1.2. Возможные механизмы возрастных изменений

Анализ изменений экспрессии генов человека и животных выявил несколько функциональных категорий генов, экспрессия которых изменяется при старении [Zahn J.M. et al., 2007; Yankner B.A. et al., 2008] и свидетельствует о возрастном снижении активности митохондрий. Наиболее выраженное снижение экспрессии генов, вовлеченных в митохондриальный метаболизм энергии, наблюдается у людей, страдающих от ухудшения познавательной функции и болезни Альцгеймера [Blalock E.M. et al., 2004; Liang W.S. et al., 2008; Miller J.A. et al., 2008]. С возрастом повышается экспрессия генов, участвующих в формировании стресс-реакций. Вероятно, мозг использует механизмы устойчивости к стрессу для защиты от патологических изменений, вызывающих дегенерацию нейронов. В мозге стареющих мышей экспрессия части митохондриальных генов повышается, а других – снижается [Loerch P.M. et al., 2008].

Несмотря на доказанную сохранность ряда механизмов старения и профилей генной экспрессии, недавно выявлены значительные расхождения в изменениях экспрессии более чем 150 генов у человека и животных. Экспрессия значительной части генов, управляющих процессами старения (в основном обеспечивающих функционирование нейронов), повышается в мозге стареющих мышей, но снижается в мозге пожилых людей и не имеет отношения к характеру и скорости гибели нейронов [Bishop N.A. et al., 2010].

Таким образом, необходимость учета видовых особенностей изменений экспрессии генов, очевидна, как, возможно, определяющих факторов в развитии нейродегенеративных заболеваний.

Сниженная экспрессия митохондриальных генов является признаком старения организма, которые оказывают особенно выраженное влияние на мозг [Bhagavan H.N., Chopra R.K., 2006; Chong E.W. et al., 2007; Harrison F.E. et al., 2009; Dotan Y. et al., 2009]. Мутации митохондриальной ДНК вызывают наследственные энцефаломиопатии человека, характеризующиеся различными нарушениями работы мозга, выраженность и возраст проявления которых зависит от количества в клетке патологически измененных митохондрий [Bishop N.A. et al., 2010]. Нормальное угасание митохондриальных функций может способствовать возрастному снижению эффективности работы нейронов и миоцитов. В мозге человека угасание митохондриальных функций может оказывать наиболее выраженное влияние на популяции нейронов, отличающиеся большими биоэнергетическими потребностями, такие как большие пирамидальные нейроны, гибнущие при болезни Альцгеймера. Таким образом, снижение функциональности митохондрий может способствовать старению мозга и изменениям поведения, а также повышать вероятность развития возрастных патологий.

На первый взгляд представляется парадоксальным, что в определенных условиях снижение эффективности работы митохондрий способно увеличивать продолжительность жизни и повышать устойчивость нейронов мозга мутантных и трансгенных мышей к гибели [Liu X. et al., 2005; Dell’agnello C. et al., 2007]. Механизмы этого феномена не вполне неясны, но одним из возможных объяснений является то, что при умеренном повышении концентрации АФК выступают в роли сигнальных молекул, запускающих механизмы выживания клеток. Возможно, что изначально снижение экспрессии митохондриальных генов, наблюдаемое в клетках стареющего мозга, может быть частью активного компенсаторного механизма повышения устойчивости к стрессу и может быть эффективным в отношении кратковременного стресса. Однако ассоциированный со старением хронический стресс может еще больше подавлять активность митохондрий и запускать порочный круг нейродегенерации.

Возможность повысить жизнеспособность, и даже продолжительность жизни в условиях некоторого снижения эффективности работы митохондрий связано с описанным В.П.Скулачевым феноменом «мягкого разобщения», при котором небольшое снижение трансмембранного потенциала митохондрий и усиление нефосфорилирующего дыхания позволяют поддерживать концентрации О₂ и его одноэлектронных восстановителей на безопасно низком уровне, снижающем вероятность образования супероксид анионрадикалов [Papa S., Skulachev V.P., 1997; Skulachev V.P., 1998]. Происходящее при естественном старении повышение протонной проводимости внутренней мембраны митохондрий становится, по образному выражению M.D. Brand [2000], «разобщением ради спасения».

В последние 10 лет накопились убедительные доказательства того, что оптимальный баланс между поглощением субстратов окисления, их превращением в аденозинтрифосфатсинтазу (АТФ) и контролем генерации АФК достигается в клетках посредством регуляции митохондриального дыхания. Были открыты специализированные разобщающие белки внутренней митохондриальной мембраны – UCP, которые разобщают окислительное фосфорилирование и дыхание, перенося протон водорода из межмембранного пространства в матрикс, что приводит к рассеиванию градиента энергии протона в форме тепла. UCP ответственны за физиологическое разобщение, приводящее к уменьшению продукции АФК внутри митохондрий. Более того, доказано, что манипулируя экспрессией белков-разобщителей, можно влиять на продолжительность жизни [Dietrich M.O. et. al. 2010; Andrews Z.B.,2010].

Появились данные, указывающие на связь патогенеза болезни Альцгеймера со снижением экспрессии UCP2 и UCP4, которое наряду с усилением генерации АФК вызывает нарушение механизмов поддержания оптимальной концентрации кальция в митохондриях нейронов [Wu Z. et. al., 2010].

Возрастное снижение когнитивных функций мозга человека и животных может быть связано с изменениями в регуляторных сигнальных путях. В последние годы выявлена связь между ними и процессами старения, а также продолжительностью жизни. Результаты исследований на моделях показывают, что скорость старения не неизбежно фиксирована, а может изменяться. Так, показано, что снижение передачи Insulin/IGF-1-сигнала способствует снижению патологии болезни Альцгеймера, тогда как его увеличение может иметь нейропротекторный эффект. Регуляция аутофагии и белкового гомеостаза может изменять агрегации токсичных белков при нейродегенеративных заболеваний. Сигнальные пути могут влиять на функции митохондрий: их сильное снижение ведет к снижению продолжительности жизни, тогда как умеренное снижение может увеличивать продолжительность жизни [Bishop N.A. et al., 2010].

Результаты недавно проведенного исследования продемонстрировали важную роль изменений эпигенетического статуса в управлении экспрессией генов, обеспечивающих пластичность мозговых синапсов и память [Fischer A. et al., 2007]. Показано, что утрата части синапсов в гиппокампе и ухудшение памяти при нейродегенеративных процессах может быть связана с изменением структуры хроматина. Введение ингибитора гистоновой деацетилазы, повышало пластичность синапсов и способствовало восстановлению памяти мышей. Эти данные свидетельствуют о важной роли эпигенетических изменений в механизмах потери памяти, ассоциированной с нейродегенеративными процессами. Кроме того, они указывают на существование различий между механизмами потери способности к запоминанию и механизмами утраты возможности извлекать сохраненную в памяти информацию. Учитывая то, что старение человеческого мозга сопровождается нарушениями памяти и снижением активности синапсов, но не утратой значительного количества нейронов, возможно, в основе возрастных нарушений памяти лежит как раз утрата способности к вспоминанию.

Работы с использованием модельных организмов показали, что аутофагия (деградация отработанных компонентов клетки в лизосомах с последующим использованием полученных фрагментов в качестве строительного материала) является критическим регулятором процесса старения [Hara T. et al., 2006; Komatsu M. et al., 2006; Juhasz G. et al., 2007; Hansen M. et al., 2008]. Активация аутофагии оказалась необходимым условием для увеличения продолжительности жизни нематод в условиях подавления активности сигнального механизма, опосредуемого инсулиноподобным фактором роста-1 (IGF-1), и низкокалорийной диеты. Активации аутофагии в нейронах мух-дрозофил достаточно для увеличения продолжительности жизни этих насекомых, тогда как подавление аутофагии вызывает нейродегенерацию и преждевременную гибель дрозофил. Аналогичный эффект оказывает и подавление аутофагии в нейронах мышей. У трансгенных дрозофил и мышей, клетки которых не способны к аутофагии, нейродегенерация сопровождается накоплением аггрегатов убиквитинированных белков, что напоминает симптомы, наблюдаемые в мозге людей с болезнями Хантингтона и Альцгеймера. Экспрессия гена BECN1, а также ряда других ключевых генов, регулирующих работу механизма аутофагии, снижается в нейронах стареющего человеческого мозга, что, возможно, повышает их восприимчивость к токсическому действию белковых агрегатов.

Сигнальный механизм, опосредуемый киназой TOR, является центральным регулятором белкового гомеостаза, действующим посредством подавления аутофагии и трансляции иРНК. Снижение активности работы этого механизма продлевает жизнь дрожжам, нематодам и мухам-дрозофилам [Schieke S.M., Finkel T., 2006]. Более того, ингибитор TOR рапамицин продлевает жизнь мышам даже в тех случаях, когда его прием начат на поздних этапах жизни [Harrison D.E. et al., 2009]. Рапамицин, посредством активации аутофагии, подавляет формирование патологических белковых аггрегатов и замедляет прогрессию нейродегенеративных заболеваний у модельных организмов [Ravikumar B. et al., 2004] Таким образом, модулирование опосредуемого TOR сигнального механизма является потенциальным подходом к лечению нейродегенеративных заболеваний.

Накопление аггрегатов убиквитинированных белков может сопровождать нормальное старение человеческого мозга и обычно достигает патологических уровней при нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Альцгеймера и таупатии. Изучение мышиной модели с хронически сниженной активностью протеасом в клетках мозга выявило в мозге таких животных повышенные концентрации нескольких белков, экспрессия части из которых нарушена в клетках мозга пациентов с болезнью Альцгеймера. Более того, у таких мышей наблюдались нарушения пространственной памяти, что подтверждает потенциальную роль нарушений работы протеасом в ухудшении познавательных функций, ассоциированном с болезнью Альцгеймера [Fischer D.F. et al., 2009]. Аггрегаты убиквитинированных белков практически не встречаются в других стареющих тканях, что может быть объяснением необычного долголетия постмитотических нейронов, сохраняющих метаболически активный статус в течение всей жизни человека.

Множество данных свидетельствует в пользу того, что центральным механизмом ассоциированного с возрастом угасания функций организма является накопление окислительных повреждений макромолекул.