В пролиферирующих тканях 1 аберрация хромосом на клетку возникает после облучения в дозах 4-5 Гр [37]. Тогда при сохранении линейной дозовой зависимости под действием облучения в дозе 500 Гр, когда в эксперименте не наблюдается изменение формы кривой выживания (хотя и снижается средняя продолжительность жизни), в ядрах клеток нервных ганглиев должно быть примерно по 10 аберраций (число разрывов пропорционально размеру генома). В последние годы с помощь методов молекулярной цитогенетики И.Д.Александров и соавт. [3] обнаружили на D. melanogaster, что радиационные разрывы хромосом, ведущие к формированию аберраций, регулярно локализуются внутри генов, причем нередко их кластеры обнаруживаются в областях определенных последовательностей внутри интронов. Делеции различной величины фланкируют разрывы у 20% обменов. Укорочение новых концов хромосом (радиационные разрывы), расположенных вблизи или даже внутри генов и не защищенных теломерными участками, при маргинотомии, сопровождающей дальнейшую репарацию, несомненно приведет к быстрой гибели насекомых. О сохранении плато на кривых выживания при радиационном укорочении жизни [12], если верна гипотеза Оловникова, не может быть и речи.
Таким образом, механизм старения по Оловникову не обеспечивает возможности проявления ряда свойств этого процесса, которые наблюдаются в реальной жизни. К достоинствам этой гипотезы следует отнести возможность ее экспериментальной проверки. Достаточно измерить длину теломер в постмитотических клетках молодых и старых доноров (гипотеза предсказывает их укорочение), а также проверить, является ли, согласно предсказаниям гипотезы, прекращение работы некоторых генов и гибель клеток причиной смерти организма. Непосредственные измерения теломерных участков показали, что у мыши они значительно длиннее, чем у человека, хотя продолжительность жизни последнего в 50 раз больше. Кроме того, хотя теломерные участки в клетках крови человека укорачиваются с возрастом, в мышечных клетках человека [31] и мыши такого не найдено. Нет укорочения теломер и при клональном старении одиночных клеток дрожжей [39].
Принимая во внимание указанные соображения, можно заключить,что теломеразная гипотеза имеет отдаленное отношение к сущности старения. Она может быть предложена в качестве одного из объяснений причины существования лимита на число делений соматических клеток (лимита Хейфлика).
Продолжает активно разрабатываться свободно - радикальная гипотеза [45 - 47], впервые предложенная Н.М.Эмануэлем [17] и Harman [44]. Суть ее в том, что старение обусловлено повреждением макромолекул клеток под действием собственных свободных радикалов, которые в норме образуются в качестве побочных продуктов метаболизма в каждой клетке.
Не забыта до сих пор одна из первых генетических гипотез о механизме старения - гипотеза о плейотропности действия генов [28]. В ее основе лежит предположение о том, что действие некоторых генов имеет противоречивые последствия: будучи полезными в начале жизни эти гены со временем становятся смертельно опасными для их обладателя. Естественный отбор закрепляет эти гены благодаря их полезному действию или необходимости для молодых особей.
В современных работах Charlesworth, Hughes [25] и Tower [87] сопоставляются плейотропная гипотеза и концепция накопления мутаций как причины старения. Особенно популярно в последнее время представление об "антагонистической плейотропности" между ранней плодовитостью и долговечностью [92]. Djawdan et al. [33] предполагают, что эта плейотропность может существовать благодаря обмену в распределении энергии между воспроизведением и выживанием. Однако авторы указывают, что количественные соотношения между плодовитостью и продолжительностью жизни, предсказанные теоретически, не совпадают с полученными в эксперименте.
Это и не удивительно, поскольку еще в 1966 г Lamb показал, что обратная корреляция продолжительности жизни и плодовитости у дрозофил наблюдается только в стандартных для генетических экспериментов условиях содержания [58]. При содержании насекомых на обогащенной среде или при очень частых (через сут вместо одного -двух раз в неделю) пересадках на свежую среду продолжительность жизни плодовитых насекомых увеличивается и даже несколько превышает продолжительность жизни бесплодных (мутантов или стерилизованных небольшой дозой радиации) дрозофил. Отсюда автор сделал вывод о том, что ресурсы, одновременно необходимые для размножения и увеличения продолжительности жизни, содержатся в питательной среде, и только при их недостатке увеличение плодовитости снижает продолжительность жизни.
Ю.П. Алтухов [4] обсуждает корреляции между четырьмя факторами: гетерозиготностью генотипа, возрастом первой репродукции, размерами тела и продолжительностью жизни. Все эти четыре параметра для большого набора совершенно различных организмов (насекомых, рыб, млекопитающих, растений) попарно хорошо скоррелированы. В качестве основного, определяющего три остальные параметра, автор рассматривает аллозимную гетерозиготность.
Charlesworth, Hughes [25] пытаются на основе экспериментальных данных сделать выбор из двух моделей: теории старения "disposable soma" (по существу, обновленная теория накопления мутаций) и теории "антагонистической плейотропности". Однако ни одна из них по отдельности, по мнению авторов, не дает возможности удовлетворительно описать приведенные данные. Curtsinger, Fukui [29] в своем обзоре указывают, что эти модели старения - "антагонистическая плейотропность" и накопление мутации, не имеет реальной экспериментальной поддержки.
По мнению многих авторов, старение вызывается накоплением случайных повреждений в геноме. Гипотезу о первичности в старении стохастических повреждений ДНК в последнее время называют теорией старения "disposable soma".
Для проверки теории старения "disposable soma" Martinez [69] показал наличие положительного влияния искусственного стимулирования репарации на продолжительность жизни. Автор стимулировал репарацию путем повторяющегося повреждения у бесполого червя Paranais litoralis. Так как стимуляция репарации ведет к увеличению продолжительности жизни, автор полагает, что его данные подтверждают теорию старения "disposable soma" Abrams, Ludwig [18] добавляют к этой гипотезе еще одно положение: "эволюционная теория старения disposable soma " предполагает, что старение является результатом оптимального баланса ресурсов между воспроизведением и соматической репарацией. Причем в этой работе теоретически предсказывается, что теория старения "disposable soma" может предсказать распределение смертности по закону Гомперца только в виде исключения.
Рассмотрев широкий набор гипотез о механизмах старения, Toussaint, Remacle [86] пришли к выводу, что все они могут быть интегрированы в более общее понятие, каковым является концепция критического порога накопления ошибок, принимающая во внимание защитную роль систем репарации.
Мы не будем рассматривать все перечисленные гипотезы так же подробно, как гипотезу А.М.Оловникова. Однако отметим, что все гипотезы о первичной роли стохастических повреждений не согласуются с фактами, доказывающими, что существует генетически определенный механизм старения. Из списка свойств старения они не могут объяснить существования пп 1, 2, 3, 4, 9.
В этой связи особый интерес привлекает транспозонная гипотеза старения Кирквуда[56, 73]. Автор предположил, что транспозоны при перестройках не только перемещаются в геноме с места на место, а удваиваются, вследствие чего их число в геноме экспоненциально растет со временем в течение жизни. Пока число транспозонов мало, невелика и вероятность того, что перестройка затронет функциональную активность жизненно важных генов. Размножение транспозонов происходит в пределах избыточной ДНК, поскольку ее количество в геноме многих эукариот во много раз превышает размеры кодирующих белки областей и регуляторных участков. Размножение транспозонов вызывает экспоненциальный рост вероятности того, что будут затронуты гены, что и приводит к росту со временем вероятности гибели клеток, старению и смерти организма. Мы полагаем, что период, когда транспозоны размножаются в молчащей ДНК, можно рассматривать как потенциальную фазу старения. В половых клетках при прохождении мейотического кроссинговера избыточные транспозоны удаляются, что приводит к восстановлению репродуктивного потенциала этих клеток. Возможность удаления "новых" транспозонов обусловлена тем, что в гомологичных хромосомах они располагаются в разных сайтах. Из-за этого при кроссинговре образуются однонитевые петли, которые могут быть удалены ферментами репарации.
Значительный интерес с нашей точки зрения представляют данные об изменениях первичной структуры генома за счет мобильных элементов с возрастом. Так Egilmez, Reis [34] показали, что у нематоды в течение жизни в 14 раз возрастает эксцизия элемента Тс-1. Clark, Guadalupe [27] показали, что вставка в случайные места генома блока из 48 Р-элементов приводит к разнообразным изменениям продолжительности жизни, причем увеличение продолжительности жизни в этом случае не сопряжено с поздней плодовитостью. Woodruff, Nikitin [89] также указывают на то, что перемещение Р-элемента приводит к сокращению продолжительности жизни дрозофилы. Работа Nikitin, Woodruff [74] дополняет приведенные данные : перемещение транспозона mariner приводит к сокращению продолжительности жизни дрозофилы D. simulans и не влияет на продолжительность жизни D. melanogaster.
В этой модели хотелось бы отметить два обстоятельства:
1. Для реализации процесса Кирквуда необходима молчащая ДНК; известно, что для организмов без молчащей ДНК (прокариоты и некоторые одноклеточные эукариоты) типичное старение не характерно.
2. Модель хорошо согласуется с тем, что факторы, случайным образом повреждающие ДНК, ускоряют процесс старения. Мутации генов от внешних повреждающих факторов суммируются с повреждением генов транспозонами.