующие возрастные молекулярно-генетические изменения: 1) нарушение метилирования ДНК; 2) изменение прочностей связей между ДНК и белками хроматина печени крыс в результате изменения фракций гистонов и кислых белков у старых животных; 3) изменение активности различных фракций нуклеаз ядер и цитоплазмы клеток старых животных, способность этих ферментов повреждать геном; 4) потеря ядрышек в клетках печени нерестующей горбуши. В литературе описаны и другие повреждения генетического аппарата клеток при старении: накопление хромосомных перестроек, нарушение репарации ДНК, появление в ДНК однонитчатых разрывов, изменение ацетилирования и метилирования гистонов, повреждение регуляторных и структурных генов и т. д. Несомненно, возрастные повреждения структуры и функции генома клеток играют пусковую роль в старении. Каким же образом возникли и эволюционировали генетические механизмы старения? В животном и растительном мире процессы старения эволюционируют одновременно с эволюционным изменением видов. Старость можно определить далеко не у всех видов животных и растений. Так, черепахи растут всю жизнь и умирают только от болезней и увечий. То же происходит с самками некоторых видов камбал. Признаков старости и старения не удалось наблюдать у некоторых рыб, медуз, актиний, губок. Английский зоолог Биддер выдвинул теорию возникновения старости у позвоночных в результате остановки роста. Как известно, жизнь возникла и развивалась в водной среде. Древние морские животные не нуждались в фиксированных размерах тела и, видимо, обладали неограниченным ростом. Остановка роста, определенный размер и форма тела сформировались после выхода позвоночных на сушу. Остановка роста при достижении специфических размеров осуществляется эволюционно выработанным механизмом регуляции. Можно предполагать, писал Бидлер, что старение - результат продолжающегося действия регулятора после того, как рост закончен.

По Шмальгаузену, старость также связана с остановкой роста и приобретением фиксированных размеров и формы.

Первым на эволюционное значение старости указал Вейсман, по которому старость является полезным свойством вида, обеспечивающим смерть особи и смену поколений. Он высказал предположение, что в организме имеется специфический аппарат старения, выработавшийся в процессе эволюции. Но Вейсман не мог объяснить механизмы эволюционного возникновения старости, а также природу и механизмы действия специфического аппарата старения.

Как может наследоваться признак (свойство подвергаться старению), если он развивается главным образом после окончания репродуктивного периода? Любой признак, способствующий процветанию вида, сохраняется и закрепляется при естественном отборе в том случае, если он проявляется в репродуктивный период, передается потомкам, распространяется на большинство особей вида. Старость - этот результат старения - выпадает из-под действия прямого естественного отбора, поэтому она не может возникнуть в результате его деятельности. Животные с большей продолжительностю жизни должны оставлять больше потомства, и естественный отбор должен был бы действовать в направлении увеличения продолжительности жизни, а не ее укорочения.

По вопросу об эволюционном возникновении старости было выдвинуто несколько гипотез, к сожалению мало доказательных.

Так, Комфорт отказался от теории Вейсмана и высказал предположение, что старение лежит за пределами программы развития особи и представляет собой хаотический процесс поломки биологической машины.

Вильямс считает концепцию Комфорта неверной потому, что последний отождествил процесс старения и старческое состояние. Человек в 30 лет еще не стар, но в это время уже заметно увеличивается вероятность смерти, снижается мышечная работоспособность. Следовательно, в этот период жизни идет интенсивный процесс старения. 30-летний возраст - это период расцвета репродуктивной способности человека. Невероятно, с точки зрения эволюционной теории, чтобы процесс старения, происходящий между 30 и 40 годами, был безразличен для естественного отбора. Этот процесс должен наследоваться. Вильямc вернулся к представлению Вейсмана об эволюционном значении старения, но в отличие от Вейсмана старение он считает неблагоприятным признаком, нейтрализующимся при естественном отборе. Вильямc высказал мысль о том, что некоторые гены могут оказывать двойственное действие: благоприятное на ранних и вредное - на поздних этапах жизни, в пострепродуктивный период. Ввиду эволюционной ценности такие гены будут накапливаться, передаваться потомкам. Эффект действия вредных генов, накапливающихся в пострепродуктивный период, и будет предоставлять собою старость.

Согласно Медавару, старость возникла в результате отсрочки действия вредных генов, отодвигания его в пострепродуктивный период. Такая отсрочка времени действия вредных генов равноценна их удалению. Естественный отбор благоприятствует такой отсрочке.

Как ни привлекательны гипотезы Комфорта, Вильямса и Медавара, они не учитывают многие стороны эволюционного процесса возникновения старости: значение для старения прекращения роста и дифференцировки клеток, связь между старением и размножением, эволюционное значение пострепродуктивного периода у видов, воспитывающих потомство, и др. Поэтому появляются новые работы, в которых делаются попытки понять эволюционные механизмы возникновения старения.

Представление о том, что только репродуктивный период контролируется при отборе, представляется нам не совсем верным. Еще в 1919 г. Крауз отметил генетическую детерминацию всего онтогенеза. Позднее Добжанский указывал, что каждый этап онтогенеза генетически детермирован.

По-видимому старение возникло у многоклеточных организмов как результат дифференцировки и прекращения деления клеток. Это имело несомненные эволюционные преимущества и было подхвачено отбором вместе со своим косвенным результатом - старением и смертью; последние в свою очередь стали полезными для видов. В генотипе оказалась записанной программа развития, а также механизмы старения, тесно связанные c реализацией программы развития.

Старение - составная часть, необходимый элемент морфогенетического и постморфогенетического периода развития организмов. Такие механизмы старения, как остановка митоза, запрограммированная гибель клеток, нервно-эндокринная регуляция включения и выключения генов, определенная скорость мутации и так далее, попадают под действие естественного отбора и закрепляются в геноме. Генетическая компонента механизмов старения, хотя это кажется парадоксальным, необходима для нормального развития, роста и функционирования зрелого организма; затем ее влияние совместно с действием стахостических процессов приводит к структурным и функциональным нарушениям, которые вызывают смерть.

Механизмы запрограммированного старения могли развиваться или по пути включения на определенном этапе онтогенеза «генов – убийц», например активирующих лизосомальные ферменты у горбуши, или по пути выключения генов, ответственных за поддержание клеточного гомеоcтаза (репарации ДНК и т. п.). Так как включить группу генов случайно практически невозможно, а выключить - возможно, стохастический компонент старения играет большую роль в выключении генов; включение генов, по-видимому, контролируется особой программой.

При исследовании старения различных биологических объектом мы установили, что имеются универсальные механизмы старения, общие для всех многоклеточных организмов, и специфические, характерные для отдельных видов. Приводим основные результаты наших сравнительных геронтологических исследований.

Культуры тканей и клеток. На культуре Hela, паренхимных клеток печени и фибробластов мы установили, что тяжелая вода и гистоны способны ускорять старение. Признаки старения появляются на 5-8-е сутки после введения в культуру тяжелой воды. Внесение в культуру суммарной печеночной ДНК и РНК смягчает это явление, особенно в сочетании с легкой водой. Действие нуклеиновых кислоты тканевоспецифично.

Семена растений. Изучалась роль свободных радикалов в механизмах старения. При старении семян количество свободных радикалов не увеличивается, эффекты старения зависят от постоянного фона свободных радикалов. Эти выводы подтверждены результатами исследований тканей и органов мышей.

Растения. Установлено, что ускоренный рост и гигантизм сахалинских растений, у которых замедлены процессы старения, обусловлены образованием ауксинов, ингибирующих старение.

Иглокожие. Изучались биохимические и морфологические закономерности старения у иглокожих. Выделены и исследованы полимерные нуклеиновые кислоты трепанга, возрастные закономерности синтеза нуклеаз и изменение содержания нуклеиновых кислот. Предложен метод определения возраста трепанга по массе кожно- мускульного мешка. Сезонные изменения биохимических показателей трепанга более выражены, чем возрастные.

Рыбы. Изучались морфологические, физиологические и биохимические закономерности старения у быстро стареющих тихоокеанских лососей (горбуши) и у непрерывно растущих и медленно стареющих япономорских камбал. Горбуша живет 1,5 года и погибает после единственного в ее жизни нереста (нерест занимает последнюю треть ее онтогенеза). В геронтологической литературе посленерестовую гибель тихоокеанских лососей часто приводят в качестве примера запрограммированного старения. По нашим данным, общие физико-химические свойства ДНК нерестующей горбуши по мере приближения к гибели не изменялись, но наблюдалось уменьшение в ней 5-метилцитозина. Это деметилирование ДНК тканевоспецифично, возрастало по мере нерестовой дегенерации и явилось первым примером изменений первичной структуры ДНК в процессе старения, что в последующем было подтверждено в опытах на стареющих млекопитающих. Удаление гонад предотвращает нерест и гибель тихоокеанского лосося нерки: рыбы живут в 2-3 раза дольше и умирают при явлениях постепенного старения.

Самки камбал растут в течение большей части своей жизни, самцы же растут до половой зрелости и быстро погибают. Мы изучали биохимические закономерности старения самцов и самок камбал.

Птицы. Изучались механизмы роста и биохимические показатели развития и старения у инбредных линий кур и гибридов. Гибридные куры отличались от инбредных большей массой тела и отдельных органов, а также концентрацией нуклеиновых кислот. Об интенсивности процессов биосинтеза белка у кур судили по соотношению ДНК и РНК. Этот показатель у инбредных кур с возрастом уменьшается, что указывает на спад активности метаболических процессов. У гибридных кур он длительно сохраняется на более высоком уровне.

Млекопитающие и человек. При исследовании морфологических, физиологических и биохимических закономерностей развития и старения выявлена большая роль запрограммированной гибели клеток. С возрастом закономерно изменяются процессы трансляции и транскрипции. Установлено, что в долголетии лиц, проживающих на Горном Алтае, определенную роль играет гетерозис.

Заключение. У отдельных видов млекопитающих максимальная продолжительность жизни различается в 50 раз, среди приматов - 10-12 раз. Как мы полагаем, различные виды млекопитающих стареют качественно одинаковым образом, но с неодинаковой скоростью.

За последние 3 млн. лет эволюции гоминид их потенциальная максимальная продолжительность жизни (ПМПЖ) увеличилась в 2 раза. Самая большая скорость увеличение ПМПЖ - 14 лет за 100 000 - наблюдалась около 200 000-100 000 лет тому назад, когда появился Homo europens. Если считать, что основной причиной увеличения ПМПЖ являются мутации структурных генов в результате нуклеотидных замен, то существующей скорости мутаций (10-2 - 10-7 аминокислотных замен на 1 ген за 104 поколений) недостаточно, чтобы объяснить огромную скорость увеличения ПМПЖ в этот период. Такая скорость мутаций может обеспечить изменение за этот период всего от 40 до 250 из 40 000-100 000 генов в геноме человека. Точно также мутациями структурных генов невозможно объяснить чрезвычайно быстрое увеличение размеров мозга и развитие интеллекта у гоминид.

Высокие темпы морфологической эволюции у амфибий, птиц, млекопитающих и человека не коррелируют с относительно низкими скоростями мутаций структурных генов. Мы полагаем, что основную роль в эволюционном развитии млекопитающих и других высших организмов играют мутационные перестройки регуляторных генов. Механизмами регуляторных мутаций являются внутри и межхромосомные перестройки, которые изменяют регуляторные последовательности нуклеотидов и осуществляют перемещение целых групп цистронов из одной хромосомы в другую. Регуляторные мутации обеспечили высокую скорость эволюции человека и замедлили в 2 раза скорость его старения.

Изучение эволюцинного возникновения генетических механизмом старения - одна из главных проблем эволюционной геронтологии. От ее решения зависит не только возможность познать природу старения, но и найти методы увеличения видовой продолжительности жизни.

Вас категорически не устраивает перспектива безвозвратно исчезнуть из этого мира? Вы желаете прожить ещё одну жизнь? Начать всё заново? Исправить ошибки этой жизни? Осуществить несбывшиеся мечты? Перейдите по ссылке: «главная страница».