Первоначально клеточное старение было обнаружено Леонардом Хейфликом и Полом Мурхедом в 1961 году и описано как ограниченная способность культивируемых клеток к делению [150]. Выделенные из организма клетки соединительной ткани — фибробласты — могут поделиться примерно сорок раз, после чего они перестают это делать, хотя и живут еще какое-то время. Такие клетки претерпевают характерные морфологические и биохимические изменения: растут в размерах, накапливают лизосомы, иногда становятся полиплоидными (то есть содержат более двух копий генома).
Так были впервые обнаружены сенесцентные клетки. Эти клетки устойчивы к апоптозу — запрограммированной смерти (см. главу 14), но метаболически активны и секретируют цитокины — сигнальные молекулы, влияющие на поведение иммунных клеток и активирующие иммунные реакции в нормальных, неиммунных клетках. В совокупности эти молекулы называются связанным с сенесцентностью секреторным фенотипом (senescence-associated secretory phenotype, SASP) [151].
Первый обнаруженный механизм индукции клеточного старения был связан с укорочением теломер. Напомним, что такое теломеры и почему они укорачиваются. Хромосомы большинства эукариот линейны, и на их концах располагаются повторяющиеся последовательности ДНК, называемые теломерами. Каждый раз, когда хромосома реплицируется, ее теломеры становятся немного короче. Это неизбежно из-за неспособности ферментов, копирующих ДНК, реплицировать ее концы 64.
В зародышевой линии, то есть в клетках, которые в конечном итоге должны дать начало новому организму, теломеры удлиняются ферментом, называемым теломеразой. Позже, во время эмбриогенеза, активность теломеразы падает в большинстве соматических клеток, что приводит к укорочению теломер с каждым последующим делением. Когда теломеры становятся слишком короткими, клетки активируют механизм реакции на повреждение ДНК, который может убить клетку, вызывая апоптоз, а может привести к сенесцентности. У молодых организмов сенесцентные клетки удаляются иммунной системой, в частности макрофагами и естественными киллерами. Однако с возрастом способность иммунной системы убивать эти клетки снижается.
Накопление сенесцентных клеток в тканях ведет к хроническому воспалению, вызывает ряд повреждающих эффектов и, как правило, вредно для здоровья организма. Цитокины, выделяемые сенесцентными клетками — SASP, — могут превращать здоровые клетки с нормальными теломерами в сенесцентные клетки. Таким образом, накопление сенесцентных клеток является процессом с положительной обратной связью: если эти клетки не удаляются, то их количество может расти с повышенной скоростью.
Клетки могут переходить в сенесцентное состояние не только из-за укорочения теломер, но и в том случае, если ДНК повреждается ультрафиолетовым излучением или химическими соединениями — например, активными формами кислорода или лекарствами, используемыми в химиотерапии рака. Кроме того, сенесцентность может быть вызвана вирусной инфекцией или активацией онкогенов. Исторически сенесцентные клетки рассматривались как противоопухолевая адаптация, которая помогает организмам предотвращать возникновение рака. Действительно, неограниченный рост раковых клеток был бы невозможен, если бы их теломеры укорачивались, а механизм перехода клеток в сенесцентное состояние не был бы отключен.
Неудивительно, что в большинстве опухолей повышается активность теломеразы и происходит инактивация р53, ключевого регуляторного белка, необходимого для реакции на повреждение ДНК и индукцию клеточного старения. Однако p53 может вызывать не только клеточное старение, но и апоптоз. Почему эволюции выгодно, чтобы потенциальные раковые клетки переходили в сенесцентность вместо того, чтобы просто убивать себя апоптозом? Изначальным ответом на этот вопрос был SASP: молекулы, секретируемые сенесцентной клеткой, привлекают макрофаги и естественные киллеры, которые удаляют не только саму сенесцентную клетку, но и соседние раковые клетки, по каким-то причинам не вошедшие в сенесцентное состояние.
Однако эта модель оказалась ошибочной. Если иммунная система полностью функциональна, клеточное старение действительно помогает удалить предраковые клетки. С другой стороны, накопление сенесцентных клеток и, в частности, секретируемых ими молекул — SASP — не предотвращает, а способствует возникновению и развитию опухолей! Было показано, что различные цитокины, компоненты SASP (например, интерлейкины 65 6 и 8, IL-6 и IL-8), активируют размножение раковых клеток, метастазы, рост сосудов в опухоли, что необходимо для ее питания. Более того, факторы SASP помогают раковым клеткам избегать распознавания иммунной системой [152]. Таким образом, гипотеза о роли клеточного старения в предотвращении рака была опровергнута.
Биологическая роль клеточного старения остается загадкой, если рассматривать его с точки зрения классических эволюционных моделей. Действительно, если старение не является адаптивным запрограммированным процессом, то существование токсичных сенесцентных клеток не может быть объяснено. Согласно традиционному подходу, эти клетки должны быть для чего-то нужны и их искусственное удаление должно иметь неблагоприятное воздействие на здоровье. Так, Том Кирквуд, автор теории одноразовой сомы (см. главу 9), является оппонентом удаления сенесцентных клеток как средства борьбы со старением. Он полагает, что такой терапевтический подход может иметь негативные побочные эффекты, которые могут перевесить потенциальную пользу [153].
Гипотеза контроля патогенов может привести теорию в соответствие с данными и рационализировать существование вредных для здоровья сенесцентных клеток. Если старение является запрограммированной адаптацией, то здесь нет никакого противоречия: сенесцентные клетки существуют, чтобы убить организм. Поэтому удаление этих клеток может быть полезным для здоровья человека и не нести значительных побочных эффектов.
Могли ли сенесцентные клетки эволюционировать только для того, чтобы убивать нас? Это тоже маловероятно. Клеточное старение кажется слишком сложным механизмом, чтобы служить единственной цели — убийству организма. Кроме того, некоторые животные, такие как нематоды, не имеют клеточного старения, но все равно стареют. Таким образом, клеточное старение не является необходимым для старения. Вполне вероятно, что сенесцентные клетки эволюционировали для какой-то другой специфической роли, но затем приобрели вторичную функцию в старении.
Как указано выше, значение сенесцентных клеток в предотвращении рака в настоящее время кажется сомнительным. Вместо этого исследователи предполагают, что клеточное старение может принимать участие в ремоделировании тканей. Можно выделить два случая:
• эмбриогенез (развитие и формирование эмбриона). Во время эмбриогенеза стареющие клетки немедленно удаляются иммунной системой, а если клеточное старение невозможно из-за мутаций, то развитие эмбриона нарушается [154];
• сенесцентные клетки индуцируются во время заживления ран и участвуют в модуляции процесса регенерации [155].
Однако в обоих случаях сенесцентные клетки, как представляется, не играют ключевой роли. Что касается первого примера, отсутствие сенесцентных клеток во время эмбрионального развития может быть частично компенсировано апоптозом. Относительно второго случая можно сказать, что ранозаживляющие и другие регенеративные способности ухудшаются по мере старения организма — возможно, сенесцентные клетки не слишком для этого полезны. Таким образом, биологическая роль сенесцентных клеток до конца не выявлена.
Если старение является частью иммунной системы, может быть, основная роль сенесцентных клеток — тоже иммунная? Действительно, исследования взаимодействия сенесцентных клеток с вирусами имеют долгую и богатую историю. Около 10 % всех раковых заболеваний вызываются вирусами. Онкогенные вирусы, как известно, иммортализуют клетки, давая им способность делиться бесконечно. В частности, клетки HeLa — первая бессмертная клеточная линия, широко используемая в исследованиях, — происходят от рака шейки матки, вызванного вирусом папилломы человека HPV-18. Чтобы иммортализировать клетки, онкогенные вирусы выработали механизмы предотвращения сенесцентности.
Ключевой белок p53, участвующий в клеточном ответе на повреждения ДНК и в клеточном старении, был открыт шестью группами ученых независимо друг от друга. Пять из этих шести групп изучали онковирусы, и некоторые из них сперва приняли p53 за вирусный белок. Позже было выяснено, что p53 — это клеточный белок, который активируется при заражении, но подавляется вирусными белками. В случае вируса обезьян 40 (SV40) белок, ответственный за связывание и инактивацию р53, называется большим Т-антигеном(large T-antigen).
Более того, оказалось, что не только онковирусы вызывают клеточное старение. Ряд РНК-содержащих вирусов, таких как вирус денге или SARS-CoV-2, тоже приводят к сенесцентности. В случае SARS-CoV-2 накопление вирус-индуцированных сенесцентных клеток в легких усугубляет патогенез. Удаление этих клеток облегчало симптомы болезни у хомяков, зараженных SARS-CoV-2 [156]. Также известно, что вирус гепатита В (HBV) вызывает и ингибирует сенесцентность [157].
Итак, клеточное старение индуцируется и ингибируется вирусами. Такой характер взаимодействий показателен для элементов иммунной системы. Что будет, если заразить сенесцентные клетки вирусами? Эта тема исследована недостаточно, однако было показано, что репликация по крайней мере одного вируса — везикулярного стоматита (VSV) — снижена в сенесцентных клетках. Более того, секреторный фенотип, SASP, производимый сенесцентными клетками, может защитить здоровые клетки от вирусной инфекции [158].
Таким образом, сенесцентность может быть индуцирована вирусной инфекцией, сами сенесцентные клетки могут быть противовирусными, а переход клетки в сенесцентность может подавляться вирусными механизмами. Нужно отметить, что активация SASP включает несколько классических путей передачи сигналов врожденного иммунитета, участвующих в защите от вирусов и вовлеченных в активацию синтеза и реакцию на интерфероны 66. Поэтому весьма вероятно, что сенесцентные клетки являются частью противовирусного иммунного ответа и могут рассматриваться как часть врожденного иммунитета [159].
Таким образом, возможно, при вирусной инфекции сенесцентные клетки играют роль «иммунного ополчения». При заражении вирусом клетка практически любой «профессии» может стать сенесцентной, то есть приобрести иммунную функцию. Задача сенесцентных клеток может состоять в том, чтобы защищать другие клетки при помощи SASP, при необходимости тоже рекрутировать их в «ополчение» и взаимодействовать с макрофагами, лейкоцитами и другими специализированными иммунными клетками, которые в рамках этой метафоры соответствуют профессиональным солдатам. После того как инфекция побеждена, сенесцентные клетки «демобилизуются», то есть удаляются клетками иммунной системы. Скорее всего, это необходимо потому, что они все еще могут содержать подавленные, но способные к реактивации вирусы. Так происходит в молодом здоровом организме.
Рис. 43. Гипотеза «иммунного ополчения».
Согласно этой гипотезе, сенесцентные клетки изначально эволюционировали как часть врожденного иммунитета. Клетка любой «профессии» при заражении вирусом может быть «призвана в ополчение» для участия в иммунном ответе, то есть стать сенесцентной. Такие клетки производят цитокины (SASP), которые предупреждают здоровые клетки о наличии инфекции и переводят их в антивирусное состояние. SASP также может делать другие здоровые клетки сенесцентными, а кроме того, подавать сигналы «профессиональным солдатам» — клеткам иммунной системы. После того как инфекция побеждена, сенесцентные клетки должны быть «демобилизованы», то есть убиты иммунной системой, поскольку они все еще могут содержать подавленный вирус. Если сенесцентные клетки вовремя не удалить, то они будут «мародерствовать», то есть синтезировать цитокины и вызывать локальное воспаление. Эта гипотеза предполагает, что роль сенесцентных клеток в старении эволюционировала позже как часть программы адаптивной смерти.
На рисунке также представлены невирусные стимулы, способные вызывать сенесцентность и, возможно, влиять на старение. Удаление сенесцентных клеток иммунной системой, вероятно, также является важной функцией, определяющей скорость старения организма.
Однако если наше «ополчение» вовремя не удаляется, оно может начать приносить вред организму. Это другая вероятная функция сенесцентных клеток, имеющая отношение не к защитному иммунитету, а к старению. При этом накопление сенесцентных клеток может привести в том числе и к деградации защитного иммунитета. Так, в работе американского биолога Кристин Кэмелл и ее соавторов было показано, что накопление сенесцентных клеток в организме может привести к повышенной смертности от вирусной инфекции. Удаление этих клеток повышало выживаемость зараженных животных [160]. Вероятно, сенесцентные клетки, индуцированные вирусом в месте инфекции, могут играть защитную роль, однако их накопление в масштабах всего организма, напротив, подавляет иммунитет.
Еще один важный аспект — клеточное старение иммунных клеток. Зачем «профессиональным солдатам» становиться «ополченцами»? Эти клетки существуют для защиты от патогенов, поэтому их превращение в ополчение кажется нелогичным. Можно предположить, что старение иммунных клеток может регулировать свойства иммунной системы, например, способствовать иммуносенесценции, ухудшать защитную роль иммунной системы, делая ее пагубной для организма (об этом говорилось в главе 35). Действительно, было показано, что сенесцентные иммунные клетки снижают свою функциональность [161], однако для подтверждения общей гипотезы требуется гораздо более детальный анализ.
Итак, давайте попробуем сложить воедино вероятный механизм старения, включающий сенесцентные клетки и иммунную систему. Сенесцентные клетки периодически возникают в организме. Они могут появляться для борьбы с вирусными инфекциями или другими похожими проблемами, например для координации иммунного ответа при заживлении ран. Возможно, сенесцентные клетки полезны в течение некоторого времени после своего появления — пока длится воспаление.
В молодых организмах сенесцентные клетки удаляются иммунной системой, однако с возрастом ее активность снижается и сенесцентные клетки накапливаются с более высокой скоростью. Мало того, эти оставшиеся сенесцентные клетки могут облегчать переход здоровых клеток в сенесцентное состояние посредством SASP. Их накопление способствует хроническому воспалению и ухудшению состояния ткани, описанному Клаудио Франчески как inflammaging. Вирусы, аллергии и другие факторы, провоцирующие воспаление, могут ускорить этот процесс, либо вызывая накопление сенесцентных клеток, либо подавляя способность иммунной системы их удалять.
Это возможная модель механизма, с помощью которого инфекция может ускорять старение (см. главу 30). Согласно этой гипотезе, роль сенесцентных клеток двойственна: они полезны для выживания организма, если их индуцировать и быстро удалять, однако, если позволить им сохраняться в течение длительного времени, они наносят вред здоровью.
Согласно гипотезе контроля патогенов, обе эти функции эволюционно выгодны: прямой антивирусный эффект сенесцентных клеток помогает особи бороться с инфекциями, а более поздний, повреждающий, эффект эволюционировал, чтобы ограничить продолжительность жизни особи и защитить ее сородичей от инфекций.
Следует отметить, что практически все элементы предлагаемой модели известны и общепризнаны научным сообществом. Если гипотеза контроля патогенов верна, то иммунная система и клеточное старение могут действительно оказаться ключевыми факторами в системном старении организма.
Также следует отметить, что эта модель неполна, поскольку некоторые животные, такие как нематоды, не имеют ни специализированных иммунных клеток, ни клеточного старения, но все равно стареют и умирают. Следовательно, нельзя исключать наличие и у человека дополнительных механизмов старения, независимых от сенесцентности и работы иммунных клеток.
Каким образом гипотеза контроля патогенов может помочь лучше понять процесс старения, по крайней мере, в рамках предложенной выше модели? Допустим, клеточное старение действительно является частью врожденного иммунитета, который помогает предотвращать репликацию вирусов. Вирусы постоянно изобретают способы противодействия иммунитету хозяина (глава 27). Поэтому получение более подробной информации о механизмах, при помощи которых вирусы могут препятствовать переходу клеток в сенесцентное состояние или подавлять SASP, может помочь разработке препаратов, убивающих или изменяющих сенесцентные клетки (такие препараты называют сенолитиками и сеноморфиками соответственно).
Так, гипотеза контроля патогенов позволила выявить неожиданных союзников в наших поисках противовозрастной терапии. Для вирусов и других патогенов долголетие их хозяев является эволюционно выгодным, и они могли приобрести механизмы, которые если не продлевают продолжительность жизни организма хозяина, то, по крайней мере, предотвращают ускорение старения, например связанное с сенесцентными клетками. Если вирусы уже «помогли» нам идентифицировать p53, могут ли они хранить ключи к еще более захватывающим открытиям? Можно ли использовать эволюционную «мудрость» вирусов для разработки лекарств от старости? Как еще «друзья»-паразиты могут помочь нам достичь биологического бессмертия?
64 Следует отметить, что, хотя механизм репликации ДНК является весьма эволюционно-консервативным, скорость укорочения теломер сильно варьируется между видами. Поэтому должны существовать дополнительные факторы, регулирующие укорочение теломер.
65 Интерлейкинами называют цитокины, которые синтезируются преимущественно лейкоцитами (в то время как цитокины представляют собой более обширную группу, синтезируемую разными клетками).
66 Речь идет, в частности, о таких сигнальных путях, как NF-κB, cGAS/STING и JAK/STAT.