ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ СТАРЕНИЯ

Выдающемуся генетику XX в. Феодосию Добржанскому принадлежит известное выраже- ние: «Биология приобретает смысл только в свете эволюции» [21]. С целью осмысления одного из наиболее сложных биологических явлений — ста- рения — мы в очередной раз возвращаемся к рас- смотрению его эволюционных истоков.

Классические представления об эволюционной роли старения

Согласно классическому определению, старе- ние — это возрастзависимое снижение способно- сти индивидуума к размножению и выживанию. На каком этапе эволюции жизни оно возникло и каковы его механизмы — вопрос дискуссионный. Эволюционные взгляды геронтологов зависят от исходной точки зрения конкретного исследовате- ля на природу старения. Рассмотрим несколько основных точек зрения.

Старение, с эволюционной точки зрения, неадаптивно и является следствием накопле- ния повреждений и случайных мутаций с от- сроченными вредными побочными эффектами. Данный взгляд получил свое развитие в эволю- ционных теориях накопления мутаций, антагони- стической плейотропии и отработанной сомы

Неадаптивность старения обосновали зооло- ги, которые выдвинули предположение о том, что в дикой природе особи не доживают до проявле- ния признаков старения, и это должно означать его независимость от давления естественного от- бора и отсутствие какой бы то ни было генетиче- ской программы старения [48, 49; Comfort, 1956]. Однако было бы недопустимым упрощением счи- тать старение полностью свободным от давления естественного отбора. Во-первых, индивидуальное старение является обычным явлением в естествен- ной среде обитания среди высших животных, на- пример у мухи Protopiophila litigata, среди птиц — у мухоловки-белошейки (Ficedula albicollis) и голубой кустарниковой сойки (Aphelocoma coeru- lescens), у змеи Thamnophis elegans [14, 15, 46, 62]. Вполне возможно, что высокая вероятность дожить до старости в дикой природе присуща и многим другим видам. Во-вторых, многие виды животных, испытывающие слабое давление хищ- ников (обладающие мощным панцирем, способ- ностью к полету, ведущие глубоководный образ жизни), имеют высокую репродуктивную продол- жительность жизни. В результате, у данных видов естественный отбор напрямую противостоит ста- рению. Как следствие, эти виды характеризуются «пренебрежимым» старением.

Начиная с Рональда Фишера [25], эволю- ционные биологи выдвигают в качестве главной причины возникновения старения снижение силы отбора с возрастом. Если вредные мутации, про- являющиеся в молодости, встречают жесткое со- противление отбора из-за отрицательного вклада в приспособленность (носители таких мутаций реже оставляют потомство), то аналогичные мутации, проявляющиеся поздно, относительно нейтраль- ны, поскольку их носители уже передали гены бу- дущему поколению. Питер Медавар, основываясь на данном предположении, предложил теорию «накопления мутаций» [48, 49]. Ее смысл заклю- чается в следующем: поскольку гены с вредными эффектами, проявляющимися на поздних стадиях онтогенеза, практически не встречают сопротивле- ния естественного отбора, то такие мутации нака- пливаются и обусловливают старение. Например, пациенты с трихотиодистрофией (частичной про- герией) живут около 5 лет и не успевают передать свои гены потомству, поэтому данное заболевание возникает заново за счет спонтанных мутаций. Возрастзависимые нейродегенеративные болезни (Альцгеймера и Паркинсона), диабет II типа, не- которые виды рака и атеросклероз, напротив, про- являются поздно, и носители обусловливающих их мутаций успевают оставить потомство до появле- ния симптомов, поэтому данные заболевания более распространены и ассоциированы со старением.

Джордж Вильямс предположил, что аллели, способствующие увеличению выживаемости или репродукции на ранних этапах жизненного цик- ла, но при этом снижающие их на поздних этапах, могут накапливаться в популяциях, поскольку се- лективные преимущества ранней пользы переве- шивают поздний ущерб [71]. Эта теория старения получила название «антагонистическая плейотро- пия». При антагонистической плейотропии старе- ние возникает как результат «компромисса» между ранней и поздней приспособленностью, и любое генетическое или эволюционное изменение, влияю- щее на старение, будет сопровождаться изменени- ем в той компоненте приспособленности, которая касается молодости. На основании этого теория Вильямса делает важное предсказание: отбор на увеличение продолжительности жизни ведет к снижению ранней плодовитости. Напротив, теория накопления мутаций предполагает, что старение вызывается, по крайней мере отчасти, аллелями, нейтральными в молодости, поэтому генетические или эволюционные изменения, затрагивающие старение, не должны сопровождаться изменения- ми в ранней приспособленности. Таким образом, главным различием этих теорий является то, что в теории накопления мутаций аллели с негативными эффектами, проявляющимися в старости, пассив- но накапливаются от одного поколения к другому, тогда как при антагонистической плейотропии эти аллели активно поддерживаются в популяции есте- ственным отбором.

Предложенная Томом Кирквудом теория «от- работанной сомы» (disposable soma) — особый случай антагонистической плейотропии [38]. В ней постулируется существование генов, которые кон- тролируют перераспределение энергетических ре- сурсов от поддержания функций тела к функции воспроизводства потомства. Согласно этой теории, репарация соматических повреждений, требую- щая затрат энергии, конкурирует за потребности в энергии с репродукцией. С эволюционной точки зрения, бесполезно расходовать слишком много энергии на поддержание жизнедеятельности, если в результате постоянного давления на популяцию неблагоприятных условий среды шансы прожить долго невелики. В такой ситуации более адекват- ным решением является быстрое размножение, чтобы успеть оставить потомство до своей гибели. Когда жизненные условия вида улучшаются (на- пример, осуществляется выход в новую экологи- ческую нишу, заселение новых местообитаний) и, соответственно, возрастает шанс более длитель- ного существования, полезно будет переключить баланс в пользу поддержания жизнеспособности, поскольку в таком случае репродуктивная жизнь увеличится. Рассмотрим идею «отработанной сомы» на примере. Популяция полевой мыши, обладающая достаточной способностью противо- стоять стрессам, чтобы прожить 10 лет, неверно распределит имеющиеся соматические ресурсы, так как лисы и совы съедят большинство полевых мышей за пару месяцев. Ей ничего не остается, как направить все усилия на ускоренное размножение и оставить многочисленное потомство. Популяции другого мелкого грызуна, голого землекопа, живут в подземных укрытиях, защищающих от хищни- ков. Как следствие, землекопы «инвестируют» ресурсы в долгую репродуктивную продолжитель- ность жизни и доживают до 30 лет.

Старение адаптивно и обусловлено особой генетической программой, сформировавшейся под действием селективных механизмов надин- дивидуального характера, таких как родствен- ный отбор.

Теория «запрограммированного старения» стала исторически первой эволюционной теори- ей старения. Ее сформулировал немецкий биолог XIX в. Август Вейсман [69]. Основная идея его теории в том, что старение — продукт реализа- ции генетической программы онтогенеза. Цель та- кой программированной гибели — освобождение жизненного пространства и ресурсов для молодых поколений. Вейсман предложил ее биологический механизм — ограничение числа делений сомати- ческих клеток, в отличие от неограниченно проли- ферирующих герминативных клеток. Межвидовые различия в продолжительности жизни животных он объяснял числом клеточных генераций.

Идея Вейсмана получила развитие в концепции феноптоза, выдвинутой акад. В. П. Скулачёвым [7, 44]. Она предполагает специальную программу суицида целого организма. Основным механизмом феноптоза постулируется апоптоз (программируе- мая гибель клетки), запускаемый, в свою очередь, митоптозом — самоликвидацией митохондрий. Эволюционным механизмом такого суицида может быть родственный отбор (когда организмы ста- реют и затем гибнут для пользы родственников) либо групповой (гибель для пользы организмов, не связанных родственными узами). Теоретически, старение может обусловливать стабилизацию по- пуляции при перенаселении, ускорение смены по- колений и, следовательно, лучшую адаптацию к меняющимся условиям среды. Аргументы в пользу данной теории — это существование нескольких быстро стареющих видов (тихоокеанский лосось, бамбук) и наличие программы апоптоза у однокле- точных (дрожжей).

Вывод о том, что старение является ре- зультатом работы определенной программы, А. И. Потапенко и А. П. Акифьев [6] делают, основываясь на отличии статистического распре- деления продолжительности жизни от симметрич- ного нормального распределения. Как говорит нам статистика, симметричная «колоколообразная» кривая распределения обусловлена действием бес- конечного числа случайных разнонаправленных причин, «уравновешивающих» вероятности воз- никновения минимальных и максимальных зна- чений признака. Однако кривая распределения продолжительности жизни имеет ярко выражен- ную правую асимметрию. На наш взгляд, отли- чие распределения продолжительности жизни от нормального свидетельствует не столько о про- грамме старения, сколько о «буферной емкости» защитных механизмов, отсрочивающих и компен- сирующих накопление случайных ошибок и угне- тение функциональных возможностей организма. Следует говорить не о возрасте запуска генетиче- ской программы старения, а о предшествующей ро- сту смертности латентной фазе старения, которое уже идет, но еще слабо проявляется. Именно этот переломный этап жизни должен привлекать при- стальное внимание исследователей для разработки методов выявления и профилактики старения.

Согласно Л. А. и Н. С. Гавриловым [28], сфор- мировавшаяся в естественных условиях и закре- пившаяся в эволюции программа старения, в случае своего существования, должна четко воспроизво- диться и в лабораторных условиях. Однако зача- стую в условиях неволи животные способны про- жить в несколько раз дольше, чем это свойственно их природным собратьям. Противоречит представ- лениям о программе самоуничтожения и тот факт, что в предельно старом возрасте уровень смертно- сти даже ниже, чем в предшествующих возрастах. С другой стороны, не исключено, что активизация «программы старения» будет осуществляться лишь в присутствии триггера, например дистресса, и поэтому результат такой программы в идеальных лабораторных условиях не воспроизводим.

Геронтологи, в большинстве своем, не соглас- ны с представлениями о запрограммированности старения. Напротив, идентификация десятков мутаций, продлевающих жизнь и увеличивающих стрессоустойчивость модельных животных, при- вела к возникновению теории «программы долго- жительства» [32, 41, 44, 52, 55]. Согласно этой теории, имеет место запрограммированный ответ на стресс-факторы, обеспечивающий выживае- мость в критических условиях. В отличие от ва- риантов, рассматриваемых теориями накопления мутаций и отработанной сомы, в основе которых лежит постоянное давление неблагоприятных условий среды (хищников, болезней), программа долгожительства могла возникнуть в эволюции для переживания кратковременных экстремальных внешних воздействий (перегрев, переохлаждение, недостаток пищи). Дело в том, что выживаемость потомства в условиях таких кратковременных не- благоприятных изменений среды будет минималь- на; более оправдано перераспределить ресурсы на пережидание, чтобы после приступить к раз- множению. В условиях стресса «программа дол- гожительства» позволяет организму превысить нормальную продолжительность его жизни путем вступления в «режим поддержания». Данный ре- жим связан с такими изменениями, как экономия ресурсов за счет подавления биосинтеза структур- ных белков и выключения генов «домашнего хозяй- ства», приостановка роста и размножения клеток. Кроме того, откладывается вступление организма в цикл размножения и повышается стрессоустой- чивость (активируются антиоксидантные системы, индуцируются белки теплового шока, ферменты репарации ДНК, автофагии). Меры экономии и повышения устойчивости к внешним стрессам по- могают лучше справляться со спонтанными по- вреждениями, что замедляет старение организма в целом. Искусственно вызванные мутации ряда генов долгожительства влияют на реализацию этой программы таким образом, что особи переходят в режим поддержания уже независимо от внешнес- редовых условий.

Старение в каждой эволюционной группе живых существ имеет собственные механизмы, обусловленные планом строения группы. Согласно А. Г. Бойко [2], старение неодно- кратно и независимо возникало в эволюции. Основываясь на данных литературы, он выделяет четыре эволюционных «эшелона старения» много- клеточных животных. Переход от «потенциально бессмертных» модульных организмов (например, губок, поли- пов, мшанок, внутрипорошицевых и асцидий) к смертным унитарным (например, поли- и олигохетам, хордовым и членистоногим). Отличие модульных организмов от унитарных состоит в том, что первые скомпонованы из повторяющих- ся и взаимозаменяемых сходных модулей, кото- рым присуща иерархичность организации — есть подчиненные модули-доноры и доминирующие модули-акцепторы. Согласно А. В. Макрушину [4], старческая инволюция возникла у первых уни- тарных многоклеточных как результат сохранив- шихся донорно-акцепторных взаимодействий, но уже не между размножающимися и вегетативными модулями колонии, а внутри единого организма. У модульных предков в процессе бесполого размно- жения происходит отток питательных веществ от модулей-доноров к модулям-акцепторам, что со- провождается старческой инволюцией доноров.

Полная потеря стволовых клеток у взрослых стадий жизненного цикла коловраток, насекомых и нематод привела к исчезновению регенерационных способностей и появлению ускоренного старения в данных группах живых существ. Механизмы, обеспечивающие ограничение роста тела у наземных позвоночных, послужили еще одним механизмом их старения. В основе старения млекопитающих — постмитотичность их мозга как результат преобра- зования на ранних стадиях онтогенеза радиальной нейроглии в астроциты. А. Г. Бойко [2] рассматри- вает старение млекопитающих как генетическую болезнь, преодоление которой возможно путем восстановления радиальной глии. В качестве аргу- мента он приводит пример сохранения радиальной глии и обновления мозга у птиц, которые стареют медленнее, чем многие млекопитающие. Однако идея о ключевой роли постмитотичного мозга в старении млекопитающих вступает в конфликт с фактом существования видов-долгожителей среди китообразных, рукокрылых, грызунов (практиче- ски не стареющего голого слепыша) и не объясняет значительные различия в скорости старения рыб, сохраняющих радиальную глию. Кстати говоря, к рыбам относится наиболее быстро стареющее позвоночное — нотобранх (живет три месяца). Наконец, специалисты по стволовым клеткам ста- вят под сомнение саму мысль об отсутствии реге- неративных возможностей мозга млекопитающих.

Существуют общие для всех живых су- ществ («публичные») и видоспецифичные («приватные») механизмы старения. Данная точка зрения приобретает все больше сторонни- ков. Общим механизмом, косвенно влияющим на старение, является антагонизм между ростом и репродукцией, с одной стороны, и стрессоустойчиво- стью — с другой. Как следствие, мутации генов, продукты которых контролируют рост клетки (гор- мон IGF-1, киназы PI3K и TOR), продлевают жизнь эволюционно далеких друг от друга групп животных (от нематод до млекопитающих). С дру- гой стороны, «приватным» является старение за счет накопления экстрахромосомной рибосомаль- ной кольцевой ДНК у дрожжей Saccharomyces cerevisiae и экстрахромосомной митохондриаль- ной кольцевой ДНК у нитчатого гриба Podospora anserine [47].

Общая теория эволюции форм старения

На наш взгляд, имеющихся идей и фактов в современной геронтологии вполне достаточно для того, чтобы попытаться выстроить непротиворечи- вую эволюционную теорию старения. Первое, что следует взять за основу, — это многоуровневость и комплексность явления старения, затем — эше- лонированность этапов его появления в эволюции. Складывается впечатление, что с появлением каж- дого нового уровня усложнения жизни появляется соответствующий ему тип старения. Таким обра- зом, при моделировании процесса эволюции старе- ния следует вспомнить о самоподобной (фракталь- ной) природе явления жизни в целом. Несмотря на то, что о фракталоподобной природе явления жизни написано немало, фрактальная природа ста- рения (явления, порожденного жизнью и ограни- чивающего ее) никем прежде не выдвигалась.

Фрактал — понятие математическое. Его впер- вые ввел в науку Бенуа Мандельброт [45] для обо- значения нерегулярных самоподобных множеств. Фрактал часто изображают в виде бесконечно самоподобной геометрической фигуры, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба (рисунок). Фрактальная геометрия — один из разделов теории хаоса. Следует сразу оговориться, что настоящих фракталов в природе нет, — бесконечно подобные уровни старения не- возможны («атомы не стареют»), но фрактальный принцип может помочь при моделировании про- цесса старения, что будет видно из последующего изложения.

Вполне вероятно, что старение имеет ряд фрак- тальных свойств. Одна из характерных черт фрак- тала — самоподобие (части и целое подобны друг другу). Старение самоподобно проявляется на всех уровнях организации жизни — макромолекул, клеток, тканей, организмов. Имеет место молеку- лярное старение, которое обусловливает старение и убыль клеток, что, в свою очередь, лежит в основе возрастных изменений в тканях, определяя систем- ное старение организма. По подобию, с некоторым допущением можно говорить о старении видов и экосистем. Проф. А. П. Акифьев подметил совпа- дение (в безразмерных величинах) кривых выжива- емости дрозофил, мышей и человека [1], что может говорить об эволюционном самоподобии старения у разных групп живых существ. Действительно, межвидовое сравнение генов, меняющих свою экс- прессию у долгоживущих инсулиновых мутантов нематод, дрозофил и мышей, показало: несмотря на то, что конкретные «эффекторные» гены долго- жительства не гомологичны (видоспецифичны), их функциональные классы (гены детоксификации и репарации, белки теплового шока) подобны в эво- люции [47]. Фрактальное подобие лежит в осно- ве выявленного акад. В. П. Скулачёвым сходства запрограммированной гибели клетки дрожжей и особи тихоокеанского лосося. Очевидно подобие частичных прогерий и старения: прогерии напо- минают ускоренное старение, но комплекс сим- птомов, их выраженность и последовательность возникновения могут не совпадать с естественным старением.

Исходя из принципа самоподобия, фракталь- ность процесса старения может иметь такие «прак- тические» следствия, как иерархическую соподчи- ненность его уровней и то, что в основе сложных процессов старения могут лежать простые правила. И то, и другое может помочь при математическом моделировании старения в будущем. Еще одно следствие самоподобия: если мы сумеем математи- чески смоделировать старение для одного уровня, данную модель можно будет экстраполировать для прогнозирования старения на всех остальных уров- нях организации жизни.

Вторая характеристика фрактала — сочетание стохастических и регулярных черт. Фрактальный принцип старения со всей очевидностью проявля- ется в сочетании случайных и закономерных при- чин. Не вызывает сомнения, что имеют место ин- дивидуальные, межвидовые и межфилетические различия скоростей старения, что характеризует его стохастическую сторону. В то же время, мно- гие старческие изменения, характерные для кон- кретного вида живых существ, воспроизводятся в определенной последовательности от особи к особи, то есть являются регулярными. Еще один пример, соответствующий молекулярному уровню: оксидативные повреждения макромолекул стоха- стичны, но их сегрегация между двумя делящимися дочерними клетками и компенсаторный стресс- ответ — активный запрограммированный процесс, как и программированная гибель клетки при пост- митотическом старении.

Таким образом, старение представляет со- бой возрастзависимый фрактальный рост количе- ства отклонений от гомеостаза на молекулярном, субклеточном, клеточно-тканевом и системном уровнях. Перечисленные уровни старения самопо- добны, имеют случайные и закономерные состав- ляющие. Кроме того, самоподобные уровни, в силу дробной размерности фрактала, взаимопроникают друг в друга и являются взаимообусловленными. Например, спонтанные оксидативные поврежде- ния наиболее чувствительных (GC-богатых) про- моторных областей ряда генов (молекулярный и субклеточный уровень) приводят к снижению экс- прессии этих генов, что на клеточном и системном (нейроэндокринном) уровнях вызывает запуск положительных и отрицательных обратных свя- зей, вновь изменяющих экспрессию генов. Другой пример взаимообусловленности: окислительные повреждения митохондриальной ДНК (молеку- лярный и субклеточный уровни) нарушают энер- гетику клетки (клеточно-тканевый и системный уровни), что способствует еще большему наруше- нию функции самих митохондрий (субклеточный уровень). Накопление окисленных белков, по- врежденных органелл, эндотоксинов ингибирует системы протеолиза, автофагии и детоксикации, что способствует еще большему накоплению «му- сора». Тканеспецифическая возрастзависимая дисрегуляция генов апоптоза увеличивает чувствительность к сигналам гибели у одних клеток, но снижает у других: оба варианта нарушения го- меостаза способствуют возникновению возрастза- висимых патологий (дегенеративных изменений в постмитотических тканях, онкогенеза и аутоим- мунных заболеваний). Наконец, репликативное, стресс-индуцированное и постмитотическое старе- ние клеток нарушает работу нейроэндокринной и иммунной систем, что способствует еще большему накоплению количества стареющих клеток в раз- ных тканях.

Введение представления о фрактальности ста- рения (наличие самоподобных уровней) нам пред- ставляется важным, поскольку в современной ге- ронтологии нередко можно услышать мнение об исключительной роли какого-либо одного уровня старения в отрыве от другого — например, нередко противопоставление системного (нейроэндокрин- ного) и молекулярного (например, свободноради- кального) уровней. При этом целостная картина старения ускользает от взгляда исследователя.

Как мы видим, выявление самоподобных фрактальных уровней старения у сложноорганизо- ванных многоклеточных организмов не вызывает труда, но свидетельствуют ли это о постепенном наслоении уровней старения в эволюции?

В геронтологии распространено мнение, со- гласно которому первые организмы, возникшие на Земле, не старели, то есть старение возникло на определенном этапе эволюции жизни. На каком этапе это произошло — мнения исследователей расходятся. Однако если основываться на фрак- тальном принципе, становится очевидным, что старение имело место уже у первых организмов. Молекулярный уровень старения мог появиться еще на доклеточной стадии существования пред- жизни (прогеноты). Разрывы цепей, образование апуринновых/апиримидиновых сайтов ДНК и дезаминирование нуклеиновых кислот, денатура- ция ферментов, образование перекрестных сшивок имели место уже на заре жизни. Для противостоя- ния молекулярному старению, по-видимому, уже на этом эволюционном этапе появились молеку- лярные шапероны и репаративные белки. Таким образом, наравне с механизмами старения возник- ли противодействующие им системы антистарения. Непосредственно подтвердить это невозможно. Однако уже у одноклеточных с самым простым геномом — архебактерий — мы можем наблю- дать наличие защитных белков, противостоящих износу: шаперонов [26, 66], супероксиддисмутаз [37, 60], каталаз-пероксидаз [40] и ферментов репарации ДНК [12].

Тем не менее, большинство исследователей придерживается точки зрения, согласно которой старение появилось при переходе от прокариотов к эукариотам, от симметричного деления родитель- ской клетки, свойственного, например, кишечной палочке, к асимметричному делению, наблюдаемо- му, скажем, у клеток пекарских дрожжей [54]. Под симметричным делением клетки здесь понимается деление на две равноценные клетки, при асимме- тричном делении четко выделяются материнская и дочерняя клетки. Несмотря на то, что старение при голодании бактериальных культур выявлено давно [63], индивидуальное старение до недавнего вре- мени было отмечено лишь у эукариотов. Почему, как считалось, бактерии не должны стареть? При образовании двух идентичных организмов нако- пленные клеткой за жизнь поврежденные структу- ры, как предполагают, «растворяются» среди вновь синтезируемых компонентов [58]. Однако очевид- но, что данный вариант стратегии «омоложения» популяции требует наличия чрезвычайно мощной системы репарации и обновления структур, в про- тивном случае из поколения в поколение повреж- дения будут аккумулироваться и популяция погиб- нет. Однако репарационные и детоксикационные механизмы защиты не совершенны. Кроме того, такое «омоложение» чревато огромными энергети- ческими и пластическими затратами в ущерб более важному процессу — размножению.

Очевидно, что организмы должны были вы- работать более эффективный способ «очищения» от повреждений, предшествующий репродукции и ограждающий молодое поколение от преждевре- менного старения. Том Кирквуд предположил, что при бинарном делении клетки может иметь место сегрегация (распределение) повреждений, при- водящая к селективному преимуществу одних по- томков над другими [39]. Совсем недавно данное явление было открыто у бактерий, как у асимме- трично делящихся (Caulobacter crescentus) [8], так и у делящихся «симметрично» (Escherichia coli) [20, 53, 64]. Что собой представляет старение бактериальной клетки? Каждая делящаяся клетка имеет «старый» полюс и «новый», синтезирован- ный заново [61]. Почти все «старые» структуры делящейся материнской клетки отходят к одному из потомков, тогда как дочерняя клетка синтезиру- ет новые структуры, что «обнуляет» ее биологиче- ские часы [9, 10]. Наблюдение в микроскоп пока- зало, что клетка кишечной палочки, наследующая «старые» структуры (прежде всего, «окисленные» белки), через несколько циклов деления теряет нормальные темпы роста и размножения, увеличи- вается вероятность гибели потомков такой клетки. Данную клетку можно рассматривать как старею- щую материнскую клетку, дающую молодое по- томство. Возникает репродуктивная асимметрия, приводящая к появлению стареющего индивидуу- ма и «омолаживающейся» за его счет дочерней клетки. Как следствие, популяция кишечной па- лочки состоит из двух дискретных субпопуляций:

«репродуктивной», несущую мало повреждений, и насыщенной повреждениями, не способной об- разовывать культуру [22; Desnues et al., 2003; Stewart et al., 2005].

Назовем данный вид старения клетки сегре- гационным (от латинского слова, означающего «разделение»). Каков его механизм? Во-первых, асимметричное распределение молекул между клетками, по-видимому, осуществляет цитоскелет, недавно обнаруженный и у бактерий. Второй ме- ханизм — поврежденные структуры агрегируют в один кластер, который передается лишь одному из потомков [59].

Таким образом, неравномерное распределение поврежденных структур (омоложение путем ре- продукции) с точки зрения эволюции оказалось более выгодным, чем колоссальные затраты на репарацию, гарантирующие неограниченное функ- ционирование. Сегрегационное старение, как не парадоксально, явилось способом «омоложения» популяции одноклеточных ценой старения некото- рых индивидуумов.

Не удивительно, что столь эффективный механизм был выявлен и у эукариотов [59]. Материнские клетки делящихся дрожжей Schizo- saccharomyces pombe, несмотря на морфологи- ческую симметричность деления, сегрегируют поврежденные (карбонилированные) белки и под- вергаются старению, увеличиваясь в размерах че- рез несколько циклов деления [13, 51].

Накопленные клеткой почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae карбонилированные бел- ки не наследуются дочерней клеткой при цитоки- незе. В дочерние клетки не переходят также экс- трахромосомные рибосомальные кольцевые ДНК, являющиеся одной из причин репликативного ста- рения дрожжей [11]. Материнские клетки, отпоч- ковавшие за свою жизнь более 10 дочерних клеток, несут примерно в 4 раза больше карбонилирован- ных белков, чем их дочерние клетки. Основная часть карбонилированных белков «складируется» в цитоплазме клетки, а небольшое их количество располагается в митохондриях. Асимметричное распределение поврежденных структур зависит от активности гена деацетилазы sir2 [11]. В удержа- нии оксидативно поврежденных белков у дрожжей также принимает участие белок теплового шока Hsp104p (фактор агрегации белков) совместно с актиновым цитоскелетом [24].

Материнская клетка не только удерживает по- вреждения, но и отдает дочерней часть своей защи- ты. В дочерней клетке почкующихся дрожжей про- исходит резкое снижение уровня активных форм кислорода (АФК) непосредственно по заверше- нию цитокинеза. Данный факт является результа- том Sir2- и актинзависимой сегрегации цитозоль- ной каталазы Ctt1p в дочернюю клетку [23]. Таким образом, Sir2 активно «омолаживает» потомство как путем предотвращения наследования дочерни- ми клетками окисленных макромолекул стареющей клетки-предшественницы, так и путем снижения уровня АФК в самой дочерней клетке.

Сегрегационное старение играет еще одну важ- ную роль в выживании популяции одноклеточных. Образование белковых агрегатов в стареющих клетках дрожжей приводит к активации Ras2- и АФК-зависимого апоптоза, альтруистической гибели. Таким образом, клетка, подвергшаяся се- грегационному старению, самоликвидируется, а останки ее могут утилизироваться соседними клет- ками колонии. Экспериментально доказано, что искусственное удаление «старой» гибнущей зоны колонии дрожжей снижает темпы роста «молодой» периферии [30, 67]. Было бы неверно утверждать, что апоптоз возник в эволюции лишь как заверша- ющий этап сегрегационного старения, поскольку у тех же дрожжей в апоптозе важную роль также играют внешние индуцирующие факторы — уль- трафиолет, осмотический шок, феромоны, этанол, вирусы. Роль апоптоза в регуляции численности и качественного состава популяции одноклеточных более универсальна и заключается в удалении из- быточных (при ограниченных пищевых ресурсах) или поврежденных клеток. Это пример другого вида клеточного старения — кондиционного, ког- да в неблагоприятных условиях часть популяции одноклеточных «жертвует» собой ради выживания остальных. Очевидное отличие сегрегационного и кондиционного типов старения заключается в том, что в первом случае поврежденные структуры на- следуются от клеток-предшественниц, а во втором возникают в большом количестве de novo.

Многоклеточным эукариотам сегрегационное старение также не чуждо. Поврежденные (кар- бонилированные) белки асимметрично распреде- ляются при делении бластоцист млекопитающих [33]. У высших эукариот скопления неправильно упакованных или поврежденных белков активно транспортируются (динеинзависимым образом) в агресомы вблизи центра организации микротру- бочек (вокруг одной из центриолей). Благодаря центросоме агрегированные белки при митозе асимметрично распределяются в одну из дочер- них клеток, тогда как другой клетке поврежденные молекулы не передаются. Как у дрозофилы, так и у человека наследование белковых агрегатов при митозе происходит со строгой полярностью. Что касается стволовой клетки, процесс оборачивает- ся вспять: агрегаты отсутствуют в долгоживущих стволовых клетках крипт кишечника, но имеются в короткоживущих и более дифференцированных дочерних клетках [59]. Возможно, что сегрегаци- онный механизм увеличивает жизнеспособность органов многоклеточных животных путем «скла- дирования» повреждений в отдельных клетках, на- целенных к апоптозу. Кроме того, сегрегация при- водит к «омоложению» стволовых клеток.

Однако сегрегационный контроль у эука- риотов не идеален. У почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae дочерняя клетка, произо- шедшая от «молодой» материнской клетки, имеет большую репродуктивную продолжительность жизни, чем дочерняя клетка, возникшая из старой материнской [35]. Еще один пример выявлен при изучении инфузорий. Образовавшаяся в резуль- тате полового процесса (конъюгации) новая особь инфузории воспроизводится далее бесполым пу- тем — делением. Однако даже в максимально благоприятных условиях культуры темп делений постепенно снижается: спустя 200 генераций — у Paramecium tetraurelia, 300 генераций — у Paramecium biaurelia и 350 — у Paramecium primaurelia [70]. В конечном итоге, клональные потомки перестают делиться и гибнут. Однако при половом процессе (конъюгации) двух потомков «часы старения» вновь обнуляются, и потомство получает возможность снова пройти несколько сот генераций [17]. Таким образом, в дополнение к сегрегационно- му клеточному старению, унаследованному еще от прокариотов и проявляющемуся лишь у небольшой части популяции, эукариоты приобрели новый тип старения — клональный. Очевидно, что оба типа «старения» находятся между собой в антагонизме: сегрегация повреждений должна защищать основ- ную часть вегетативно размножающейся популяции от старения ценой гибели небольшой части клеток. По какой-то причине у клонов эукариотических клеток через определенное количество генераций сегрегация перестает защищать популяцию от то- тального постарения, в результате чего приходится прибегать к половому процессу. С чем связано кло- нальное старение? Разумно предположить наличие в клетке репликативного таймера.

Согласно теломерной гипотезе А. М. Оловни- кова [5], таким «таймером» могут служить укорачи- вающиеся с каждым клеточным делением линейные концы эукариотических хромосом — теломеры. У прокариотов подобной проблемы нет, поскольку их хромосома имеет форму кольца. Однако, благода- ря Э. Блекберн [31], мы знаем, что одноклеточные эукариоты, в том числе упоминавшиеся дрожжи и инфузории, имеют особый фермент — теломеразу, достраивающую концы хромосом после каждого де- ления. Поэтому теломерная гипотеза неприменима для объяснения клонального старения, появивше- гося еще у одноклеточных эукариотов. Она позво- ляет объяснить лишь частный случай клонального старения — репликативное старение у приматов (включая человека), которые, как известно, имеют короткие теломерные последовательности и инак- тивированную теломеразу в соматических клетках. У этих относительно долгоживущих животных, согласно распространенной точке зрения, реплика- тивное старение является механизмом, возникшим для подавления опухолеобразования [16, 36].

Быть может, все дело в «возрастзависимом» нарушении самой сегрегации поврежденных ма- кромолекул и их агрегатов? Если рассматривать пример почкующихся дрожжей, эффективность сегрегации окисленных белков и кольцевых рДНК не вызывает сомнений, то есть они остаются всегда в материнской клетке и не попадают в дочернюю. Чем еще отличаются эукариоты, что может служить основной причиной «клонального» старе- ния? Эукариотические клетки несут митохондрии. В процессе их функционирования возникают сво- бодные радикалы, которые, перемещаясь из мито- хондрий в цитоплазму и ядро, повреждают клеточ- ные структуры. Однако свободные радикалы еще в большей степени повреждают сами митохондрии, в том числе их кольцевые ДНК, которые лишены защиты гистоновых белков. Кроме того, митохон- дриальные системы репарации ДНК менее эффек- тивны, чем ядерные. Таким образом, количество поврежденных митохондрий, не способных к выполнению своих функций и относящихся к разря- ду токсичного клеточного «мусора», постепенно увеличивается с возрастом клетки. При делении клетки поврежденные митохондрии случайным образом распределяются между дочерней и ма- теринской клеткой, минуя механизм сегрегации. В результате, потомки более старых материнских клеток будут получать все большее количество де- фектных митохондрий и быстрее стареть.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы о причинах клонального старения эукариотов следует провести исследования его наличия или отсутствия у безмитохондриальных эукариотов, к которым относятся некоторые паразитирующие в бескис- лородных условиях кишечника жгутиконосцы и амебы, а также микроспоридии — внутриклеточ- ные паразиты рыб и членистоногих. У вегетативно размножающихся растений (рекордсменом являет- ся, пожалуй, креазотовый куст) имеют место неиз- вестные пока механизмы, позволяющие противо- стоять связанному с митохондриями клональному старению. Растения вообще более устойчивы к оксидативному стрессу, который у них вызывается не только в результате деятельности митохондрий, но и фотосинтезирующими структурами клетки — хлоропластами.

В определенном смысле, в новое поколение передается не вещество и не структуры, а онтоге- нетическая программа, «идея развития», что и соз- дает предпосылки для потенциального бессмертия популяции, несмотря на наличие старения индиви- дуумов. Все «старое и косное», попросту, остается родителю. Поэтому поддержание целостности но- сителя самой «программы» — молекулы ДНК — имеет критическое значение. В мейозе все внимание должно быть уделено целостности ДНК, на кото- рую работают мощные репарационные системы. Но стареют даже половые клетки, — в их хромосо- мах происходят аберрации [68], поэтому эволюция предусмотрела дополнительные эшелоны защиты. Для борьбы с клональным старением задейство- вано два способа «омоложения» — мейотическое деление и селекция половых клеток и зигот. Мейоз помогает поддерживать иммортальность половых клеток, способствуя репарации ДНК, элиминации или инверсии мутаций ДНК через рекомбинацию и мейотическую гаплоидизацию, удалению повреж- денных РНК и белков и элиминации дефектных мейоцитов [34, 50].

Не менее важную роль играет селекция ста- бильных, жизнеспособных геномов на разных ста- диях репродуктивного цикла [50]. Таким этапом является селекция половых продуктов и, прежде всего, женских половых клеток, поскольку они являются тем звеном, которое передает митохон- дрии в следующее поколение. У самок многих видов животных более половины ооцитов погиба- ет в яичниках по механизму апоптоза еще на за- родышевой стадии развития организма или непо- средственно после рождения [18, 56]. Существует два механизма, обусловливающих апоптоз ооци- тов: геномная нестабильность, связанная с двух- цепочечными разрывами, и митохондриальные нарушения — делеции митохондриальной ДНК и изменения ультраструктуры митохондрий, со- провождаемые высвобождением цитохрома С. Таким образом, целостность митохондрий, наравне со стабильностью генома (целостностью ДНК), играет определяющую роль в апоптозе ооцитов [29, 57]. Подтверждает определяющую роль ми- тохондрий в селекции ооцитов тот факт, что инъ- екция небольшого количества митохондрий в ооцит мыши предотвращает его апоптоз [56]. Возникшие в результате слияния мужской и женской половых клеток зиготы также проходят через этап селек- ции, — дисфункция митохондрий зигот ведет к их апоптозу [42, 43, 65].

Является ли клональное старение причиной или следствием появления полового размноже- ния? Если верно предположение, что клональное старение явилось прямым итогом появления мито- хондрий, то половой процесс мог возникнуть как эффективное средство противостояния старению клона клеток эукариотов.

Некоторые авторы [19] полагают, что половые клетки ранних многоклеточных наследовали им- мортальность от одноклеточного предка, тогда как соматические клетки приобрели «смертность» в ка- честве новой функции. По крайней мере, представ- ляется вероятным, что с появлением специализиро- ванных клеток, ответственных за первостепенную функцию — размножение, необходимость в бес- конечном делении всех клеток отпала. Аналогично, у многих видов животных, обитающих в темноте пещер, пропадает окраска и зрение. В результа- те, такое важное эволюционное приобретение, как дифференциация клеток, послужило основой воз- никновения еще одной формы старения организма. Развитие данной тенденции в эволюции привело к возникновению у многоклеточных живых су- ществ в ряде тканей высокодифференцированных неделящихся клеток и новой формы старения — постмитотической. Постмитотическое старение у многоклеточных растений — это активный дегенеративный процесс, который наблюдается в листьях и тычинках. Прекратившие деление клетки под- вергаются программированной гибели, регулируе- мой эндогенными факторами и внешнесредовыми причинами [27]. У млекопитающих постмитотиче- ское старение и гибель клеток наблюдается в нерв- ной, мышечной системе и в ретине.

Вместе со сложными многоклеточными орга- низмами возникли мощные системы интеграции — нервная, эндокринная и иммунная, а одновременно с ними — системный уровень старения. Старение представляет собой результат взаимодействия функциональных систем организма и среды, регу- лируемый стрессом, метаболическими факторами и репродукцией. Предполагаемая точка интеграции этих регуляторных влияний среды — нейросе- креторная система, у млекопитающих — прежде всего гипоталамо-гипофизарная ее составляющая. Согласно элевационной теории В. М. Дильмана [3], старение рассматривается как следствие воз- растзависимого повышения порога чувствительно- сти центральной нервной системы к регуляторным гомеостатическим сигналам.

Таким образом, одновременно с эволюционным усложнением форм жизни самоподобным образом

возникали все новые формы старения и противосто- ящие им системы антистарения (таблица). Вслед за молекулярным старением, возникшим вместе с самой жизнью, у первых клеток появилось сегрега- ционное старение, поскольку репарационные и де- токсикационные механизмы несовершенны и более выгодно оставить поврежденные молекулы лишь одной из клеток, возникающих в результате деле- ния. У асимметрично делящихся видов бактерий и одноклеточных эукариотов сегрегационное старе- ние приобретает все более сложную форму. У мно- гоклеточных сегрегация служит одним из способов «омоложения» стволовых клеток. Таким образом, сегрегационное старение явилось эволюционно адаптивным приобретением. Наравне с данным ти- пом старения, у одноклеточных возник кондицион- ный феноптоз (апоптоз), защищающий популяцию от не справляющихся с повреждением или «избы- точных» индивидуумов. Вместе с приобретением митохондрий одноклеточные эукариоты получили клональное старение (как результат отсутствия сегрегации поврежденных митохондрий). В каче- стве механизма, нацеленного на противодействие клональному старению, возник половой процесс. В то же время, появление полового процесса вывело старение на новый виток, так как разделение герминативной и соматической линий обусловило процесс «омоложения» половых клеток за счет и в ущерб соматическим. Соматические клетки, обе- спечив передачу герминативной линии потомству, переходят в разряд отработанных, накапливая эпи- генетические нарушения и поврежденные макро- молекулы и, в итоге, отмирая. Возможно также, что появление истинной многоклеточности привело к необходимости выработки противоопухолевых механизмов, противостоящих бесконтрольному размножению клеток, что дало теломерозависи- мую разновидность клонального старения. Кроме того, как результат соматической дифференциации у многоклеточных появились слабо пролиферирую- щие и постмитотические клетки, и ряд тканей пол- ностью утратил способность к омоложению за счет разбавления «старых» макромолекул «новыми» или их сегрегации. С появлением нейроэндокрин- ной интеграции функций добавился системный уровень старения — рассогласование межклеточ- ных взаимодействий, возможно провоцируемое герминативной тканью.