Święty Graal biologii, czyli jak i dlaczego się starzejemy?
advertisement
Święty Graal biologii, czyli jak i dlaczego się starzejemy? Justyna Mikuła-Pietrasik Anna Niewiarowska Krzysztof Książek* Katedra i Zakład Patofizjologii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu Katedra i Zakład Patofizjologii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu, ul. Rokietnicka 8, 60-806 Poznań; tel.: (61) 854 76 24; faks: (61) 854 76 20; e-mail: [email protected] * Artykuł otrzymano 4 maja 2015 r. Artykuł zaakceptowano 29 lipca 2015 r. Słowa kluczowe: dobór naturalny, limit Hayflicka, stres oksydacyjny, teorie starzenia Wykaz skrótów: CAT — katalaza; DHEA — siarczan dehydroepiandrosteronu; GH — hormon wzrostu; IGF-1 — insulinopodobny czynnik wzrostu 1; IL — interleukina; RFT — reaktywne formy tlenu; SOD — dysmutaza ponadtlenkowa; VEGF — czynnik wzrostu śródbłonka naczyń STRESZCZENIE W ostatnich latach, poszukiwania pojedynczej, uniwersalnej przyczyny starzenia zostały zastąpione przez pogląd, iż starzenie jest zjawiskiem na tyle złożonym, że u jego podstaw może leżeć nawet kilka komplementarnych procesów. W dużej mierze sytuacja ta jest związana z faktem, iż proces starzenia może być rozpatrywany na wielu płaszczyznach, począwszy od całych populacji, poprzez indywidualne organizmy, kończąc na poziomie tkanek i narządów oraz poszczególnych typów komórek. Ta wielopłaszczyznowość w dużej mierze zdeterminowała funkcjonujący obecnie podział teorii starzenia na ewolucyjne i mechanistyczne. Pierwsza z tych grup stawia sobie za cel odpowiedź na pytanie „dlaczego się starzejemy?” i zdefiniowanie biologicznego sensu tego procesu. Teorie mechanistyczne usiłują znaleźć odpowiedz na pytanie „jak się starzejemy?”, w rozumieniu bezpośrednich przyczyn niekorzystnych zmian zachodzących w organizmach wraz z wiekiem. Celem niniejszej pracy było zebranie i przedstawienie Czytelnikowi najważniejszych teorii starzenia, wskazując — tam, gdzie to możliwe — wzajemne powiązania między nimi. WPROWADZENIE Mimo ponad stuletniej historii badań biogerontologicznych, proces starzenia się organizmów jest nadal jednym z najbardziej zagadkowych, a zarazem fascynujących, zjawisk w przyrodzie. Choć, jak podaje w swej publikacji rosyjski gerontolog Zhores Medvedev, powstało już ponad trzysta odrębnych teorii starzenia się [1], zdecydowana większość z nich nie sprostała próbie czasu albo została negatywnie zweryfikowana doświadczalnie. Te zaś z teorii, które funkcjonują nadal, nie są już zamkniętymi koncepcjami, lecz stanowią raczej zbiór pomysłów, które wciąż ulegają określonym modyfikacjom. Czynnikiem, który nastręcza dodatkowych trudności jest również fakt, iż te teorie, które odnosiły się do pytania dlaczego się starzejemy (czyli, jaki jest ogólny biologiczny sens tego procesu), nie dawały równocześnie satysfakcjonującej odpowiedzi na pytanie jak się starzejemy (czyli, jakie mechanizmy leżą u podstawy tego zjawiska). I odwrotnie, te z koncepcji, których celem było wyjaśnienie mechanistycznych aspektów starzenia, okazały się niezadowalające z punktu widzenia biologii ewolucyjnej. Niemniej jednak, mając na uwadze nasz obecny stan wiedzy, jak również niespotykane jak dotąd tempo rozwoju wiedzy o starzeniu, wydaje się być bardzo prawdopodobne, iż ostateczne rozwiązanie „zagadki starzenia” jest coraz bliższe. TEORIE STARZENIA Starzenie jest procesem, który można rozpatrywać na kilku poziomach, począwszy od całych populacji, poprzez tworzące je indywidualne osobniki, poszczególne narządy i tkanki, kończąc na różnego typu komórkach i makrocząsteczkach. Co ciekawe, determinanty procesu starzenia wydają się ze sobą splatać na wymienionych płaszczyznach, powodując, że stojące za nimi teorie uzupełniają się wzajemnie, tworząc swego rodzaju sieć (Ryc. 1). Coraz powszechniej akceptowany jest więc pogląd, iż zjawisko starzenia się jest konsekwencją istnienia całego systemu wzajemnie powiązanych ze sobą zdarzeń, które są równocześnie odbiciem co najmniej kilku różnych i nie wykluczających się wzajemnie procesów. Najpopularniejsze, funkcjonujące Rycina 1. Wielopłaszczyznowość zjawisk związanych z procesem starzenia. Jednym z zasadniczych pytań współczesnej biogerontologii jest czy zmiany zachodzące na poszczególnych poziomach organizacji ustroju stanowią realną przyczynę, czy może są jedynie konsekwencją starzenia. 344www.postepybiochemii.pl Tabela 1. Przegląd najpopularniejszych historycznych i współczesnych teorii starzenia się w porządku chronologicznym. Symbolem * oznaczono nazwy teorii, które przetłumaczono z języka angielskiego w sposób kontekstowy. Dotyczy to teorii, których nazwy do tej pory nie były wykorzystywane w polskiej literaturze naukowej. Symbolem ** oznaczono teorie, które nigdy nie posiadały specyficznej nazwy. Jako materiał źródłowy podano pierwszą publikację, w której zaproponowano daną teorię, lub w której opisano kluczowe dla danej teorii odkrycie. W przypadku niektórych z tych prac, szczególnie najstarszych, przytoczenie pełnych danych bibliograficznych wg współczesnych standardów było niemożliwe. l.p. Nazwa Przyczyna starzenia Autor, Rok Źródło 1 teoria nieuchronności starzenia się i śmierci* Starzenie i śmierć następują, aby nie konkurować ze swoim potomstwem o zasoby naturalne, a tym samym zapewnić im możliwość efektywnej reprodukcji. Wallace, 1889 [41] 2 teoria programowanej śmierci Nagromadzenie uszkodzeń w komórkach i tkankach prowadzi do ich starzenia i śmierci organizmu. Reprodukcja jest zapewniona dzięki nieśmiertelności komórek linii generatywnej. Weismann, 1892 [42] 3 teoria autointoksykacji Starzenie może być związane z działaniem toksyn bakteryjnych, produkowanych w ludzkim ciele. Metchnikoff, 1903 [43] 4 teoria tempa życia Istnieje zależność między tempem metabolizmu, masą ciała i długością Rubner, 1908 życia. Organizm starzeje się tym szybciej, im szybszą ma przemianę materii. [44] 5 - ** Starzenie się organizmu jest związane z zaburzeniem zdolności utrzymywania stałej temperatury ciała. Loeb i Northrop, 1916 [45] 6 teoria nagromadzenia mutacji Siły doboru naturalnego słabną z wiekiem, przez co mutacje genów ujawniające się po okresie rozrodczym nie są eliminowane z populacji. Medawar, 1952 [3] 7 teoria wolnorodnikowa Starzenie się jest spowodowane nagromadzeniem uszkodzeń makrocząsteczek, w wyniku działania reaktywnych form tlenu. Harman, 1956 [33] 8 teoria antagonistycznej plejotropii Cechy (geny) korzystne dla płodności i sprawności młodego organizmu mogą równocześnie wywierać niekorzystny wpływ w późniejszym okresie życia. Williams, 1957 [2] 9 teoria mutacji somatycznych W DNA gromadzą się mutacje, których skutkiem jest powstawanie nieprawidłowych białek. Szilard, 1959 [46] 10 teoria stłuszczenia* Starzenie się organizmu związane jest z odkładaniem się tkanki tłuszczowej. Berg i Simms, 1960 [47] 11 teoria usieciowania białek Przyczyną starzenia się może być nagromadzenie białek o nieprawidłowej strukturze. Bjorksten, 1960 [48] 12 teoria immunologiczna Przyczyną starzenia się są zmiany w układzie odpornościowym, szczególnie te, związane z wytwarzaniem autoprzeciwciał. Walford, 1962 [49] 13 teoria katastrofy błędów Przyczyną starzenia się są błędy powstające w trakcie transkrypcji i translacji. Szczególnie istotne są błędy dotyczące białek enzymatycznych. Orgel, 1963 [50] 14 teoria zbędnego DNA* Dużą rolą w starzeniu się może być narastające z wiekiem uszkodzenie DNA. Medvedev, 1964 [51] 15 teoria starzenia komórkowego Komórki starzeją się po przebyciu określonej liczby podziałów. Starzenie się komórek odzwierciedla starzenia się organizmu jako całości. Hayflick, 1965 [24] 16 teoria mitochondrialna Przyczyną starzenia się jest nagromadzenie mutacji w obrębie mitochondrialnego DNA. Alexander, 1967 [52] 17 teoria lipofuscynowa Starzenie się może być spowodowane szkodliwym działaniem gromadzącej się wraz z wiekiem lipofuscyny. Reichel, 1968 [53] Postępy Biochemii 61 (4) 2015 345 18 teoria neuroendokrynowa Starzenie się może mieć związek z obniżoną produkcją niektórych hormonów, np. hormonu wzrostu. 19 teoria końca replikacji* Starzenie się jest spowodowane niezdolnością polimerazy DNA do pełnej Olovnikov, 1973 syntezy jednej z nici potomnych, czego efektem jest skracanie się telomerów. [55] 20 teoria stymulacji grasicy* Osłabienie układu odpornościowego za sprawą zanikającej grasicy może być przyczyną starzenia się. Goldstein, 1974 [56] 21 teoria błonowa Kluczowe dla procesu starzenia się są zmiany w budowie błon komórkowych oraz związane z tym gromadzenie substancji szkodliwych, np. lipofuscyny. Zs-Nagy, 1978 [57] 22 teoria hierarchii zegarów* Starzenie się jest regulowane przez szereg niezależnych zjawisk, które ulegają aktywacji w różnych okresach życia. Comfort, 1979 [58] 23 teoria glikacyjna Dużą rolę w procesie starzenia się ma nadmierne usieciowanie białek, będące wynikiem procesu glikacji. Monnier, 1981 [59] 24 teoria glukozowa Przyczyną starzenia się jest rosnące wraz z wiekiem stężenie glukozy we krwi oraz szkodliwy wpływ powstających metabolitów glukozy. Cerami, 1985 [60] 25 teoria restrykcji kalorycznej Restrykcja kaloryczna wywiera swój wpływ na wydłużenie życia poprzez poprawę właściwości układu odpornościowego. Walford, 1987 [61] 26 teoria telomerowa Przyczyną starzenia jest skracanie się telomerów. Harley, 1990 [28] 27 teoria glikoksydacji Starzenie się jest wynikiem wzajemnego oddziaływania stresu oksydacyjnego oraz produktów glikacji. Kristal i Yu, 1992 [62] 28 teoria ponadtlenkowa Duże znaczenie dla długości życia i tempa starzenia się ma poziom antyoksydantów, szczególnie dysmutazy ponadtlenkowej. Orr i Sohal, 1994 [63] 29 teoria fenoptozy Rozwinięcie teorii Weismanna stanowiące, że starzenie jest formą zaprogramowanej śmierci całego organizmu celem zapewnienia potomstwu większej przestrzeni życiowej. Skulachev, 1997 [64] 30 teoria tlenku azotu Starzenie się, szczególnie układu nerwowego, jest związane z nadprodukcją tlenku azotu. McCann, 1998 [65] 31 teoria niezawodności* Starzenie się jest efektem wyczerpania rezerwy czynnościowej organizmu. Gavrilov i Gavrilova, 2001 [66] 32 teoria konfliktu rozród-ciało* Starzenie się jest efektem ewolucyjnej przewagi komórek płciowych nad komórkami somatycznymi. Heininger, 2002 [67] 33 teoria osi mitochondrialnolizosomalnej Przyczyną starzenia się jest nagromadzenie uszkodzonych mitochondriów, spowodowane upośledzoną zdolnością autofagocytozy. Brunk i Terman, 2002 [68] 34 teoria podwójnego czynnika* Starzenie się wynika z zaburzenia równowagi między stresem oksydacyjnym jako pozytywnym elementem metabolizmu (reakcje redoks) a negatywnym wpływem reaktywnych form tlenu. Lane, 2003 [69] 35 teoria hiperfunkcji Starzenie jest skutkiem nadaktywności określonych procesów biosyntezy, zaangażowanych w rozwój organizmu i rozmnażanie, czego efektem jest hipertrofia tkanek i rozwój patologii związanych z wiekiem. Blagosklonny, 2006 [70] na przestrzeni trzech wieków teorie starzenia zebrano w tabeli 1, przypisując dla każdej z nich odpowiedni materiał źródłowy. Poniżej przedstawiono natomiast najważniejsze z nich, przyjmując jako kryterium podziału nacisk, jaki kładą one na zgłębienie pytania dlaczego? (teorie ewolucyjne) oraz pytania jak? (teorie mechanistyczne). Dilman, 1970 [54] TEORIE EWOLU CYJNE Przed omówieniem ewolucyjnych uwarunkowań procesu starzenia się należy poczynić jedno, kluczowe dla tego zagadnienia spostrzeżenie. Otóż w populacjach zwierząt bytujących w swych warunkach naturalnych, „problem starzenia się” w ogóle nie istnieje. Wynika to z faktu, iż osob- 346www.postepybiochemii.pl niki dorosłe są w wysokim stopniu narażone na przypadkową śmierć, spowodowaną takimi czynnikami, jak: choroby, okresy niedoborów pożywienia i ataki zwierząt drapieżnych [2]. W związku z tym, bardzo nieliczne z nich są w stanie żyć dostatecznie długo, aby się zestarzeć. Jedynie we współczesnych społecznościach ludzkich oraz wśród zwierząt żyjących w warunkach chronionych (ogrody zoologiczne i laboratoria badawcze), można zetknąć się z osobnikami w zaawansowanym wieku. Sytuacja ta może osiągnąć wręcz rangę kuriozum, gdy uświadomimy sobie, że zapewnienie bezpiecznych warunków bytowania gatunkowi żyjącemu dotychczas wyłącznie na wolności, doprowadzi do starzenia się jego przedstawicieli, czyli zjawiska, które nie dotyczyło ich przez tysiące lat ewolucji. Co ciekawe, w przypadku ludzi przełom nastąpił stosunkowo niedawno, bo dopiero na początku XX wieku. Wówczas to, dzięki poprawie warunków sanitarnych, wynalezieniu antybiotyków i wprowadzeniu szczepień ochronnych, nastąpiła radykalna zmiana profilu przyczyn śmiertelności, co pociągnęło za sobą stopniowy wzrost średniej długości życia. TEORIA NAGROMADZENIA MUTACJI Stworzona przez Petera Medawara teoria nagromadzenia mutacji zakłada, iż starzenie się jest wynikiem mutacji określonych genów, które to geny nie zostały wyeliminowane z puli genetycznej przez dobór naturalny, ponieważ niekorzystne skutki ich działania uwidaczniają się dopiero po zakończeniu okresu rozrodczego [3]. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest fakt, iż siły doboru naturalnego słabną wraz z wiekiem. Oznacza to, iż dobór naturalny może eliminować z puli genów tylko te z nich, które manifestują się w okresie rozrodczym. Każdy bowiem gen, którego efekty działania ujawniają się później, nie jest w stanie przeszkodzić przedłużeniu ciągłości gatunku, a przez to przestaje być obiektem zainteresowania sił doboru naturalnego. Dla przykładu, zmutowany gen, który uśmierca osobniki młode będzie eliminowany, gdyż nosiciele tego genu nie będą wchodzili w okres rozrodu, a tym samym przekazywali tego genu potomstwu. Jeśli jednak owa letalna mutacja będzie ujawniała się u osób 40–50 letnich, należy się spodziewać, iż nastąpiło już przekazanie owego genu kolejnemu pokoleniu. Zgodnie z omawianą teorią podstawowe znaczenie ma także fakt, iż w kolejnych pokoleniach może następować stopniowe gromadzenie się niekorzystnych dla zdrowia mutacji, czego efektem będzie pogorszenie funkcji biologicznych w późniejszych dekadach życia i związana z tym śmierć organizmu [3]. Przykładem mutacji, której niekorzystne efekty ujawniają się stosunkowo późno jest mutacja genu HD, kodującego huntingtynę, której efektem jest rozwój pląsawicy Huntingtona. Choroba ta jest dziedziczona w sposób autosomalny dominujący, co oznacza, iż średnio połowa potomstwa osoby chorej odziedziczy zmutowany allel. Objawy tej choroby (niekontrolowane, gwałtowne ruchy, upośledzenie umysłowe) ujawniają się dopiero w wieku 35-50 lat, a więc zazwyczaj po wydaniu na świat potomstwa. Co ważne, nosiciele zmutowanego genu charakteryzują się w młodości zwiększonym wigorem seksualnym [4]. Cecha ta jest szczególnie interesująca w kontekście innych ewolucyjnych teorii starzenia się, które sugerują istnienie silnego związku pomiędzy zdolnościami rozrodczymi organizmu w młodości a tempem jego starzenia się. Postępy Biochemii 61 (4) 2015 TEORIA ANTAGONISTYCZNEJ PLEJOTROPII Według amerykańskiego biologa ewolucjonisty Georga Williamsa, przyczyną starzenia się organizmów może być działanie pewnych genów, które zostały utrwalone w populacji ze względu na ich pozytywny wpływ na rozwój i zdolności rozrodcze osobników w młodości [2]. Teoria ta zawdzięcza swą nazwę podwójnemu charakterowi działania wspomnianych genów, które z jednej strony modulują różne właściwości organizmu (plejotropia), a z drugiej strony, efekty ich działania są sobie przeciwstawne (antagonizm). Warto w tym miejscu podkreślić, iż sugerowane przez Williamsa geny plejotropowe nie są poszukiwanymi od dawna „genami starości”, czy „genami śmierci”, których to aktywacja miałaby jakoby leżeć u podłoża procesu starzenia się. Geny, o których mowa, są z reguły już od dawna scharakteryzowane, gdyż pełnią one kontrolę nad najbardziej podstawowymi aspektami życia (Ryc. 2). W swej klasycznej pracy Williams przytacza przykład hipotetycznego genu, odpowiedzialnego za zdolność wiązania wapnia w organizmie. W młodości, wysoka aktywność tego genu będzie zjawiskiem pożądanym ze względu na rozwój szkieletu i wzrost organizmu, a więc cechy niezbędne dla osiągnięcia sukcesu reprodukcyjnego. Z drugiej jednak strony, utrzymująca się aktywność tego genu w późniejszych okresach życia może przyczyniać się do nasilonego odkładania wapnia w ścianach tętnic, będącego jednym z elementów rozwoju miażdżycy [2]. Innym przykładem, dużo bardziej rzeczywistym, genu o właściwościach antagonistycznie plejotropowych jest gen p53, zaangażowany m.in. w rozpoznawanie uszkodzeń DNA i kierowanie komórek na drogę naprawy DNA, apoptozy lub starzenia. W młodych organizmach, gen ten w szczególny sposób zapewnia stabilność genomu, kluczową z punktu widzenia reprodukcji. W miarę starzenia, jego aktywność warunkuje starzenie na poziomie komórkowym, co z kolei przekłada się na upośledzenie zdolności regeneracyjnych tkanek, będące jednym z kluczowych wykładników starzenia [5]. O podobny charakter działania podejrzewa się jednak dużo szerszą gamę genów, wśród których można wymienić geny zaangażowane w działanie szlaku IGF-1, zmiatanie reaktywnych form tlenu, funkcjonowanie białek szoku termicznego oraz śmierć komórkową [6]. Podsumowując można stwierdzić, że z punktu widzenia ewolucji proces starzenia się jest formą kompromisu, który zakładał pozytywną selekcję tych genów, które gwarantowały korzyści rozwojowe i reprodukcyjne w młodości, nawet jeśli były one obarczone potencjalnym ryzykiem wystąpienia niekorzystnych skutków w dalekiej przyszłości. Rycina 2. Genetyczne uwarunkowanie procesu starzenia z perspektywy ewolucyjnej. W przypadku aktywności obu rodzajów genów mamy do czynienia z ewolucyjnym kompromisem, którego zyskiem jest zapewnienie sukcesu reprodukcyjnego, natomiast ceną zainicjowanie programu starzenia zakończonego śmiercią organizmu. 347 Powstaje jednak pytanie, czy ów kompromis był korzystny dla pojedynczych osobników, dla których nieuchronną konsekwencją procesu starzenia się jest śmierć. Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy dokładniej przyjrzeć się naturze doboru naturalnego, czyli zjawisku będącemu siłą napędową ewolucji. Otóż aby zapewnić ciągłość gatunku, dobór naturalny faworyzował wszystkie te geny, które gwarantowały przewagę przedstawicieli gatunku A nad przedstawicielami gatunku B w walce o ograniczone zasoby środowiska naturalnego. W ten sposób osobniki „lepiej przystosowane” mogły skutecznie łączyć się w pary i wydawać na świat zdrowe potomstwo. Ponieważ dla ewolucji priorytetowym zadaniem było zapewnienie gatunkom jak najlepszych możliwości rozrodczych, dobór naturalny kładł szczególnie silny nacisk na te geny, których efekty działania ujawniały się już we wczesnych okresach życia, jeszcze przed wejściem w okres rozrodu. Jeśli któryś z nich okazywał się szkodliwy dla reprodukcji, dobór naturalny na trwałe go eliminował. Z drugiej strony, jak zasugerował już Medawar, jeśli niepożądane skutki działania określonego genu (w tym zmiany starcze) uwidaczniały się dopiero po zakończeniu rozrodu, przez co nie mogły już w żaden sposób zaszkodzić reprodukcji, dobór naturalny przestawał się nim interesować, a szanse na jego wykluczenie z populacji spadały praktycznie do zera [3]. TEORIA CIAŁA JEDNORAZOWEGO UŻYTKU Z kolei według Toma Kirkwooda, twórcy teorii ciała jednorazowego użytku, przyczyną procesu starzenia może być zaplanowane ograniczenie wydatków energetycznych na naprawę uszkodzeń kluczowych dla życia makrocząsteczek [7]. Do tego ograniczenia dochodzi po zakończeniu przez dany organizm okresu rozrodczego, kiedy to dalsze inwestycje energetyczne w naprawę i tak śmiertelnego ciała stają się nieopłacalne. Według Kirkwooda, ciało można przyrównać do wielu przedmiotów codziennego użytku, takich jak: samochody, zegarki, telewizory. Zostały one skonstruowane w ten sposób, aby mogły służyć użytkownikowi przez dostatecznie długi czas, lecz nie wiecznie. W podobny sposób działa natura; wyposaża ona organizmy w taką ilość energii niezbędnej do celów naprawczych, aby osobnik mógł dożyć w zdrowiu okresu rozrodczego. Jednak ze względu na wzrastające ryzyko przypadkowej śmierci, zasoby tej energii są ograniczone. Przesunięcie zasobów energetycznych na korzyść okresu młodości jest szczególnie ważne ze względu na konieczność utrzymania prawidłowości DNA komórek linii płciowej, od których doskonałości zależy przekazanie potomstwu bezbłędnej informacji genetycznej. Budujące nasze ciała komórki somatyczne odgrywają w ogólnym rozrachunku drugorzędną rolę, która w dużym uproszczeniu sprowadza się do zapewnienia organizmowi jak najlepszych warunków do przekazywania genów [7]. Oczywiście, za wyjątkiem niektórych gatunków ryb, starzenie się i śmierć organizmu nie następuje natychmiast po zakończeniu okresu reprodukcji. Jak sugeruje Kirkwood wynikać to może z faktu, iż zasoby energii w naszych organizmach są w pewnym nadmiarze w stosunku do rzeczywistych potrzeb. W związku z tym, po zakończeniu okre- su rozrodu i odchowaniu potomstwa (ten okres w biologii ewolucyjnej także zaliczany jest do okresu rozrodczego) możliwości naprawcze uszkodzeń naszych komórek stają się coraz słabsze, aż wreszcie następuje moment, gdy jest ich zbyt dużo i ciało umiera [7]. Zarówno w przypadku teorii antagonistycznej plejotropii oraz teorii ciała jednorazowego użytku, starzenie się można uznać za swego rodzaju produkt uboczny ewolucji. Powstaje jednak pytanie, czy rzeczywiście istnieje bezpośrednia zależność między długością życia a możliwościami rozrodczymi organizmu? Innymi słowy, czy doświadczalne ograniczenie możliwości rozrodczych organizmu może przełożyć się na wydłużenie życia? Jak pokazały badania Michaela Rosa, przeprowadzone na szczepach muszki owocówki (Drosophila melanogaster), jest to możliwe. Wykazał on mianowicie, iż selekcja tych owadów w kierunku opóźnienia składania przez nie jaj spowodowała, iż pokolenia potomne żyły dłużej, czemu towarzyszyło wyraźne ograniczenie ilości składanych jaj w młodości. Zjawisko to wydaje się być czymś zrozumiałym, szczególnie biorąc pod uwagę, iż aby złożyć jaja w późniejszym okresie życia, osobnik musi najpierw tego okresu dożyć. O niezwykłej sile biologicznego kompromisu, który zaistniał w przypadku opisanej selekcji świadczyć może fakt, iż czas życia kolejnych pokoleń muszek przekraczał 120 dni, podczas gdy w warunkach laboratoryjnych średnia długość życia muszki wynosi około 35 dni [8]. Z drugiej strony, mając na uwadze złożoność omawianego zagadnienia i znaczną liczbę zmiennych, mogących decydować o długości życia, udzielenie miarodajnej odpowiedzi na pytanie, czy także u ludzi wczesne urodzenie dziecka może zadecydować o skróceniu długości życia matki jest bardzo trudne i ryzykowne. Zadania tego podjęli się jednak Rudi Westendorp i Tom Kirkwood, którzy przeanalizowali historie życia blisko 35 tysięcy kobiet, mieszkających na przestrzeni kilkuset lat w Wielkiej Brytanii. W szczególności, badacze ci skoncentrowali się na długości życia tych kobiet, liczbie potomstwa i wieku w chwili urodzenia pierwszego dziecka. Badania te ujawniły zależność, z której wynika, iż w grupie kobiet, które żyły najdłużej (co najmniej 90 lat), prawie połowa z nich była bezdzietna. Ponadto stwierdzono, iż w tej samej grupie wiekowej, te kobiety, które posiadały potomstwo, urodziły swe pierwsze, i zazwyczaj jedyne dziecko stosunkowo najpóźniej, bo średnio w wieku 27 lat. Zaobserwowano także tendencję wskazującą na odwrotną zależność między długością życia kobiet a ich wiekiem w chwili urodzenia pierwszego potomka [9]. TEORIE MECHANISTYCZNE — UKŁADOWE TEORIA HORMONALNA Istnieje wiele dowodów na to, że proces starzenia się jest związany ze zmianami stężenia hormonów we krwi. Trzeba w tym miejscu jednak podkreślić, iż zmiany, o których mowa są w opinii wielu naukowców raczej skutkiem procesu starzenia, a nie jego bezpośrednią przyczyną. Z drugiej jednak strony wiele wskazuje na to, iż to właśnie zmiany stężenia określonych hormonów we krwi mogą być odpowiedzialne za szereg nieprawidłowości w budowie i funkcji narządów u osób starszych. 348www.postepybiochemii.pl Jedną z podstawowych oznak starzenia się organizmu jest obniżenie zdolności rozrodczych, spowodowane zmniejszeniem wydzielania hormonów płciowych. Przebieg zmian w obrębie gospodarki hormonalnej jest jednak odmienny u kobiet i u mężczyzn. U kobiet dochodzi do zahamowania syntezy 17-β-estradiolu, co spowodowane jest zmianami wstecznymi w obrębie komórek ziarnistych pęcherzyków Graafa. Zjawisku temu towarzyszy obniżenie stopnia wrażliwości tych komórek na działanie hormonu folikulotropowego (FSH) wraz z równoczesnym nasileniem wydzielania gonadoliberyny (GnRH). Wskutek niedoboru hormonów wytwarzanych w jajnikach, tj. estradiolu i progesteronu następuje stan menopauzy [10]. Jej rezultatem jest z kolei wzrost ryzyka rozwoju zmian kostnych (osteoporozy), miażdżycy tętnic, chorób nowotworowych (rak trzonu macicy) oraz innych zaburzeń metabolicznych (cukrzycy, otyłości). Wymienione zaburzenia należą do kanonu najczęstszych chorób związanych z wiekiem (ang. age-related diseases) spotykanych u kobiet. Negatywne skutki zależnych od wieku zaburzeń hormonalnych u kobiet można w dużym stopniu ograniczyć poprzez zastosowanie hormonalnej terapii zastępczej. Z kolei u mężczyzn, dochodzi wraz z wiekiem do obniżenie poziomu testosteronu we krwi, który to spadek następuje jednak znacznie wolniej, niż spadek poziomu estradiolu we krwi u kobiet. Niski poziom testosteronu u mężczyzn w starszym wieku może przyczyniać się do wzrostu stężenia cholesterolu (zwłaszcza frakcji LDL) i stężenia triglicerydów we krwi [11]. Innym zjawiskiem endokrynologicznym, które wzbudza duże zainteresowanie gerontologów jest towarzyszące starzeniu się obniżenie stężenia hormonu wzrostu (GH). Choć i w tym przypadku nie wiadomo, czy spadek stężenia GH we krwi jest skutkiem, czy może jedną z przyczyn procesu starzenia się, warto zaznaczyć, iż zmiany narządowe obserwowane u osób w podeszłym wieku żywo przypominają te, widoczne u pacjentów z niedoborem GH. Mowa tu przede wszystkim o zmniejszeniu stopnia mineralizacji tkanki kostnej, obniżeniu masy i siły mięśniowej, zwiększeniu zawartość tkanki tłuszczowej (szczególnie w obrębie brzucha), zmniejszeniu nerkowego przepływu krwi i filtracji kłębuszkowej oraz pogorszenia sprawności fizycznej i umysłowej. Zaobserwowano, że podawanie osobom starszym rekombinowanej formy GH zaowocowało wzrostem masy mięśniowej, redukcją zawartości tkanki tłuszczowej oraz wzrostem stężenia minerałów w różnych obszarach szkieletu. Badania te pokazują, iż niektóre ze zmian obserwowanych w podeszłym wieku mogą pozostawać w bezpośredniej zależności ze spadkiem stężenia hormonu wzrostu we krwi. Z drugiej jednak strony należy podkreślić, że dobroczynne efekty podawania GH u osób starszych nie zawsze są długotrwałe, a u części z nich, szczególnie u osób cechujących się prawidłowym statusem hormonalnym stwierdzono rozwój takich powikłań, jak: bóle stawów, obrzęki, zespół cieśni nadgarstka, oporność na insulinę, a nawet cukrzyca. W kontekście kontrowersji związanych z długofalowymi skutkami suplementacji GH warto także wspomnieć, że w USA kliniczne stosowanie rekombinowanej formy GH jest dopuszczalne tylko w leczeniu niedoborów tego hormonu, karłowatości idiopatycznej oraz HIV/AIDS [12]. Postępy Biochemii 61 (4) 2015 Podobnie pozytywne skutki, jak w przypadku suplementacji hormonu wzrostu odnotowano w badaniach na zwierzętach, którym podawano substrat do syntezy hormonów kory nadnerczy, siarczanu dehydroepiandrosteronu (DHEA). Także DHEA należy do grupy hormonów, których stężenie we krwi ulega wyraźnemu obniżeniu wraz z wiekiem. Myszy, którym podawano DHEA żyły dłużej, jak również charakteryzowały się zmniejszoną zapadalnością na niektóre typy nowotworów (np. raka gruczołu piersiowego), obniżonym poziomem cukru we krwi, mobilizacją komórek układu odpornościowego oraz zmniejszeniem zawartości tkanki tłuszczowej [13]. Z drugiej strony należy nadmienić, iż zwierzęta poddawane działaniu DHEA cechowały się zdecydowanie mniejszym apetytem niż zwierzęta kontrolne, co w opinii niektórych badaczy może sugerować, iż opisane wyżej pozytywne efekty stosowania DHEA mogą być w dużej mierze rezultatem tzw. restrykcji kalorycznej (ograniczenia spożycia pokarmu), która jest jak dotąd jedynym, uznanym sposobem wydłużania czasu życia zwierząt bez poddawania ich manipulacjom genetycznym [14]. Innym czynnikiem zaangażowanym w gospodarkę hormonalną ustroju, którego produkcja zmniejsza się z wiekiem jest insulinopodobny czynnik wzrostu-1 (IGF-1). Jak wykazały badania, stężenie IGF-1 we krwi osób starszych może być nawet o połowę niższe w porównaniu z osobami młodymi [15]. Jednym z najważniejszych efektów niedoboru IGF-1 u osób starszych jest rozwój insulinooporności, prowadzący z kolei do hiperglikemii i rozwoju cukrzycy. Wpływ IGF-1 na działanie insuliny w najlepszy sposób udokumentowano w badaniach na zwierzętach. Wykazano między innymi, iż u zwierząt w zaawansowanym wieku obniżeniu ulega zdolność IGF-1 do pobudzania transportu aminokwasów oraz syntezy białek. Efekt ten ma o tyle duże znaczenie, iż jest on zauważalny mimo podwyższonego stężenia insuliny (na skutek insulinooporności), która pobudza oba wspomniane wyżej procesy [16]. Co ciekawe, jak wykazały niedawne badania, istnieje także silna wzajemna zależność między poziomem IGF-1 a poziomem DHEA we krwi. Wykazano mianowicie, iż stężenie IGF-1 we krwi rośnie wskutek przyjmowania DHEA z pokarmem. Wydaje się prawdopodobne, że zjawisko to może wynikać z pobudzenia wątrobowej produkcji IGF-1 pod wpływem DHEA, jak również z nasilenia produkcji receptorów dla hormonu wzrostu, którego aktywność w dużej mierze zależy właśnie od poziomu IGF-1 [17]. Nie do pominięcia jest także nierozerwalny związek IGF-1, insuliny i GH, które tworzą wspólnie jedną z najbardziej intrygujących ścieżek sygnałowych, zaangażowanych w regulację tempa starzenia się organizmów i ich długowieczności. Jaskrawych dowodów na znaczenie tej ścieżki dostarczyły badania nad skutkami mutacji inaktywującej gen DAF-2, kodujący u nicieni Caenorhabditis elegans receptor dla insuliny i IGF-1, której efektem było tworzenie form larwalnych, gromadzenie zasobów energii, aktywacja systemów antyoksydacyjnych oraz znaczące wydłużenie czasu życia tych organizmów. Inaktywacja ścieżki insulina/ IGF-1 wpłynęła także na wzrost długości życia innych organizmów modelowych, w tym muszki owocówki, a nawet 349 wadzą do zachwiania stałości środowiska Cecha wewnętrznego i rozwoju szeregu patozmiany wsteczne w grasicy logii. Podstawową obniżony stosunek limfocytów T naiwnych do komórek pamięci cechą układu odpornościowego osoby w nasilenie produkcji cytokin prozapalnych (np. IL-1 i IL-6) wieku podeszłym jest obniżenie zdolności wzrost produkcji interferonu γ (IFNγ) i czynnika martwicy nowotworów α (TNFα) wytwarzania odpoobniżona produkcja interleukiny-2, -3, -4 (IL-2, -3, -4) wiedniej liczby i rodzaju przeciwciał. W przesunięcie profilu cytokin z Th1 na Th2 praktyce oznacza to, iż ustrój jest w stanie obniżenie liczby limfocytów B i monocytów odpowiedzieć na te wzrost poziomu autoprzeciwciał antygeny, z którymi zetknął się już w młooligoklonalna ekspansja limfocytów T populacji CD8+ dości, jednak ma duże trudności w obroniewzrost zawartości oksydacyjnych uszkodzeń w limfocytach T niu się przed nowyskrócenie telomerów w limfocytach T mi, nieznanymi mu dotąd antygenami osłabienie zdolności przekazywania sygnału przezbłonowego w limfocytach T [19]. Drugim niekorzystnym zjawiskiem, obniżona produkcja wtórnych przekaźników sygnału w limfocytach T towarzyszącym starzeniu się układu odpornościowego myszy (np. szczep FIRKO). W kontekście przywołanego jest upośledzone odróżnianie białek własnych od obcych. wydłużenia czasu życia myszy należy jednak podkreślić, W tym przypadku dochodzi do wytwarzania przeciwciał, że działanie omawianej ścieżki u organizmów wyższych, w skierowanych przeciwko własnym strukturom (tzw. autotym ssaków, jest dalece bardziej złożone niż u organizmów przeciwciał), co prowadzi do rozwoju chorób o charakterze niższych. Wśród wielu istniejących różnic na szczególne autoimmunologicznym [20]. Uważa się, iż bezpośrednią wyróżnienie zasługuje zależność poziomu IGF-1 od poprzyczyną obu wspomnianych wyżej nieprawidłowości są budzającego działania GH oraz obecność różnego rodzaju zmiany wsteczne w grasicy (z biegiem czasu pozostaje tylko białek wiążących IGF-1, determinujących jego tkankową skupisko nielicznych tymocytów), wraz z równoczesnym dostępność. W odniesieniu do ludzi, dane dotyczące skutobniżeniem liczby naiwnych limfocytów T. Stwierdzono ków nieprawidłowego funkcjonowania systemu insulina/ ponadto szereg nieprawidłowości w profilu wydzielanych IGF-1/GH są dość niejednoznaczne. Przykładowo, osoby cytokin, jak również zaawansowane zmiany wewnątrz limdotknięte niedoborem IGF-1 cechują się, z jednej strony, focytów T. Mając na uwadze charakter zmian zachodzących karłowatością (zespół Larona), otyłością i bezpłodnością, a w układzie odpornościowym u osób starszych, starość zaz drugiej ich średnia długość życia jest większa, przy jedczęto wręcz określać jako zjawisko, któremu towarzyszy noczesnym obniżeniu podatności na rozwój raka. Badania przewlekły proces zapalny. W nomenklaturze anglojęzyczwłoskich stulatków, cechujących się obniżonym poziomem nej zyskało to miano tzw. inflamm-aging [20]. wolnego IGF-1 w surowicy, wykazały natomiast istnienie specyficznych polimorfizmów w genach kodujących poTEORIE MECHANISTYCZNE — KOMÓRKOWE szczególne elementy omawianej ścieżki, w tym receptora dla IGF-1 oraz kinazy PI3K [18]. W pierwszej połowie XX sądzono, iż prawidłowe komórki Tabela 2. Najważniejsze zmiany w obrębie układu odpornościowego u osób w podeszłym wieku (na podstawie [19,20]). TEORIA IMMUNOLOGICZNA Podobnie jak w przypadku układu hormonalnego, trudno jest jednoznacznie określić czy zmiany zachodzące w układzie odpornościowym są przyczyną, czy raczej jednym ze skutków procesu starzenia się (Tab. 2). Jednakowoż w tym przypadku wyodrębniła się bardzo ważna gałąź gerontologii, tzw. immunogerontologia, której reprezentanci analizują zarówno zmiany obejmujące układ odpornościowy osoby starszej, jak również mechanizmy starzenia się komórek tworzących ten układ, szczególnie limfocytów T. Prawidłowe funkcjonowanie układu odpornościowego jest jednym z podstawowych warunków zdrowia i życia, w związku z czym wszelkie zaburzenia jego czynności pro- somatyczne są nieśmiertelne jeśli zapewni się im optymalne warunki wzrostu. Autorem tej tezy był Alexis Carrel, który swe badania prowadził na kurzych fibroblastach. Według niego, stałe dostarczanie hodowli komórkowej bulionu sporządzonego z serc kurzych gwarantuje komórkom nieograniczone możliwości proliferacyjne [21]. Tak postawiona teza sugerowała, iż u podstawy starzenia się organizmów nie leżą zjawiska zachodzące we wnętrzu komórek. Uważał on, iż przyczyną starzenia się jest oddziaływanie na organizm — a przez to i na komórki — czynników zewnętrznych (np. promieniowania) lub procesy przebiegające w środowisku pozakomórkowym. Dowodem potwierdzającym słuszność teorii Carrela miała być jedna z wyprowadzonych przez niego hodowli kurzych fibroblastów, którą prowadzono z sukcesem nieprzerwanie przez 34 lata i zniszczono celowo 350www.postepybiochemii.pl dopiero dwa lata po śmierci jej założyciela. Należy w tym miejscu jednak wspomnieć, że wyniki badań zespołu Carrela nie zostały nigdy potwierdzone przez żaden inny zespół badawczy. Przyczyną tego był popełniony świadomie (lub nieświadomie — zdania co do tego są podzielone) błąd w protokole doświadczalnym, w efekcie którego hodowla badanych fibroblastów była sukcesywnie odmładzana przez nowe, proliferujące komórki, dostarczane wraz z kolejnymi porcjami nie mrożonego uprzednio bulionu [22]. TEORIA STARZENIA KOMÓRKOWEGO Wykazanie błędów natury technicznej i, co za tym idzie, zdeprecjonowanie teorii Carrela przypadło w udziale Leonardowi Hayflickowi i Paulowi Moorheadowi. Badacze ci dowiedli, iż prawidłowe komórki somatyczne są w stanie podzielić się w warunkach hodowlanych tylko ściśle ograniczoną liczbę razy. Do dnia dzisiejszego, tę graniczną liczbę podziałów, po przebyciu której komórki tracą swe możliwości proliferacyjne określa się mianem limitu Hayflicka [23,24]. Ponadto, w swych doświadczeniach, prowadzonych na fibroblastach płucnych, badacze ci zaobserwowali, iż prawidłowe komórki charakteryzują się trzema fazami wzrostu. Pierwsza faza trwa od momentu wyizolowania komórek z tkanki do momentu osiągnięcia fazy zlewności przez hodowlę pierwotną. W tym momencie komórki czasowo przestają się dzielić w związku z tzw. kontaktowym zatrzymaniem wzrostu. Komórkom takim można jednak przywrócić aktywność proliferacyjną poprzez podzielenie populacji pierwotnej na kilka mniejszych subpopulacji. Wówczas to populacje potomne ponownie podejmują aktywność mitotyczną, aż do chwili ponownego kontaktowego zatrzymania wzrostu. Taka jest właśnie charakterystyka drugiej fazy wzrostu. Pod koniec tej fazy, tempo podziałów komórkowych ulega stopniowemu wyhamowywaniu, czego odzwierciedleniem jest wydłużający się czas, potrzebny do pokrycia całej powierzchni naczynia przez komórki. Ostatnia, trzecia faza polega na wyczerpaniu się możliwości proliferacyjnych komórek, które niezależnie od czasu pozostawienia ich w hodowli, nie są już zdolne do podziałów. Komórki takie nazywa się replikacyjnie starymi [23]. Hayflick jako pierwszy zasugerował także, iż proces replikacyjnego starzenia się komórek in vitro może w jakimś stopniu odzwierciedlać starzenie się organizmu jako całości in vivo [24]. Tezę tę wysnuł na podstawie zaobserwowania odwrotnej zależności między potencjałem podziałowym komórek a kalendarzowym wiekiem ich dawcy. Zauważył on mianowicie, iż podczas gdy komórki wyizolowane od płodów zaczynały się starzeć średnio po 48 podziałach, to w przypadku komórek pobranych od osób dorosłych, moment ten następował dużo szybciej, tj. średnio po 20 podziałach. Powtarzalność tego zjawiska pozwoliła postawić tezę, iż we wnętrzu komórek musi istnieć określony mechanizm, którego zadaniem jest zliczanie kolejnych podziałów i w odpowiednim momencie ich ostateczne zatrzymanie. Kolejne eksperymenty z wykorzystaniem techniki zamrażania komórek w ciekłym azocie wykazały równocześnie, iż ów mitotyczny zegar, nazwany przez Hayflicka replikometrem, posiada cechę pamięci, dzięki której, niezależnie od długości przechowywania komórek w azocie, komórki „pamiętają” ile podziałów już przeszły. W rezultacie, po odmroPostępy Biochemii 61 (4) 2015 żeniu, aktywność mitotyczna komórek ustawała niemal równo z zakończeniem pięćdziesiątego podziału. Dalsze badania Hayflicka z wykorzystaniem hybryd komórkowych (starych cytoplastów, do których wprowadzono młode jądra komórkowe i młodych cytoplastów zawierających stare jądra) pozwoliły ustalić, że mechanizm determinujący wyczerpywalną liczbę podziałów, jaką może przejść komórka in vitro jest związany z jądrem komórkowym [25]. Dalsze badania, prowadzone na różnego typu komórkach somatycznych pozwoliły w kolejnych latach potwierdzić obserwacje Hayflicka, czego jedną z najważniejszych konkluzji było stwierdzenie, akceptowane obecnie przez całość środowiska naukowego, że starzenie się komórek jest formą ich odpowiedzi na rozległe i zazwyczaj nienaprawialne uszkodzenia DNA, zlokalizowane w telomerowych i/lub nietelomerowych fragmentach genomu [26]. TEORIA TELOMEROWA Pod koniec pierwszej połowy ubiegłego wieku, Herman Muller oraz Barbara McClintock zasugerowali, iż końcowe odcinki chromosomów, nazwane później telomerami, mogą pełnić funkcje ochronne względem stabilności genomu. Ludzkie telomery to struktury zbudowane z tysięcy par zasad o wzorze TTAGGG. Uważa się, iż biologiczną funkcją telomerów jest zabezpieczanie końców chromosomów przed spontanicznym łączeniem się i degradacją oraz ochrona dalszych, kodujących sekwencji DNA [27]. W 1990 roku Harley i wsp. wykazali, iż każdemu kolejnemu podziałowi fibroblastów towarzyszy skrócenie telomerów o około 50–200 par zasad na jeden podział [28]. Uważa się, iż to właśnie proces skracania się telomerów jest poszukiwanym przez Hayflicka replikometerem, tj. zegarem komórkowym odpowiedzialnym za uruchomienie programu replikacyjnego starzenia się komórek (Ryc. 3). Jako podstawową przyczynę utraty telomerowego DNA uznawało się klasycznie tzw. problem końca replikacji, polegający na niepełnej syntezie nici potomnej na końcu 3` macierzystej nici opóźnionej [29]. Zjawisko to związane jest z właściwościami enzymu syntetyzującego DNA, polimerazy DNA, która może pracować tylko w kierunku 5`→ 3` i w związku z tym syntetyzuje nić potomną w sposób ciągły tylko na matrycy nici wiodącej (biegnącej w kierunku 3`→ 5`). Natomiast na matrycy nici opóźnionej, a więc tej, biegnącej w kierunku 5`→ 3`, polimeraza DNA dobudowuje nić potomną za pomocą krótkich fragmentów Okazaki. Punktem Rycina 3. Sukcesywna utrata telomerowego DNA, prowadząca do nieodwracalnego zatrzymania podziałów komórkowych i starzenia. Do dnia dzisiejszego kwestią otwartą jest czy starzenie komórek inicjowane jest skróceniem telomerów we wszystkich chromosomach, czy zaledwie w ich części. 351 wyjścia zarówno syntezy ciągłej, jak i nieciągłej są startery RNA, wydłużane następnie za pomocą polimerazy DNA. Po ukończeniu syntezy wszystkich fragmentów Okazaki, startery RNA zostają wycięte, a powstałe w ten sposób luki zostają wypełnione dzięki aktywności enzymów z grupy ligaz, poprzez wydłużenie końca 3` następnego fragmentu Okazaki. Proces ten przebiega bez zakłóceń, aż do chwili, gdy synteza DNA zbliża się do rzeczywistego końca chromosomu. Wówczas to usunięcie ostatniego startera RNA na końcu nici opóźnionej powoduje, iż poza końcem chromosomu nie ma już DNA mogącego posłużyć jako matryca dla syntezy kolejnego fragmentu Okazaki. W ten sposób luka powstała po wycięciu ostatniego startera nie zostanie wypełniona i z każdym kolejnym podziałem, koniec 5` telomeru będzie się stawał coraz krótszy. W momencie, gdy telomer jest zbyt krótki aby ochraniać ważne życiowo, kodujące sekwencje DNA, komórka otrzymuje sygnał nakazujący jej wyjście z cyklu podziałowego [29]. Obecnie, po wielu latach badań nad właściwościami telomerów pogląd na bezpośrednią przyczynę ich erozji uległ pewnej modyfikacji. Otóż wykazano, że telomery pełnią w komórce funkcję specyficznych sensorów stresu genotoksycznego, który jest w stanie trwale wstrzymać podziały komórkowe na długo przed tym niż komórka przebyłaby przewidzianą dla niej liczbę mitoz [30]. Na koniec warto również wspomnieć, iż niektóre typy komórek somatycznych, np. komórki mezotelium otrzewnowego starzeją się bez zmian w długości telomerowego DNA. Jak wykazano badając komórki mezotelialne, które utraciły zdolność do podziałów wskutek wielokrotnego pasażowania, zdecydowana większość specyficznych dla komórkowego starzenia uszkodzeń DNA zlokalizowana była w nich poza telomerami [31]. Ta i wiele podobnych obserwacji pozwoliły wysnuć wniosek, że obok klasycznego, replikacyjnego starzenia się komórek, determinowanego erozją telomerowego DNA istnieje mechanizm alternatywny, w którym komórki starzeją się także wskutek wyczerpania zdolności do podziałów, jednak proces ten następuje w nich szybciej i odpowiedzialne są za niego odmienne mechanizmy efektorowe. ANTAGONISTYCZNA PLEJOTROPIA NA POZIOMIE KOMÓRKOWYM Ewolucyjne założenia teorii antagonistycznej plejotropii znajdują swoje odbicie także na poziomie pojedynczych komórek. Według Judith Campisi zjawisko replikacyjnego starzenia się komórek jest wzorcowym przykładem antagonistycznej plejotropii [32]. Z jednej bowiem strony, komórka która się zestarzeje nie przekaże już komórkom potomnym nabytych wcześniej mutacji. W tym kontekście pamiętać należy, iż każdy podział komórkowy obarczony jest ryzykiem powstawania mutacji. Im częściej dana komórka się dzieli, tym więcej mutacji może powstać w jej DNA, co zwiększa ryzyko jej transformacji nowotworowej. Nie bez powodu najgroźniejsze nowotwory — raki — wywodzą się z komórek nabłonkowych, czyli tych obdarzonych największym potencjałem proliferacyjnym. Z drugiej jednak strony, proces starzenia się komórek zatrzymuje transformację nowotworową tylko w młodych organizmach, czego dowodem jest niska zapadalność na nowotwory osób młodych. U osób starszych, proces starzenia się może chorobę nowotworową nasilać. Już od dawna wiadomo bowiem, iż zaawansowany wiek jest jednym z najważniejszych czynników ryzyka wystąpienia choroby nowotworowej. Wielu badaczy sądzi, iż wzrost zapadalności na nowotwory wraz z wiekiem może wiązać się z gromadzeniem w tkankach komórek starych, które zmieniają mikrośrodowisko tkanki na sprzyjające procesowi nowotworowemu. Wykazano, że komórki stare charakteryzują się nasiloną produkcją wielu czynników mogących zmieniać mikrośrodowisko tkanek na sprzyjające progresji nowotworów. Wśród nich wymienić można: heregulinę-β1 (HRG-β1), będącą silnym mitogenem dla różnego typu komórek rakowych; kolagenazę i metalloproteazę-3, czyli enzymy proteolityczne odpowiedzialne za degradację łącznotkankowego zrębu tkanki; czynnik wzrostu śródbłonka naczyń (VEGF), będący kluczowym aktywatorem angiogenezy oraz interleukinę-1 (IL-1), będącą jednym z najważniejszych mediatorów reakcji zapalnej. Warto zwrócić uwagę, iż ze zwiększoną sekrecją wymienionych czynników mamy zwykle do czynienia wówczas, gdy konieczna jest tymczasowa przebudowa struktur macierzy pozakomórkowej w celu usprawnienia przebiegu regeneracji tkanki lub w trakcie reakcji zapalnej. Z drugiej strony, ich przewlekłe wydzielanie przez gromadzące się wraz z wiekiem komórki stare może trwale upośledzić integralność i prawidłowe funkcjonowanie tkanek, co z kolei może doprowadzić do wytworzenia się warunków przyjaznych procesowi nowotworowemu [32]. TEORIA WOLNORODNIKOWA Twórcą wolnorodnikowej teorii starzenia jest Denham Harman. Według niego, podstawową przyczyną procesu starzenia się komórek i człowieka jest nagromadzenie się uszkodzeń kluczowych dla życia makrocząsteczek, a więc DNA, białek i lipidów, spowodowane aktywnością wolnych rodników tlenowych, a precyzyjniej rzecz ujmując, reaktywnych form tlenu (RFT) [33]. RFT to cząstki chemiczne (atomy lub cząsteczki) zawierające w swej strukturze atom(y) tlenu, zdolne do samodzielnego istnienia i cechujące się obecnością jednego lub większej liczby niesparowanych elektronów lub jak ma to miejsce w przypadku np. nadtlenku wodoru, ozonu i tlenu singletowego, nie posiadające wolnych elektronów lecz cechujące się obecnością wiązania O¾O. Taka budowa chemiczna determinuje wysoką reaktywność tych cząstek przejawiającą się ich stałym dążeniem do przyłączenia się do innych molekuł i oddania im nadmiarowych elektronów. Konsekwencją tych zdarzeń jest trwała zmiana budowy chemicznej „zaatakowanych” makrocząsteczek (DNA, białek, lipidów) i co za tym idzie upośledzenie ich przydatności biologicznej [34]. Głównym źródłem RFT w komórce są mitochondria, a dokładniej zachodzące w nich reakcje utleniania komórkowego. Podczas procesu przyłączania czterech elektronów do cząsteczek tlenu, od 3–5% tych przemian ulega przedwczesnemu zakończeniu na stadiach, których bezpośrednimi produktami są RFT. W komórkach starych proces ten ulega znacznemu nasileniu, czego przyczyną jest wzrost aktywności oksydazy cytochromowej oraz dehydrogenazy NADH. Wśród innych, ważnych źródeł RFT wymienić można: promieniowanie jonizujące, działanie ksenobioty- 352www.postepybiochemii.pl ków oraz reakcje utleniania szeregu substancji biologicznie czynnych, np. glukozy [34]. Uważa się, iż najbardziej istotne dla procesu starzenia są oksydacyjne uszkodzenia DNA. Wskutek oddziaływań RFT z DNA dochodzi do powstawania pęknięć pojedynczej lub obu nici DNA, powstawanie wiązań poprzecznych oraz modyfikacje zasad azotowych. Stwierdzono, iż liczba oksydacyjnych uszkodzeń DNA powstających w przeciętnej komórce człowieka w ciągu doby oceniana jest na około 10000 [35]. Większość z tych uszkodzeń ulega naprawie, jednak pewna część z nich gromadzi się dając początek różnego rodzaju mutacjom. Miejscem szczególnie narażonym na działanie RFT jest mitochondrialne DNA (mtDNA), które znajduje się w bezpośrednim sąsiedztwie źródła RFT i nie jest zabezpieczane przez białka histonowe [36]. W ostatnich latach zmienił się natomiast pogląd na zdolności naprawcze w obrębie mtDNA, które pierwotnie określano jako niewielkie. Badania dowiodły bowiem, że mitochondria posiadają efektywnie działający mechanizm wycinania zasad (ang. base excision repair), który okazuje się być jedynie mało efektywny, gdy zachodzi potrzeba usuwania uszkodzeń indukowanych działaniem promieni UV [37]. Szczególne znaczenie w kontekście mechaniki komórkowego starzenia mają pęknięcia obu nici DNA, stanowiące element tzw. ścieżki odpowiedzi na uszkodzenia DNA (DDR; ang. DNA damage response). Stwierdzono, że krytyczna degradacja telomerowego DNA rozpoznawana jest przez komórkę właśnie jako obecność rozległych pęknięć dwuniciowych. Czynnikiem, sygnalizującym obecność tego typu uszkodzeń jest uformowanie się tzw. ognisk uszkodzonego DNA związanych ze starzeniem (SDF; ang. senescence-associated DNA damage foci), w skład których wchodzą m.in. ufosforylowany wariant histonu H2A.X (γ-H2A.X) oraz białko 53BP1. W efekcie tych zdarzeń dochodzi do aktywacji kinazy ATM, która fosforylując białko p53 doprowadza do jego aktywacji i nieodwracalnego zatrzymania podziałów komórkowych [26]. Uszkodzenia DNA spowodowane aktywnością RFT, w tym przypadku pęknięcia jednoniciowe, przyczyniają się także bezpośrednio do tempa skracania się telomerów. Co więcej, jak dowiodły badania zespołu von Zglinickiego, uszkodzenia te mogą determinować degradację telomerowego DNA w znacznie większym stopniu niż opisany wcześniej problem końca replikacji. Przyczyną tego zjawiska jest fakt, że sprawność mechanizmów naprawiających pęknięcia pojedynczej nici DNA w obrębie telomerów wydaje się być dużo niższa w porównaniu z innymi częściami genomu. Potwierdzenia słuszności tych tez dostarczyły badania z wykorzystaniem substancji antyoksydacyjnych, których dodanie do pożywki hodowlanej wpłynęło na spowolnienie tempa skracania się telomerów oraz znamienne zwiększenie możliwości replikacyjnych komórek in vitro [38]. Pomimo przytoczonych powyżej dowodów na związek między działaniem stresu oksydacyjnego a starzeniem na poziomie komórkowym in vitro, słuszność wolnorodnikowej teorii starzenia jest przedmiotem trwającej debaty. U jej źródła leżą przede wszystkim niejednoznaczne, częPostępy Biochemii 61 (4) 2015 sto wręcz przeciwstawne wyniki badań nad wpływem redukcji stresu oksydacyjnego na długość życia organizmów modelowych. Przykładowo, podczas gdy wywołanie nadekspresji genu kodującego dysmutazę ponadtlenkową (SOD) przełożyło się na wzrost długości życia muszek owocówek, a zastosowanie mimetyków SOD i katalazy (CAT) wywołało podobny efekt u nicieni, podobne manipulacje zastosowane na myszach, zdecydowanie zawiodły. Podawanie myszom substancji antyoksydacyjnych wraz z pokarmem wpłynęło na zmniejszenie stopnia oksydacyjnych uszkodzeń w komórkach, jednak nie przyniosło spodziewanego efektu w postaci wydłużenia czasu ich życia. Jak wynika z powyższych rozważań, główna słabość teorii wolnorodnikowej jest spowodowana trudnościami w udowodnieniu zależności przyczynowo-skutkowej między poziomem stresu oksydacyjnego a długością życia organizmów wyższych. Innym problemem jest określenie czy działanie RFT jest rzeczywistą przyczyną procesu starzenia się (organizmu), czy może tylko jednym z jego skutków. Argumenty przemawiające „za” i „przeciw” wolnorodnikowej teorii starzenia, przytoczone w tym krótkim podrozdziale są jedynie drobną cząstką merytorycznego sporu, który obecnie dzieli naukowców. Czytelnik zainteresowany zgłębieniem racji obu stron znajdzie szczegółowe informacje, pochodzące z licznych badań eksperymentalnych w doskonałych pracach przeglądowych, skłaniających się zarówno ku tej teorii [39], jak i przeciwko niej [40]. PODSUMOWANIE Mimo mnogości zaproponowanych dotychczas teorii starzenia się, zjawisko to nadal stanowi tajemnicę, którą niezwykle trudno rozwikłać. Owa mnogość teorii świadczy z jednej strony o naszym ciągłym dążeniu do zmierzenia się z „zagadką starości”, jak również dowodzi, iż nieobce jest nam dążenie do nieśmiertelności. Analizując dokładnie hipotezy, które kształtowały się w ostatnim stuleciu, w oczy rzuca się fakt, iż wiele teorii niesie ze sobą niekiedy zupełnie sprzeczne przesłania. Szczególnie silnie zaznacza się antagonizm pomiędzy zwolennikami tezy o nieuchronności starzenia, a tymi, którzy sądzą, iż poznanie genetycznego i/lub biochemicznego mechanizmu starzenia się komórek pozwoli nam ów mechanizm spowolnić lub zatrzymać. Jako pozytywny skutek powstania licznych teorii starzenia można natomiast uznać, iż wiele z postulatów otworzyło drogę do badań szeregu pokrewnych zagadnień z zakresu biologii i medycyny. Chyba najlepszym tego przykładem jest związek, który uwydatnił się pomiędzy starzeniem się komórek a rozwojem choroby nowotworowej. Dzięki badaniom procesu starzenia się rozwinięto także wiedzę na temat rodzajów i mechanizmów śmierci komórek. Podsumowując można stwierdzić, że poszukiwania uniwersalnej teorii starzenia niosą w sobie potencjał do odkrywania wzajemnych powiązań między różnymi zjawiskami zachodzącymi w organizmie człowieka w stanie zdrowia i choroby. Ma to szczególne znaczenie w trwającej obecnie dobie starzenia się społeczeństw, kiedy to skuteczna walka z chorobami towarzyszącymi starości może okazać się cenniejsza niż samo dążenie do pokonania starości jako takiej. Czytelnicy zainteresowani problematyką biogerontologiczną, w tym m.in. charakterystyką mechanizmów starzenia się różnego typu komórek somatycznych, współzależnościami między 353 starzeniem a śmiercią komórkową, rolą ścieżki sygnałowej insulina/IGF-1/GH w regulacji tempa starzenia i długowieczności oraz znaczeniem starzenia komórkowego w rozwoju chorób związanych z wiekiem znajdą szereg doskonałych artykułów na ten temat w jednym z ubiegłorocznych numerów Postępów Biochemii.1 PIŚMIENNICTWO 1. Medvedev ZA (1990) An attempt at a rational classification of theories of ageing. Biol Rev Camb Philos Soc 65: 375-398 2. Williams GC (1957) Pleiotropy, natural selection, and the evolution of senescence. Evolution 11: 398-411 3. Medawar PB (1952) An unsolved problem of biology. London, HK Lewis 4. Nakamura K, Aminoff MJ (2007) Huntington’s disease: clinical characteristics, pathogenesis and therapies. Drugs Today (Barc) 43: 97-116 5. Ungewitter E, Scrable H (2009) Antagonistic pleiotropy and p53. Mech Ageing Dev 130: 10-17 6. Leroi AM, Bartke A, De BG, Franceschi C, Gartner A, Gonos ES, Fedei ME, Kivisild T, Lee S, Kartaf-Ozer N, Schumacher M, Sikora E, Slagboom E, Tatar M, Yashin AI, Vijg J, Zwaan B (2005) What evidence is there for the existence of individual genes with antagonistic pleiotropic effects? Mech Ageing Dev 126: 421-429 7. Kirkwood TB (1977) Evolution of ageing. Nature 270: 301-304 8. Rose MR (1989) Genetics of increased lifespan in Drosophila. Bioessays 11: 132-135 9. Westendorp RG, Kirkwood TB (1998) Human longevity at the cost of reproductive success. Nature 396: 743-746 10.Egli D, Akutsu H (2011) Aging of the female reproductive system. J Mammalian Ova Res 28: 118-125 11.Patnaik B, Barik M (2005) Is there a male menopause or andropause? A review of aging male reproductive system. Indian Journal of Gerontology 19: 237-242 12.Bartke A (2008) Growth hormone and aging: a challenging controversy. Clin Interv Aging 3: 659-665 13.Watson RR, Huls A, Araghinikuam M, Chung S (1996) Dehydroepiandrosterone and diseases of aging. Drugs Aging 9: 274-291 14.Urbanski HF, Mattison JA, Roth GS, Ingram DK (2013) Dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS) as an endocrine marker of aging in calorie restriction studies. Exp Gerontol 48: 1136-1139 15.Deak F, Sonntag WE (2012) Aging, synaptic dysfunction, and insulin-like growth factor (IGF)-1. J Gerontol A Biol Sci Med Sci 67: 611-625 16.Perrini S, Laviola L, Carreira MC, Cignarelli A, Natalicchio A, Giorgino F (2010) The GH/IGF1 axis and signaling pathways in the muscle and bone: mechanisms underlying age-related skeletal muscle wasting and osteoporosis. J Endocrinol 205: 201-210 17.Papierska L, Rabijewski M, Kasperlik-Zaluska A, Zgliczynski W (2012) Effect of DHEA supplementation on serum IGF-1, osteocalcin, and bone mineral density in postmenopausal, glucocorticoid-treated women. Adv Med Sci 57: 51-57 18.van Heemst D (2010) Insulin, IGF-1 and longevity. Aging Dis 1: 147157 19.Pawelec G (2006) Immunity and ageing in man. Exp Gerontol 41: 12391242 20.Boren E, Gershwin ME (2004) Inflamm-aging: autoimmunity, and the immune-risk phenotype. Autoimmun Rev 3: 401-406 21.Carrel A (1912) On the permanent life of tissues outside of the organism. J Exp Med 15: 516-528 24.Hayflick L (1965) The limited in vitro lifetime of human diploid cell strains. Exp Cell Res 37: 614-636 25.Hayflick L (2003) Living forever and dying in the attempt. Exp Gerontol 38: 1231-1241 26.von Zglinicki T, Saretzki G, Ladhoff J, d`Adda di Fagagna F, Jackson SP (2005) Human cell senescence as a DNA damage response. Mech Ageing Dev 126: 111-117 27.Cech TR (2004) Beginning to understand the end of the chromosome. Cell 116: 273-279 28.Harley CB, Futcher AB, Greider CW (1990) Telomeres shorten during ageing of human fibroblasts. Nature 345: 458-460 29.Osterhage JL, Friedman KL (2009) Chromosome end maintenance by telomerase. J Biol Chem 284: 16061-16065 30.Suram A, Herbig U (2014) The replicometer is broken: telomeres activate cellular senescence in response to genotoxic stresses. Aging Cell 13: 780-786 31.Ksiazek K (2013) Mesothelial cell: A multifaceted model of aging. Ageing Res Rev 12: 595-604 32.Campisi J (2005) Senescent cells, tumor suppression, and organismal aging: good citizens, bad neighbors. Cell 120: 513-522 33.Harman D (1956) Aging: a theory based on free radical and radiation chemistry. J Gerontol 11: 298-300 34.Bolisetty S, Jaimes EA (2013) Mitochondria and reactive oxygen species: physiology and pathophysiology. Int J Mol Sci 14: 6306-6344 35.Freitas AA, de Magalhaes JP (2011) A review and appraisal of the DNA damage theory of ageing. Mutat Res 728: 12-22 36.Alexeyev MF (2009) Is there more to aging than mitochondrial DNA and reactive oxygen species? FEBS J 276: 5768-5787 37.Gredilla R (2010) DNA damage and base excision repair in mitochondria and their role in aging. J Aging Res 2011: 257093 38.von Zglinicki T, Pilger R, Sitte N (2000) Accumulation of single-strand breaks is the major cause of telomere shortening in human fibroblasts. Free Radic Biol Med 28: 64-74 39.Liochev SI (2013) Reactive oxygen species and the free radical theory of aging. Free Radic Biol Med 60: 1-4 40.Piotrowska A, Bartnik E (2014) The role of reactive oxygen species and mitochondria in aging. Postepy Biochem 60: 240-247 41.Wallace AR (1889) The Action of Natural Selection in Producing Old Age, Decay, and Death, in Essays Upon Heredity and Kindred Biological Problems, p S419 42.Weismann A (1892) Über Leben und Tod. Jena, Verlag von Gustav Fisher 43.Metchnikoff I (1903) The Nature of Man. Putman, New York 44.Rubner M (1908) Das problem der lebensdauer. Oldenburg Munich 45.Loeb J, Northrop JH (1916) Is There a Temperature Coefficient for the Duration of Life? Proc Natl Acad Sci USA 2: 456-457 46.Szilard L (1959) On the nature of the aging process. Proc Natl Acad Sci USA 45: 30-45 47.Berg BN, Simms HS (1960) Nutrition and longevity in the rat. II. Longevity and onset of disease with different levels of food intake. J Nutr 71: 255-263 48.Bjorksten J, Andrews F, Bailey J, Trenk B (1960) Fundamentals of aging: immobilization of proteins in wholebody irradiated white rats. J Am Geriatr Soc 8: 37-47 49.Walford RL (1962) Auto-immunity and aging. J Gerontol 17: 281-285 50.Orgel LE (1963) The maintenance of the accuracy of protein synthesis and its relevance to aging. Proc Natl Acad Sci USA 49: 517-521 22.Witkowski JA (1980) Dr. Carrel’s immortal cells. Med Hist 24: 129-142 51.Medvedev ZA (1964) The nucleic acids in development and aging. Adv Gerontol Res 18: 181-206 23.Hayflick L, Moorhead PS (1961) The serial cultivation of human diploid cell strains. Exp Cell Res 25: 585-621 52.Alexander P (1967) The role of DNA lesions in processes leading to aging in mice. Symp Soc Exp Biol 21: 29-50 Numer specjalny pt.: Molekularne i komórkowe mechanizmy starzenia, 2014, tom 60, numer 2 (przypis redakcji). 1 53.Reichel W, Hollander J, Clark JH, Strehler BL (1968) Lipofuscin pigment accumulation as a function of age and distribution in rodent brain. J Gerontol 23: 71-78 354www.postepybiochemii.pl 54.Dilman VM (1970) Growth hormone, age and the endometrium. N Engl J Med 283: 375 55.Olovnikov AM (1973) A theory of marginotomy. The incomplete copying of template margin in enzymic synthesis of polynucleotides and biological significance of the phenomenon. J Theor Biol 41: 181-190 56.Goldstein AL, Hooper JA, Schulof RS, Cohen GH, Thurman GB, McDaniel MC, White A, Dardenne M (1974) Thymosin and the immunopathology of aging. Fed Proc 33: 2053-2056 57.Zs-Nagy I (1978) A membrane hypothesis of aging. J Theor Biol 75: 189-195 58.Comfort A (1979) The biology of senescence. Churchill Livingstone, Edinburgh 59.Monnier VM, Stevens VJ, Cerami A (1981) Maillard reactions involving proteins and carbohydrates in vivo: relevance to diabetes mellitus and aging. Prog Food Nutr Sci 5: 315-327 60.Cerami A (1985) Hypothesis. Glucose as a mediator of aging. J Am Geriatr Soc 33: 626-634 61.Walford RL, Harris SB, Weindruch R (1987) Dietary restriction and aging: historical phases, mechanisms and current directions. J Nutr 117: 1650-1654 63.Orr WC, Sohal RS (1994) Extension of life-span by overexpression of superoxide dismutase and catalase in Drosophila melanogaster. Science 263: 1128-1130 64.Skulachev VP (1997) Aging is a specific biological function rather than the result of a disorder in complex living systems: biochemical evidence in support of Weismann’s hypothesis. Biochemistry (Mosc) 62: 1191-1195 65.McCann SM, Licinio J, Wong ML, Yu WH, Karanth S, Rettorri V (1998) The nitric oxide hypothesis of aging. Exp Gerontol 33: 813-826 66.Gavrilov LA, Gavrilova NS (2001) The reliability theory of aging and longevity. J Theor Biol 213: 527-545 67.Heininger K (2002) Aging is a deprivation syndrome driven by a germ-soma conflict. Ageing Res Rev 1: 481-536 68.Brunk UT, Terman A (2002) The mitochondrial-lysosomal axis theory of aging: accumulation of damaged mitochondria as a result of imperfect autophagocytosis. Eur J Biochem 269: 1996-2002 69.Lane N (2003) A unifying view of ageing and disease: the double-agent theory. J Theor Biol 225: 531-540 70.Blagosklonny MV (2006) Aging and immortality: quasi-programmed senescence and its pharmacologic inhibition. Cell Cycle 5: 2087-2102 62.Kristal BS, Yu BP (1992) An emerging hypothesis: synergistic induction of aging by free radicals and Maillard reactions. J Gerontol 47: B107-B114 The holy Graal of biology, or how and why do we age? Justyna Mikuła-Pietrasik, Anna Niewiarowska, Krzysztof Książek* Poznań University of Medical Sciences, Department of Pathophysiology, 8 Rokietnicka Str. 60-806 Poznań, Poland * e-mail: [email protected] Key words: Hayflick’s limit, natural selection, oxidative stress, theories of aging ABSTRACT In recent years, a search for a single, universal cause of aging has been replaced by the notion that the aging phenomenon is sufficiently complex to be governed by several complementary processes. This situation stems to a large extent from a fact that aging may be considered at various levels, starting from whole populations, through individual organisms, tissues and organs, ending on particular cell types. This complexity has determined currently functioning division of aging theories into evolutionary and mechanistic. First group aims at answering the question “why do we age?” and determining a biological purpose of this process. Mechanistic theories, in turn, try to answer the question “how do we age?” in terms of direct reasons of adverse changes that appear in organisms with age. The aim of this paper was to collect and present the most important theories of aging, pointing — if possible — on reciprocal relationships between them. Postępy Biochemii 61 (4) 2015 355
