Қартаю – табиғаттың заңдылық процесі, ол организмнің жылдан жылға бұзылуы, жəне оның бейімделу əрекетінің төмендеуі. Қартаю процесі өлім мүмкіндігін жақындатады. Қартаю барлық организмдерге тəн қасиет. Ол тірі жандар организмдерінде əр түрлі деңгейде өтеді. Олар: молекулалықгенетикалық, клеткалық, ұлпалық, мүше деңгейі жəне біртұтас организм деңгейі.
Қартаю гетерохронды жəне гетеротопты жолдармен өтеді. Гетерохронды дегеніміз: əр түрлі клеткаларда, ұлпаларда жəне ішкі мүшелерде əр түрлі жылдамдылықпен өтуі. Ал гетеротопты əр түрлі структурада сапа жағынан бірдей емес өзгеруі. Адам мен жануарларда молекулалықгенетикалық деңгейде қартаюдың жүргізуші механизмі болып мыналар саналады: ДНҚның қайтымсыз бұзылуы, РНҚ жəне белок синтезінің өзгеруі т.б.
Клеткалық деңгейде қартаюдың жүргізуші механизмі: клеткалардың бұзылуы жəне өлуі, митоз белсенділігінің төмендеуі, митохондриялар санының азаюы, лизосомдардың бұзылуы, клетка мембраналарының электрондық жəне иондық қасиеттерінің өзгеруі. Сонымен бірге цитоплазма коллоидтарындағы дегидратациясы, яғни ондағы су мөлшерінің азаюы болып табылады.
Организм деңгейінде қартаюдың негізгі механизмдері болып нерв жүйесінің, эндокринді, жүрекқантамырлар, ас қорыту, тыныс алу, зəр шығару жəне басқа жүйелердің атқаратын қызметінің төмендеуі болып саналады.
Қартаюдың алғашқы механизмі клеткалардың генетикалық аппараты жағдайының өзгеруімен байланысты.
Барлық ұлпаларда қартаюдың нəтижесінде клеткалар саны азаяды жəне клеткааралық заттардың мөлшері көбейеді. Клеткааралық заттарда су мөлшері азаяды, соның нəтижесінде ферменттік реакциялар бұзылады.
Қазіргі уақытта бірқатар молекулалық биология мамандары қартаюдың теломерлі теориясын жақтайды.
Қартаюдың теломерлі теориясы
Қартаюдың теломерлі теориясы екі түрлі жағдайдың: ДНҚның толық репликацияланбау проблемасы жəне клетка (немесе ұлпа) культурасынан табылған Хейфлик эффектісі нəтижесінде А.М. Оловниковпен қалыптастырылды.
1961 жылы Хейфлик эффектінің ашылуы қартаюдың табиғаты жөніндегі жалпы көзқарасты түбегейлі өзгертті. Он жылдан кейін Хейфликтің тапқан заңдылықтары қартаюдың теломерлі теориясын құруға негіз болды. Сондықтан Леонард Хейфликтің жəне оған дейінгі Алексис Каррельдің жұмыстарына тоқталайық.
Каррель мен Хейфлектің эксперименттері. Вейсманның идеялары.
Төменде сипатталатын жұмыстардың тарихы ʺтерістеуді терістеуʺ принципінен қалыптасты. 1881 жылы цитологияның классигі Август Вейсман өзінің постулаттарын ұсынды: организмде болатын қартаю процесінің себебі соматикалық клеткалардың бөлінуі арқылы көбею қабілетінің мəңгі, шексіз еместігінде. Басқаша айтқанда, клеткалар тозып, əрі қарай бөліну арқылы жаңара алмайды, сондықтан да өлімге ұшырайды.
Вейсман тек жыныс клеткаларға немесе ұрықтық плазмаға ерекшелік тəн деді: олар оның ойынша қартаймайды. Қазіргі уақытта оны былайша түсіндіреді: жыныс клеткаларында (ұрықтың гоноциттерінен бастап жетілген жыныс клеткаларына дейін) ешқандай жасы үлкенкішілігіне қарай өзгерістер болмайды. Егер өзгерістер болса ол аномалия деп саналады.
Вейсманның идеялары қандай да болмасын эксперименттерге негізделген жоқ (ол уақытта бұл мүмкін емес еді), тек ғалымның болжамы болды.
Вейсманның бірінші ережесі (соматикалық клеткалар жөнінде) көптеген зерттеушілермен көп жылдар бойы ʺқаталʺ қадағаланып тексерілді. Ал екінші ережесі (жыныс клеткалары жөнінде) əрқашанда дəлелсіз қалып отырды.
Вейсманның бірінші постулатының Каррельмен теріске шығаруы.
XX ғасырдың басында жаңа тиімді əдіс пайда болды ұлпа кесегін культурада өсіру.
Каррельдің эксперименттері (Нобель сыйлығына ие болған) келесідей болды.
Ол тауықтың жүрек ұлпасынан кішкене кесекшесін (1,5 мм) алып, оны эмбрионалды экстракт пен плазмадан тұратын қоректік заты бар шыны ыдысқа салды. Жəне оны термостатта инкубациялауға қойды.
Ұлпа кесекшесіндегі шеткі клеткалар (фибробластар) бөлініп, бірнеше күннен кейін кесекше əр жағының 3 ммге кеңейіп өсіп отырды (ауданы 2 есе өсті). Оны екіге бөліп, бір бөлігін келесі бір қоректік заты бар ыдысқа орналастырды.
Каррель бойынша мұндай процестерді көп, шексіз жүргізуге болады, яғни фибробластар бөліну қасиеттерін көп жылдар бойы жоғалтпайды. Бұл эксперимент 34 жылға созылды (1912 жылдан 1946 жылға дейін) жəне де Каррельдің əріптестерімен аяқталды (ол уақытта Каррель қайтыс болған).
Басқаша айтқанда, Каррель бойынша, соматикалық клеткалар өз өзінен қартаймайды: қолайлы жағдайда шексіз бөліне отырып көбейе алады. Қартаю тек көпклеткалы, күрделі организмдерге тəн.
Кейін бұл көзқарастар кең тарап, көп жылдар бойы нағыз шындық болып саналды. Басқа да лабораторияларда клеткалар ертелі кеш өліп жатса да, оны культивациялауының қолайсыз жағдайларымен түсіндірді. Сондықтан да қартаюдың себептерін ғалымдар клеткалардан емес одан тыс жерлерден іздеді. Мысалы, орыс ғалымы Безредка бойынша картаю дəнекер ұлпасының жəне клеткааралық заттардың бүзылуы нəтижесінде басталады. Мұндай идеялар көп болды.
Каррельдің Хейфликпен терістенуі.
1961 жылы Л.Хейфлик П.Мурхетпен бірге адам эмбрионынан алынған фибробластар культурасымен жұмыс жасады. Ол уақытта ондай эксперименттер тəсілдері айтарлықтай өзгерді. Енді ұлпа кесекшесін алдын ала трипсинмен өңдей бастады (ұлпаны жеке клеткаларға ажырату үшін). Өңделген клеткаларды жалпақ шыны ыдыстарға орналастырды. Екіншіден, басты мəселе қоректік заттың құрамының өзгешелігінде болды. Онда эмбрион экстрактысы мен плазмасының орнына төменгі молекулалы қоректік заттар (амин қышқылдар, тұздар жəне т.б.) мен бұқа қанының сарысуы қолданылды.
Мұндай ортаға енгізілген қалыпты соматикалық клеткалар бірнеше сағаттан кейін ыдыстың түбіне бекініп, моноқабат түзіп, бір күннен кейін бөліне бастайды. Ыдыстың түбінде бос орын қалмағанда жəне клеткалар бірбірімен түйіскенде (контакт) бөлінулер тоқтайды. Контактты тежелу ісік емес клеткаларға тəн ең басты қасиет.
Əдетте келесі егуді культурадағы клеткалар саны екі есе көбейгенде жасайды. Ол үшін моноқабатты клеткаларды бірбірінен жəне ыдыстың бетінен ажырату үшін трипсинмен өңдейді. Түзілген клеткалар суспензиясының жартысын алып, оны келесі ыдысқа егеді.
Бұл эксперименттерден мынадай нəтиже шықты: адам эмбрионынан алынған қалыпты фибробластар шексіз бөліне алмайды жəне культураның өлуі қолайсыз жағдайға байланысты емес, бұл қайталанатын заңдылық: бөлінулер 50 егуден кейін тоқталады. Клеткалар популяциясы циклі үш кезеңге бөлінеді. Оның ішіндегі соңғы 3ші кезеңде клеткалардың бөліну жылдамдығы төмендейді де, соңында клеткалар өледі.
Бұдан Каррельге қарамақарсы, бірақ Вейсманның бірінші ережесіне толығымен сəйкес келетін қорытынды шығады. Соматикалақ клеткалардың бөлінуі шексіз емес, қартаю бұл клетканың өзіне тəн қасиеті (ол 3ші кезеңде де байқалады), ол тіпті клетка геномында жазылған. Сондықтан клетка тек қана белгілі мөлшерде бөлінеді де соңында өледі.
Бұл бөлінулер саны Хейфлик лимиті деп аталды. Хейфликтің нəтижелерін ешкім қолдамады, себебі ол Каррельдің классикалық эксперименттерін теріске шығарды.
Хейфликтің ойынша: Каррель мен оның серіктестері жағынан фальсификация болды, немесе мəселе əдістемелік қателікте.
Каррельдің тəжірибесінде культураны күнде тауық эмбрионының экстрактысымен қоректендіріп отырды. Бұл экстрактты алдын ала клеткалардан ажырату үшін центрифугадан өткізген болса да, бірдіекілі клеткалар қалып культураға түсіп отыруға əбден мүмкін еді. Яғни культура ылғи да жаңа клеткалармен толықтырылып отырған, нəтижесінде олардың бөлінулері культураның тіршілігі мəңгілік екенін көрсетіп, қателестіріп отырған. Бұл оқиға келешекке сабақ болды.
Зерттеушілер үшін əрбір пайдаланылатын əдіс қатал да ұқыпты анализді талап етеді.
Хейфликтің қосымша дəлелдері.
Алғашқы зерттеулерде адам эмбриондарынан алынған клеткалар (фибробластар) 50 рет бөлініп отырды. Егер де фибробластарды ересек адамнан алса, онда популяцияның өліміне дейінгі клеткалардың бөліну саны 50ден төмен болады, яғни донордың жасына тəуелді: донордың жасы жоғары болған сайын бөліну саны азаяды.
Мұндай заңдылық көптеген ғалымдармен əр түрлі клеткалардан табылды, соның ішінде эпителиоциттер, миоциттер жəне лимфоциттер де бар. Яғни in vivo жағдайындағы клеткалардың бөліну сандарын бақылайтын бір ʺсанауыштарʺ бар. Жəне де клеткаларды in vivo жағдайына ауыстырғанда ол есепті басынан бастамай жалғастыра береді.
Нақты сандық тəуелділік те анықталған: адамның (донордың) жасы бір жылға ұлғайған сайын культурадағы фибробластардың бөліну саны орташа есеппен 0,2ге төмендейді.
Бұдан қызықты қорытынды шығады: адамның 100 жылғы өмірінде фибробластардың репликативті потенциалы 20 бөлінуге ғана төмендейді. Ал потенциал толығымен (сондай ырғақты сақтағанда) 250 жылдан кейін бірақ жұмсалады.
Қандай болмаса да жоғарыда келтірілген фактілер өткен (немесе қалған) клеткалар бөліну сандарының есте сақталып қалатындығын көрсетеді. Бұл жөнінде тіпті клеткаларды ұзақ мерзімде төменгі температурада қатырған жағдайда да есте сақталады (10 жылға созылған уақытта да). Ерітуден кейін клеткалар бөліну қабілетіне келіп, қатыруға дейін қанша рет бөліну қалса сонша рет бөлінеді.
Сонымен қатар түрдің өмір ұзақтылығы мен культурадағы клеткалардың бөліну санының арасында тығыз байланыс бар. Мысалы, 50 рет бөліну бүл адамның Хейфлик лимиті, тышқанда ол азырақ (1520), тасбақада көбірек (175) болуы мүмкін.
Үшінші кезеңге жеткен клеткаларды зерттеу маңызды аргумент болып табылады. Көбеюдің тоқталуынан бірнеше бөлінулерден бұрын популяцияның өсуі біртіндеп баяулайды да клеткалардың морфологиясы өзгереді: олардың көлемі үлғаяды (бөлінулер арасындағы уақыттың созылуынан) жəне əйнектің бетіне жайылып кетеді (тургордың төмендеуінен). Сонымен қатар көптеген биохимиялық көрсеткіштер төмендейді: ферменттердің белсенділігі, макромолекулалардың синтезі жəне т.б. Соған ұқсас өзгерістер іп vivo жағдайында да кездеседі (организм толығымен қартайғанда). Бұның барлығы іп vivo жағдайында клеткалардың қартаюын көрсетеді.
Жоғарыда келтірілген фактілер адам мен басқа жануарлардың шынымен де генетикалық детерминацияланған бөліну лимиті бар екендігін көрсетті (1кесте).
| 1кесте. Əр түрлі жануарлардың Хейфлик лимиті Клеткалар иесі | Жануардың тіршілігінің | Культурадағы клеткалардың б і |
| Жаңа туған | 3 жыл | 15-20 рет |
| Жаңа шыққан | 12 жыл | 25 рет |
| Адам эмбрионы | 100 жыл | 50 рет |
| Галапагос | 175 жыл | 1-10 рет |
1971 жылы Хейфликтің ашқан заңдылығы көпшілікке белгілі болды. Сол уақытта А.М.Оловников ДНҚ‐ның теломерлі бөлімдерінің репликациясының механизмдеріне назарын аударды. Ол арнайы механизм болу керек деп айтты. Осы жағдай оны маргинатомия теориясына итермеледі (енді оны қартаюдың теломерлі теориясы деп атады). Ол теория бойынша организмнің барлық соматикалық клеткаларының хромосомдарында теломерлердің репликациялану механизмі жоқ, сондықтан хромосомдардың теломерлері əр бөлінуден кейін біртіндеп қысқарып отырады. Теломерлер қысқарып ұзындықтары ең төменгі деңгейге жақындағанда клеткалар қартая бастайды да, соңында өледі.
Сонымен, Хейфлик эффектісі хромосомдардың қысқаруымен түсіндіріледі, қартаюдың негізгі мəнісі де осыған негізделінеді.
Сол уақытта м‐РНҚ молекуласының қызметін түсіндіруде «билетиктер» гипотезасы да шыққан. М‐РНҚ‐ның бір шетінде генетикалық информациялар жоқ полиА‐фрагменттері болады. «Билетиктер» гипотезасы бойынша М‐РНҚ рибосомада əрбір оқылған сайын оның полиА‐фрагменті 10‐15 нуклеотидке қысқарып отырады (бір «билет» үзіліп отыратын сияқты). ПолиА‐ фрагменттің ұзындығы қатты қысқарғанда (50 нуклеотидке дейін) РНҚ‐азалар м‐РНҚ‐ны ыдыратып жібереді. Осыдан қартаюды түсіндіруде қабылданған маргинотомия теориясы «билетиктер» гипотезасына ұқсас екенін көреміз, тек м‐РНҚ‐ға емес ДНҚ‐ға негізделген.
Сонымен маргинотомия теориясы Хейфлик феноменін түсіндірді, Вейсманның бірінші ережесін эксперименталды тұрғыдан дəлелдеді (соматикалық клеткалардың шексіз бөліне алмауын) жəне Вейсманның екінші ережесіне де қатысты болды (жыныс клеткаларының қартаймауы).
Вейсманның ережелерін толығымен қабылдай отырып, маргинотомия теориясы барлық жыныс клеткаларда теломерлердің ұзындығын қалпына келтіріп отыратын механизм бар деп болжады. Тек осы жағдай айтылған клеткалардың «мəңгілік жастығын» қамтамасыз етеді деп ойлаған.
Теорияны дəлелдейтін фактілер
Соматикалық клеткаларда теломерлердің қысқаруы жөніндегі болжамдар толығымен дəлелденді. Культурадағы қалыпты клеткалардың əрбір бөлінуінде теломерлердің ұзындығы 50‐100 нуклеотидке қысқаратындығы анықталды. Адам фибробластысы 50 рет бөлінуінде 2‐3 мың нуклеотидке қысқарады.
Осы уақытқа дейін біз культурадағы клеткалардың теломерлерінің қысқаруы жөнінде сөз қылып келдік. In vivo жағдайындағы клеткаларға тəн де ұқсас мəліметтер бар.
Мысалы лимфоциттердің теломеразалық белсенділігінің болуына қарамастан адам жасы ұлғайған сайын теломерлер де қысқарып отырады, орташа есеппен жылына 40 нуклеотид.
Лимфоциттердің ерте иммундық қартаюымен ерекшеленетін Даун ауруымен ауыратын адамдарда теломерлердің қысқару жылдамдығы жоғары, жылына 133 нуклеотид.
Жыныс клеткалары да зерттелген. Жыныс клеткасының теломерлері басқа соматикалық клеткаларға қарағанда ұзынырақ екен. Сонымен бірге адам жасына қарамастан жетілген жыныс клеткаларының теломерлері күткендей тұрақты болады екен.
Көптеген бөлініп жатқан соматикалық клеткаларда теломерлер қысқарып жатады. Бірақ шынымен де осы жағдай аяғында популяцияның бөлінуін шектеп, өлімге əкеле ме?
Шынымен де солай болып шықты. Ол жақын арадағы (1998 ж.) эксперименттерде дəлелденді. Культурадағы клеткаларға (гендік инженерия əдістерімен) теломеразаның каталитикалық субденешігін кодтайтын TERT гені енгізілді. Нəтижесінде клеткалар Хейфлик лимитін өсірді (жоқ дегенде 20 бөлінуге), яғни теломерлердің ұзындығын қалпына келтіріп отыру бөлінуді тоқтатпай культураның өлімін болдырмады.
Қосымша деректер.
Теломерлердің қысқаруы қалайша клеткаға теріс əсер ете алады? Əдетте бір‐бірімен байланысты екі қарама‐қарсы болжамдарды қарастырады: біріншісінде ‐ теріс əсер бұл ʺжаманʺ гендердің белсенділігінің артуы болып табылады. Ол қартаюға əсер ететін AGE гені. Екіншісінде ‐ клетканың толық функциясына керекті, жауап беретін ʺжақсыʺ гендердің белсенділігін жоғалтуы болып саналады.
Бірінші болжам эксперименталды түрде кейбір организмдерде анықталған эффектіден шығады: жеткілікті ұзын теломерлер жақын, қатар жатқан гендердің сайленсингін (белсенділікті репрессиялау) тудырады. Теломерлер қысқарғанда бұл гендер активтенеді.
Осы болжамның басқа да модификацияланған түрлері ұсынылған. Солардың біреуі бойынша ʺжасʺ клеткаларда қартаюдың AGE генін басып тастайтын бір ген репрессор бар делінеді. Егер де теломерлер қысқа болса, қалған теломерлердің бос белоктары ген‐ репрессормен байланысып, оны ʺөшіредіʺ. Нəтижесінде AGE гені активтенеді.
Ал AGE генінің нақты табиғатын қарастырсақ, оған кейбір мəліметтер бойынша р53 белогының генін жатқызуға болады. Осы геннің функциясы жойылғанда культурадағы фибробластардың Хейфлик лимиті он шақты бөлінулерге артады.
Енді екінші болжамды қарастырайық (ʺжақсыʺ гендердің белсенділігін жоғалтуы). Бұл болжам бойынша клеткалық бөліну кезінде теломерлердің жойылуы хромосомдардың қысқаруына əкеледі де, аяғында структуралық гендер де жойыла бастайды.
Қорытынды
Сонымен теломерлердің қысқаруы қалай жəне неүшін клеткалардың жағдайын нашарлататыны жөнінде əзірше тек болжаулар ғана бар.
Бірақ мұндай əсерлердің болуы даусыз. Осыған байланысты А.М.Оловниковтың эксперименталды тұрғыдан дəлелденген теориялық болжамдарын келтірейік:
а) теломерлердің ұзындығын қамтамасыз етіп отыратын арнайы механизмдердің болуы жөніндегі болжамдар теломераза мен альтернативті механизмдердің (АLТ) ашылуымен дəлелденді;
б) соматикалық клеткаларда теломерлердің қысқаруы бөлініп жатқан клеткаларда дəлелденді (in vivo) ;
в) жетілген жыныс клеткаларында теломерлердің ұзындығы организмнің жасы үлкен‐кішілігіне тəуелсіз екендігі дəлелденді;
г) теломерлердің қысқаруы культурадағы клеткалардың бөлінуін тоқтататындығы жөніндегі болжамдар теломераза генін клеткаға енгізгенде Хейфлик лимитін ұзартқаны эксперименттерде дəлелденді;
д) кейбір басқа да болжамдар дəлелденді. Мысалы, ісік клеткаларындағы теломеразаның болуы олардың шексіз бөлінуін түсіндірді.
Осы идеялардың барлығы бір ойды көрсететінін көру қиын емес. Бірақ осы ойды түсіну, табу үшін биологияда қабылданбаған нəрсені істеу керек болды. Ол нəрсе теорияны жақсы, жан‐жақты білу жəне оны талдауға, дəлелдеуге көп күш салу. А.М. Оловников осы жолға түскен ғалымдардың бірі.
Теломерлі теория шын мəнінде қартаюдың толық сипатын бере алады деп айта алмаймыз. Қартаю – өте күрделі жəне көп жақты процесс. Сондықтан да қартаюдың табиғаты мен заңдылықтары қазіргі күнге дейін шешілген жоқ. Теломерлі теорияны кейбір ғалымдар қолдамайды да жəне оны терістейтін көптеген мəліметтерді келтіреді. Бірақ шын мəнінде теломердің қысқаруы қартаюға əкелетін көп жолдардың бірі екендігі белгілі.