БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 12, с. 1881–1887

УДК 577.24

Старение является побочным эффектом реализации программы онтогенеза многоклеточных

Обзор

© 2022 Л.В. Сальниковlsalnikov@anticabiomed.com

АнтиКА Биомед, Сан-Диего, Калифорния, США 92111

Поступила в редакцию 16.08.2022
После доработки 14.09.2022
Принята к публикации 14.09.2022

DOI: 10.31857/S0320972522120089

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: старение, теории, программа онтогенеза, функциональные группы генома, гены «домашнего хозяйства», специализированные гены, метилирование.

Статья на английском языке опубликована в режиме Open Access (открытого доступа) на сайте издательства Springer. DOI: 10.1134/S0006297922120070.

Аннотация

В обзоре представлено краткое изложение современного состояния основных теоретических подходов к проблеме старения. Приведён разбор работ авторов, придерживающихся теории «накопления ошибок» и теорий, утверждающих присутствие у всех многоклеточных гипотетической «программы старения». Анализируется роль апоптоза и его связь с феноптозом, а также теория «гиперфункции». Представлен собственный подход к этой проблеме, в котором старение объясняется перераспределением ограниченного объёма ресурсов между двумя основными задачами организма: его самообеспечением, основанном на функции группы генов «домашнего хозяйства» (HG), и функциональной специализацией, обеспечиваемой группой интегративных генов (IntG). Неразрывная связь старения с программой онтогенеза означает, что главная роль в механизмах старения отводится перераспределению ресурсов с генов самообеспечения HG на группу генов IntG, необходимую для работы всех специализированных функций организма в целом. Нарастающий с возрастом дисбаланс между HG и IntG даёт основания предполагать, что переключение клеточных ресурсов в пользу генов IntG является побочным эффектом реализации программы онтогенеза и главной причиной старения, заложенной в самой природе функционирования генома в условиях высокоинтегрированной многоклеточности. Гипотеза функционального подразделения генома также указывает на ведущую роль медленно делящихся и постмитотических клеток, как наиболее чувствительных к снижению уровня репарации, для запуска и реализации процесса старения.

Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность А.М. Оловникову за приглашение к участию в сборнике и советы по написанию этого обзора.

Конфликт интересов

Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Da Silva, P. F. L., and Schumacher, B. (2019) DNA damage responses in ageing, Open Biol., 9, 190168, doi: 10.1098/rsob.190168.

2. Bae, T., Fasching, L., Wang, Y., Shin, J. H., Suvakov, M., et al. (2022) Analysis of somatic mutations in 131 human brains reveals aging-associated hypermutability, Science, 7, 511-517, doi: 10.1126/science.abm6222.

3. Anisimova, A. S., Alexandrov, A. I., Makarova, N. E., Gladyshev, V. N., and Dmitriev, S. E. (2018) Protein synthesis and quality control in aging, Aging (Albany NY), 12, 4269-4288, doi: 10.18632/aging.101721.

4. Kirkwood, T. B. L., and Holliday, R. (1979) The evolution of ageing and longevity, Proc. R. Soc. London Ser. B Biol. Sci., 205, 531-546, doi: 10.1098/rspb.1979.0083.

5. Kirkwood, T. B. L., and Austad, S. N. (2000) Why do we age? Nature, 408, 233-238, doi: 10.1038/35041682.

6. Weissman, A. (1891) Essays Upon Heredity and Kindred Biological Problems, 2nd Edn., Clarendon Press, Oxford, UK.

7. Skulachev, V. P. (2019) Phenoptosis as a phenomenon widespread among many groups of living organisms including mammals (Commentary to the Paper by E. R. Galimov, J. N. Lohr, and D. Gems. (2019) Biochemistry (Moscow), 84, 1433-1437), Biochemistry (Moscow), 84, 1438-1441, doi: 10.1134/S0006297919120022.

8. Olovnikov, A. M. (2018) Chronographic theory of development, aging, and origin of cancer: role of chronomeres and printomeres, Curr. Aging Sci., 8, 76-88, doi: 10.2174/1874609808666150422114916.

9. Horvath, S., and Raj, K. (2018) DNA methylation-based biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing, Nat. Rev. Genet., 19, 371-384, doi: 10.1038/s41576-018-0004-3.

10. Lu, A. T., Fei, Z., Haghani, A., Robeck, T. R., Zoller, J. A., et al. (2021) Universal DNA methylation age across mammalian issues, bioRxiv, 2021.01.18.426733, doi: 10.1101/2021.01.18.426733.

11. Porter, H. L., Brown, C. A., Roopnarinesingh, X., Giles, C. B., Georgescu, C., et al. (2021) Many chronological aging clocks can be found throughout the epigenome: Implications for quantifying biological aging, Aging Cell, 11, e13492, doi: 10.1111/acel.13492.

12. Zhang, W., Qu, J., Liu, G. H., and Belmonte, J. C. I. (2020) The ageing epigenome and its rejuvenation, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 21, 137-150, doi: 10.1038/s41580-019-0204-5.

13. Larocca, D., Lee, J., West, M. D., Labat, I., and Sternberg, H. (2021) No time to age: uncoupling aging from chronological time, Genes (Basel), 12, 611, doi: 10.3390/genes12050611.

14. Olovnikov, A. M. (2022) Eco-crossover, or environmentally regulated crossing-over, and natural selection are two irreplaceable drivers of adaptive evolution: Eco-crossover hypothesis, BioSystems, 5, 104706, doi: 10.1016/j.biosystems.2022.104706.

15. Blagosklonny, M. V. (2007) Paradoxes of aging, Cell Cycle, 15, 2997-3003, doi: 10.4161/cc.6.24.5124.

16. Blagosklonny, M. V. (2007) Program-like aging and mitochondria: instead of random damage by free radicals, J. Cell Biochem., 15, 1389-1399, doi: 10.1002/jcb.21602.

17. Dilman, V. M., and Ward, D. (1992) The Neuroendocrine Theory of Aging and Degenerative Disease, Center for Bio Gerontology.

18. Gems, D. (2022) The hyperfunction theory: an emerging paradigm for the biology of aging, Ageing Res. Rev., 74, 101557, doi: 10.1016/j.arr.2021.101557.

19. Blagosklonny, M. V. (2021) Response to the thought-provoking critique of hyperfunction theory by Aubrey de Grey, Rejuvenation Res., 24, 170-172, doi: 10.1089/rej.2021.0018.

20. Rhoads, T. W., and Anderson, R. M. (2021) Taking the long view on metabolism, Science, 373, 738-739, doi: 10.1126/science.abl4537.

21. Bartke, A. (2021) New directions in research on aging, Stem Cell Rev. Rep., 11, 1-7, doi: 10.1007/s12015-021-10305-9.

22. Bilinski, T., Bylak, A., Kukuła, K., and Zadrag-Tecza, R. (2021) Senescence as a trade-off between successful land colonisation and longevity: critical review and analysis of a hypothesis, PeerJ, 9, e12286, doi: 10.7717/peerj.12286.

23. Gavrilov, L. A., and Gavrilova, N. S. (2001) The reliability theory of aging and longevity, J. Theor Biol., 213, 527-545, doi: 10.1006/jtbi.2001.2430.

24. Ferreira, M., Francisco, S., Soares, A. R., Nobre, A., Pinheiro, M., et al. (2021) Integration of segmented regression analysis with weighted gene correlation network analysis identifies genes whose expression is remodeled throughout physiological aging in mouse tissues, Aging (Albany NY), 29, 18150-18190, doi: 10.18632/aging.203379.

25. Lagunas-Rangel, F. A., and Bermúdez-Cruz, R. M. (2019) The role of DNA repair in cellular aging process, in advances in DNA repair, IntechOpen, doi: 10.5772/intechopen.84628.

26. Salnikov, L., and Baramiya, M. G. (2020) The ratio of the genome two Functional parts activity as the prime cause of aging, Front. Aging, 1, 608076, doi: 10.3389/fragi.2020.608076.

27. Salnikov, L., and Baramiya, M. G. (2021) From autonomy to integration, from integration to dynamically balanced integrated co-existence: non-aging as the third stage of development, Front. Aging, 2, 655315, doi: 10.3389/fragi.2021.655315.

28. Eisenberg, E., and Levanon, E. Y. (2013) Human housekeeping genes, revisited, Trends Genet., 10, 569-574, doi: 10.1016/j.tig.2013.05.010.

29. Hounkpe, B. W., Chenou, F., De Lima , F., and De Paula, E. V. (2021) HRT Atlas v1.0 database: redefining human and mouse housekeeping genes and candidate reference transcripts by mining massive RNA-seq datasets, Nucleic Acids Res., 8, D947-D955, doi: 10.1093/nar/gkaa609.

30. Williams, G. C. (1957) Pleiotropy, natural selection and the evolution of senescence, Evolution, 11, 398-411, doi: 10.2307/2406060.

31. Vijayakumar, K. A., and Cho, G. W. (2022) Pan-tissue methylation aging clock: Recalibrated and a method to analyze and interpret the selected features, Mech. Ageing Dev., 204, 111676, doi: 10.1016/j.mad.2022.111676.

32. Frankel, S., and Rogina, B. (2021) Evolution, chance, and aging, Front. Genet., 9, 733184, doi: 10.3389/fgene.2021.733184.

33. Curtsinger, J. W. (2016) Retired flies, hidden plateaus, and the evolution of senescence in Drosophila melanogaster, Evolution, 70, 1297-1306, doi: 10.1111/evo.12946.

34. Gems, D., Kern, C. C., Nour, J., and Ezcurra, M. (2021) Reproductive suicide: similar mechanisms of aging in C. elegans and pacific salmon, Front. Cell Dev. Biol., 9, 688788, doi: 10.3389/fcell.2021.688788.

35. Lehmann, M., Canatelli-Mallat, M., Chiavellini, P., Cónsole, G. M., Gallardo, M. D., et al. (2019) Partial reprogramming as an emerging strategy for safe induced cell generation and rejuvenation, Curr. Gene Ther., 9, 248-254, doi: 10.2174/1566523219666190902154511.

36. Olova, N., Simpson, D. J., Marioni, R. E., and Chandra, T. (2019) Partial reprogramming induces a steady decline in epigenetic age before loss of somatic identity, Aging Cell, 18, doi: 10.1111/acel.12877.

37. Lapasset, L., Milhavet, O., Prieur, A., Besnard, E., Babled, A., et al. (2011) Rejuvenating senescent and centenarian human cells by reprogramming through the pluripotent state, Genes Dev., 1, 2248-2253, doi: 10.1101/gad.173922.111.

38. Voutetakis, K., Chatziioannou, A., Gonos, E. S., and Trougakos, I. P. (2015) Comparative meta-analysis of transcriptomics data during cellular senescence and in vivo tissue ageing, Oxid. Med. Cell Longev., 2015, 732914, doi: 10.1155/2015/732914.

39. Van Deursen, J. M. (2014) The role of senescent cells in ageing, Nature, 22, 439-446, doi: 10.1038/nature13193.

40. Childs, B. G., Gluscevic, M., Baker, D. J., Laberge, R. M., Marquess, D., et al. (2017) Senescent cells: an emerging target for diseases of ageing, Nat. Rev. Drug Discov., 10, 718-735, doi: 10.1038/nrd.2017.116.

41. Mylonas, A., and O’Loghlen, A. (2022) Cellular senescence and ageing: mechanisms and interventions, Front. Aging, 3, 866718, doi: 10.3389/fragi.2022.866718.

42. Baramiya, M. G., Baranov, E., Saburina, I., and Salnikov, L. (2020) From cancer to rejuvenation: incomplete regeneration as the missing link (part II: rejuvenation circle), Future Sci. OA, 6, FSO610, doi: 10.2144/fsoa-2020-0085.

43. Amorim, J.A., Coppotelli, G., Rolo, A. P., Palmeira, C. M., Ross, J. M., et al. (2022) Mitochondrial and metabolic dysfunction in ageing and age-related diseases, Nat. Rev. Endocrinol., 18, 243-258, doi: 10.1038/s41574-021-00626-7.

44. Reinhardt, H. C., and Schumacher, B. (2012) The p53 network: cellular and systemic DNA damage responses in aging and cancer, Trends Genet., 3, 128-136, doi: 10.1016/j.tig.2011.12.002.

45. De Magalhães, J. P., and Church, G. M. (2005) Genomes optimize reproduction: aging as a consequence of the developmental program, Physiology (Bethesda), 20, 252-259, doi: 10.1152/physiol.00010.2005.

46. Salnikov, L., Goldberg, S., Sukumaran, P., and Pinsky, E. (2022) DNA methylation meta-analysis confirms the division of the genome into two functional groups, J. Cell Sci. Ther., 13, 352.