В биогеронтологии теория одноразовой сомы старения утверждает, что организмы стареют из-за эволюционного компромисса между ростом , воспроизводством и поддержанием восстановления ДНК . [1] Сформулированная британским биологом Томасом Кирквудом теория одноразовой сомы объясняет, что организм имеет только ограниченное количество ресурсов, которые он может выделить для своих различных клеточных процессов . [2] Таким образом, большие инвестиции в рост и воспроизводство приведут к уменьшению инвестиций в поддержание восстановления ДНК, что приведет к увеличению клеточных повреждений , укорочению теломер , накоплению мутаций , скомпрометированным стволовым клеткам и, в конечном счете, к старению . Хотя многие модели, как животные, так и человеческие, по-видимому, подтверждают эту теорию, ее части все еще остаются спорными. В частности, в то время как эволюционный компромисс между ростом и старением был хорошо установлен, связь между воспроизводством и старением все еще не имеет научного консенсуса , а клеточные механизмы в значительной степени не открыты. [3]
Британский биолог Томас Кирквуд впервые предложил теорию старения одноразовой сомы в обзорной статье журнала Nature в 1977 году . [1] Теория была вдохновлена теорией старения «Ошибочная катастрофа» Лесли Оргела , опубликованной четырнадцатью годами ранее, в 1963 году. Оргел считал, что процесс старения возникает из-за мутаций, приобретенных в процессе репликации, и Кирквуд разработал теорию одноразовой сомы, чтобы опосредовать работу Оргела с эволюционной генетикой . [1]
Теория старения одноразовой сомы утверждает, что существует компромисс в распределении ресурсов между соматическим поддержанием и репродуктивными инвестициями . Слишком низкие инвестиции в самовосстановление были бы эволюционно необоснованными, так как организм, скорее всего, умрет до репродуктивного возраста. Однако слишком высокие инвестиции в самовосстановление также были бы эволюционно необоснованными из-за того, что потомство, скорее всего, умрет до репродуктивного возраста . Таким образом, существует компромисс, и ресурсы распределяются соответствующим образом. Однако считается, что этот компромисс повреждает системы соматического восстановления, что может привести к прогрессирующему повреждению клеток и старению . [4] Расходы на восстановление можно разделить на три группы: (1) расходы на увеличение долговечности невозобновляемых частей ; (2) расходы на поддержание, включающее обновление клеток , и (3) расходы на внутриклеточное поддержание. [5] Короче говоря, старение и упадок сил по сути являются компромиссом для увеличения репродуктивной устойчивости в молодости.
Было проведено много исследований антагонистических эффектов увеличения роста на продолжительность жизни. В частности, гормон инсулиноподобный фактор роста 1 (IGF-1) связывается с клеточным рецептором, что приводит к каскаду фосфорилирования . Этот каскад приводит к фосфорилированию киназ фактора транскрипции forkhead (FOXO), дезактивируя его. Дезактивация FOXO приводит к неспособности экспрессировать гены, участвующие в реагировании на реакцию окислительного стресса , такие как антиоксиданты , шапероны и белки теплового шока . [6] Кроме того, поглощение IGF-1 стимулирует путь mTOR , который активирует синтез белка (и, следовательно, рост) посредством повышения регуляции S6K1 , способствующего трансляции , а также ингибирует аутофагию , процесс, необходимый для переработки поврежденных клеточных продуктов. [7] Снижение аутофагии вызывает нейродегенерацию , агрегацию белков и преждевременное старение . [8] Наконец, исследования также показали, что путь mTOR также изменяет иммунные реакции и стимулирует ингибиторы циклинзависимой киназы (CDK), такие как p16 и p21 . Это приводит к изменению ниши стволовых клеток и вызывает истощение стволовых клеток , еще один теоретический механизм старения. [9]
В то время как размножение подавляет продолжительность жизни в отношении многоклеточных организмов, точный механизм, ответственный за этот эффект, остается неясным. Хотя многие модели действительно иллюстрируют обратную зависимость, и теория имеет смысл с эволюционной точки зрения, клеточные механизмы еще предстоит изучить. Однако, что касается клеточной репликации , прогрессирующее укорочение теломер является механизмом, который ограничивает количество поколений, которые может претерпеть одна клетка . [10] Кроме того, в одноклеточных организмах, таких как Saccharomyces cerevisiae , образование внехромосомных колец рДНК (ERC) в материнских клетках (но не дочерних клетках) при каждом последующем делении является идентифицируемым типом повреждения ДНК, которое связано с репликацией. Эти ERC накапливаются с течением времени и в конечном итоге вызывают репликативное старение и смерть материнской клетки. [11]
Существует большое количество доказательств, указывающих на негативное влияние роста на продолжительность жизни у многих видов. Как правило, особи меньшего размера обычно живут дольше, чем более крупные особи того же вида.
У карликовых моделей мышей , таких как мыши Снелла или Эймса, возникли мутации, которые либо сделали их неспособными производить IGF-1, либо неспособными иметь адекватные рецепторы для поглощения IGF-1. Кроме того, было показано, что у мышей, которым вводили гормон роста, наблюдается прогрессирующая потеря веса, огрубение шерсти, искривление позвоночника , увеличение органов , поражения почек и повышенный риск рака . [12] Этот эффект также наблюдается у разных пород собак , где более мелкие породы собак обычно живут значительно дольше по сравнению с их более крупными собратьями. Селективно выведенные из-за своего небольшого размера, более мелкие породы собак, такие как чихуахуа (средняя продолжительность жизни 15–20 лет), имеют генотип B/B для гаплотипа IGF-1 , что снижает количество вырабатываемого IGF-1. Напротив, крупные собаки, такие как немецкий дог (средняя продолжительность жизни 6–8 лет), гомозиготны по аллелю IGF-1 I , что увеличивает количество вырабатываемого IGF-1. [13]
Первоначально считалось, что гормон роста на самом деле продлевает продолжительность жизни из-за исследования 1990 года, которое показало, что инъекция гормона роста мужчинам старше 60 лет, по-видимому, обращает вспять различные биомаркеры, связанные со старением, такие как снижение мышечной массы , плотности костей, толщины кожи и увеличение жировой ткани. [14] Однако исследование 1999 года показало, что введение гормона роста также значительно увеличивает уровень смертности . [15] Недавние геномные исследования подтвердили, что гены, участвующие в поглощении и передаче сигналов гормона роста, в значительной степени сохраняются у множества видов, таких как дрожжи, нематоды, плодовые мушки, мыши и люди. [16] Эти исследования также показали, что люди с синдромом Ларона , аутосомно-рецессивным заболеванием, приводящим к карликовости из-за дефектов рецепторов гормона роста, имеют увеличенную продолжительность жизни. Кроме того, у этих людей гораздо ниже заболеваемость возрастными заболеваниями, такими как диабет 2 типа и рак. [17] Наконец, люди, достигшие долголетия , во всем мире непропорционально низкорослы и имеют низкий уровень IGF-1. [18]
Многочисленные исследования показали, что продолжительность жизни обратно пропорциональна как общему количеству рожденного потомства, так и возрасту, в котором самки впервые рожают, также известному как первородство. [19] Кроме того, было обнаружено, что воспроизводство является дорогостоящим механизмом, который изменяет метаболизм жира . Липиды, вложенные в воспроизводство, не могут быть выделены для поддержки механизмов, участвующих в соматическом поддержании. [20]
Теория одноразовой сомы согласуется с большинством моделей животных. В многочисленных исследованиях на животных было обнаружено, что кастрация или генетические деформации репродуктивных органов коррелируют с увеличением продолжительности жизни. [21] [22] [23] Более того, у рыжих белок было обнаружено, что самки с ранним первородством достигли наивысшего немедленного и пожизненного репродуктивного успеха. Однако было также обнаружено, что у этих же особей была снижена медианная и максимальная продолжительность жизни. В частности, у белок, которые спаривались раньше, уровень смертности до двухлетнего возраста составлял 22,4%, по сравнению с уровнем смертности у поздних размножающихся особей — 16,5%. Кроме того, у этих белок средняя максимальная продолжительность жизни составляла 1035 дней по сравнению со средней максимальной продолжительностью жизни 1245 дней у белок, которые размножались позже. [19]
В другом исследовании исследователи селективно разводили плодовых мушек в течение трех лет, чтобы вывести два разных штамма , штамм с ранним размножением и штамм с поздним размножением. Линия с поздним размножением имела значительно большую продолжительность жизни, чем линия с ранним размножением. Еще более показательным было то, что когда исследователи ввели мутацию в ген , связанный с яичниками ovoD1 , что привело к дефектному оогенезу , различия в продолжительности жизни между двумя линиями исчезли. Исследователи в этом случае пришли к выводу, что «старение развивалось в первую очередь из-за разрушительных эффектов размножения в более раннем возрасте». [24]
Известный исследователь старения Стивен Аустад также провел масштабное экологическое исследование на побережье Джорджии в 1993 году . Аустад выделил две популяции опоссумов , одну с материка, кишащего хищниками , и одну с близлежащего острова Сапело , где хищники отсутствуют . Согласно теории одноразовой сомы, генетически изолированная популяция, подверженная низкой смертности, вызванной окружающей средой, будет развивать замедленное воспроизводство и старение. Это связано с тем, что без давления хищников было бы эволюционно выгодно выделять больше ресурсов на соматическое поддержание, чем на воспроизводство, поскольку ранняя смертность потомства была бы низкой. Как и предполагалось, даже после учета хищников изолированная популяция имела более длительную продолжительность жизни, замедленное первородство и сниженные биомаркеры старения, такие как сшивание хвостового коллагена . [25]
В целом, существует лишь несколько исследований на человеческих моделях. Было обнаружено, что кастрированные мужчины живут дольше, чем их фертильные коллеги. [26] Дальнейшие исследования показали, что у британских женщин первородство было самым ранним у женщин, которые умирали рано, и самым поздним у женщин, которые умирали в самом старшем возрасте. Кроме того, увеличение числа рожденных детей было связано с сокращением продолжительности жизни. [27] Последнее исследование показало, что женщины-долгожители с большей вероятностью имели детей в более позднем возрасте по сравнению со средним показателем, особенно после 40 лет. Исследователи обнаружили, что 19,2% женщин-долгожителей имели своего первого ребенка после 40 лет, по сравнению с 5,5% остального женского населения. [28]
Существует множество исследований, которые подтверждают, что повреждение клеток, часто из-за отсутствия механизмов соматического поддержания, является основным фактором старения, и эти исследования привели к появлению теории старения свободных радикалов и теории старения, основанной на повреждении ДНК . Одно исследование показало, что клетки короткоживущих грызунов in vitro демонстрируют гораздо более высокие показатели мутаций и общее отсутствие контроля генома по сравнению с клетками человека и гораздо более восприимчивы к окислительному стрессу . [29] Другие исследования были проведены на голом землекопе , виде грызунов с замечательной продолжительностью жизни (30 лет), способном пережить серую крысу (3 года) в десять раз . Кроме того, у голых землекопов почти никогда не было обнаружено случаев рака. Почти все различия, обнаруженные между этими двумя организмами, которые в остальном довольно генетически схожи, были в соматическом поддержании. Было обнаружено, что у голых землекопов более высокий уровень супероксиддисмутазы , антиоксиданта , очищающего от активных форм кислорода . Кроме того, голые землекопы имели более высокие уровни репарации удаления оснований , сигнализации ответа на повреждение ДНК, репарации гомологичной рекомбинации , репарации несоответствий , репарации удаления нуклеотидов и негомологичного соединения концов . Фактически, многие из этих процессов были близки или превосходили человеческие уровни. Белки голых землекопов также были более устойчивы к окислению , неправильному сворачиванию , убиквитинированию и имели повышенную трансляционную точность . [30]
Дальнейшие исследования были проведены на пациентах с синдромом прогерии Хатчинсона-Гилфорда (HGPS), состоянием, которое приводит к преждевременному старению. Пациенты с HGPS обычно стареют примерно в семь раз быстрее среднего и обычно умирают от этого заболевания в раннем подростковом возрасте. Пациенты с HGPS имеют клеточные дефекты, в частности, в белках ламина , которые регулируют организацию ламины и ядерной оболочки для митоза . [31] Ламины типа А способствуют генетической стабильности, поддерживая уровни белков, которые играют ключевую роль в процессах восстановления негомологичного соединения концов и гомологичной рекомбинации . [32] Клетки мышей, дефицитные для созревания преламина А, показывают повышенное повреждение ДНК и хромосомные аберрации и имеют повышенную чувствительность к агентам, повреждающим ДНК. [33]
Наконец, как упоминалось ранее, было обнаружено, что подавление аутофагии связано с сокращением продолжительности жизни, тогда как стимуляция связана с увеличением продолжительности жизни. Активируемая во время ограничения калорий , аутофагия представляет собой процесс, который предотвращает повреждение клеток посредством очистки и переработки поврежденных белков и органелл . [34]
Одной из главных слабостей теории одноразовой сомы является то, что она не постулирует никаких конкретных клеточных механизмов, с помощью которых организм переключает энергию на соматическое восстановление вместо воспроизводства. Вместо этого она предлагает только эволюционную перспективу того, почему старение может происходить из-за воспроизводства. Поэтому ее части довольно ограничены за пределами области эволюционной биологии . [3]
Критики указали на предполагаемые противоречия теории одноразовой сомы из-за наблюдаемых эффектов ограничения калорийности, которые коррелируют с увеличением продолжительности жизни. [35] Хотя она активирует аутофагию, согласно классическим принципам одноразовой сомы, при меньшем потреблении калорий будет меньше общей энергии, распределяемой на поддержание соматического здоровья, и будет наблюдаться уменьшение продолжительности жизни (или, по крайней мере, положительные эффекты аутофагии будут сбалансированы). Однако Кирквуд вместе со своим коллегой Даррилом П. Шенли утверждают, что ограничение калорийности запускает адаптивный механизм, который заставляет организм перенаправлять большую долю ресурсов на поддержание соматического здоровья, а не на воспроизводство. [36] Эта теория подтверждается многочисленными исследованиями, которые показывают, что ограничение калорийности обычно приводит к нарушению фертильности , но в остальном оставляет организм здоровым. [37] [38] С точки зрения эволюции организм хотел бы отложить воспроизводство до тех пор, пока ресурсов будет больше. В период нехватки ресурсов было бы эволюционно неразумно вкладывать ресурсы в потомство, которое вряд ли выживет в условиях голода . Механистически, НАД -зависимая деацетилаза сиртуин 1 (SIRT-1) повышается в периоды с низким содержанием питательных веществ. SIRT-1 повышает чувствительность к инсулину , снижает количество воспалительных цитокинов , стимулирует аутофагию и активирует FOXO, вышеупомянутый белок, участвующий в активации генов реакции на стресс. Также обнаружено, что SIRT-1 приводит к снижению фертильности. [39]
В дополнение к дифференциальному распределению распределения энергии во время ограничения калорий, меньшее потребление калорий приведет к меньшему количеству метаболических отходов в форме свободных радикалов, таких как перекись водорода , супероксид и гидроксильные радикалы , которые повреждают важные клеточные компоненты, особенно митохондрии . Повышенные уровни свободных радикалов у мышей коррелируют с нейродегенерацией, повреждением миокарда , тяжелой анемией и преждевременной смертью. [40]
Никаких изменений в частоте спонтанных хромосомных мутаций у мышей с ограниченным питанием (в возрасте 6 и 12 месяцев) по сравнению с контрольными мышами, которых кормили без ограничений, не наблюдалось. [41] Таким образом, ограничение питания, по-видимому, не оказывает заметного влияния на спонтанные мутации в хромосомной ДНК, а увеличение продолжительности жизни мышей с ограниченным питанием, по-видимому, не связано со снижением частоты хромосомных мутаций.
Еще одно основное критическое замечание теории одноразовой сомы заключается в том, что она не объясняет, почему женщины, как правило, живут дольше, чем мужчины. [42] В конце концов, женщины вкладывают значительно больше ресурсов в воспроизводство, и согласно классическим принципам одноразовой сомы, это ставит под угрозу энергию, направляемую на поддержание соматического состояния. Однако это можно примирить с гипотезой бабушки . Гипотеза бабушки утверждает, что менопауза наступает у пожилых женщин, чтобы ограничить время воспроизводства в качестве защитного механизма. Это позволило бы женщинам жить дольше и увеличить объем ухода, который они могли бы обеспечить своим внукам , повышая их эволюционную приспособленность. [43] И поэтому, хотя женщины действительно вкладывают большую долю ресурсов в воспроизводство в течение своих фертильных лет , их общий репродуктивный период значительно короче, чем у мужчин, которые способны воспроизводить потомство в среднем возрасте и даже после него . [44] Кроме того, мужчины вкладывают больше ресурсов в рост по сравнению с женщинами, что коррелирует с сокращением продолжительности жизни. Другие переменные, такие как повышенный уровень тестостерона у мужчин, не учитываются. Повышенный уровень тестостерона часто связан с безрассудным поведением, которое может привести к высокому уровню смертности в результате несчастных случаев. [45]
Несколько противоречивых моделей животных ослабляют обоснованность теории одноразовой сомы. Это включает исследования, проведенные на вышеупомянутых голых землекопах. В этих исследованиях было обнаружено, что репродуктивные голые землекопы на самом деле показывают значительно большую продолжительность жизни по сравнению с нерепродуктивными особями, что противоречит принципам одноразовой сомы. Однако, хотя эти голые землекопы являются млекопитающими , они крайне нетипичны с точки зрения исследований старения и, возможно, не служат лучшей моделью для людей. Например, голые землекопы имеют непропорционально высокий коэффициент долголетия и живут в эусоциальных обществах , где размножение обычно назначается королеве . [ 46]
Теория одноразовой сомы непропорционально часто проверяется на женских организмах для связи между репродукцией и старением, поскольку женщины несут большую нагрузку в репродукции . [47] Кроме того, для связи между ростом и старением исследования непропорционально часто проводятся на мужчинах, чтобы свести к минимуму гормональные колебания , которые происходят с менструальным циклом . [48] Наконец, генетические и экологические факторы , а не репродуктивные модели, могут объяснить различия в продолжительности жизни человека. Например, исследования показали, что более бедные люди , для которых питательная пища и медицинская помощь менее доступны, как правило, имеют более высокие показатели рождаемости и более раннее первородство. [49]