Деление клеток и продолжительность жизни организмов обусловлена ограниченной способностью соматических клеток к размножению. Хейфлик

ПРЕДЕЛ КЛЕТОЧНЫХ ДЕЛЕНИЙ - КЛЮЧ К МЕХАНИЗМУ ДЕТЕРМИНАЦИИ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ ЖИЗНИ?

Один из излюбленных аргументов сторонников гипотезы генетически запрограммированного предела продолжительности жизни состоит в следующем: продолжительность жизни ограничена потому, что клетки организма могут совершить лишь ограниченное, строго определенное число делений, после чего погибают [Fries, 1980].

Следует отметить, что подобное представление имеет глубокие исторические корни, а многие противоречия в публикациях по данному вопросу можно понять, лишь обратившись к его истории. Поэтому в целях ясности изложения данная проблема будет изложена в виде краткого исторического экскурса. Кроме того, чтобы обеспечить объективность и документальность такого экскурса, мы будем вынуждены обильно цитировать первоисточники и надеемся, что читатели одобрят подобный документальный стиль изложения проблемы.

Более 100 лет назад знаменитый немецкий биолог А. Вейсманн [Weismann, 1882; 1884] постулировал, что ограниченная продолжительность жизни организмов обусловлена ограниченной способностью соматических клеток к размножению. Вейсманн полагал также, что различия в долговечности разных видов животных обусловлены тем, что соматические клетки этих видов различаются по числу воспроизводимых ими поколений клеток (клетки долгоживущих видов способны совершить больше делений). Так возникло "предположение, что продолжительность жизни связана с числом поколений соматических клеток, следующих друг за другом в течение одной жизни, и что это число так же, как и продолжительность жизни отдельных клеточных поколений, дано уже в зародышевой клетке" [Вейсманн, 1914, с. 48]. Вейсманн объяснял "различную продолжительность жизни животных, ставя ее в зависимость от различного числа клеточных поколений, являющегося нормой для тела различных видов" [Там же, с. 47].

Следует отметить, что на рубеже XIX—XX вв. представление Вейсманна о том, что ограниченная продолжительность жизни обусловлена истощением способности клеток к размножению было необычайно популярным и разделялось многими известными учеными того времени. Так, например, русский ученый И.Р. Тарханов писал: "...в зародышевом оплодотворенном яйце определена заранее, в силу закона наследственности, вся сумма клеточных поколений, могущих развиваться за счет созидающих сил зародышевого яйца" [Тарханов, 1891, с. 551—552]. По его мнению, "число клеточных поколений, могущих развиться в течение всей жизни из зародышевого яйца ... и определяет собою долголетие, ту максимальную продолжительность жизни, до которой могут достигать разнообразные организмы" [Там же, с. 542].

Концепция Вейсманна доминировала в течение 30 лет. Поэтому сенсационными стали опровергающие эту концепцию эксперименты А. Карреля [Carrel, 1912] и А. Эбелинга [Ebeling, 1913] по культивированию фибробластов сердца цыпленка вне организма (in vitro). Эти авторы сообщили, что при соответствующих условиях клетки многоклеточного организма могут размножаться как микроорганизмы практически неограниченно (эксперимент по успешному размножению клеток продолжался целых 34 года и был прекращен лишь в 1946 г. после смерти самого А. Карреля). В результате этих экспериментов, получивших всеобщее признание и широкую известность, концепция Вейсманна была оставлена и забыта, а вместо нее утвердилось прямо противоположное представление о потенциальном "бессмертии" соматических клеток, образующих смертный организм. Поэтому причины, ограничивающие продолжительность жизни, стали искать на надклеточном физиологическом уровне, в частности на уровне гормональной регуляции.

Концепция Карреля господствовала более 40 лет. и казалось, что она победила окончательно и бесповоротно. И хотя многие исследователи неоднократно наблюдали истощение способности клеток к размножению в культуре, эти случаи было принято объяснять неудачами, которые нередко сопутствовали культивированию клеток (например, контаминация вирусами или токсичность очередной партии сыворотки крови, входящей в состав культуральной среды). Популярность концепции Карреля была настолько велика, что на многочисленные исключения из установленного "правила" (неограниченный рост культур клеток животных) просто не обращали внимания, считая их методическими артефактами [Witkowski, 1987].

Э. Свим был, по-видимому, первым исследователем, который решился на радикальный пересмотр концепции Карреля. Проанализировав результаты 336 публикаций, включая и результаты своих собственных экспериментов по длительному культивированию 23 штаммов фибробластов, взятых из нормальных тканей эмбрионов кролика и цыпленка [Haff, Swim, 1956], а также 51 штамма фибробластов человека, полученных из крайней плоти, плаценты, яичек, матки и эмбриональных тканей [Swim, Parker, 1957], Свим сделал следующие выводы принципиальной важности: "...в большинстве случаев, где наблюдается рост клеток, последние в конце концов, претерпевают неспецифическую дегенерацию" [Swim, 1959, р. 145]. "Опыт многочисленных исследователей свидетельствует, что раннее культивирование клеток обычно следует определенному сценарию, который для удобства можно разделить на три фазы. В фазе I клетки быстро пролиферируют после начальной задержки (лага) и обычно могут без труда выдержать серию пересевов. Фаза II характеризуется снижением роста до тех пор, пока этот рост обычно не прекращается вовсе и клетки в конце концов не исчезают в результате неспецифической дегенерации" [Ibid, р. 159]. "Это вначале сопровождается увеличением числа гранул в цитоплазме клеток; позднее наблюдаются дегенерирующие клетки, и их численность прогрессивно увеличивается до тех пор, пока дно флаконов не покрывается плотным слоем клеточного дебриса..." [Haff, Swim, 1956, p. 201]. Был также сделан важный вывод, что прекращение размножения клеток — это не методический артефакт, обусловленный такими факторами, как размер инокулята, токсичная среда или неспособность клеток пролиферировать на стекле [Swim, Parker, 1957].

Наконец, Свим отмечает, что "иногда распознается третья стадия — появлением активно пролиферирующих клеток в культурах, находящихся в фазе II" [Swim, 1959, р. 159]. "Следует подчеркнуть, что фазы I и И представляют собой обычную картину, в то время как фаза III — сравнительно редкое явление" [Ibid, р. 160]. Свим отметил также, что клетки в фазе III часто отличаются от исходных клеток и по морфологии, и по ростовым характеристикам.

Таким образом, неограниченная способность клеток животных к делению оказалась не правилом, а исключением, причем во многих случаях неограниченно делящиеся клетки уже мало напоминают по морфологии и ростовым характеристикам исходные нормальные клетки [Swim, 1959]. Казалось бы, этот вывод давал все основания для пересмотра концепции Карреля и к возрождению интереса к концепции Вейсманна. Однако, чтобы сделать это и разрушить в общественном сознании устоявшиеся в течение десятилетий общепринятые представления, необходимо было проявить такую исключительную активность в пропаганде своих результатов и выводов, а также такую предприимчивость, которой Свим, по- видимому, не обладал. Зато нашлись другие исследователи, которые блестяще справились с этой задачей.

В 60-х и 70-х годах Л. Хейфлик опубликовал большую серию научных и научно-популярных статей (см., например: [Hayflick, Moorhead, 1961; Hayflick, 1965; 1968; 1974; Хейфлик, 19691). посвященных результатам длительного культивирования фибробластов человека. Фактически эти статьи подтверждали результаты и выводы Свима. а также концепцию Вейсманна. однако большинство читателей, не знакомых с работами этих незаслуженно забытых авторов, восприняли публикации Хейфлика как принципиально новое научное открытие  . Поскольку публикации Хейфлика вызвали огромный интерес и получили широкую известность, ограничимся лишь кратким изложением основных положений этих статей.

В своей знаменитой публикации [Hayflick, Moorhead, 1961, p. 600] авторы пишут: "Обычная история штамма диплоидных клеток может поэтому быть разделена на три отдельные фазы... Фаза I, или фаза раннего роста, включает период, когда клетки освободились от интактной ткани и только что расположились на стекле (первичная культура)" . "Фаза I заканчивается формированием первого сомкнутого слоя, в этот момент культура готова к своему первому пересеву и вступает в фазу П. Фаза II характеризуется быстрым размножением клеток... В течение этой фазы диплоидные штаммы должны пересеваться, по крайней мере, дважды в неделю с разведением в отношении 2 или 3:1" . "Фаза II длится от 2 до 10 месяцев, после чего начинает происходить клеточная дегенерация. Эта дегенерация и снижение митотической активности знаменует появление фазы III, или терминальной фазы.

Она характеризуется появлением дебриса... снижением митотической активности и, следовательно, более длинным периодом времени, необходимым для образования сомкнутых монослоев" . Кроме того, авторы отмечают, что «может происходить изменение... порождающее "клеточную линию", чья потенциальная продолжительность жизни бесконечна» [Hayflick, Moorhead, 1961, p. 587]. Нетрудно заметить, что это "изменение" соответствует переходу культуры в фазу III по классификации Свима. Таким образом, многие принципиальные положения этой знаменитой и широко цитируемой статьи Хейфлика и Мурхеда фактически являются повторением незаслуженно забытых выводов Свима.

На основании приведенных результатов и ряда дополнительных экспериментов был сделан вывод, что клетки человека способны совершить лишь ограниченное, строго определенное число делений, а затем гибнут. В соответствии с этой клеточной версией модели шагреневой кожи человек в течение жизни неизбежно исчерпывает заложенный в клетках потенциал делений и "момент, когда наступает эта потеря, может определять предел продолжительности жизни человека" [Hayflick, 1980, р. 42]. Действительно, "оказалось, что фибро- бласты эмбрионов человека в культуре делятся 50+10 раз: фибро- бласты, взятые от момента рождения до 20 лет, делятся 30±10 раз, а клетки, взятые у доноров старше 20 лет, делятся 20±10 раз" [Хейфлик, 1969, с. 219]. Таким образом, почти через 100 лет исследователи фактически вновь вернулись к некогда отвергнутой концепции Вейсманна [Weismann, 1882], забыв, однако, ее автора.

Получило подтверждение и положение Вейсманна о том, что клетки долгоживущих видов способны совершить больше делений. Оказалось, что эмбриональные фибробласты мыши способны удвоить свою численность in vitro всего 14—28 раз, цыпленка — 15—35, человека — 40—60. а черепахи — 72—114 раз [Hayflick, 1974].

Многочисленные публикации Хейфлика 60-х и 70-х годов были восприняты многими как научная сенсация, открывающая принципиально новый подход к выяснению механизмов детерминации продолжительности жизни. Поскольку работы Свима практически не цитировались, статьи Хейфлика получили признание как первое и окончательное опровержение мифа Карреля о неограниченной способности клеток к делению. Поскольку и концепция Вейсманна о пределе клеточных делений как основе старения также была основательно забыта, статьи Хейфлика были восприняты как принципиально новая концепция, а не как возвращение к старой, первоначально выдвинутой гипотезе. Поэтому ограниченная способность клеток к делению получила название лимита Хейфлика (см., например. [Bremermann, 1982; Walford, 1983; Juckett, 1987]), а история открытия этой закономерности нередко излагается начиная лишь с работы Хейфлика и Мурхеда [Hayflick, Moorhead, 1961].

К содержанию книги: Биология продолжительности жизни