Користувач:AM Borman/Астроцитарна гіпотеза старіння ссавців

Всі види ссавців старіють

Астроцитарна гіпотеза старіння ссавців (скор. астроцитарна гіпотеза) — передбачає, що старіння ссавців є генетична хвороба, яка зумовлює смерть, причина якої — ароморфоз у тероморфній еволюційній лінії хребетних, що зумовлює трансформацію клітин радіальної глії в зірчаті астроцити в постнатальний період онтогенезу, себто зникнення ембріональних радіальних шляхів міграції нейронів із проліферативних зон до місць їх кінцевої локалізації у дорослому мозку. Висунута українським біологом Олексієм Бойко у 2000 році, опублікована в 2004 році, і у завершеному стані в 2007 році. Поширена серед науковців, які вивчають феномен старіння.

Передумови

Астроцитарна гіпотеза з'явилася в період системної кризи в біології старіння та геронтології коли старі принципи створення концептуальних моделей старіння, які зводилися до абсолютизації окремих явищ (феноменів) і приватних механізмів старіння, зазнали краху. Іншими словами, стало ясно, що теорії старіння не мають здатності передбачення на фоні того, що навіть досить відомі учені пропонують зміну парадигми біології старіння

Більш поміркованою точкою зору є думка автора астроцитарної гіпотези О. Г. Бойко, що час її появи співпав із завершення верифікації більшої частини гіпотез старіння (так званих теорій старіння), які прямо пов'язують певні клітинні процеси з першопричиною старіння цілісного організму. Їх неспроможність у цій частині підтверджується фактом існування видів багатоклітинних тварин (Metazoa) (лат.) із незначним старінням, які не старіють, чому не перешкоджають ні генерація реактивних форм кисню, ні вкорочення теломер, апоптоз та інші клітинні процеси, якими зазвичай пояснюють старіння. Цей факт не викликає подиву, так як пули клітинних механізмів у старіючих та нестаріючих форм багатоклітинних тварин практично не відрізняються. Також відкинута традиційна точка зору, що гени мортальності (старіння та смерті) виникли одночасно з появою багатоклітинності та розподілом функцій між тканинами, так як стали відомі дані про існування не тільки видів багатоклітинних тварин (Metazoa) (лат.) із незначним старінням, а й практично безсмертних видів багатоклітинних тварин. Гарний приклад: — екземпляр антарктичної губки Scolymastra joubini, вік якої оцінюють від 15 до 23 тис. років.

Пошук першопричини старіння перемістився із клітинного рівня на рівень цілісного організму. Дослідники почали порівнювати еволюційний дизайн (видоспецифічні особливості анатомії, морфології, фізіології і т. д.) нестаріючих, повільно старіючих та швидко старіючих тварин. Одним із результатів такого пошуку є астроцитарна гіпотеза.

Зміст астроцитарної гіпотези

Астроцитарна гіпотеза ґрунтується на загальновідомому факті, що у хребетних тварин (Vertebrata (лат.)) місце генерації нейробластів як у дорослому так і в ембріональному фенотипах з місцем їх кінцевої локалізації роз'єднані. Якщо мати на увазі дорослий фенотип, то в даному випадку нейробласти мігрують із вентральної/субвентральної зон по клітинам радіальної глії, але якщо у всіх хребетних така картина зберігається до кінця життя, то у ссавців клітини радіальної глії, одразу після народження трансформуються в астроцити і мозок перетворюється в предмет одноразового використання. Іншими словами, зникнення клітин радіальної глії в постнатальний період розвитку забороняє фізіологічну і репаративну регенерацію нервової тканини. Тому «постмітотичний» мозок, де пул нейронів не обновлюється протягом життя є явище унікальне і серед хребетних притаманне тільки ссавцям. Переконливі дані, особливо Йонаса Фрізена й Елен Хебер-Кац, ще раз продемонстрували, що частиною організму ссавців, яка не обновлюється протягом життя є тільки нервова тканина (мозок). Точніше нейрони, що є її структурними елементами.

Астроцитарна гіпотеза передбачає, що старіння ссавців, це генетична хвороба, яка призводить до смерті. Її причиною є придбання в процесі еволюції тероморфної гілки хребетних тільки однієї риси (ароморфоз):— трансформації клітин радіальної глії в зірчаті астроцити в постнатальний період розвитку, тобто зникнення ембріональних радіальних шляхів міграції нейронів із проліферативних зон до місць їх кінцевої локалізації у дорослому мозку.

Зникнення клітин радіальної глії, забороняє заміну нейронів, що вичерпали свій життєвий ресурс — жорстко спеціалізованих клітин з обмеженими репаративними можливостями та терміном служби, що в свою чергу індукує каскад системних процесів, який фактично є внутрішнім залежним від віку механізмом самознищення ссавців. Тобто через певний період, як результат незворотних патологічних змін у нейронах (і особливо в гормонсинтезуючих) починає невблаганно й несприятливо змінюватись рівень гомеостазу, що завдає шкоду системам життєзабезпечення організму ссавців, і в остаточному рахунку зупиняє життєдіяльність цих істот.

Головний аргумент астроцитарної гіпотези: — істоти інших філогенетичних гілок хребетних: — риб, хвостатих амфібій, черепах та птахів до кінця свого життя зберігають розгалужену радіальну мережу і здатні як до репаративної так і до фізіологічної регенерації нервової тканини. Саме серед цих філогенетичних гілок хребетних є ряд видів з незначним старінням, які відсутні серед ссавців. Види птахів мають феноменальну максимальну тривалість життя порівняно з видами ссавців того ж розмірного класу. Максимальна тривалість життя птахів у малому розмірному класі (до 30 гр.) перевищує таку у ссавців того ж розмірного класу на порядок на фоні того, що рівень обміну речовин у птахів також на порядок вище, ніж у ссавців.

Квінтесенція гіпотези — порушення принципу нестаріння характерного для істот видів із незначним старінням — постійна зміна старіючих, що вичерпали свій життєвий ресурс чи хворих клітин пулу спеціалізованих (робочих) клітин, які мають обмежені репаративні можливості та термін служби (здатність старіти) на нові. Пул спеціалізованих клітин організму поповнюється за рахунок асиметричного мітозу стовбурових клітин, які не мають внутрішньої причини старіння і можуть ділиться безмежно. Якщо порушення такого принципу запрограмоване у геномі того чи іншого виду багатоклітинних тварин на рівні цілісного організму або тільки для життєзабезпечуючої частини їх організму, то істота такого виду приречена на старіння та залежну від віку смерть.

Астроцитарна гіпотеза у науково-популярній літературі та в ЗМІ

У науково-популярному вигляді астроцитарна гіпотеза О. Г. Бойко викладена Оленою Наймарк, Розою Барсовою члена громадської організації (Росія) «За увеличение продолжительности жизни», а також Кирилом Грищенковим, науковим оглядачем журналу "7 дней" (Москва, Росія). В засобах масової інформації і на своєму сайті астроцитарну гіпотезу професійно популяризує відомий російський геронтолог Борис Кауров.

Поява астроцитарної гіпотези в «Журнале общей биологии» супроводжувалась публікаціями в засобах масової інформації та науковій пресі. В статті Г. Тарасевича: — «Мы могли бы жить вечно. Только нервы мешают» стверджується, що астроцитарна гіпотеза О. Бойка — це фактично просунутий варіант елеваційної гіпотези старіння Володимира Дільмана.

Із публікацій у науковій пресі привертає увагу стаття «Reason For Mammals' Aging Lies In The Brain». Статті про астроцитарну гіпотезу з'явились в деяких енциклопедіях.

Перші експериментальні підтвердження

Незмінний пожиттєвий гомеостаз мандрівного альбатроса (Diomedea exulans) є важливим аргументом на користь астроцитарної гіпотези

Дуже вірогідно, що один з постулатів астроцитарної гіпотези підтверджений. Передбачений гіпотетичний фактор довготривалості життя птахів — фізіологічна регенерація (нейрогенез) у всьому обсязі нервової тканини, (на відміну від ссавців, де цей процес має місце тільки в обмежених ділянках мозку) дійсно існує. Підсумовуючи сумарну базу даних на 2009 рік (результати досліджень різних авторів починаючи з 80-х років минулого століття і по цей день) автор астроцитарної гіпотези дійшов до висновку, що у птахів фізіологічна регенерація має місце у цілому об'ємі нервової тканини без обмежень; відновлюються не тільки втрати пулу нейронів, мозок птахів здатен і до репаративної регенерації травматичних пошкоджень, що було невідомо на час висунення астроцитарної гіпотези (2000—2004 роки). Цей феномен зобов'язаний своїм існуванням тому, що як і передбачалося, збереглася добре розвинена ембріональна радіальна мережа мозку дорослих птахів яка забезпечує міграцію новонароджених нейронів (нейробластів) із звичайного для всіх хребетних місця їх народження — вентральної / субвентральної зон мозку до місця репарації чи кінцевої локалізації.

Незабаром після остаточного формулювання астроцитарної гіпотези у 2008 році з'явились неспростовні дані, що нейрональний турновер мозку птахів, хоча і у дуже незначній мірі, але все таки обмежений - після селективного видалення ряд клітинних типів нейронів не регенерують (Kaslin, Ganz, Brand, 2008).

Передбачуваний астроцитарною гіпотезою фактор довготривалості життя птахів - постійне оновлення пулу нейронів нервової тканини, у свою чергу повинен перешкоджати накопиченню сенильних гормонсекретуючих нейронів і таким чином перешкоджати розвитку процеса Дільмана, тобто параметри гомеостазу дорослих птахів повинні зберігатися довічно на одному рівні.

У 2010 Вінсент Жюльен Лекомте (Vincent Julien Lecomte) принаймні для мандрівного альбатроса (Diomedea exulans) встановив факт, що у цього птаха важливі фізіологічні параметри гомеостазу (маркери старіння) пожиттєво не змінюються, як то й передбачає астроцитарна гіпотеза.

Майже не обмежений, але все ж таки частковий турновер пулу нейронів нервової тканини птахів передбачає наявність незамінної частини цього пулу, яка піддається клітинному старіння, яке, очевидно, переноситься на рівень організму, мабуть тому Diomedea exulans все ж таки старіє: - спостерігаються вікові неблагоприємні зміни у здатності до добування їжі і репродуктивної функції. Втім, цей висновок справедливий і для інших видів птахів - загальновідомо, що птахи все ж старіють і по наш час невідомий ні один вид птахів із незначним старінням. Це справедливо і для ссавців

Разом з тим, репаративні потенції нервової тканини птахів з віком мають тенденцію зменшуватись.

Критика

О. О. Москальов (Інститут біології наукового Центра Уральського відділення РАН) наводить факти та аргументи проти астроцитарної гіпотези старіння ссавців. Зокрема:

У зв’язку з запрограмованістю старіння необхідно згадати гіпотезу Олексія Бойка. Він обґрунтовує те, що відносно швидке старіння у ссавців виникло завдяки ароморфозу — розвитку постмітотичного мозку завдяки трансформації в онтогенезі клітин радіальної глії в зірчаті астроцити після завершення процесів нейрогенеза. О. Г. Бойко розглядає старіння ссавців як генетичну хворобу, подолати яку можливо шляхом відновлення радіальної глії. В якості аргументу він вказує на збереженні радіальної глії і можливість оновлення мозку у птахів, які старіють повільніше, ніж більшість ссавців. Однак ідея що до ключової ролі даного ароморфозу у старінні ссавців вступає в конфлікт з фактом існування видів — довгожителів серед китоподібних, кажанів, гризунів (зокрема, Кротячий пацюк) і не пояснює значних відмінностей у швидкості старіння серед риб, які зберігають радіальну глію.

Доводи А. Москальова потрібно інтерпретувати подвійно: з одного боку вони вказують на вузькі місця астроцитарної гіпотези, а з іншого боку, вони ж свідчать про неповноту бази даних сучасної біологічної науки. У відповідь на критику О. Г. Бойко запропонував еволюційне вчення про виникнення феномена старіння об'єднавши астроцитарну гіпотезу з гіпотезою старіння А. В. Макрушина. Таке об'єднання, на думку О. Г. Бойка, відкидає критику О. А. Москальова, який у свою чергу зустрів появу нового вчення жорсткою критикою, зокрема він пише: —

Згідно з О. Г. Бойком (2007) [6] старіння неодноразово і незалежно виникало в еволюції. Ґрунтуючись на даних літератури, він виділяє чотири еволюційних «ешелони старіння» багатоклітинних тварин: I. Перехід від «потенційно безсмертних» модульних організмів (наприклад, губок, поліпів, мохуваток, внутрішньопорошицевих і асцидій) до смертних унітарних (наприклад, полі-і олігохетам, хордовим і членистоногим). Відмінність модульних організмів від унітарних полягає у тому, що перші скомпоновані з повторюваних і взаємозамінних схожих модулів, яким притаманна ієрархічність організації — є підлеглі модулі-донори та домінуючі модулі-акцептори. Згідно з А. В. Макрушиним (2006), стареча інволюція виникла у перших унітарних багатоклітинних тварин як результат збережених донорно-акцепторних взаємодій, але вже не між вегетативними та тими, що розмножуються модулями колонії, а всередині єдиного цілісного організму. У модульних предків у процесі безстатевого розмноження відбувається відтік поживних речовин від модулів-донорів до модулів-акцепторів, що супроводжується старечою інволюцією донорів. Згідно з А. В. Макрушиним, у унітарних багатоклітинних тварин роль донора грають паренхіматозні тканини, а акцепторів — сполучні тканини. II. Повне зникнення стовбурових клітин серед дорослих стадій життєвого циклу коловраток, комах і нематод призвела до зникнення регенераційних здібностей і появі прискореного старіння у даних групах живих істот. III. Механізми, що забезпечують обмеження росту тіла у наземних хребетних, стали ще одним механізмом їх старіння. IV. В основі старіння ссавців — постмітотичність їх мозку що є результатом перетворення на ранніх стадіях онтогенезу радіальної нейрогліі в астроцити. Бойко (2007) розглядає старіння ссавців як генетичну хворобу, подолання якої можливо шляхом відновлення радіальної глії. Аргументом є факт збереження радіальної глії та оновлення мозку у птахів, які старіють повільніше, ніж більшість ссавці. Однак ідея що до ключової ролі «постмітотичного» мозку при старінні ссавців вступає в конфлікт з фактом існування видів-довгожителів серед китоподібних, кажанів, гризунів (практично не старіючого кротячого пацюка) і не пояснює значні відмінності у швидкості старіння риб, які зберігають радіальну глію. До речі, рибою є найбільш швидко старіюче хребетне — нотобранх (живе три місяці). Нарешті, фахівці з стовбурових клітин мають сумнів що до думки про відсутність регенеративних можливостей мозку ссавців.

Загалом, О. А. Москальов погоджується з О. Г. Бойко стосовно того, що старіння у кожній еволюційній гілці живих істот має притаманні тій чи іншій гілці механізми, обумовлені еволюційним дизайном групи.

У свою чергу, з цією точкою зору категорично не згоден Олексій Оловніков (автор теломерно-теломеразної гіпотези старіння), який у цілому повторюючи аргументи О. А. Москальова, але виходить з того, що старіння здійснюється єдиним для усіх тварин невідомим молекулярно-біохімічним пристроєм. Іншими словами, ще не встановленим клітинним механізмом. Незважаючи на певну обструкцію астроцитарної гіпотези, частина членів наукового співтовариства використовує її постулати для інтерпретації малозрозумілих проявів феномена старіння. Наприклад, публікації завідувача лабораторією екології та еволюції біосистем Інституту біології розвитку ім. М. К. Кольцова РАН В. В. Зюганова, дисертація британського геронтолога Обрі ді Грея та інших авторів. Ряд постулатів астроцитарної гіпотези обговорюється в оглядах І.Ю, Попова та В.М. Анісімова.

Співвідношення астроцитарної гіпотези з іншими гіпотезами старіння

Вільно-радикальна гіпотеза старіння в базі даних PubMed зберігається 164567 статей присвячених цьому відгалуженню біології старіння, але вони дуже суперечливі. Тому ця гіпотеза має багато прихильників і ярих супротивників. Астроцитарна гіпотеза постулює умови та каскад подій, за яких, дійсно, вільно-радикальні процеси можуть зістарити багатоклітинний організм. Принаймні для ссавців: — заборона фізіологічної регенерації пула нейронів нервової тканини.

Елеваційна гіпотеза В. М. Дільмана (сучасний варіант — нейроендокринна теорія) пов'язує вікові зміни чутливості гіпоталамуса до регуляторних сигналів, що надходять від нервової системи та залоз внутрішньої секреції зі старінням на рівні організму. Нейроендокринна теорія ще не повна, первинна причина вікових ендокринних змін невідома. Астроцитарна гіпотеза описує початкову причину таких змін і її еволюційне виникнення.

Окрім того, астроцитарна гіпотеза пов'язана з гіпотезою старіння Біддера і заперечує більшість постулатів гіпотези феноптоза академіка В. П. Скулачова.

Необхідно зазначити, що в біології старіння загальноприйнятих гіпотез немає. Прийнято, що наукові школи підтримують постулати тієї чи іншої гіпотези старіння. Сумарно гіпотез старіння близько 300.

Література

• Alvarez-Buylla A., Kirn J.R. Birth, migration, incorporation, and death of vocal control neurons in adult songbirds // J. Neurobiol, 1997. V. 33. P. 585—601.

• Araki M. Regeneration of the amphibian retina: role of tissue interaction and related signaling molecules on RPE transdifferentiation // Dev Growth Differ. 2007. V. 49. P. 109—120.

• Cameron H.A., Woolley C.S., McEwen B.S., Gould E. Differentiation of newly born neurons and glia in the dentate gyrus of the adult rat // Neuroscience. 1993. V. 56. P. 337—344.

• Cao J., Wenberg K., Cheng M.F. Lesion induced new neuron incorporation in the adult hypothalamus of the avian brain // Brain Res. 2002. V. 943 P. 80-92.

• Chen G., Bonder E.M., Cheng M.F. Lesion-induced neurogenesis in the hypothalamus is involved in behavioral recovery in adult ring doves // J Neurobiol. 2006. 66. P. 537—551.

• Hitchcock P., Ochocinska M., Sieh A., Otteson D. Persistent and injury-induced neurogenesis in the vertebrate retina // Progress in retinal and eye research. 2004. V.23. P.183-194.

• Kalman M., Szekely A.D., Csillag A. Distribution of glial fibrillary acidic protein-immunopositive structures in the brain of the domestic chicken (Gallus domesticus) // J. Сотр. Neurol. 1993. V. 330. P. 221—237.

• Ling C., Zuo M., Alvarez-Buylla A., Cheng M. Neurogenesis in juvenile and adult ring doves// J Comp Neurol. 1997. V. 379. P. 300—312.

• Matsui J.I., Parker M.A., Ryals B.M., Cotanche D.A. Regeneration and replacement in the vertebrate inner ear // Drug Discovery Today. 2005. V. 10. Iss. P. 1307—1312.

• Park D.L., Girod, D.A. Durham D. Tonotopic changes in 2-deoxyglucose activity in chick cochlear nucleus during hair cell loss and regeneration // Hearing Research. 1999. V. 138. Iss. 1-2. P. 45-55.

• Park D.L., Girod, D.A. Durham D. Avian brainstem neurogenesis is stimulated during cochlear hair cell regeneration // Brain Research. 2002. V. 949. Iss. 1-2. P. 1-10.

• Smittkamp S.E., Park D.L., Girod, D.A. Durham D. Effects of age and cochlear damage on the metabolic activity of the avian cochlear nucleus // Hearing Research. 2003. V. 175. Iss. 1-2. P. 101—111.

• Zuo M.X. The studies on neurogenesis induced by brain injury in adult ring dove // Cell Res. 1998. V. 8. P. 151—158.
• de Grey A.D.N.J. Dissertations: A Survey of Selected Recent Theses Relevant to Combating Aging // Rejuvenation Research. 2008. V.11. P. 259-264. doi:10.1089/rej.2008.0693.

• Бойко А. Г. (2004). «Гипотетический метод преодоления барьера максимальной видовой продолжительности жизни млекопитающих и человека». 3-й Національний конгрес геронтологів і геріатрів Украïни. 26-28 вересня 2000 р. в м. Києві: Тези доповідей.: 170.

• Boyko O.G. (2004). Do mammals die young!? An age-dependent mechanism of mammals self-destruction (PDF). Ukr. Bioorg. Acta. 1—2: 3—12.

• Бойко А. Г. (2007). Дифференцировка клеток радиальной глии в астроциты — вероятный механизм старения млекопитающих (PDF). Журнал общей биологии. 68. № 1.: 35—51.

• Boyko O.G. (2007). Differentiation of radial glia cells into astrocytes is a possible ageing mechanism in mammals. Rejuvenation Research. 10 (suppl. 1): S 51.

• Бойко А. Г. На пути к бессмертию. Этюды к четырем эволюционным эшелонам старения. М.: Белые альвы, 2007. 384 с.
• Бойко А.Г. Письмо в редакцию журнала «Успехи геронтологии»: Первые экспериментальные подтверждения астроцитарной гипотезы старения млекопитающих. 2009.
• Москалев А.А. Старение и гены. С-Пб: Наука, 2008. С. 21-22.
• Москалев А.А. Эволюционные представления о природе старения // Успехи геронтологии. 2010. Т.23 № 1. С. 9 —20.
• Макрушин А.В. Эволюционные предшественники онкогенеза и старческой инволюции // Успехи геронтологии. 2004. Вып. 13. С. 32—43.
• Макрушин А.В. Как и почему возникли механизмы старения и онкогенеза: гипотеза // Журнал общей биологии. 2008. Т. 69. № 1. С. 19—24.
• Зюганов В. В. Нестареющие животные. Почему они живут долго, но не вечно? // Использование и охрана природных ресурсов в России (информационно-аналитический бюллетень) № 2 (98). С. 30-36. 2008.