A soksejtű szervezetek élete a megtermékenyítéstől a halálig tart. Az élet első szakaszában a progresszív, felépítő, míg a másodikban a regresszív, lebontó folyamatok kerülnek túlsúlyba. Ekkor beszélhetünk az öregedésről, amelyet a legáltalánosabban úgy határozhatunk meg, hogy olyan változások sorozata, amelyek csökkenő működési kapacitásokhoz vezetnek. Csökken a szervezet alkalmazkodó és ellenálló képessége, ezért számos, az időskorra jellemző betegség alakulhat ki. Az élő szervezetekben az öregedés jelei a szerveződés különböző szintjein jelentkeznek: molekuláris, organellum, sejt, szövet, szerv és magának a szervezetnek a szintjén. A tanulmányban elsősorban a sejtszintű öregedés újabb eredményei foglaljuk össze, és csak kevéssé térünk ki a szervezetszintű öregedésre.
Az öregedés okainak magyarázatára nagyon sok, különböző kísérleti adatokkal alátámasztott elmélet született, amelyek alapvetően két csoportba sorolhatók. Az egyikbe azok, amelyek az öregedést belső tényezőkkel magyarázzák, és azt célszerű eseményekre alapozzák. A másik csoportba viszont azok tartoznak, amelyek külső károsító hatásokkal, véletlenszerű eseményekkel magyarázzák az öregedést.
Az utóbbi évek kísérleti eredményei, megfigyelései azt látszanak bizonyítani, hogy az öregedés okai nem elsősorban a külső tényezők hatásaiban keresendők, hanem egyértelműen genetikailag meghatározottak. A belső genetikai hatásokat a külső tényezők módosíthatják, annál is inkább, mivel ez utóbbiak gyakran éppen a génekre, azok kifejeződésére hatva befolyásolják az öregedést. Az elmúlt évtizedekben számos elmélet született, amelyek közül csak a legjelentősebbeket, illetve azokat említjük, amelyek az utóbbi időben megerősítést nyertek.
A szabad gyökök és a mutációs elmélet
Ez az elmélet talán az egyik legnépszerűbb öregedési elmélet, és meglehetősen sok kísérleti adat is alátámasztja. Minden aerob szervezet az életműködéseihez szükséges energiát a táplálékként felvett szerves molekulák oxigén jelenlétében történő lebontásából nyeri, amelynek helye a sejtekben az egyik sejtalkotó, a mitokondrium. A lebontó folyamat során azonban melléktermékek, un. szabad gyökök, igen reakcióképes, rövidéletű, oxigéntartalmú vegyületek keletkeznek, amelyek erősen oxidáló hatásúak. Reagálhatnak bármely makromolekulával, lipidekkel, fehérjékkel, nukleinsavakkal. Természetesen a legsúlyosabb következménye annak lehet, ha a sejtek működése szempontjából fontos fehérjéket, vagy még inkább, ha a DNS-t károsítják, tehát mutációt okoznak. Különösen magának a mitokondriumnak a DNS-e veszélyeztetett, egyrészt a közelség miatt, másrészt mivel ez a DNS nincs fehérjékhez kötve, mint a sejtmagban lévő, harmadrészt mivel itt nincs olyan hibajavító mechanizmus, mint a sejtmagban, amely a DNS-ben bekövetkező mutációkat korrigálná. A mitokondrium DNS-ében és más molekuláiban bekövetkező hibák következtében funkciójuk is károsodik, még több szabad gyök keletkezik, tehát egy önmagát erősítő folyamat indul el. Ugyanakkor a mitokondrium szerkezetében és működésében jelentkező hibák az egész sejt illetve szervezet működését befolyásolják, mivel a mitokondriumok állítják elő az életműködésekhez szükséges energiát (2).
A szabad gyökök a sejtek magjában lévő DNS-ben is indukálnak mutációkat, amelyeknek egy része kijavítódik, de távolról sem mindegyik. Az un. spontán mutációkkal együtt a szervezet korával számuk egyre nő, a DNS hibái végül olyan mértékben felhalmozódhatnak, hogy zavarják a normális sejtműködéseket.
A szabad gyökök valószínű szerepét számos észrevétel bizonyítja, pl. hogy több szabad gyök termelődik az idősebb állatokban, mint a fiatalabbakban; illetve a hosszabb élettartamú állatokban, mint a rövidebb életű fajokban (5). A sejtekben azonban vannak olyan enzimek, a szuperoxid-diszmutáz, a kataláz és a peroxidáz, amelyek ezeket a szabad gyököket megsemmisítik. Azt is kimutatták, hogy a szuperoxid-diszmutáz szintje magasabb a hosszabb élettartamú állatokban, mint a rövidebb ideig élőkben. A legmagasabb szintet az emberben mérték. Azok az alacsonyabbrendű állatok (Drosophila melanogaster, Caenorhabditis elegans), amelyek extra mennyiségben tartalmazták bizonyos sejtjeikben a szuperoxid-diszmutázt, 40%-kal tovább éltek a kontroll állatoknál (1). A keletkező szabadgyökök károsító hatása elől a sejtek öngyilkosságba (apoptózis) is menekülhetnek, így megakadályozva, hogy a sérült DNS-ű sejt elszaporodjon. Találtak egy olyan fehérjét, a p66shc-t, amely ezt a folyamatot mediálja, és valószínűleg monitorozza a szabad gyökök mennyiségét. Azoknak az egereknek, amelyekből hiányzik ez a fehérje, 30%-kal nő az élettartamuk, és rezisztensek bizonyos oxidatív hatásokkal szemben (2).
Az antioxidánsok, így az A, C és az E vitamin, valamint a glutation megakadályozzák a szabad gyökök keletkezését, illetve semlegesítik azokat. A legtöbb antioxidáns a színes gyümölcsökben (áfonya, cseresznye, kiwi, narancs, szilva, eper) és zöldségekben (brokkoli, padlizsán, spenót, cékla, hagyma) található. Kísérleti adatok azt mutatják, hogy az antioxidánsok fokozzák a szervezet ellenállóképességét, megnövelik az élettartamot, ha nem is az öregedési folyamat lelassításával, de oly módon, hogy sok súlyos kór: a rák, a szív- és érrendszeri, a központi idegrendszeri és az immunrendszeri betegségek megjelenését késleltetik (1).
A mitokondriumokat, a sejteket, végül az egész szervezetet károsító szabad gyökök a tápanyagok lebontása során keletkeznek, tehát ha csökken a táplálék mennyisége, csökken a lebontás, és ha csökken a lebontás, csökken a keletkező szabad gyökök mennyisége is. És valóban, az állatkísérleti adatok, sőt bizonyos, embereken végzett megfigyelések is ezt támasztják alá. Születésüktől kezdődő kalóriamegvonás, pl. egerekben növelte mind az átlag, mind pedig a maximális élettartamot, ez utóbbit 39 hónapról 56 hónapra. A diétás étrend sok vitamint és ásványi sót tartalmazott, tehát az állatok ugyan alul, de nem rosszul voltak táplálva. A humán populáció jelentős részének napi kalóriaadagja is nagyon kevés, de az ehhez párosuló vitamin és ásványi só hiánya miatt ők nemcsak alul, hanem rosszul is tápláltak. Az Okinawa szigetén élő japánok kalóriafogyasztása csupán 70%-a a más szigeteken élő japánoknak, és 40-szer nagyobb annak a valószínűsége, hogy megérik a 100 éven felüli életkort. Kevesebben szenvednek tumoros megbetegedésekben és cukorbetegségben. A legtöbb ember azonban nem képes az öregedési folyamatokat lelassító szigorú diétát betartani, ami elsősorban gyümölcsökből és zöldségekből áll, kalóriatartalma nem több mint napi 1500 kalória, amely mellett csökken a testhőmérséklet és állandó az éhségérzet (10).
A genetikai óra és a teloméra elmélet
Az öregedés kutatása is egy olyan terület, amelyben a sejttenyésztés módszerével fontos, új eredményekhez jutottak a kutatók, mivel a soksejtű szervezetek legtöbb sejtje a szervezetből kiragadva, mesterséges körülmények között, in vitro is életben tartható, tenyészthető, tanulmányozható. Még manapság is szinte minden, a sejtöregedéssel foglalkozó közlemény hivatkozik egy, az 1960-as években megjelent Hayflick cikkre, amelynek lényege, hogy sejttenyészeti körülmények között a humán fibroblasztok (kötőszöveti sejtek) proliferációs képessége alapvetően attól függ, hogy milyen korú egyedből származnak a sejtek. Az embrionális sejtek kb. 50x, a felnőtt szervezetből származó sejtek korukkal arányosan kevesebbszer képesek osztódni (5). Adott számú osztódás után a sejtek morfológiája megváltozik, többé nem osztódnak, majd elpusztulnak. Ez azért is okozott meglepetést, mivel addig tumorsejtekkel kísérletezve azt tapasztalták, hogy azok halhatatlanok, vég nélkül képesek osztódni. Már ezek a tények is arra utaltak, hogy az öregedés hátterében genetikai tényezők is állnak, bár a pontos magyarázat ekkor még nem volt ismert.
A legújabb megfigyelések is egy, az osztódásokat számoló rendszer, a genetikai óra meglétét bizonyítják. Ez a genetikai óra pedig nem más, mint a kromoszómák vége, a teloméra régió. Az erre alapuló öregedési elmélet a teloméra elmélet (12).
A sejtek genetikai információjának hordozója a DNS, ez a kettős, csavarodott, helikális makromolekula, amely minden esetben duplikálódik a sejtek osztódását megelőzően. Ez a megkettőződött DNS állomány osztódáskor először kromoszómákba rendeződik, majd megfeleződik, és így azonos genetikai információ jut a keletkező utódsejtekbe.
A DNS szintézis specialitásából következően minden egyes duplikációkor a DNS egyik lánca rövidebb lesz. Tehát minél többet osztódik a sejt, annál kisebb és kisebb lesz a telomér régió. A vizsgálatok szerint azonban ez a rövidülés csak az egyedfejlődés későbbi szakaszában kezdődik el. Az un. ősivarsejtekben, amelyekből a későbbi ivarsejtek származnak és az embrionális sejtekben ugyanis van egy enzim, a telomeráz, amely képes a DNS nem rövidülő szálát meghosszabbítani, amelyhez már a megfelelő enzimek hozzá szintetizálják az új DNS szálat, amely így az előző állapothoz képest nem rövidül. Az egyedfejlődés egy bizonyos pontján azonban a telomeráz működése abbamarad, ekkor kezdenek el rövidülni a telomérák. Egy bizonyos hossz elérése után a sejtek morfológiája megváltozik, többé nem osztódnak, bekövetkezik a sejtek öregedése (1. ábra). Kimutatták, hogy a legtöbb tumorsejtben viszont működik a telomeráz, és ez magyarázza a tumorsejtek korlátlan szaporodóképességét (12).
A fentiek alapján érthető, hogy újabban miért van az érdeklődés központjában a telomeráz enzim működése. A telomeráz a legtöbb normál egészséges sejtben nem működik, ugyanakkor a tumorsejtek viszont nem nélkülözhetik, így fontos és esetleg specifikus célpontja lehet a tumor ellenes szereknek. Ezek a vizsgálatok azonban még kezdeti stádiumban vannak.
A telomérák és a telomeráz fontosságát in vivo adatok is alátámasztják. Előállítottak olyan egereket, amelyekből genetikailag hiányzik a telomeráz, ami az intenzíven osztódó szövetekben számos rendellenességhez és kromoszóma instabilitásokhoz vezetett. A telomeráz enzim génjének keresztezéssel visszajuttatott egyetlen kópiája elegendő volt ahhoz, hogy a telomérák meghosszabbodjanak és az osztódási hibák megszűnjenek (7). Más kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a telomeráz-hiányos egerek rezisztensek a karcinogenezisre (4), és csökken bizonyos tumorok, pl. a melanoma növekedése. Ezek az eredmények biztató lehetőséget nyújtanak két olyan ritka öröklődő betegség, a Werner szindróma és a dyskeratosis congenita kezelésére is, ahol a betegségek kapcsolatosak a telomeráz enzim hibáival. A Werner szindrómára a későbbiekben visszatérünk, a dyskeratosis congenita nehezen regenerálódó bőrrel, fiatalkorban jelentkező anémiával jár, és a betegek többsége fertőzésekben hal meg. Nem pontosan ismert, hogy ezek a tünetek hogyan függnek össze a telomeráz enzim hiányával (8).
Az öregedés és a tumor szuppresszió
A legújabb kutatási eredmények alapján az öregedést olyan biológiai folyamatnak tekintik, amely gátolja a tumorok kialakulását, limitálja a sejtek proliferációs kapacitását. A tumorok kialakulása és az osztódási kapacitás között ugyanis igen szoros az összefüggés. A rosszindulatú tumorok kialakulásához több mutációnak, DNS hibának kell bekövetkezni. Mindegyik mutációhoz minimum 20-30 osztódás szükséges, illetve még ennél is több, ha bizonyos sejtek időközben eliminálódnak. A számítások szerint, amennyiben az osztódások száma nem haladja meg a százat, jelentősen csökken a tumorok kialakulásának esélye (12).
A fenti elképzelést támasztják alá azok az adatok, amelyek szerint bármi váltsa is ki a sejt öregedését, a teloméra régió rövidülése - amely lényegében a leginkább fiziológiai ok vagy a szabad gyökök okozta mutációk, a sejtek morfológiai és biokémiai tulajdonságai hasonlóak lesznek, és jelentősen megnő bizonyos gének, a tumor szuppressziós gének kifejeződése, aktivitása a sejtekben. A tumor szuppressziós gének olyan fehérjéket kódolnak, amelyek a sejtek osztódását lassítják, illetve megakadályozzák. Ez a magyarázata tehát annak, hogy az öreg sejtek - amelyekben ezek mennyisége és/vagy aktivitása megnő - nem osztódnak. A tumor szuppressziós gének termékei mintegy gátat szabnak a tumorok kialakulásának (3). A fenti, elsősorban in vitro megfigyeléseket néhány in vivo adat is alátámasztja. Olyan egerekben, amelyekben az egyik legfontosabb tumor szuppresszor fehérje, a p53 (az 53 a fehérje méretére utal) inaktív, az állatokban már fiatalkorukban olyan tumorok alakulnak ki, amelyek a kontrollokban csak az időskorúakra jellemzők. Egy másik kutatócsoport egy aktívabban működő p53 proteinnel rendelkező egértörzset állított elő, amelynek rövidebb volt az élettartama, és az idő előtti öregedés számos jelét mutatta, pl. osteoporozis, csökkent stressz tolerancia, számos szerv atrófiája stb. Ugyanakkor rezisztensebb volt a spontán tumorok kialakulására, mint a normális működésű p53-at tartalmazó kontroll egerek (11). A fenti, részben in vitro, részben in vivo eredmények valóban azt bizonyítják, hogy azért van szükség az öregedésre, hogy csökkenjen a tumorok kialakulásának valószínűsége.
Meddig vagyunk fontosak?
Az öregedés kutatásának egyik legismertebb képviselőjének, a már említett Leonard Hayflicknek öregedést magyarázó elmélete nagyon közel áll az előző tumor szuppressziós elmélethez. Az élővilágban, amelynek az ember is része, a fajok túlélése, fennmaradása azon múlik, hogy megfelelő számú egyed éri-e el az ivarérettséget, és kellő számú utóda születik-e. Ez a legkedvezőbben úgy valósul meg, ha az ivarérettség koráig a létfontosságú szervek a minimálisan szükségesnél valamivel nagyobb teljesítményre képesek, biztonsági tartalékkal vannak ellátva, hibátlan működésük biztosítva van. Így a kitűzött cél nagy valószínűséggel megvalósul, és az egyedek átadják utódaiknak kedvező tulajdonságaikat. A természetes kiválogatódás ebbe az irányba hat. Ezután azonban az egyedek már csak tartalékaikból élnek - amíg futja abból. Az addig szinte kifogástalan rendszer működésébe hibák csúsznak, elkezdődik az öregedés. Az, hogy a cél teljesítése után meddig élnek az egyes egyedek, a faj túlélése szempontjából nem fontos. Az öregedés a civilizáció velejárója, és csak az emberre és a mesterséges környezetben tartott állatokra jellemző. Természetes közegükben élő állatok öregedésük előtt betegségben pusztulnak el, vagy a ragadozók zsákmányává válnak (5).
Szervezetszintű idő előtti öregedés
Van néhány nagyon ritka, öröklődő betegség, amelynek vizsgálata valamelyest közelebb vihet minket az öregedési folyamat lényegének megismeréséhez. Az egyik a progéria vagy Hutchinson-Gilford szindróma. Az ebben a betegségben szenvedők már egész fiatalon - normális körülmények között csak időskorban végbemenő - változások egész sorát mutatják, bár a természetes öregedés nem minden jellegzetessége mutatkozik meg bennük. Egyéves korukig többé-kevésbé normálisan fejlődnek, de később visszamaradnak a növekedésben, hajuk megritkul, majd kihullik. Bőrük vékony és ráncos lesz, egész megjelenésük töpörödött öregemberre hasonlít. Idegrendszeri fejlődésük zavartalannak látszik. Többnyire szívbetegség és érelmeszesedés lép fel náluk, a vérnyomásuk is magas lesz. Rendszerint szívroham vagy agyvérzés haláluk oka. Átlagos élettartamuk 10-12 év. Feltételezik, hogy a progéria dominánsan öröklődő rendellenesség.
Egy igen széleskörű funkcionális genomikai vizsgálatban fiatal (7 és 9 év), középkorú (37 év), öreg (90, 92 és 96 év) és progériás (Hutchinson-Gilford - 8 és 9 év) emberek fibroblasztjainak 6000 működő génjét, génexpressziós profilját hasonlították össze. A középkorú embert és a fiatalokat összehasonlítva 61 gén működése változott meg, ezek két csoportba sorolhatók. Csökkent (2,6-12,5x) a sejtosztódást stimulálóké, és nőtt azoké, amelyeknek termékeit a sejtek a környezetükbe juttatják, tehát amelyek a környezettel való kapcsolattartásban fontosak. Ami a sejtek szaporodását stimuláló géneket illeti, a változás még kifejezettebb volt idős korban, nagyobb volt a csökkenés, ill. még több gén működése csökkent. A természetes és az idő előtti öregedést összehasonlítva elsősorban az öregedéssel kapcsolatos betegségek kialakulásában szerepet játszó gének változtak azonos módon (6).
A másik öröklődő betegség a Werner-szindróma, amely kamaszkorban lép fel, és kétszer gyakoribb rendellenesség, mint a progéria. A betegeknek szürkehályogjuk lesz, megőszülnek, erősen hullik a hajuk, és a bőrük nagyon ráncossá válik. Növekedésük visszamaradott, érelmeszesedésben és cukorbetegségben szenvednek. A betegséget recesszív öröklődésűnek tartják, és a betegséget kiváltó gén helyét is ismerik már a nyolcas kromoszómán (8p12-p11.2), de még nem ismerik pontosan a kódolt fehérje funkcióját. Mindenesetre ez a protein nagy hasonlóságot mutat egy, a DNS szintézisében szerepet játszó már ismert fehérjével.
Néhány évvel ezelőtt egyetlen gén elrontásával egy új mutáns, un. klotho ( Klotho a görög mitológiában egyike volt az Éjszaka lányainak, akik a sors fonalát fonják) egeret állítottak elő, amely számos jelét mutatja az idő előtti öregedésnek. Amellett hogy rövidebb az élettartamuk, csökkent aktivitásúak, terméketlenek, osteoporozisuk és atherosclerosisuk van (2. ábra). A klotho gént emberben is megtalálták, sőt, az is ismert, hogy melyik kromoszómán helyezkedik el. Ami viszont érdekes: nincs egyetlen olyan progériás betegség sem, amelynek az oka ennek a génterületnek a megváltozására, mutációjára vezethető vissza. A kutatók meglepetésére a klotho gén valószínűleg olyan membránfehérjét kódol, amelynek bizonyos részei nagyfokú hasonlóságot mutatnak a glükozidáz enzimcsaláddal, ennek bizonyos tagjai az állatokon kívül baktériumokban és növényekben is megtalálhatók. Ez a fehérje részben beépülhet a sejtek külső membránjába, részben azonban a szintetizáló sejtekből kikerül a keringésbe, majd a szervezet szinte minden pontjára eljutva kifejti hatását a megfelelő célsejtekre. A soksejtű szervezetek működését összehangoló hormonokkal való hasonlóságai miatt öregedés-elleni hormonnak is nevezik, bár pontos hatásai még nem ismertek (9).
Bár az elmúlt évtizedekben számos új ismeretet szereztünk az öregedésre vonatkozóan, mégis, ezeknek az esetleges gyakorlati alkalmazásától még igen távol vagyunk.
Irodalomjegyzék:
1. Brown K. (2000): A radical proposal. Scientific American Presents 11. (2) 39-43.
2. Camougrand N. and M. Rigoulet (2001): Aging and oxidative stress: studies of some genes involved both in ageing and in response to oxidative stress. Resp. Physiol. 128. 393-401.
3. Campisi J. (2001): Cellular senescence as a tumor-suppressor mechanism. Trends Cell Biol. 11. (11) S27-S31.
4. González-Suarez E., E. Samper, J.M.Flores and M.A. Blasco (2002): Telomerase-deficient mice with short telomeres are resistant to skin tumorigenesis. Nature Genetics 26. (1) 114-117.
5. Hayflick, L. (1995): Az öregedés. Magyar Könyvklub
6. Ly D.H., D.J. Lockhart, R.A. Lerner, P.G. Schultz (2000): Mitotic misregulation and human aging. Science 287. 2486-2492.
7. Samper E., J.M.Flores and M.A. Blasco (2001): Restoration of telimerase activity rescues chromosomal instability and premature aging in Terc-/- mice short telomeres. EMBO Reports 21. (9). 800-807.
8. Strauss E. (2000): Counting the lives of a cell. Scientific American Presents 11. (2) 51-55.
9. Takahashi Y., M. Kuro-o and F. Ishikawa (2000): Aging mechanisms. PNAS 97.(23) 12407-12408.
10. Taubes G.(2000): The famine of youth. Scientific American Presents 11. (2) 45-49.
11. Tyner S.D. , S. Venkatachalam et al.(2002): p53 mutant mice that display early ageing-associated phenotypes. Nature 415. 45-53.
12. Wright W.E. and J.W. Shay (2001): Cellular senescence as a tumor-protection mechanism:the essential role of counting. Curr. Opin. Gen. Dev. 11. 98-103.