2 курс / Нормальная физиология / Молекулярные_и_физиологические_механизмы_старения_в_2_т_,_Т_2_Анисимов

Часть V. Модифицирующие факторы старения как средства для изучения его механизмов

Анисимов В. Н., Шейко Е. В. Канцеpогенез кожи, индуциpованный неонатальным введением 5-бpомо-2R-дезоксиуpидина и последующим воздействием 12-O-тетpадеканоилфоp- бол-13-ацетата у мышей / Вопp. онкол. 1996. T. 42, ¹ 1. C. 82—84.

Анисимов В. Н., Лихачев А. Я., Виленчик М. М. Канцерогенный эффект 5-бромдезоксиуридина и его усиление рентгеновским облучением у крыс / Экспер. онкол. 1989. Т. 11, ¹ 5. С. 14—16.

Анисимов В. Н., Лихачев А. Я., Напалков Н. П. Возникновение злокачественных опухолей у животных вследствие включения синтетического пиримидинового основания 5-бро- мо-2R-дезоксиуридина в ДНК / Вопр. онкол. 1998. Т. 44. С. 19—22.

Бутов А. А., Волков М. А., Анисимов В. Н. Математическая имитационная модель ускоренного старения, индуцированного 5-бромо-2R-дезоксиуридином / Успехи геронтол. 2001. Т. 8. С. 70—76.

Мануилова Е. С., Лукаш Л. Л., Øàïèpî Í. È. Мутагены и опухолевый пpомотоp / Генетика. 1985. T. 25. C. 1319—1326.

Оловников А. М. Редумера как недостающее звено в понимании старения человека / Клинич. геронтол. 2005. ¹ 11. С. 50—69.

Осипова Г. Ю., Анисимов В. Н. Канцеpогенез, индуциpованный неонатальным введением 5-бpомo-2R-дезоксиуpидина и последующим воздействием эстpадиола-бензоата, у самок мышей BALB/c / Вопp. онкол. 1992. T. 38. C. 320—327.

Потапенко А. И., Акифьев А. П., Иванов В. И. Радиационно индуцированное укорочение продолжительности жизни D. melanogaster. Сообщение 2. Сенсибилизирующее действие 5-бромо-2R-дезоксиуридина / Радиобиология. 1982. Т. 32, ¹ 3. С. 318—322.

Потапенко А. И., Рудаковская Е. Г., Акифьев А. П. Экспериментальный подход к анализу клеточного и молекулярного субстрата старения: влияние 5-бром-2R-дезоксиуридина на продолжительность жизни и поведение D. melanogaster / Онтогенез. 1998. Т. 28. С. 680—686.

Allen J., Latt S. A. In vivo BrdU-33258 Hoechst analysis of DNA replication kinetics and sister chromatide exchange formation in mouse somatic and meiotic cells? / Chromosoma. 1976. Vol. 58. P. 325—340.

Anisimov V. N. Carcinogenesis and Aging. Vols 1 & 2. Boca Ration: CRC Press, 1987. 165 p.; 148 p. Anisimov V. N. Carcinogenesis induced by neonatal exposure to various doses of 5-bro-

mo-2R-deoxyuridine in rats / Cancer Lett. 1995. Vol. 91. P. 63—71.

Anisimov V. N. Effect of aging and interval between primary and secondary treatment in carcinogenesis induced by neonatal exposure to 5-bromodeoxyuridine and subsequent administration of N-nitrosomethylurea in rats / Mutat. Res. 1995a. Vol. 316. P. 173—187.

Anisimov V. N. The sole DNA damage induced by bromodeoxyuridine is sufficient for initiation of both aging and cancer in vivo / Ann. N. Y. Acad. Sci. 1994. Vol. 719. P. 494—501.

Anisimov V. N., Osipova G. Yu. Effect of neonatal exposure to 5-bromo-2R-deoxyuridine on life span, estrus function and tumor development in rats — an argument in favor of the mutation theory of aging? / Mutat. Res. DNAging. 1992. Vol. 275, N 2. Ð. 97—110.

Anisimov V. N., Osipova G. Y. Two-step carcinogenesis induced by neonatal exposure to 5-bromo-2R-deoxyuridine and subsequent administration of urethan in BALB/c mice / Cancer Lett. 1992a. Vol. 64. P. 75—82.

Anisimov V. N., Osipova G. Y. Carcinogenesis induced by combined neonatal exposure to 5-bromo-2R-deoxyuridine and subsequent total-body X-ray irradiation in rats / Cancer Lett. 1993. Vol. 70. P. 81—90.

Anisimov V. N., Osipova G. Yu. Life span reduction and carcinogenesis in the progeny of rats exposed neonatally to 5-bromo-2R-deoxyuridine / Mutat. Res. 1993a. Vol. 295. P. 113—123.

Aykawa H. M., Saltzburg D., Mukherjee B. B. In vivo induction of endogenous retroviruss in BALB/c mouse hepatocytes by successive treatment with carbon tetrachloride and bromodeoxyuridine / Int. J. Cancer. 1979. Vol. 24. P. 498—503.

Barrett J. C., Tsutsui T., Ts’o P. O. P. Neoplastic transformation induced by a direct perturbation of DNA / Nature. 1978. Vol. 274. P. 229—232.

Biswas D. K., Hartigan J. A., Pichlez M. H. Identification of DNA sequence responsible for 5-bromodeoxyuridine-induced gene amplification / Science. 1984. Vol. 225. P. 941—943.

Butov A. A., Volkov M. A., Anisimov V. N. et al. A model of accelerated aging induced by 5-bromodeoxyuridine / Biogerontology. 2002. Vol. 3. P. 175—182.

111

à ë à â à 14

ОГРАНИЧЕНИЕ КАЛОРИЙНОСТИ ПИТАНИЯ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ

Диета, которая обильна, опасна, и также опасно избыточное насыщение.

Те, кто от природы жирны? — ближе к смерти, чем те, которые тощи.

Гиппократ (460—477 äî í. ý.)

14.1.ВВЕДЕНИЕ

Âпоследние годы существенно повысился интерес к биологическим и медицинским исследованиям связи между диетой и долголетием. Способность калорийно ограниченной диеты увеличивать продолжительность жизни установлена на многих видах животных. В работе D. Schafer (2005) приведен исторический обзор, свидетельствующий, что в весьма отдаленные от нашего времени эпохи мыслители, врачи и биологи в целом правильно оценивали значение переедания и ограничений в диете на здоровье и продолжительность жизни (табл. 14.1).

Â1911 г. профессор Санкт-Петербургского университета Е. А. Шульц обнаружил, что недоедавшие нематоды прожили существенно больше своих собратьев, получавших корм без ограничения. В 1915 и 1917 гг. два специалиста по питанию из Йельского университета T. B. Osborn и L. B. Mendel описали замедление возрастного выключения репродуктивной функции

óкрыс, содержавшихся в условиях ограниченного питания. В 30-е годы работами C. M. McCay с соавт. (1935) было установлено, что диета с ограни- чением калорий увеличивает на 30—50 % максимальную и среднюю продолжительность жизни крыс и мышей. В первых опытах авторы не обращали внимания на состав диеты, однако в последующем ограничивали лишь уровень потребления жира и углеводов, тогда как потребление белка, минеральных солей и витаминов не уменьшали. До 60—70-х годов этот феномен, хотя и был воспроизведен во многих лабораториях, в том числе и в

СССР (Фролькис, Мурадян, 1988), рассматривался как научный курьез. Однако в последующем эта модель благодаря своей простоте и устойчивой воспроизводимости стала одной из ведущих в изучении фундаментальных механизмов старения и увеличения продолжительности жизни, хотя при этом наблюдалось замедление не всех возрастных биохимических, физиологических и поведенческих параметров (Weindruch, Walford, 1988; Yu, 1994; Masoro, 2000, 2003, 2005; Roth et al., 1999, 2000; Божков, 2001).

Â1987 г. Национальный институт старения США начал, пожалуй, один из самых грандиозных в геронтологии проектов по изучению влияния калорийно ограниченной диеты на показатели биологического возраста и про-

113

В. Н. Анисимов

Ò à á ë è ö à 14.1

Связь между калорийно ограниченной диетой и продолжительностью жизни: хронология (Schafer, 2005, с дополнениями)*

Ï ð è ì å ÷ à í è å. * — Полная библиография приведена в работах: Анисимов, Соловьев (1999); Анисимов (2003); Schafer (2005).

114

Часть V. Модифицирующие факторы старения как средства для изучения его механизмов

должительность жизни нечеловекообразных обезьян (макак резус) (Roth et al., 1999; Mattison et al., 2003). Затем еще в двух питомниках США были начаты аналогичные исследования (Kemnitz et al., 1993; Hansen, Bodkin, 1992). Хотя к середине 2002 г. 81 % всех обезьян еще были живы, предварительные данные позволяют определенно говорить о благоприятном эффекте ограниченной на 30 % по калорийности диете на заболеваемость и смертность обезьян (Mattison et al., 2003).

14.2. ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ КАЛОРИЙНОСТИ ПИТАНИЯ НА ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ЖИЗНИ

Ограничение калорийности питания увеличивало продолжительность жизни также у рыб, амфибий, дафний, насекомых и других беспозвоночных и даже дрожжей. Установлено, что этот эффект пропорционален времени, в течение которого имело место ограничение калорийности диеты (Rae, 2004). Хотя до сих пор нет ответа на вопрос, замедляет или нет ограни- ченная диета возрастные процессы у человека и влияет ли на продолжительность его жизни, в трех больших исследованиях на приматах (главным образом на макаках резус) получены первые свидетельства тому, что по крайней мере некоторые физиологические эффекты ограниченной по калорийности диеты, наблюдаемые у грызунов, воспроизводятся и у обезьян (Roth et al., 1999; Mattison et al., 2003) (табл. 14.2).

Следует отметить, что ограничение калорийности питания увеличивает продолжительность жизни не у всех видов животных и даже не у всех линий мышей (Masoro, 2003; Mochett et al., 2006). Было установлено, что именно общее снижение потребления калорий, а не какого-либо ингредиента пищи определяет геропротекторный эффект голодания (рис. 14.1) (Weindruch, Walford, 1988). Эффективность ограничения калорийности питания максимальна, когда его начинают в молодом возрасте. Она несколько снижается при начале диеты у животных среднего возраста и может оказывать неблагоприятный эффект, когда ограничения начинали у старых животных (Masoro, 2000). У молодых крыс и мышей ограниченная диета замедляет рост и половое созревание. Если таких животных перевести на кормление без ограничений, они быстро набирают вес и «догоняют» по этому показателю своих собратьев. Увеличение средней продолжительности жизни на 4.5 месяца и максимальной продолжительности жизни на 6 месяцев наблюдали у самцов мышей B6C3F1, которые были переведены на режим ограни- ченной калорийно диеты в возрасте 19 месяцев (Dhahbi et al., 2004). При этом в подопытной группе снизилась частота развития спонтанных опухолей. Следует отметить, что ограничение калорийности диеты на 20 % (вместо обычных 40 %) не нарушает фертильности у мышей, не влияет на вес тела, вызывает умеренное снижение веса репродуктивных органов, не влияет на уровень гликемии, чувствительность к инсулину, уровень IGF-1, тесто-

115

В. Н. Анисимов

T à á ë è ö à 14.2

Основные эффекты ограничения калорийности питания у обезьян (Roth et al., 1999, 2000; Mattison et al., 2003)

Наблюдаемый

Параметр

эффект

стерона, прогестерона и эстрадиола в сыворотке крови, не оказывает влияния на экспрессию в печени генов, обычно отвечающих на ограничение калорийности питания, однако оказывает благоприятный эффект на показатели здоровья и продолжительность жизни мышей (Rocha et al., 2007).

14.3. ВЛИЯНИЕ ОГРАНИЧЕНИЯ КАЛОРИЙНОСТИ ПИТАНИЯ НА РАЗВИТИЕ ВОЗРАСТНОЙ ПАТОЛОГИИ

Подсчитано, что из примерно 300 изученных разнообразнейших параметров у грызунов, содержащихся на ограниченном по калорийности рационе, включая поведение и обучаемость, иммунный ответ, экспрессию ге-

116

Часть V. Модифицирующие факторы старения как средства для изучения его механизмов

Рис. 14.1. Влияние ограничения калорийности питания на продолжительность жизни (Weindruch, Sohal, 1997).

À: по оси ординат — возраст, мес.; по оси ординат — выжившие, %. Á: по оси абсцисс — потребление калорий в неделю; по оси ординат — продолжительность жизни, мес.; 1— максимальная, 2 — средняя.

нов, активность ферментов и действие гормонов, толерантность к глюкозе, эффективность репарации ДНК, скорость синтеза белка, 80—90 % проявляли черты замедленного старения (Weindruch, Walford, 1988; Yu, 1994; Sohal, Weindruch, 1996). Важно подчеркнуть, что такая диета снижает синтез ДНК и митотическую активность тканей, стимулирует апоптоз, который элиминирует пренеопластические клетки в тканях организма (Grasl-Kraupp et al., 1994; Muskhelishvili et al., 1996), замедляет накопление в них мутаций (Dempsey et al., 1993), замедляет старение иммунной системы (Nikolich-Zu- gich, Messaoudi, 2005), замедляет развитие и возрастной патологии, включая нейродегенеративные процессы и возникновение новообразований (Weindruch, Walford, 1988). Торможение развития спонтанных опухолей наблюдали и в тех опытах, когда ограничение калорийности питания начинали в возрасте 12 или даже 17 месяцев (Masoro, 2005). Следует отметить, что ограничение калорийности питания у крыс тормозит развитие главным образом эпителиальных опухолей, особенно опухолей молочной железы и новообразований эндокринных желез, тогда как влияние на частоту злокачественных опухолей проявляется в значительно меньшей мере (Weindruch, Walford, 1988). Однако у мышей линии OF1 кормление через день не только существенно снижало продукцию АФК митохондриями, но и полностью тормозило развитие лимфом: с 33 до 0 % в подопытной группе (Descapms et al., 2005). Было также установлено, что для возникновения опухолей важ-

117

В. Н. Анисимов

ное значение имеют индивидуальные особенности потребления пищи. Так, у крыс, отличавшихся повышенным аппетитом, был больше вес тела и у них чаще развивались новообразования по сравнению с крысами, которые ели мало (Ross et al., 1983).

14.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ОГРАНИЧЕНИЯ КАЛОРИЙНОСТИ ПИТАНИЯ

НА ОРГАНИЗМ

14.4.1.Влияние на экспрессию генов

A.Richardson и соавт. (1987) первыми применили методы молекулярной биологии для изучения влияния ограничения калорийности питания на процесс старения. Они изучили экспрессию (синтез белка, уровень мРНК и

ядерную транскрипцию) a2-глобулина гепатоцитами, выделенными из пе- чени 18-месячных крыс, содержавшихся на ограниченной по калорийности диете и диете без ограничения. Синтез белка, уровень мРНК и транскрипция были увеличены в 2—3 раза в печени крыс, получавших меньше корма.

Â2002 г. были получены первые данные о влиянии ограничения калорийности питания на экспрессию генов, используя современные возможности микрочиповой технологии (Weindruch et al., 2002) (табл. 14.3). При исследовании транскриптома мышей, содержавшихся на калорийно ограниченной диете с 19-месячного возраста, было установлено, что уже через 2 месяца после начала голодания в мышцах происходят вполне определенные изменения в экспрессии генов, вовлеченных в регуляцию метаболизма, передачу сигнала, ростовых факторов, пролиферации клеток, иммунного ответа, реакции на стресс, типичные для наблюдавшихся у молодых животных при длительном голодании (Сao et al., 2001; Dhahbi et al., 2004). Интересно, что калорийно ограниченная диета приводила к снижению двух генов, участвующих в регуляции ангиогенеза и увеличению экспрессии гена Pten, являющегося опухолевым супрессором (Dhahbi et al., 2004).

С. Fu и соавт. (2006), используя микрочипы на примерно 12 000 генов, исследовали глобальную экспрессию генов в сердце, печени и гипоталамусе молодых (4—6 месяцев) и старых (26—28 месяцев) мышей линии C57BL/6, содержавшихся на диете без ограничений, и молодых (4— 6 месяцев) мышей, которые содержались на калорийно ограниченной диете в те- чение 2.5—4.5 месяца. Анализ показал, что одним из наиболее заметных изменений при старении является усиление экспрессии генов, регулирующих функцию иммунной системы. В частности, гены иммунного ответа активировались в сердце и печени, а гены, вовлеченные в продукцию и функцию антигенов, активировались во всех трех изученных тканях. Авторы склонны расценивать эти находки как свидетельство компенсаторных процессов в ответ на возрастное снижение периферического иммунного ответа (Fu

118

Часть V. Модифицирующие факторы старения как средства для изучения его механизмов

Ò à á ë è ö à 14.3

Динамика изменений экспрессии генов в мышцах мышей при старении и ограничении калорийности диеты (Weindruch et al., 2001, 2002)

et al., 2006). Так, увеличение экспрессии генов системы MHL классов I и II может происходить как компенсация снижения функции презентирующих антигены клеток, тогда как увеличение экспрессии генов, регулирующих продукцию иммуноглобулинов, может быть компенсацией за сниженную способность В-клеток продуцировать высокоаффинные антитела.

Вскоре после начала воздействия низкокалорийной диеты в сердце, пече- ни и гипоталамусе мышей изменилась активность соответственно 192, 839 и 100 генов (Fu et al., 2006). Семь генов изменили экспрессию во всех трех тканях. Соответственно 77, 95 и 73 % изученных генов изменяли активность лишь в одном из органов, т. е., их экспрессия была тканеспецифичной. Наиболее ярким эффектом ограниченной калорийно диеты было угнетение экспрессии генов белков теплового шока. Так, экспрессия гена hsp110 угнеталась во всех трех тканях, генов hsp84 и Dnajb10 — только в гипоталамусе и печени, hsp47 — в сердце и гипоталамусе. Ряд генов белков теплового шока угнетался только в одном органе. Белки теплового шока (Hsps) являются цитопротективными белками, которые выполняют роль важнейших внутриклеточных шаперонов, способствующих упорядоченной укладке цепей белков с нарушенной укладкой и их элиминации. Авторы полагают, что угнетение экспрессии генов белков теплового шока у животных, содержащихся на ограниченной калорийно диете, наблюдавшееся и другими исследователями, отражает снижение провоспалительного статуса у животных.

119

В. Н. Анисимов

Другой группой генов, экспрессия которых существенно снижалась при ограничении питания во всех трех изученных тканях, были гены стрессорного ответа (Fu et al., 2006). Аналогичные наблюдения были сделаны и другими исследователями (Cao et al., 2001).

В исследовании, специально направленном на изучение генов, вовле- ченных в эффекты инсулина при старении, было установлено, что ограни- ченная по калорийности диета увеличивает в сердечной мышце экспрессию генов IR, IRS1, IGF1, IGF1R è GLUT4 у нормальных мышей и генов IRS1, GLUT4, PPARa è PPARb/d у мышей с нокаутированным геном рецептора гормона роста (GHR–/–) (Masternak et al., 2006). Авторы не обнаружили различий в величине экспрессии IR, IRS1, IRS2, IGF1, GLUT4, PPARa è PPARb/d у мышей дикого типа и GHR–/–. Полученные неожиданные результаты свидетельствуют о том, что ограниченная калорийно диета может зна- чительно модифицировать действие инсулина на сердце, однако высокая чувствительность мышей GHR–/– к инсулину не связана с изменениями в уровне регуляции внутриклеточных сигналов инсулина.

Этой же группой исследователей было изучено влияние ограниченной калорийно диеты на экспрессию генов, регулирующих передачу сигнала в системе гормон роста—инсулин—IGF-1, в разных органах у мышей дикого типа, с нокаутированным геном рецептора гормона роста (GHR–/–) и карликовых мышей Эймса (Bartke et al., 2007). Калорийно ограниченная диета дополнительно увеличивала продолжительность жизни карликовых мышей Эймса, но не мышей GHR–/–. При этом у мышей трех исследованных групп не наблюдалось одинаковой динамики изменения в экспрессии генов инсулинового пути в разных органах под влиянием диеты. Основные результаты могут быть суммированы следующим образом.

1)Влияние мутаций (GHR–/– и мутации, вызывающей карликовость) на экспрессию генов не идентично. Так, обе мутации приводили к увеличению экспрессии гена, активирующего рецептор пролиферации пероксисом (PPAR) g и снижению экспрессии IGF-1 в печени по сравнению с нормальным контролем. Однако у GHR–/– мышей была увеличена экспрессия генов IR, IRS2 è PPAR-a, чего не наблюдалось у мышей Эймса.

2)Влияние ограниченной диеты на экспрессию генов у мышей Эймса и GHR–/– существенно различалось. Такая диета усиливала в печени экспрессию PPAR-a è IRS-1 только у мышей GHR–/–.

3)Ограничение калорийности диеты у нормальных мышей не воспроизводит полностью эффекты карликовости и выключения гена рецептора гормона роста на экспрессию генов инсулинового сигнального пути. Так, у нормальных мышей такая диета не приводит к увеличению экспрессии IR, IRS-1 è PPAR-g и снижению экспрессии гена IGF-1 в печени, как это имеет место у долгоживущих мышей с этими мутациями. Кроме того, ограниченная диета у нормальных мышей не воспроизводит стимулирующего влияния нокаута GHR на экспрессию протеинкиназы В (Akt-1, Akt-2) и ряда других генов Foxo-1, G6Pase, SOD-2, PEPCK, RxR-a, g èëè b/d. Калорийно ограниченная диета у нормальных мышей и мутантных мышей увеличивает

120