Starzenie przez długi czas traktowano jak naturalne „zużycie” organizmu, nieunikniony efekt upływu czasu. Współczesna biologia pokazuje jednak coś innego: to złożony, wielopoziomowy proces biologiczny, który można opisać konkretnymi mechanizmami.
W 2013 roku na łamach czasopisma „Cell” zaproponowano model tzw. biologicznych oznak starzenia (hallmarks of aging), który uporządkował te procesy. Dziś obejmuje on 12 mechanizmów, które wspólnie decydują o tempie starzenia i długości życia.
Starzenie z perspektywy biologii. Co naprawdę dzieje się w naszym ciele?
Na pierwszy rzut oka starzenie wydaje się prostym skutkiem upływu czasu. Z biologicznego punktu widzenia jest to bardziej złożony proces. W naszych komórkach nieustannie zachodzą procesy podtrzymujące równowagę: naprawiane jest DNA, usuwane zużyte białka, regulowana aktywność genów, a produkcja energii dostosowuje się do potrzeb komórki.
Dzięki temu organizm może funkcjonować mimo codziennych obciążeń. Z wiekiem jednak skuteczność procesów regulacyjnych zaczyna spadać. W komórkach gromadzi się coraz więcej drobnych uszkodzeń, a systemy naprawcze działają mniej precyzyjnie. Zmienia się regulacja genów, spada wydajność mitochondriów, a komunikacja między komórkami staje się mniej efektywna.
W ostatnich dekadach rozwój biologii molekularnej pozwolił odkrywać coraz więcej procesów zachodzących w starzejących się komórkach – od uszkodzeń DNA po zaburzenia metabolizmu. Aby uporządkować tę wiedzę, naukowcy zaproponowali model opisujący mechanizmy biologiczne napędzające starzenie.
Od telomerów do złożonej biologii starzenia
Jednym z pierwszych tropów, który przyciągnął uwagę badaczy, były telomery – struktury chroniące końce chromosomów. Przez pewien czas wydawało się, że ich skracanie jest głównym mechanizmem starzenia.
W rozmowie z Elevate dr Dorota Komar opowiedziała, jak nasze rozumienie starzenia zmieniało się wraz z kolejnymi odkryciami:
„Wraz z podziałami komórkowymi telomery stają się coraz krótsze, ale znamy też przypadki komórek, które mają bardzo krótkie telomery, a wcale nie dają objawów starości. Kilka lat temu, gdy zaczęliśmy badać mechanizmy starzenia, wydawało się, że właśnie znaleźliśmy jego główną przyczynę – skracanie telomerów. Z czasem zaczęliśmy jednak odkrywać coraz więcej procesów, które odgrywają w nim rolę”
Początkowo wyróżniano ich dziewięć, teraz mówi się już o dwunastu.
„Jeśli chodzi o starzenie, metylacja DNA to jeden z obszarów, które zaczęliśmy intensywnie badać stosunkowo niedawno i który bardzo dynamicznie się rozwija. Jako naukowczyni nie mogę powiedzieć, że to najważniejszy aspekt starzenia – jednak wiemy o tym procesie coraz więcej i wydaje się, że jest on jednym z kluczowych mechanizmów” – dodała dr Komar.
12 mechanizmów starzenia – mapa procesów, które skracają życie
Do najważniejszych mechanizmów biologicznych związanych ze starzeniem należą:
Uszkodzenia molekularne
Proces starzenia zaczyna się od zmian na poziomie informacji biologicznej w komórce.
Mechanizmy:
– skracanie telomerów,
– niestabilność genomu (uszkodzenia DNA),
– zmiany epigenetyczne (czyli np. wspomniane zmiany w metylacji DNA)
– utrata proteostazy (kontroli jakości białek).
Zaburzenia metabolizmu i energii
Z czasem mechanizmy adaptacyjne zaczynają działać mniej skutecznie.
Mechanizmy:
– deregulacja nutrient sensing (zaburzenia sposobu zarządzania energią w organizmie),
– dysfunkcja mitochondriów,
– zaburzona makroautofagia (spadek zdolności komórek do recyklingu uszkodzonych elementów),
– senescencja komórkowa.
Utrata regeneracji i przewlekły stan zapalny
Zmiany komórkowe zaczynają wpływać na funkcjonowanie całych tkanek.
Mechanizmy:
– wyczerpanie komórek macierzystych,
– zaburzona komunikacja międzykomórkowa,
– przewlekły stan zapalny (inflammaging),
– dysbioza mikrobiomu.
Wszystkie te procesy są ze sobą silnie powiązane. Zaburzenia w jednym mechanizmie często uruchamiają kolejne zmiany w komórkach i tkankach.
Dlaczego starzenie zwiększa ryzyko chorób?
Co to oznacza dla naszego zdrowia? Z czasem rośnie ryzyko chorób przewlekłych, które są efektem tych samych procesów biologicznych, które napędzają starzenie. Można więc powiedzieć, że nie starzejemy się dlatego, że chorujemy – chorujemy dlatego, że się starzejemy biologicznie.
Związek między starzeniem a chorobami najlepiej widać na konkretnych przykładach:
- Niestabilność genomu zwiększa ryzyko nowotworów.
- Zaburzenia metabolizmu sprzyjają rozwojowi cukrzycy typu 2 i innych chorób metabolicznych.
- Dysfunkcja mitochondriów oraz utrata proteostazy prowadzą do zaburzeń funkcjonowania komórek nerwowych i wiążą się z chorobami neurodegeneracyjnymi.
- Przewlekły stan zapalny zwiększa ryzyko chorób sercowo-naczyniowych.
Zdaniem Speakerki Elevate
Jak epigenetyka zmienia współczesne podejście do starzenia?
„Choroba jest w pewnym sensie kategorią, którą sami zdefiniowaliśmy – opisem sytuacji, w której organizm działa inaczej, niż uznajemy za optymalne. Z biologicznego punktu widzenia zanim pojawią się objawy choroby, musi dojść do zmian w działaniu genów. A zanim zmieni się ekspresja genów, zachodzą jeszcze wcześniejsze zmiany epigenetyczne.
Dlatego analiza epigenomu może pozwolić wykrywać procesy prowadzące do choroby jeszcze zanim pojawią się jej objawy kliniczne. W medycynie już dziś mamy pojęcia takie jak stan przedcukrzycowy – sytuację, w której poziom cukru jest jeszcze poniżej progu rozpoznania cukrzycy, ale wskazuje, że w organizmie zaczynają zachodzić niekorzystne zmiany.
W przyszłości diagnostyka może w dużej mierze opierać się właśnie na analizie profili epigenetycznych. Porównując je ze znanymi wzorcami zmian epigenetycznych, będzie można ocenić, na jakie procesy chorobowe wskazuje dany profil. Już dziś mamy algorytmy pozwalające obliczyć wiek epigenetyczny, a w przyszłości mogą pojawić się także różne wskaźniki epigenetyczne dla konkretnych chorób”.
Czy i jak możemy wpływać na mechanizmy starzenia?
Choć starzenia nie da się całkowicie zatrzymać, coraz więcej badań pokazuje, że tempo niektórych procesów biologicznych można modulować poprzez styl życia i nowe terapie.
Najwięcej dowodów naukowych dotyczy codziennych czynników, które wpływają na funkcjonowanie komórek i metabolizm organizmu. Wśród nich najczęściej wymienia się regularną aktywność fizyczną, odpowiednią ilość snu, zbilansowaną dietę i redukcję przewlekłego stresu.
Równolegle rozwijają się badania nad interwencjami wpływającymi na mechanizmy starzenia. Naukowcy analizują m.in.: senolityki (związki usuwające stare, nieprawidłowo działające komórki) i reprogramowanie epigenetyczne komórek, których skuteczność umożliwiają różne metody oceny wieku biologicznego.
Jednym z najbardziej obiecujących kierunków badań jest możliwość wpływania na procesy epigenetyczne. Jak zauważa dr Dorota Komar:
„Nie zawsze trzeba odwracać wszystkie zmiany epigenetyczne. W modelach laboratoryjnych odwrócenie jednej z nich może uruchomić całą kaskadę procesów prowadzących do szerszego reprogramowania komórki. Wiemy też, że mechanizmy starzenia są ze sobą powiązane – jeśli uda się wpłynąć na jeden z nich, często pociąga to za sobą zmiany w kilku kolejnych”.
Więcej o epigenetyce piszemy w artykule Czy wiesz, ile masz lat? Co warto wiedzieć o wieku biologicznym.
Wnioski
Im więcej wiemy o biologii starzenia, tym wyraźniej widać, że nie jest to jeden proces, lecz cała sieć powiązanych mechanizmów. A zrozumienie tej sieci może w przyszłości zmienić sposób, w jaki myślimy o zdrowiu, chorobach i długości życia.
