Генетика старения и связанных с возрастом патологических состояний - психиатрия позднего возраста
Генетические модели старения и ожидаемой продолжительности жизни
Главным доводом проведения генетических исследований процессов старения является то, что потенциальная максимальная продолжительность жизни весьма специфична для особей разных биологических видов. Это дает основание полагать, что существуют какие-то базовые различия в генетической конституции организмов разных видов, которые и определяют темп их старения. Хотя, как это уже отмечено выше, взаимосвязь между старением и продолжительностью жизни необходимо тщательно и обоснованно определить.
Были попытки установить число генов, вовлеченных в увеличение потенциала максимальной продолжительности жизни за эволюцию Homo sapiens по показателям интенсивности замещения аминокислот в протеинах. Полученные результаты свидетельствуют о том, что это число находится в пределах от 70 до 240 генов (Cutler, 1975- Sacher, 1975). Данные последующих исследований эволюционных изменений продолжительности жизни показали, что в этом скорее играют роль не точечные мутации, на которых в своих оценках основывались Sacher и Cutler, а хромосомные перестройки во многих генных локусах. Составив перечень генетических вариантов, ассоциированных с развитием фенотипа старения, подсчитали, что примерно 1000 генов участвуют в регуляции признаков старения и до 6900 генов хотя бы косвенно могут быть вовлечены в общий фенотип старения (Martin, 1985, 1989). Из этого следует, что, если такие оценки даже приблизительно верны, потенциальная генетическая гетерогенность, участвующая в детерминации продолжительности жизни, огромна.
Еще одно доказательство сложной генетической основы продолжительности жизни было получено при сравнительном изучении родителей и их потомков. Первоначально предполагалось, что существует тесная связь между долгожительством родителей и их детей (Pearl & Pearl, 1934). Но при последующих лонгитудинальных исследованиях 90-100-летних (Abbott et al., 1974) и жителей французского изолята в Канаде (Philippe, 1978) такая корреляция оказалась очень слабой и легко объяснимой в большей степени социальными условиями и средой, чем наследственностью (Murphy, 1978). В продолжительных наблюдениях за моно- и дизиготными близнецами обнаружено большее сходство продолжительности жизни монозиготных пар по сравнению с жизнью дизиготных (Jarvik et al, 1960). Однако эти данные, вероятно, свидетельствуют только о большой сопоставимости сроков и причин смерти монозиготных близнецов. Поэтому возможно, что в таких исследованиях изучаемым фактором является не собственно продолжительность жизни человека, а какой-то иной изменчивый фактор, который зависит от факторов риска и специфической подверженности расстройствам, определяющим вероятность человека умереть в том или ином возрасте (Vaupel, 1988).
Таким образом, все данные свидетельствуют о том, что наследуемость продолжительности жизни определяется изменчивым числом взаимодействующих генов, экспрессия которых значительно модифицируется благоприятными либо неблагоприятными воздействиями среды (Yashin & Iachine, 1994).
Правильность такого объяснения подтверждают результаты исследований системы лейкоцитарных антигенов человека (HLA). Proust et al (1982) сообщили о том, что у 90-100-летних людей все чаще выявляют антигены Cw7 (у мужчин) и Cw1 (у женщин), предположив взаимосвязь определенных гаплотипов с повышенной способностью к выживанию. Еще позднее было установлено, что аллель 4 аполипопротеина Е (АроЕ), которая ускоряет преждевременное развитие атеросклероза и, как будет подробно изложено ниже, является существенным фактором риска в развитии семейных форм болезни Альцгеймера с поздним началом, реже встречается у людей в возрасте 100 лет и старше, чем у людей контрольных групп (Schachter et al., 1994). Как ни странно, те же исследователи сообщили, что вариант ангиотензин-превращающего фермента, во многих популяциях связанный с предрасположенностью к коронарной болезни сердца, у столетних людей определяется чаще. Хотя результаты таких исследований и могут послужить примерами генетических влияний на различия в способности к выживанию, а также примерами возможных плейотропных, зависящих от возраста влияний на продолжительность жизни, их точное биологическое значение и релевантность пока еще понять трудно.
Синдромы прогерии
Результаты изучения синдрома Гетчинсона- Гилфорда и синдрома Вернера позволяют несколько по-иному рассматривать влияние генетических факторов на процессы старения. При этих двух болезненных состояниях у больных обнаруживают патологические изменения, которые обычно считаются типичными только для людей очень позднего возраста.
Синдром Гетчинсона-Гилфорда проявляется у детей значительным отставанием в росте от сверстников, облысением, исчезновением подкожной жировой клетчатки, выпячиванием вен, пигментацией определенных участков кожи, признаками артрита, а также очень характерным лицом. К 10 годам у таких детей обычно развивается тяжелый атеросклероз. Средняя продолжительность жизни больных
лет (Brown et al., 1985). Правда, был описан атипичный случай, когда пациент-японец прожил с этой болезнью до 45 лет (Ogihara et al., 1986).
Первые признаки синдрома Вернера начинают обнаруживать у детей постарше. Типичные проявления болезни включают недостаточный рост больного вследствие того, что не было его ускорения в подростковый период, и поседение волос к II — ппв годам. С увеличением возраста болезнь протекает относительно типично и к середине четвертого десятилетия жизни проявляется атрофией кожи и соединительной ткани, потерей волос, изменениями голоса, формированием катаракты, изъязвлениями кожи и признаками диабета. Часто возникает остеопороз и поражаются коронарные артерии, а у женщин рано прекращается менструация. Средняя продолжительность жизни 47 лет (Epstein et al., 1966- Salk, 1982). Культуры клеток, взятых из кожи пациентов с синдромом Вернера, в экспериментах очень схожи с культурами клеток, которые получены от стариков. Отмечается длительный латентный период, пока фибробласты начнут мигрировать из эксплантата, а клетки растут редко и очень ограниченно по длительности. При этом рост клеток сочетается с различными хромосомными перестройками, в том числе с делециями и множественными транслокациями (Salk, 1982- Fukuchi et al, 1989- Scappaticci et al, 1990).
Чрезвычайно интересно, что во время попыток уточнить генетические механизмы процессов старения исследователи установили, что раннее начало обеих болезней и очень быстрое развитие болезненного фенотипа обусловлены лишь единичными генными мутациями либо небольшими мультигенными делециями. Синдром Гетчинсона- Гилфорда был описан как спорадическая аутосомно-доминантная (Brown et al, 1979) и как аутосомно-рецессивная болезнь (Khalifa, 1989). Возможно, что редкие поражения сибсов возникают в результате эмбрионального мозаицизма. Тип наследования синдрома Вернера — аутосомно-рецессивный (Epstein et al, 1966- Goto et al, 1981), и болезнь картирована на хромосоме 8р 12—р 11 (Goto et al, 1992- Schellenberg et al, 1992.).
Высказано мнение, что, поскольку есть очевидное сходство обеих болезней с непатологическим старением, их следует рассматривать как сегментарные синдромы прогерии, то есть состояния, в которых представлены многие, но не все аспекты фенотипа старения (Martin, 1985). Противоположное мнение заключается в том, что, учитывая специфичные для синдромов Гетчинсона-Гил форда и Вернера аномалии, а также их несоответствие критериям преждевременного или ускоренного старения (Casarett, 1964), наиболее адекватное отношение к этим синдромам как к карикатурным проявлениям процессов старения (Epstein, 1985). Какая бы из этих точек зрения ни была принята, в результате детального изучения генома больных с синдромом Вернера возможны значительные прорывы в нашем понимании основополагающих механизмов распространенных возрастных нарушений. По этой причине будет ошибкой совершенно отказываться от оценки этих синдромов как возможных моделей процессов старения и связанных с возрастом патологических состояний.
Поведенческие расстройства
Основная проблема в установлении генетических причин многих распространенных заболеваний или генетической предрасположенности к их развитию заключается в том, что нет какого-либо подходящего для определения генов продукта, который можно было бы использовать для однозначной диагностики болезненных состояний. Это было камнем преткновения по отношению к поведенческим расстройствам, многие из которых, как это было установлено при исследовании семей и близнецов, встречаются с частотой, укладывающейся в их полигенный, мультифакториальный тип наследования. При таком типе наследования несколько или множество генов в совокупности определяют предрасположенность индивида к какому-то расстройству, а экспрессия этих генов зависит от неблагоприятного действия специфических негенетических факторов.
С разработкой в 70-х годах технологии рекомбинантной ДНК ситуация быстро изменилась. Для диагностики того или иного расстройства уже не надо было обнаруживать и количественно определять продукт гена. Вместо этого стало возможным использовать различные вариации в последовательности нуклеотидов ДНК в качестве маркеров для изучения наследования отдельных участков хромосом в семьях и других тесно связанных между собой группах людей. Путем изучения ДНК от кровных родственников, у которых было выявлено какое-либо специфическое расстройство, можно идентифицировать участок хромосомы с тем же типом наследования, что и болезнь, тем самым устанавливая тесную близость в хромосоме этих участков к генам, ответственным за развитие данной болезни. Так были составлены детальные карты локализации генов заболеваний в хромосомах. Благодаря широкомасштабным исследованиям с целью улучшения генетической диагностики расстройств эти карты становятся все более специфичными и комплексными.
Первым важным поведенческим расстройством, которое было идентифицировано таким способом, была болезнь Гентингтона — расстройство, обусловленное прогрессирующей нейродегенерацией преимущественно базальных ганглиев. Симптомы болезни обычно начинают проявляться в 30- 50 лет. Мутантный ген, ответственный за развитие болезни, обнаруживает аутосомно-доминантный тип наследования. В 1983 году Gusella с сотрудниками применили рестрикционный фермент Hin dill к образцам ДНК, полученным от людей, связанных родственными связями и проживающих в определенной местности в Венесуэле. У этих людей часто выявляли болезнь Гентингтона. Исследователям удалось показать, что ген этого расстройства локализован в коротком плече хромосомы 4 (Ch4). Подобным образом была разработана быстрая и надежная диагностика заболевания еще до развития его симптомов и стала возможной даже пренатальная диагностика этого патологического состояния. В последующем определена точная локализация гена заболевания в Ch4pl6.3, что означает: хромосома 4, позиция 16.3, на коротком плече (Buetow et al., 1991), а также установлена природа дефекта, связанная с расширенным и нестабильным триплетом (CAG) (Huntington&rsquo-s Disease Collaborative Group, 1993).
Со времени появления этого первого сообщения ДНК-технологию начали использовать для исследований более распространенных поведенческих расстройств с неменделевским типом наследования. Не удивительно, что результаты этих исследований, по сравнению с результатами изучения болезни Гентингтона, в какой-то степени разочаровали. Причина тому — дефект одного гена с очень редкими мутациями и полной пенетрантностью (Wexler et al, 1987). Виновником часто явно противоречивых данных, вероятно, является гетерогенность изучаемых расстройств, развитию которых, возможно, способствует множество как генетических, так и негенетических причинных факторов. До тех пор, пока не удастся разделить эти расстройства на дискретные формы с точно установленной этиологией каждой, противоречивость результатов вполне предсказуема. Это особенно верно, когда многие из обследованных индивидов проживают в генетических изолятах с малой популяцией. В таких сообществах вследствие возможного инбридинга иногда повышена концентрация гена(ов) болезни. Кроме того, частота редких аллелей, предрасполагающих к заболеванию, также может стать значительной вследствие эффекта родоначальника (founder effect), когда мутация у одного или нескольких индивидов, которые основали данное сообщество, передается последующим поколениям.
Эти факты необходимо принимать во внимание при оценке сообщений о роли генетических факторов в развитии болезни Альцгеймера (БА). По результатам исследований, один из каждых трех пациентов, страдающих этой болезнью, имеет родственника первой степени родства с теми же нарушениями (Deary & Whalley, 1988). Такие факты служат вескими основаниями подозревать генетическую предрасположенность к заболеванию у значительного числа больных. Исходя из того, что у больных с синдромом Дауна (трисомия 21), умерших в среднем возрасте, обнаруживают нейроморфологические изменения, очень напоминающие таковые у страдающих болезнью Альцгеймера , сделано предположение, что один из генов 21 хромосомы (Ch21) вовлечен в патогенез БА. Как у больных с синдромом Дауна, так и у страдающих болезнью Альцгеймера в мозге вне клеток образуются отложения (бляшки) амилоидного Р-белка, и почти у всех внутри нейронов обнаруживают клубки аномальных нейрофибрилл, состоящие из высокофосфорилированного микротубулярного ? (тау)-протеина (Hardy & Duff, 1993).
Исследования ДНК на материале родословных из разных регионов Европы, в которых отмечали случаи раннего развития БА, и накопление в родословных описаний случаев заболевания, соответствующих аутосомно-доминантному типу наследования, вначале свидетельствовали о том, что ген БА находится в области Ch21ql 1—22 — так обозначается ген на длинном плече хромосомы 21 в пределах области, ограниченной позициями от 1 до 22 (St George-Hyslop et al., 1987). Установлена также мутация гена, кодирующего основной пептид, из которого состоит амилоидная бляшка, и связь этого гена с данной формой болезни. Помимо первичной замены аминокислоты валин —» изолейцин (Goate et al., 1991), описано несколько других мутаций в этом локусе (Hardy & Duff, 1993). Однако весьма скоро стало очевидным, что связь с маркерами в Ch21 отмечается лишь в немногих семьях, в которых были случаи раннего развития БА, тогда как другой чаще встречающийся локу с болезнью Альцгеймера, связанный с агрессивной формой болезни, локализован на длинном плече хромосомы 14 в участке Chl4q24.3 (Mullan et al., 1992- Schellenberg et al., 1992а). Этот ген был клонирован. В результате обнаружены пять миссенс-мутаций, которые сегрегируются вместе с аутосомно-доминантной ранней формой болезни Альцгеймера (Sherrington et al., 1995). Третий кандидат на роль гена, ассоциированного с ранней формой болезни Альцгеймера, выявлен в семьях поволжских немцев, проживающих в США. Он локализован в хромосоме 1 в области Chlq31—42, при этом гомологичен ранее обнаруженному гену в хромосоме 14 (Levy-Lahad et al., 1995а). Из этого можно заключить, что мутантный ген БА, найденный в семи связанных родством семьях поволжских немцев, присутствовал у одного или большего числа основоположников этой популяции.
У страдающих семейной и спорадической болезни Альцгеймера, начавшейся в позднем возрасте, определена связь заболевания с проксимальной частью длинного плеча хромосомы 19 — Chi9 (Pericak-Vance et al.,
Иммунохимическим методом аполипопротеин Е (АроЕ) был обнаружен в сенильных бляшках, амилоиде сосудов и нейрофибриллярных клубках, характерных для БА, а ген, кодирующий АроЕ, локализован в участке Chl9ql3.2. Показано, что аллель е4 АроЕ (112 Cys —> Arg) чаще встречается у пациентов с болезнью Альцгеймера (Strittmatter et al, 1993). Кроме того, подтверждена высокодостоверная связь с аллелем 4 у спорадически заболевших болезнью Альцгеймера с верификацией диагноза на аутопсии (Saunders et al., 1993- Schmechel et al., 1993). Этими находками подтверждается предположение, что ген АроЕ е4 способствует клиническим проявлениям наиболее частых форм БА.
В связи с тем, что взгляды на природу этой болезни быстро меняются и показана гетерогенность ее наследования с вовлечением нескольких генных локусов, окончательные выводы о генетике БА, к сожалению, невозможны. Тем не менее представляется, что общим этиологическим фактором у всех страдающих болезнью Альцгеймера является очаговое отложение амилоидного р-белка, а остальные наследственные и средовые причины болезни, вероятно, взаимодействуют с метаболизмом протеина, который считается предшественником амилоидного Р-белка — АРР (Hardy & Duff, 1993). Важность альцгеймеровского амилоидного Р-белка в развитии фенотипа болезни подтверждена путем внедрения трансгенного инкорпорирующего АРР-гена мышам вместе с геном, который экспрессивен в участках головного мозга, грубо поражаемых во время БА. При этом по механизмам апоптоза развивалась нейрональная дегенерация и гибель клеток (LaFerla et al., 1995).
