Текст книги "Биохимия старения"
Автор книги: Роберт Сапольски
сообщить о нарушении
Текущая страница: 16 (всего у книги 19 страниц)
С целью изучения процессов старения клеток и тканей производили пересадку тканей мышей одного возраста реципиенту (хозяину) другого возраста. Эти исследования выполнялись на инбредных и сингенных мышах, чтобы по возможности избежать несовместимости тканей. Крои [31, 32] серийно пересаживал кожу тела, уха и хвоста мышей-родителей молодым гибридам F1. Когда хозяин F1 старел, трансплантаты отделяли и пересаживали мышам F2. Такие последовательные переносы лоскутов кожи показали, что ее жизнеспособность и пролиферативный потенциал клеток сохраняются в течение 7–8 лет, что значительно превышает продолжительность жизни мыши. Однако после 5–6 пассажей трансплантат уменьшался в размере, с каждым последующим переносом пролиферация клеток снижалась и в конце концов ткань дегенерировала. Можно сделать вывод, что клетки сохраняют свою жизнеспособность в течение времени, превышающего продолжительность жизни хозяина, а ограничение пролиферативной активности зависит от условий внеклеточного окружения.
Влияние возраста донора на пересаженную ткань было изучено путем трансплантации кожи старой и молодой (возраст 680 и 74 дня) мыши 74-дневному животному [32]. Старая кожа отмирала у молодой мыши через 199–200 дней, но молодая ткань сохранялась дольше, до 300 дней. Хортон [29] пересаживал кожу старых (30–32 мес) мышей молодым (3–4 мес) реципиентам. Трансплантаты переживали более 4 лет, что значительно больше максимальной продолжительности жизни мышей. Следует отметить, что скорость деления клеток трансплантированной ткани была снижена. Это может быть одной из причин ее более длительного выживания.
Клетки кроветворной системы сохраняют высокую пролиферативную способность in vivo, и, по-видимому, это свойство не подвержено возрастным изменениям. Кроветворная ткань содержит стволовые клетки, или клетки-предшественники. Полагают, что каждая стволовая клетка делится, образуя одну стволовую клетку – потомка и дифференцированную клетку. Последняя начинает экспоненциально делиться с образованием клеток, которые имеют малую продолжительность жизни. Стволовые клетки имеют большую продолжительность жизни и сохраняют способность к пролиферации в течение всей жизни животного. Способность этих клеток пролиферировать была исследована посредством серийных пересадок молодым реципиентам, чья кроветворная система была разрушена массивным облучением всего тела (~800 рад). Когда реципиенты старели, трансплантированные кроветворные клетки переносили более молодым облученным реципиентам. Было показано, что защита от последствий облучения, создаваемая пересаженными клетками у реципиента, с каждой пересадкой ослаблялась [1,6]. Это может свидетельствовать об ограниченном пролиферативном потенциале стволовых клеток. В другом исследовании облученным мышам внутривенно вводили живые кроветворные клетки. Через 9-14 дней стволовые клетки образовывали колонии в селезенке хозяина. Каждая колония: развивалась из одной стволовой клетки. Клетки этих колоний были затем серийно пересажены более молодым облученным реципиентам (рис. 8.4). Результаты показали, что число колоний, образующихся в селезенке, снижается с каждой трансплантацией [33, 34]. Даже если согласиться с тем, что пролиферативная активность клеток кроветворной системы снижается после определенного возраста, оставалось необъяснимым влияние больших доз радиации на старение кроветворной системы и организма.
Рис. 8.4. Исследование колониеобразующей активности клеток костного мозга методом серийных трансплантаций облученным реципиентам [44]
Ситуация стала более ясной, когда в качестве реципиентов, кроветворных клеток вместо облученных мышей использовали, животных с генетически детерминированной анемией [21, 22]. Клетки молодых и старых доноров излечивают анемию и одинаково хорошо размножаются в течение 36 мес при четырех последовательных трансплантациях. Однако наблюдается постепенное снижение колониеобразующей активности стволовых клеток, которая регистрируется по числу колоний в селезенке реципиента, причем снижение больше выражено для клеток старых доноров. По-видимому, можно сделать вывод, что кроветворные клетки способны лишь к ограниченному числу делений, хотя они могут делиться в течение времени, превышающего продолжительность жизни мыши.
В другой работе Уильямсон и Асконас [52] иммунизировали мышей-доноров иммуноглобулином G (быка), конъюгированным с динитрофенолом. Иммуноглобулин, вырабатываемый у мышей к этому антигену, очень специфичен, и его можно легко обнаружить. Клетки костного мозга иммунизированных мышей затем трансплантировали реципиентам, иммунная система которых была разрушена интенсивным облучением (рис. 8.4). У реципиентов исследовали продукцию данного иммуноглобулина. Производили серийные пересадки клеток костного мозга от одного поколения мышей другому. После четырех трансплантаций выработка иммуноглобулинов снижалась вследствие постепенного уменьшения скорости деления с каждой последующей пересадкой, хотя кроветворные клетки были функционально активными в течение периода времени, превышающего максимальную продолжительность жизни мышей. В экспериментах Харрисона [21, 22] и Уильям сон а и Асконаса [52] не было установлено, какое влияние на пролиферацию оказывает сама процедура трансплантации и какие факторы в норме способствуют снижению потенциала деления кроветворных клеток.
Опыты по изучению влияния возраста донора на пролиферативную способность кроветворных клеток дали противоречивые результаты. Харрисон и Даблдей [23] иммунизировали молодых и старых мышей эритроцитами барана (SRBC). Клетки костного мозга и селезенки затем серийно пересаживали молодым летально облученным реципиентам и оценивали колониеобразующую активность стволовых клеток в селезенке. Оказалось, что клетки мышей обоих возрастав имеют почти одинаковую способность к образованию колоний. Это противоречит данным Макинодана и др. [36] и Уильямсона и Асконаса [52], которые сообщили об ослаблении иммунной компетентности у мышей с возрастом. Возможно, что эти различия объясняются неодинаковой длительностью интервалов между пересадками.
Дениел и его сотрудники изучили пролиферативную активность эпителия молочной железы при серийных пересадках. Молочную железу реципиента удаляли и на ее место помещали кусочки ткани молочной железы донора размером 0,5 мм. Когда реципиент старился, пересаженную ткань переносили молодым мышам (рис. 8.5). Примерно после семи последовательных пассажей пролиферация эпителиальных клеток уменьшалась, трансплантаты сморщивались и гибли [7-12]. В других опытах было показано, что если промежуток между пересадками равен 3 мес, то трансплантат уменьшается в размерах быстрее и сохраняется только около двух лет. Если, однако, интервал продлить до 1 года, то трансплантат живет в течение шести пассажей (шести лет), хотя и становится меньше.
Рис. 8.5. Схема серийных пересадок ткани молочной железы мышей [10]. Первичные имплантаты получают из одной железы донора и пересаживают в 10–14 жировых подушечек реципиента, освобожденных от железистой ткани (генерация I). Материал для последующих пересадок всегда берут из наиболее активно растущего трансплантата предшествующей генерации. Скорость роста выражают в средних процентах прижившихся трансплантатов данной генерации
Для того чтобы выяснить, какое влияние оказывает возраст донора на рост и пролиферацию ткани молочной железы, производили одновременную пересадку донорского материала, полученного от 3– и 26-месячных мышей, на контралатеральные участки трехмесячным реципиентам [54]. В идентичных условиях ткани были серийно пересажены пяти поколениям мышей, после чего они деградировали и погибали. Причиной отсутствия возрастных различий могла быть девственность старых самок-доноров и связанное с этим функционально неактивное состояние клеток их молочных желез. В обратном эксперименте, при пересадке ткани молочной железы 26– и 3-месячных мышей на контралатеральные участки 26-месячных мышей, ни один трансплантат интенсивно не развивался. На результат этого опыта могло повлиять ухудшение эндокринного статуса, которое наблюдается при старении.
Резюме
Исследования показывают, что эукариотические клетки всех типов подвержены старению и теряют пролиферативную активность после определенного периода in vivo, in vitro и даже после пересадки более молодым реципиентам. Это свойство, вероятно, определяется не цитоплазматическим фактором, а геномом. Следовательно, старение клеток и смерть являются их неотъемлемыми свойствами. Пролиферативная способность клеток различных типов неодинакова, она зависит от типа и степени их дифференцировки. Некоторые клетки превращают деление на ранней стадии развития, а другие продолжают делиться в течение всей жизни. Клетки кожи, кроветворной системы и эпителия молочной железы грызунов сохраняют способность к росту и пролиферации до конца жизни животного. Пересаживая эти ткани молодым реципиентам, можно отсрочить их старение и сохранить жизнеспособность на период времени, больший максимальной продолжительности жизни хозяина. Таким образом, рост и жизнеспособность" клеток можно изменить с помощью некоторых приемов. Эти свойства также, вероятно, определяются физиологическим состоянием животного, а не его хронологическим возрастом. Итак, причиной старения организма является старение клеток.
Литература
1. Barnes D. W. H., Loutit J. F., Micklem H. S. Ann. N. Y. Acad. Sci., 99, 374–385 (1962).
2. Baserga R. L. In: The Handbook of the Biology of Aging (C. E. Finch and L. Hayflick, Eds.), 101–121, Reinhold, New York (1977).
3. Burnet F. M. Lancet, 2, 358–360 (1970).
4. Carrel A., Ebeling A. H. J. exp. Med., 34, 599–623 (1921).
5. Cohn A. E., Murray H. A. J. exp. Med., 42, 275–290 (1925).
6. Cudkowicz G., Upton A. C., Shearer G. M., Hughes W. L. Nature, 201, 165–167 (1964).
7. Daniel C. W. Adv. Gerontol. Res., 4, 167–199 (1972).
8. Daniel C. W. Experientia, 29, 1422–1424 (1973).
9. Daniel C. W. In: The Handbook of the Biology of Aging (C. E. Finch and L. Hayfick, Eds.), 122–158, Reinhold, New York (1977).
10. Daniel C. W., Aidells B. D., Medina D., Faulkin L. J., Jr. Proc. F.A.S.E.B… 34, 64–67 (1975).
11. Daniel C. W., DeOme K. B., Young J. T., Blair P. B., Faulkin L. J. Proc. nat Acad. Sci., USA, 61, 53–60 (1968).
12. Daniel C. W., Young J. T. Expl. Cell Res., 65, 27–32 (1971).
13. Dreyfus J. C., Rubinson H., Schepina F., Weber A., Marie J., Kahn A. Gerontology, 23, 211–218 (1977).
14. Ebeling A. H. J. exp. Med., 17, 273–285 (1913).
15. Evans C. H. Differentiation, 5, 101–105 (1976).
16. Goldstein S. Lancet, 1, 424 (1969).
17. Goldstein S. New Eng. J. Med., 285, 1120–1129 (1971).
18. Goldstein S., Littlefield I. W., Soeldner J. S. Proc. nat. Acad. Sci., USA, 64, 155–160 (1969).
19. Goldstein S., Moerman E. J., Soeldner J. S., Gleason R. E., Barnett D. M. Science, 199,781–782 (1978).
20. Hadorn E. In: Major Problems in Developmental Biology (M. Locke, Ed.)" Academic Press, New York and London (1967).
21. Harrison D. E. Nature (New Biol.), 237, 220–221 (1972).
22. Harrison D. E. Proc. nat. Acad. Sci., USA, 70, 3184–3188 (1973).
23. Harrison D. E., Doubleday J. W. J. Immunol., 114, 1316–1322 (1975).
24. Hayflick L. Expl. Cell Res., 37, 614–636 (1965).
25. Hayflick L. New Eng. J. Med., 295, 1302–1308 (1976).
26. Hayflick L. In: The Handbook of the Biology of Aging (C. E. Finch and L. Hayflick, Eds.), 159–186, Reinhold, New York (1977).
27. Hayflick L., Moorhead P. S. Expl. Cell Res., 25, 585–621 (1961).
28. Holliday R., Tarrant G. M. Nature, 238, 26–30 (1972).
29. Horton D. L. J. Gerontol., 22, 43–45 (1967).
30. Kahn A., Guillouzo A., Cottreau D., Marie J., Bourel M., Bovine P., Dreyfus J. C. Gerontology, 23, 174–184 (1977).
31. Krohn P. L. Proc. Roy. Soc. (B), 157, 128–147 (1962).
32. Krohn P. L. In: Topics of the Biology of Aging (P. L. Krohn, Ed.), 125–138, John Wiley, New York (1966).
33. Lajtha L. G., Schofield R. Adv. Gerontol. Res., 3, 131–146 (1971).
34. LeGuilly Y., Simon M., Lenoin P., Bowrel M. Gerontologia, 19, 303–313 (1973).
35. Linn S.t Kairis M., Holliday R. Proc. nat. Acad. Sci., USA, 73, 2818–2822 (1976).
36. Makinodan T., Perkins E. H., Chen M. G. Adv. Gerontol. Res., 3, 171–198 (1971).
37. Martin G. M., Sprague C. A., Epstein C. J. Lab. Invest., 23, 86–92 (1970).
38. Muggleton A., Danielli J. F. Expl. Cell. Res., 49, 116–120 (1968).
39. Orgel L. Nature, 243, 441–445 (1973).
40. Reichel W., Garcia-Bunuel R., Dilallo J. J. Amer. Geriat. Soc, 19, 369–375 (1971).
41. Rizet G. C. R. Acad. Sci. (Paris), 237, 838 (1953).
42. Saunders J. W., Jr. Science, 154, 604–612 (1966).
43. Schneider E. L., Mitsui Y. Proc. nat. Acad. Sci., USA, 73, 3584–3588 (1976).
44. Siminovitch L., Till J. E., McCulloch E. A. J. Cell. Сотр. Physiol., 64, 23–32 (1964).
45. Smith J. R., Pereira-Smith O. M., Schneider E. L. Proc. nat. Acad. Sci., USA, 75, 1353–1356 (1978).
46. Smith-Sonneborn J., Klass M., Cotton D. J. Cell Sci., 14, 691–699 (1974).
47. Sonneborn T. M. Biol. Bull., Woods Hole, 74, 76–82 (1938).
48. Swim H. E., Parker R. F. Am. J. Hyg., 66, 235–243 (1957).
49. Thrasher J. D., Greulich R. C. J. exp. Zool., 159, 39–46 (1965).
50. Whiteley H. J., Horton D. L. J. Gerontol., 18, 335–339 (1963).
51. WhittenJ. M. Science, 163, 1456–1457 (1969).
52. Williamson A. R., Askonas B. A. Nature, 238, 337–339 (1972).
53. Wright W. E., Hayflick L. Fed. Proc, 34, 76–79 (1975).
54. Young L. J. T., Medina D., DeOme K. B., Daniel C. W. Expl. Gerontol., 6, 49–56 (1971).
Глава 9. Теории старения
Введение
Структурные и функциональные изменения возникают на всех уровнях организации – молекулярном, клеточном, тканевом и на уровне целого организма – в любом организме в течение всей его жизни. Изменения, которые появляются после достижения половой зрелости, составляют феномен старения. Теоретически причина старения может быть связана с: любым уровнем организации. Все теории старения имеют некоторую ценность для понимания механизма старения, однако необходимо провести грань между первичными и вторичными, причинами этого явления. Поскольку теории основаны на наблюдаемых или вероятных изменениях структуры и функции на различных уровнях организации, необходимо вначале выяснить, являются ли эти изменения первопричиной старения или они – результат изменений, которые могут возникать на другом, более важном уровне.
Все многоклеточные организмы обладают двумя поразительными универсальными свойствами: 1) после достижения, половой зрелости у них постепенно снижается способность к адаптации, 2) все представители вида имеют более или менее постоянную продолжительность жизни. Крысы, мыши и Drosophila, которых содержат в контролируемых условиях, живут в течение времени, характерного для данного вида и линии. Очевидно, эти два универсальных свойства являются наследуемыми и контролируются генетически.
Кроме того, замечено также, что время, необходимое для достижения половой зрелости, одинаково у всех представителей вида, например 10 нед у крыс, 12 лет у человека. Репродуктивный период у всех представителей вида или линии тоже более или менее одинаков. Различные фазы развития, приводящие к репродуктивной зрелости, точно выдержаны во времени. Вероятно, изменения, возникающие во время развития, находятся под генетическим контролем и возникают в соответствии с генетической программой.
Для объяснения механизма старения на уровне гена, который является первоисточником всей информации в организме, разработано несколько теорий. В этих теориях ген расценивают как первичный участок, в котором могут возникать изменения, инициирующие процесс старения, хотя такие факторы, как температура, влажность, питание и стресс, также способны влиять на скорость старения. Теории, которые основаны на изменении содержания ферментов и гормонов, на перекрестном связывании макромолекул, накоплении возрастного пигмента, проницаемости мембран, изменениях в различных органеллах типа лизосом и митохондрий, а также на изменении гомеостаза, принимают во внимание явления, вторичные по природе, так как все они могут возникать прямо или косвенно в ответ на изменения ферментов, содержание которых контролируется главным образом генами. Например, изменения содержания ферментов, принимаемые за функцию возраста, могут быть вызваны преимущественно изменениями в транскрипции соответствующих генов, хотя определенную роль здесь играют также изменения в трансляции мРНК или скорости деградации ферментов. Гормональные сдвиги зависят от содержания ферментов, ответственных за синтез гормонов, который в свою очередь контролируется специальными генами. Усиление в пожилом возрасте перекрестного связывания макромолекул может отражать уменьшение скорости их обмена, которая зависит от уровня катаболических ферментов. И сами ферменты, участвующие в перекрестном связывании, могут изменяться при старении. Накопление старческого пигмента липофусцина может быть следствием снижения его экскреции или скорости распада побочных продуктов метаболизма. Изменение проницаемости мембран, возможно, обусловлено нарушением их фосфолипидного состава, а синтез и деградация фосфолипидов осуществляются при участии ферментов. Изменения содержания пермеаз и других белков мембраны могут появиться вслед за изменениями экспрессии генов, ответственных за их синтез. Расстройства гомеостаза происходят как во внутри-, так и во внеклеточных пространствах. События, составляющие этот процесс, регулируются главным образом гормонами и ферментами. Таким образом, указанные сдвиги являются всего лишь вторичными по отношению к изменениям, которые могут возникать на уровне генома.
Прежде чем обсуждать различные теории, которые пытаются объяснить старение на генетическом уровне, уместно рассмотреть некоторые черты старения, указывающие на участие в этом процессе генов. Хотя проявления и следствия разрушительных изменений могут различаться у разных видов живых существ, общим результатом является увеличение восприимчивости организма к различным болезням и вероятности смерти. В пределах данного класса разрушительные изменения у всех его представителей выглядят сходно, правда, их скорость может быть различной. Это хорошо видно на примере млекопитающих. Хотя максимальная продолжительность жизни человека примерно в 50 раз выше, чем у насекомоядного Sorex futneus (продолжительность жизни около 2 лет), картина возрастных изменений у тех и других более или менее одинакова, но у последних возрастные изменения происходят быстрее.
Другая важная особенность состоит в том, что в пределах вида все особи живут в течение приблизительно одинакового периода времени в данных условиях существования. Например, лабораторные крысы живут 3 года, дрозофила – 30 дней. Максимальная продолжительность жизни человека составляет около 100 лет. Эта величина является потенциалом выживания видов. Однако не все представители вида в естественных, неконтролируемых или меняющихся условиях достигают максимального возраста. Средняя продолжительность жизни заметно меньше максимальной. Например, хотя из данных статистики известно, что максимальная продолжительность жизни человека составляет около 100 лет, средняя продолжительность жизни в США к началу 20-го столетия была равна только 48 годам. С тех пор она постоянно увеличивается и в-1975 г. достигла 72 лет (см. рис. 1.3). Это вызвано преимущественно победой над инфекционными заболеваниями, ставшей возможной благодаря успехам биологической и медицинской наук, и снижением детской смертности
Другой фактор, который указывает на генетическую основу старения и продолжительности жизни, состоит в том, что потомки долгожителей имеют продолжительность жизни большую, чем средняя [102, 103]. Средняя продолжительность жизни у женщин больше, чем у мужчин. В США, Швеции и других развитых странах средняя продолжительность жизни женщин составляет 75–78 лет, а мужчин – 70–72 года. Половые различия по продолжительности жизни имеются и у животных: домашней мухи (самцы-18 дней, самки – 30), дрозофилы (самцы – 31 день, самки – 33), белой крысы (самцы – 483 дня, самки – 800) [102]. Инбридинг в короткоживущих, среднеживущих и долгоживущих линиях Drosophila melanogaster доказывает справедливость представлений о генетической основе различий продолжительности жизни у этих насекомых. Более того, продолжительность жизни идентичных близнецов одинакова [102].
В этой связи время развития и протяженность репродуктивной фазы столь же важны, как и длительность периода старения. По крайней мере у млекопитающих существует, по-видимому, положительная корреляция между временем, необходимым для достижения половой зрелости, и максимальной продолжительностью жизни [6, 57] (табл. 1.1). У вида Homo sapiens, который среди млекопитающих живет дольше всех, самый длинный период развития; у индийского слона, лошади и крупного рогатого скота период развития соответственно короче. Однако существуют исключения, особенно среди мелких животных. Эти исключения могут быть примерами адаптивных изменений, которые возникают в особых условиях обитания. У всех млекопитающих, а также у большинства других видов животных репродуктивный период занимает значительную часть жизни и сменяется пострепродуктивным периодом. Однако среди беспозвоночных и низших животных имеются случаи смерти вскоре после единственного акта размножения; таковы тихоокеанский лосось (Onchorhynchus), угорь, речная минога, небольшие однолетние рыбы и осьминог (Octopus). Вероятно, у этих видов воспроизводство вызывает резкое снижение некоторых важных факторов, которые не восстанавливаются, хотя и являются жизненно необходимыми.
В связи с этим встает вопрос о скорости репродукции, или плодовитости, о продолжительности репродуктивного периода и о продолжительности жизни после достижения половой зрелости. Мелкие млекопитающие типа грызунов, которые обладают высокой плодовитостью, имеют короткую репродуктивную фазу, а также укороченный пострепродуктивный период по сравнению с такими крупными млекопитающими, как слон, лошадь, домашний рогатый скот и человек, у которых скорость воспроизводства много ниже. Вероятно, чем быстрее воспроизводство, тем быстрее потеря определенных важных факторов и тем быстрее развитие разрушительных изменений. Однако черепахи откладывают много яиц, но тем не менее долго живут [116]. Матки общественных насекомых, пчел и термитов, которые отличаются большой плодовитостью, также имеют большую продолжительность жизни.
С вышесказанным связано наблюдение, что среди млекопитающих постепенное увеличение времени достижения половой зрелости происходит параллельно с увеличением максимальной продолжительности жизни. Это особенно очевидно для человекообразных. Во время их эволюции за последние 3 млн. лет максимальная продолжительность их жизни выросла почти в 2 раза со скоростью прироста около 14 лет на 100000 лет [23]. Это возможно только при изменениях в геноме типа мутаций и перегруппировки генов. Вызывают ли генетические изменения, результатом которых является увеличение продолжительности жизни, сокращение плодовитости, наблюдаемое у этих долгоживущих млекопитающих, или удлинение периода размножения приводит к увеличению продолжительности жизни, неизвестно.
Теперь коснемся проблемы начала и продолжительности старения. Если начало репродуктивного периода определяется для каждого вида более или менее отчетливо, то этого нельзя сказать о начале старения. Если принять время прекращения репродукции за начало старения (хотя установлено, что функциональная способность практически всех органов начинает снижаться гораздо раньше и что скорость репродукции замедляется задолго до ее прекращения), то следует отметить, что у высших млекопитающих период старения увеличивался параллельно с увеличением репродуктивного периода. Фаза старения не дает особых преимуществ, когда речь идет о выживании, сохранении и эволюции вида, и тем не менее эта фаза увеличилась. Не происходит ли это потому, что низкая скорость репродукции оказывает меньшее вредное воздействие на другие жизненные функции, которые, таким образом, дольше сохраняются? К сожалению, достоверных данных, касающихся пострепродуктивной фазы у животных, недостаточно для установления связи между периодами развития и репродукции и периодом старения.
Если даже рассматривать геном в качестве того первичного участка, где возможны перемены после достижения животным половой зрелости, необходимо иметь в виду, что изменения внеклеточного окружения, связанные с температурой, питанием и т. д., существенно влияют на функцию генома. Поэтому у представителей различных видов и популяций наблюдаются колебания во времени начала старения, его скорости и продолжительности пострепродуктивного периода.
Полученные к настоящему времени данные указывают на то, что старение имеет генетическую основу. Рядом авторов разработаны теории, в которых делаются попытки объяснить старение на уровне генома. Ниже мы обсудим теории только этого типа.
Теория соматических мутации
Росс и Скотт [104] первыми сообщили, что крысы, подвергнутые тотальному облучению, слишком слабому, чтобы вызвать какие-либо острые изменения, погибают раньше, чем необлученные контрольные животные. Затем последовали сообщения о том, что у облученных грызунов [26, 44, 108] и людей [128] симптомы старения, и смертность были такими же, как у интактных особей; было отмечено, однако, что частота опухолей у первых была выше. Поэтому предположили, что облучение вызывает ускорение процесса старения. Основываясь на этих данных, Сцилард [122, 123] предложил для объяснения старения «теорию соматических мутаций», согласна которой мутации, возникающие беспорядочно и самопроизвольно, разрушают гены и хромосомы постмитотических клеток в течение жизни организма, постоянно повышая мутационный груз. При увеличении числа мутаций и потере функциональных генов наблюдается снижение синтеза функциональных белков. Смерть клетки наступает тогда, когда мутационный груз превышает критический уровень. В результате число постмитотических клеток уменьшается, а общая функциональная активность организма снижается.
Эта теория была проверена в опытах с мышами Стивенсоном совместно с Кёртисом [118] и Кёртисом [20, 21]. Мышей облучали дозой 400 рад или им вводили химические мутагены типа азотистых аналогов иприта (0,125 мг) и затем определяли их выживание. В регенерирующей печени молодых и старых мышей исследовали также частоту хромосомных аберраций типа нерасхождения сестринских хроматид в митозе и хромосомных разрывов. У мышей из линий с различной продолжительностью жизни вызывали частичный некроз печени введением четыреххлористого углерода и подсчитывали число хромосомных аберраций после фиксации в метафазе под действием колхицина.
Было показано, что а) сокращение жизни после рентгеновского облучения зависит от дозы, б) в регенерирующих клетках печени облученных мышей повышена частота хромосомных аберраций (рис. 9.1), в) азотистые аналоги иприта не оказывают влияния ни на продолжительность жизни, ни на частоту хромосомных аберраций, г) в клетках печени короткоживущих мышей линии A/HEJ (395 дней) накапливается больше хромосомных аберраций, чем у долгоживущих мышей линии C57BL/6J (600 дней; рис. 9.2) [19]. Кёртис [20] далее предположил, что проникающая радиация повреждает постмитотические клетки больше, чем премитотические. В первых мутационные эффекты аккумулируются и клетка не может устранить их, так как она не делится. Во втором случае поврежденная клетка элиминируется и замещается неповрежденной клеткой. Клетки зародышевого пути более устойчивы к повреждению хромосом, благодаря чему возможно сохранение вида.
Рис. 9.1. Кривые выживания мышей после различных воздействий, начиная с 2-месячного возраста [20]. Кривые начинаются через 30 дней после воздействия – срока, достаточного для того, чтобы не учитывать внезапную гибель. Они показывают, что однократные массивные, но не смертельные дозы ядовитых химических веществ не уменьшают продолжительности жизни, тогда как единичные массивные, но не смертельные дозы рентгеновского облучения дают заметный эффект
Рис. 9.2. Сравнение эффекта нейтронного облучения на число хромосомных аберраций в клетках печени мышей и их возрастных изменений [22]. При однократном облучении дозой 192 рад аберрации наблюдаются в среднем) в 56 % клеток (треугольники)
Кларк и Рубин [17] изучили действие рентгеновского излучения на продолжительность жизни бабочки Habrobracon, у которой самки диплоидны, а самцы либо диплоидны, либо гаплоидны. Интактные самцы, как диплоидные, так и гаплоидные, имеют одинаковую продолжительность жизни. Однако гаплоидные особи более чувствительны к проникающей радиации, чем диплоидные. Это показывает, что соматическая мутация не может быть причиной старения; если бы это было так, то диплоидные особи имели бы большую продолжительность жизни, а диплоидные самцы и самки имели бы одинаковую продолжительность жизни. Диплоидные самцы более устойчивы к радиации. Это говорит о том, что повреждение, вызываемое облучением, восстанавливается более эффективно, если число хромосом больше, и что процесс восстановления не зависит от пола. Итак, снижение продолжительности жизни, вызванное радиацией, отличается от естественного старения. Здесь уместно процитировать Хендлера [42]: «Представление о том, что облучение приводит к преждевременному старению, верно наполовину и в широком смысле отражает нечеткость исходного параметра – продолжительности жизни».
Аналогичные наблюдения были проведены Томпсоном и Холлидеем [125] на уровне клеток in vitro. Когда фибробласты легких эмбриона человека (штамм MRC-5) обрабатывают колхицином в течение 3–6 ч, выживающая популяция содержит около 60 % тетраплоидных клеток, которые продолжают делиться. Продолжительность их жизни не отличается от продолжительности жизни диплоидных клеток. Сопоставима и скорость их роста. Если бы причиной смерти клеток было накопление мутаций или генетические дефекты, то тетраплоидные клетки должны были бы обладать большей устойчивостью и имели бы большую продолжительность жизни. Но это не так. Хён и др. [46] также наблюдали, что диплоидные фибробласты кожи человека имеют ту же продолжительность жизни, что и тетраплоидные. Если мутации и вносят свой вклад в процессе старения клеток в культуре, они не проявляют себя, в период активного роста (фаза II) и потому должны быть рецессивными. Возможно, что происходит постепенное увеличение генетического груза рецессивных дефектов, что может в итоге привести к инактивации одного или нескольких необходимых генов обеих гомологичных хромосом. Если это так, то тетраплоидные клетки могли бы противостоять большим повреждениям и имели бы большую жизнеспособность. Если мутации вредны, они вызывают гибель клеток и не аккумулируются. Диплоидные и тетраплоидные клетки, имели бы сходную продолжительность жизни только в том случае, если бы вредные мутации возникали в конце жизни.
