Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Неизвестно, почему у разных животных столь разная продолжительность жизни: мыши живут всего три с половиной года, в то время как киты могут дожить до восьмидесяти лет. Однако все доступные нам данные свидетельствуют о том, что старение не является основным фактором, приводящим к смерти диких животных, поскольку другие факторы — такие, как нападения хищников и болезни, — вызывают их гибель значительно раньше. Более 90 процентов мышей, живущих в природных условиях, погибают уже в первый год своего существования.

Старение не является элементом нашей программы развития, и не существует таких генов, которые способствовали бы старению. Напротив, в ходе эволюции выработаны клеточные механизмы, которые препятствуют старению. Однако эти механизмы действуют лишь до той поры, пока воспроизводство остается важной составляющей частью жизнедеятельности организма.

Воздействие процессов эволюции становится очевидным, если сравнить мышь двухлетнего возраста со слоненком такого же возраста. К этому моменту мышь уже стара, тогда как слон еще детеныш. Эволюция выработала механизмы, которые препятствуют старению слона до той поры, пока у него не появится потомство.

Природа разработала особые механизмы, которые позволяют затормозить начало процесса старения до того, пока не вырастет следующее поколение. Но затем процесс идет по нарастающей. В этом состоит суть теории «выбрасываемых после употребления тел», согласно которой люди и животные становятся ненужными после того, как взращивают свое потомство.

Но если старение не запрограммировано нашими генами, то отчего же оно тогда случается? Ответ прост: по той же причине, по какой стареют и выходят из строя автомобили и стиральные машины, — по причине износа. Старение происходит вследствие накопления невосполнимых повреждений клеток и молекул в организме, а также из-за достижения предела возможностей организма поддерживать в работоспособном состоянии клетки, ДНК и белки.

Сохранение целостности ДНК является основной задачей для любой клетки, поскольку повреждение цепочки ДНК приводит, с одной стороны, к исчезновению в клетке жизненно важных белков, а с другой — к появлению ненужных белков и белков, способных принести вред. Подобные негативные явления накапливаются в организме с того самого момента, когда начинают образовываться клетки и ткани. Повреждения накапливаются также в митохондриях и в клеточных оболочках. То, как долго сможет жить организм, определяется прежде всего его способностью исправлять различные возникающие по разным причинам повреждения.

То, что наши клетки стареют, показывает простой с точки зрения биологии опыт. Если взять клетки из соединительной ткани молодого человека и поместить в искусственную питательную среду, то количество их делений составит около 50 циклов. Если же проделать аналогичный эксперимент с клетками шестидесятилетнего человека, то их размножение ограничится примерно 30 циклами. Меньшее число циклов деления как раз и отражает эффект старения. Однако при этом в теле человека существуют клетки, которые старению на первый взгляд не подвержены и продолжают активно размножаться на протяжении длительных периодов времени. Речь идет прежде всего о стволовых клетках.

Старение также хорошо иллюстрирует поведение клеток человека, страдающего от синдрома Вернера, который выражается в преждевременном старении, — такие клетки делятся в искусственной питательной среде намного меньшее число раз, нежели клетки, взятые у здорового человека. Люди, пораженные синдромом Вернера, имеют характерный невысокий рост и к сорока годам выглядят заметно состарившимися. Обычно они умирают ближе к пятидесяти годам от рака и болезней сердца. При этом развитие синдрома Вернера вызывается повреждением всего лишь одного гена, однако этот ген необходим для репликации и починки ДНК.

Одно из объяснений снижения способности клеток к делению кроется в том, что при каждой репликации утрачивается часть находящихся на концах генов теломер. Это происходит из-за отсутствия энзима теломеразы, при участии которого теломеры восстанавливаются после каждого деления клетки. Этот энзим присутствует в репродуктивных клетках, находящихся в яичках и в яичниках, а также в некоторых взрослых стволовых клетках, где отвечает за предотвращение их старения. Возможно, путем укорачивания теломер накладывается определенное ограничение на количество делений каждой клетки и ведется своеобразный подсчет числа этих делений. Подобный механизм может действовать для того, чтобы защитить организм от неконтролируемого размножения клеток, характерного, например, для рака, и тогда старение является той платой, которую мы платим за предотвращение появления раковой опухоли.