Teorie starzenia się, których jest ponad 300, dzielą się na dwie wielkie grupy: teorie programowanego starzenia się i śmierci, zakładające, że śmierć jest zaplanowana, a długość życia jest sterowana dziedzicznie, wyznaczana przez pro-gramowane uruchamianie procesów apoptotycznych bądź przez szybkość skracania telomerów oraz teorie narastają-cych uszkodzeń przyjmujące, że przy narodzeniu dysponu-jemy wielkim potencjałem długowieczności, ale z biegiem życia nasze tkanki ulegają uszkodzeniom prowadzącym do zaburzenia ich funkcji. Współczesna ewolucyjna teoria Kirkwooda (1997) określa udział trzech kategorii genów:
a) regulujących procesy utrzymania i naprawy; b) wyka-zujących antagonistyczną plejotropię; c) genów niepodle-gających selekcji. Teoria ta pogodziła zwolenników hipo-tez genetycznej stochastycznej, zakładając, że na procesy starzenia i długowieczność wpływają zarówno geny i śro-dowisko. Renesans przeżywa teoria akumulacji mutacji somatycznych i teoria wolnorodnikowa uwzględniająca rolę tlenku azotu (NO). W ostatnim dziesięcioleciu przedmiotem wielu badań były zmiany ekspresji genów dla enzymów biorących udział w przemianach tlenku azotu (NO) i zależ-nych od NO procesów przekaźnictwa. Wyniki wykazały, że uwalniane w procesie starzenia wolne rodniki powodują uszkodzenie nici DNA i aktywację kluczowego enzymu naprawy DNA, polimerazy PARP -1. Wzrost aktywności tego enzymu w starczym mózgu może wskazywać na jego zaangażowanie w proces naprawy DNA.
Teoria starzenia stochastyczna (zależna od czasu) – podczas życia następuje nagromadzenie przypadkowo lub losowo tworzących się uszkodzeń w DNA oraz białkach, znacznie osłabiających życiowe funkcje komórek, narządów, tkanek, a także całego organizmu człowieka. W praktyce dziedziną, na której zdefiniowana jest funkcja, to przedział czasowy. Przykłady szeregów, to: finansowe fluktuacje giełdowe, sygnały, takie jak mowa, dźwięk i wideo, dane medyczne takie, jak: EKG i EEG, ciśnienie krwi i tempe-ratura ciała, losowe ruchy, takie jak ruchy Browna. Przy-kładami pól losowych są statyczne obrazy, losowe krajo-brazy i układ składników w niejednorodnych materiałach.
Dlatego mówi się, że starzenie jest skutkiem nagromadze-nia stochastycznych uszkodzeń materiału genetycznego i innych cząsteczek komórki. Choroby nie są „naturalnymi”
elementami normalnego procesu starzenia ale mogą mieć
wpływ na długość życia. Za przebieg procesu starzenia geny odpowiedzialne są w około 25%.
teoria rozwojowa: starzenie się organizmu jest następ-nym etapem procesu rozwoju oraz dojrzewania człowieka.
Proces związany jest ze zmianami, do których dochodzi wraz z wiekiem w układach: nerwowym, odpornościo-wym oraz hormonalnym. Jest tych teorii starzenia wiele:
a) neuroendokrynologiczna – starzenie jest wynikiem zmian w poziomie hormonów i neuroprzekaźników; b) immuno-logiczna – starzenie jest skutkiem niemożności utrzymania normalnego poziomu odpowiedzi immunologicznej oraz autoagresji; c) teorie ewolucyjne – im więcej energii traci się na reprodukcję, tym mniej zostaje energii do utrzyma-nia homeostazy organizmu człowieka.
Teorie komórkowe: wskazujące na: a) wolne rodniki – nawarstwiające się oksydacyjne uszkodzenia kwasów nukleinowych, lipidów i białek. Teoria wolnych rodników:
indukują one w organizmie przeobrażenia w makroczą-steczkach komórek. Wolne rodniki to cząsteczki lub atomy posiadające jeden elektron na zewnętrznej powłoce elek-tronowej. Powoduje on bardzo dużą aktywność cząsteczek, które pragną oddać ów elektron, i łączą się z cząsteczkami DNA, lipidów, białek czy też węglowodanów. Dochodzi do zmiany w makrocząsteczkach komórek, i prowadzi do nieprawidłowości w działaniu komórek i występowa-niu starczych zmian, a ostatecznie do śmierci; b) Fenomen Hayflicka – ograniczona liczba podziałów komórkowych (komórki ludzkie zaprzestają się dzielić, gdy długość telo-merów spada do 4–5 kpz (limit Hayflicka – podstawowa liczba komórek – 1 125 899 906 842 624); c) teoria zużycia – długość życia jest odwrotnie proporcjonalna do szybkości przemian i metabolizmu człowieka; d) akumulacja szkodli-wych produktów przemiany materii; e) teoria modyfikacji potranslacyjnych (np. nieprawidłowa glikozylacja i glikacja);
f) teoria mitochondrialna – uszkodzenia DNA pozajądro-wego, nieprawidłowa funkcja mitochondriów w regulowa-niu metabolizmu. Zależnie od wieku następuje akumulacja mutacji w regionie kontrolującym replikację ludzkiego mito-chondrialnego DNA. Jest ona wspierana proporcjonalnością liczby mutacji w mitochondriach i objawami starzenia się kolejnych narządów jak mózg, serce itd. Organizm ludzki zbudowany jest z bardzo licznych komórek, które w trakcie swojego życia ciągle są wymieniane. W miarę jak przy-bywa człowiekowi lat, wymiana staje się dużo wolniejsza do tego stopnia, że liczba komórek ulega redukcji. Podczas życia człowieka na jego komórki działają różne czynniki, niektóre z nich są wolnymi rodnikami, pasożytami, pro-mieniowaniem ultrafioletowym itp. Te czynniki uszka-dzają komórki. Jest to starzenie się biologiczne. Wszystkie komórki ulegają zestarzeniu i naturalnej śmierci. Czas ich życia jest specyficzny i charakterystyczny dla określonego typu i każdego gatunku komórek. Długość życia danego gatunku jest zależna od „limitu Hayflicka”. Śmierć komó-rek w ludzkim organizmie jest uzależniona od warunków genetycznych, a na życie każdej z komórek składa się wiele okresów. Od pewnego momentu komórka podlega apoptozie,
czyli tak zwanej programowej śmierci. Niektóre komórki są poddawane apoptozie w okresie płodowym. Do apop-tozy może dojść także w komórkach zaatakowanych przez wirusy lub w komórkach niepełnowartościowych czy wadli-wych i mówi się, że jest to zjawisko korzystne dla ludz-kiego organizmu. Brak wspominanego mechanizmu może doprowadzić do niekontrolowanego dzielenia się komórek, jak np. w komórkach nowotworowych.
teoria genowa (genetyczna): w genach istnieją zako-dowane wiadomości, które są odpowiedzialne za płynne zmniejszanie aktywności życiowej w komórkach, w konse-kwencji mają wpływ na długość życia jak również na pro-ces starzenia i śmierci organizmu. Struktura genomu czło-wieka wg http://www.ensembl.org/Homo_sapiens/Info/
StatsTable) to 3 274 571 503 par zasad, ~ 98% to sekwen-cje niekodujące – introny oraz sekwensekwen-cje międzygenowe, około 2% to sekwencje kodujące, 21 911 genów kodujących białka, 8 483 genów kodujących RNA, 12 599 pseudogenów, 23 326 320 SNPs (polimorfizm pojedynczego nukleotydu), około 8 400 regionów CNV (duplikacje lub delecje odcin-ków DNA o długości > 500 zasad). W 1990 r. rozpoczęto badania wg HGP (Human Genome Project). Wstępny opis sekwencji – 2000 r. (Venter i wsp., Science 2001; Lander i wsp., Nature 2001), zakończenie sekwencjonowania – 2003 r., natomiast oficjalne zakończenie (Human Genome Project – HGP) to 2004 r. wg International Human Genome Sequencing Consortium (Nature 2004). Poznanie genomu człowieka wymaga nadal zrozumienia wielu elementów jak: geny, chromosomy, genom, regiony międzygenowe, egzony, introny oraz opanowania setek technik i umiejęt-ności. Diagnostyka molekularna obejmuje: identyfikacje zaburzeń genów, ocenę ryzyka zachorowania (predyspo-zycji do chorób lub ich brak), zastosowanie profilaktyki, wczesną diagnostykę, rokowanie, ukierunkowane lecze-nie zależne od wiedzy genetycznej. Funkcje wielu genów wciąż są niepoznane, a ich identyfikacja lub oznaczenie ich specyficznych stref genetycznych związanych z rozwojem chorób wymagają dalszych prac, jak badania asocjacyjne, sekwencjonowanie genomu jeszcze są przed nami. Badania asocjacyjne to: analiza wybranych markerów – kandydatów oraz analiza markerów pokrywających cały genom, tzw.
gWAS (Genome ‑Wide Association Study), co potocznie nazywa się skanowaniem genomu. Badania GWAS są anali-tycznym wieloetapowym badaniem referencyjnym (badanie kliniczno -kontrolne), które zawiera przypadki chore oraz randomizowaną grupę kontrolną z zachowaniem wysokiego poziomu istotności alfa na każdym z co najmniej trzech eta-pów badania. Badania GWAS to badanie „przypadek–kon-trola” (wg case ‑control study); (http://www.snipscreen.com/
genetics.php), w którym analizuje się związek pomiędzy występowaniem określonej cechy klinicznej, a SNPs lub CNVs rozmieszczonymi w całym genomie. Według zało-żenia GWAS to: badanie dużej liczby polimorfizmów o naj-większej zmienności międzyosobniczej oraz badanie jak największej grupy osób chorych i zdrowych. Identyfikacja wielu SNP związanych z poznaniem genomu człowieka oraz
ich znaczenia dla zdrowia i choroby jest niezwykle ważna i jest przedstawiona pod adresem: http://cpmc.coriell.org/
Sections/Medical/GeneInteraction_mp.aspx?PgId=93.
Wielokrotnie mamy do czynienia z wieloma polimor-fizmami i dlatego badania te są tak absorbujące, ponieważ jest wysoka częstość, MAF (minor allele frequency) > 5%:
a) około 7 mln SNP o częstości MAF > 5%; b) około 4 mln SNP o częstości 1–5%; c) brak sprzężenia (SNPs nie powinny znajdować się w genomie blisko) w badaniach są wykorzy-stywane mikromacierze (naniesienie na płytkę gotowych lub zsyntetyzowanych in situ sond oligonukleotydowych o długości 25–70 nukleotydów), wg http://www.affymetrix.
com lub poprzez hybrydyzację DNA na płytce zawierają-cej sondy, skanowanie, analiza ilościowa mikromacierzy technikami firmy llumina (http://www.affymetrix.com), („chip” Human Omni 2,5 – Quad Bead Chip zawiera > 2,45 miliona sond do badania SNPs i CNVs, strategia wyboru SNPs: w oparciu o projekt HapMap, tzw. haplotype – tag-ging „tagSNPs”, sondy 50 -nukleotydowe na jedną zmianę, detekcja wydłużanie sond z dobudowaniem znakowanych nukleotydów (http://www.illumina.com/technology/infi-nium_hd_assay.ilmn), lub Affymetrix („chip” Affymetrix’s Genome – Wide Human SNP Array 6.0 zawiera sondy dla 906 600 SNP i 946 000 CNV lub strategia wyboru SNP:
tylko połowa w oparciu o projekt HapMap, tzw. haplotype – tagging „tagSNPs”, reszta to dowolne SNPs występujące w genomie lub sondy 25 -nukleotydowe, 4–6 kopii / zmianę oraz detekcja i hybrydyzacja wyznakowanego DNA (http://
www.affymetrix.com/estore/browse/products.jsp?catego-ryIdClicked).
Znaczenie medyczne tych badań jest ogromne szczegól-nie w badaniu genetycznego podłoża raków dla: identyfi-kacji grup zwiększonego ryzyka zachorowań na określone choroby i wykrycia związku z pojedynczym markerem, tzw. „single effect” oraz przy sumowaniu się ryzyka, tzw.
additive effect, np. OR 1,62 (1 SNP) i OR 9,46 (≥ 5 SNPs) dla raka prostaty (Zheng et al. NEJM 2008). Zostały ziden-tyfikowane w GWAS zmiany: funkcjonalne oraz niefunk-cjonalne, jak markery genetyczne, ponadto dokonano iden-tyfikacji obszarów lub genów, w których należy szukać w przyszłości właściwych mutacji. Perspektywy badań genetycznych to wielki wysiłek badaczy oraz jeszcze więk-sze nakłady finansowe. Dotyczy to identyfikacji mutacji i jej wpływu na funkcję genu – patogeneza chorób. Konieczne są nowej jakości badania strukturalne i asocjacyjne: RNA, białek oraz innych oddziaływań ze środowiskiem o nie-znanym dotąd charakterze. Powinny znaleźć zastosowanie inne techniki badawcze w zakresie najnowszych technologii badawczych DNA. Postęp w tej dziedzinie jest zawrotny ale jednocześnie niezbędny. Potrzebę takich zmian wymusza rewolucja technologiczna w zakresie elektronicznej akwi-zycji danych.. Za teorią tą przemawiają genetyczne uwa-runkowania choroby, które przebiegają z przyspieszonym starzeniem: tak zwana progeria czyli zespół Hutchisona–
Guillforda (HGPS) oraz zespół Wernera. Wg teorii gene-tycznej defektom mechanizmów naprawy DNA, towarzyszy
uszkadzające DNA działanie promieni UV i wolnych rod-ników. Pogorszenie się sprawności PON -1 i mechanizmów naprawy DNA oraz nagromadzenie podczas życia mutacji somatycznych można tłumaczyć występowanie zwiększo-nej zapadalności na choroby rozrostowe u ludzi starszych.
Inne teorie błędów. to: a) błędy na poziomie transkrypcji i translokacji prowadzą do powstania nieprawidłowych form kluczowych dla życia białek; b) błędy działania gerontolo-genów; c) skutki nieprawidłowej funkcji genów długowiecz-ności; d) skutki skracania telomerów i niedobór działania telomerazy. Telomery znajdujące się na końcach chromo-somów zbudowane są z długich na 10–20 kpz powtórzeń sekwencji TTAGGG. Każdy podział komórkowy prowa-dzi do skrócania telomerów 25–350 par zasad. Zjawisko jest zależne od niedoskonałego działania polimerazy DNA.
Komórki ludzkie zaprzestają się dzielić, gdy długość telo-merów spada do 4–5 kpz (limit Hayflicka). Nie wszystkie telomery w komórce osiągają jednocześnie krytyczną dłu-gość. Z wiekiem tkanki akumulują stare komórki, w skutek czego dochodzi do upośledzenia ich funkcji. Dzieci star-szych ojców mają telomery dłuższe niż dzieci ojców młod-szych. Długość telomerów u ludzi w tym samym wieku jest różna, nie jest też identyczna w różnych tkankach tego samego człowieka. Niedobór działania telomerazy jest waż-nym odkryciem dla procesu starzenia, ponieważ na długość telomerów ma wpływ jej aktywność, jak również innych komponentów kompleksu tego enzymu. Do około 85. roku życia starzenie zależy od genów jedynie 25–30%. Rola genów wzrasta wraz z wiekiem. Maksymalna długość życia może zależeć głównie od procesu starzenia się genów, ale w 50% na stan naszego życia ma wpływ środowisko oraz styl życia. Uszkodzenia się akumulują. Dlaczego tak jest niewiadomo. Są jednak geny, które odgrywają negatywną rolę w procesie starzenia się człowieka. Są to geny szlaku insuliny u człowieka i insulinopodobnego czynnika wzro-stu 1, jak: IR (Immune response genes), IGF1R -like growth factor 1 receptor), KLOTHO (transmembrane protein – KL gene), FAXO (FAXO3A – gene) oraz o udo-wodnionej roli u organizmów niższych (nie stwierdzone u człowieka – brak danych o istnieniu lub wyniki nega-tywne): SIRT (SIRT -1, SIRT -3), SOD (Superoxide Dismu‑
tase) – enzym neutralizujący anionorodnik ponadtlenkowy (O2), katalaza, biorących udział w rozkładzie aktywnych form tlenu. Na proces starzenia mają wpływ takie geny (pierwsze prace od 2010 r.) jak XPD (ERCC2 – Excision repair cross – complementing rodent repair deficiency, com-plementation group 2), WRN (“Werner syndrome, RecQ helicase – like”) oraz inne geny naprawy DNA. Są też inne geny wpływające na długość życia poprzez modyfikację ryzyka zachorowania na choroby skracające życie jak: apo-lipoproteina E (APOE), paraoksonaza (PON -1) – ważny enzym przemian lipidowych i potencjalny sprzymierze-niec w leczeniu przeciwmiażdżycowym, mikrosomalne białka transportujące (ATM), białka transportujące estry cholesterolu (cholesteryl ester transfer protein – CEPT).
Stulatkowie i ich krewni mają cząsteczki HDL i LDL
więk-sze niż inni. Korzystne odmiany tych genów zmniejszają ryzyko występowania chorób krążenia. Geny starzenia i długowieczności są ciągle poszukiwane, jak np. gen WRN.
Analizy polimorfizmów L1074F, C1367R wykazały, że były równie częste u osób młodych i u stulatków, zaś polimor-fizm R834C w populacji polskiej nie występuje. Mody-fikacje epigenetyczne (metylacja DNA) lub modyMody-fikacje kowalencyjne białek chromatyny (histonów); mikroRNA (miRNA) zmieniają aktywność genów nie wpływając na ich sekwencję. Aktualny epigonom zależy od modyfikacji wro-dzonych, od środowiska oraz tzw. „trzeciego czynnika”, zaliczanego do zmian przypadkowych. Metylacja DNA i zmiany epigenetyczne sugerują, że to może być praźró-dłem spontanicznych, somatycznych mutacji C na T (5m C >T) w sekwencjach CpG i CpNpG (związane z wie-kiem nowotworzenie?). Metylacja telomerów ma wpływ na ich długość, a wiek był znamiennie związany z typem metylacji. Profile epigenetyczne tkanek są bardzo odległe i specyficzne dla konkretnego typu tkanki (p < 0,0001).
Modyfikacje białek chromatyny są znaczące i z wiekiem wzrasta trimetylacja histonu H4 na lizynie 20 (H4–K20), zaś wskutek niedoboru deacetylazy SIR -1 najprawdopo-podobniej wzrasta acetylacja H4–K16 i H3–K9. Ten dryft epigenetyczny potwierdzono w badaniach długotermino-wych w ciągu ostatnich 10 lat, a zmiany metylacji miały specyfikę rodzinną. U ponad 29% osób stwierdzono więk-szą niż 10% zmianę poziomu metylacji (p < 0,001). Pierw-sze badania wykonywano na zwierzętach, ale od 2010 r.
robiono badania na ludzkich tkankach. Fenotypy bliźniąt jednojajowych monozygotycznych różnią się coraz bar-dziej przy różnym stylu życia w zależności od czynników zakłócających, np. palenie tytoniu, kąpiele słoneczne bez stosowania blokerów słonecznych. Niektórzy twierdzą, że polimorfizmy, najczęściej jednonukleotydowe, mogą mieć wpływ na aktywność kodowania białka lub na szyb-kość jego transkrypcji albo translacji (poziom ekspresji).
Każdy narząd ma swoisty wzór związanych ze starzeniem zmian dotyczących ekspresji miRNA. Z wiekiem wzrasta liczba mutacji i delecji w obrębie mtDNA. Mutacje i delacje mtDNA szybko akumulują się w komórkach narażonych na promieniowanie UV i skażone środowisko (duża dele-cja 3895pz) oraz inne zmiany. W tkankach osób starszych często stwierdza się mutacje T414G, dużą delecję (4977 par zasad) i inne delecje, które rzadko występują u ludzi młodych. Zmiany pojawiają się w wieku średnim. Zmiany ekspresji pojedynczych miRNA mogą być odpowiedzialne za zmiany ekspresji wielu genów oraz szlaków związanych ze starzeniem. Chodzi głównie o opóźnienie starzenia, dla-tego medycyna sięga po bardzo nowoczesne technologie wymuszające personalizację badań dotyczącą każdego człowieka w zakresie aktywności kodowania białka lub szybkości jego transkrypcji lub translacji (poziom eks-presji), a polimorfizm być może pozwoli odróżnić od sie-bie ludzi i w przyszłości także poziomy ich aktywności.
To znaczy na niektóre aktywności genów będzie można mieć wpływ.