Пептидная саморегуляция живых систем (факты и гипотезы) - Шатаева Л. К. 2003
Пептидная регуляция старения
Молекулярные механизмы старения
Несмотря на многоуровневую иерархию, все механизмы регуляции гомеостаза выполняют в принципе единую задачу, а именно координируют процессы биосинтеза в клетках организма путем воздействия на экспрессию генов. По современным представлениям, регуляция гомеостаза многоклеточных систем осуществляется с помощью нейроэндокринных и иммунологических механизмов. Наиболее изучена роль нервных и гормональных воздействий на процессы, позволяющие организму контролировать постоянство внутренней среды (Гомеостаз, 1981). Известно, что нервная и эндокринная системы модулируют функции иммунной системы с помощью нейротрансмиттеров, нейропептидов и гормонов, а иммунная система взаимодействует с нейроэндокринной системой с помощью цитокинов, иммунопептидов и иммунотрансмиттеров. Иммунная система обеспечивает сохранение генетического постоянства клеточного состава, т. е. она является одним из гомеостатических механизмов поддержания целостности организма (Иммунофизиология, 1993).
Принципиально важным при развитии возрастной патологии является факт резкого снижения синтеза многих регуляторных пептидов и чувствительности к ним клеток-мишеней (Kasków et al., 1999; Хавинсон и др., 2001а). Учитывая широкий спектр биологического действия этих веществ (Ашмарин, Обухова, 1986), можно предположить, что такое изменение их продукции приводит к нарушению деятельности всех звеньев пептидной регуляции и к постепенному угасанию функций в стареющем организме. Пептидные гормоны принимают участие в регуляции старения через разные механизмы действия — эндокринный, нейрокринный, паракринный и аутокринный (Корнева, Штихнек, 1988). Так, например, эндокринный механизм действия характерен для рилизинг-гормонов гипоталамуса. Показано, что у пожилых мужчин гипоталамус вырабатывает меньше гонадотропин-рилизинг гормона (люлиберина), а клетки Лейдига в семенниках слабее отвечают на действие гонадотропинов гипофиза. У старых крыс ослаблен ответ нейросекреторных клеток гипоталамуса, синтезирующих люлиберин, на возбуждение NMDA-рецепторов. Результатом таких нарушений пептидной регуляции является ослабление с возрастом секреции лютеинизирующего гормона клетками аденогипофиза, что приводит к серьезным расстройствам менструального цикла и климактерическому синдрому (Sahu, Kalra, 1998).
Кроме снижения уровня синтеза пептидов происходит и ослабление рецепторного их восприятия многими клетками и тканями-мишенями. Например, действие экзогенно введенной субстанции Р на нейроны ядра солитарного тракта у старых крыс значительно менее выражено, чем у молодых. По-видимому, это связано с обнаруженным уменьшением количества NK-1-рецепторов (специфических к субстанции Р) в данной области мозга. Также было показано ослабление эффективности действия субстанции Р на гладкие мышцы дыхательных путей. Немаловажное значение в описанных феноменах может иметь факт снижения по мере старения количества мРНК, необходимой для синтеза предшественника субстанции Р — препротахикинина А. В других исследованиях было показано, что у старых мышей тормозится или совсем исчезает стимулирующее действие бомбезина, гастрин-рилизинг пептида и активного фрагмента холецистокинина — октапептида ССК8 на хемотаксис лимфоцитов. Кроме того, при старении гастрин-рилизинг пептид и октапептид ССК8 слабее стимулируют цитотоксическую активность естественных киллеров. С возрастом также снижается уровень вазоактивного интестинального пептида в ganglion stellatum и ослабевает ответ гладких мышц стенки тонкой кишки свиньи на действие VIP (Erlwanger et al., 1999; Хавинсон, 2001а).
При анализе динамики пептидных факторов роста в процессе старения обнаруживаются неоднозначные изменения. Так, синтез основного фактора роста фибробластов, необходимого для репарации нейронов и их отростков, с возрастом значительно снижается, тогда как уровень тромбоцитарного фактора роста, наоборот, возрастает. Старение сопровождается также повышением уровня фактора некроза опухолей. Такая дезорганизация выработки пептидных факторов роста может приводить ко многим негативным последствиям. В качестве одного из примеров можно привести данные об изменении в этих условиях структурно-функциональной организации внеклеточного матрикса стенки вен с последующим развитием их варикозного расширения (Drubaix et al., 1998).
Уникальной особенностью пептидной регуляции гомеостаза является процессинг полипептидов, который позволяет путем активизации пептидаз образовывать в нужном месте и в нужное время необходимое количество коротких пептидных фрагментов, обладающих более высокой биологической активностью, чем исходные соединения. С увеличением возраста животных установлено заметное снижение активности клеточных эндо- и эктопептидаз. При этом в клетках образуются и накапливаются значительные количества пептидов, которые устойчивы к имеющемуся набору пептидаз. Однако причины накопления пептидов в старых клетках и их биологическая роль окончательно не выяснены (Джалиашвили, 1989).
Таким образом, инволютивные изменения при старении приводят к ослаблению функций органов и тканей, что на клеточном уровне прежде всего проявляется в нарушении синтеза специфических белков. Помимо этого, в стареющем организме человека в отличие от зрелого организма содержится меньше гормонов, витаминов, АТФ и холестерина. При анализе широкого спектра возрастных нарушений пептидной регуляции гомеостаза отчетливо прослеживается общая тенденция — старение сопровождается почти тотальным снижением синтеза и секреции регуляторных пептидов, а также ослаблением чувствительности к ним клеток-мишеней. Многочисленные результаты проведенных исследований свидетельствуют о том, что снижение синтеза и секреции пептидных биорегуляторов сопровождается именно нарушениями пара- и аутокринного механизма их действия, а это в свою очередь ускоряет процессы старения в организме.
Возрастные изменения в любом органе являются результатом внутренних процессов и взаимовлияния со стороны других органов. Тимус — центральный орган иммунной системы (Хавинсон, Жуков, 1992) и эпифиз, регулирующий нейроэндокринную систему (Хавинсон, Голубев, 2002), являются ключевыми органами, инволюция которых во многом определяет скорость развития процессов старения. Рассмотрим характерные нарушения регуляторных и функциональных процессов в этих органах и некоторых других системах организма.
Тимус (вилочковая железа)
Возрастная инволюция тимуса характеризуется наиболее выраженными (по сравнению с другими органами) изменениями. Более того, функциональная инволюция тимуса начинается гораздо раньше, чем это регистрируется морфологически. Процесс инволюции начинается в течение первого года жизни, а по некоторым данным — еще до рождения (Полякова и др., 2001). Относительная масса тимуса к моменту рождения максимальна, но впоследствии она постепенно уменьшается за счет опережающего роста массы тела. После полового созревания абсолютная масса тимуса уменьшается экспоненциально в большей степени за счет коркового слоя и в меньшей — за счет мозгового с замещением их соединительной и жировой тканью. При этом атрофируются тельца Гассаля, нарушается правильное расположение эпителиальных клеток, уменьшается общее число лимфоцитов, накапливаются макрофаги, содержащие различные включения и обломки клеток, плазматические и тучные клетки. Поскольку тимическое микроокружение играет важную роль в “обучении” и функциональной активности Т-клеток, повреждение клеточных мембран, нарушение целостности клеточного микроокружения и дисфункция Т-клеток коррелируют между собой. С возрастом изменяется ультраструктура секреторных эпителиальных клеток и лимфоцитов (Bellamy, 1973). Падает уровень тимусных гормонов, циркулирующих в крови и оказывающих выраженное влияние на развитие и функционирование Т- и в некоторой степени В-лимфоцитов, а также на различные виды иммунологических реакций (Hirokawa, 1977). С 20-летнего возраста в сыворотке крови человека начинается постепенное снижение концентрации тимического сывороточного фактора, завершающееся полным его исчезновением к 50—60 годам. Однако уровень тимозина-а1 и тимопоэтина, по-видимому, падает значительно раньше — этот процесс начинается с 10-летнего возраста (Bodey et al., 1997).
С возрастом отмечается развитие существенных изменений как в функциональном, так и в фенотипическом профилях Т-клеток. Фактически двумя наиболее характерными признаками снижения иммунитета являются изменение фенотипа и снижение ответа Т-клеток. Одним из наиболее существенных изменений, отмечаемых с возрастом для популяции Т-клеток, оказывается нарушение их соотношения: снижение доли естественных Т-клеток и увеличение доли сопутствующих Т-клеток, обладающих “иммунной памятью”. Кроме того, имеются доказательства снижения частоты ранних событий сигнальной трансдукции, подавления индуцированного активацией внутриклеточного фосфорилирования и снижения клеточного пролиферативного ответа на стимуляцию рецепторов Т-клеток (Ginaldi et al., 1999; Pawelec et al., 1999).
Изменения иммунной системы, связанные с инволюцией тимуса, оказывают влияние на общий гомеостаз организма (Петров, Хаитов, 1975). При старении снижается способность тимуса вносить вклад в окончательную дифференцировку лимфоцитов. Атрофия коры железы сопровождается снижением продукции иммунной системой множества секреторных факторов, в том числе тимопоэтина, тимозина а1, тимулина и тимического гуморального фактора, что приводит к подавлению иммунных реакций. Тем не менее при инволюции вилочковой железы мало изменяется число лимфоцитов, циркулирующих в крови. Возрастная инволюция тимуса, занимающего ключевую позицию в иммунной системе, способствует повышению заболеваемости злокачественными новообразованиями, снижению резистентности к инфекциям и более частому возникновению аутоиммунных нарушений (Ouyang et al., 2000).
Иногда ослабление иммунной системы наблюдается задолго до наступления старости, что предопределяется интенсивной химиотерапией, в частности антибиотиками, при лечении инфекционных заболеваний в молодом возрасте. При этом природный иммунный потенциал организма снижается или подавляется, и генетические механизмы не могут его восстановить, так как чаще всего наследуются дефектные или рецессивные признаки. В отдельных случаях третье поколение (внуки людей с ослабленным иммунитетом) наследует гомозиготы по рецессивным мутациям (Рапопорт, 1996).
Эпифиз (пинеальная железа)
Один из основных гормонов эпифиза — мелатонин (N-ацетил-5-метокси-триптамин, см. рис. 2) обладает уникальной широтой действия. Он является ключевым регулятором биологических ритмов, участвует в осуществлении зрительной функции, снижает уровень холестерина, повышает сопротивляемость организма стрессам и высоким нагрузкам, способствует нормализации кровяного давления. Мелатонин модулирует состояние внутриклеточных мессенджеров и(или) мембранных ионных каналов. Связываясь с цитоплазматическими рецепторами, мелатонин регулирует экспрессию генов. Кроме того, молекула мелатонина обладает антиоксидантными и антиканцерогенными свойствами. Особенностью продукции мелатонина эпифизом является выраженная суточная цикличность с пиками в ночное время. По мере старения организма пики секреции мелатонина снижаются, что имеет многочисленные последствия для нейроэндокринной системы главным образом в связи с репродуктивными функциями и реакциями на стресс, а также для иммунной системы, канцерогенеза и регуляции циркадных ритмов (Хавинсон, Голубев, 2002). Основными морфологическими проявлениями инволютивных изменений структуры эпифиза являются уменьшение общего числа пинеалоцитов, концентрации РНК в них и усиление кистообразования в железе. Помимо этого, при старении в эпифизе происходит образование кальциевых конкреций. Предполагается, что это происходит из-за возрастного снижения активности Са++-АТФазы и ведет к смерти клеток. По мере старения в эпифизе развивается функциональная симпатическая депривация. Например, у крыс снижается концентрация ß-адренергических рецепторов, теряется способность увеличивать число адренорецепторов в ответ на адренергическую депривацию; значительно снижается иммунореактивность на тирозингидроксилазу — маркерный фермент катехоламинергических аксонов. Вообще говоря, нарушения во внешних по отношению к эпифизу норадренергических системах стимуляции его секреторной активности вносят существенный вклад в возрастную гипофункцию эпифиза (Чазов, Исаченков, 1974).
Однако в возрасте, когда происходит выраженное снижение ночных пиков секреции мелатонина, в эпифизе не наблюдается выраженных в той же степени дегенеративных изменений (в отличие от тимуса, где снижение продукции его факторов прямо связано с дегенерацией самого органа). Возрастная инволюция эпифиза имеет более функциональную, чем органическую природу, что делает вероятной возможность восстановления его функций.
Половые железы
Помимо тимуса и эпифиза с возрастом непосредственно связана деятельность половой системы, а интенсивность продукции половых гормонов в значительной мере определяет биологический возраст человека. Особенно это выражено у женщин в виде сложного симптомокомплекса — климакса, когда по мере старения параллельно увеличению в крови уровня гонадотропинов происходит усиление экскреции неклассических фенолстероидов. С биологической точки зрения, климакс является необходимым и неизбежным механизмом, позволяющим вывести стареющие особи из процесса воспроизводства, что целесообразно для сохранения вида. Клинически доказана общность проявлений климакса как у женщин, так и у мужчин. Это позволяет считать его по своей сущности физиологическим синдромом, обусловленным возрастными сдвигами в гормональном и общем обмене и прежде всего возрастным угасанием функции половых желез. У мужчин он наступает позже, чем у женщин, протекает менее заметно и сливается с признаками старости. Происходит снижение уровня тестостерона, что коррелирует с повышением концентрации в плазме крови холестерина и атерогенных липидов. Особенно отчетливо андрогенная недостаточность проявляется в изменении структуры и функции основных органов-мишеней тестостерона — предстательной железы и семенных пузырьков, находящихся в прямой зависимости от андрогенных стимулов. Нарушение метаболизма тестостерона в ткани предстательной железы способствует местному накоплению дигидротестостерона, что в конечном итоге приводит к возникновению аденомы и рака предстательной железы (Finch, Kirkwood, 2000).
Сосуды
По современным представлениям, атеросклероз является основной возрастной патологией сосудов (Чеботарев и др., 1982). Долгое время основной теорией возникновения атеросклероза считалась “липидная”, но в 1980 г. было обнаружено существование эндотелиального релаксирующего фактора — оксида азота (NO), что явилось причиной пересмотра сложившихся представлений в отношении атерогенеза. В результате возникли гипотеза первичной эндотелиальной дисфункции и многофакторная теория развития и прогрессирования атеросклероза как полиорганного системного процесса (Furchgott, Zavadski, 1980). В настоящее время установлено, что в патогенезе атеросклероза не последнюю роль играют реакции, которые принято относить к воспалительным. Синтез целого ряда факторов роста, участвующих в формировании атеросклеротического поражения, осуществляется в эндотелии, а увеличение их продукции происходит под действием медиаторов воспаления. Деструктивные изменения сосудистой стенки лежат в основе формирования аневризм, пристеночных и облитерирующих тромбов, интрамуральных кровоизлияний.
Возрастные изменения в тканях глаза подчиняются общим законам старения сосудистой системы организма, но вместе с тем имеют свои особенности, обусловленные структурно-функциональной спецификой зрительного анализатора и наличием механизма ауторегуляции в системе его кровоснабжения. Снижение кровообращения и транскапиллярного обмена веществ способствует возникновению дистрофических изменений в сетчатке глаза. В основе таких процессов также лежат нарушения метаболизма специфических белков в пигментном эпителии и других слоях сетчатки. При развитии возрастной патологии у старого человека мутнеет ткань хрусталика и поражается сетчатка, увеличивается масса соединительной ткани, меняется структура волокон коллагена (Румянцев, 1983; Трофимова, Хавинсон, 2002).
В главе 1 при рассмотрении тканеспецифических регуляторных пептидов было продемонстрировано, что интегрирующую и координирующую функцию пептидной саморегуляции на молекулярном уровне выполняет мозг, т. е. центральная нервная система. При исследовании нормального старения также обнаруживается ведущая роль центральной нервной системы и головного мозга в процессах саморегуляции на уровне целого организма.
Головной мозг
Старение мозга представляет собой один из самых драматических процессов онтогенеза. Сенильные изменения в центральной нервной системе начинают возникать довольно рано — первые проявления могут появиться уже после 30 лет. Их наличие характеризуется уменьшением количества нервных клеток, снижением мозгового кровотока, что сопровождается уменьшением массы мозга, нарастанием величины свободного пространства между костями черепа и тканью мозга. Однако уменьшение количества нейронов не является определяющим фактором в понижении функции нервной системы. Большее значение имеет сохранение функциональных связей между нейронами, которые осуществляются благодаря нейротрансмиттерам, взаимодействующим со специфическими рецепторами. Недавно было экспериментально доказано (Рейхардт и др., 2001), что в процессе естественного старения происходит последовательное разобщение регуляторных систем нейронов мозга. При этом в первую очередь появляются изменения сигнальных каскадов на уровне клеточного ядра, позднее происходят нарушения структурно-функциональных свойств синаптических мембран и их деградация, а затем отмечаются расстройства памяти. Кроме того, в старческом возрасте в некоторых структурах мозга (nucleus caudatus, putamen) обнаружено снижение содержания серотонина, норадреналина, допамина. Эти нарушения также сочетаются со снижением памяти, замедлением скорости реакций, снижением переносимости обычных нагрузок.
При нормальном старении возрастные изменения во многом проявляются недостаточностью концентрации внимания, особенно при получении слухо-речевой информации. Другие когнитивные функции (интеллект, речь) существенно не страдают. Нарушения внимания и памяти в пожилом возрасте обычно не прогрессируют или прогрессируют крайне медленно. Быстрое прогрессирование когнитивных нарушений в пожилом возрасте — признак заболевания головного мозга. Отражением инволютивных процессов в ІДНС служат нейродегенеративные заболевания, основными среди которых являются болезни Альцгеймера (БА) и Паркинсона (БП).
Болезнь Альцгеймера характеризуется триадой морфологических признаков, в которую входят наличие ß-амилоидных бляшек (сенильных бляшек), спутанность нейрофибрилл и обширная деструкция нервной ткани, особенно в гиппокампе и коре головного мозга (Dickson, 1997). Важным биохимическим механизмом БА является прогрессирующий ацетилхолинергический дефект метаболизма нейромедиаторных систем. Патологические механизмы БА включают также оксидативный стресс и накопление свободных радикалов, что в свою очередь способно привести к избыточному перекисному окислению липидов, нарушению целостности нейрональных мембран и постепенной гибели мозговых клеток. В последние годы все более доминирует концепция, согласно которой оксидативный стресс является “основным виновником” деструкции нейронов при БА.
Болезнь Паркинсона представляет собой серьезное нейродегенеративное заболевание, которое характеризуется прогрессирующей деградацией допамин-содержащих нейронов в черной субстанции ствола головного мозга. Разрушение этих катехоламинергических нейронов сопровождается рядом сенсорных и моторных нарушений, которые приводят к тремору, ригидности и акинезии. По имеющимся оценкам, у больных с выраженными проявлениями БП популяция допаминергических нейронов оказывается истощенной по крайней мере на 80 %. В большинстве случаев первые признаки возникновения БП опережают появление явных симптомов паркинсонизма на 5—10 лет (Olanov, Tatton, 1999). В соответствии со свободнорадикальной теорией БП, допаминергические нейроны разрушаются вследствие относительно высокой частоты воздействия на них реактивных кислородных соединений, особенно Н202 (перекиси водорода), которая продуцируется в процессе как ферментативной (через моноаминоксидазу) активности, так и неферментативной (обусловленной самоокислением) деструкции допамина. Оксидативный стресс не только разрушает допаминергические нейроны, но также подвергает митохондрии окислительному фосфорилированию, приводящему к уменьшению выработки энергии этими органеллами и в конечном итоге к гибели нейронов.
Выше были приведены современные представления о возрастной инволюции наиболее важных для жизнедеятельности органов и систем. Старение — процесс неизбежный, но его можно отсрочить за счет продления периода активной жизни. В этом и заключена основная задача геронтологии.
В ходе изучения процессов возрастной инволюции были получены данные, свидетельствующие о том, что решение проблемы продления здоровой трудоспособной жизни вполне реально (Фролькис, Мурадян, 1988). Так, например, ранее считалось, что тимус практически перестает функционировать уже по достижении человеком среднего подросткового возраста (14—16 лет). Однако данные исследований последних лет свидетельствуют о том, что в действительности тимус у взрослых может способствовать восстановлению Т-клеток. Кроме того, экстраполяция экспериментальных данных по возрастной динамике клеточного микроокружения позволяет сделать вывод, что полное истощение ретикулоэпителиальной ткани тимуса и его тимоцитов может наступить только к 120 годам жизни (Bodey et al., 1997). Подобные обнадеживающие результаты получены и для других органов. Как уже было отмечено выше, пинеальная железа человека не подвергается выраженной дегенерации при возрастной инволюции. Интересные данные были получены при изучении эндотелия роговицы человека в возрастном аспекте (Robert et al., 2001). Была обнаружена способность эндотелиальных клеток роговицы человека к неполной полиплоидизации митотических клеток — варианту нормальной пролиферации клеток, что является характерным для долго живущих и слабо пролиферирующих тканей. Увеличение с возрастом числа полиплоидных клеток в эндотелии роговицы свидетельствует об активации адаптационных механизмов в ходе возрастной инволюции.
Таким образом, есть основания считать, что организм обладает потенциальными эндогенными механизмами, способными обеспечить более долгую и, главное, более здоровую жизнь (Яковлев и др., 1990). Для продления активного периода жизни важно выяснить эти механизмы и разработать способы влияния на них. В этом направлении наиболее многообещающими могут оказаться поиск и разработка путей коррекции возрастной патологии, направленной на замедление развития и исправление тех нарушений в синтезе, секреции и рецепции биологически активных молекул, которые лежат в основе механизма возрастной инволюции органов и тканей.