Ген старения: Гены старения — Википедия – ГЕН СТАРЕНИЯ │ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ │ РЕКОМЕНДАЦИИ

Содержание

Гены старения — Википедия

Генами старения можно назвать гены, выключение которых способно замедлить старение. Старение организма является комплексным явлением, в ходе которого происходит ослабление его жизненных функций. Этот процесс неразрывно связан с генетикой организма, и были обнаружены гены, выключение которых приводит к увеличению продолжительности жизни.

Функция генов старения, несмотря на их название, состоит, как правило, не в том, чтобы старить организм: эти гены обычно являются участниками различных метаболических каскадов. Открыты гены старения были в конце XX века на круглых червях[1]. Изучение этих генов связано с исследованиями на модельных организмах, например с экспериментами на дожитие.

Нематода[править | править код]

Нематода Caenorhabditis elegans, жизнь которой длится около трёх недель, широко используется в экспериментах по изучению старения[2]. Для C. elegans обнаружена обратная зависимость скорости потери подвижности и продолжительности жизни, то есть для нематод-долгожителей характерен более длительный период активности[3]. Роль в старении нематоды C. elegans играют, в частности, гены

daf. Эти гены контролируют переход в dauer-форму – состояние червя, в котором не происходит развития или размножения. Эта форма представляет собой особую личиночную стадию развития и помогает животному увеличить шансы на выживание в неблагоприятных условиях внешней среды[4]. Типичными сигналами перехода в dauer-форму являются нехватка пищи, большая плотность особей, высокая температура. Нокаут некоторых генов сигнального пути перехода в dauer-форму приводит к увеличению продолжительности жизни особей C. elegans. Один из таких генов — daf-23 (age-1). В литературе можно встретить упоминание daf-23 и age-1 как двух разных генов[5], однако было показано, что daf-23 и age-1 — один и тот же ген[6].

Нокаут daf-23 способствует увеличению продолжительности жизни нематод более чем в 2 раза[1][7]. Мутантные по гену daf-2 нематоды также живут в два раза дольше своих собратьев дикого типа

[1][8].

Помимо увеличения продолжительности жизни, нокаут гена daf-23 приводит к повышенной устойчивости нематод к высоким температурам[9]. Это наблюдение само по себе подчёркивает проявление повышенной устойчивости к стрессу у нематод-долгожителей.

Продукты daf-генов и долголетие[10].

Ген daf-2 кодирует рецептор, похожий на инсулиновый рецептор человека[11]. Этот рецептор, активируемый инсулиноподобным фактором роста 1 (IGF-1), необходим для функционирования сигнального пути, который широко распространён в природе и встречается у различных животных, в том числе у плодовых мух и мышей. Сигнальный путь IGF-1 аналогичен сигнальному пути инсулина у млекопитающих. Контроль работы множества генов позволяет гену daf-2 регулировать разнообразные физиологические процессы на разных стадиях жизненного цикла нематоды. Мутанты daf-2

характеризуются повышенной экспрессией генов, связанных, в частности, с устойчивостью к стрессу, в то время как экспрессия генов чувствительности к стрессу снижена[12].

Особенности транскриптома daf2[12]
Функциональный класс Транскрипт
Повышенный уровень экспрессии
Устойчивость к стрессу hsp-16s, hsp-12s, СОД, глутатион-S-трансфераза
Синтез белка Гены рибосомных субъединиц (rpl-, rps- гены)
Сигнальные пути Гены транстиретина, фосфорилирования белков, рецепторов, сопряженных с G-белком
Экспрессия генов Ген tts-1
Коллагены Гены col
Метаболизм Гены fat
Протеолиз
Гены протеаз
Пониженный уровень экспрессии
Фертильность Вителлогенин
Клеточный ответ Гены cey-1, cey-2, cey-3
Рост клеток Гены тубулина, актина, ДНК- и РНК- метаболизма, трансляции
Протеолиз Гены asp, rpn, cct
Взрослые нематоды — дикого типа (гермафродит; сверху) и с нокаутом гена age-1 (стерильная; снизу).[12]

Одним из генов, регулируемых daf-2, является daf-16, кодирующий транскрипционный фактор DAF-16. В норме рецептор DAF-2 подавляет работу DAF-16 посредством фосфорилирования. В мутантах daf-2- DAF-16 не фосфорилирован, а значит активен. Экспериментально показано, что активация DAF-16 важна для увеличения продолжительности жизни нематод[10].

Гены daf контролируют метаболические перестройки нематоды в ответ на внешние стрессовые воздействия. При нокауте этих генов возрастает продолжительность жизни нематод, а ограничение питания нематод daf-23- в экспериментах дополнительно увеличивало продолжительность их жизни

[13]. При этом есть основания полагать, что продление жизни C. elegans через ограничение питания действует независимо от инсулин/IGF-1 сигнального пути[14].

Инсулин/IGF сигнальный каскад в C. elegans контролирует переход в dauer форму. Фосфорилирование транскрипционного фактора DAF-16 (гомолога FoxO) предотвращает переход в dauer форму. Это фосфорилирование регулируется протеин-киназами (PDK-1) и фосфатазами (DAF-18 и PPTR-1). Важное место в каскаде занимает протеин-киназа AKT[15].

Другие изменения наблюдаются в мутантах по гену clk-1. Этот ген влияет на эмбриональное и постэмбриональное развитие, скорость роста и другое[5]

. Было установлено, что продукт гена clk-1 участвует в метаболизме убихинона, а мутантные по этому гену нематоды накапливают деметоксиубихинон[16]. Мутанты clk-1 характеризуются замедленным развитием, повышенной устойчивостью к стрессу и большей продолжительностью жизни. В мутантах clk-1 наблюдается повышенное содержание убихинона в плазматической мембране. Согласно одной из гипотез, стрессоустойчивость может быть следствием действия убихинона в плазматической мембране как антиоксиданта, а увеличение продолжительности жизни — прямым следствием повышенной стрессоустойчивости. Интересно, что гиперэкспрессия CLK-1 в нематодах дикого типа уменьшает продолжительность жизни C. elegans[17]. Есть сведения об увеличении продолжительности жизни мутантов по генам clk-2, clk-3, gro-1, а нематоды daf-2 clk-1 живут в пять раз дольше, нежели черви дикого типа[18]
.

Плодовая муха[править | править код]

Как и у C. elegans, мутации по генам инсулин/IGF-1 сигнального каскада Drosophila melanogaster могут увеличивать продолжительность жизни мух: мутанты по гену инсулин-подобного рецептора InR, гомологичного гену daf-2 C. elegans, живут дольше (самки мух) или характеризуются пониженной смертностью в преклонном возрасте (самцы мух)[19]. Мутации по гену chico, который кодирует субстрат рецептора InR, участвующий в инсулин/IGF-1 каскаде, также продлевают жизнь плодовых мух[20]. Участие в контроле долголетия мух показано для гена dFOXO — гомолога daf-16 °C. elegans[21].

В результате повреждения гена Indy (сокращение для I`m not dead yet) продолжительность жизни мух почти удвоилась без заметного снижения фертильности или физической активности[22], а мутантные по гену mth (сокращение для methuselah — Мафусаил) мухи демонстрируют прирост продолжительности жизни в 35 %

[23].

Мышь[править | править код]

Мутация в гене, кодирующем адаптерный белок p66shc, повышает устойчивость мышей к стрессу и продлевает их жизнь на ~30 %[24]. Белок p66shc участвует в ответе на окислительный стресс. Клетки мышей, у которых отсутствует p66shc, демонстрируют повышенную устойчивость к апоптозу, который типично следует за окислительным стрессом в клетках мышей дикого типа. При этом в клетках дикого типа стресс приводит к фосфорилированию p66shc, что, видимо, необходимо для стресс-индуцированного апоптоза. Не совсем ясно, почему мутантные по p66shc мыши живут дольше. Одна из гипотез состоит в том, что снижение у мышей клеточности в результате стресс-индуцированного апоптоза способствует старению, а у мутантов этого не происходит вследствие отсутствия p66shc. Другая возможность состоит в том, что отсутствие p66shc в первую очередь снижает степень повреждения, вызываемого окислительным стрессом, что положительно влияет на здоровье мышей и также снижает вероятность апоптоза. Важно также отметить, корреляция устойчивости к окислительному стрессу и долголетия мышей не является основанием для формулирования причинно-следственных связей

[25].

Показано, что рецептор IGF-1 участвует в регуляции продолжительности жизни: гетерозиготные мыши Igf1r+/- живут в среднем на 26 % дольше мышей дикого типа, при этом не наблюдается изменений в их питании, физической активности, фертильности, энергетическом метаболизме[26]. Для мутантов Igf1r+/- развитие карликовости не свойственно. Эти мутанты демонстрируют также повышенную устойчивость к окислительному стрессу. Гомозиготные мыши lgf1r-/- не выживают.

Карликовые мыши Ames не имеют гормона роста, пролактина и тироид-стимулирующего гормона. Эти мыши гомозиготны по мутации Prop-1df транскрипционного фактора Prop-1, весят в три раза меньше нормальных мышей и живут примерно на 1 год дольше[27]. Prop-1 экспрессируется специфически в гипофизе и необходим для экспрессии Pit-1, который в свою очередь необходим для развития гипофиза[25]. Известно, что для мышей Ames, как и для мышей с ограниченной калорийностью питания, характерна низкая температура тела[28], а гиперэкспрессия гормона роста в мышах способствует проявлению признаков ускоренного старения[27]. Почему карликовые мыши Ames живут дольше ещё не выяснено.

  1. 1 2 3 Larsen, Pamela L. Genes that regulate both development and longevity in Caenorhabditis elegans (англ.) // Genetics : journal. — 1995. — Vol. 139. — P. 1567—1583.
  2. Antebi, Adam. Genetics of aging in Caenorhabditis elegans (англ.) // PLoS genetics (англ.)русск. : journal. — 2007. — P. 54—59. — doi:10.1371/journal.pgen.0030129.
  3. Johnson, Thomas E. Aging can be genetically dissected into component processes using long-lived lines of Caenorhabditis elegans (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1987. — Vol. 84. — P. 3777—3781. — doi:10.1371/journal.pgen.0030129.
  4. Nicole Fielenbach. C. elegans dauer formation and the molecular basis of plasticity (англ.) // Genes & development : journal. — 2008. — Vol. 22. — P. 2149—2165.
  5. 1 2 Jazwinski, S. Michal. Longevity, genes, and aging (англ.) // Science. — 1996. — Vol. 273. — P. 54—59. — PMID 3473482.
  6. Malone E. A.
    Genetic analysis of the roles of daf-28 and age-1 in regulating Caenorhabditis elegans dauer formation (англ.) // Genetics : journal. — 1996. — Vol. 143. — P. 1193—1205.
  7. Succinate, Octopine. A phosphatidylinositol-3-OH kinase family member regulating longevity and diapause in Caenorhabditis elegans (англ.) // Nature : journal. — 1996. — Vol. 382.
  8. Kenyon, Cynthia. A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type (англ.) // Nature : journal. — 1993. — Vol. 366. — P. 461—464.
  9. Lithgow, Gordon J. Thermotolerance and extended life-span conferred by single-gene mutations and induced by thermal stress (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1995. — Vol. 92. — P. 7540—7544.
  10. 1 2 Gems, David. Ageing: microarraying mortality (англ.) // Nature. — 2003. — Vol. 424. — P. 259—261.
  11. ↑ Genetic Control of Aging and Life Span
  12. 1 2 3 Gami, Minaxi S. Studies of Caenorhabditis elegans DAF‐2/insulin signaling reveal targets for pharmacological manipulation of lifespan (англ.) // Aging cell : journal. — 2006. — Vol. 5. — P. 31—37.
  13. Johnson, Thomas E. Genetic variants and mutations of Caenorhabditis elegans provide tools for dissecting the aging processes (англ.) // Genetic effects on aging : journal. — 1990. — Vol. 2. — P. 101—126.
  14. Houthoofd, Koen. Life extension via dietary restriction is independent of the Ins/IGF-1 signalling pathway in Caenorhabditis elegans (англ.) // Experimental gerontology : journal. — 2003. — Vol. 38. — P. 947—954.
  15. Lant, Benjamin. An overview of stress response and hypometabolic strategies in Caenorhabditis elegans: conserved and contrasting signals with the mammalian system (англ.) // International journal of biological sciences : journal. — 2010. — Vol. 6.
  16. Jonassen, Tanya. A dietary source of coenzyme Q is essential for growth of long-lived Caenorhabditis elegans clk-1 mutants (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 2001. — Vol. 98. — P. 421—426.
  17. Felkai, S. CLK‐1 controls respiration, behavior and aging in the nematode Caenorhabditis elegans (англ.) // The EMBO journal (англ.)русск. : journal. — 1999. — Vol. 18. — P. 1783—1792.
  18. Lakowski, Bernard. Determination of life-span in Caenorhabditis elegans by four clock genes (англ.) // Science : journal. — 1996. — Vol. 272. — P. 1010—1013.
  19. Clancy, David J. Extension of life-span by loss of CHICO, a Drosophila insulin receptor substrate protein (англ.) // Science : journal. — 2001. — Vol. 292. — P. 104—106.
  20. Tatar, Marc. A mutant Drosophila insulin receptor homolog that extends life-span and impairs neuroendocrine function (англ.) // Science : journal. — 2001. — Vol. 292. — P. 107—110.
  21. Hwangbo, Dae Sung. Drosophila dFOXO controls lifespan and regulates insulin signalling in brain and fat body (англ.) // Nature : journal. — 2004. — Vol. 429. — P. 562—566.
  22. Rogina, Blanka. Extended life-span conferred by cotransporter gene mutations in Drosophila (англ.) // Science : journal. — 2000. — Vol. 290. — P. 2137—2140.
  23. Lin, Yi-Jyun. Extended life-span and stress resistance in the Drosophila mutant methuselah (англ.) // Science : journal. — 1998. — Vol. 282. — P. 943—946.
  24. Migliaccio, Enrica. The p66shc adaptor protein controls oxidative stress response and life span in mammals (англ.) // Nature : journal. — 1999. — Vol. 402. — P. 309—313.
  25. 1 2 Guarente, Leonard. Genetic pathways that regulate ageing in model organisms (англ.) // Nature : journal. — 2000. — Vol. 408. — P. 255—262.
  26. Holzenberger, Martin. IGF-1 receptor regulates lifespan and resistance to oxidative stress in mice (англ.) // Nature : journal. — 2002. — Vol. 421. — P. 182—187.
  27. 1 2 Bartke, Andrzej. Does growth hormone prevent or accelerate aging? (неопр.) // Experimental gerontology. — 1998. — Т. 33. — С. 675—687.
  28. Hunter, W. S. Low body temperature in long-lived Ames dwarf mice at rest and during stress (англ.) // Physiology & Behavior (англ.)русск. : journal. — Elsevier, 1999. — Vol. 67. — P. 433—437.

ГЕН СТАРЕНИЯ │ НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ │ РЕКОМЕНДАЦИИ

Ген старения ‒ это ген или набор генов, обус­лав­ли­ва­ю­щих ско­рость и ка­чест­во про­цес­са старения [1]. И, на самом деле, этот конст­рукт ук­ла­ды­ва­ет­ся, как в теорию «за­прог­рам­ми­ро­ван­но­го ста­ре­ния», так и в теорию «ошиб­ки». Пос­коль­ку в первом случае ген старения яв­ля­ет­ся не­ко­то­рым фак­то­ром, пре­доп­ре­де­ля­ю­щим старение, а во вто­ром ‒ фактором, обус­лав­ли­ва­ю­щим его ве­ро­ят­ность. Но, с прак­ти­чес­кой точки зрения, это не очень важно! Потому что гены старения од­но­знач­но су­щест­ву­ют и одно­знач­но влияют на про­цесс дрях­ле­ния ор­га­низ­ма. И не важно, де­тер­ми­ни­ро­ва­но это вли­я­ние или слу­чай­но, важно, что ха­рак­тер влияния можно из­ме­нить. При­чём для этого не обя­за­тель­но ис­поль­зо­вать высокие тех­но­ло­гии. Есть и го­раз­до более прос­тые и на­дёж­ные спо­со­бы!

ГЕН СТАРЕНИЯ

В частности, исследование 2015 года учёных из уни­вер­си­те­та Дьюка по­ка­за­ло, что ста­ре­ние только на 20% обус­лов­ле­но ге­не­ти­чес­ки­ми фак­то­ра­ми, всё ос­таль­ное де­тер­ми­ни­ро­ва­но образом жизни че­ло­ве­ка [2]. Причём образ жизни тоже влияет на старение ор­га­низ­ма именно на ге­не­ти­чес­ком уровне. Нап­ри­мер, в ис­сле­до­ва­ни­ях надёжно ус­та­нов­лен факт влияния си­дя­че­го образа жизни на ско­рость старения ор­га­низ­ма [3]. И, как ми­ни­мум, один из ме­ха­низ­мов его влияния осу­щест­в­ля­ет­ся пос­ред­с­т­вом из­ме­не­ния ак­тив­нос­ти гена NFR1 [4]. Ко­то­рый, в свою оче­редь, влияет на ско­рость сок­ра­ще­ния теломер. А скорость сок­ра­ще­ния теломер де­тер­ми­ни­ру­ет предел Хейф­ли­ка. А значит и мак­си­маль­ную про­дол­жи­тель­ность жиз­ни.

Вообще, важно заметить, что ген старения влияет на эпи­ге­не­ти­чес­кий воз­раст, но никоим об­ра­зом, ес­тест­вен­но, не может пов­ли­ять на хро­но­ло­ги­чес­кий. Тем не менее, как выг­ля­деть, так и чув­с­т­во­вать, себя можно со­вер­шен­но по-раз­но­му. Поэтому да­вай­те сначала вкрат­це по­го­во­рим о том, что нужно делать для сох­ра­не­ния мо­ло­дос­ти, а затем пе­ре­чис­лим на­и­бо­лее ве­ро­ят­ных кан­ди­да­тов на роль гена старения. Хотя, ско­рее всего, что од­но­го гена старения не су­щест­ву­ет. Ско­рее всего, ста­ре­ние яв­ля­ет­ся след­с­т­ви­ем не­ко­то­ро­го набора ге­не­ти­чес­ких, по­ве­ден­чес­ких и внеш­них факторов, со­во­куп­ность ко­то­рых и оп­ре­де­ля­ет ско­рость и ха­рак­тер ста­ре­ния. Но это, на са­мом деле, нам даже «на ру­ку»!

Замедлить старение

Наиболее существенно влияющим способом за­мед­ле­ния ста­ре­ния яв­ля­ет­ся спорт [5]. Ввиду чего всем мо­ло­дым и здо­ро­вым людям ре­ко­мен­ду­ем оз­на­ко­мить­ся с прог­рам­ма­ми тре­ни­ро­вок для того или иного вида спорта. А по­жи­лым людям и лю­дям, здо­ро­вье ко­то­рых ос­тав­ля­ет желать луч­ше­го, ре­ко­мен­ду­ем об­ра­тить вни­ма­ние на ле­чеб­ную физ­куль­ту­ру. Кроме того, ис­сле­до­ва­ния также по­ка­зы­ва­ют, что на ско­рость ста­ре­ния влияет и диета [6]. Причём также в её рамках от­дель­ным фак­то­ром может выс­ту­пать наличие в ней тех или иных про­дук­тов. Нап­ри­мер, за­мед­лять старение может пот­реб­ле­ние грец­ких оре­хов [7] и крас­но­го перца [8]. Но от­дель­но всё-таки хо­чет­ся вы­де­лить кардио тре­ни­ров­ки.

БАБУШКИ ПОМОГАЮТ

Дело в том, что кардио тренировки способны влиять на ок­си­да­тив­ный ба­ланс и уро­вень стрес­са. А баланс ок­си­да­тив­ных про­цес­сов в ор­га­низ­ме нас­толь­ко су­щест­ве­нен, что су­щест­ву­ет даже целая «сво­бод­но‒ра­ди­каль­ная теория кле­точ­но­го ста­ре­ния». Ну, а уро­вень стрес­са, помимо про­че­го, влияет на ак­тив­ность гена ANK3 [9]. От чего за­ви­сит ско­рость дрях­ле­ния кле­точ­ных мем­бран. Ввиду чего дан­ный ген старения вли­я­ет не только на сос­то­я­ние внут­рен­них ор­га­нов, но и на внеш­ний вид че­ло­ве­ка. То есть на про­цесс дрях­ле­ния кожи. А сос­то­я­ние кожи, ес­тест­вен­но, яв­ля­ет­ся одним из важ­ней­ших фак­то­ров внеш­не­го про­яв­ле­ния ста­рос­ти. Поэтому, если хо­ти­те ос­та­вать­ся мо­ло­ды­ми внут­ри и сна­ру­жи, обя­за­тель­но уде­ляй­те время кар­дио тре­ни­ров­кам!

Гены старения

Идея гена старения, естественно, появилась ещё до от­кры­тия струк­ту­ры ДНК. Но, вообще, чем боль­ше мы уз­на­ва­ли о ге­не­ти­ке, тем яснее ста­но­ви­лось её вли­я­ние на все про­цес­сы, про­ис­хо­дя­щие в ор­га­низ­ме. А пер­вый на­дёж­ный кан­ди­дат на роль гена ста­ре­ния по­я­вил­ся в 1996 году. На­зы­ва­ет­ся он WRN [10]. И ус­та­но­вить это уда­лось, про­наб­лю­дав кор­ре­ля­цию между му­та­ци­я­ми этого гена и бо­лез­нью Вер­не­ра. Правда, пос­лед­ние дан­ные по­ка­зы­ва­ют, что WRN влияет на раз­ви­тие за­бо­ле­ва­ния лишь опос­ре­до­ва­но [11]. По­э­то­му на­зы­вать его геном старения не сов­сем кор­рект­но. Но, с дру­гой сто­ро­ны, этот факт яв­ля­ет­ся ар­гу­мен­том в пользу су­щест­во­ва­ния не одного гена старения, а их комп­лек­са. При­чём не толь­ко в смыс­ле, что их много, но и в том смысле, что их влияние обус­лов­ле­но друг дру­гом.

Конечно, на данный момент мы пока обладаем лишь раз­лич­ны­ми наб­лю­да­тель­ны­ми и ста­тис­ти­чес­ки­ми дан­ны­ми. На ос­но­ва­нии ко­то­рых и можем делать выводы о влиянии тех или иных генов на про­цесс ста­ре­ния. Нап­ри­мер, сейчас дос­та­точ­но надёжно ус­та­нов­ле­но влияние му­та­ций генов MC1R и nsd1 на ста­ре­ние ор­га­низ­ма [12], [13]. И ус­та­но­вить это уда­лось именно пос­ред­с­т­вом сек­ве­ни­ро­ва­ния ДНК боль­шо­го ко­ли­чест­ва людей. После чего ос­та­ва­лось только вы­я­вить за­ко­но­мер­нос­ти и выд­ви­нуть со­от­вет­с­т­ву­ю­щие ги­по­те­зы. Но надо приз­нать, что на­дёж­но их про­ве­рить можно только путём вме­ша­тельст­ва в геном и даль­ней­шим наб­лю­де­ни­ем за теми из­ме­не­ни­я­ми, к ко­то­рым это при­ве­дёт.

В тоже время нельзя сказать, что подобные экс­пе­ри­мен­ты от­сут­с­т­ву­ют, как класс. Их про­во­дят! Но их про­во­дят только на мо­дель­ных жи­вот­ных. И слава Дар­ви­ну! Ведь пока наши зна­ния ещё слиш­ком по­верх­ност­ны. И, тем не менее, даже экс­пе­ри­мен­ты на мо­дель­ных жи­вот­ных дают много­обе­ща­ю­щие перс­пек­ти­вы. В част­нос­ти, таким об­ра­зом недавно было ус­та­нов­ле­но вли­я­ние гена PUM2 на ско­рость ста­ре­ния [14]. Что в бу­ду­щем сможет лечь в основу раз­ра­бот­ки новых ле­карств се­но­ли­ти­ков. Но что го­раз­до важ­нее ‒ эти дан­ные лиш­ний раз под­т­вер­ж­да­ют всю важ­ность кардио тре­ни­ро­вок. Пос­коль­ку PUM2 в по­жи­лом воз­рас­те негативно ска­зы­ва­ет­ся, в том числе, на работе ми­то­хонд­рий. А, как уже го­во­ри­лось выше, луч­шим спо­со­бом под­дер­жать их функ­ци­о­наль­ность яв­ля­ют­ся спе­ци­а­ли­зи­ро­ван­ные кар­дио сес­сии!

Источники

[1] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4822264/

[2] pnas.org/content/112/30/E4104

[3] academic.oup.com/aje/article/185/3/172/2915786

[4] advances.sciencemag.org/content/2/7/e1600031

[5] ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5847865/

[6] cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(16)31719-3

[7] nature.com/articles/nm.4132

[8] journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0169876

[9] nature.com/articles/mp201665

[10] science.sciencemag.org/content/272/5259/258

[11] science.sciencemag.org/content/348/6239/1160

[12] cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(16)30184-1

[13] genomebiology.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13059-019-1753-9

[14] cell.com/molecular-cell/pdf/S1097-2765(18)31004-9.pdf

[свернуть]

БАБУШКИ ПОМОГАЮТ Загрузка…

Вечная молодость: как обмануть гены старости | Мнения

Эксперименты с ними позволили открыть десятки генов продолжительности жизни.

Оказалось, что гены, ассоциированные со старением, в большинстве своем связаны с регуляцией метаболизма и реагированием клетки на недостаток нутриентов. Нутриенты — это питательные вещества, например аминокислоты, которые нужны для построения клеточных белков, обеспечивающих нашу жизнедеятельность. Гены, связанные с детекцией нутриентов, кодируют, прежде всего, различные киназы (разновидность ферментов. — Forbes), которые активизируют процессы клеточного роста и деления, но при этом из-за интенсификации метаболизма возрастает число ошибок, клетка быстрее стареет, и организм в целом — тоже. Поэтому мутации в генах, участвующих в регуляции метаболизма и ускоряющих его, приводят к замедлению старения и увеличению продолжительности жизни.

В качестве известного примера можно привести киназу mTOR. Она находится в центре метаболических путей, которые в ответ на наличие аминокислот в клетке запускают процессы синтеза белка, и в конечном итоге — роста и деления клеток. Но при этом данная киназа выключает за ненадобностью механизмы очищения клетки от внутриклеточного мусора. Аутофагия — это явление, когда клетка сама себя начинает переваривать, уничтожая прежде всего поврежденные митохондрии и агрегаты белков. Тем самым замедляется старение. А когда питательных веществ у клетки достаточно, ей энергозатратный процесс самопереваривания включать не нужно. Поэтому процесс старения ускоряется.

Выключение киназы mTOR посредством мутации или фармакологического ингибирования (замедления) приводит к активации аутофагии и замедлению старения. Ингибирующий эффект означает подавление функций определенного гена или кодируемого данным геном белка. Мы можем выключать активность продукта данного гена фармакологически, когда вещество связывается с каким-то ферментом, блокирует его активность или резко уменьшает ее. И если этот продукт гена был задействован в процессе старения, то мы получаем замедление старения.

Гены, которые можно отнести к генам долголетия, наоборот, участвуют в репаративных (восстановительных) процессах в клетке, например гены белков теплового шока. Когда клетка подвергается стрессу, белки в ней сбиваются в агрегаты, что не позволяет им выполнять какую-то функцию. В результате замедляется жизнедеятельность клетки (для клетки это плохо и приводит к ускоренному старению), и активируются белки теплового шока, которые растаскивают эти агрегаты или отправляют их на утилизацию (аутофагия).

Если трансгенез раньше активно использовался на простых модельных животных, таких как дрозофила, нематода, то в настоящее время все чаще проводятся более дорогие и длительные исследования, когда трансгенез осуществляют на мышах. Мыши — это уже млекопитающие, эволюционно они близки к людям, поэтому такие исследования особенно ценны. Вот только эксперименты с мышами длятся целые годы. Зато результаты таких исследований, по сути, являются доклиническими испытаниями, результаты которых можно пытаться применять в медицинской практике.

Если мы знаем ген-мишень, мы можем пытаться регулировать его активность при нормальном старении, в том числе и в человеческом организме.

Это может быть либо фармакологическая регуляция, когда подбираются вещества, ингибирующие функцию продукта, предположим, старение-ассоциированного гена или, наоборот, выключающие ингибитор гена долголетия. Это фармакологический путь, который ведет в конечном итоге к созданию геропротекторов — фармакологических препаратов, замедляющих старение.

Однако на подходе уже и генная терапия, когда мы сможем управлять функцией гена в организме человека, внося, например, дополнительную копию и активизируя ее в какой-то ткани-мишени. С помощью генно-терапевтического подхода мы сможем замедлять процессы старения сосудов, чтобы побороть атеросклероз, замедлить сердечную недостаточность, бороться с болезнью Альцгеймера или Паркинсона. Именно сердечно-сосудистые, метаболические и нейродегенеративные возрастные болезни являются основными причинами смертности на сегодняшний день.

Генетика старения и продолжительности жизни за последние пару десятков лет позволила выявить больше тысячи генов-мишеней, ассоциированных со старением и долголетием. И ряд этих генов-мишеней кодируют белки, для которых известны фармакологические регуляторы. Например, уже упоминавшаяся киназа mTOR имеет в качестве ингибитора вещество, которое называется рапамицин. И было показано, что добавление рапамицина способно приводить к увеличению продолжительности жизни у мышей до 25%. Кроме того, эксперименты Синтии Кеньон в свое время показали, что мутации в гене киназы P3K могут приводить к увеличению продолжительности жизни вдвое. А наши эксперименты уже на дрозофиле выявили, что фармакологические ингибиторы киназы P3K приводят к 20%-ному увеличению продолжительности жизни. Это, конечно, не увеличение в разы, но, тем не менее, наши фармакологические эффекты воспроизводят генетический подход, что вселяет надежду на их применение в будущих лекарствах.

Ингибиторы циклооксигеназ (ферментов, которые участвуют в процессах воспаления), такие как аспирин, ибупрофен — тоже являются, по-видимому, потенциальными геропротекторами и, замедляя процесс старения, увеличивают продолжительность жизни в модельных экспериментах. Геропротекторный эффект ибупрофена был выявлен международной командой исследователей из Вашингтонского университета, Института старения Бака и нашей группой одновременно на трех модельных организмах, что вселяет надежду на универсальность этого эффекта и его применение в медицине. Спектр таких препаратов сейчас существенно расширяется.

К сожалению, фармакологически не все мишени являются доступными, не все регулируются какими-то веществами, но здесь может помочь генная терапия. Уже есть два исследования на мышах, когда с помощью генной терапии продолжительность их жизни увеличивалась на 22%. И еще один эксперимент показал, что введение гена теломеразы (дополнительной копии гена фермента, достраивающего концы хромосом) тоже очень существенно продлевало жизнь мышам. То есть те мишени, которые фармакологически недоступны, мы в перспективе сможем регулировать уже с помощью генной терапии.

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Ричард Чин (Richard Y. Chin), ученый из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, пришел к выводу, что люди стареют и умирают из-за паразитов. Однако они не воздействуют на человека непосредственно, а влияют на эволюцию живых организмов. Старение — это результат адаптации в борьбе с болезнями. Препринт исследования опубликован в репозитории bioRxiv.

Материалы по теме

00:01 — 27 марта 2017

Замороженная стволовая клетка человека

Почти все теории, старающиеся объяснить причины старения, делятся на два типа. Первые предполагают, что в живых существах действуют генетические или эпигенетические программы, выполнение которых приводит к износу организма и смерти. Теории второго типа считают старение следствием накапливающихся со временем мутаций, сбоев, а также ухудшения «ремонтных» систем в клетках. Большинство эволюционных биологов склоняется именно к этой точке зрения, причем есть специалисты, полагающие, что старение — это адаптация, которая дает видам определенные преимущества.

В 1880 году биолог Август Вейсман предложил гипотезу запрограммированной смерти (феноптоза). Согласно этой гипотезе, с возрастом организмы накапливают мутации, что ослабляет их приспособляемость. Вымирание таких особей позволяет оздоровить популяцию, освободив место молодняку. Эта теория впоследствии была раскритикована рядом ученых. Так, например, геронтолог Томас Кирквуд указывает, что мутанты с испорченной программой старения получили бы преимущество и распространились бы во всей популяции, чего не наблюдается.

Нематода Caenorhabditis elegans

Нематода Caenorhabditis elegans

Широко распространена другая гипотеза, утверждающая, что исправная работа генов организма поддерживается, пока он способен размножаться. После выхода из репродуктивного возраста в генах начинают накапливаться ошибки. Этот механизм старения не запрограммирован, хотя частично обусловлен эволюцией. Естественный отбор позволил исключать нежелательные мутации, возникающие у молодых животных, поскольку это влияло на их репродуктивные возможности. Однако эволюция не увидела никакой выгоды для видов в том, чтобы поддерживать ремонтные системы после того, как истек срок размножения организма.

Тут возникает другой вопрос: чем определяется ограниченность во времени репродуктивных возможностей? Кроме того, у некоторых видов, включая человека, самцы могут оставаться фертильными гораздо дольше (иногда до самой смерти), чем самки, но последние не стареют быстрее мужских особей.

Понимание процесса старения необходимо для исследований в области антивозрастной медицины. Если этот процесс запрограммирован, тогда, повлияв каким-либо образом на организм, можно увеличить продолжительность жизни или даже победить смерть.

Недавно были открыты гены, влияющие на скорость старения. Ген IGFR-1 (инсулиноподобного фактора роста 1) и его гомологи (родственные ДНК-последовательности у других организмов) контролируют темпы старения нематод Caenorhabditis elegans, летучих мышей, собак и даже людей. Показано, что мутации в рецепторе IGFR-1 — daf-2 — увеличивают продолжительность жизни червей на 100 процентов. Эти же мутации обнаружили и в ночницах Брандта — летучих мышах, живущих 20-40 лет, а также у мелких пород собак (15-20 лет), которые вдобавок реже болеют раком.

У людей тоже находили дефекты в генах рецепторов гормонов роста. Причина таких мутаций — наследственное заболевание, синдром Ларона, при котором развивается карликовость. При этом синдроме снижается риск рака и диабета, однако связь с продолжительностью жизни пока не выявлена.

По мнению Чина, в пользу гипотезы программируемого старения говорит и недавняя демонстрация того, что переливание крови от молодых животных старым может обратить вспять некоторые возрастные изменения. Похожий результат наблюдается при пересаживании микрофлоры от старых аквариумных рыбок отряда карпозубообразных молодым особям.

И все же почему организм должен медленно убивать себя? Чин полагает, что причиной могут быть паразиты и инфекционные агенты. Одна из ведущих гипотез возникновения полового размножения также объясняет все борьбой с паразитами.

Поденки во взрослой стадии живут до нескольких дней

Поденки во взрослой стадии живут до нескольких дней

Многие сложные биологические процессы, например рестрикция (разрез цепочки ДНК), адаптивная иммунная система, CRISPR-система представляют собой результат «гонки вооружений» с инфекциями, позволяющий обезвредить чужеродные агенты, в том числе патогенную ДНК. Согласно гипотезе «Черной королевы» (в англоязычной литературе — «Красной королевы»), организмы находятся в постоянной «гонке вооружений» со своими паразитами. Благодаря половому размножению гены в популяции животных перетасовываются, и потомству передаются те, что могут в будущем помочь в борьбе с паразитами. Организмы, размножающиеся бесполым способом, не способны распространить полезные мутации. Их потомство обладает тем же набором генов, а значит, паразиты, выработав адаптацию к защитным механизмам родителя, могут поразить и следующие поколения.

Некоторые специалисты полагают, что старение и последующая смерть уменьшают число особей в популяции, затрудняя передачу инфекционных болезней. Кроме того, поддерживается генетическое разнообразие, очень важное для борьбы с паразитами, которые способны адаптироваться к организмам с определенными генами.

Половое размножение и старение очень тесно связаны. Так, есть животные, которые погибают сразу, как только обзаведутся потомством. Например, лососи после нереста. По одной из гипотез, это результат того, что необходимая для жизни энергия тратится на производство яиц. Однако результаты исследований показали, что в организме рыбы происходят быстрые возрастные изменения, в том числе в центральной нервной системе возникают бляшки, характерные для болезни Альцгеймера, а также наблюдаются признаки атеросклероза. Удаление эндокринных органов препятствовало старению и смерти, хотя лососи продолжали размножаться. То же самое происходит с осьминогами и однолетними растениями.

Лосось

Лосось

Фото: F. Hecker / blickwinkel / Globallookpress.com

Чин полагает, что гипотеза «Черной королевы» может объяснить и старение. В ходе эволюции есть периоды, когда организмы оказываются особенно невосприимчивыми к паразитам. Те получают преимущества между периодами, когда возникают новые штаммы. Быстрое старение помогает виду быстрее найти способ защиты от паразитов.

Чтобы подтвердить свою точку зрения, ученый разработал модель, демонстрирующую динамику популяций паразитов и их хозяев в течение 500 лет (один цикл). Каждая популяция (100 организмов) содержала три фенотипа. Каждый фенотип хозяина был устойчив к одному из трех фенотипов паразита, частично устойчив ко второму и восприимчив к первому в следующем цикле. Число циклов составляло 1000. Чин запускал модель, проверяя динамику популяций, когда старение хозяина занимало 2, 5, 10 и 20 лет.

Каждый организм мог случайно умереть, однако после достижения определенного возраста этот риск увеличивался из-за старения. Умерший организм заменялся другим, который обладал одним из трех фенотипов. Выбор фенотипа зависел от распределения всех трех фенотипов в популяции в предыдущем году. Распределение, в свою очередь, зависело от того, сколько организмов были поражены паразитами, и от заранее установленного коэффициента полового размножения.

Моделирование показало, что чем меньше была продолжительность жизни, тем быстрее организмы становились невосприимчивыми к паразитам. По мнению биолога, это говорит о том, что старение представляет собой адаптивный механизм против инфекций.

можно ли повлиять на процессы старения

Никто из нас не хочет стареть. Старение является символом смерти, внушает страх. Больше всего людей пугает внешнее проявление старости: одряхление кожи, выпадающие зубы, ухудшение всех функций организма. Однако ген старения присутствует в каждом живом организм. У кого-то получается стареть красиво, но для большинства людей увядание тела – большое испытание.

Есть ли какая-то возможность предотвратить этот процесс? Со времен своего существование человечество пытается найти ответ на этот волнующий умы вопрос, надеясь, что все-таки существует лекарство от старости и смерти.

Возможно ли бессмертие?

ген старенияЭту философскую загадку ученые пытаются разгадать долгое время. Множество историй, фильмов, научных работ создано на эту тему. Существует даже специальная наука о бессмертии, называемая «иммортология». Большинство религиозных течений считают, что душа бессмертна, но телу, увы, отведено лишь короткое время на земле.

Несмотря на то, что бессмертие рассматривается научными умами скорее как идея, попытки найти ответ на вопрос «можно ли жить вечно», делаются постоянно. На сегодня ученые провели огромное количество исследований относительно генетики старения. И мы можем ознакомиться с их находками, приоткрывающими тайну увядания и смерти организма человека.

Как остановить старение?

Существует около 500 теорий о том, как отсрочить и остановить старость. Самыми популярным в современной науке считаются 3 типа исследований относительно вечной жизнедеятельности человека:

  • стволовые клетки;
  • генетика старения;
  • нанотехнологии.

Вечная молодость вместе со стволовыми клетками

Стволовые клетки ответственны за обновление. Когда процесс их замены замедляется и ухудшается, организм дает сигнал о старении. Клетки не делятся и начинаются процессы увядания.

ген старости

Полипотентные клетки (еще одно название стволовых клеток) помогают человеческому организму развиваться. Сегодня наука хорошо продвинулась в этом вопросе. Ученые научились выращивать из таких клеток ткани, органы и выработали их методы размножения в лабораторных условиях. Это немалый вклад на пути к вечной жизни. Самые первые открытия в этой сфере сделаны американскими учеными.

Ген продолжительности жизни. Теломеразная теория и ген P16

Несмотря на то, что стволовые клетки способны надолго продлить молодость, а также восстанавливают организм после любых повреждений, главным образом к старению и смерти приводят процессы в геноме человека. Активность генов с возрастом меняется. В начале жизни человек эффективнее противостоит вирусам, бактериям, чем в конце. Геном укорачивается. Из этих наблюдений происходит теломеразная теория.

ген старостиТеломеры – участки ДНК, связанные с биологическими часами человека. Делясь, такие клетки становятся все короче и короче. И когда они достигают предела, происходит аппоптоз – гибель клетки.

Интересный факт: раковые клетки отличаются от обычных тем, что содержат теломеразу, фермент, препятсвующий уменьшению теломеров. Поэтому онкоклетки не стареют. Присутсвие ДНК кода теломеразы в здоровой клетке сделает ее раковой.

Существует еще одна генетическая причина старения клеток. Эта находка принадлежит китайским ученым. Предположение о присутствии гена старения существует давно и оно имеет основание. Ген старения называется P16. Этот ген напрямую связан с теломерами, он влияет на их длину.

Как продлить молодость, воздействуя на ген P16? Оказывается, сдерживание активности этого гена может увеличить жизнь клетки, способствовать уменьшению сокращения теломеров

Вывод прост: нужно заблокировать этот ген, и тогда клетка сможет жить вечно. Но возможно ли это? Ответ зависит от будущего медицины. На данном этапе развития науки ученые работают над вопросом. Существует предположение, что блокировка P16 станет возможно благодаря нанотехнологиям.

Нанотехнологии против возрастных изменений

ПрименениЕ нанотехнологий в сфере блокирования процессов старения организма, заключается в следующем. Ученые сделали предположения, что нанороботы смогут блокировать любые негативные изменения в клетках. Так, молекулярные роботы будут осуществлять своеобразную «починку» клеток, совершенствуя тело полностью. Но только будет ли тогда человек человеком?

Ген старости

Другие пути достижения бессмертия в науке

Ученые считают, что продлить себе жизнь можно и другими способами. К ним относятся:

  • пониженная температура тела. Эксперименты проводятся в Японии. Материалом для них служат мыши. Считается, понижение температуры тела на 1 градус удлиняет жизнь на 15-20 %.
  • трансплантология. Активно развивающийся метод, становящийся привычным явлением в мире. Совершено уже более 40 тысяч операций по трансплантологии. Замена органов не победит смерть, но существенно увеличивает длину жизни.
  • Смена носителя сознания (клонирование). В некоторых странах уже проводились опыты клонирования организмов и эмбрионов. На сегодня ученые пришли к выводу, что данная процедура в будущем даст много негативных результатов для человечества, но данный вывод не окончателен.
  • Крионика. Представляет собой замораживание тела, криохранение. Такой подход также получает все большее распространение. Некоторые ученые считают, что сама природа подсказывает этот секрет сохранения жизни. Ведь многие организмы выдерживают заморозку и живут дальше.

Что мы можем сделать сегодня для своего долголетия?

Важнейший орган, отвечающий за наше долголетие – это мозг. Именно его еще не научились пересаживать. Не зря говорят, что нужно беречь нервы. Ведь нейроны не имеют способности восстанавливаться и размножаться, в отличие, например, от клеток кишечника. С годами число нервных клеток в мозге уменьшается. Но этому органу в то же время свойственна пластичность. Нейроны не восстанавливаются, но мозг может перестраивать свою работу в уже существующей ситуации. Жизнеспособные клетки выполняют функцию погибших.

Ген старости

Чтобы наш мозг как можно дольше продолжал свою работу, нужно:

  1. Беречь нервные клетки, не подвергая их губительным воздействиям. Отрицательно воздействует на нейроны алкоголь, инфекционные заболевания, стрессы, непостоянное артериальное давление.
  2. Тренировать мозг, функции нервной системы. Упражнения включают в себя тренировку физических способностей (спорт, танцы, закаливание, бег, упражнения для дыхания), тренировку умственных способностей (развитие памяти, функций внимания, упражнения для логики).
  3. Немаловажным для долголетия является психологический фактор. Оказывается, если человек пережил какое-то заболевание и выздоровел благодаря своей силе воле, он скорее всего будет жить дольше, чем тот, кто жил спокойной размеренной жизнью, ничем не болея. Неспроста придумали такую науку, как психосоматика. Все процессы, происходящие в нашем теле связаны с нашими глубинными установками, переживаниями, процессами подсознания. Положительные мысли – эффективное, рекомендуемое врачами лекарство.

Оптимизм и вера также способствуют долголетию

Что будет, если люди будут жить вечно?

Наука развивается, с нею и возможности медицины. Вполне возможно, что человек сможет подчинить себе процессы старения. С одной стороны здесь есть плюсы. Продлив жизнь, люди смогут наслаждаться всеми ее процессами дольше, можно будет не торопиться с рождением детей. Но если говорить о бессмертии, то здесь есть другая сторона. Перенаселенность планеты может повлечь голод, безработицу и жизнь, которая не будет радовать никого. Поэтому вопрос о бессмертии надолго останется спорным и философским.

Также далеко не все жаждут вечной жизни. Вспомним уже пожилых людей, им свойственна усталость от существования. Прожив жизнь, люди понимают, что все не вечно, больше тяготея к спасению души.

В заключении отметим, что являясь высокоразвитым существом, человек может продлить свою жизнь, даже не прибегая к новейшим методам медицины. Тренировки, саморазвитие, забота о себе, позитивный настрой делают немало для здоровья, продления молодости и красоты. Все в наших руках. Креативные мысли, идеи, которые передаются другим, дети, обучение других людей продлевают нашу жизнь и дарят бессмертие на духовном уровне.

Гены клеточного старения | Системная схема старения человека

ГЕНЫ КЛЕТОЧНОГО СТАРЕНИЯ

Старение клетки — загадочный процесс, возможно играющий определяющую роль в старении целостного организма. Мы находимся на пути к его пониманию и контролю

Репликативное старение

В середине XX века Леонард Хейфлик обнаружил старение в культуре клеток. Он выяснил, что фибробласты человека in vitro способны делиться ограниченное число раз (50+10). Возникло предположение, что <митотические часы> находятся внутри каждой клетки, о чем свидетельствовало два наблюдения: нормальные фетальные человеческие фибробласты в культуре подвергаются только определенному числу удвоений популяции, а криогенно сохраненные клетки <помнят> сколько раз они делились до заморозки.

Теломераза

Еще в 1971 г. А.М. Оловников предсказал укорочение концов хромосом (теломер) в процессе клеточного деления и существование особого фермента, достраивающего теломеры. Он постулировал роль укорочения теломер в обнаруженном Л. Хейфликом явлении репликативного старения.

Элизабет Блекберн

Существование фермента, получившего название <теломераза>, было экспериментально доказано Э. Блекберн (на фото) и К. Гэйдер (статья). Однако его роль в старении долго оставалась гипотетической. Известно было лишь, что теломераза перестает работать в дифференцированных соматических клетках взрослого человека, сохраняя свою активность в половых и стволовых клетках, а также в клетках большинства опухолей. Однако недавно группой Блекберн было показано (статья), что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах периферической крови у человека в несколько раз увеличивается риск сердечно-сосудистых заболеваний, которые, как известно, составляют главную причину старческой смертности.

Сверхэкспрессия теломеразы

Было доказано, что реактивация теломеразы продлевает «репликативную» жизнь соматических клеток (увеличивает число их делений). Однако это именно то, что происходит в опухолях и делает их злокачественными. Как замедлить старение, но не вызвать при этом злокачественные новообразования? В программе исследований, нацеленных на достижение долголетия человека мы предложили следующий подход: «Реактивация теломеразы в пролиферирующих клетках на фоне стимулирования активности нормальных вариантов гена р53 или других онкосупрессоров.» (на с. 19). Совсем недавно группе М. Бласко, ученицы К. Грэйдер, удалось доказать это на практике, на мышах. Оказалось (статья), что конститутивная сверхэкспрессия обратной транскриптазы (субъединицы теломеразы) у линий мышей с повышенной активностью ключевых супрессоров опухолей (р53, р16 и ARF) приводит к значительному увеличению медианной продолжительности жизни и замедлению различных показателей старения (в частности, кожи и кишечника).

Гены клеточного старения p53 и p21

Таким образом, клеточное старение — генетическая программа необратимой остановки клеточного цикла, блокирующая реакцию клетки на пролиферативные стимулы и факторы роста при наличии нерепарируемых повреждений ДНК (например, критически укороченных теломер). Вполне логично предположить, что в эволюции клеточное старение возникло для того, чтобы не дать переродиться генетически поврежденной клетке в опухолевую. Определяющую роль в этом процессе играет ген супрессора опухолей р53.
Его продукт экспрессируется повсеместно во всех типах клеток в виде неактивного, латентного транскрипционного фактора и активируется только тогда, когда клетка подвергается различным стрессам, таким как потеря теломер, повреждение ДНК, активация онкогенов и оксидативный стресс. Несмотря на то, что в стареющих клетках (например, фибробластах) уровень белка р53 или его мРНК не увеличивается, возрастает степень его фосфорилирования и, следовательно, ДНК-связывающая активность. В результате уровень основной мишени р53, белка р21, в стареющих клетках значительно повышен, причем он нарастает с числом клеточных делений. Именно р21 отвечает за р53-зависимую остановку клеточных делений. Каким образом р53-зависимая индукция гена р21 приводит к клеточному старению? Белок р21 ингибирует ключевые регуляторы клеточного цикла — циклин-зависимые киназы, а также блокирует репликацию ДНК, связываясь с ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA), что и обусловливает необратимость клеточного старения.

Гены клеточного старения p16 и ARF

Кодируемые другим локусом (INK4A-ARF) белки p16 и p14 (ARF) также представляют собой ключевые регуляторы клеточного старения. Белок p16, как и р21, выступает в роли ингибитора циклин-зависимых киназ. Экспрессия p16 заметно увеличивается с возрастом практически во всех тканях. Это результат активации белка митоген-активируемой протеинкиназы p38 в ответ на оксидативный или генотоксический стресс, которая опосредованно повышает уровень экспрессии р16.

р53 и старение постмитотических клеток

Как оказалось, р53 играет определяющую роль не только при старении пролиферирующих клеток, но и постмитотических, таких как нейроны или клетки сердечной мышцы  (статья). Каким образом это влияние осуществляется? По-видимому, здесь идет речь о р53-зависимом апоптозе. Например, экспрессия доминантно-негативных, неспособных связываться с ДНК вариантов р53 в нейронах взрослых особей дрозофил приводит к продлению на 10-20% медианной и максимальной продолжительности жизни (статья). В то же время, различные линии мышей (p53+/m, р44, pL53 и P+/+) с измененными (сверхактивными) формами p53 характеризуются ускоренным старением. Такие мыши характеризуются короткой продолжительностью жизни и ускоренным развитием возрастзависимых патологий (обзор). Однако, в ряде случаев, мыши с добавочными копиями гена р53, находящимися под нормальным генетическим контролем экспрессии, характеризуются усиленным ответом на повреждение ДНК, низкой частотой рака, но не проявляют признаков ускоренного старения, либо стареют медленнее (статья).

Перепрограммирование дифференцированных клеток в стволовые клетки

Программа клеточного старения может быть активирована стрессом даже в теломераза-позитивных клетках, какими являются стволовые клетки. Поэтому убыль количества стволовых клеток является одной из причин возрастзависимого нарушения регенерационной способности организма. Одним из технологических способов решения данной проблемы может быть искусственное введение в организм взрослого человека так называемых эмбриональных стволовых клеток. Однако на пути такого подхода стоят этические проблемы и возможность отторжения чужих клеток при трансплантации. Более перспективным является перепрограммирование собственных дифференцированных клеток в подобие эмбриональных стволовых клеток. Перенос ядра эмбриональной стволовой клетки в дифференцированную клетку или искусственное слияние этих двух типов клеток приводят к возникновению свойств стволовых клеток у прежде дифференцированных клеток. На этом основании было выдвинуто предположение о наличии регуляторных белков, обусловливающих свойства стволовой клетки. В 2006 году профессором Яманакой было показано, что опосредованное ретровирусом введение четырех транскрипционных факторов (Oct4/Sox2/Klf4/c-Myc или Oct4/Sox2/Nanog/LIN28) во взрослые дифференцированные клетки приводит к их переходу в состояние плюрипотентных стволовых клеток (см. пионерскую статью). Впоследствии аналогичный эффект удалось достичь экзогенным введением всего двух факторов — гена Oct4 совместно с геном Klf4 или c-Myc (статья). Наконец, появились данные, свидетельствующие о том, что опасную (способную привести к бласттрансформации) ретровирусную модификацию клеток возможно будет заменить на химическую стимуляцию нужных генов. Перепрограммирование открывает широкие возможности: неограниченного воспроизводства количества стволовых клеток, преобразования одних типов дифференцированных клеток в другие, что сделает возможным регенерацию любой ткани или органа человека.

Связь старения клетки и организма

Очевидно, что клеточное старение — это еще не старение целого организма, ведь на замену одной клетки может встать другая. Есть ли какие-либо данные, свидетельствующие о связи старения клетки и продолжительности жизни целого организма?

Вот некоторые факты: 

—        Длина теломер связана со старением целого организма, по крайней мере, у некоторых групп животных (нематод, перепончатокрылых, приматов, птиц). 

—        Модельные организмы с дефектами теломеразы характеризуются ускоренным старением и пониженной продолжительностью жизни (статья). 

—        Некоторые синдромы ускоренного старения у человека сопряжены с преждевременной дисфункцией теломер (статья). 

—        Стареющие клетки способны активно разрушать межклеточный матрикс, индуцировать локальное воспаление и онкогенез (статья).

—        Снижение пролиферативных способностей или утеря стволовых клеток при старении снижает регенерационные способности любой ткани организма.

Таким образом, клеточное старение (репликативное и стресс-индуцированное), сокращающее количество пролиферирующих клеток вообще и стволовых в частности, приводит к нарушению регенераторных способности тканей. На фоне возрастзависимой активизации апоптоза в ряде тканей и подавления компенсаторной пролиферации (замещения одних клеток другими) наблюдаются дегенеративные нарушения, что снижает функциональные возможности организма в целом. 

Перспективы исследований клеточного старения для долголетия человека

—        Разработка методов определения биологического возраста человека на основании маркеров клеточного старения

—        Создание способов контроля экспрессии генов, участвующих в клеточном старении (теломеразы, р53, р21, р16, ARF) генно-инженерными и фармакологическими методами in vivo

—        Отработка безопасных подходов к перепрограммированию дифференцированных клеток в стволовые in vivo

Основные лаборатории

 Далее приведены ссылки на сайты основных научных групп, активно ведущих исследования в области генетики клеточного старения.

Элизабет Блекберн

Сайт лаборатории:

http://biochemistry.ucsf.edu/labs/blackburn/currentresearch.html

Мария Бласко

Сайт лаборатории:

http://www.cnio.es/ing/grupos/plantillas/presentacion.asp?grupo=50004259

Джуди Кампизи

Сайт лаборатории:

http://www.lbl.gov/lifesciences/labs/campisi_lab.html

Джерри Шей

Сайт лаборатории:

http://www4.utsouthwestern.edu/cellbio/shay-wright/index.html

Шиния Яманака

Сайт лаборатории:

http://www.gladstone.ucsf.edu/gladstone/site/yamanaka/

Обзорные публикации по теме

Ссылки на полные тексты статей:

Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Эпигенетика — относительно недавно возникшая область науки. Предметом ее изучения являются устойчиво сохраняющиеся в ряду клеточных делений изменения активности генов, не связанные с изменением самой ДНК. Иными словами, за счет эпигенетических модификаций одни гены работают, а другие — молчат. Еще тридцать лет назад в научном сообществе многие из-за укоренившихся догм не хотели признавать важность эпигенетических процессов в биологическом мире. Сейчас к этой области знания приковано внимание множества лабораторий и институтов по всему миру, занимающихся в том числе и изучением природы старения. В геронтологии получило мощное развитие новое направление, связанное с описанием эпигенетических механизмов возрастных изменений.

Эта работа опубликована в номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» конкурса «био/мол/текст»-2015.


Спонсором номинации «Лучшая статья о механизмах старения и долголетия» является фонд «Наука за продление жизни». Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon.


Спонсоры конкурса: лаборатория биотехнологических исследований 3D Bioprinting Solutions и студия научной графики, анимации и моделирования Visual Science.

Эпигенетика начинает поиск

Эпигенетика — это научное направление, изучающее все факторы, которые влияют на активность генома, но не связаны с мутациями ДНК. Так как все наши клетки содержат одинаковую ДНК, эпигенетическое управление активностью генов имеет первостепенное значение при установлении специализации клеток во время развития организма и в последующем функционировании генома. Эпигенетика посредством своих механизмов — например, метилирования цитозиновых оснований ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференции (рис. 1) — управляет работой генома, изменяя структуру хроматина и «включая» или «выключая» наши гены .

Метилирование представляет собой способ регулирования активности генов путем присоединения к цитозиновым основаниям ДНК метильной группы (-СН3). Метилирование подавляет активность гена: синтез РНК (соответственно, и белка) по такой матрице становится невозможным. Это своего рода «заглушка», которую организм использует, инактивируя те или иные гены, работа которых в данный момент ему не нужна или может представлять опасность.

Еще одним важным механизмом эпигенетической регуляции является модификация гистонов, входящих в состав хроматина. Хроматин — это комплекс белков и нуклеотидов, обеспечивающий надежное хранение и нормальную работу ДНК. В наших клетках упаковка ДНК похожа на склад бижутерии. Иначе никак невозможно уложить спираль длиной два метра в одно маленькое клеточное ядро. Нить ДНК наматывается в полтора оборота на многочисленные «бусинки» из нескольких специальных белков, гистонов. Так формируются повторяющиеся структурные единицы эукариотического хроматина, называемые нуклеосомами. В каждой нуклеосоме содержится восемь молекул гистонов — по две молекулы каждого из четырех видов белков (h3A, h3B, h4, h5). Гистоны имеют «хвостики» — белковые «наросты», которые могут удлиняться или укорачиваться специальными ферментами. Длина такого «хвоста» напрямую влияет на активность генов, находящихся вблизи него.

Гистоновый «хвост» может подвергнуться процессу ацетилирования, то есть замене в нём атомов водорода на остаток уксусной кислоты. В результате этого связь гистонов с ДНК, основанная на притяжении разнозаряженных частиц, ослабится, гистон диссоциирует (отдалится от ДНК), и упаковка ДНК станет более «рыхлой» (менее плотной). Тогда белки-регуляторы смогут легче присоединяться к ДНК, и активность гена повысится. Эпигенетические процессы взаимосвязаны друг с другом: так, увеличение уровня метилирования ДНК обычно сопряжено со снижением уровня ацетилирования гистонов, и наоборот. Помимо ацетилирования существует множество других способов модификаций гистонов: метилирование, фосфорилирование, сумоилирование и так далее. Эти модификации могут как разрыхлять, так и «заматывать крепче» упаковку ДНК, что приводит к увеличению или уменьшению экспрессии генов соответственно.

Не так давно был обнаружен еще один уровень эпигенетической регуляции, заключающийся в воздействии на экспрессию генов посредством некодирующих РНК (нкРНК). Эти РНК могут регулировать активность гена как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях — то есть могут как «заглушать» транскрипцию, предотвращая синтез мРНК и препятствуя тем самым считыванию информации с гена, так и приводить к разрушению уже синтезированной мРНК. Этот механизм назвали РНК-интерференцией. В 2006 году за его открытие американские исследователи Эндрю Файер и Крейг Мелло были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины .

Важные научные открытия, связанные с эпигенетикой, появляются практически ежегодно. И хотя ученые находятся в самом начале пути, полученные данные показывают исключительную ценность этого научного направления. Получив мировое признание, эпигенетика вскоре перешла из чисто научной области исследований в очень прикладную, когда выявилась ее тесная связь с развитием и старением. Не случайно одна из недавних статей в Nature вышла под названием «Эпигеномика начинает поиск» [7]. И этот поиск уже дает свои результаты.

Структура хроматина

Рисунок 1. Структура хроматина и эпигенетические механизмы воздействия на геном. Модификации гистонов: Ас, ацетилирование; Me, метилирование; Ub, убиквитинирование; P, фосфорилирование. Метилирование цитозина ДНК — Me ~ C. РНК-интерференция: miРНК, малые некодирующие РНК.

Метилирование и его связь со старением

В научных трудах по геронтологии часто встречается описание онтогенеза (индивидуального развития организма) лососевых рыб. И, как уже известно, молниеносно развивающееся сразу после нереста старение рыб этого вида сопровождается массивным деметилированием ДНК [8]. Установлено, что с возрастом происходит общее снижение уровня метилирования ДНК. В ДНК, которую брали у эмбрионов и новорождённых, присутствует наибольшее количество метилированных цитозиновых оснований. Получается, что некоторые гены, которые были «заглушены» и молчали в детском и молодом возрасте, к старости начинают проявлять активность. Другая, меньшая часть генов, напротив, с возрастом «замолкает», подвергшись метилированию. Последствия таких изменений генной активности сегодня еще не до конца изучены, но некоторые аспекты уже известны.

Так, довольно большая часть метилированного генома человека (по некоторым данным, до 90%) приходится на подвижные элементы ДНК — ретротранспозоны . Некоторые вирусные агенты, такие как аденовирус или вирус гепатита В, попадая в наш организм, также могут блокироваться посредством метилирования. Характерный для человека ретротранспозон Alu из-за ослабления его метилирования в старости может начать перемещаться — создавать свои копии и вставлять их в разные точки генома, нарушая этим нормальную работу генов. Подобные неконтролируемые перемещения ретротранспозонов несут в себе немалую опасность и могут быть причиной серьезных патологий: сегодня с активностью подвижных элементов ДНК связывают около ста заболеваний [9].

Насколько большим может быть влияние эпигенетики на продолжительность жизни, показали в своих работах ученые из Австралийского национального университета, Роберт Кухарски и его коллеги. В 2008 году Science опубликовал результаты их исследований о влиянии фермента ДНК-метилтрансферазы-3 (DNMT-3) на продолжительность пчелиной жизни [13]. Долгое время оставалось загадкой, каким образом из генетически совершенно одинаковых личинок появляются две разные касты пчел — рабочие и королевы (или матки).

ДНК-метилтрансфераза и ДНК

Рисунок 2. Комплекс ДНК-метилтрансферазы с ДНК.

Если рабочие пчелы живут всего несколько недель, то матки — несколько лет. Такая огромная разница в длине жизненного пути генетически одинаковых организмов является следствием особого питания: тех личинок, которым суждено стать королевами, дольше кормят маточным молочком. Молекулярные механизмы этого явления стали понятны, когда Р. Кухарски и его команда искусственно уменьшили количество фермента DNMT-3 у личинок пчел. Этот фермент прикрепляет метильные группы к ДНК (рис. 2), подавляя экспрессию генов. Без DNMT-3 активность некоторых генов у личинок оказалась повышенной, и в итоге большинство из них превратилось в королев даже без кормления маточным молочком. Расшифровка пчелиного эпигенома подтвердила это предположение: в ДНК пчеломаток было найдено значительно меньше метильных групп, чем у рабочих пчел. Несколькими годами позже группа Р. Кухарски, проводя исследование уровня метилирования цитозина в нервной системе рабочих пчел и пчеломаток, нашла 561 ген со значительными различиями в метилировании между двумя пчелиными группами [14].

Конечно, не только особенности эпигенома влияют на срок жизни пчеломатки. Как сегодня известно, долгожительницу из королевы делает совокупность факторов: это и нужное соотношение полиненасыщенных и насыщенных жирных кислот, и уменьшенное содержание цитохрома с (который способен запускать процесс клеточной гибели, апоптоз), и повышенная антиоксидантная активность [15].

Как выяснилось, влияние эпигенома на продолжительность жизни чрезвычайно велико и у людей. Так, в 2013 году большая группа итальянских генетиков, возглавляемая Джованни Витале, опубликовала результаты работы, в ходе которой изучались возрастные изменения метилирования ДНК [16]. Объектами исследования стали две группы женщин-ровесниц, жительниц Северной Италии. В одной группе были собраны пожилые итальянки, имевшие матерей-долгожительниц и отцов, проживших не менее 77 лет. К другой группе отнесли итальянок, родители которых умерли, прожив около 70 лет (отцы — 67 лет, матери — 72 года). Распределив таким образом исследуемых, ученые поставили себе задачу сравнить, какие изменения на генном уровне могут лежать в основе долголетия. А также выяснить, существует ли явная преемственность в этом вопросе — передаются ли факторы долгожительства по наследству?

Результаты их работы превзошли все ожидания и показали следующее.

Снижение метилирования ДНК (гипометилирование), характерное для пожилого возраста, происходило гораздо быстрее у итальянок, чьи родители не дожили до 70 лет, чем у их сверстниц, имевших родителей-долгожителей. Исследователи обнаружили, что метилирование (а значит, и блокирование) элемента Alu было значительно выше у потомков долгожителей. Даже в старости люди, получившие в наследство от родителей хорошее здоровье, мало чем отличались на молекулярно-генетическом уровне от молодых людей. И такие потенциально опасные элементы генома, как ретротранспозоны, были у них надежно блокированы. Можно с большой долей уверенности говорить, что хорошее здоровье (как, впрочем, и плохое) передается по наследству.

Понимание природы эпигенетики показало, что родители ответственны за здоровье своих детей гораздо в большей степени, чем это считалось ранее. Совсем недавно было показано, что такая привычная сегодня вещь, как лишний вес будущих родителей, может самым негативным образом сказаться на их потомстве. Известный американский генетик Рэнди Джиртл и его коллеги из Университета Дьюка провели исследования ДНК лейкоцитов из пуповинной крови младенцев, родившихся в госпитале при их университете. По словам ученых, анализ зафиксировал существенное снижение уровня метилирования гена инсулиноподобного фактора роста 2 (IGF 2) у тех детей, чьи родители имели лишний вес: «Мы обнаружили у новорождённых, отцы которых страдали ожирением, значительное снижение метилирования IGF2 в ДНК, извлеченной из лейкоцитов пуповинной крови. Понижение уровня метилирования IGF2 связано с повышенным риском развития раковых заболеваний» [17].

Возрастные отклонения и эпигеном

Уже известно, что возрастные изменения эпигенома тесно связаны с другими возрастными явлениями, такими как увеличение продукции активных форм кислорода, укорочение теломер и т.д. Активные формы кислорода (АФК) и связанные с ними процессы с легкой руки знаменитого американского биолога Денгама Хармана (и не менее знаменитого российского биолога В.П. Скулачёва) рассматриваются сегодня некоторыми учеными в качестве одного из основных факторов старения. Хотя сами АФК участвуют во многих физиологических процессах (особенно по части иммунной системы), с возрастом может происходить опасное повышение их уровня. Обладая большой химической активностью, АФК потенциально способны повреждать мембраны клеток, митохондриальную и ядерную ДНК . Они задействованы во многих возрастных процессах и связанных с ними патологиях: атеросклерозе, болезни Альцгеймера и др. Так, к примеру, при сердечно-сосудистых болезнях АФК блокируют производство белков-сиртуинов (в частности, SIRT1), что ведет к цепи отклонений и развитию патологий (рис. 3). При болезни Альцгеймера АФК участвуют в патологических процессах образования амилоида, а также способствуют активации провоспалительных факторов — например, ядерного фактора транскрипции NF-kB [18].

Болезни сердца, легких и нервной системы

Рисунок 3. Окислительный стресс, эпигенетика и болезни сердца, легких и нервной системы. ROS — активные формы кислорода; SIRT1 — sirtuin 1, белок из семейства сиртуинов; iNOS — индуцируемая синтаза оксида азота; eNOS — эндотелиальная синтаза оксида азота; NO — оксид азота; 8-oxo — 8-гидроксигуанин, маркер окислительного повреждения ДНК; HDAC2 — гистондеацетилаза 2; NF-kB — ядерный фактор транскрипции каппа-B; p21 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 1A; р16 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 2A.

Еще в 1994 году Зигмунд Вейцман и его коллеги из Северо-Западного университета (Чикаго) обнаружили, что окисление свободными радикалами гуанина, обязательного «напарника» цитозина в двухцепочечной ДНК, влияет на метилирование. Окисленный продукт гуанина, 8-гидроксигуанин (8-OHdG), известный маркер окислительного повреждения ДНК, не только увеличивал частоту мутаций, но и препятствовал нормальному метилированию цитозина [21]. Оказалось, что эпигеном тесным образом связан с регулированием уровня АФК: общее возрастное уменьшение метилирования ДНК развивается параллельно с повышением уровня АФК и окислительным стрессом. И эти процессы связаны между собой. Так, возрастной окислительный стресс, вызванный повышенной продукцией АФК, достоверно снижает количество уже упоминавшихся сиртуинов, к которым сегодня приковано пристальное внимание геронтологов. Сиртуины представляют собой семейство консервативных (то есть встречающихся у всех живых организмов) белков, выполняющих одну из эпигенетических функций — деацетилирование гистонов. Многочисленные эксперименты показали благотворную роль сиртуинов в поддержании здоровья и увеличении продолжительности жизни. АФК же снижают уровень этих белков, сокращая тем самым срок жизни.

Фолатный цикл, p66Shc, эпигеном и старение

Если взять наугад любую патологию из длинного списка возрастных болезней (таких, как атеросклероз, болезнь Паркинсона, диабет или ревматоидный артрит), то совершенно точно обнаружится непосредственное участие эпигенома в их развитии. Этот вопрос сегодня хорошо изучен и уже ни у кого не вызывает сомнений. К примеру, у больных атеросклерозом обнаруживается повышенный уровень токсичного для артерий гомоцистеина. И причина этого — сбой в работе сложного биохимического процесса под названием фолатный цикл, который тесно связан с метилированием ДНК и эпигеномом.

Фолатный цикл представляет собой каскад биохимических реакций, в котором задействовано большое количество ферментов (рис. 4). Для нормального протекания фолатного цикла необходимы витамины B9 (фолиевая кислота), В6 и В12. В этом цикле происходит перенос метильных групп, которые присоединяются к гомоцистеину, а избыток гомоцистеина превращается в метионин. Метионин переходит в свою активную форму, S-аденозилметионин (SАМ), который в клетке служит основным донором метильных групп, необходимых для синтеза и метилирования ДНК, РНК, белков и фосфолипидов [22].

Схема фолатного цикла

Рисунок 4. Схема фолатного цикла. В реакции, катализируемой ферментом MTHFR, из тетрагидрофолата и серина образуется 5,10-метилентетрагидрофолат, который затем восстанавливается до 5-метилтетрагидрофолата. На следующем этапе метильная группа от 5-метилтетрагидрофолата переносится на гомоцистеин в реакции, катализируемой В12-зависимой метилтрансферазой. В результате реметилирования гомоцистеина образуется метионин. Данную реакцию катализирует цитоплазматический фермент метионинсинтаза (MTR). Для работы фермента необходим метилкобаламин, производное витамина В12. Метионинсинтаза обеспечивает преобразование гомоцистеина в метионин посредством реакции, в которой метилкобаламин выступает в роли промежуточного переносчика метильной группы. При этом происходит окисление кобаламина, и фермент MTR переходит в неактивное состояние

В фолатном цикле может произойти сбой по двум причинам: генетическим (из-за мутаций генов ферментов фолатного цикла) или алиментарным (из-за дефицита метионина, фолиевой кислоты и других витаминов группы В). Дефицит возникает, если в рационе недостает продуктов, богатых этими веществами, или если эти вещества плохо усваиваются — как правило, на фоне вредных привычек, приема лекарств, инфекций и др.

Нарушение фолатного цикла угрожает организму сразу тремя последствиями. Первое: низкий уровень одного из производных этого цикла, 5,10-метилентетрагидрофолата, приводит к разрывам в ДНК и нарушению процессов репарации [23]. Второе: возникает дефицит основного донора метильных групп, S-аденозилметионина (SAM), без которого невозможно производить метилирование ДНК. И третье последствие: нарушается метаболизм гомоцистеина, и его уровень в крови начинает расти. А далее токсичный для клеток гомоцистеин запускает цепную реакцию со множеством патологических ответвлений.

Какой это может иметь вид? Как показали работы американских и корейских биологов — С. Ким и соавторов, — повышенная концентрация гомоцистеина в крови имеет прямую связь с дисфункцией эндотелия (тонкого слоя клеток, выстилающего поверхность сосудов) и атеросклерозом [24]. Причем активным участником в повреждающем действии гомоцистеина на клетки эндотелия является белок с «дурной репутацией», p66Shc, который обладает окислительной и проапоптозной (подстрекающей клетку к самоубийству) активностью. Подопытные мыши с нокаутированным («выключенным») геном p66shc, показывали существенное увеличение продолжительности жизни [25]. При этом такие мыши были удивительным образом устойчивы к действию окислительного стресса и развитию основных патологий, традиционно связываемых со старением: гиперхолестеринемии (повышению уровня холестерина), гипергликемии (повышению уровня глюкозы) и ишемии. И даже ударные дозы алкоголя не убивали таких мышей!

Как выяснилось, гомоцистеин в повышенных концентрациях способен увеличивать экспрессию эндотелиального p66shc посредством гипометилирования конкретных динуклеотидов CpG в промоторе (регуляторном участке гена) p66shc. И этот механизм играет важную роль в вызванной гомоцистеином эндотелиальной патологии. Дело в том, что p66Shc повышает продукцию АФК, которые признаны одной из основных причин возрастной дисфункции эндотелия [24]. Примечательно, что точно таким же действием на p66Shc, как гомоцистеин, обладают и липопротеины низкой плотности (ЛПНП, или, по-обывательски, «плохой» холестерин), рассматриваемые как один из факторов развития метаболического синдрома, которому подвержено огромное количество людей в мире. Выяснилось, что ЛПНП в состоянии вызывать гипометилирование двух динуклеотидов CpG и ацетилирование гистона 3 в промоторе p66shc, что ведет к повышению его активности [26].

Итальянский исследователь Джовамбаттиста Пани связал возрастную активность p66Shc и АФК с еще одним белком, вызывающим повышенный интерес у геронтологов, — mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих), который регулирует в клетке процессы, связанные с развитием и клеточным ростом (рис. 5) [27]. По мнению одного из самых авторитетных исследователей mTOR, Михаила Благосклонного (Roswell Park Cancer Institute, США), этот белок занимает одно из центральных мест в процессах старения живых организмов, стимулируя развитие возрастных патологий, укорачивающих жизнь [28].

p66Shc и старение

Рисунок 5. Две модели, показывающие, как p66Shc может объединять АФК и mTOR/S6K-каскад в процессе старения. а — АФК активируют белок p66Shc (или просто p66), который в свою очередь активирует рибосомную S6-киназу (S6K). АФК могут производиться в митохондриях в ответ на поступление питательных веществ (нутриентов), таким образом создавая альтернативный маршрут для детекции питательных веществ посредством S6K. б — Активированная p66 киназа S6K увеличивает образование АФК в митохондриях. В этом случае р66 может стимулироваться клеточным стрессом, белком р53 или экзогенными оксидантами. В обоих примерах воздействие р66 на старение тормозится ограничением калорий, что снижает поставку нутриентов. Активация p66 происходит в результате повышенной экспрессии (показана увеличенным значком) и фосфорилирования серина (буква «Р»). Оба изменения возникают в ответ на различные стрессы в клетках млекопитающих.

Но не только дисфункция эндотелия и сердечно-сосудистые болезни связаны с гомоцистеином и повышенной активностью p66Shc. Уже известно, что p66Shc напрямую связан с отклонением, которое сегодня чаще всего рассматривают в качестве точки отсчета ускоренного старения — с резистентностью к инсулину, когда клетки перестают взаимодействовать с этим гормоном [29]. Вместе с резистентностью к инсулину развиваются липо- и глюкозотоксичность — разрушительное воздействие избытка жирных кислот (прежде всего пальмитиновой) и глюкозы на клеточные структуры. И далее объем последствий растет как снежный ком: повышение продукции провоспалительных цитокинов, накопление опасных метаболитов (диацилглицерола, сорбитола, церамида), окислительный стресс, нарушение синтеза АТФ и дисфункция митохондрий, повреждение эндотелия и атеросклероз, гликозилирование белков, накопление амилоида, повреждение клеток, ускоренное старение. Подавляющее число долгожителей не приобретает резистентности к инсулину до самой глубокой старости. И наоборот — бόльшая часть людей, преждевременно погибших от сердечно-сосудистых патологий, имела резистентность к этому гормону.

Сегодня большое внимание геронтологов приковано к механизмам благотворного воздействия на организм ограничения калорий. Как показали исследования, урезанный по калориям рацион может продлевать жизнь. Самый яркий и часто приводимый пример такого влияния — жители японского острова Окинава, которые при суточном рационе менее 2000 ккал уверенно держат первое место в мире по числу долгожителей. Суть этого феномена складывается из многих факторов, в том числе и из эпигенетических. Обнаружилось, что ограничение калорий меняет в позитивную сторону профиль метилирования ДНК: снижается метилирование генов — подавителей опухолевого роста, что ведет к их активации, и повышается метилирование онкогенов. Кроме этого, ограничение количества потребляемой глюкозы, которая дает немалую часть калорий, в эксперименте приводило к феномену расширения лимита Хейфлика — предела клеточного деления, лежащего в основе ограниченности срока жизни клетки (рис. 6). И опять это происходило вместе с изменениями эпигенома — изменениями в метилировании ДНК и модификациями гистонов, влияющими на активность ключевых генов — р16 и hTERT [30].

Ограничение глюкозы

Рисунок 6. Влияние ограничения потребления глюкозы на продолжительность жизни. Ограничение поступления глюкозы может влиять на эпигенетическую регуляцию как в нормальных, так и в раковых клетках. В нормальных клетках это приводит к репрессии гена р16 и активации hTERT, что позволяет расширить лимит Хейфлика. Белок р16 замедляет процесс размножения клеток, ген hTERT кодирует фермент теломеразу, способный наращивать концевые участки ДНК, сокращающиеся при делении клеток, — теломеры. В предраковых клетках противоположные эффекты на p16 и hTERT приводят к апоптозу и гибели опасных клеток.

Эпигеном и теломеры

Еще один ассоциированный с возрастом процесс — укорочение теломер (повторяющихся последовательностей ДНК, стабилизирующих концевые участки хромосом, но уменьшающихся в длине при каждом клеточном делении) — также оказался тесно связанным с эпигеномом.

Американские биологи из Института Солка и Гарвардского университета, Родерик О’Салливан и его коллеги, провели исследования, выясняющие влияние клеточного деления на структуру хроматина. Как видно из работы О’Салливана и соавторов, в стареющих клетках с сильно укороченными теломерами характер упаковки ДНК в хромосомах значительно меняется [31]. Также выяснилось, что с возрастом при каждом делении клетки вместе с укорочением теломер происходит уменьшение синтеза специальных белков-гистонов . На нуклеосомные гистоны, как швейная нить на катушку, наматывается молекула ДНК, упаковываясь таким образом в ядрах клеток. Посредством ацетилирования-деацетилирования гистонов происходит регулирование плотности упаковки ДНК. Если нужно «заглушить» гены, упаковка уплотняется, и считывающие информацию белки не могут присоединиться к регуляторным нуклеотидам. Если, наоборот, работа какого-то гена необходима, хроматин «разрыхляется», упаковка ДНК становится менее плотной и доступной для регуляторных белков.

Очевидно, что гистоны хроматина играют очень важную роль в нормальной работе генома. И обнаруженное американскими исследователями возрастное снижение их синтеза, связанное с делением клетки и укорочением теломер, может приводить к дестабилизации генома. По предположению О`Салливана и его коллег, хронический стрессовый сигнал генерируется за счет сокращения теломер и приводит к снижению синтеза гистонов двух видов, h4 и h5. В свою очередь, это не позволяет точно восстановить ландшафт хроматина при следующем делении, и повреждение ДНК постепенно ограничивает жизнь клетки. Даже незначительные изменения в равновесии системы «ДНК — гистоны», по мнению ученых, могут нарушить синтез ДНК, архитектуру хроматина и жизнеспособность клеток.

Но, как оказалось, это не единственно возможная взаимосвязь теломер, старения и эпигенома. Не так давно проследили еще одну потенциальную связь. В.А. Галицкий и его коллеги из Института биохимии им. А.А. Палладина (Киев) описали возможность укорочения теломер на фоне возрастной геномной нестабильности. И вот как это может выглядеть.

По мнению украинских биохимиков, микроРНК в стволовых клетках поддерживают исходный профиль эпигенетических маркеров, что и лежит в основе уникальных качеств стволовых клеток (в первую очередь, их способности к долгой жизни). Но дифференцировка — превращение стволовых клеток в специализированные  — требует репрессии генов некоторых микроРНК, чтобы те не мешали активности ряда нужных генов. В результате этого происходит возрастная потеря эпигенетических маркеров, снижается уровень метилирования ДНК. А это может приводить к дерепрессии «дремлющих» в ДНК ретротранспозонов и других мобильных элементов и, как следствие, к их перемещениям и повреждению ДНК. В ответ в клетке могут запуститься системы репарации ДНК, провоцирующие несанкционированные рекомбинации в участках теломер (так называемых теломерных кэпах). И по этой причине теломеры будут терять свою длину [33]. А укорочение теломер, как мы знаем, выступает одним из признанных маркеров старения организма.

Заключение. «Эпигенетический дрейф»

Насколько сильно меняется эпигеном с возрастом в зависимости от внешних факторов, наглядно показали исследования ДНК близнецов, выполненные испанскими учеными, Марио Фрага и его коллегами. Изучая монозиготных (однояйцевых) близнецов, они определили, что близнецы в возрасте трех лет идентичны не только генетически, но и эпигенетически [35]. А вот у 50-летних — по-прежнему одинаковых генетически — людей возникают существенные эпигенетические различия (рис. 7). Причем тем больше, чем внушительнее географическая дистанция между местами их проживания и, следовательно, разница в условиях проживания. Это может говорить о том, что подобные различия возникают не случайно, а зависят от условий, в которых живут люди.

Метилирование ДНК близнецов

Рисунок 7. Разница в метилировании ДНК близнецов в возрасте трех и 50 лет. Для того чтобы определить эпигенетические различия между близнецами, исследователи разработали оригинальную методику окраски одинаковых участков (локусов) гомологичных хромосом. В случае одинаковой экспрессии эти локусы окрашивались в желтый цвет, если были гипометилированы — в красный, а если гиперметилированы — в зеленый. Так вот, если у 3-летних близнецов хромосомы были окрашены практически полностью в желтый цвет, то у 50-летних явно доминировали зеленый и красный.

Результаты всех этих исследований позволили немецкому генетику Акселю Шумахеру разработать концепцию «эпигенетического дрейфа» — постепенного изменения с возрастом профиля метилирования ДНК [36]. Согласно концепции, возрастзависимый «эпигенетический дрейф» является естественным процессом, наблюдающимся у всех, даже полностью здоровых людей. Но у тех, кто подвергается сильному влиянию окружающей среды, вредных привычек, стрессов, неправильного питания, дрейф может «давать крен» в сторону неблагоприятных профилей, негативно меняя работу генома.

После всех проведенных исследований ученые могут уверенно говорить, что основу долголетия и хорошего здоровья вместе с другими факторами во многом определяет именно состояние эпигенома. А оно складывается из двух составляющих: из того, что мы получили в наследство от своих родителей, и из привычек, которые мы выработали в нашей жизни. Как сказал один из основоположников эпигенетики, профессор МГУ Б.Ф. Ванюшин, «нет никакого сомнения в том, что метилирование ДНК и модификации гистонов, а также избирательный сайленсинг генов малыми РНК играют очень важную роль в жизни клетки и организма, поэтому дальнейшие исчерпывающие исследования в этой захватывающей области знаний — очень важная и плодотворная задача нашего века» [38]. И с этим трудно поспорить. Остается ждать новых открытий, которые подарит нам область знаний, стремительно ворвавшаяся в нашу жизнь, — наука ЭПИГЕНЕТИКА.

  1. Развитие и эпигенетика, или История о Минотавре;
  2. Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?;
  3. Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах?;
  4. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
  5. Как избавиться от РНК за несколько минут;
  6. МикроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров;
  7. Callaway E. (2014). Epigenomics starts to make its mark. Nature. 508, 22;
  8. Вайсерман А.М., Войтенко В.П., Мехова Л.В. (2011). Эпигенетическая эпидемиология ассоциированных с возрастом заболеваний. Онтогенез. 42, 1–21;
  9. Hancks D.C. and Kazazian H.H. (2012). Active human retrotransposons: variation and disease. Curr. Opin. Genet. Dev. 22, 191–203;
  10. Тайны «молекулярных паразитов», или Как путешествовать по геному;
  11. Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге;
  12. Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?;
  13. Kucharski R., Maleszka J., Foret S., Maleszka R. (2008). Nutritional control of reproductive status in honeybees via DNA methylation. Science. 319, 1827–1830;
  14. Lyko F., Foret S., Kucharski R., Wolf S., Falckenhayn C., Maleszka R. (2010). The honey bee epigenomes: differential methylation of brain DNA in queens and workers. PLoS Biol. 8, e1000506;
  15. Corona M., Velarde R.A., Remolina S., Moran-Lauter A., Wang Y., Hughes K.A., Robinson G.E. (2007). Vitellogenin, juvenile hormone, insulin signaling, and queen honey bee longevity. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104, 7128–7133;
  16. Gentilini D., Mari D., Castaldi D., Remondini D., Ogliari G., Ostan R. et al. (2013). Role of epigenetics in human aging and longevity: genome-wide DNA methylation profile in centenarians and centenarians’ offspring. Age (Dordr). 35, 1961–1973;
  17. Soubry A., Schildkraut J.M., Murtha A., Wang F., Huang Z., Bernal A. et al. (2013). Paternal obesity is associated with IGF2 hypomethylation in newborns: results from a Newborn Epigenetics Study (NEST) cohort. BMC Med. 11, 29;
  18. Cencioni C., Spallotta F., Martelli F., Valente S., Mai A., Zeiher A.M., Gaetano C. (2013). Oxidative stress and epigenetic regulation in ageing and age-related diseases. Int. J. Mol. Sci. 14, 17643–17663;
  19. Активный кислород: друг или враг, или О пользе и вреде антиоксидантов;
  20. Антиоксиданты против пиелонефрита;
  21. Weitzman S.A., Turk P.W., Milkowski D.H., Kozlowski K. (1994). Free radical adducts induce alterations in DNA cytosine methylation. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 91, 1261–1264;
  22. Гречанина Е.Я., Лесовой В.Н., Мясоедов В.В., Гречанина Ю.Б., Гусар В.А. (2010). Закономерная связь между развитием некоторых эпигенетических заболеваний и нарушением метилирования ДНК вследствие дефицита ферментов фолатного цикла. Ультразвуковая перинатальная диагностика. 29, 27–59;
  23. Zijno A., Andreoli C., Leopardi P., Marcon F., Rossi S., Caiola S. et al. (2003). Folate status, metabolic genotype, and biomarkers of genotoxicity in healthy subjects. Carcinogenesis. 24, 1097–1103;
  24. Kim C.S., Kim Y.R., Naqvi A., Kumar S., Hoffman T.A., Jung S.B. et al. (2011). Homocysteine promotes human endothelial cell dysfunction via site-specific epigenetic regulation of p66shc. Cardiovasc. Res. 92, 466–475;
  25. Галимов Е.Р. (2010). Роль p66shc в окислительном стрессе и апоптозе. Acta Naturae. 4, 49–56;
  26. Kim Y.R., Kim C.S., Naqvi A., Kumar A., Kumar S., Hoffman T.A., Irani K. (2012). Epigenetic upregulation of p66shc mediates low-density lipoprotein cholesterol-induced endothelial cell dysfunction. Am. J. Physiol. Heart Circ. Physiol. 303, 189–196;
  27. Pani G. (2010). P66SHC and ageing: ROS and TOR? Aging (Albany NY). 2, 514–518;
  28. Blagosklonny M.V. (2013). MTOR-driven quasi-programmed aging as a disposable soma theory: blind watchmaker vs. intelligent designer. Cell Cycle. 12, 1842–1847;
  29. Ranieri S.C., Fusco S., Panieri E., Labate V., Mele M., Tesor V., Ferrara A.M. et al. (2010). Mammalian life-span determinant p66shcA mediates obesity-induced insulin resistance. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107, 13420–13428;
  30. Tollefsbol T. (2014). Dietary epigenetics in cancer and aging. Cancer Treat. Res. 159, 10;
  31. O’Sullivan R.J., Kubicek S., Schreiber S.L., Karlseder J. (2010). Reduced histone biosynthesis and chromatin changes arising from a damage signal at telomeres. Nat. Struct. Mol. Biol. 17, 1218–1225;
  32. Катится, катится к ДНК гистон;
  33. Галицкий В.А. (2009). Эпигенетическая природа старения. Цитология. 5, 388–397;
  34. Кем быть? Как гемопоэтическая стволовая клетка выбирает профессию;
  35. Fraga M.F., Ballestar E., Paz M.F., Ropero S., Setien F., Ballestar M.L. et al. (2005). Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 102, 10604–10609;
  36. Wang S.C., Oelze B., Schumacher A. (2008). Age-specific epigenetic drift in late-onset Alzheimer’s disease. PLoS ONE. 3, e2698;
  37. Зачем клетки стареют;
  38. Ванюшин Б.Ф. (2013). Эпигенетика сегодня и завтра. Вавиловский журнал генетики и селекции. 17, 805–832.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *