Меню
наука о продлении жизни
Новое в исследованиях старения
Алексей Ржешевский
Ольга Борисова
Миша Батин
Настя Егорова
Ольга Борисова
Миша Батин
Настя Егорова
Мы расскажем о самых заметных исследования старения, вышедших в этом году,
Прежде всего, о работах, тесно связанных с одним из столпов старения, ключевым фактором, влияющим на многие возрастные заболевания — хроническим воспалением, известным как «инфламэйджинг».
Поговорим о летучих мышах и ожирении, полезных вирусах и загадочных РНК, кодирующих амилоиды, митохондриях и гликировании и ещё много о чём интересном. Отдельный акцент — на новых подходах и технологиях в антистарении, опробованных в 2020 году. У всего этого есть шанс стать прорывным в недалеком будущем и помочь сделать существенный шаг в борьбе со старением.
Итак, поехали!
Прежде всего, о работах, тесно связанных с одним из столпов старения, ключевым фактором, влияющим на многие возрастные заболевания — хроническим воспалением, известным как «инфламэйджинг».
Поговорим о летучих мышах и ожирении, полезных вирусах и загадочных РНК, кодирующих амилоиды, митохондриях и гликировании и ещё много о чём интересном. Отдельный акцент — на новых подходах и технологиях в антистарении, опробованных в 2020 году. У всего этого есть шанс стать прорывным в недалеком будущем и помочь сделать существенный шаг в борьбе со старением.
Итак, поехали!
Сравнение стратегий долгожительства различных видов
К голому землекопу из-за его уникальных свойств приковано сегодня большое внимание ученых-геронтологов. Сходные по размеру сородичи — мыши — живут около 3 лет, а он — около 30. При этом, как показали исследования, наш землекоп очень слабо подвержен старению, почти до конца жизни оставаясь в хорошей форме и редко болея возрастными болезнями.
На втором месте по долгожительству среди грызунов — канадский бобер с результатом более 20 лет.
В 2020 году уже вышло ряд исследований, описавших ранее неизвестные механизмы, с помощью которых голый землекоп так успешно противостоит старению и возрастным патологиям. Так, в июле ученые из Кембриджского университета опубликовали в Nature результаты своей работы, показавшей, как голые землекопы борются с переродившимися клетками.
На втором месте по долгожительству среди грызунов — канадский бобер с результатом более 20 лет.
В 2020 году уже вышло ряд исследований, описавших ранее неизвестные механизмы, с помощью которых голый землекоп так успешно противостоит старению и возрастным патологиям. Так, в июле ученые из Кембриджского университета опубликовали в Nature результаты своей работы, показавшей, как голые землекопы борются с переродившимися клетками.
Канадский бобр
А в новом исследовании Вадим Гладышев и Вера Горбунова с коллегами из Китая и США нашли отличительные особенности генома голого землекопа и канадского бобра (по сравнению с человеком), связанные с их долгожительством и крепким здоровьем.
Эти особенности позволяют бобрам и землекопам не болеть, в частности, гипертонией, бороться с окислительным стрессом и гипоксией, успешно противостоять повреждениям ДНК, повышать жизнеспособность клеток и в целом проживать в свойственной для данных зверей подводной и подземной среде.
Эти особенности позволяют бобрам и землекопам не болеть, в частности, гипертонией, бороться с окислительным стрессом и гипоксией, успешно противостоять повреждениям ДНК, повышать жизнеспособность клеток и в целом проживать в свойственной для данных зверей подводной и подземной среде.
Голые землекопы
Рис.1. Аминокислотные замены на участках, связанных с заболеваниями. Гистограмма топ-заболеваний человека обогащена на основе анализа замещений бобра (верхняя часть) и голого землекопа (нижняя часть). Также показаны клинические фенотипы и ассоциированные гены для каждой категории. Источник
Сплайсинг, стабильность генома и протеостаза
А теперь про вклад нормального сплайсинга в здоровье и долголетие на примере голых землекопов.
Сплайсинг РНК — это процесс объединения и удаления участков интронов и экзонов, полученных из последовательности ДНК гена, в конечную последовательность РНК, транскрибируемую из этого гена. Интроны обычно отбрасываются, а экзоны — включаются, и этот процесс комбинирования позволяет получить несколько белков из одного гена.
Характерные изменения в сплайсинге происходят с возрастом. Например, изменение пропорций разных белков, продуцируемых одним и тем же геном с помощью различных комбинаций интронов и экзонов.
Регуляция сплайсинга в целом становится более неровной, например, за счет включения интронов в последовательности РНК, когда они должны быть исключены. Считается, что это способствует метаболическому беспорядку, клеточному старению и другим проявлениям старения.
Регуляция сплайсинга в целом становится более неровной, например, за счет включения интронов в последовательности РНК, когда они должны быть исключены. Считается, что это способствует метаболическому беспорядку, клеточному старению и другим проявлениям старения.
Английские генетики, Лорна Харрис с коллегами активно изучают возрастные изменения сплайсинга. И даже предлагают включить их в список признаков старения. Они создали биотех компанию, SENISCA, которая будет заниматься разработкой методов по поддержанию нормального сплайсинга в процессе старения.
В работе 2020 года пионер в изучении голого землекопа Рошель Баффенштайн показала важность вклада нормального сплайсинга в здоровье и долголетие. Так как у голых землекопов этот механизм работает довольно хорошо, и полученные данные говорят нам, что хорошая и стабильная на протяжении жизни регуляция сплайсинга — один из факторов долгожительства голых землекопов. Работа так и называется: «Незначительное старение у голых землекопов может быть следствием хорошей регуляции сплайсинга».
В работе 2020 года пионер в изучении голого землекопа Рошель Баффенштайн показала важность вклада нормального сплайсинга в здоровье и долголетие. Так как у голых землекопов этот механизм работает довольно хорошо, и полученные данные говорят нам, что хорошая и стабильная на протяжении жизни регуляция сплайсинга — один из факторов долгожительства голых землекопов. Работа так и называется: «Незначительное старение у голых землекопов может быть следствием хорошей регуляции сплайсинга».
Кроме хорошего сплайсинга, у землекопов, как показали более ранние работы Веры Горбуновой и её коллег, очень стабильный эпигеном по сравнению с мышиным. Что тоже может быть одним из факторов его долголетия и устойчивости к перерождению клеток.
А Баффенштейн с коллегами ранее обнаружили, что у долгоживущих видов (в т.ч. и у землекопа) более качественный контроль по поддержанию в норме белков (протеостаз, нарушение которого — один из признаков старения). У них наблюдались на более высоком уровне аутофагия, экспрессия белков-шаперонов и активность протеасом.
А Баффенштейн с коллегами ранее обнаружили, что у долгоживущих видов (в т.ч. и у землекопа) более качественный контроль по поддержанию в норме белков (протеостаз, нарушение которого — один из признаков старения). У них наблюдались на более высоком уровне аутофагия, экспрессия белков-шаперонов и активность протеасом.
Рошель Баффенштейн
Митохондрии и звериное долголетие
Особенности строения митохондрий также вносят вклад в долголетие разных видов. Команда испанских исследователей, Р. Памплона с коллегами, о работах которых подробный рассказ будет ещё впереди, показала взаимосвязь уровня определенных белков в электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий с долголетием млекопитающих.
ЭТЦ находится во внутренней мембране митохондрий и состоит из 4-х комплексов, и электроны при помощи переносчиков передаются от одного комплекса другому. Утечка электронов в ЭТЦ приводит к образованию АФК (активных форм кислорода), повреждающих макромолекулы. При этом основными "местами" утечки электронов являются комплексы 1 и 3, что обуславливает пристальное внимание к ним.
Как определили ученые, низкий уровней экспрессии двух генов, кодирующих субъединицы комплекса 1 ЭТЦ, NDUFV2 и NDUFS4, был положительно связан с долголетием животных. Что ученые объясняют пониженной продукцией митохондриальных АФК и уменьшением окислительного стресса. Кроме того, у более долгоживущих животных наблюдалось более низкое содержание компонента митохондриальной поры (mitochondrial permeability transition pore, mPTP), белка VDAC.
mPTP — это особый канал внутренней мембраны митохондрий, который "открывается" в ответ на повышение АФК и изменения концентрации ионов Са2+, приводя к гибели клетки. Низкое содержание данного белка уменьшает АФК-опосредованное открытие mPTP.
Во второй работе этого года Р. Памплона с коллегами описали взаимосвязь уровня экспрессии генов белка mTOR1 и его регуляторных факторов с продолжительностью жизни млекопитающих. Результаты, в общем-то, ожидаемо показали, что долгоживущим млекопитающим присуще снижение и ингибирование mTORC1, а также сниженное содержание ее активаторов.
Летучие мыши. Конечно же
Кроме голого землекопа, в этом году ученые обратили внимание еще на одно довольно удивительное животное. 2020 год начался с пристального внимания к летучим мышам — природным резервуарам коронавирусной инфекции, ставшей пандемией. Не обошли их вниманием и учёные, занимающиеся биологией старения.
Летучие мыши чрезвычайно многочисленны и широко распространены. Более тысячи их разных видов населяют все континенты, кроме Антарктиды. Не все знают, что они играют важную роль во многих экосистемах. Насекомоядные летучие мыши потребляют вредителей сельскохозяйственных культур, сокращая использование пестицидов. Они потребляют комаров, распространяющих болезни человека. Опыление и распространение семян многих растений зависят от летучих мышей.
Летучие мыши чрезвычайно многочисленны и широко распространены. Более тысячи их разных видов населяют все континенты, кроме Антарктиды. Не все знают, что они играют важную роль во многих экосистемах. Насекомоядные летучие мыши потребляют вредителей сельскохозяйственных культур, сокращая использование пестицидов. Они потребляют комаров, распространяющих болезни человека. Опыление и распространение семян многих растений зависят от летучих мышей.
Ночница Брандта
Одно из отличительных их свойств — это удивительная устойчивость к вирусам. Летучие мыши живут большими плотными колониями в течение многих лет, что создает идеальную почву для передачи патогенов от особи к особи. Они считаются предковыми хозяевами многих смертоносных вирусов, включая вирусы бешенства, Эбола, Марбург, Нипах и Хендра, также коронавирусов SARS-CoV и SARS-CoV-2. Примечательно, что все они легко переносятся летучими мышами, но не вызывают клинических симптомов. Какие же биологические механизмы делают летучих мышей настолько особенными, что они могут спокойно переносить вирусы, которые очень тяжело переносятся другими видами?
Оказалось, устойчивость к вирусам и удивительное долголетие летучих мышей тесно взаимосвязаны. В. Горбунова, А. Селуянов и Б. Кеннеди опубликовали в журнале Cell Metabolism большой обзор по этой теме.
Принято считать, что, чем лучше и сильнее иммунитет, тем лучше защита от вирусов. Однако это не всегда так. Воспаление — часть системы врожденного неспецифического иммунитета. И часто бывает так, что именно чрезмерная активность этой системы приводит к развитию ряда осложнений, а не сам вирус. Что-то сродни "стрелять из пушки по воробьям". Летучие мыши так часто контактируют с вирусами, что, похоже, их организм попросту не отвечает сильной воспалительной реакцией на вторжение патогена.
Итак, основной механизм, который выделяют ученые, помогающий летучим мышам справляться с вирусами — это уменьшение воспаления. Причем для этого задействованы различные механизмы, которых мы насчитали аж пять.
Оказалось, устойчивость к вирусам и удивительное долголетие летучих мышей тесно взаимосвязаны. В. Горбунова, А. Селуянов и Б. Кеннеди опубликовали в журнале Cell Metabolism большой обзор по этой теме.
Принято считать, что, чем лучше и сильнее иммунитет, тем лучше защита от вирусов. Однако это не всегда так. Воспаление — часть системы врожденного неспецифического иммунитета. И часто бывает так, что именно чрезмерная активность этой системы приводит к развитию ряда осложнений, а не сам вирус. Что-то сродни "стрелять из пушки по воробьям". Летучие мыши так часто контактируют с вирусами, что, похоже, их организм попросту не отвечает сильной воспалительной реакцией на вторжение патогена.
Итак, основной механизм, который выделяют ученые, помогающий летучим мышам справляться с вирусами — это уменьшение воспаления. Причем для этого задействованы различные механизмы, которых мы насчитали аж пять.
1
Во-первых, у них значительно ослаблена активация "платформы воспаления" — инфламмасомы NLRP3 — по сравнению аналогами человека или мыши. Как только в клетке происходит повреждение, или какой-то патоген связывается с мембранным рецептором, запускается сборка инфламмасомы, после чего выделяются сильные провоспалительные цитокины (Il1β и Il18), а то и происходит воспалительная гибель клетки. Именно эти цитокины — главные участники "цитокинового шторма" при коронавирусной инфекции.
Кстати, чрезмерная активация NLRP3 различными внутренними факторами связана и со многими возрастными процессами. Она "запускает" хроническое воспаление и развитие возрастных патологий. При этом, ослабленная активность NLRP3 наблюдалась у разных видов летучих мышей, что может быть одним из общих факторов их долгожительства.
Кстати, чрезмерная активация NLRP3 различными внутренними факторами связана и со многими возрастными процессами. Она "запускает" хроническое воспаление и развитие возрастных патологий. При этом, ослабленная активность NLRP3 наблюдалась у разных видов летучих мышей, что может быть одним из общих факторов их долгожительства.
2
У летучих мышей снижена активность провоспалительного фактора TNF-α, клеточного сигнального белка, участвующего в системном воспалении. Достигается это при помощи некоторых особенностей гена TNF. Промотор этого гена у летучей мыши Eptesicus fuscus имеет регуляторную область, с которой может связываться транскрипционный фактор c-REL (член семейства NF-κB белков). При этом экспрессия гена блокируется.
3
Летучие мыши демонстрируют заметно ослабленное восприятие цитозольной ДНК. При вирусной инфекции, при повреждении митохондрий или ядра в цитоплазму попадает ДНК и обычно является "подозрительной", а по сему — сильным драйвером воспаления. Для его снижения эволюция "подарила" мышам несколько механизмов.
Для начала, у части видов попросту нет семейства генов (PYHIN), кодирующих сенсоры цитоплазматической ДНК (АIM2 и IFI16). А нет сенсоров — нет и последующей активации воспаления.
Есть изменения у мышей и еще в одной системе восприятия цитозольной ДНК — в cGAS-STING пути. ДНК в цитоплазме распознается особым белком — циклической GMP-AMP синтазой (cGAS). Затем cGAS связывается со стимулятором генов интерферонов (Stimulator of Interferon Genes, STING), фосфорилирует его, после чего запускается синтез интерферона. Проведенный анализ 30 видов летучих мышей показал, что их белки STING попросту не содержат аминокислоты, по которой должно произойти фосфорилирование, необходимое для активации синтеза интерферона.
Для начала, у части видов попросту нет семейства генов (PYHIN), кодирующих сенсоры цитоплазматической ДНК (АIM2 и IFI16). А нет сенсоров — нет и последующей активации воспаления.
Есть изменения у мышей и еще в одной системе восприятия цитозольной ДНК — в cGAS-STING пути. ДНК в цитоплазме распознается особым белком — циклической GMP-AMP синтазой (cGAS). Затем cGAS связывается со стимулятором генов интерферонов (Stimulator of Interferon Genes, STING), фосфорилирует его, после чего запускается синтез интерферона. Проведенный анализ 30 видов летучих мышей показал, что их белки STING попросту не содержат аминокислоты, по которой должно произойти фосфорилирование, необходимое для активации синтеза интерферона.
4
Вторжение вирусов и бактерий у нас в клетках распознается специальными "датчиками", к которым относятся толл-подобные рецепторы мембраны клеток. Они распознают "непохожесть" бактериальной или вирусной нуклеиновой кислоты на нашу и запускают воспалительный ответ. У мышей связывающая часть рецептора TLR9 имеет множественные мутации, за счет чего хуже реагируют на вторжение и не запускает воспаление.
5
Кроме этого, как показали исследования, у летучих мышей после вторжения вируса повышается активность противовоспалительного цитокина lL-10, который помогает уменьшать воспалительные реакции.
В итоге, как резюмируют ученые, картина, которая вырисовывается после большого количества исследований иммунитета летучих мышей, получается несколько парадоксальной. Большинство адаптаций иммунной системы, обнаруженные у летучих мышей, скорее ослабляют иммунный ответ, чем активируют его. Летучие мыши нам наглядно показывают, что для сосуществования с вирусами контроль воспаления важнее, чем усиление иммунной системы для борьбы с ними. Потому что такое усиление может привести к воспалительному цитокиновому шторму, усугублению течения болезни и увеличению смертности.
Так как же летучие мыши борются с инфекциями, если у них "выключены" системы защитного воспаления? Оказывается, у них усилена работа других систем вирусной защиты. Они постоянно экспрессируют IFN-α, демонстрируют повышенную экспрессию генов интерферона и обладают более активной аутофагией.
Так как же летучие мыши борются с инфекциями, если у них "выключены" системы защитного воспаления? Оказывается, у них усилена работа других систем вирусной защиты. Они постоянно экспрессируют IFN-α, демонстрируют повышенную экспрессию генов интерферона и обладают более активной аутофагией.
Аутофагия, или «самопоедание» — это клеточный процесс, который разрушает и перерабатывает клеточные белки и органеллы.
Как показали эксперименты, клетки некоторых летучих мышей показывают повышенную активность аутофагии в ответ на инфицирование вирусами.
Что же привело к развитию таких необычных систем иммунной защиты у летучих мышей? Ранее уже высказывалось предположение, что уникальная эволюция иммунитета у летучих мышей обусловлена их способностью летать.
Летучие мыши — единственные летающие млекопитающие. Полет требует метаболической адаптации к внезапным всплескам активности, быстрому повышению температуры тела и, возможно, к устранению внезапных молекулярных повреждений. (неправильно свернутые белки и поврежденная ДНК). В повседневной жизни мыши столько всего, что активирует воспаление, что этот механизм стало проще попросту "отключить", ну или существенно ослабить.
По мнению же В. Горбуновой и её коллег, движущей силой в развитии иммунитета летучих мышей был их образ жизни, который способствует быстрой передаче вирусов. Многие виды летучих мышей живут в гигантских колониях: периоды отдыха они проводят, свешиваясь очень близко друг к другу на потолке пещеры или на дереве.
Размер колонии может варьироваться от нескольких особей до сотен тысяч. Это самая высокая плотность среди млекопитающих в дикой природе. И, учитывая высокую мобильность и передвижения в поисках пищи, летучие мыши подвергаются воздействию исключительно огромного разнообразия вирусов. Чтобы выжить, они приобрели в ходе эволюции целый ряд механизмов, снижающих воспалительный противовирусный ответ.
Что же привело к развитию таких необычных систем иммунной защиты у летучих мышей? Ранее уже высказывалось предположение, что уникальная эволюция иммунитета у летучих мышей обусловлена их способностью летать.
Летучие мыши — единственные летающие млекопитающие. Полет требует метаболической адаптации к внезапным всплескам активности, быстрому повышению температуры тела и, возможно, к устранению внезапных молекулярных повреждений. (неправильно свернутые белки и поврежденная ДНК). В повседневной жизни мыши столько всего, что активирует воспаление, что этот механизм стало проще попросту "отключить", ну или существенно ослабить.
По мнению же В. Горбуновой и её коллег, движущей силой в развитии иммунитета летучих мышей был их образ жизни, который способствует быстрой передаче вирусов. Многие виды летучих мышей живут в гигантских колониях: периоды отдыха они проводят, свешиваясь очень близко друг к другу на потолке пещеры или на дереве.
Размер колонии может варьироваться от нескольких особей до сотен тысяч. Это самая высокая плотность среди млекопитающих в дикой природе. И, учитывая высокую мобильность и передвижения в поисках пищи, летучие мыши подвергаются воздействию исключительно огромного разнообразия вирусов. Чтобы выжить, они приобрели в ходе эволюции целый ряд механизмов, снижающих воспалительный противовирусный ответ.
Рис. 2. Уникальные аспекты иммунитета у летучих мышей.
Врожденный иммунный ответ воспринимает цитоплазматическую ДНК и чужеродную РНК, реагируя повышением уровня интерферона, выработкой TNF-a и других воспалительных цитокинов. У летучих мышей произошла эволюционная адаптация, в результате которой восприятие цитоплазматической ДНК ослабляется из-за потери генов PYHIN и мутации регуляторного сайта в гене STING. Это приводит к снижению экспрессии TNF-a и других воспалительных цитокинов, в то время как противовоспалительные цитокины, такие как IL-10, повышаются. Кроме того, у летучих мышей гасится активация инфламмасомы NLRP3, что приводит к снижению продукции IL-1β и IL-18. В то же время, у летучих мышей усиливаются некоторые аспекты восприятия РНК. Они постоянно экспрессируют IFN-α, демонстрируют повышенную экспрессию генов интерферона и обладают более активной аутофагией. Все вместе эти приспособления позволяют летучим мышам переносить вирусы, сохраняя воспалительную реакцию под контролем.
Процессы, усиливающиеся у летучих мышей, отмечены восходящими синими стрелками. Ослабленные — нисходящими красными стрелками. *Гены под положительным отбором у летучих мышей. #Гены под отрицательным отбором у летучих мышей. Источник.
Врожденный иммунный ответ воспринимает цитоплазматическую ДНК и чужеродную РНК, реагируя повышением уровня интерферона, выработкой TNF-a и других воспалительных цитокинов. У летучих мышей произошла эволюционная адаптация, в результате которой восприятие цитоплазматической ДНК ослабляется из-за потери генов PYHIN и мутации регуляторного сайта в гене STING. Это приводит к снижению экспрессии TNF-a и других воспалительных цитокинов, в то время как противовоспалительные цитокины, такие как IL-10, повышаются. Кроме того, у летучих мышей гасится активация инфламмасомы NLRP3, что приводит к снижению продукции IL-1β и IL-18. В то же время, у летучих мышей усиливаются некоторые аспекты восприятия РНК. Они постоянно экспрессируют IFN-α, демонстрируют повышенную экспрессию генов интерферона и обладают более активной аутофагией. Все вместе эти приспособления позволяют летучим мышам переносить вирусы, сохраняя воспалительную реакцию под контролем.
Процессы, усиливающиеся у летучих мышей, отмечены восходящими синими стрелками. Ослабленные — нисходящими красными стрелками. *Гены под положительным отбором у летучих мышей. #Гены под отрицательным отбором у летучих мышей. Источник.
Но не только таким специфическим противовирусным ответом удивляют ученых и всех нас летучие мыши. Они — признанные долгожители в своей «весовой категории». Если сходные с ними по размеру наземные животные живут около 3 лет, то летучим мышам удается дожить до 30–40 лет.
Зафиксированный рекорд долголетия принадлежит летучей мыши ночнице Брандта, прожившей 41 год. При этом, как отмечают ученые, экстремальная продолжительность жизни летучих мышей возникала по крайней мере четыре раза во время их видообразования. Что свидетельствуют о том, что долгая продолжительность жизни у них не случайна, и эволюцией был отобран фенотип, связанный с увеличением продолжительности жизни и ослабленным иммунным ответом.
Биохимические причины долгой продолжительности жизни летучих мышей остаются предметом активных исследований. Но у них есть несколько "привычек", способствующих долгожительству: малое количество детенышей, способность летать (что позволяет убегать от хищников), а также способность впадать в спячку и входить в состояние оцепенения с низким уровнем энергозатрат.
Оцепенение — известная характеристика "долгожителей". Оно может защитить животное от чувства голода и способствовать поддержанию гомеостаза в периоды низкой скорости метаболизма.
Геномные исследования также указали на некоторые ключи к разгадке долголетия летучих мышей. Среди них — изменения оси гормон роста/рецептор гормона роста, поддержание стабильности генома, эффективность митохондрий, система протеостаза.
Одной из наиболее обсуждаемых тем в геронтологии является роль системы гормон роста (GH) / инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF1), ведь подавление системы GH / IGF1 значительно увеличивает продолжительность жизни модельных животных. Интересно, что геном ночницы Брандта и некоторых других видов имеет мутацию в гене рецептора гормона роста. У некоторых летучих мышей есть также изменения в трансмембранной области рецептора IGF1. Оба этих гормональных сигнальных пути тесно связаны с сигнализацией питательных веществ. И их ослабление способствует увеличению продолжительности жизни.
Поддержание генома в нормальном состоянии выступает важным механизмом, связанным с долголетием. И наоборот — накопление повреждений ДНК и возрастное ослабление систем репарации считаются важным драйвером старения. Исследования летучих мышей Myotis myotis показало, что репарация ДНК и сигнальные пути ответа на повреждения ДНК сохраняются у них на протяжении всей жизни. Благодаря этому у летучих мышей редко развиваются онкологические заболевания.
Митохондриальная дисфункция выступает одним из признаков старения. Энергетические потребности, связанные с полетом у летучих мышей, требуют усиленной работы митохондрий. Но, чем активнее работают митохондрии, тем больше АФК и окислительных повреждений. Похоже, летучие мыши смогли "оптимизировать" свои митохондрии, чтобы на единицу потребляемого кислорода образовывалось меньше АФК. Было также показано, что фибробласты летучих мышей обладают более низким уровнем окислительного повреждения белков и устойчивы к окислительному стрессу. Окислительные повреждения митохондриальной ДНК у летучих мышей M. myotis обнаруживаются на низком уровне и не зависят от возраста. Что свидетельствует о лучшем восстановлении и удалении поврежденных митохондрий.
АФК повреждают долгоживущие молекулы, в том числе — белки. Нарушение гомеостаза белков (протеостаза) является одним из важных драйверов старения. Чтобы поддерживать протеостаз при окислительном стрессе, летучие мыши на более высоком уровне экспрессируют основные белки теплового шока. Которые выполняют функцию шаперонов, то есть следят за правильной структурой белка. Это может одновременно позволить летучим мышам переносить высокие температуры во время полета и поддерживать гомеостаз белков с возрастом. Летучие мыши также демонстрируют повышенную активность аутофагии в течении всей жизни. Что позволяет их клеткам лучше очищать поврежденные белки и органеллы.
Кроме всего этого, у летучих мышей не наблюдается при старении процесса, который мы называем «inflammaging». То есть воспаления, связанного со старением. Скажем здесь несколько слов об этом явлении.
Воспаление, как сегодня известно, связано с развитием множества возрастных патологий, включая сердечно-сосудистые заболевания, рак, нейродегенерацию, болезни опорно-двигательного аппарата и диабет. Это привело к рождению концепции «inflammaging», впервые сформулированной два десятилетия назад итальянским исследователем Клаудио Франчески и его коллегами.
Inflammaging сегодня определяется как долгосрочный результат хронической стимуляции врожденной иммунной системы, что становится разрушительным при старении.
Факторы, вызывающие такое возрастное воспаление, включают вирусы (среди них большую роль отводят герпес-вирусам), мобильные генетические элементы (МГЭ), бактерии, населяющие наш ЖКТ, стареющие клетки и собственные продукты клеточного повреждения.
Отсутствие у летучих мышей ярко выраженного inflammaging является прямым следствием множества механизмов, которые развились для подавления воспаления из-за вирусных инфекций (как мы рассказали выше). Ученые выделяют три основные противовоспалительные стратегии у летучих мышей, которые могут быть связаны с их долголетием. Это, как мы уже описали, ослабление активности инфламмасомы NLRP3, сигнального пути TNF-а и ослабленный ответ на цитоплазматическую ДНК.
Зафиксированный рекорд долголетия принадлежит летучей мыши ночнице Брандта, прожившей 41 год. При этом, как отмечают ученые, экстремальная продолжительность жизни летучих мышей возникала по крайней мере четыре раза во время их видообразования. Что свидетельствуют о том, что долгая продолжительность жизни у них не случайна, и эволюцией был отобран фенотип, связанный с увеличением продолжительности жизни и ослабленным иммунным ответом.
Биохимические причины долгой продолжительности жизни летучих мышей остаются предметом активных исследований. Но у них есть несколько "привычек", способствующих долгожительству: малое количество детенышей, способность летать (что позволяет убегать от хищников), а также способность впадать в спячку и входить в состояние оцепенения с низким уровнем энергозатрат.
Оцепенение — известная характеристика "долгожителей". Оно может защитить животное от чувства голода и способствовать поддержанию гомеостаза в периоды низкой скорости метаболизма.
Геномные исследования также указали на некоторые ключи к разгадке долголетия летучих мышей. Среди них — изменения оси гормон роста/рецептор гормона роста, поддержание стабильности генома, эффективность митохондрий, система протеостаза.
Одной из наиболее обсуждаемых тем в геронтологии является роль системы гормон роста (GH) / инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF1), ведь подавление системы GH / IGF1 значительно увеличивает продолжительность жизни модельных животных. Интересно, что геном ночницы Брандта и некоторых других видов имеет мутацию в гене рецептора гормона роста. У некоторых летучих мышей есть также изменения в трансмембранной области рецептора IGF1. Оба этих гормональных сигнальных пути тесно связаны с сигнализацией питательных веществ. И их ослабление способствует увеличению продолжительности жизни.
Поддержание генома в нормальном состоянии выступает важным механизмом, связанным с долголетием. И наоборот — накопление повреждений ДНК и возрастное ослабление систем репарации считаются важным драйвером старения. Исследования летучих мышей Myotis myotis показало, что репарация ДНК и сигнальные пути ответа на повреждения ДНК сохраняются у них на протяжении всей жизни. Благодаря этому у летучих мышей редко развиваются онкологические заболевания.
Митохондриальная дисфункция выступает одним из признаков старения. Энергетические потребности, связанные с полетом у летучих мышей, требуют усиленной работы митохондрий. Но, чем активнее работают митохондрии, тем больше АФК и окислительных повреждений. Похоже, летучие мыши смогли "оптимизировать" свои митохондрии, чтобы на единицу потребляемого кислорода образовывалось меньше АФК. Было также показано, что фибробласты летучих мышей обладают более низким уровнем окислительного повреждения белков и устойчивы к окислительному стрессу. Окислительные повреждения митохондриальной ДНК у летучих мышей M. myotis обнаруживаются на низком уровне и не зависят от возраста. Что свидетельствует о лучшем восстановлении и удалении поврежденных митохондрий.
АФК повреждают долгоживущие молекулы, в том числе — белки. Нарушение гомеостаза белков (протеостаза) является одним из важных драйверов старения. Чтобы поддерживать протеостаз при окислительном стрессе, летучие мыши на более высоком уровне экспрессируют основные белки теплового шока. Которые выполняют функцию шаперонов, то есть следят за правильной структурой белка. Это может одновременно позволить летучим мышам переносить высокие температуры во время полета и поддерживать гомеостаз белков с возрастом. Летучие мыши также демонстрируют повышенную активность аутофагии в течении всей жизни. Что позволяет их клеткам лучше очищать поврежденные белки и органеллы.
Кроме всего этого, у летучих мышей не наблюдается при старении процесса, который мы называем «inflammaging». То есть воспаления, связанного со старением. Скажем здесь несколько слов об этом явлении.
Воспаление, как сегодня известно, связано с развитием множества возрастных патологий, включая сердечно-сосудистые заболевания, рак, нейродегенерацию, болезни опорно-двигательного аппарата и диабет. Это привело к рождению концепции «inflammaging», впервые сформулированной два десятилетия назад итальянским исследователем Клаудио Франчески и его коллегами.
Inflammaging сегодня определяется как долгосрочный результат хронической стимуляции врожденной иммунной системы, что становится разрушительным при старении.
Факторы, вызывающие такое возрастное воспаление, включают вирусы (среди них большую роль отводят герпес-вирусам), мобильные генетические элементы (МГЭ), бактерии, населяющие наш ЖКТ, стареющие клетки и собственные продукты клеточного повреждения.
Отсутствие у летучих мышей ярко выраженного inflammaging является прямым следствием множества механизмов, которые развились для подавления воспаления из-за вирусных инфекций (как мы рассказали выше). Ученые выделяют три основные противовоспалительные стратегии у летучих мышей, которые могут быть связаны с их долголетием. Это, как мы уже описали, ослабление активности инфламмасомы NLRP3, сигнального пути TNF-а и ослабленный ответ на цитоплазматическую ДНК.
Летучие мыши: цитоплазматическая ДНК
В. Горбунова с коллегами из этих трех противовоспалительных механизмов особо отмечают последний — сниженный ответ организма на цитоплазматическую ДНК. Вот какой это имеет вид.
Свободная ДНК в норме не должна находиться в цитоплазме. Когда она туда попадает, это сигнализирует об опасности, о вторжении патогенов или о повреждении клетки. Датчики цитоплазматической ДНК вначале эволюционировали для защиты клетки от вторжения вирусов, чью ДНК они и определяют.
Но вирусы — не единственный источник цитоплазматической ДНК. В цитоплазму клетки может попадать и ДНК митохондрий и затем распознаваться иммунными рецепторами, такими как TLR9 с последующим запуском провоспалительного иммунного ответа. Излишне сильный ответ на цитоплазматическую ДНК наблюдается при развитии атеросклероза, нейродегенерации и других возрастных патологий.
Кроме митохондрий, к воспалению данного типа приводит возрастная активация МГЭ. Они представляют собой фрагменты ДНК, которые способны перемещаться и размножаться в геноме «хозяина», создавая новые копии самих себя в процессе размножения. Когда-то МГЭ были вирусами, а потом встроились в геном, да там и остались.
Самый распространенный вид МГЭ в нашем геноме — ретротранспозоны LINE1, составляющие 17% генома человека. LINE1 кодируют фермент обратной транскриптазы и переносятся с помощью механизма копирования и вставки. В норме LINE1 держат в "ежовых рукавицах", он зарепрессирован метильными метками, которые не разрешают этим МГЭ "скакать" по геному. Но недавние исследования продемонстрировали, что LINE1 в старых тканях людей и мышей депрессируются и повышают свою активность. Это приводит к образованию цитоплазматических копий ДНК LINE1.
Эти цитоплазматические ДНК запускают ответ интерферона через активацию пути cGAS / STING, создавая ещё один фактор возрастного хронического воспаления. При этом путь cGAS / STING также участвует в клеточном старении.
Здесь коротко упомянем об одном совсем свежем исследовании, вышедшем в декабре 2020 года и касающемся элементов LINE-1 и коронавируса. Как показали эксперименты Rudolf Jaenisch и соавт., коронавирус SARS-CoV-2 потенциально может встраиваться в геном человека. Подобно тому, как это делали древние вирусы, ставшие мобильными элементами нашего генома. И помогает коронавирусу в этих процессах внедрения в геном наш «домашний» элемент LINE-1, предоставляя вирусу SARS-CoV-2 свой фермент — обратную транскриптазу. При этом экспрессия эндогенного LINE-1 человека индуцировалась при инфекции SARS-CoV-2 и воздействии цитокинов. Характерно, что такая дружеская «кооперация» между экзогенными (то есть пришедшими извне) и эндогенными (то есть внедренными в геном) вирусами и ретроэлементами совсем не редкость, и уже не раз описана. Не случайно известный вирусолог, академик РАН Е. Свердлов назвал ретроэлементы нашей ДНК "пятой колонной" (то есть "предателями", готовыми помочь вторгшимся патогенам).
Здесь надо упомянуть о совершенно уникальной роли ретроэлементов нашего генома (ретротранспозонов LINE-1, ALU и эндогенных ретровирусов) в эволюции приматов и особенно — человека. Ретроэлементы самым активным образом поучаствовали в формировании нашей репродуктивной, иммунной и нервной системы. Что касается последней, то по единодушному мнению ученых, именно ретротранспозоны LINE-1 и ALU внесли решающий вклад в развитие нашего мозга после разделения эволюционных линий человека и обезьян. Существует глубокая связь между ретроэлементами генома с одной стороны, и формированием и функционированием неврологических сетей приматов — с другой. Ретроэлементы были важны для развития транскрипционного разнообразия и регуляции, необходимых для генезиса когнитивных функций человека. Можно без большого преувеличения сказать, что именно ретроэлементы вначале создали обезьян, а потом — сделали из обезьяны человека [1,2,3,4,5,6].
Но как известно, бесплатных завтраков не бывает, и всё имеет свою цену. Поучаствовав в создании нервной системы и особенно головного мозга человека, ретроэлементы своим побочным действием, проявляющимся при старении, ведут к развитию патологий. Одних только психических и нейродегенеративных расстройств, при которых ретроэлементы, как предполагается, нарушают ключевые клеточные процессы, тем самым приводя к болезненному состоянию, сегодня насчитывается более 30 (в том числе и болезнь Альцгеймера). Формирование воспалительных процессов и главных возрастных патологий (сердечно-сосудистых, опорно-двигательного аппарата, онко- и метаболических, потери зрения) сегодня также связывают с активностью ретроэлементов генома. А эндогенные ретровирусы в геноме, как мы говорили выше, могут участвовать в инфекции организма внешними вирусами, давая им свои ферменты.
Свободная ДНК в норме не должна находиться в цитоплазме. Когда она туда попадает, это сигнализирует об опасности, о вторжении патогенов или о повреждении клетки. Датчики цитоплазматической ДНК вначале эволюционировали для защиты клетки от вторжения вирусов, чью ДНК они и определяют.
Но вирусы — не единственный источник цитоплазматической ДНК. В цитоплазму клетки может попадать и ДНК митохондрий и затем распознаваться иммунными рецепторами, такими как TLR9 с последующим запуском провоспалительного иммунного ответа. Излишне сильный ответ на цитоплазматическую ДНК наблюдается при развитии атеросклероза, нейродегенерации и других возрастных патологий.
Кроме митохондрий, к воспалению данного типа приводит возрастная активация МГЭ. Они представляют собой фрагменты ДНК, которые способны перемещаться и размножаться в геноме «хозяина», создавая новые копии самих себя в процессе размножения. Когда-то МГЭ были вирусами, а потом встроились в геном, да там и остались.
Самый распространенный вид МГЭ в нашем геноме — ретротранспозоны LINE1, составляющие 17% генома человека. LINE1 кодируют фермент обратной транскриптазы и переносятся с помощью механизма копирования и вставки. В норме LINE1 держат в "ежовых рукавицах", он зарепрессирован метильными метками, которые не разрешают этим МГЭ "скакать" по геному. Но недавние исследования продемонстрировали, что LINE1 в старых тканях людей и мышей депрессируются и повышают свою активность. Это приводит к образованию цитоплазматических копий ДНК LINE1.
Эти цитоплазматические ДНК запускают ответ интерферона через активацию пути cGAS / STING, создавая ещё один фактор возрастного хронического воспаления. При этом путь cGAS / STING также участвует в клеточном старении.
Здесь коротко упомянем об одном совсем свежем исследовании, вышедшем в декабре 2020 года и касающемся элементов LINE-1 и коронавируса. Как показали эксперименты Rudolf Jaenisch и соавт., коронавирус SARS-CoV-2 потенциально может встраиваться в геном человека. Подобно тому, как это делали древние вирусы, ставшие мобильными элементами нашего генома. И помогает коронавирусу в этих процессах внедрения в геном наш «домашний» элемент LINE-1, предоставляя вирусу SARS-CoV-2 свой фермент — обратную транскриптазу. При этом экспрессия эндогенного LINE-1 человека индуцировалась при инфекции SARS-CoV-2 и воздействии цитокинов. Характерно, что такая дружеская «кооперация» между экзогенными (то есть пришедшими извне) и эндогенными (то есть внедренными в геном) вирусами и ретроэлементами совсем не редкость, и уже не раз описана. Не случайно известный вирусолог, академик РАН Е. Свердлов назвал ретроэлементы нашей ДНК "пятой колонной" (то есть "предателями", готовыми помочь вторгшимся патогенам).
Здесь надо упомянуть о совершенно уникальной роли ретроэлементов нашего генома (ретротранспозонов LINE-1, ALU и эндогенных ретровирусов) в эволюции приматов и особенно — человека. Ретроэлементы самым активным образом поучаствовали в формировании нашей репродуктивной, иммунной и нервной системы. Что касается последней, то по единодушному мнению ученых, именно ретротранспозоны LINE-1 и ALU внесли решающий вклад в развитие нашего мозга после разделения эволюционных линий человека и обезьян. Существует глубокая связь между ретроэлементами генома с одной стороны, и формированием и функционированием неврологических сетей приматов — с другой. Ретроэлементы были важны для развития транскрипционного разнообразия и регуляции, необходимых для генезиса когнитивных функций человека. Можно без большого преувеличения сказать, что именно ретроэлементы вначале создали обезьян, а потом — сделали из обезьяны человека [1,2,3,4,5,6].
Но как известно, бесплатных завтраков не бывает, и всё имеет свою цену. Поучаствовав в создании нервной системы и особенно головного мозга человека, ретроэлементы своим побочным действием, проявляющимся при старении, ведут к развитию патологий. Одних только психических и нейродегенеративных расстройств, при которых ретроэлементы, как предполагается, нарушают ключевые клеточные процессы, тем самым приводя к болезненному состоянию, сегодня насчитывается более 30 (в том числе и болезнь Альцгеймера). Формирование воспалительных процессов и главных возрастных патологий (сердечно-сосудистых, опорно-двигательного аппарата, онко- и метаболических, потери зрения) сегодня также связывают с активностью ретроэлементов генома. А эндогенные ретровирусы в геноме, как мы говорили выше, могут участвовать в инфекции организма внешними вирусами, давая им свои ферменты.
Летучие мыши: микробиом
Вернемся к летучим мышам. Кроме прочего, исследования микробиома показывают, что у летучих мышей наблюдается стабильный состав микробиома, который не меняется при старении. В отличие от мышей и людей, у которых микробиом претерпевает значительные изменения с возрастом.
Поскольку связанный со старением дисбактериоз кишечника связан с развитием хронического воспаления, способность летучих мышей поддерживать стабильный микробиом — это ещё один фактор, способствующий предотвращению возрастного воспаления.
Поскольку связанный со старением дисбактериоз кишечника связан с развитием хронического воспаления, способность летучих мышей поддерживать стабильный микробиом — это ещё один фактор, способствующий предотвращению возрастного воспаления.
Подведем итог:
Исключительно высокая подверженность летучих мышей вирусным инфекциям привела к возникновению особых механизмов по сосуществованию с вирусами, а не борьбы с ними. Главным механизмом этого стало снижение уровня воспаления. Что также, возможно, повлияло и на продолжительность жизни этих животных.
А можем ли мы, как летучие мыши? Современные люди, живущие в крупных мегаполисах и активно путешествующие, сегодня вплотную приблизились к уровню вирусного воздействия, обычного для летучих мышей. Но люди стали так жить совсем недавно, всего около 100 лет назад. В то время, как летучие мыши так живут 60–70 миллионов лет.
Исключительно высокая подверженность летучих мышей вирусным инфекциям привела к возникновению особых механизмов по сосуществованию с вирусами, а не борьбы с ними. Главным механизмом этого стало снижение уровня воспаления. Что также, возможно, повлияло и на продолжительность жизни этих животных.
А можем ли мы, как летучие мыши? Современные люди, живущие в крупных мегаполисах и активно путешествующие, сегодня вплотную приблизились к уровню вирусного воздействия, обычного для летучих мышей. Но люди стали так жить совсем недавно, всего около 100 лет назад. В то время, как летучие мыши так живут 60–70 миллионов лет.
Вполне очевидно, что иммунная система человека ещё не успела эволюционировать, чтобы справляться с таким частым воздействием различных инфекций. Что напрямую связано с развитием пандемий. Чтобы не ждать ещё 60 млн. лет, нам необходима разработка фармакологических вмешательств, которые позволят в более короткие сроки привнести в организм человека биологические адаптации. Подобные тем, что есть у летучих мышей, благодаря изучению которых мы имеем немало знаний о вирусах, воспалении и долголетии.
Рис.3. Изменения в иммунной функции у летучих мышей, которые могут способствовать долголетию. Предполагается, что измененный иммунитет, который приводит к толерантности к вирусам и уменьшению воспаления, лежит в основе изменений продолжительности жизни летучих мышей. Последующие последствия изменений, вероятно, включают снижение числа возрастных заболеваний, которые подпитываются воспалением, таким как атеросклероз, артрит, нейродегенерация и рак. Это, в свою очередь, способствует долголетию летучих мышей. Источник.
Висцеральное ожирение
Интуитивно понятно, что ожирение связано со старением. Многие люди полнеют с возрастом. Но жир жиру рознь. У нас есть два основных вида жира в организме: подкожный и висцеральный. Именно избыток висцерального жира связан с развитием возрастных патологий: резистентности к инсулину, диабету и заболеваниям кровеносной системы. А также с повышенным риском смерти. Висцеральный жир — метаболически "плохой" жир. Он высвобождает в кровь свободные жирные кислоты и формирует воспалительные реакции. Как назло, именно количество висцерального жира растет при старении, при одновременном уменьшении подкожного.
Почему висцеральный жир тесно связан с воспалением? Потому что эволюционно так сложилось, что он участвует во многих иммунных реакциях, связанных с инфекциями и повреждением тканей.
Почему висцеральный жир тесно связан с воспалением? Потому что эволюционно так сложилось, что он участвует во многих иммунных реакциях, связанных с инфекциями и повреждением тканей.
Ещё сто лет назад британский хирург Моррисон назвал сальник (одно из отделений висцерального жира) «полицейским брюшной полости» за его многочисленные линии защиты от внутрибрюшинных патогенов и инородных тел.
В висцеральном жире больше иммунных клеток, чем в подкожном. При избытке он очень быстро становится провоспалительным: в нем снижается уровень противовоспалительных факторов (таких, как оментин и адипонектин) и, наоборот, повышается активность провоспалительных (макрофагов, цитокинов, рецептора гликирования RAGE, компонентов системы ренин-ангиотензина, RAAS).
В висцеральном жире больше иммунных клеток, чем в подкожном. При избытке он очень быстро становится провоспалительным: в нем снижается уровень противовоспалительных факторов (таких, как оментин и адипонектин) и, наоборот, повышается активность провоспалительных (макрофагов, цитокинов, рецептора гликирования RAGE, компонентов системы ренин-ангиотензина, RAAS).
Полезные эозинофилы
Всё это нам было известно уже лет 20. Что же нового о висцеральном жире открыли ученые в этом году, и как эти открытия помогут нейтрализовать влияние висцерального ожирения?
В недавней работе швейцарские ученые из Бернского университета описали взаимосвязь определённого вида иммунных клеток (эозинофилов), висцерального ожирения и воспаления. Они смогли продемонстрировать, что эозинофилы, которые преимущественно находятся в кровообращении, также присутствуют и в висцеральном жире.
Хотя классически считается, что эозинофилы обеспечивают защиту от паразитарных инфекций и вызывают аллергические заболевания дыхательных путей, в висцеральном жире они отвечают за поддержание местного иммунного гомеостаза. То есть регулируют про- и противовоспалительные факторы.
С возрастом количество эозинофилов в висцеральном жире снижается, а количество провоспалительных макрофагов, наоборот, увеличивается. Из-за этого дисбаланса иммунных клеток висцеральный жир превращается в источник провоспалительных факторов, которые в пожилом возрасте формируют хроническое воспаление.
В недавней работе швейцарские ученые из Бернского университета описали взаимосвязь определённого вида иммунных клеток (эозинофилов), висцерального ожирения и воспаления. Они смогли продемонстрировать, что эозинофилы, которые преимущественно находятся в кровообращении, также присутствуют и в висцеральном жире.
Хотя классически считается, что эозинофилы обеспечивают защиту от паразитарных инфекций и вызывают аллергические заболевания дыхательных путей, в висцеральном жире они отвечают за поддержание местного иммунного гомеостаза. То есть регулируют про- и противовоспалительные факторы.
С возрастом количество эозинофилов в висцеральном жире снижается, а количество провоспалительных макрофагов, наоборот, увеличивается. Из-за этого дисбаланса иммунных клеток висцеральный жир превращается в источник провоспалительных факторов, которые в пожилом возрасте формируют хроническое воспаление.
Рис. 4. Обнаружение эозинофилов в висцеральной жировой ткани человека с использованием двух различных методов окрашивания. Эозинофилы обозначаются красным наконечником стрелы.
AD: адипоциты, V: кровеносный сосуд. Источник.
AD: адипоциты, V: кровеносный сосуд. Источник.
На следующем этапе исследователи изучили возможность обратить вспять возрастные нарушения за счет восстановления баланса иммунных клеток в висцеральной жировой ткани. Они показали, что перенос эозинофилов от молодых мышей к пожилым предотвращал не только локальное, но и системное воспаление слабой степени. В этих экспериментах перенесенные эозинофилы селективно проникали в жировую ткань и оказывали благотворное действие на пожилой организм. Теперь ученые планируют перевод своих доклинических результатов в клинические, то есть проверять на людях.
Рис.5. С возрастом количество эозинофилов жировой ткани постепенно уменьшается. Это приводит к выработке медиаторов воспаления, которые способствуют возрастным нарушениям (таким, как астения и иммуносенесценция). Введение эозинофильных клеток увеличивает их количество в жировой ткани и ослабляет возрастное хроническое воспаление слабой степени. Это приводит к системному омоложению состарившегося организма. Источник.
Ген RIPK1 — подводный камень ожирения
Не обошлось и без генетики. В ещё одной недавней работе австралийские ученые из университета Квинсленда обнаружили небольшие изменения в гене RIPK1. Он необходим для нормального иммунного ответа, а также оказался связан с воспалением при ожирении. У лиц с ожирением активность этого гена оказалась повышенной.
Чтобы проверить его действие, исследователи изучили эффект включения и выключения гена RIPK1 на животных. С нокаутом гена мыши оставались с нормальным весом, с уменьшенным количеством воспалительных макрофагов и без развития резистентности к инсулину, несмотря на диету с высоким содержанием жиров. В другой группе мыши с нормальной экспрессией гена RIPK1 значительно прибавили в весе при такой же диете.
Что касается людей, то сегодня известно, что около 8–12% населения Земли имеют генетические полиморфизмы вблизи локуса RIPK1, которые связаны с повышенной экспрессией гена RIPK1 и ожирением. Этим людям будет гораздо легче набрать вес и гораздо труднее похудеть.
Чтобы проверить его действие, исследователи изучили эффект включения и выключения гена RIPK1 на животных. С нокаутом гена мыши оставались с нормальным весом, с уменьшенным количеством воспалительных макрофагов и без развития резистентности к инсулину, несмотря на диету с высоким содержанием жиров. В другой группе мыши с нормальной экспрессией гена RIPK1 значительно прибавили в весе при такой же диете.
Что касается людей, то сегодня известно, что около 8–12% населения Земли имеют генетические полиморфизмы вблизи локуса RIPK1, которые связаны с повышенной экспрессией гена RIPK1 и ожирением. Этим людям будет гораздо легче набрать вес и гораздо труднее похудеть.
Рис.6. Несколько независимых источников, подчеркивающих вероятную важность RIPK1.
а) исследования на людях, связывающие генетическую вариабельность в RIPK1 с экспрессией RIPK1 и риском ожирения, и предполагающие причинную роль RIPK1 в ожирении.
b) исследования на мышах, показывающие, что специфическая репрессия экспрессии RIPK1 влияет на набор метаболических признаков в модели ожирения, индуцированной диетой.
c) доказательства того, что генетическая вариабельность, относящаяся к исследованиям на людях, находится в сайте связывания транскрипционных факторов (TFBS) для E4BP4 и влияет на транскрипционное продвижение RIPK1. Источник.
а) исследования на людях, связывающие генетическую вариабельность в RIPK1 с экспрессией RIPK1 и риском ожирения, и предполагающие причинную роль RIPK1 в ожирении.
b) исследования на мышах, показывающие, что специфическая репрессия экспрессии RIPK1 влияет на набор метаболических признаков в модели ожирения, индуцированной диетой.
c) доказательства того, что генетическая вариабельность, относящаяся к исследованиям на людях, находится в сайте связывания транскрипционных факторов (TFBS) для E4BP4 и влияет на транскрипционное продвижение RIPK1. Источник.
При ожирение интерлейкин-1β проникает в мозг
Другие, уже американские ученые показали взаимосвязь висцерального ожирения с ухудшением когнитивных способностей. Выяснилось, что висцеральный жир стимулирует иммунные клетки головного мозга, вызывая их повышенную активность и нейровоспаление. Что нарушало умственные процессы.
Ученые определили особый провоспалительный фактор, который генерируется висцеральным жиром и попадает в кровь — это провоспалительный белок интерлейкин-1 бета, IL1B. Попав из жира в кровь, IL1B проходит через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и проникает в мозг, где активирует микроглию и ухудшает работу мозга.
Висцеральное ожирение приводит к хроническому воспалению, активации "платформы воспаления" инфламмасомы NLRP3, которая запускает синтез и высвобождение IL1B жировыми клетками.
Ученые блокировали NLRP3 у мышей и обнаружили, что мыши были защищены от вызванного ожирением воспаления мозга и когнитивных проблем. Трансплантация висцеральной жировой ткани от мышей с ожирением и мышей с ожирением и подавленной NLRP3 нормальным мышам показала разные эффекты.
Так, трансплантат от мышей с нокаутом NLRP3 практически не оказал никакого эффекта. Но трансплантат от жирных и генетически неповрежденных мышей повысил уровень IL1B в гиппокампе, центре обучения и памяти в мозгу, и ухудшил познавательные способности у нормальных мышей. У них было значительное повышение уровня IL1B в мозге и активация микроглии.
Мыши, у которых отсутствует рецептор IL1B в микроглии, также были защищены от вредного воздействия на мозг.
Таким образом, основные стратегии борьбы с нейровоспалением, взыванным ожирением, на которые стоит обратить внимание:
Ученые определили особый провоспалительный фактор, который генерируется висцеральным жиром и попадает в кровь — это провоспалительный белок интерлейкин-1 бета, IL1B. Попав из жира в кровь, IL1B проходит через гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) и проникает в мозг, где активирует микроглию и ухудшает работу мозга.
Висцеральное ожирение приводит к хроническому воспалению, активации "платформы воспаления" инфламмасомы NLRP3, которая запускает синтез и высвобождение IL1B жировыми клетками.
Ученые блокировали NLRP3 у мышей и обнаружили, что мыши были защищены от вызванного ожирением воспаления мозга и когнитивных проблем. Трансплантация висцеральной жировой ткани от мышей с ожирением и мышей с ожирением и подавленной NLRP3 нормальным мышам показала разные эффекты.
Так, трансплантат от мышей с нокаутом NLRP3 практически не оказал никакого эффекта. Но трансплантат от жирных и генетически неповрежденных мышей повысил уровень IL1B в гиппокампе, центре обучения и памяти в мозгу, и ухудшил познавательные способности у нормальных мышей. У них было значительное повышение уровня IL1B в мозге и активация микроглии.
Мыши, у которых отсутствует рецептор IL1B в микроглии, также были защищены от вредного воздействия на мозг.
Таким образом, основные стратегии борьбы с нейровоспалением, взыванным ожирением, на которые стоит обратить внимание:
1
Блокировка сборки инфламмасомы NLRP3;
2
Таргетная блокировка рецепторов IL1B.
Интересным подходом также является использование моноклональных антител к Il1β. Таким препаратом является иммунодепрессант канакинумаб, используемый при подагрическом артрите.
Подтверждена опасность висцерального ожирения
Еще один повод лишний раз замерить талию в преддверии новогодних праздников: в работе 2020 года A. Jayedi с коллегами продемонстрировали связь висцерального ожирения с риском смерти от всех причин. Они проанализировали результаты 72 исследований с участием более 2,5 миллионов человек, с периодом наблюдения от 3 до 24 лет. Во всех исследованиях сообщается об оценке риска по крайней мере для трех показателей центральной ожирения.
К ним относятся окружность талии, окружность бедер, соотношение талии и бедер, соотношение талии к росту, индекс ожирения тела (мера общей массы тела, состоящей только из жировой ткани) и индекс формы тела (совокупный показатель роста, массы и окружности талии).
Исследователи обнаружили, что большинство показателей висцерального ожирения, включая окружность талии, отношение талии к бедрам, отношение талии к росту, и индекс формы тела, были достоверно и положительно связаны с более высокой смертностью от всех причин. Например, увеличение окружности талии на каждые 10 см (3,94 дюйма) было связано с повышением риска смертности от всех причин на 11%.
В то же время увеличение на каждые 0,1 единицы отношения талии к бедрам и соотношения талии к росту было связано с повышением риска примерно на 20%. И напротив, большая окружность бедра была связана с более низким риском смертности от всех причин. Так, каждое увеличение окружности бёдер на 10 см (3,94 дюйма) было связано с 10% снижением риска смертности от всех причин. Исследователи отмечают, что эти ассоциации остались значимыми после учета индекса массы тела, предполагая, что отложение жира в брюшной полости, независимо от общего ожирения, связано с более высоким риском.
Таким образом, как говорят исследователи, их результаты предполагают, что «измерения центрального ожирения могут использоваться в качестве дополнительного подхода в сочетании с индексом массы тела для определения риска преждевременной смерти».
К ним относятся окружность талии, окружность бедер, соотношение талии и бедер, соотношение талии к росту, индекс ожирения тела (мера общей массы тела, состоящей только из жировой ткани) и индекс формы тела (совокупный показатель роста, массы и окружности талии).
Исследователи обнаружили, что большинство показателей висцерального ожирения, включая окружность талии, отношение талии к бедрам, отношение талии к росту, и индекс формы тела, были достоверно и положительно связаны с более высокой смертностью от всех причин. Например, увеличение окружности талии на каждые 10 см (3,94 дюйма) было связано с повышением риска смертности от всех причин на 11%.
В то же время увеличение на каждые 0,1 единицы отношения талии к бедрам и соотношения талии к росту было связано с повышением риска примерно на 20%. И напротив, большая окружность бедра была связана с более низким риском смертности от всех причин. Так, каждое увеличение окружности бёдер на 10 см (3,94 дюйма) было связано с 10% снижением риска смертности от всех причин. Исследователи отмечают, что эти ассоциации остались значимыми после учета индекса массы тела, предполагая, что отложение жира в брюшной полости, независимо от общего ожирения, связано с более высоким риском.
Таким образом, как говорят исследователи, их результаты предполагают, что «измерения центрального ожирения могут использоваться в качестве дополнительного подхода в сочетании с индексом массы тела для определения риска преждевременной смерти».
Fgr-киназа — регулятор воспаления жировой ткани
Испанские ученые из Национального центра по исследованию сердечно-сосудистой системы (CNIC) в своем новом исследовании показали взаимосвязь рациона, клеток иммунной системы (макрофагов), митохондрий и воспаления.
Известно, что макрофаги бывают двух типов: провоспалительные (М1) и противовоспалительные (М2), регулируя активность друг друга и не давая воспалению чрезмерно активироваться.
При этом, чем больше пищи с высоким содержанием жиров, тем больше провоспалительных макрофагов типа M1. Почему так?
Избыток питательных веществ "перегружает" дыхательную цепь митохондрий, что приводит к повышению продукции АФК. У АФК есть целый набор сигнальных функций, в том числе, они активируют белок Fgr — Fgr-киназу.
Ученые обнаружили, что Fgr-киназа играет решающую роль в регулировании одного из комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий, комплекса II.
Fgr-киназа приводит к увеличению количества провоспалительных макрофагов М1 и формированию воспаления жировой тканью.
Известно, что экспрессия Fgr повышена в провоспалительных макрофагах при ожирении как у мышей, так и у людей.
Ученые в ходе экспериментов с животными показали, что нокаут Fgr-киназы, предотвращает резистентность к инсулину, увеличивает липолиз (высвобождение жира из клеток) и окисление жирных кислот в печени, предотвращая стеатоз (болезнь печени), несмотря на высококалорийную диету с большим содержанием жиров. Удаление митохондриальных АФК (пероксидов) было достаточно для предотвращения активации Fgr в клетках, и ожирения, вызванного высокожировой диетой.
Это снова открывает путь исследованию применения различных групп антиоксидантов для снижения уровня воспаления и профилактики заболеваний печени.
Известно, что макрофаги бывают двух типов: провоспалительные (М1) и противовоспалительные (М2), регулируя активность друг друга и не давая воспалению чрезмерно активироваться.
При этом, чем больше пищи с высоким содержанием жиров, тем больше провоспалительных макрофагов типа M1. Почему так?
Избыток питательных веществ "перегружает" дыхательную цепь митохондрий, что приводит к повышению продукции АФК. У АФК есть целый набор сигнальных функций, в том числе, они активируют белок Fgr — Fgr-киназу.
Ученые обнаружили, что Fgr-киназа играет решающую роль в регулировании одного из комплексов электрон-транспортной цепи митохондрий, комплекса II.
Fgr-киназа приводит к увеличению количества провоспалительных макрофагов М1 и формированию воспаления жировой тканью.
Известно, что экспрессия Fgr повышена в провоспалительных макрофагах при ожирении как у мышей, так и у людей.
Ученые в ходе экспериментов с животными показали, что нокаут Fgr-киназы, предотвращает резистентность к инсулину, увеличивает липолиз (высвобождение жира из клеток) и окисление жирных кислот в печени, предотвращая стеатоз (болезнь печени), несмотря на высококалорийную диету с большим содержанием жиров. Удаление митохондриальных АФК (пероксидов) было достаточно для предотвращения активации Fgr в клетках, и ожирения, вызванного высокожировой диетой.
Это снова открывает путь исследованию применения различных групп антиоксидантов для снижения уровня воспаления и профилактики заболеваний печени.
Микробиота
Ученые выделяют как минимум 4 компонента микробиоты человека: бактерии (бактериом), вирусы (виром), грибы (микобиом) и археи (археом). Некоторые исследователи добавляют к этим 4 видам ещё и пятый — гельминты (то есть всем известные глисты), с которыми наши предки совместно эволюционировали миллионы лет. И которые могут участвовать в регуляции иммунной системы, противодействуя излишне сильному иммунному ответу.
Начнем с бактерий. Как мы сейчас хорошо знаем, наши кишечные бактерии играют большую роль в поддержании нормального здоровья. Они метаболизируют различные полезные для нашего организма вещества и не дают размножаться патогенным бактериям. Но с возрастом наблюдается негативный дрейф в сторону уменьшения нормальной микробиоты и увеличения патогенной. Что связывают сегодня с развитием ожирения, воспаления и даже нейродегенерации.
Начнем с бактерий. Как мы сейчас хорошо знаем, наши кишечные бактерии играют большую роль в поддержании нормального здоровья. Они метаболизируют различные полезные для нашего организма вещества и не дают размножаться патогенным бактериям. Но с возрастом наблюдается негативный дрейф в сторону уменьшения нормальной микробиоты и увеличения патогенной. Что связывают сегодня с развитием ожирения, воспаления и даже нейродегенерации.
Микробиота кишечника заставляет нас толстеть через микроРНК miR-181
Бактерии общаются на языке метаболитов. Микробиота кишечника производит тысячи метаболитов, которые регулируют работу различных органов, удаленных от кишечника. То, что микробиота "замешана" в развитии ожирения, метаболического синдрома и воспаления, известно довольно давно. Но каковы механизмы этого влияния?
Как показало свежее исследование американских ученых, микробиота кишечника может регулировать воспаление жировой ткани и ожирение, влияя на экспрессию наших генов с помощью семейства микроРНК.
МикроРНК — это такие маленькие молекулы РНК, длиной всего около 20 нуклеотидов. Организм должен постоянно подстраиваться под меняющиеся условия среды, изменяя экспрессию генов. Изменения транскрипции и эпигенетические изменения требуют много времени. А вот микроРНК могут изменять экспрессию больших генных сетей достаточно быстро.
Некоторые из микроРНК, похоже, "настраивают" наш организм на запасание жира. Эксперименты с животными показали, что диета с высоким содержанием жиров у мышей приводила к активации одной из микроРНК, miR-181, в белой жировой ткани (WAT, white adipose tissue) с последующим развитием ожирения, инсулинорезистентности и воспаления WAT. При этом, семейство miR-181 повышено в WAT как мышей, так и людей с ожирением.
MiR-181 регулирует множество генов, связанных с жировой тканью. Это и гены, играющие критическую роль в развитии жировой ткани (Klf15, Hoxc8, Cbx7, Esr1, Negr1, Per2, Irs2), и регуляции массы тела (Timp3, Fam73b, Klf15, Cbx7, ESR1, IRS2) и передачи сигналов инсулина (IRS2, Ano1, Sox6, Klf15, Cbx7, Esr1, Negr1, Per2). Также мишенями miR-181 выступают гены, связанные с воспалением и производством энергии в митохондриях (окислительным фосфорилированием).
Как показало свежее исследование американских ученых, микробиота кишечника может регулировать воспаление жировой ткани и ожирение, влияя на экспрессию наших генов с помощью семейства микроРНК.
МикроРНК — это такие маленькие молекулы РНК, длиной всего около 20 нуклеотидов. Организм должен постоянно подстраиваться под меняющиеся условия среды, изменяя экспрессию генов. Изменения транскрипции и эпигенетические изменения требуют много времени. А вот микроРНК могут изменять экспрессию больших генных сетей достаточно быстро.
Некоторые из микроРНК, похоже, "настраивают" наш организм на запасание жира. Эксперименты с животными показали, что диета с высоким содержанием жиров у мышей приводила к активации одной из микроРНК, miR-181, в белой жировой ткани (WAT, white adipose tissue) с последующим развитием ожирения, инсулинорезистентности и воспаления WAT. При этом, семейство miR-181 повышено в WAT как мышей, так и людей с ожирением.
MiR-181 регулирует множество генов, связанных с жировой тканью. Это и гены, играющие критическую роль в развитии жировой ткани (Klf15, Hoxc8, Cbx7, Esr1, Negr1, Per2, Irs2), и регуляции массы тела (Timp3, Fam73b, Klf15, Cbx7, ESR1, IRS2) и передачи сигналов инсулина (IRS2, Ano1, Sox6, Klf15, Cbx7, Esr1, Negr1, Per2). Также мишенями miR-181 выступают гены, связанные с воспалением и производством энергии в митохондриях (окислительным фосфорилированием).
Индол блокирует экспрессию miR-181 в адипоцитах
Но при чем тут наша микробиота? Исследователи из Пенсильванского университета, Anthony Virtue с коллегами, связали повышенную экспрессию этой микроРНК со снижением циркулирующих метаболитов, производимых микробиотой кишечника. Ученые предположили, что какие-то из кишечных метаболитов могут регулировать активность микроРНК miR-181, влияя таким образом на ожирение, резистентность к инсулину и воспаление.
Итак, некоторые из метаболитов кишечной микробиоты влияют на экспрессию miR-181, которая изменяет активность ряда генов в сторону ожирения. Так есть ли метаболиты, снижающие экспрессию этой "прожировой" микроРНК и защищающие нас от ожирения? Похоже, что да.
Известно, что высокожировая диета (HFD) у мышей приводит к повышению уровня miR-181, ожирению и метаболическому синдрому. И оказалось, что у мышей на HFD существенно снижено количество одного из кишечных метаболитов — индола. Ученые также показали, что уровень индола снижался у людей с ожирением. Основываясь на этих наблюдениях, они предположили, что индол или его производные, такие как индоксилсульфат, могут быть негативными регуляторами экспрессии miR-181 в адипоцитах. Таким образом, уменьшать прогрессирование ожирения и резистентности к инсулину. В итоге, оба метаболиты репрессировали микроРНК-181а и микроРНК-181B, подавляя их активность.
Откуда же берется индол? Индол продуцируется кишечной микробиотой из пищевого триптофана с помощью бактериального фермента триптофаназы. Триптофан — это незаменимая аминокислота, которую мы получаем, в основном, с продуктами животного происхождения (мясо, птица), но также содержится и в бобовых.
Почему индола может быть мало? HFD снижает активность гена триптофаназы (tnaA). И, как результат — снижается количество индола и производных индола в кале и моче животных.
Кроме того, недостаток индола может быть вызван дефицитом самого триптофана. Так, диета, обедненная триптофаном и введение животным бактерий с нокаутом гена триптофаназы (что не позволяло им метаболизировать триптофан), приводили к ускоренному набору веса и нарушению чувствительности к инсулину.
Таким образом, индол и его производные подавляют активность "прожировой" микроРНК-181, повышающей риск инсулинорезистентности. Диета с высоким содержанием жира приводит к снижению образования индола и его производных микробиотой кишечника. И хотя пока мы говорим только о мышах, это повод задуматься для приверженцев кетогенной диеты. Также к снижению образования индола может приводить дефицит триптофана в рационе.
Итак, некоторые из метаболитов кишечной микробиоты влияют на экспрессию miR-181, которая изменяет активность ряда генов в сторону ожирения. Так есть ли метаболиты, снижающие экспрессию этой "прожировой" микроРНК и защищающие нас от ожирения? Похоже, что да.
Известно, что высокожировая диета (HFD) у мышей приводит к повышению уровня miR-181, ожирению и метаболическому синдрому. И оказалось, что у мышей на HFD существенно снижено количество одного из кишечных метаболитов — индола. Ученые также показали, что уровень индола снижался у людей с ожирением. Основываясь на этих наблюдениях, они предположили, что индол или его производные, такие как индоксилсульфат, могут быть негативными регуляторами экспрессии miR-181 в адипоцитах. Таким образом, уменьшать прогрессирование ожирения и резистентности к инсулину. В итоге, оба метаболиты репрессировали микроРНК-181а и микроРНК-181B, подавляя их активность.
Откуда же берется индол? Индол продуцируется кишечной микробиотой из пищевого триптофана с помощью бактериального фермента триптофаназы. Триптофан — это незаменимая аминокислота, которую мы получаем, в основном, с продуктами животного происхождения (мясо, птица), но также содержится и в бобовых.
Почему индола может быть мало? HFD снижает активность гена триптофаназы (tnaA). И, как результат — снижается количество индола и производных индола в кале и моче животных.
Кроме того, недостаток индола может быть вызван дефицитом самого триптофана. Так, диета, обедненная триптофаном и введение животным бактерий с нокаутом гена триптофаназы (что не позволяло им метаболизировать триптофан), приводили к ускоренному набору веса и нарушению чувствительности к инсулину.
Таким образом, индол и его производные подавляют активность "прожировой" микроРНК-181, повышающей риск инсулинорезистентности. Диета с высоким содержанием жира приводит к снижению образования индола и его производных микробиотой кишечника. И хотя пока мы говорим только о мышах, это повод задуматься для приверженцев кетогенной диеты. Также к снижению образования индола может приводить дефицит триптофана в рационе.
Вклад вирома в старение
Теперь давайте немного поговорим о вирусах, которые сегодня из-за пандемии у всех на слуху.
Виром млекопитающих включает:
Например, после острой инфекции герпесвирусы могут сохранять латентную инфекцию в нейронах, гемопоэтических предшественниках и долгоживущих лимфоцитах на протяжении всей жизни. Такая природа вирома позволяет ему влиять на хозяина так значительно, как не могут другие члены микробиома.
По оценкам исследователей, виром Земли может насчитывать до 1031 вирусов. При этом из-за сложностей в идентификации, размер вирома млекопитающих остается не до конца известным. И может в несколько раз превосходить количество бактериального микробиома.
Только человеческие фекалии содержат около 108–109 вирусов на 1 грамм. Кроме этого, около 108 вирусных частиц содержится в миллилитре жидкостей носоглотки и ротовой полости, 107 в моче, 105 в крови и 106 на квадратном см кожи.
Виром млекопитающих включает:
- эукариотический виром: вирусы, которые инфицируют наши, эукариотические (ядерные) клетки
- бактериальный виром: бактериофаги, поражающие бактерии;
- виром архей: вирусы, которые инфицируют архей (об этом типе вирусов известно меньше всего);
- эндогенные ретровирусы: остатки древних вирусов, инфицировавших когда-то организм и оставшихся в его геноме.
Например, после острой инфекции герпесвирусы могут сохранять латентную инфекцию в нейронах, гемопоэтических предшественниках и долгоживущих лимфоцитах на протяжении всей жизни. Такая природа вирома позволяет ему влиять на хозяина так значительно, как не могут другие члены микробиома.
По оценкам исследователей, виром Земли может насчитывать до 1031 вирусов. При этом из-за сложностей в идентификации, размер вирома млекопитающих остается не до конца известным. И может в несколько раз превосходить количество бактериального микробиома.
Только человеческие фекалии содержат около 108–109 вирусов на 1 грамм. Кроме этого, около 108 вирусных частиц содержится в миллилитре жидкостей носоглотки и ротовой полости, 107 в моче, 105 в крови и 106 на квадратном см кожи.
Рис.7. Компоненты вирома и их связь с отношением генотип/фенотип
Виром млекопитающих быстро изменяется с течением времени как в результате обмена вирусами с другими организмами, так и в результате эволюции отдельных вирусов, составляющих виром. Основными компонентами вирома являются эукариотический Виром, эндогенные вирусные элементы и прокариотический Виром, включающий вирусы как бактерий, так и архей. Члены вирома влияют на фенотип хозяина комбинаторным образом, взаимодействуя с другими членами микробиома (с членами самого вирома, бактериального микробиома и микробиома) и с индивидуальными вариациями в генетике хозяина. Вместе эти взаимодействия могут влиять на ряд фенотипов, показанных справа, важных для здоровья и болезней. Источник.
Виром млекопитающих быстро изменяется с течением времени как в результате обмена вирусами с другими организмами, так и в результате эволюции отдельных вирусов, составляющих виром. Основными компонентами вирома являются эукариотический Виром, эндогенные вирусные элементы и прокариотический Виром, включающий вирусы как бактерий, так и архей. Члены вирома влияют на фенотип хозяина комбинаторным образом, взаимодействуя с другими членами микробиома (с членами самого вирома, бактериального микробиома и микробиома) и с индивидуальными вариациями в генетике хозяина. Вместе эти взаимодействия могут влиять на ряд фенотипов, показанных справа, важных для здоровья и болезней. Источник.
Виром млекопитающих постоянно «обновляется» за счет быстрой эволюции вирусов и воздействия вирусов окружающей среды. В дополнение к «приходящим», временным вирусам, иммунная система постоянно стимулируется хроническими системными вирусами. Подсчитано, что у отдельного здорового человека обычно имеется более 10 постоянных хронических системных вирусных инфекций. И это число может быть намного выше, поскольку виром человека еще не полностью определен.
К ним относятся герпесвирусы, полиома-, папиллома-, анелло- и аденовирусы, вирусы гепатита B и C. Эти инфекции вызывают непрерывную активацию иммунной системы, внося свой вклад в развитие возрастного хронического воспаления.
Иммунная система находится в постоянной борьбе с хроническими вирусами и вследствие этого может ослабевать с возрастом. Что приводит к "старению" иммунитета, имунносенесценции, и снижению устойчивости к инфекциям у пожилых людей.
Особенно в этом плане хорошо изучено влияние на человека герпесвирусов. Предполагается, что иммунная система ведет постоянную борьбу за контроль над герпесвирусной инфекцией на протяжении всей жизни.
Так, цитомегаловирус (CMV) и вирус Эпштейна-Барра (EBV) из семейства Herpesviridae связаны с накоплением стареющих дисфункциональных Т-клеток, иммуносенесценцией и вовлечены в развитие возрастных патологий. Среди них — сердечно-сосудистые болезни и болезнь Альцгеймера.
К ним относятся герпесвирусы, полиома-, папиллома-, анелло- и аденовирусы, вирусы гепатита B и C. Эти инфекции вызывают непрерывную активацию иммунной системы, внося свой вклад в развитие возрастного хронического воспаления.
Иммунная система находится в постоянной борьбе с хроническими вирусами и вследствие этого может ослабевать с возрастом. Что приводит к "старению" иммунитета, имунносенесценции, и снижению устойчивости к инфекциям у пожилых людей.
Особенно в этом плане хорошо изучено влияние на человека герпесвирусов. Предполагается, что иммунная система ведет постоянную борьбу за контроль над герпесвирусной инфекцией на протяжении всей жизни.
Так, цитомегаловирус (CMV) и вирус Эпштейна-Барра (EBV) из семейства Herpesviridae связаны с накоплением стареющих дисфункциональных Т-клеток, иммуносенесценцией и вовлечены в развитие возрастных патологий. Среди них — сердечно-сосудистые болезни и болезнь Альцгеймера.
Инфекционная гипотеза нейродегенеративных заболеваний
Связь между вирусами и нейродегенеративными заболеваниями привлекает особое внимание ученых. Так, описано участие герпесвирусов 6А и 7 в нейродегенерации при болезни Альцгеймера. И в связи с вирусами была выдвинута инфекционная гипотеза развития этой патологии, при которой накопление бета-амилоида происходит как ответ иммунной системы на вирусную и бактериальную инфекции. Также известно, что энтеровирусы связаны с развитием болезни Паркинсона.
Исследования головного мозга также показали присутствие грибов разных родов в образцах пациентов с болезнью Альцгеймера и более высокую распространенность грибов у пожилых пациентов по сравнению с молодыми. При этом, некоторые виды (Alternaria, Botrytis, Candida и Malassezia) были более распространены у пациентов с БА.
Исследования головного мозга также показали присутствие грибов разных родов в образцах пациентов с болезнью Альцгеймера и более высокую распространенность грибов у пожилых пациентов по сравнению с молодыми. При этом, некоторые виды (Alternaria, Botrytis, Candida и Malassezia) были более распространены у пациентов с БА.
Бактериофаги
Бактериофаги (вирусы бактерий), составляют подавляющее большинство вирома в кишечнике человека. Они регулируют бактериальный микробиом (посредством переноса генов, убивая конкурирующие бактерии или кодируя токсины), а через него оказывают существенное влияние на наше здоровье.
Помимо этой роли вирома в регуляции бактериального микробиома, виром также может напрямую взаимодействовать с иммунной системой. Свободные частицы бактериофага в кишечнике контактируют с эпителиальными клетками. И через разрывы слизистой оболочки кишечника или транспорт дендритных клеток могут распространяться системно по организму.
При этом бактериофаги достаточно иммуногенны, чтобы вызывать иммунный ответ и генерировать антитела. Также частицы бактериофагов стимулируют воспаление через выработку макрофагами IL-1β и TNF-α.
Помимо этой роли вирома в регуляции бактериального микробиома, виром также может напрямую взаимодействовать с иммунной системой. Свободные частицы бактериофага в кишечнике контактируют с эпителиальными клетками. И через разрывы слизистой оболочки кишечника или транспорт дендритных клеток могут распространяться системно по организму.
При этом бактериофаги достаточно иммуногенны, чтобы вызывать иммунный ответ и генерировать антитела. Также частицы бактериофагов стимулируют воспаление через выработку макрофагами IL-1β и TNF-α.
Рис. 8. Кишечные комменсальные вирусы помогают укрепить "Великую стену" против патогенов, поддерживая количество кишечных интраэпителиальных лимфоцитов (IELs) в кишечнике. Источник.
Но, как выяснилось, бактериофаги сложно взаимодействуют с организмом «хозяина», не всегда нанося ему вред. Иногда они помогают ему противостоять другим вирусным и бактериальным инфекциям. Так, бактериофаги могут находиться на поверхности слизистой оболочки в «засаде», в ожидании ничего не подозревающих чувствительных к фагам бактерий.
Кроме этого, возможно, мы обязаны некоторым из своих ферментов — фагам, населяющим кишечник. В своей недавней работе этого года известные микробиологи Евгений Кунин, Константин Северинов и их коллеги смогли описать структуру и функцию фермента РНК-полимеразы бактериофага phi14:2. Как показало исследование, этот фаг имеет уникальную структуру своей РНК-полимеразы gp66, сходную с ферментом, который у высших организмов участвует в процессе РНК-интерференции. Это открытие показывает, что эволюция эукариот была сложным процессом, который включал многократное приобретение бактериальных и вирусных ферментов предковыми клетками. В практическом плане, по мнению авторов, это исследование дает нам ещё один потенциальный механизм по регулированию с помощью бактериофагов состава кишечной микробиоты.
Кроме этого, возможно, мы обязаны некоторым из своих ферментов — фагам, населяющим кишечник. В своей недавней работе этого года известные микробиологи Евгений Кунин, Константин Северинов и их коллеги смогли описать структуру и функцию фермента РНК-полимеразы бактериофага phi14:2. Как показало исследование, этот фаг имеет уникальную структуру своей РНК-полимеразы gp66, сходную с ферментом, который у высших организмов участвует в процессе РНК-интерференции. Это открытие показывает, что эволюция эукариот была сложным процессом, который включал многократное приобретение бактериальных и вирусных ферментов предковыми клетками. В практическом плане, по мнению авторов, это исследование дает нам ещё один потенциальный механизм по регулированию с помощью бактериофагов состава кишечной микробиоты.
Мышиный норовирус (MNV) помогает жить мышам
Вирусы для здоровья кишечника? И такое бывает. В исследованиях с животными было показано, что и эукариотические вирусы иногда могут иногда приносить пользу своему хозяину, защищая его организм от других инфекций.
Так, в одной знаменитой работе, опубликованной в Nature, K. Cadwell с коллегами показали, что кишечный вирус может заменить полезную функцию комменсальных кишечных бактерий. Они сравнили действие мышиного норовируса (MNV) с действием кишечных бактерий как у стерильных мышей, так и у мышей, получавших антибиотики. Их результаты показали, что заражение MNV у стерильных мышей восстанавливало морфологические аномалии кишечника и функцию лимфоцитов, не вызывая воспаления и заболевания.
Кроме этого, присутствие MNV подавляло рост атипичных лимфоидных клеток типа 2, наблюдаемое в отсутствие бактерий, и вызывало изменения в передачей сигналов интерферона I типа.
Затем исследователи оценили потенциальные защитные эффекты MNV при приеме антибиотиков. Они обнаружили, что лечение мышей антибиотиками привело к повышенной чувствительности к декстрану сульфату натрия, химическому веществу, которое вызывает повреждение кишечника. Такое химическое повреждение кишечника приводило к гибели большого количества мышей, получавших антибиотики. А инфицирование MNV улучшало выживаемость этих мышей.
Так, в одной знаменитой работе, опубликованной в Nature, K. Cadwell с коллегами показали, что кишечный вирус может заменить полезную функцию комменсальных кишечных бактерий. Они сравнили действие мышиного норовируса (MNV) с действием кишечных бактерий как у стерильных мышей, так и у мышей, получавших антибиотики. Их результаты показали, что заражение MNV у стерильных мышей восстанавливало морфологические аномалии кишечника и функцию лимфоцитов, не вызывая воспаления и заболевания.
Кроме этого, присутствие MNV подавляло рост атипичных лимфоидных клеток типа 2, наблюдаемое в отсутствие бактерий, и вызывало изменения в передачей сигналов интерферона I типа.
Затем исследователи оценили потенциальные защитные эффекты MNV при приеме антибиотиков. Они обнаружили, что лечение мышей антибиотиками привело к повышенной чувствительности к декстрану сульфату натрия, химическому веществу, которое вызывает повреждение кишечника. Такое химическое повреждение кишечника приводило к гибели большого количества мышей, получавших антибиотики. А инфицирование MNV улучшало выживаемость этих мышей.
Анелловирусы: ничего плохого, а хорошее может быть
В своей недавней работе голландские вирусологи, J. Kaczorowska с коллегами, описали ещё один пример возможного благотворного воздействия вируса на организм хозяина. И уже не мыши, а человека.
Анелловирусы — это небольшие одноцепочечные вирусы с кольцевой ДНК. Они чрезвычайно разнообразны, и пока не обнаружена их связь с каким-либо заболеванием.
То есть вирус есть, а патологической реакции на него организма нет. Поразительно, что эти небольшие вирусы заражают, скорее всего, по имеющимся данным, всю человеческую популяцию. И пока нет убедительных примеров, демонстрирующих избавление от вирусов у инфицированных ими людей. При этом, анелловирусы — самые распространенные эукариотические вирусы в вироме человека.
Приобретаем мы этот вирус в самом раннем возрасте фекально-оральным или воздушным путем. Изучены эти вирусы пока недостаточно, пока нет ни подходящей системы культивирования, ни животной модели. Поэтому мы пока не знаем, связаны ли они с заболеваниями. Ученые же предполагают их возможную положительную роль.
Какое же влияние могут оказывать анелловирусы на организм человека? Богатство видов анелловирусов увеличивается в кишечнике здоровых младенцев примерно до 12-месячного возраста, а после 15-го месяца — начинает уменьшаться.
Их высокий уровень в этот период, безусловно, влияет на развитие иммунной системы и ее созревание, поскольку колебания уровней иммунных клеток и цитокинов имеют большое значение для формирования иммунитета.
Анелловирусы были обнаружены в образцах шейки матки здоровых беременных и не беременных женщин. При этом учеными была обнаружена интригующая связь между снижением уровня анелловирусов во время беременности и риском развития шизофрении у ребенка. Возможно, снижение вирусной нагрузки анелловирусами может быть признаком излишне активированного иммунитета матери. А это является фактором риска психотических расстройств развивающегося потомства. Поэтому вирусологи придерживаются мнения, что инфекция анелловирусами в первые месяцы жизни человека является важным естественным явлением, связанным с формированием нормального иммунитета.
Анелловирусы — это небольшие одноцепочечные вирусы с кольцевой ДНК. Они чрезвычайно разнообразны, и пока не обнаружена их связь с каким-либо заболеванием.
То есть вирус есть, а патологической реакции на него организма нет. Поразительно, что эти небольшие вирусы заражают, скорее всего, по имеющимся данным, всю человеческую популяцию. И пока нет убедительных примеров, демонстрирующих избавление от вирусов у инфицированных ими людей. При этом, анелловирусы — самые распространенные эукариотические вирусы в вироме человека.
Приобретаем мы этот вирус в самом раннем возрасте фекально-оральным или воздушным путем. Изучены эти вирусы пока недостаточно, пока нет ни подходящей системы культивирования, ни животной модели. Поэтому мы пока не знаем, связаны ли они с заболеваниями. Ученые же предполагают их возможную положительную роль.
Какое же влияние могут оказывать анелловирусы на организм человека? Богатство видов анелловирусов увеличивается в кишечнике здоровых младенцев примерно до 12-месячного возраста, а после 15-го месяца — начинает уменьшаться.
Их высокий уровень в этот период, безусловно, влияет на развитие иммунной системы и ее созревание, поскольку колебания уровней иммунных клеток и цитокинов имеют большое значение для формирования иммунитета.
Анелловирусы были обнаружены в образцах шейки матки здоровых беременных и не беременных женщин. При этом учеными была обнаружена интригующая связь между снижением уровня анелловирусов во время беременности и риском развития шизофрении у ребенка. Возможно, снижение вирусной нагрузки анелловирусами может быть признаком излишне активированного иммунитета матери. А это является фактором риска психотических расстройств развивающегося потомства. Поэтому вирусологи придерживаются мнения, что инфекция анелловирусами в первые месяцы жизни человека является важным естественным явлением, связанным с формированием нормального иммунитета.
База данных вирома кишечника человека
В ещё одном исследовании этого года американские микробиологи представили первую базу данных вирома кишечника человека. Анализ 2 697 кишечных метагеномов из 32 исследований выявил огромное разнообразие кишечных вирусов — 33 242 вирусные популяции. В основном это были бактериофаги (97,7%), а также 2,1% эукариотических вирусов и 0,1% — вирусы архей.
712 эукариотических вирусов были из разнообразных семейств (всего 23 семейства), среди них преобладали семейства Anelloviridae (71%), Genomoviridae (8%) и Circoviridae (8%). При этом, как отмечают авторы, виром кишечника человека обладает своеобразными «отпечатками пальцев» — своей сугубой индивидуальностью. Возраст также оказывал свое влияние на виром: количество вирусов в кишечнике увеличивалось в период детства и юности и значительно уменьшалось в старости.
712 эукариотических вирусов были из разнообразных семейств (всего 23 семейства), среди них преобладали семейства Anelloviridae (71%), Genomoviridae (8%) и Circoviridae (8%). При этом, как отмечают авторы, виром кишечника человека обладает своеобразными «отпечатками пальцев» — своей сугубой индивидуальностью. Возраст также оказывал свое влияние на виром: количество вирусов в кишечнике увеличивалось в период детства и юности и значительно уменьшалось в старости.
Рис. 9. База данных вирома. Источник.
miRNA-146a — «воспалительная микроРНК»
Много открытий принес этот год и в мире микроРНК. Помимо микроРНК-181, способствующей ожирению, была изучена роль микроРНК в нейродегенеративных заболеваниях.
В последние годы много говорят о взаимосвязи "кишечник-мозг" и о том, что микробиом влияет на риск развития нейродегенеративных заболеваний. Активация микроРНК бактериальными метаболитами — еще один возможный механизм этого явления.
Различные микроРНК присутствуют в клетках человеческого мозга, и других органов ЦНС. Некоторые из них активируются патологическими факторами, такими как провоспалительные цитокины и хемокины, вирусные гены и бактериальные токсины, выделяемые бактериями нашей микробиоты. Среди таких токсинов — липополисахарид (ЛПС), полученный из грамотрицательных бактерий, и патогенные энтеротоксины (такие как fragilysin).
В недавно опубликованной работе американский невролог Walter Lukiw описывает роль микроРНК-146a-5p в развитии болезни Альцгеймера. Она представляет собой 22-нуклеотидную одноцепочечную некодирующую РНК.
Человеческая miRNA-146a была первоначально описана 14 лет назад как критический медиатор воспалительной передачи сигналов в человеческих моноцитах в лаборатории Нобелевского лауреата Дэвида Балтимора. Таким образом, она стала первой описанной «воспалительной микроРНК».
Эта микроРНК обнаруживается в нескольких типах клеток мозга (распространена в неокортексе и гиппокампе человека) и в иммунных клетках и выступает важным эпигенетическим модулятором воспалительной передачи сигналов и врожденного иммунного ответа при некоторых неврологических расстройствах. miRNA-146a относится к группе микроРНК, находящихся под транскрипционным контролем провоспалительного фактора транскрипции NF-kB.
miRNA-146a может активироваться во много раз больше своего базального уровня патогенными факторами, среди которых как упомянутые бактериальные метаболиты, так и повышенный уровень АФК и повышенное накопление бета-амилоида и прионных белков, которых характерны для болезни Альцгеймера (БА) и прионной болезни (PRD). Активация в ответ на накопление белковых агрегатов способствует дальнейшему усилению воспаления и прогрессированию болезни.
Так, исследования показали, что уровни miRNA-146a в тканях мозга при БА в 1,7–3,6 раза выше, чем у здоровых людей соответствующего возраста и пола.
Аналогично этому, несколько независимых исследований продемонстрировали, что miRNA-146a была значительно активирована при всех изученных на данный момент прионных заболеваниях (PrD), включая спорадическую болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD), синдром Герстмана-Штрауслера-Шейнкера (GSS), губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (BSE) и др. Ученые предполагают, что miRNA-146a может быть неотъемлемой частью врожденных иммунных или воспалительных клеточных реакций мозга при БА и прионных заболеваниях.
Исследователи отмечают ряд характерных особенностей этой микроРНК. Так, она в изобилии присутствует как в мозге мыши, так и в мозге человека, так что эксперименты с miRNA-146a у обоих видов, а также на трансгенных мышиных моделях, несущих гены человека, напрямую сопоставимы.
Несмотря на примерно 96 миллионов лет эволюционного расхождения между видами Rodentia (грызуны) и Homo sapiens (человек), miRNA-146a мыши и человека имеют идентичные рибонуклеотидные последовательности. miRNA-146a особенно широко распространена в нейронах головного мозга человека и иммунологических клетках, таких как клетки микроглии и моноциты.
Итак, вирусы и бактерии в организме человека могут приводить к активации нейровоспаления через miRNA-146a. А нейровоспаление — характерная особенность множественных неврологических болезненных состояний, включая БА.
По мнению W. Lukiw, нейродегенеративные патологии развиваются у человека под сильным влиянием повышенного уровня воспаления. Вот как он пишет:
«Нейровоспаление, связанное с БА, PrD и другими нейродегенеративными заболеваниями человека, могут представлять собой классические примеры патологического процесса, включающего циклический, самоусиливающийся и неуклонный рост активации нейроглиальных клеток, высвобождение провоспалительных цитокинов и связанных с ними патогенных факторов, повреждением нейронов, атрофией, дисфункцией и дегенерацией».
При этом, уровни miRNA-146a прогрессивно повышаются вместе с тяжестью заболевания, ведь накопление белковых агрегатов способствует ее дальнейшей активации. Поэтому неудивительно, что ученые рассматривают эту микроРНК как потенциальный биомаркер нейродегенеративных расстройств и терапевтическую мишень.
В последние годы много говорят о взаимосвязи "кишечник-мозг" и о том, что микробиом влияет на риск развития нейродегенеративных заболеваний. Активация микроРНК бактериальными метаболитами — еще один возможный механизм этого явления.
Различные микроРНК присутствуют в клетках человеческого мозга, и других органов ЦНС. Некоторые из них активируются патологическими факторами, такими как провоспалительные цитокины и хемокины, вирусные гены и бактериальные токсины, выделяемые бактериями нашей микробиоты. Среди таких токсинов — липополисахарид (ЛПС), полученный из грамотрицательных бактерий, и патогенные энтеротоксины (такие как fragilysin).
В недавно опубликованной работе американский невролог Walter Lukiw описывает роль микроРНК-146a-5p в развитии болезни Альцгеймера. Она представляет собой 22-нуклеотидную одноцепочечную некодирующую РНК.
Человеческая miRNA-146a была первоначально описана 14 лет назад как критический медиатор воспалительной передачи сигналов в человеческих моноцитах в лаборатории Нобелевского лауреата Дэвида Балтимора. Таким образом, она стала первой описанной «воспалительной микроРНК».
Эта микроРНК обнаруживается в нескольких типах клеток мозга (распространена в неокортексе и гиппокампе человека) и в иммунных клетках и выступает важным эпигенетическим модулятором воспалительной передачи сигналов и врожденного иммунного ответа при некоторых неврологических расстройствах. miRNA-146a относится к группе микроРНК, находящихся под транскрипционным контролем провоспалительного фактора транскрипции NF-kB.
miRNA-146a может активироваться во много раз больше своего базального уровня патогенными факторами, среди которых как упомянутые бактериальные метаболиты, так и повышенный уровень АФК и повышенное накопление бета-амилоида и прионных белков, которых характерны для болезни Альцгеймера (БА) и прионной болезни (PRD). Активация в ответ на накопление белковых агрегатов способствует дальнейшему усилению воспаления и прогрессированию болезни.
Так, исследования показали, что уровни miRNA-146a в тканях мозга при БА в 1,7–3,6 раза выше, чем у здоровых людей соответствующего возраста и пола.
Аналогично этому, несколько независимых исследований продемонстрировали, что miRNA-146a была значительно активирована при всех изученных на данный момент прионных заболеваниях (PrD), включая спорадическую болезнь Крейтцфельдта-Якоба (sCJD), синдром Герстмана-Штрауслера-Шейнкера (GSS), губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (BSE) и др. Ученые предполагают, что miRNA-146a может быть неотъемлемой частью врожденных иммунных или воспалительных клеточных реакций мозга при БА и прионных заболеваниях.
Исследователи отмечают ряд характерных особенностей этой микроРНК. Так, она в изобилии присутствует как в мозге мыши, так и в мозге человека, так что эксперименты с miRNA-146a у обоих видов, а также на трансгенных мышиных моделях, несущих гены человека, напрямую сопоставимы.
Несмотря на примерно 96 миллионов лет эволюционного расхождения между видами Rodentia (грызуны) и Homo sapiens (человек), miRNA-146a мыши и человека имеют идентичные рибонуклеотидные последовательности. miRNA-146a особенно широко распространена в нейронах головного мозга человека и иммунологических клетках, таких как клетки микроглии и моноциты.
Итак, вирусы и бактерии в организме человека могут приводить к активации нейровоспаления через miRNA-146a. А нейровоспаление — характерная особенность множественных неврологических болезненных состояний, включая БА.
По мнению W. Lukiw, нейродегенеративные патологии развиваются у человека под сильным влиянием повышенного уровня воспаления. Вот как он пишет:
«Нейровоспаление, связанное с БА, PrD и другими нейродегенеративными заболеваниями человека, могут представлять собой классические примеры патологического процесса, включающего циклический, самоусиливающийся и неуклонный рост активации нейроглиальных клеток, высвобождение провоспалительных цитокинов и связанных с ними патогенных факторов, повреждением нейронов, атрофией, дисфункцией и дегенерацией».
При этом, уровни miRNA-146a прогрессивно повышаются вместе с тяжестью заболевания, ведь накопление белковых агрегатов способствует ее дальнейшей активации. Поэтому неудивительно, что ученые рассматривают эту микроРНК как потенциальный биомаркер нейродегенеративных расстройств и терапевтическую мишень.
Кольцевые РНК: новые игроки в старении и возрастных патологиях
Кроме микроРНК, ещё один вид некодирующей РНК был в этом году в центре внимания ученых. Это кольцевые РНК (circRNA). Они представляют собой новый класс некодирующих одноцепочечных РНК, у которых имеется характерная структура с замкнутыми в круг концами (откуда и их название).
circRNA были впервые обнаружены почти полвека назад у вирусов. И потом долгое время находились на «задворках» научных исследований. Потому что считалось, что такие необычные РНК — аномальный побочный продукт процессов сплайсинга.
Кроме того, технические методы только недавно достигли уровня, позволяющего детектировать в тканях множественные кольцевые РНК. За последнее время их было обнаружено и описано более 30 000. circRNA широко представлены у дрожжей, растений, простейших, плодовых мушек, червей, грызунов и людей.
Благодаря своей отличительной структуре (замкнутым концам) circRNA могут противостоять экзонуклеазам, разрушающим РНК. И потому они чрезвычайно стабильны по сравнению с другими, линейными РНК. circRNAs выполняют множество биологических функций, включая регулирование сплайсинга и транскрипции генов-хозяев, они кодируют белковые продукты и регулируют функции белков (образуя с ними комплексы circRNA-белок). Они действуют как «губки», блокируя действие микроРНК.
СircRNA участвуют в регулировании пролиферации, дифференцировки и старения клеток. А также играют важную роль в патогенезе возраст-зависимых заболеваний. На сегодня известно участие circRNA в развитии нейродегенеративных, сердечно-сосудистых, онко- и аутоиммунных заболеваний, остеопороза, остеоартрита и диабета. Кроме того, установлено, что circRNA участвуют в регуляции воспаления и повышают свою активность (накапливаются) при старении, особенно в тканях нервной системы. В связи с этим ещё в 2018 году американские биологи D. Knupp и соавт. предлагали внести накопление circRNA в организме в список признаков старения.
В этом году вышло несколько интересных исследований, посвященных circRNA.
Так, немецкие ученые, J. Brosius с коллегами, описали ранее неизвестную возможную роль circRNA в развитии болезни Альцгеймера. Они идентифицировали circRNA, названную circAβ-a (так как имеет амилоид-бета (Aβ)-кодирующую область). Эта кольцевая РНК была обнаружена в головном мозге пациентов с БА.
С помощью недавно разработанного ими подхода к анализу функций circRNA, ученые продемонстрировали, что circAβ-a эффективно транслируется в новый Aβ-содержащий полипептид Aβ175 (19,2 кДа). Кроме того, было показано, что Aβ175 может превращаться в пептиды Aβ, выступающие отличительным признаком болезни Альцгеймера. Таким образом, эта работа выявила альтернативный путь биогенеза Aβ. Что может вносить свой вклад в развитие патологии.
В ещё двух работах этого года L. Zhang с коллегами сделали подробный обзор возможного участия кольцевых РНК в развитии болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых патологий.
В первой работе они описали, как circRNA участвует в процессах, связанных с нейровоспалением, окислительным стрессом, аутофагией, продукцией и деградацией бета-амилоида. Также они рассказали, как кольцевые РНК возможно использовать в диагностике БА и других заболеваний нервной системы. Они удобны как маркеры, так как стабильны в плазме крови и спинномозговой жидкости, а уровни экспрессии circRNA коррелируют с показателями тяжести БА.
Во второй работе исследователи показали участие circRNA в развитии ряда сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ): инфаркта и фиброза миокарда, гипертонии, ишемической болезни сердца и др. Авторы перечислили ряд circRNA, которые можно использовать при диагностике различных ССЗ в качестве биомаркеров.
Наконец, в одной из самых заметных работ этого года немецкие и британские ученые, C. Weigelt с коллегами, впервые обнаружили участие кольцевой РНК в регуляции процессов, связанных с продолжительностью жизни. В которых кольцевые РНК взаимодействуют с сигнальным путем инсулина / инсулиноподобного фактора роста.
Как сегодня известно, чувствительный к питательным веществам сигнальный путь инсулина / инсулиноподобного фактора роста выступает одним из ключевых регуляторов метаболизма и старения, размножения и роста. И эволюционно сохраняется от червей и мух до мышей и людей. В ряде исследований на животных было показано, что ингибирование этого пути увеличивает продолжительность жизни.
Исследования показали, что у обычных (диких) мух D.melanogaster с возрастом наблюдалось глобальное увеличение экспрессии circRNA в мозговой ткани. А у долгоживущих мух-мутантов dilp 2-3,5 (у которых понижена активность сигнального пути инсулина) накопление circRNA было значительно снижено. И это показывает, что зависящее от старения накопление circRNA связано с инсулиновым сигнальным путем.
Но не всегда накопление circRNA — признак старения. Ученые обнаружили один вид circRNA, который повышался у долгоживущих мух, мутантных по инсулиновому сигналингу. Эта circRNA генерировалась геном sulfateless и была названа circSfl. Является ли накопление этой circRNA маркером или одной из причин "мушиного" долголетия?
При экспериментальной сверхэкспрессии circSfl у мух дикого типа наблюдалось заметное увеличение продолжительности жизни. При этом генерация circSfl была связана с экспрессией одной из двух альтернативных сплайсинговых изоформ родственной линейной мРНК (Sfl RA).
Когда экспрессия у мух (мутантов по инсулину) circSfl и Sfl RA была снижена, увеличение продолжительности жизни было отменено. Таким образом, как показали эти эксперименты, инсулин-опосредованное продление продолжительности жизни требует участия двух родственных РНК, кольцевой circSfl и линейной Sfl RA.
Также ученые обнаружили, что circSfl транслируется в белок, который может потенциально разделять некоторые функции полноразмерного белка Sfl, кодируемого у мух геном sulfateless. И уровень белка circSfl значительно повышается у мух, мутантов по инсулиновому сигналингу.
Как можно практически применить появляющиеся знания по биологии кольцевых РНК в плане противодействия тяжелым патологиям, показали в этом году Q. Zhao с коллегами. Их целью был неалкогольный стеатогепатит (НАСГ) — тяжелое заболевание печени, часто развивающееся у людей с лишним весом и метаболическим синдромом.
Кроме ядерных circRNA, есть еще митохондриальные. О роли митохондриальной дисфункции в развитии заболеваний печени, в т.ч. НАСГ, известно довольно давно. Но ранее она сводилась к неполному окислению жиров митохондриями и созданию избытка АФК. Оказывается, существуют и более тонкие механизмы, связанные с экспрессией circRNA.
Анализ профиля экспрессии circRNA в фибробластах печени людей с НАСГ показал, что активность митохондриальных circRNA значительно подавлена при НАСГ.
Затем учёные определили связанный со стеатогепатитом регулятор — митохондриальную circRNA SCAR. Она подавляла продукцию митохондриальных АФК и активацию фибробластов, что происходит при фиброзе и НАСГ. Накопление же жиров в печени, как это бывает при ожирении, блокировало полезное действие circRNA SCAR и способствовало развитию патологии печени.
Исследователи, используя нацеленные на митохондрии наночастицы, вводили РНК SCAR в фибробласты печени мышей на диете с высоким содержанием жиров, что предотвращало у них развитие цирроза и улучшало чувствительность к инсулину.
circRNA были впервые обнаружены почти полвека назад у вирусов. И потом долгое время находились на «задворках» научных исследований. Потому что считалось, что такие необычные РНК — аномальный побочный продукт процессов сплайсинга.
Кроме того, технические методы только недавно достигли уровня, позволяющего детектировать в тканях множественные кольцевые РНК. За последнее время их было обнаружено и описано более 30 000. circRNA широко представлены у дрожжей, растений, простейших, плодовых мушек, червей, грызунов и людей.
Благодаря своей отличительной структуре (замкнутым концам) circRNA могут противостоять экзонуклеазам, разрушающим РНК. И потому они чрезвычайно стабильны по сравнению с другими, линейными РНК. circRNAs выполняют множество биологических функций, включая регулирование сплайсинга и транскрипции генов-хозяев, они кодируют белковые продукты и регулируют функции белков (образуя с ними комплексы circRNA-белок). Они действуют как «губки», блокируя действие микроРНК.
СircRNA участвуют в регулировании пролиферации, дифференцировки и старения клеток. А также играют важную роль в патогенезе возраст-зависимых заболеваний. На сегодня известно участие circRNA в развитии нейродегенеративных, сердечно-сосудистых, онко- и аутоиммунных заболеваний, остеопороза, остеоартрита и диабета. Кроме того, установлено, что circRNA участвуют в регуляции воспаления и повышают свою активность (накапливаются) при старении, особенно в тканях нервной системы. В связи с этим ещё в 2018 году американские биологи D. Knupp и соавт. предлагали внести накопление circRNA в организме в список признаков старения.
В этом году вышло несколько интересных исследований, посвященных circRNA.
Так, немецкие ученые, J. Brosius с коллегами, описали ранее неизвестную возможную роль circRNA в развитии болезни Альцгеймера. Они идентифицировали circRNA, названную circAβ-a (так как имеет амилоид-бета (Aβ)-кодирующую область). Эта кольцевая РНК была обнаружена в головном мозге пациентов с БА.
С помощью недавно разработанного ими подхода к анализу функций circRNA, ученые продемонстрировали, что circAβ-a эффективно транслируется в новый Aβ-содержащий полипептид Aβ175 (19,2 кДа). Кроме того, было показано, что Aβ175 может превращаться в пептиды Aβ, выступающие отличительным признаком болезни Альцгеймера. Таким образом, эта работа выявила альтернативный путь биогенеза Aβ. Что может вносить свой вклад в развитие патологии.
В ещё двух работах этого года L. Zhang с коллегами сделали подробный обзор возможного участия кольцевых РНК в развитии болезни Альцгеймера и сердечно-сосудистых патологий.
В первой работе они описали, как circRNA участвует в процессах, связанных с нейровоспалением, окислительным стрессом, аутофагией, продукцией и деградацией бета-амилоида. Также они рассказали, как кольцевые РНК возможно использовать в диагностике БА и других заболеваний нервной системы. Они удобны как маркеры, так как стабильны в плазме крови и спинномозговой жидкости, а уровни экспрессии circRNA коррелируют с показателями тяжести БА.
Во второй работе исследователи показали участие circRNA в развитии ряда сердечно-сосудистых заболеваний (ССЗ): инфаркта и фиброза миокарда, гипертонии, ишемической болезни сердца и др. Авторы перечислили ряд circRNA, которые можно использовать при диагностике различных ССЗ в качестве биомаркеров.
Наконец, в одной из самых заметных работ этого года немецкие и британские ученые, C. Weigelt с коллегами, впервые обнаружили участие кольцевой РНК в регуляции процессов, связанных с продолжительностью жизни. В которых кольцевые РНК взаимодействуют с сигнальным путем инсулина / инсулиноподобного фактора роста.
Как сегодня известно, чувствительный к питательным веществам сигнальный путь инсулина / инсулиноподобного фактора роста выступает одним из ключевых регуляторов метаболизма и старения, размножения и роста. И эволюционно сохраняется от червей и мух до мышей и людей. В ряде исследований на животных было показано, что ингибирование этого пути увеличивает продолжительность жизни.
Исследования показали, что у обычных (диких) мух D.melanogaster с возрастом наблюдалось глобальное увеличение экспрессии circRNA в мозговой ткани. А у долгоживущих мух-мутантов dilp 2-3,5 (у которых понижена активность сигнального пути инсулина) накопление circRNA было значительно снижено. И это показывает, что зависящее от старения накопление circRNA связано с инсулиновым сигнальным путем.
Но не всегда накопление circRNA — признак старения. Ученые обнаружили один вид circRNA, который повышался у долгоживущих мух, мутантных по инсулиновому сигналингу. Эта circRNA генерировалась геном sulfateless и была названа circSfl. Является ли накопление этой circRNA маркером или одной из причин "мушиного" долголетия?
При экспериментальной сверхэкспрессии circSfl у мух дикого типа наблюдалось заметное увеличение продолжительности жизни. При этом генерация circSfl была связана с экспрессией одной из двух альтернативных сплайсинговых изоформ родственной линейной мРНК (Sfl RA).
Когда экспрессия у мух (мутантов по инсулину) circSfl и Sfl RA была снижена, увеличение продолжительности жизни было отменено. Таким образом, как показали эти эксперименты, инсулин-опосредованное продление продолжительности жизни требует участия двух родственных РНК, кольцевой circSfl и линейной Sfl RA.
Также ученые обнаружили, что circSfl транслируется в белок, который может потенциально разделять некоторые функции полноразмерного белка Sfl, кодируемого у мух геном sulfateless. И уровень белка circSfl значительно повышается у мух, мутантов по инсулиновому сигналингу.
Как можно практически применить появляющиеся знания по биологии кольцевых РНК в плане противодействия тяжелым патологиям, показали в этом году Q. Zhao с коллегами. Их целью был неалкогольный стеатогепатит (НАСГ) — тяжелое заболевание печени, часто развивающееся у людей с лишним весом и метаболическим синдромом.
Кроме ядерных circRNA, есть еще митохондриальные. О роли митохондриальной дисфункции в развитии заболеваний печени, в т.ч. НАСГ, известно довольно давно. Но ранее она сводилась к неполному окислению жиров митохондриями и созданию избытка АФК. Оказывается, существуют и более тонкие механизмы, связанные с экспрессией circRNA.
Анализ профиля экспрессии circRNA в фибробластах печени людей с НАСГ показал, что активность митохондриальных circRNA значительно подавлена при НАСГ.
Затем учёные определили связанный со стеатогепатитом регулятор — митохондриальную circRNA SCAR. Она подавляла продукцию митохондриальных АФК и активацию фибробластов, что происходит при фиброзе и НАСГ. Накопление же жиров в печени, как это бывает при ожирении, блокировало полезное действие circRNA SCAR и способствовало развитию патологии печени.
Исследователи, используя нацеленные на митохондрии наночастицы, вводили РНК SCAR в фибробласты печени мышей на диете с высоким содержанием жиров, что предотвращало у них развитие цирроза и улучшало чувствительность к инсулину.
Рис. 10. Показано действие кольцевой митохондриальной РНК SCAR в фибробластах нормальной здоровой печени и подавление этого действия при НАСГ накопившимися в печени липидами и стрессом эндоплазматического ретикулума. Источник.
Митохондрии
Умеренная деполяризация внутренней митохондриальной мембраны
Как сегодня известно, митохондрии и их функции тесно связаны с многими процессами старения. Не случайно дисфункция митохондрий была определена как один из главных признаков старения.
В недавнем исследовании международная команда ученых из РФ, Германии и Швейцарии описали в журнале PNAS один из механизмов в клетках летучих мышей и голого землекопа, связанный с долголетием. Этот механизм защищает клетки от окислительного стресса и снижает образование АФК. Как? При помощи умеренной деполяризации внутренней митохондриальной мембраны.
Как мы помним, митохондрии выкачивают Н+ в пространство между мембранами (которых у них две). При этом мембрана поляризуется, создается градиент, который используется для синтеза АТФ. Это, по сути, и есть главная работа митохондрий. Для синтеза АТФ оптимален определенный диапазон значений мембранного потенциала. Гиперполяризация приводит к избыточному образованию АФК.
Митохондриальные АФК, как мы уже говорили, образуются в процессе клеточного дыхания. Они в повышенных дозах связаны с различными заболеваниями и процессами старения.
Сбросить избыточный протонный градиент мембрана может при помощи разобщающих белков (UCP), которые впускают протоны внутрь митохондрии без образования АТФ, а энергия рассеивается в виде тепла. Но есть и другой механизм, который попросту не дает возникать гиперполяризации. Это фермент гексокиназа, связанный с мембраной митохондрий. Она ловит новообразованную АТФ и расщепляет ее, навешивая освободившуюся фосфатную группу на молекулу глюкозы. Таким образом, гексокиназа тут же тратит энергию, которую клетка только что запасла, расходуя протоны. Если фермент работает постоянно, то ионы водорода оказываются в дефиците, и разность потенциалов на мембранах снижается.
При этом немного снижается выработка энергии за счет синтеза АТФ, и значительно уменьшается производство активных форм кислорода (АФК) митохондриями.
Представленные доказательства наличия этого механизма, по мнению ученых, подразумевают, что легкая деполяризация — это механизм программы против старения, эффективно замедляющий процессы старения в клетке.
Исследователи изучили механизмы гексокиназ I и II и креатинкиназы в разных тканях (легкие, почки, мозг, скелетные мышцы, сердце и др.) у обычных мышей (Mus musculus), голых землекопов (Heterocephalus glaber) и летучих мышей (Carollia perspicillata).
Они обнаружили интересные различия: умеренная деполяризация проявлялась во всех тканях мышиных эмбрионов и начинала значительно уменьшаться после 1 года у мышей с почти полным её исчезновением к возрасту 2,5 года. В тканях голых землекопов и летучих мышей, напротив, процесс умеренной деполяризации был активен большую часть жизни.
В недавнем исследовании международная команда ученых из РФ, Германии и Швейцарии описали в журнале PNAS один из механизмов в клетках летучих мышей и голого землекопа, связанный с долголетием. Этот механизм защищает клетки от окислительного стресса и снижает образование АФК. Как? При помощи умеренной деполяризации внутренней митохондриальной мембраны.
Как мы помним, митохондрии выкачивают Н+ в пространство между мембранами (которых у них две). При этом мембрана поляризуется, создается градиент, который используется для синтеза АТФ. Это, по сути, и есть главная работа митохондрий. Для синтеза АТФ оптимален определенный диапазон значений мембранного потенциала. Гиперполяризация приводит к избыточному образованию АФК.
Митохондриальные АФК, как мы уже говорили, образуются в процессе клеточного дыхания. Они в повышенных дозах связаны с различными заболеваниями и процессами старения.
Сбросить избыточный протонный градиент мембрана может при помощи разобщающих белков (UCP), которые впускают протоны внутрь митохондрии без образования АТФ, а энергия рассеивается в виде тепла. Но есть и другой механизм, который попросту не дает возникать гиперполяризации. Это фермент гексокиназа, связанный с мембраной митохондрий. Она ловит новообразованную АТФ и расщепляет ее, навешивая освободившуюся фосфатную группу на молекулу глюкозы. Таким образом, гексокиназа тут же тратит энергию, которую клетка только что запасла, расходуя протоны. Если фермент работает постоянно, то ионы водорода оказываются в дефиците, и разность потенциалов на мембранах снижается.
При этом немного снижается выработка энергии за счет синтеза АТФ, и значительно уменьшается производство активных форм кислорода (АФК) митохондриями.
Представленные доказательства наличия этого механизма, по мнению ученых, подразумевают, что легкая деполяризация — это механизм программы против старения, эффективно замедляющий процессы старения в клетке.
Исследователи изучили механизмы гексокиназ I и II и креатинкиназы в разных тканях (легкие, почки, мозг, скелетные мышцы, сердце и др.) у обычных мышей (Mus musculus), голых землекопов (Heterocephalus glaber) и летучих мышей (Carollia perspicillata).
Они обнаружили интересные различия: умеренная деполяризация проявлялась во всех тканях мышиных эмбрионов и начинала значительно уменьшаться после 1 года у мышей с почти полным её исчезновением к возрасту 2,5 года. В тканях голых землекопов и летучих мышей, напротив, процесс умеренной деполяризации был активен большую часть жизни.
Митохондриальный пептид гуманин
Но не только АФК и АТФ мы обязаны митохондриям. Хотя большая часть генов митохондрий была перенесена в ядро, именно митохондриальная ДНК кодирует митохондриальные пептиды. Они долго оставались «за кадром» исследований, но, судя по всему, связаны с долголетием и хранят еще немало тайн.
Самым изученным митохондриальным пептидом на сегодня является гуманин (легко запомнить: похоже на гуманизм. По-английски гуманин — humanin, человек — human).
Множество экспериментов на лабораторных животных и исследований людей демонстрируют, что более высокие уровни гуманина в организме связаны с увеличением продолжительности жизни и улучшением здоровья. В частности, с более низким риском болезни Альцгеймера.
Гуманин был обнаружен не только в митохондриях человека, но и во всем животном мире. Выяснилось, что уровни гуманина снижаются с возрастом у многих видов. И напротив, у организмов, предрасположенных к долголетию, высокие уровни этого пептида сохраняются всю их долгую жизнь. Так, у голого землекопа наблюдается лишь незначительное снижение уровня гуманина в течение 30-и лет жизни. А у мышей он падает на 40% в течение первых 18 месяцев жизни. У приматов, таких как макаки-резус, наблюдается такое же резкое падение гуманина в возрасте от 19 до 25 лет.
Существуют ли гены, отвечающие за более высокие уровни гуманина? Вероятно. Как известно науке, долголетие частично может быть связано с наследственностью. Люди, родители которых достигают 100-летнего возраста, статистически чаще, чем другие люди, также доживают до очень преклонного возраста. Выявлен ряд потенциальных «генов долголетия».
А вот митохондриальную наследственность ученые только начинают изучать. У детей долгожителей исследователи наблюдали феномен более высоких и устойчивых уровней гуманина (группа включала 18 детей) по сравнению с контрольной группой (19 детей). И кроме прочего, гуманин показал интересную связь с репродукцией. Так, у модифицированных животных с повышенной экспрессией гуманина увеличивалась продолжительность жизни вместе с уменьшением потомства.
Высокий уровень гуманина связан со сниженным риском возрастных заболеваний. У пациентов с болезнью Альцгеймера уровень гуманина в спинномозговой жидкости был существенно снижен. А в образцах пуповинной крови новорожденных высокий уровень гуманина коррелирует с высоким числом копий митохондриальной ДНК. Низкое же количество копий мтДНК связано с рядом различных возрастных заболеваний (сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, диабета).
Самым изученным митохондриальным пептидом на сегодня является гуманин (легко запомнить: похоже на гуманизм. По-английски гуманин — humanin, человек — human).
Множество экспериментов на лабораторных животных и исследований людей демонстрируют, что более высокие уровни гуманина в организме связаны с увеличением продолжительности жизни и улучшением здоровья. В частности, с более низким риском болезни Альцгеймера.
Гуманин был обнаружен не только в митохондриях человека, но и во всем животном мире. Выяснилось, что уровни гуманина снижаются с возрастом у многих видов. И напротив, у организмов, предрасположенных к долголетию, высокие уровни этого пептида сохраняются всю их долгую жизнь. Так, у голого землекопа наблюдается лишь незначительное снижение уровня гуманина в течение 30-и лет жизни. А у мышей он падает на 40% в течение первых 18 месяцев жизни. У приматов, таких как макаки-резус, наблюдается такое же резкое падение гуманина в возрасте от 19 до 25 лет.
Существуют ли гены, отвечающие за более высокие уровни гуманина? Вероятно. Как известно науке, долголетие частично может быть связано с наследственностью. Люди, родители которых достигают 100-летнего возраста, статистически чаще, чем другие люди, также доживают до очень преклонного возраста. Выявлен ряд потенциальных «генов долголетия».
А вот митохондриальную наследственность ученые только начинают изучать. У детей долгожителей исследователи наблюдали феномен более высоких и устойчивых уровней гуманина (группа включала 18 детей) по сравнению с контрольной группой (19 детей). И кроме прочего, гуманин показал интересную связь с репродукцией. Так, у модифицированных животных с повышенной экспрессией гуманина увеличивалась продолжительность жизни вместе с уменьшением потомства.
Высокий уровень гуманина связан со сниженным риском возрастных заболеваний. У пациентов с болезнью Альцгеймера уровень гуманина в спинномозговой жидкости был существенно снижен. А в образцах пуповинной крови новорожденных высокий уровень гуманина коррелирует с высоким числом копий митохондриальной ДНК. Низкое же количество копий мтДНК связано с рядом различных возрастных заболеваний (сердечно-сосудистых, нейродегенеративных, диабета).
Пептид MOTS-c — коммуникатор между митохондриями и ядром клетки
Надо сказать, что кроме гуманина, ещё один митохондриальный пептид также попал в поле зрения геронтологов. Это пептид MOTS-c, который играет важную роль в коммуникации между митохондриями и ядром клеток. Под воздействием стресса, он перемещается к ядру для участия в регуляции генов стресс-ответа.
Японские исследователи, N. Hirose и соавт., в своей работе описали полиморфизм мтДНК, (m. 1382A>C), характерный для гаплогруппы D4b2, в которую входят долгожители (100 лет и старше) в японской популяции.
Как оказалось, этот связанный с долголетием полиморфизм располагается в участке, кодирующем тот самый митохондриальный пептид MOTS-c. MOTS‐c является важным «митокином», то есть воздействует на другие клетки эндокринным способом.
Какие же сигналы может усиленно запускать митохондриальный MOTS-c, удлиняя жизнь японцев? В серии работ (раз, два, три, четыре) было показано, что MOTS-c обладает противовоспалительными и сосудопротекторными свойствами путем ингибирования активности митоген-активируемых протеинкиназ (MAPKs), снижает экспрессию факторов воспаления (ФНО-α, ИЛ-6, Ил-1β). Кроме этого, пептид MOTS-c поддерживает метаболический гомеостаз, препятствуя излишнему накоплению жира и улучшает чувствительность к инсулину, стимулирует физиологическую адаптацию к физическим нагрузкам.
Японские исследователи, N. Hirose и соавт., в своей работе описали полиморфизм мтДНК, (m. 1382A>C), характерный для гаплогруппы D4b2, в которую входят долгожители (100 лет и старше) в японской популяции.
Как оказалось, этот связанный с долголетием полиморфизм располагается в участке, кодирующем тот самый митохондриальный пептид MOTS-c. MOTS‐c является важным «митокином», то есть воздействует на другие клетки эндокринным способом.
Какие же сигналы может усиленно запускать митохондриальный MOTS-c, удлиняя жизнь японцев? В серии работ (раз, два, три, четыре) было показано, что MOTS-c обладает противовоспалительными и сосудопротекторными свойствами путем ингибирования активности митоген-активируемых протеинкиназ (MAPKs), снижает экспрессию факторов воспаления (ФНО-α, ИЛ-6, Ил-1β). Кроме этого, пептид MOTS-c поддерживает метаболический гомеостаз, препятствуя излишнему накоплению жира и улучшает чувствительность к инсулину, стимулирует физиологическую адаптацию к физическим нагрузкам.
Рис. 11. Модель системных метаболических эффектов митохондриального производного пептидного гормона MOTS-с. Физические упражнения, диета и старение могут влиять на выработку, секрецию и активность MOTS-с. Скелетные мышцы являются основной мишенью циркулирующего MOTS-c. Экспериментальные данные также указывают на жировые клетки в качестве его потенциальной мишени. В зависимости от окружающей среды, MOTS-c может иметь двойную роль как анаболический и липолитический гормон. Источник.
межклеточный матрикс
Мы уже обсудили различные факторы, воздействующие на процессы старения и долголетия и находящиеся внутри клеток: полиморфизмы генов, митохондриальные пептиды и белки, микроРНК и др. А теперь обратим внимание на некоторые работы этого года, посвященные процессам, протекающим в межклеточном матриксе.
Клетки нашего организма погружены в среду межклеточного матрикса, состоящего из различных компонентов. К ним относятся белки коллагены и эластины, гиалуроновая кислота, протеогликаны. Матрикс — это не просто «ложе» для клеток. Его особенности влияют на процессы дифференцировки клеток, передачи ими сигналов и многое другое.
Некоторые из компонентов межклеточного матрикса, в первую очередь, коллагены и эластины, являются долгоживущими, т.е. обновляются очень медленно в течение нашей жизни. И в ходе своей такой долгой жизни с ними происходят различные случайные изменения — неферментативная модификация долгоживущих молекул. В работе этого года Алексей Москалев и Александр Фединцев предлагают сделать ее десятым признаком старения, добавив к девяти классическим, признанным на сегодня.
Клетки нашего организма погружены в среду межклеточного матрикса, состоящего из различных компонентов. К ним относятся белки коллагены и эластины, гиалуроновая кислота, протеогликаны. Матрикс — это не просто «ложе» для клеток. Его особенности влияют на процессы дифференцировки клеток, передачи ими сигналов и многое другое.
Некоторые из компонентов межклеточного матрикса, в первую очередь, коллагены и эластины, являются долгоживущими, т.е. обновляются очень медленно в течение нашей жизни. И в ходе своей такой долгой жизни с ними происходят различные случайные изменения — неферментативная модификация долгоживущих молекул. В работе этого года Алексей Москалев и Александр Фединцев предлагают сделать ее десятым признаком старения, добавив к девяти классическим, признанным на сегодня.
Гликирование
Пожалуй, самым известным типом таких неферментативных модификаций является гликирование белков.
Гликирование — это присоединение различных сахаров к аминогруппам белков.
Бывает нормальное (ферментативное) присоединение сахаров к белкам — гликозилирование. Оно является очень распространенным и важным физиологическим процессом в живых организмах: значительная часть всех белков, синтезируемых в клетках, подвергаются ферментативному гликозилированию. Что совершенно необходимо для их нормального функционирования.
В отличие от физиологического, ферментативного гликозилирования, неферментативное считается «ненормальным» и связанным с развитием патологий и старением. Неферментативное гликирование бывает двух типов, в зависимости от источника: эндогенное (то есть формирующееся по внутренним причинам) и экзогенное (по внешним причинам).
Эндогенное гликирование — это достаточно медленный, но постоянный процесс, в ходе которого образуются белковые сшивки долгоживущих белков (коллагена, эластина). И оно усиливается в процессе старения.
Экзогенное гликирование происходит под воздействием внешних факторов: пищи, приготовленной при высоких температурах, сигаретного дыма, воздуха, загрязнённого продуктами горения и др. Повышенный уровень глюкозы в крови, воспаление и окислительный стресс ускоряют процессы гликирования.
А. Москалев и А. Фединцев также подробно описывают в своей работе взаимосвязь неферментативной модификации с другими признаками старения (с 5 из 9), с различными возрастными процессами и патологиями. Так, они показывают связь гликирования с истощением стволовых клеток, клеточным старением, нарушением межклеточной коммуникации, геномной нестабильностью, дисфункцией митохондрий, нарушением целостности барьеров (кишечного и гематоэнцефалического), сердечно-сосудистыми и нейродегенеративными патологиями. Что конечно говорит нам о большой роли гликирования в процессах старения.
В отличие от физиологического, ферментативного гликозилирования, неферментативное считается «ненормальным» и связанным с развитием патологий и старением. Неферментативное гликирование бывает двух типов, в зависимости от источника: эндогенное (то есть формирующееся по внутренним причинам) и экзогенное (по внешним причинам).
Эндогенное гликирование — это достаточно медленный, но постоянный процесс, в ходе которого образуются белковые сшивки долгоживущих белков (коллагена, эластина). И оно усиливается в процессе старения.
Экзогенное гликирование происходит под воздействием внешних факторов: пищи, приготовленной при высоких температурах, сигаретного дыма, воздуха, загрязнённого продуктами горения и др. Повышенный уровень глюкозы в крови, воспаление и окислительный стресс ускоряют процессы гликирования.
А. Москалев и А. Фединцев также подробно описывают в своей работе взаимосвязь неферментативной модификации с другими признаками старения (с 5 из 9), с различными возрастными процессами и патологиями. Так, они показывают связь гликирования с истощением стволовых клеток, клеточным старением, нарушением межклеточной коммуникации, геномной нестабильностью, дисфункцией митохондрий, нарушением целостности барьеров (кишечного и гематоэнцефалического), сердечно-сосудистыми и нейродегенеративными патологиями. Что конечно говорит нам о большой роли гликирования в процессах старения.
Рис. 12. Жесткий внеклеточный матрикс через интегрины активирует Rho-ROCK и нижестоящие цели: MRTF и YAP / TAZ. Что, в свою очередь, индуцирует экспрессию профибротических генов, дисрегуляцию тканевых циркадных часов, остеогенную дифференцировку, подавляет контактное ингибирование пролиферации и, возможно, индуцирует клеточное старение через активацию CCN1. Источник.
Надо отметить, что работа Москалева и Фединцева не первая, в которой выдвигается гипотеза о неферментативных модификациях молекул как движущей силе старения. Так, ещё в 2016-17 годах вышел ряд совместных работ российского биохимика Алексея Голубева и известного генетика-геронтолога Вадима Гладышева. Среди которых была и работа под названием «Неферментативное повреждение молекул как прототипный фактор старения».
По мнению Гладышева, процессы старения тесно связаны с побочными реакциями нормального метаболизма. Из-за которых и возникают неферментативные модификации молекул, такие как окисление или гликирование. А описывает эти процессы их параметаболическая теория старения, или делетериома. Расскажем здесь коротко о ней, как об одной из логично объясняющих процессы старения теорий.
Согласно этой теории, биологические молекулы и все биологические процессы несовершенны. Всегда возникают повреждения, и их так много, что неделящиеся клетки не могут с ними справиться. И это независимо от того, как эволюция сформировала организм. Более того, защитные функции от этого повреждения сами по себе будут несовершенными и вызовут другие формы повреждений.
В таком случае постмитотические клетки / организмы могут бороться с наиболее опасными формами повреждений, которые серьезно влияют на физическую форму, оставляя в стороне более легкие формы повреждений.
Поэтому последние со временем будут накапливаться. Большинство этих форм повреждений будут просто невидимы для эволюционных процессов, поскольку отбор никогда не может быть достаточно сильным, чтобы справиться со всеми повреждениями.
Например, если в течение жизни клетки вырабатываются пять молекул определенного нетоксичного побочного продукта, никакой фермент не будет развиваться, чтобы защитить от этого повреждения. Миллиард типов таких пяти молекулярных форм повреждения также будут невидимы для отбора, но вместе они будут способствовать старению. Другими словами, легкое повреждение — это повреждение, которое организмы могут переносить до позднего периода жизни, когда воспроизведение уже завершено.
Поскольку такое повреждение накапливается постепенно, его эффекты также проявляются не сразу. Например, они могут отражаться в постепенном увеличении смертности, начиная с раннего взросления. Эти соображения подразумевают взаимную, кумулятивную причинную связь старения с участием всех процессов, даже если эти вклады сильно различаются как по форме, так и по влиянию.
По мнению Гладышева, процессы старения тесно связаны с побочными реакциями нормального метаболизма. Из-за которых и возникают неферментативные модификации молекул, такие как окисление или гликирование. А описывает эти процессы их параметаболическая теория старения, или делетериома. Расскажем здесь коротко о ней, как об одной из логично объясняющих процессы старения теорий.
Согласно этой теории, биологические молекулы и все биологические процессы несовершенны. Всегда возникают повреждения, и их так много, что неделящиеся клетки не могут с ними справиться. И это независимо от того, как эволюция сформировала организм. Более того, защитные функции от этого повреждения сами по себе будут несовершенными и вызовут другие формы повреждений.
В таком случае постмитотические клетки / организмы могут бороться с наиболее опасными формами повреждений, которые серьезно влияют на физическую форму, оставляя в стороне более легкие формы повреждений.
Поэтому последние со временем будут накапливаться. Большинство этих форм повреждений будут просто невидимы для эволюционных процессов, поскольку отбор никогда не может быть достаточно сильным, чтобы справиться со всеми повреждениями.
Например, если в течение жизни клетки вырабатываются пять молекул определенного нетоксичного побочного продукта, никакой фермент не будет развиваться, чтобы защитить от этого повреждения. Миллиард типов таких пяти молекулярных форм повреждения также будут невидимы для отбора, но вместе они будут способствовать старению. Другими словами, легкое повреждение — это повреждение, которое организмы могут переносить до позднего периода жизни, когда воспроизведение уже завершено.
Поскольку такое повреждение накапливается постепенно, его эффекты также проявляются не сразу. Например, они могут отражаться в постепенном увеличении смертности, начиная с раннего взросления. Эти соображения подразумевают взаимную, кумулятивную причинную связь старения с участием всех процессов, даже если эти вклады сильно различаются как по форме, так и по влиянию.
Карбамилирование белков как фактор старения
Гликирование — не единственный тип неферментативной модификации долгоживущих молекул.
Кроме работ Гладышева, американские ученые, P. Gillery и соавт. также предлагали считать один из видов неферментативных модификаций — карбамилирование белков — новым признаком старения.
Эта модификация считается неблагоприятной, потому что вызывает изменения свойств белка и клеток. И ранее было показано увеличение количества карбамилированных белков при ряде патологий: при хроническом заболевании почек (ХБП) и развитии атеросклероза. Но до исследования P. Gillery и соавт. ничего не было известно о карбамилировании тканевых белков при старении.
Чтобы проанализировать это, авторы оценили изменения уровня гомоцитруллина — наиболее характерного продукта, связанного с карбамилированием (carbamylation-derived product, CDP) — с течением времени в коже млекопитающих с разной продолжительностью жизни. Полученные результаты показали, что карбамилирование происходит на протяжении всей жизни и приводит к накоплению в тканях карбамилированных белков.
Из-за своего длительного периода полураспада белки матрикса, такие как коллаген I типа и эластин, являются предпочтительными мишенями карбамилирования.
Примечательно, что скорость накопления CDP обратно коррелирует с продолжительностью жизни. Что позволяет ученым предположить наличие еще не идентифицированных защитных механизмов от этой патологической неферментативной посттрансляционной модификации белков.
Также ученые отметили, что гомоцитруллин накапливался даже более интенсивно, чем КПГ (конечные продукты гликирования).
Кроме работ Гладышева, американские ученые, P. Gillery и соавт. также предлагали считать один из видов неферментативных модификаций — карбамилирование белков — новым признаком старения.
Эта модификация считается неблагоприятной, потому что вызывает изменения свойств белка и клеток. И ранее было показано увеличение количества карбамилированных белков при ряде патологий: при хроническом заболевании почек (ХБП) и развитии атеросклероза. Но до исследования P. Gillery и соавт. ничего не было известно о карбамилировании тканевых белков при старении.
Чтобы проанализировать это, авторы оценили изменения уровня гомоцитруллина — наиболее характерного продукта, связанного с карбамилированием (carbamylation-derived product, CDP) — с течением времени в коже млекопитающих с разной продолжительностью жизни. Полученные результаты показали, что карбамилирование происходит на протяжении всей жизни и приводит к накоплению в тканях карбамилированных белков.
Из-за своего длительного периода полураспада белки матрикса, такие как коллаген I типа и эластин, являются предпочтительными мишенями карбамилирования.
Примечательно, что скорость накопления CDP обратно коррелирует с продолжительностью жизни. Что позволяет ученым предположить наличие еще не идентифицированных защитных механизмов от этой патологической неферментативной посттрансляционной модификации белков.
Также ученые отметили, что гомоцитруллин накапливался даже более интенсивно, чем КПГ (конечные продукты гликирования).
Можем ли мы противостоять изменениям долгоживущих белков матрикса?
В своей статье Москалев и Фединцев предлагают несколько путей по противодействию негативным последствиям от старения матрикса. Это разработка комбинации ингибиторов КПГ, которые синергетически работают на разных стадиях их образования. Такие комбинации могут включать:
dPUFA (дейтерированные полиненасыщенные жирные кислоты) для уменьшения перекисного окисления липидов;
соединения, содержащие О-ацетильную группу для защиты белков от гликирования за счет ацетилирования остатков лизина;
соединения с трансгликирующей активностью: карнозин, ансерин;
амадорины для предотвращения превращения продуктов Amadori в КПГ;
генетическая модификация фибробластов, чтобы они могли экспрессировать амадориазы, что позволит достичь целенаправленного удаления продуктов Amadori и предотвратить образование необратимых КПГ, таких как глюкозепан.
Кроме этого, существует необходимость разработки разрушителей основного КПГ во внеклеточном матриксе — глюкозепана. Это должна быть небольшая молекула или фермент, способная проникать между фибриллами коллагена и достигать своей цели — сшивок КПГ. Создание в этом году командой Дэвида Шпигеля антитела, нацеленного на глюкозепан, также добавляет нам шансов в борьбе со старением матрикса.
Ещё необходимы:
Ещё необходимы:
препараты, стимулирующие производство эластина для его обновления;
«ловушки» провоспалительного рецептора КПГ— RAGE (такие, как растворимые формы этого рецептора);
ингибиторы сигнальных путей, запускаемых старым жестким матриксом.
Витамин С может выступать патологическим фактором
В ещё одной недавней свежей работе пионера по изучению КПГ (конечных продуктов гликирования) Винсента Монье (автора гипотезы про КПГ и старение) и его коллег описывается, как витамин С может быть участником повреждений при возрастной катаракте и нейродегенеративных заболеваниях.
Мы слышали с детства, как полезна аскорбиновая кислота. Но оказывается, не всегда. Иногда витамин С может выступать патологическим фактором, вызывая оксоальдегидный стресс.
Мы слышали с детства, как полезна аскорбиновая кислота. Но оказывается, не всегда. Иногда витамин С может выступать патологическим фактором, вызывая оксоальдегидный стресс.
Оксоальдегидный стресс — это избыточное образование метилглиоксаля (предшественник КПГ) и его производного, КПГ под названием MG-H1.
Ученые изучили эти процессы в хрусталике глаза и клетках мозга.
Хрусталик и мозг имеют много общего, несмотря на огромные биологические различия. И волокна хрусталика, и нейроны являются постмитотическими (то есть не делящимися и не обновляющимися) клеточными системами. Обе имеют высокую тенденцию к агрегации белков во время старения.
Оба органа насыщены витамином С, который обеспечивает важную антиоксидантную защиту в молодом возрасте. Оба, и хрусталик и мозг, также страдают от ослабления антиоксидантного гомеостаза во время старения и снижения уровня глутатиона (антиоксиданта). Что является признаком дегенерирующих нейронов и стареющего ядра хрусталика. Почему витамин С, являесь антиоксидантом, становится прооксидантом в этих органах? Все дело в металлах.
Каталитические ионы металлов, как предполагается, скорее всего являются основным механизмом перехода от антиоксидантной — к прооксидантной роли витамина С.
У молодых и здоровых людей железо и медь строго изолируются железосвязывающими или медьсвязывающими белками, то есть трансферрином, ферритином и купроэнзимами. Таким образом, лабильных ионов железа и меди мало, а окисление витамина С минимально.
Однако с возрастом эти ионы металлов накапливаются как в мозгу, так и в хрусталике, усиливая окисление витамина С. Многочисленные исследования показали, что уровни железа и меди в определенных областях мозга намного выше при нейродегенеративных заболеваниях.
Например, повышенное содержание окислительно-восстановительного железа наблюдается в черной субстанции пациентов с БП по сравнению со здоровыми людьми. Высокое содержание меди и железа присутствует в амилоидных бляшках и связках нейрофиламентов при болезни Альцгеймера
Приведенные выше результаты приводят к нескольким выводам, потенциально имеющим важное значение. Во-первых, при нарушении окислительно-восстановительного гомеостаза, например, в сердцевине хрусталика, повышение уровня витамина С может быть токсичным. Когортное исследование 25 000 шведских женщин, у которых добавки витамина С привели к увеличению образования катаракты после более чем 8-летнего наблюдения, подтверждает эту токсичность.
Как же объяснить тогда, что при болезни Альцгеймера и Паркинсона у больных были зафиксированы низкие уровни витамина С в плазме крови? Этот парадокс, по мнению ученых, скорее всего, отражает усиление окислительной деградации витамина, а не его недостаточное потребление.
В одном из исследований уровни пентозидина (КПГ) в плазме были повышены у 180 субъектов с легкими когнитивными нарушениями и у 84 пациентов с БА. Точно так же было обнаружено повышенные уровни карбоксиметиллизина (одного из КПГ) в спинномозговой жидкости у пациентов с БА и повышенный уровень пентозидина в плазме у пациентов с сосудистой деменцией. Примечательно, что оба вида данных КПГ могут образовываться из витамина С.
Кроме повышения содержания свободных металлов существенную роль играет снижение уровня антиоксиданта глутатиона GSH, что будет способствовать окислению аскорбиновой кислоты и образованию MG-H1, что дополнительно усугубляется нарушением функции GSH-зависимой глиоксалазы I, поглощающей метилглиоксаль.
Как заключают авторы, именно аскорбиновая кислота, а не глюкоза, может быть основным источником гликированного повреждения при болезнях Альцгеймера и Паркинсона и катаракте.
Хрусталик и мозг имеют много общего, несмотря на огромные биологические различия. И волокна хрусталика, и нейроны являются постмитотическими (то есть не делящимися и не обновляющимися) клеточными системами. Обе имеют высокую тенденцию к агрегации белков во время старения.
Оба органа насыщены витамином С, который обеспечивает важную антиоксидантную защиту в молодом возрасте. Оба, и хрусталик и мозг, также страдают от ослабления антиоксидантного гомеостаза во время старения и снижения уровня глутатиона (антиоксиданта). Что является признаком дегенерирующих нейронов и стареющего ядра хрусталика. Почему витамин С, являесь антиоксидантом, становится прооксидантом в этих органах? Все дело в металлах.
Каталитические ионы металлов, как предполагается, скорее всего являются основным механизмом перехода от антиоксидантной — к прооксидантной роли витамина С.
У молодых и здоровых людей железо и медь строго изолируются железосвязывающими или медьсвязывающими белками, то есть трансферрином, ферритином и купроэнзимами. Таким образом, лабильных ионов железа и меди мало, а окисление витамина С минимально.
Однако с возрастом эти ионы металлов накапливаются как в мозгу, так и в хрусталике, усиливая окисление витамина С. Многочисленные исследования показали, что уровни железа и меди в определенных областях мозга намного выше при нейродегенеративных заболеваниях.
Например, повышенное содержание окислительно-восстановительного железа наблюдается в черной субстанции пациентов с БП по сравнению со здоровыми людьми. Высокое содержание меди и железа присутствует в амилоидных бляшках и связках нейрофиламентов при болезни Альцгеймера
Приведенные выше результаты приводят к нескольким выводам, потенциально имеющим важное значение. Во-первых, при нарушении окислительно-восстановительного гомеостаза, например, в сердцевине хрусталика, повышение уровня витамина С может быть токсичным. Когортное исследование 25 000 шведских женщин, у которых добавки витамина С привели к увеличению образования катаракты после более чем 8-летнего наблюдения, подтверждает эту токсичность.
Как же объяснить тогда, что при болезни Альцгеймера и Паркинсона у больных были зафиксированы низкие уровни витамина С в плазме крови? Этот парадокс, по мнению ученых, скорее всего, отражает усиление окислительной деградации витамина, а не его недостаточное потребление.
В одном из исследований уровни пентозидина (КПГ) в плазме были повышены у 180 субъектов с легкими когнитивными нарушениями и у 84 пациентов с БА. Точно так же было обнаружено повышенные уровни карбоксиметиллизина (одного из КПГ) в спинномозговой жидкости у пациентов с БА и повышенный уровень пентозидина в плазме у пациентов с сосудистой деменцией. Примечательно, что оба вида данных КПГ могут образовываться из витамина С.
Кроме повышения содержания свободных металлов существенную роль играет снижение уровня антиоксиданта глутатиона GSH, что будет способствовать окислению аскорбиновой кислоты и образованию MG-H1, что дополнительно усугубляется нарушением функции GSH-зависимой глиоксалазы I, поглощающей метилглиоксаль.
Как заключают авторы, именно аскорбиновая кислота, а не глюкоза, может быть основным источником гликированного повреждения при болезнях Альцгеймера и Паркинсона и катаракте.
Нейродегенерация
Ещё одна важная мишень в борьбе со старением — это нейродегенерация. Болезни Альцгеймера и Паркинсона, несмотря на их многолетнюю историю, так и остаются пока неизлечимыми и представляют немалую угрозу для пожилых людей.
Как сегодня считается учеными, воспаление — ключевой фактор развития болезни Альцгеймера (БА).
Взаимосвязь воспалительных процессов с развитием нейродегенеративных патологий известна ученым уже довольно давно. Так, ещё в 2018 году в Nature вышла работа немецких неврологов из Тюбингенского университета. Jonas Neher с коллегами описали, как под воздействием бактерий с последующей активацией иммунитета и воспалительных процессов в головном мозге мышей происходило усиленное образование скоплений бета-амилоида. Этот процесс достаточно только «запустить» — всего однократное стимулирование инфекцией формировало так называемый «порочный цикл»: активные иммунные клетки микроглии в мозге стимулировали отложение амилоида, который в свою очередь стимулировал активность микроглии. В связи с этим неслучайно, что скопления бета-амилоида при БА часто рассматривают сегодня как часть иммунного ответа организма на вторжение патогенов.
Как сегодня считается учеными, воспаление — ключевой фактор развития болезни Альцгеймера (БА).
Взаимосвязь воспалительных процессов с развитием нейродегенеративных патологий известна ученым уже довольно давно. Так, ещё в 2018 году в Nature вышла работа немецких неврологов из Тюбингенского университета. Jonas Neher с коллегами описали, как под воздействием бактерий с последующей активацией иммунитета и воспалительных процессов в головном мозге мышей происходило усиленное образование скоплений бета-амилоида. Этот процесс достаточно только «запустить» — всего однократное стимулирование инфекцией формировало так называемый «порочный цикл»: активные иммунные клетки микроглии в мозге стимулировали отложение амилоида, который в свою очередь стимулировал активность микроглии. В связи с этим неслучайно, что скопления бета-амилоида при БА часто рассматривают сегодня как часть иммунного ответа организма на вторжение патогенов.
Белок IFITM3 способствует накоплению бета-амилоида
Как именно воспалительные процессы влияют на ход развития БА, наконец наглядно продемонстрировали в недавней работе, вышедшей в журнале Nature, G. Frost и соавт. Американские биохимики смогли проследить, как именно активная иммунная система влияет на развитие нейродегенерации. Они обнаружили ключевой фактор в этих процессах — белок IFITM3.
IFITM3 участвует в иммунном ответе организма на вторжение патогенов (вирусов и бактерий). И, как оказалось, именно он способствует накоплению бета-амилоида, повышая активность фермента γ-секретазы.
Эта секретаза расщепляет белок-предшественник амилоида, превращая его в короткий пептид из 42 аминокислот — тот самый бета-амилоид.
Как показали эксперименты с животными, удаление IFITM3 снизило активность фермента гамма-секретазы и уменьшило количество амилоидных бляшек.
«Наши данные раскрывают механизм, в котором γ-секретаза модулируется нейровоспалением посредством IFITM3, увеличивая таким образом риск болезни Альцгеймера», — пишут ученые в своей блестящей работе.
IFITM3 участвует в иммунном ответе организма на вторжение патогенов (вирусов и бактерий). И, как оказалось, именно он способствует накоплению бета-амилоида, повышая активность фермента γ-секретазы.
Эта секретаза расщепляет белок-предшественник амилоида, превращая его в короткий пептид из 42 аминокислот — тот самый бета-амилоид.
Как показали эксперименты с животными, удаление IFITM3 снизило активность фермента гамма-секретазы и уменьшило количество амилоидных бляшек.
«Наши данные раскрывают механизм, в котором γ-секретаза модулируется нейровоспалением посредством IFITM3, увеличивая таким образом риск болезни Альцгеймера», — пишут ученые в своей блестящей работе.
TREM2 — фактор развития болезни Альцгеймера
TREM2 — рецептор миелоидных клеток. Ещё 20 лет назад обнаружили, что мутации в его гене ведут к деменциям и раннему началу и повышенному риску Альцгеймера. Этот рецептор связан с активностью макрофагов, которые подчищают скопления бета-амилоида.
Когда TREM2 мало, снижается активность макрофагов и микроглии по борьбе с амилоидами. TREM2 активирует уникальный тип микроглии, состоящей из фагоцитарных клеток (микроглия, связанная с нейродегенеративными заболеваниями микроглия, DAM), которая борется с Альцгеймером.
Когда TREM2 мало, снижается активность макрофагов и микроглии по борьбе с амилоидами. TREM2 активирует уникальный тип микроглии, состоящей из фагоцитарных клеток (микроглия, связанная с нейродегенеративными заболеваниями микроглия, DAM), которая борется с Альцгеймером.
Рис. 13. Активация микроглии DAM посредством TREM2. Источник.
Сегодня считается что TREM2 действует по 3 направлениям:
Как пишут B. Lamb и соавторы в своей статье «Воспаление как центральный механизм болезни Альцгеймера», «Недавняя идентификация ряда генетических вариантов TREM2 вызвала бурю исследований механистического вклада этого критического важного иммунорегулирующего рецептора в патогенез БА и многих других нейродегенеративных заболеваний».
Тем не менее, необходимо иметь в виду двойную роль TREM 2 в нейродегенерации: на ранних стадиях защитная, на поздних — он может усугублять болезнь, усиливая воспаление.
- Регуляция фагоцитарных и аутофагических процессов;
- Выживаемость и пролиферация миелоидных клеток;
- Регуляция воспаления.
Как пишут B. Lamb и соавторы в своей статье «Воспаление как центральный механизм болезни Альцгеймера», «Недавняя идентификация ряда генетических вариантов TREM2 вызвала бурю исследований механистического вклада этого критического важного иммунорегулирующего рецептора в патогенез БА и многих других нейродегенеративных заболеваний».
Тем не менее, необходимо иметь в виду двойную роль TREM 2 в нейродегенерации: на ранних стадиях защитная, на поздних — он может усугублять болезнь, усиливая воспаление.
Болезнь Альцгеймера и инфламмасома NLRP3
M. Heneka с коллегами выпустили в этом году работу по взаимосвязи инфламмасомы NLRP3 с болезнью Альцгеймера (БА).
Как известно, патологическими признаками БА выступают отложение внеклеточного β-амилоида (Aβ) и агрегация нейрофибриллярных клубков, состоящих из тау-белка. У здоровых людей очистки Aβ и тау поддерживаются микроглией мозга (иммунными клетками центральной нервной системы). При этом распознавание фибриллярного Aβ в качестве молекулярного фрагмента, связанного с повреждением (DAMP), быстро запускает активацию инфламмасомы NLRP3.
Как мы уже рассказали выше, БА может быть связана с микробной и вирусной инфекцией с последующей активацией инфламмасомы и воспаления. В состав NLRP3-инфламмасомы входит белок АSC. Было установлено, что при усилении воспаления ASC накапливается в белковых агрегатах, названных пятнами ASC. Исследователи описали, как Aβ связывался с пятнами ASC, вызывая затем гибель клеток посредством пироптоза. И затем с дальнейшим развитием прионоподобных реакций. Когда после гибели клеток высвобождающийся ASC встраивался в активированную инфламмасому NLRP3, снова запуская пироптоз клеток. При этом связанные Aβ с ASC были недоступны для очистки микроглией.
Как известно, патологическими признаками БА выступают отложение внеклеточного β-амилоида (Aβ) и агрегация нейрофибриллярных клубков, состоящих из тау-белка. У здоровых людей очистки Aβ и тау поддерживаются микроглией мозга (иммунными клетками центральной нервной системы). При этом распознавание фибриллярного Aβ в качестве молекулярного фрагмента, связанного с повреждением (DAMP), быстро запускает активацию инфламмасомы NLRP3.
Как мы уже рассказали выше, БА может быть связана с микробной и вирусной инфекцией с последующей активацией инфламмасомы и воспаления. В состав NLRP3-инфламмасомы входит белок АSC. Было установлено, что при усилении воспаления ASC накапливается в белковых агрегатах, названных пятнами ASC. Исследователи описали, как Aβ связывался с пятнами ASC, вызывая затем гибель клеток посредством пироптоза. И затем с дальнейшим развитием прионоподобных реакций. Когда после гибели клеток высвобождающийся ASC встраивался в активированную инфламмасому NLRP3, снова запуская пироптоз клеток. При этом связанные Aβ с ASC были недоступны для очистки микроглией.
Нарушение ферментативного гликозилирования
Как показало свежее исследование испанских неврологов, вместе с повышенным неферментативным гликированием, ускоряющим образование бета-амилоида и воспаление, в мозге пациентов с БА наблюдается нарушение нормального, ферментативного гликозилирования белка-предшественника амилоида.
Белок-предшественник амилоида (АРР) представляет собой трансмембранный гликопротеин, который подвергается альтернативному протеолитическому процессингу.
Его процессинг (разложение) посредством амилоидогенного пути дает большой фрагмент эктодомена sAPPβ и β-амилоидный пептид. В то время как неамилоидогенный процессинг генерирует sAPPα и более короткие нефибриллярные (то есть не склонные к агрегации и накоплению) фрагменты.
Синтезированный APP подвергается различным посттрансляционным модификациям, включая N- и O-связанное гликозилирование, и его последовательный протеолитический процессинг, либо через амилоидогенный, либо неамилоидогенный пути, происходит после гликозилирования.
И как показали полученные результаты, изменение нормального гликозилирования определяло путь «дозревания» APP в сторону амилоидогенного, с ускорением развития БА.
Белок-предшественник амилоида (АРР) представляет собой трансмембранный гликопротеин, который подвергается альтернативному протеолитическому процессингу.
Его процессинг (разложение) посредством амилоидогенного пути дает большой фрагмент эктодомена sAPPβ и β-амилоидный пептид. В то время как неамилоидогенный процессинг генерирует sAPPα и более короткие нефибриллярные (то есть не склонные к агрегации и накоплению) фрагменты.
Синтезированный APP подвергается различным посттрансляционным модификациям, включая N- и O-связанное гликозилирование, и его последовательный протеолитический процессинг, либо через амилоидогенный, либо неамилоидогенный пути, происходит после гликозилирования.
И как показали полученные результаты, изменение нормального гликозилирования определяло путь «дозревания» APP в сторону амилоидогенного, с ускорением развития БА.
Мобильные элементы
Мобильные генетические элементы (ретротранспозоны) также играют большую и важную роль в старении. Известно, что они увеличивают свою активность в процессе старения, что связано с развитием воспаления и ряда возрастных патологий. В том числе — и с болезнью Альцгеймера.
В молодом организме МГЭ находятся под строгим контролем и зарепрессированы. А значит, считывание с них информации и транскрипция (синтез иРНК) невозможен. Поэтому целью исследования, опубликованного в журнале Aging Cell, было показать, растет ли количество иРНК, считанных с МГЭ, с возрастом.
Ученые провели анализ существующего набора данных секвенирования РНК, собранных из клеток кожи здоровых людей в возрасте от 1 до 94 лет. Действительно, у пожилых людей количество транскриптов большинства основных типов мобильных элементов было увеличено.
На втором этапе исследователи подтвердили свои первоначальные выводы, выполнив лабораторные анализы клеток кожи из биобанка. Используя флуоресцентную микроскопию, авторы пометили транскрипт одного из транспозонов — Charlie5. Это дало возможность отслеживать активность Charlie5 с возрастом. Как и предполагалось, клетки кожи пожилых людей показали заметное накопление транскрипта Charlie5 по сравнению с клетками более молодых людей, показывая, что повторяющиеся элементы РНК накапливаются с возрастом.
На следующем этапе ученые «состарили» клетки кожи УФ-излучением (как при загаре на солнце). И снова ученые зафиксировали более высокие уровни РНК мобильных элементов в клетках, подвергшихся воздействию излучения. В дополнение к этому, более высокая активность мобильных элементов была отмечена при старении червя Caenorhabditis elegans и у людей с прогерией Хатчинсона-Гилфорда (HGPS), синдромом преждевременного старения.
По мнению ученых, полученные результаты подтверждают весомую роль мобильных элементов в старении: «Мы использовали несколько наборов данных RNA-seq, полученных из образцов человека и Caenorhabditis elegans, и обнаружили, что большинство транскриптов мобильных элементов (RE): 1) постепенно накапливаются с возрастом, 2) могут использоваться для точного прогнозирования возраста и 3) могут быть хорошим маркером биологического возраста. Наблюдаемые нами сильные корреляции RE / старение согласуются с растущими доказательствами того, что транскрипты RE вносят непосредственный вклад в старение и болезни».
Ещё одну примечательную взаимосвязь мобильных элементов с нейронами обнаружили в новой работе D. Trono с коллегами. Они показали, что мобильные элементы играют важную роль в развитии человеческого мозга.
Ученые обнаружили, что мобильные элементы регулируют развитие мозга, взаимодействуя с двумя специализированными белками из семейства белков KZFP (Krüppel-associated box-containing zinc finger proteins). Как показал проведенный ранее филогенетический анализ, два белка из этого семейства, ZNF417 и ZNF587, появились в геноме приматов из человеческого эндогенного ретровируса HERVK. Первый, ZNF417, появился в геноме около 43 миллионов лет назад, второй, ZNF587, возник в результате дупликации примерно 24 миллиона лет спустя. Предыдущие исследования этой же команды показали, что ZNF417 и ZNF587 контролируют (репрессируют) активность мобильных элементов в период развития плода.
Затем ученые обнаружили, что оба эти белка экспрессируются в определенных областях развивающегося и взрослого мозга человека. При этом, они продолжали контролировать активность мобильных элементов в нейронах. В результате эти два KZFP влияли на профиль дифференцировки и нейротрансмиссии нейронов, а также защищали эти клетки от воспалительных реакций. Которые в противном случае запускались бы, если их целевые мобильные элементы повышали свою активность.
«Наши результаты показывают, как два белка, которые только недавно появились в процессе эволюции, внесли свой вклад в формирование человеческого мозга, способствуя кооптации мобильных элементов, этих вирусоподобных сущностей, которые с незапамятных времен реконструировали геном наших предков», — пишут авторы работы.
В молодом организме МГЭ находятся под строгим контролем и зарепрессированы. А значит, считывание с них информации и транскрипция (синтез иРНК) невозможен. Поэтому целью исследования, опубликованного в журнале Aging Cell, было показать, растет ли количество иРНК, считанных с МГЭ, с возрастом.
Ученые провели анализ существующего набора данных секвенирования РНК, собранных из клеток кожи здоровых людей в возрасте от 1 до 94 лет. Действительно, у пожилых людей количество транскриптов большинства основных типов мобильных элементов было увеличено.
На втором этапе исследователи подтвердили свои первоначальные выводы, выполнив лабораторные анализы клеток кожи из биобанка. Используя флуоресцентную микроскопию, авторы пометили транскрипт одного из транспозонов — Charlie5. Это дало возможность отслеживать активность Charlie5 с возрастом. Как и предполагалось, клетки кожи пожилых людей показали заметное накопление транскрипта Charlie5 по сравнению с клетками более молодых людей, показывая, что повторяющиеся элементы РНК накапливаются с возрастом.
На следующем этапе ученые «состарили» клетки кожи УФ-излучением (как при загаре на солнце). И снова ученые зафиксировали более высокие уровни РНК мобильных элементов в клетках, подвергшихся воздействию излучения. В дополнение к этому, более высокая активность мобильных элементов была отмечена при старении червя Caenorhabditis elegans и у людей с прогерией Хатчинсона-Гилфорда (HGPS), синдромом преждевременного старения.
По мнению ученых, полученные результаты подтверждают весомую роль мобильных элементов в старении: «Мы использовали несколько наборов данных RNA-seq, полученных из образцов человека и Caenorhabditis elegans, и обнаружили, что большинство транскриптов мобильных элементов (RE): 1) постепенно накапливаются с возрастом, 2) могут использоваться для точного прогнозирования возраста и 3) могут быть хорошим маркером биологического возраста. Наблюдаемые нами сильные корреляции RE / старение согласуются с растущими доказательствами того, что транскрипты RE вносят непосредственный вклад в старение и болезни».
Ещё одну примечательную взаимосвязь мобильных элементов с нейронами обнаружили в новой работе D. Trono с коллегами. Они показали, что мобильные элементы играют важную роль в развитии человеческого мозга.
Ученые обнаружили, что мобильные элементы регулируют развитие мозга, взаимодействуя с двумя специализированными белками из семейства белков KZFP (Krüppel-associated box-containing zinc finger proteins). Как показал проведенный ранее филогенетический анализ, два белка из этого семейства, ZNF417 и ZNF587, появились в геноме приматов из человеческого эндогенного ретровируса HERVK. Первый, ZNF417, появился в геноме около 43 миллионов лет назад, второй, ZNF587, возник в результате дупликации примерно 24 миллиона лет спустя. Предыдущие исследования этой же команды показали, что ZNF417 и ZNF587 контролируют (репрессируют) активность мобильных элементов в период развития плода.
Затем ученые обнаружили, что оба эти белка экспрессируются в определенных областях развивающегося и взрослого мозга человека. При этом, они продолжали контролировать активность мобильных элементов в нейронах. В результате эти два KZFP влияли на профиль дифференцировки и нейротрансмиссии нейронов, а также защищали эти клетки от воспалительных реакций. Которые в противном случае запускались бы, если их целевые мобильные элементы повышали свою активность.
«Наши результаты показывают, как два белка, которые только недавно появились в процессе эволюции, внесли свой вклад в формирование человеческого мозга, способствуя кооптации мобильных элементов, этих вирусоподобных сущностей, которые с незапамятных времен реконструировали геном наших предков», — пишут авторы работы.
Ретротранспозоны и нейродегенерация
Болезнь Лу Герига или боковой амиотрофический склероз (БАС) — это нейродегенеративное заболевание, приводящее к параличу и смерти. Лечения пока не существует, и только два препарата, одобренных FDA, слегка замедляют прогрессирование заболевания. Причины БАС до сих пор не до конца известны. У 90% пациентов нет известных генетических мутаций или семейной истории болезни.
Пролить свет на этиологию болезни помогла работа M. Hammell с коллегами. Они использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы найти закономерности в транскриптомах посмертных образцов ткани мозга. Были проанализированы данные 148 транскриптомов пациентов с БАС из коллекции NYGC ALS Consortium.
Полученные результаты показали, что большинство образцов тканей мозга пациентов с БАС имеют признаки окислительного и протеотоксического стресса. Также имелись признаки активации микроглии. И, что примечательно, в части образцов были обнаружены высокие уровни экспрессии ретротранспозонов. Также были зафиксированы изменения в гене TARDBP, который кодирует белок TDP-43.
Ранее было известно, что у спорадических больных БАС наблюдается цитоплазматическое накопление и агрегация белка TDP-43 в моторной коре и спинном мозге — двух тканях, где происходит потеря двигательных нейронов. Почти у всех пациентов с БАС в пораженных тканях обнаруживаются цитоплазматические агрегаты TDP-43. Но какова его роль? Оказывается, этот белок как раз связан с регулированием активности ретротранспозонов.
То есть, когда TDP-43 накапливается в сгустках или агрегатах в нервных клетках пациентов с БАС, он не может подавлять прыгающие гены.
Характерно, что протеинопатии TDP-43 встречаются примерно у половины людей с болезнью Альцгеймера. Что позволяет ученым рассматривать нарушение функции этого белка, связанной с репрессией мобильных элементов, как один из факторов развития нейродегенерации.
Пролить свет на этиологию болезни помогла работа M. Hammell с коллегами. Они использовали алгоритмы машинного обучения, чтобы найти закономерности в транскриптомах посмертных образцов ткани мозга. Были проанализированы данные 148 транскриптомов пациентов с БАС из коллекции NYGC ALS Consortium.
Полученные результаты показали, что большинство образцов тканей мозга пациентов с БАС имеют признаки окислительного и протеотоксического стресса. Также имелись признаки активации микроглии. И, что примечательно, в части образцов были обнаружены высокие уровни экспрессии ретротранспозонов. Также были зафиксированы изменения в гене TARDBP, который кодирует белок TDP-43.
Ранее было известно, что у спорадических больных БАС наблюдается цитоплазматическое накопление и агрегация белка TDP-43 в моторной коре и спинном мозге — двух тканях, где происходит потеря двигательных нейронов. Почти у всех пациентов с БАС в пораженных тканях обнаруживаются цитоплазматические агрегаты TDP-43. Но какова его роль? Оказывается, этот белок как раз связан с регулированием активности ретротранспозонов.
То есть, когда TDP-43 накапливается в сгустках или агрегатах в нервных клетках пациентов с БАС, он не может подавлять прыгающие гены.
Характерно, что протеинопатии TDP-43 встречаются примерно у половины людей с болезнью Альцгеймера. Что позволяет ученым рассматривать нарушение функции этого белка, связанной с репрессией мобильных элементов, как один из факторов развития нейродегенерации.
ZBP1 — активатор воспаления и гибели клеток
И чтобы два раза не вставать, ещё один ретроэлемент, и его роль в воспалении.
Белок ZBP1 — участник антивирусной защиты. Но было обнаружено, что он может стимулировать воспаление и вызывать гибель клеток даже при отсутствии вирусной инфекции. Что же заставляет этот белок проявлять провоспалительную активность, когда вируса вовсе нет?
В недавней работе, опубликованной в журнале Nature, M. Pasparakis и соавт. обнаружили, что ZBP1 активируется необычной формой клеточного генетического материала — Z-нуклеиновыми кислотами.
Что это за загадочные нуклеиновые кислоты? Это те же ДНК и РНК, они тоже двухцепочечные, но в отличие от классической правозакрученной спирали, открытой Уотсоном и Криком, они закручены в левую сторону.
Z-нуклеиновые кислоты были открыты более 40 лет назад, но их биологическая функция остается пока плохо изученной. Так вот, белок ZBP1 — это один из двух белков у млекопитающих, который действует как сенсор по детектированию Z-нуклеиновых кислот.
Используя мышиные модели, авторы обнаружили, что провоспалительную активность ZBP1 проявляет в ответ на его связывание с Z-нуклеиновыми кислотами, а именно — с левосторонними двухцепочечными РНК. Тут может возникнуть вопрос. Ведь все знают, что двуцепочечная молекула — это ДНК, а РНК или одноцепочечные, или, в крайнем случае, кольцевые. Но двухцепочечная РНК (дцРНК) тоже бывает, хоть и редко встречается в клетках: образуется во время репликации определенных вирусных геномов. Ученые предположили, что клеточная дцРНК может продуцироваться «домашними вирусами», т.е. эндогенными ретроэлементами. И проведенный анализ подтвердил это предположение.
Клеточная дцРНК эндогенных ретроэлементов активирует ZBP1, вызывая гибель клеток и воспаление. По мнению авторов работы, как и при вирусной инфекции, обнаружение Z-РНК, продуцируемой эндогенными ретроэлементами, белком ZBP1, может быть одним из пусковых механизмов развития воспаления, гибели клеток и возникновения заболеваний. И это может иметь свою связь со старением: как мы знаем, некоторые эндогенные ретроэлементы (такие как L-1 и Alu) могут быть дерепрессированы и увеличивать свою активность с возрастом.
Белок ZBP1 — участник антивирусной защиты. Но было обнаружено, что он может стимулировать воспаление и вызывать гибель клеток даже при отсутствии вирусной инфекции. Что же заставляет этот белок проявлять провоспалительную активность, когда вируса вовсе нет?
В недавней работе, опубликованной в журнале Nature, M. Pasparakis и соавт. обнаружили, что ZBP1 активируется необычной формой клеточного генетического материала — Z-нуклеиновыми кислотами.
Что это за загадочные нуклеиновые кислоты? Это те же ДНК и РНК, они тоже двухцепочечные, но в отличие от классической правозакрученной спирали, открытой Уотсоном и Криком, они закручены в левую сторону.
Z-нуклеиновые кислоты были открыты более 40 лет назад, но их биологическая функция остается пока плохо изученной. Так вот, белок ZBP1 — это один из двух белков у млекопитающих, который действует как сенсор по детектированию Z-нуклеиновых кислот.
Используя мышиные модели, авторы обнаружили, что провоспалительную активность ZBP1 проявляет в ответ на его связывание с Z-нуклеиновыми кислотами, а именно — с левосторонними двухцепочечными РНК. Тут может возникнуть вопрос. Ведь все знают, что двуцепочечная молекула — это ДНК, а РНК или одноцепочечные, или, в крайнем случае, кольцевые. Но двухцепочечная РНК (дцРНК) тоже бывает, хоть и редко встречается в клетках: образуется во время репликации определенных вирусных геномов. Ученые предположили, что клеточная дцРНК может продуцироваться «домашними вирусами», т.е. эндогенными ретроэлементами. И проведенный анализ подтвердил это предположение.
Клеточная дцРНК эндогенных ретроэлементов активирует ZBP1, вызывая гибель клеток и воспаление. По мнению авторов работы, как и при вирусной инфекции, обнаружение Z-РНК, продуцируемой эндогенными ретроэлементами, белком ZBP1, может быть одним из пусковых механизмов развития воспаления, гибели клеток и возникновения заболеваний. И это может иметь свою связь со старением: как мы знаем, некоторые эндогенные ретроэлементы (такие как L-1 и Alu) могут быть дерепрессированы и увеличивать свою активность с возрастом.
клеточное старение
Клеточное старение сегодня рассматривается учеными-геронтологами как один из главных признаков старения.
Как мы знаем, сенесцентные клетки — это клетки, утратившие свою способность к делению, но избежавшие клеточной гибели. Они секретируют ряд провоспалительных молекул (то, что называется секреторным фенотипом, ассоциированным с клеточным старением, SASP). Поэтому сенесцентные клетки считаются вредными, и борьба с ними при помощи сенолитиков — один из известных подходов в антивозрастных исследованиях.
Как мы знаем, сенесцентные клетки — это клетки, утратившие свою способность к делению, но избежавшие клеточной гибели. Они секретируют ряд провоспалительных молекул (то, что называется секреторным фенотипом, ассоциированным с клеточным старением, SASP). Поэтому сенесцентные клетки считаются вредными, и борьба с ними при помощи сенолитиков — один из известных подходов в антивозрастных исследованиях.
CCN1 как активатор клеточного старения
Алексей Москалев и Александр Фединцев в своей недавней работе (мы уже разбирали её ранее, когда говорили о межклеточном матриксе), описали другую точку зрения на клеточное старение. По их мнению, клеточное старение может быть антифибротической программой.
Индуцируется сенесцентность сигнальным белком CCN1. В ответ на повреждение ДНК белок CCN1 запускает два механизма: 1) активирует белок p53 и 2) вызывает генерацию АФК. После этого происходит активация киназ ERK и p38 MAPK и сигнального пути клеточного старения p16INK4a / pRb.
По предположению А. Москалева и А. Фединцева, жесткий внеклеточный матрикс также может активировать клеточное старение посредством сверхэкспрессии CCN1.
Жесткость матрикса может быть вызвана фиброзом, и тогда запуск старения клеток является адаптивным. Этот процесс уже описан. Так, Cornelius Miething с коллегами продемонстрировали, что старение звездчатых клеток печени совершенно необходимо, чтобы остановить фиброзогенные процессы в печени. В ответ на повреждение печени звездчатые клетки вначале пролиферируют, формируя фиброзный рубец, а потом становятся сенесцентными, приостанавливая процесс фиброза.
У мышей, лишенных ключевых регуляторов клеточного старения, звездчатые клетки продолжали пролиферировать, что приводил к чрезмерному фиброзу печени. Стареющие активированные звездчатые клетки демонстрировали остановку клеточного цикла, сниженную секрецию компонентов внеклеточного матрикса, и напротив, повышенную секрецию ферментов, разрушающих внеклеточный матрикс. Таким образом, программа клеточного старения ограничивает фиброгенный ответ на острое повреждение тканей.
Во второй работе, 2020 года, Z. Bian с коллегами подробнее описали взаимосвязь развития неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), белка ССN1 и клеточного старения.
При этом избыточно активный CCN1 играл пагубную роль в утяжелении НАЖБП, усугубляя воспаление и стеатоз. Картина по предположению ученых может быть примерно такая: после повреждения ткани звездчатые клетки печени активируются и интенсивно размножаются, секретируя компоненты внеклеточного матрикса.
Затем под воздействием CCN1, как регулятора их действия, развивается клеточное старение этих клеток. Они стареют и в конечном итоге удаляются, чтобы защитить печень от чрезмерной фиброгенной реакции на острое повреждение.
Но совсем другая картина складывается, если в организме развивается хроническое повреждение ткани, например, вызванное вирусным гепатитом или жировой болезнью печени. Тогда непрерывные циклы гибели гепатоцитов и пролиферации звездчатых клеток печени вызывают активацию CCN1, избыток стареющих клеток, внутриклеточное накопление триглицеридов, воспаление и стеатоз.
Но, как считают А. Москалев и А. Фединцев, внеклеточный матрикс, ставший жестким из-за гликирования и возрастного накопления сшивок коллагена, может действовать сходным образом с фиброзным внеклеточным матриксом: активируя клеточное старение. При этом очистка старых клеток в жестком «сшитом» матриксе будет затруднена из-за плохого доступа туда иммунных клеток.
Индуцируется сенесцентность сигнальным белком CCN1. В ответ на повреждение ДНК белок CCN1 запускает два механизма: 1) активирует белок p53 и 2) вызывает генерацию АФК. После этого происходит активация киназ ERK и p38 MAPK и сигнального пути клеточного старения p16INK4a / pRb.
По предположению А. Москалева и А. Фединцева, жесткий внеклеточный матрикс также может активировать клеточное старение посредством сверхэкспрессии CCN1.
Жесткость матрикса может быть вызвана фиброзом, и тогда запуск старения клеток является адаптивным. Этот процесс уже описан. Так, Cornelius Miething с коллегами продемонстрировали, что старение звездчатых клеток печени совершенно необходимо, чтобы остановить фиброзогенные процессы в печени. В ответ на повреждение печени звездчатые клетки вначале пролиферируют, формируя фиброзный рубец, а потом становятся сенесцентными, приостанавливая процесс фиброза.
У мышей, лишенных ключевых регуляторов клеточного старения, звездчатые клетки продолжали пролиферировать, что приводил к чрезмерному фиброзу печени. Стареющие активированные звездчатые клетки демонстрировали остановку клеточного цикла, сниженную секрецию компонентов внеклеточного матрикса, и напротив, повышенную секрецию ферментов, разрушающих внеклеточный матрикс. Таким образом, программа клеточного старения ограничивает фиброгенный ответ на острое повреждение тканей.
Во второй работе, 2020 года, Z. Bian с коллегами подробнее описали взаимосвязь развития неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), белка ССN1 и клеточного старения.
При этом избыточно активный CCN1 играл пагубную роль в утяжелении НАЖБП, усугубляя воспаление и стеатоз. Картина по предположению ученых может быть примерно такая: после повреждения ткани звездчатые клетки печени активируются и интенсивно размножаются, секретируя компоненты внеклеточного матрикса.
Затем под воздействием CCN1, как регулятора их действия, развивается клеточное старение этих клеток. Они стареют и в конечном итоге удаляются, чтобы защитить печень от чрезмерной фиброгенной реакции на острое повреждение.
Но совсем другая картина складывается, если в организме развивается хроническое повреждение ткани, например, вызванное вирусным гепатитом или жировой болезнью печени. Тогда непрерывные циклы гибели гепатоцитов и пролиферации звездчатых клеток печени вызывают активацию CCN1, избыток стареющих клеток, внутриклеточное накопление триглицеридов, воспаление и стеатоз.
Но, как считают А. Москалев и А. Фединцев, внеклеточный матрикс, ставший жестким из-за гликирования и возрастного накопления сшивок коллагена, может действовать сходным образом с фиброзным внеклеточным матриксом: активируя клеточное старение. При этом очистка старых клеток в жестком «сшитом» матриксе будет затруднена из-за плохого доступа туда иммунных клеток.
Рис 14. Предполагаемый механизм клеточного старения с участием жесткого матрикса и белка CCN1. Источник.
Принципиально новый класс сенолитиков
В ещё одном важном исследовании 2020 года американские ученые показали возможность использовать принципиально новый класс сенолитиков, которые обладают большим потенциалом в борьбе с сенесцентными клетками.
Как нам известно, в здоровом организме старые клетки удаляются иммунными Т-клетками и NK-клетками. S. Lowe с коллегами использовали этот момент в своей работе. Они адаптировали методику, применяемую в настоящее время для противоопухолевого лечения.
В этой терапии пациентам вводятся модифицированные Т-клетки, которые экспрессируют так называемый рецептор химерного антигена (CAR Т-клетки).
CAR предназначен для распознавания и связывания с определенным фрагментом белка антигеном, который присутствует на поверхности раковых клеток. Когда это взаимодействие происходит, Т-лимфоциты активируются и уничтожают опухолевые клетки.
Чтобы найти антигены, специфичные для стареющих клеток, S. Lowe с коллегами проанализировали экспрессию трансмембранных белков, обнаруженных в стареющих клетках человека и мыши.
Одним из таких выявленных белков был рецептор активатора плазминогена урокиназного типа (uPAR). Изучение ранее опубликованных данных об экспрессии белков и РНК в тканях человека показало, что uPAR либо не обнаруживается, либо присутствует только на низких уровнях в здоровом организме, в большинстве органов человеческого тела, включая центральную нервную систему, сердце и печень.
При этом uPAR высоко экспрессируется в стареющих клетках. А растворимая форма uPAR (suPAR), в которой отсутствует трансмембранная область, выступает одним из факторов SASP.
После идентификации uPAR как универсального маркера стареющих клеток, исследователи сконструировали CAR Т-клетки для нацеливания на uPAR. Как показали результаты экспериментов с животными и на клеточных культурах, CAR T-клетки, нацеленные на uPAR, эффективно уничтожали стареющие клетки как in vitro, так и in vivo.
Теперь, на следующем этапе исследований, исследователи планируют определить, возможно ли использовать сенолитические CAR Т-клетки для лечения пожилых людей, страдающих возрастными заболеваниями. Такими, как атеросклероз, диабет, остеоартрит и др.
Также будет важно определить, являются ли CAR T-клетки, нацеленные на uPAR человека, такими же безопасными и эффективными, как CAR T-клетки, нацеленные на uPAR мыши, которые использовали ученые в своих экспериментах. В качестве альтернативы, как предполагают ученые, их методику можно улучшить, используя сенолитические CAR Т-клетки, которые нацелены на другие белки, обнаруженные на поверхности стареющих клеток. Такие, как DPP4 или окисленный виментин.
Как нам известно, в здоровом организме старые клетки удаляются иммунными Т-клетками и NK-клетками. S. Lowe с коллегами использовали этот момент в своей работе. Они адаптировали методику, применяемую в настоящее время для противоопухолевого лечения.
В этой терапии пациентам вводятся модифицированные Т-клетки, которые экспрессируют так называемый рецептор химерного антигена (CAR Т-клетки).
CAR предназначен для распознавания и связывания с определенным фрагментом белка антигеном, который присутствует на поверхности раковых клеток. Когда это взаимодействие происходит, Т-лимфоциты активируются и уничтожают опухолевые клетки.
Чтобы найти антигены, специфичные для стареющих клеток, S. Lowe с коллегами проанализировали экспрессию трансмембранных белков, обнаруженных в стареющих клетках человека и мыши.
Одним из таких выявленных белков был рецептор активатора плазминогена урокиназного типа (uPAR). Изучение ранее опубликованных данных об экспрессии белков и РНК в тканях человека показало, что uPAR либо не обнаруживается, либо присутствует только на низких уровнях в здоровом организме, в большинстве органов человеческого тела, включая центральную нервную систему, сердце и печень.
При этом uPAR высоко экспрессируется в стареющих клетках. А растворимая форма uPAR (suPAR), в которой отсутствует трансмембранная область, выступает одним из факторов SASP.
После идентификации uPAR как универсального маркера стареющих клеток, исследователи сконструировали CAR Т-клетки для нацеливания на uPAR. Как показали результаты экспериментов с животными и на клеточных культурах, CAR T-клетки, нацеленные на uPAR, эффективно уничтожали стареющие клетки как in vitro, так и in vivo.
Теперь, на следующем этапе исследований, исследователи планируют определить, возможно ли использовать сенолитические CAR Т-клетки для лечения пожилых людей, страдающих возрастными заболеваниями. Такими, как атеросклероз, диабет, остеоартрит и др.
Также будет важно определить, являются ли CAR T-клетки, нацеленные на uPAR человека, такими же безопасными и эффективными, как CAR T-клетки, нацеленные на uPAR мыши, которые использовали ученые в своих экспериментах. В качестве альтернативы, как предполагают ученые, их методику можно улучшить, используя сенолитические CAR Т-клетки, которые нацелены на другие белки, обнаруженные на поверхности стареющих клеток. Такие, как DPP4 или окисленный виментин.
Перекисное окисление липидов
В 2020 году вышло ещё несколько интересных работ, на первый взгляд не связанных между собой. Все они рассматривают и описывают одни и те же механизмы в борьбе со старением. Механизмы, которые могут реально привести к прорыву в нашей области. Но, все по порядку.
Ещё 20 лет назад испанские биологи, Рейнальд Памплона с коллегами, обнаружили, что существует четкая корреляция между уровнем насыщенности жирных кислот в мембранах и продолжительностью жизни животных.
Чем больше в мембране ненасыщенных жирных кислот, тем меньше продолжительность жизни животного. Ненасыщенные ЖК — это те, что имеют в строении двойные связи. Ученые проследили последовательность, показывающую увеличение срока жизни при одновременном уменьшении содержания в мембранах ненасыщенной докозагексаеновой омега-3 жирной кислоты (она имеет целых 6 двойных связей, т.е. является полиненасыщенной, даже высоконенасыщенной): мышь (3,5 года), крыса (4 года), кролик (13 лет), овца (20 лет), свинья (27 лет), корова (30 лет) и лошадь (46 лет).
При этом в мембранах наблюдалось распределение между типами полиненасыщенных жирных кислот: от большого содержания высоконенасыщенной докозагексаеновой кислоты у короткоживущих видов до менее ненасыщенной — всего одна двойная связь — линолевой кислоты у долгоживущих.
Позже было проведено ещё несколько исследований, подтвердивших эту четкую зависимость продолжительности жизни животных от типа жирных кислот в мембранах их клеток и митохондрий.
Исследователи связывают этот факт с процессом, который называется перекисным окислением липидов (ПОЛ).
Как мы помним, в ходе различных биохимических процессов в клетке (а больше всего — в процессе работы дыхательной цепи митохондрий, пероксисом, системы цитохромов Р-450 и в фагоцитирующих клетках) образуются активные формы кислорода (АФК). Они являются свободными радикалами, т.е. имеют неспаренный электрон. Свободные радикалы ведут себя как агрессивные холостяки, всеми силами пытаясь добыть электрону пару, даже отобрав его у другой, гармоничной в своем строении, молекулы. Но если у молекулы забрать электрон, то она становится свободным радикалом, и реакция становится цепной — так возникает все больше и больше повреждающих агентов.
Среди них — новые АФК и предшественники конечных продуктов гликирования, такие, как метилглиоксаль.
Подвергаться «атаке» свободными радикалами могут различные молекулы, но наиболее часто — липиды. Этот процесс носит название перекисное окисление липидов (ПОЛ). По современным научным представлениям, ПОЛ — это аутокаталитический (то есть самоусиливающийся) процесс, распространяющийся по типу цепной реакции.
Для нейтрализации АФК в организме есть ферментативные и неферментативные системы антиоксидантной защиты, но иногда они не справляются с нарастающим оксидативным стрессом.
Альдегиды, образующиеся в результате ПОЛ, такие, как гидроксиноненаль и гидроксигексеналь, выступают важными вторичными радикалами. Они считаются ответственными за большую часть повреждений клеток, связанных с окислительным стрессом.
Чем выше ненасыщенность ЖК (чем больше она имеет двойных связей), тем она более чувствительна к окислению АФК. Как пишут Памплона и его коллеги, «неферментативная окислительная модификация макромолекул ткани связана со скоростью старения. Низкая степень ненасыщенности жирных кислот в биомембранах долгоживущих животных может дать преимущество за счет снижения их чувствительности к перекисному окислению липидов. И это может предотвратить повреждение других макромолекул в результате липоксидации».
Как же происходит перекисное окисление липидов?
Вначале свободный радикал атакует полиненасыщенную жирную кислоту (ПНЖК). Эти кислоты более подвержены окислению по сравнению с насыщенными жирными кислотами из-за наличия у них специфических участков в структуре — бис-аллильной метиленовой группы, СН2. Из-за неё у ПНЖК ослаблены водородно-углеродные связи. И свободный радикал легко «похищает» водород из бис-аллильного метилена. Что потом приводит к образованию углерод-центрированных радикалов внутри ПНЖК, то есть уже своих свободных радикалов.
Углерод-центрированные радикалы легко и быстро реагируют с молекулярным кислородом с образованием пероксильных радикалов, то есть переокисляются. Отсюда и название процесса — перекисное окисление. Это первая стадия, инициация перекисного окисления липидов.
Во второй стадии, продолжении цепной реакции, пероксильные радикалы, LОО• (точка (•) в названии свободного радикала означает наличие одного или более непарных электронов) запускают цепную реакцию окисления. Они отделяют водородный атом от близлежащих молекул, которые могут быть другими полиненасыщенными жирными кислотами, белками или нуклеиновыми кислотами, в результате чего образуются липидные гидропероксиды (LООH) и новые углерод-центрированные радикалы.
Гидропероксиды, в свою очередь, образуют реакционноспособные алкоксильные и гидроксильные радикалы, что способствует дальнейшему развитию цепной реакции. Эти радикалы при взаимодействии с другими жирными кислотами будут стимулировать новые радикальные цепные реакции.
При этом в процессе перикисного окисления липидов образуются токсичные соединения: липидные пероксиды, малоновый диальдегид, 2-алкеналы, 4-окси-2-алкеналы, главный побочный продукт перекисного окисления арахидоновой кислоты — 4-оксиноненал, липидные эпоксиды. Которые благодаря своей сравнительной стабильности, могут проникать в достаточно отдаленные части клетки или других клеток.
Откуда же берутся свободные радикалы, запускающие процессы ПОЛ? Известно, что свободные радикалы могут происходить из различных источников.
Эндогенные свободные радикалы генерируются при окислении различных молекул в цепи транспорта электронов в митохондриях в процессе производства энергии.
А также при функционировании различных ферментов: оксидаз, циклооксигеназ, липооксигеназ, дегидрогеназ и др. Установлено, что свободные радикалы могут генерироваться практически во всех клеточных структурах: митохондриях, лизосомах, пероксисомах, эндоплазматическом ретикулуме, плазматических мембранах, а также в некоторых компартментах цитозоля клетки.
Экзогенные (внешние) источники свободных радикалов включают в себя табачный дым, продукты сгорания различных веществ, ряд лекарственных препаратов, пестициды, а также повышенное парциальное давление кислорода в окружающей среде. Метаболизм этих соединений в организме сопровождается образованием свободно-радикальных промежуточных продуктов, которые инициируют окислительное повреждение тканей и повышают нагрузку на системы АО защиты.
Из числа перечисленных выше источников генерации свободных радикалов четыре, по мнению ученых, являются основными и привлекают наибольшее внимание. Это электрон-транспортная цепь в митохондриях, пероксисомы, система цитохромов Р-450 и фагоцитирующие клетки.
Рошель Баффенштайн, которая известна нам своими исследованиями по голому землекопу, показала вместе с коллегами в одной из своих работ, что устойчивые к окислению мембранные фосфолипиды могут быть в значительной мере связаны с долголетием зверька. И объяснить разницу почти в 9 раз в продолжительности жизни у голых землекопов (самых долгоживущих грызунов, 28 лет) и мышей (грызунов такого же размера, но живут всего 3 года).
Ученые измерили количество ненасыщенных жирных кислот в мембранах обоих видов грызунов. И показали, что у мышей было в 9 раз больше докозагексаеновой кислоты (DHA) — самой чувствительной к перекисному окислению липидов. При этом известно, что уровень окислительного стресса и производства АФК у голых землекопов не ниже, чем у мышей.
Все эти результаты показывают, что состав фосфолипидов мембран является важным фактором долголетия и может смягчать негативные последствия окислительного стресса.
Здесь надо добавить, что кроме более устойчивых к окислению мембран, у голых землекопов сформирована и более совершенная антиоксидантная защита. Так, уровень одного из ключевых антиоксидантных ферментов, глутатион-S-трансферазы (о котором мы ещё расскажем дальше), у них в несколько раз выше, чем у мышей. Кроме этого, у голых землекопов, как показали исследования, гораздо выше, чем у мышей, скорость детоксикации в митохондриях клеток сердца и скелетных мышц одной из АФК — пероксида водорода.
В этом году команда Памплона, которая активно все прошедшие 20 лет изучала процессы, связанные с жирными кислотами, окислительным стрессом и долголетием, опубликовала новую важную работу. В ней они рассказали об одном из продуктов ПОЛ — малоновом диальдегиде — и его вкладе в процессы старения.
Ещё 20 лет назад испанские биологи, Рейнальд Памплона с коллегами, обнаружили, что существует четкая корреляция между уровнем насыщенности жирных кислот в мембранах и продолжительностью жизни животных.
Чем больше в мембране ненасыщенных жирных кислот, тем меньше продолжительность жизни животного. Ненасыщенные ЖК — это те, что имеют в строении двойные связи. Ученые проследили последовательность, показывающую увеличение срока жизни при одновременном уменьшении содержания в мембранах ненасыщенной докозагексаеновой омега-3 жирной кислоты (она имеет целых 6 двойных связей, т.е. является полиненасыщенной, даже высоконенасыщенной): мышь (3,5 года), крыса (4 года), кролик (13 лет), овца (20 лет), свинья (27 лет), корова (30 лет) и лошадь (46 лет).
При этом в мембранах наблюдалось распределение между типами полиненасыщенных жирных кислот: от большого содержания высоконенасыщенной докозагексаеновой кислоты у короткоживущих видов до менее ненасыщенной — всего одна двойная связь — линолевой кислоты у долгоживущих.
Позже было проведено ещё несколько исследований, подтвердивших эту четкую зависимость продолжительности жизни животных от типа жирных кислот в мембранах их клеток и митохондрий.
Исследователи связывают этот факт с процессом, который называется перекисным окислением липидов (ПОЛ).
Как мы помним, в ходе различных биохимических процессов в клетке (а больше всего — в процессе работы дыхательной цепи митохондрий, пероксисом, системы цитохромов Р-450 и в фагоцитирующих клетках) образуются активные формы кислорода (АФК). Они являются свободными радикалами, т.е. имеют неспаренный электрон. Свободные радикалы ведут себя как агрессивные холостяки, всеми силами пытаясь добыть электрону пару, даже отобрав его у другой, гармоничной в своем строении, молекулы. Но если у молекулы забрать электрон, то она становится свободным радикалом, и реакция становится цепной — так возникает все больше и больше повреждающих агентов.
Среди них — новые АФК и предшественники конечных продуктов гликирования, такие, как метилглиоксаль.
Подвергаться «атаке» свободными радикалами могут различные молекулы, но наиболее часто — липиды. Этот процесс носит название перекисное окисление липидов (ПОЛ). По современным научным представлениям, ПОЛ — это аутокаталитический (то есть самоусиливающийся) процесс, распространяющийся по типу цепной реакции.
Для нейтрализации АФК в организме есть ферментативные и неферментативные системы антиоксидантной защиты, но иногда они не справляются с нарастающим оксидативным стрессом.
Альдегиды, образующиеся в результате ПОЛ, такие, как гидроксиноненаль и гидроксигексеналь, выступают важными вторичными радикалами. Они считаются ответственными за большую часть повреждений клеток, связанных с окислительным стрессом.
Чем выше ненасыщенность ЖК (чем больше она имеет двойных связей), тем она более чувствительна к окислению АФК. Как пишут Памплона и его коллеги, «неферментативная окислительная модификация макромолекул ткани связана со скоростью старения. Низкая степень ненасыщенности жирных кислот в биомембранах долгоживущих животных может дать преимущество за счет снижения их чувствительности к перекисному окислению липидов. И это может предотвратить повреждение других макромолекул в результате липоксидации».
Как же происходит перекисное окисление липидов?
Вначале свободный радикал атакует полиненасыщенную жирную кислоту (ПНЖК). Эти кислоты более подвержены окислению по сравнению с насыщенными жирными кислотами из-за наличия у них специфических участков в структуре — бис-аллильной метиленовой группы, СН2. Из-за неё у ПНЖК ослаблены водородно-углеродные связи. И свободный радикал легко «похищает» водород из бис-аллильного метилена. Что потом приводит к образованию углерод-центрированных радикалов внутри ПНЖК, то есть уже своих свободных радикалов.
Углерод-центрированные радикалы легко и быстро реагируют с молекулярным кислородом с образованием пероксильных радикалов, то есть переокисляются. Отсюда и название процесса — перекисное окисление. Это первая стадия, инициация перекисного окисления липидов.
Во второй стадии, продолжении цепной реакции, пероксильные радикалы, LОО• (точка (•) в названии свободного радикала означает наличие одного или более непарных электронов) запускают цепную реакцию окисления. Они отделяют водородный атом от близлежащих молекул, которые могут быть другими полиненасыщенными жирными кислотами, белками или нуклеиновыми кислотами, в результате чего образуются липидные гидропероксиды (LООH) и новые углерод-центрированные радикалы.
Гидропероксиды, в свою очередь, образуют реакционноспособные алкоксильные и гидроксильные радикалы, что способствует дальнейшему развитию цепной реакции. Эти радикалы при взаимодействии с другими жирными кислотами будут стимулировать новые радикальные цепные реакции.
При этом в процессе перикисного окисления липидов образуются токсичные соединения: липидные пероксиды, малоновый диальдегид, 2-алкеналы, 4-окси-2-алкеналы, главный побочный продукт перекисного окисления арахидоновой кислоты — 4-оксиноненал, липидные эпоксиды. Которые благодаря своей сравнительной стабильности, могут проникать в достаточно отдаленные части клетки или других клеток.
Откуда же берутся свободные радикалы, запускающие процессы ПОЛ? Известно, что свободные радикалы могут происходить из различных источников.
Эндогенные свободные радикалы генерируются при окислении различных молекул в цепи транспорта электронов в митохондриях в процессе производства энергии.
А также при функционировании различных ферментов: оксидаз, циклооксигеназ, липооксигеназ, дегидрогеназ и др. Установлено, что свободные радикалы могут генерироваться практически во всех клеточных структурах: митохондриях, лизосомах, пероксисомах, эндоплазматическом ретикулуме, плазматических мембранах, а также в некоторых компартментах цитозоля клетки.
Экзогенные (внешние) источники свободных радикалов включают в себя табачный дым, продукты сгорания различных веществ, ряд лекарственных препаратов, пестициды, а также повышенное парциальное давление кислорода в окружающей среде. Метаболизм этих соединений в организме сопровождается образованием свободно-радикальных промежуточных продуктов, которые инициируют окислительное повреждение тканей и повышают нагрузку на системы АО защиты.
Из числа перечисленных выше источников генерации свободных радикалов четыре, по мнению ученых, являются основными и привлекают наибольшее внимание. Это электрон-транспортная цепь в митохондриях, пероксисомы, система цитохромов Р-450 и фагоцитирующие клетки.
Рошель Баффенштайн, которая известна нам своими исследованиями по голому землекопу, показала вместе с коллегами в одной из своих работ, что устойчивые к окислению мембранные фосфолипиды могут быть в значительной мере связаны с долголетием зверька. И объяснить разницу почти в 9 раз в продолжительности жизни у голых землекопов (самых долгоживущих грызунов, 28 лет) и мышей (грызунов такого же размера, но живут всего 3 года).
Ученые измерили количество ненасыщенных жирных кислот в мембранах обоих видов грызунов. И показали, что у мышей было в 9 раз больше докозагексаеновой кислоты (DHA) — самой чувствительной к перекисному окислению липидов. При этом известно, что уровень окислительного стресса и производства АФК у голых землекопов не ниже, чем у мышей.
Все эти результаты показывают, что состав фосфолипидов мембран является важным фактором долголетия и может смягчать негативные последствия окислительного стресса.
Здесь надо добавить, что кроме более устойчивых к окислению мембран, у голых землекопов сформирована и более совершенная антиоксидантная защита. Так, уровень одного из ключевых антиоксидантных ферментов, глутатион-S-трансферазы (о котором мы ещё расскажем дальше), у них в несколько раз выше, чем у мышей. Кроме этого, у голых землекопов, как показали исследования, гораздо выше, чем у мышей, скорость детоксикации в митохондриях клеток сердца и скелетных мышц одной из АФК — пероксида водорода.
В этом году команда Памплона, которая активно все прошедшие 20 лет изучала процессы, связанные с жирными кислотами, окислительным стрессом и долголетием, опубликовала новую важную работу. В ней они рассказали об одном из продуктов ПОЛ — малоновом диальдегиде — и его вкладе в процессы старения.
Роль малонового диальдегида в старении
Малоновый диальдегид (MDA) образуется в организме под воздействием перекисного окисления липидов клеточных мембран (преимущественно — полиненасыщенных арахидоновой и докозагексаеновой).
MDA образуется повсеместно в организме, поскольку богатые липидами клеточные и митохондриальные мембраны присутствуют во всех клетках и обеспечивают оптимальную среду для производства большого количества этого соединения.
По сравнению с активными формами кислорода, MDA имеет относительно длительный период полураспада и характерную структуру, что делает его потенциально более разрушительным соединением.
MDA образуется повсеместно в организме, поскольку богатые липидами клеточные и митохондриальные мембраны присутствуют во всех клетках и обеспечивают оптимальную среду для производства большого количества этого соединения.
По сравнению с активными формами кислорода, MDA имеет относительно длительный период полураспада и характерную структуру, что делает его потенциально более разрушительным соединением.
Рис 15. Образование и метаболизм малонового диальдегида (МДА). МДА может продуцироваться двумя путями: 1) через разложение арахидоновой кислоты (АА) и более крупных ПНЖК в качестве побочного продукта в ходе ферментативных процессов по биосинтезу тромбоксана а2 (TXA2) и 12-l-гидрокси-5,8,10-гептадекатриеновой кислоты (HHT) (синий путь); 2) во время неферментативных процессов при воздействии эндопероксидов, образующихся при перекисном окислении липидов (Красный Путь). Образовавшийся МДА может быть ферментативно метаболизирован (зеленый путь). Ключевые ферменты, участвующие в образовании и метаболизме МДА: циклооксигеназа (1), простациклингидропероксидаза (2), тромбоксансинтаза (3), альдегиддегидрогеназа (4), декарбоксилаза (5), ацетил КоА-синтаза (6) и цикл трикарбоновых кислот (7). Источник.
MDA может неферментативно модифицировать множество молекул: белков, нуклеиновых кислот и аминофосфолипидов. Так, неферментативное присоединение MDA к аминогруппам белка приводит к образованию малонового диальдегид-лизина (MDALys), конечного продукта липоокисления (по аналогии с конечными продуктами гликирования).
Хотя MDA-модифицированные белки в основном расположены в митохондриях, они также описаны в других местах, таких как ядро, цитозоль и клеточная мембрана, а также внеклеточные компартменты. Эти наблюдения демонстрируют легкость миграции MDA благодаря его химическим свойствам.
Как пишут Памплона с коллегами, модификация белков MDA наблюдается при развитии практически всех возрастных патологий. Среди них: метаболический синдром, диабет 2 типа и его осложнения, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания.
Кроме этого, как показывают исследования, в процессе старения происходит увеличение производства MDA и связанного с ним накопления молекулярных повреждений.
При этом ткани, состоящие из долгоживущих постмитотических клеток (мозг, сердце и скелетные мышцы), подвергаются наибольшему поражению.
Увеличение концентрации MDALys будет нарушать клеточные биологические процессы, такие как производство энергии и протеостаз. А также функциональные свойства внеклеточного матрикса и биологические функции, которые требуют участия цитоскелета.
Характерно, что более низкая концентрация MDALys как в митохондриях, так и в тканях была обнаружена у долгоживущих позвоночных (птиц и млекопитающих) по сравнению с короткоживущими животными. Что, конечно, делает перекисное окисление липидов и неферментативные модификации MDA одним из важных факторов старения.
Объединившись с Рошель Баффенштайн и австралийскими биологами А. Хабертом и У. Баттемером, на основе своих многочисленных исследований Рейнальд Памплона сформулировал теорию старения, «membrane pacemaker theory of aging». Которая предполагает, что состав жирных кислот мембран, через его влияние на перекисное окисление липидов, является важным фактором продолжительности жизни (pacemaker, то есть определяющий темп старения) и связующим звеном между метаболизмом и долголетием.
Хотя MDA-модифицированные белки в основном расположены в митохондриях, они также описаны в других местах, таких как ядро, цитозоль и клеточная мембрана, а также внеклеточные компартменты. Эти наблюдения демонстрируют легкость миграции MDA благодаря его химическим свойствам.
Как пишут Памплона с коллегами, модификация белков MDA наблюдается при развитии практически всех возрастных патологий. Среди них: метаболический синдром, диабет 2 типа и его осложнения, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания.
Кроме этого, как показывают исследования, в процессе старения происходит увеличение производства MDA и связанного с ним накопления молекулярных повреждений.
При этом ткани, состоящие из долгоживущих постмитотических клеток (мозг, сердце и скелетные мышцы), подвергаются наибольшему поражению.
Увеличение концентрации MDALys будет нарушать клеточные биологические процессы, такие как производство энергии и протеостаз. А также функциональные свойства внеклеточного матрикса и биологические функции, которые требуют участия цитоскелета.
Характерно, что более низкая концентрация MDALys как в митохондриях, так и в тканях была обнаружена у долгоживущих позвоночных (птиц и млекопитающих) по сравнению с короткоживущими животными. Что, конечно, делает перекисное окисление липидов и неферментативные модификации MDA одним из важных факторов старения.
Объединившись с Рошель Баффенштайн и австралийскими биологами А. Хабертом и У. Баттемером, на основе своих многочисленных исследований Рейнальд Памплона сформулировал теорию старения, «membrane pacemaker theory of aging». Которая предполагает, что состав жирных кислот мембран, через его влияние на перекисное окисление липидов, является важным фактором продолжительности жизни (pacemaker, то есть определяющий темп старения) и связующим звеном между метаболизмом и долголетием.
Рис 16. Схема, показывающая модификацию свободно-радикальной теории старения с акцентом на важность жирнокислотного состава мембран при определении максимальной продолжительности жизни. Представлены два различных примера (низкая мембранная полиненасыщенность и высокая мембранная полиненасыщенность). Толщина стрелок в каждом примере представляет относительную интенсивность процесса. Источник.
Внеклеточные везикулы как способ борьбы с клеточным старением
В свете наших знаний о влиянии перекисного окисления липидов на старение, очевидно, что необходим поиск терапевтических вмешательств в эти процессы. В этом году как раз вышло исследование, показывающее потенциальную возможность такого вмешательства.
Связано оно с таким биохимическим процессом, как секреция клетками микроскопических пузырьков, окружённых липидной мембраной. Эти пузырьки называются внеклеточными везикулами (ВВ).
Сегодня к ВВ приковано достаточно большое внимание исследователей. Несмотря на свой очень маленький размер (от 30 нм и выше), они, как сегодня уже известно, выполняют в организмах множество биологических функций, от удаления внутриклеточного мусора до передачи информации другим клеткам. При этом высвобождение везикул очень эволюционно консервативно и обнаружено у большинства клеток живых организмов, от бактерий до млекопитающих.
Внутри себя везикулы несут самые разнообразные грузы (белки, липиды, нуклеиновые кислоты, органеллы). После доставки груза в целевую клетку, он запускает в ней биохимические сигнальные каскады. В связи с такими уникальными свойствами ВВ, идет активная разработка методик по их терапевтическому применению в качестве носителя различных терапевтических объектов, например, РНК, белков и низкомолекулярных препаратов.
Связано оно с таким биохимическим процессом, как секреция клетками микроскопических пузырьков, окружённых липидной мембраной. Эти пузырьки называются внеклеточными везикулами (ВВ).
Сегодня к ВВ приковано достаточно большое внимание исследователей. Несмотря на свой очень маленький размер (от 30 нм и выше), они, как сегодня уже известно, выполняют в организмах множество биологических функций, от удаления внутриклеточного мусора до передачи информации другим клеткам. При этом высвобождение везикул очень эволюционно консервативно и обнаружено у большинства клеток живых организмов, от бактерий до млекопитающих.
Внутри себя везикулы несут самые разнообразные грузы (белки, липиды, нуклеиновые кислоты, органеллы). После доставки груза в целевую клетку, он запускает в ней биохимические сигнальные каскады. В связи с такими уникальными свойствами ВВ, идет активная разработка методик по их терапевтическому применению в качестве носителя различных терапевтических объектов, например, РНК, белков и низкомолекулярных препаратов.
Рис 17. Биогенез, состав и поглощение клетками внеклеточных везикул. Источник.
Ещё в 2019 году английские и испанские ученые, M. Borghesan с коллегами, провели блестящую работу, показавшую механизмы участия везикул в клеточном старении. Они описали, как старые клетки посредством выделения ВВ вызывали паракринное клеточное старение.
То есть нормальная клетка поглощала «посылку» в виде везикулы от своего сенесцентного соседа, и тоже начинала стареть. Ключевую роль в инициации сенесцентности играл интерферон-индуцированный трансмембранный белок-3, IFITM3, упакованный в ВВ.
Стволовые клетки считаются «лидерами» в производстве ВВ. Но их состав существенно отличается от такового во ВВ сенесцентных клеток, да и действие они оказывают совершенно другое. Экзосомы мезенхимальных стволовых клеток (MSCs) привлекают пристальное внимание исследователей ещё начиная с 2010 года — благодаря возможности терапевтического использования.
В 2020 году вышло сразу несколько работ по ВВ. Так, L. Lerman с коллегами выпустили две работы по внеклеточным везикулам, секретируемым мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) и их влиянии на клеточное старение.
В первой работе они показали, что введение внеклеточных везикул, полученных из МСК, снижает связанную с воспалением продукцию провоспалительных цитокинов, клеточное старение и повреждение миокарда на животной модели.
Но не все МСК одинаково хороши в качестве источника «целительных везикул». Во второй работе эта же команда продемонстрировала, что действие везикул из МСК во многом зависит от текущего состояния организма. При метаболическом синдроме эффект от везикул из МСК может быть противоположным: вместо снижения клеточного старения они вызывали его усиление. Связано это было с накоплением в везикулах, секретируемых МСК при метаболическом синдроме, определенных микроРНК. Которые и опосредовали патологические эффекты везикул.
Ещё одну значимую работу этого года выполнила известная исследователь клеточного старения Джуди Кампизи с коллегами из института Бака. Они создали протеомный атлас секретомов, связанный с клеточным старением (SASP). И в нем описали множество факторов SASP, выделив отдельно секретом, «упакованный» во внеклеточные везикулы. Оказалось, что SASP в везикулах и SASP «в свободном плавании» достаточно чётко разделяются.
Кульминацией исследований этого года, связанных с везикулами, стала работа Fafian-Labora и его коллег. В ней было показано, что ВВ, секретируемые клетками молодых индивидуумов, могут уменьшать клеточное старение у старых особей за счет снижения окислительного стресса и перекисного окисления липидов.
Как мы уже говорили, везикулы, секретируемые старыми клетками, могут паракринным образом вызывать старение пролиферирующих «молодых» клеток. Исходя из этого факта, ученые задались вопросом: а не может ли наблюдаться и обратный процесс? Могут ли везикулы из нормально делящихся клеток молодых организмов запускать благоприятные процессы в сенесцентных клетках пожилых особей?
Результаты экспериментов на клеточных линиях и на животных подтвердили это предположение. Везикулы из молодых клеток предотвращали остановку пролиферации и уменьшали количество старых клеток, экспрессирующих маркеры клеточного старения. Какой же груз упакован в эти «молодильные» везикулы?
Протеомный анализ везикул из молодых клеток показал, что этим грузом оказалась глутатион-S-трансфераза Мu, GSTM2. Этот антиоксидантный фермент уменьшал окислительный стресс, перекисное окисление липидов и клеточное старение. Введение старым мышам везикул от молодых особей приводило к снижению в различных тканях маркеров перекисного окисления липидов, в частности, малонового диальдегида, о котором мы рассказывали выше.
Что характерно, уровень GSTM2 у голых землекопов в несколько раз выше, чем у мышей.
В итоге, как пишут исследователи, в организме при старении разворачивается нешуточное «поле битвы» между крошечными пузырьками из старых и нормально делящихся клеток. Первые вызывают старение, вторые — противодействуют ему. И когда большинство клеток, существующих в ткани, являются стареющими, чаша весов этой битвы склоняется в сторону везикул с «факторами старения».
Но на ранних стадиях старения или во время повреждения ткани, когда еще много пролиферирующих клеток, они могут восстанавливать тканевую дисфункцию своими «молодильными» везикулами. Что и было показано в этом исследовании.
То есть наконец-то мы имеем потенциальный механизм, с помощью которого можно влиять сразу на два ключевых фактора старения: перекисное окисление липидов и клеточное старение. Что, конечно, внушает нам некоторый оптимизм.
То есть нормальная клетка поглощала «посылку» в виде везикулы от своего сенесцентного соседа, и тоже начинала стареть. Ключевую роль в инициации сенесцентности играл интерферон-индуцированный трансмембранный белок-3, IFITM3, упакованный в ВВ.
Стволовые клетки считаются «лидерами» в производстве ВВ. Но их состав существенно отличается от такового во ВВ сенесцентных клеток, да и действие они оказывают совершенно другое. Экзосомы мезенхимальных стволовых клеток (MSCs) привлекают пристальное внимание исследователей ещё начиная с 2010 года — благодаря возможности терапевтического использования.
В 2020 году вышло сразу несколько работ по ВВ. Так, L. Lerman с коллегами выпустили две работы по внеклеточным везикулам, секретируемым мезенхимальными стволовыми клетками (МСК) и их влиянии на клеточное старение.
В первой работе они показали, что введение внеклеточных везикул, полученных из МСК, снижает связанную с воспалением продукцию провоспалительных цитокинов, клеточное старение и повреждение миокарда на животной модели.
Но не все МСК одинаково хороши в качестве источника «целительных везикул». Во второй работе эта же команда продемонстрировала, что действие везикул из МСК во многом зависит от текущего состояния организма. При метаболическом синдроме эффект от везикул из МСК может быть противоположным: вместо снижения клеточного старения они вызывали его усиление. Связано это было с накоплением в везикулах, секретируемых МСК при метаболическом синдроме, определенных микроРНК. Которые и опосредовали патологические эффекты везикул.
Ещё одну значимую работу этого года выполнила известная исследователь клеточного старения Джуди Кампизи с коллегами из института Бака. Они создали протеомный атлас секретомов, связанный с клеточным старением (SASP). И в нем описали множество факторов SASP, выделив отдельно секретом, «упакованный» во внеклеточные везикулы. Оказалось, что SASP в везикулах и SASP «в свободном плавании» достаточно чётко разделяются.
Кульминацией исследований этого года, связанных с везикулами, стала работа Fafian-Labora и его коллег. В ней было показано, что ВВ, секретируемые клетками молодых индивидуумов, могут уменьшать клеточное старение у старых особей за счет снижения окислительного стресса и перекисного окисления липидов.
Как мы уже говорили, везикулы, секретируемые старыми клетками, могут паракринным образом вызывать старение пролиферирующих «молодых» клеток. Исходя из этого факта, ученые задались вопросом: а не может ли наблюдаться и обратный процесс? Могут ли везикулы из нормально делящихся клеток молодых организмов запускать благоприятные процессы в сенесцентных клетках пожилых особей?
Результаты экспериментов на клеточных линиях и на животных подтвердили это предположение. Везикулы из молодых клеток предотвращали остановку пролиферации и уменьшали количество старых клеток, экспрессирующих маркеры клеточного старения. Какой же груз упакован в эти «молодильные» везикулы?
Протеомный анализ везикул из молодых клеток показал, что этим грузом оказалась глутатион-S-трансфераза Мu, GSTM2. Этот антиоксидантный фермент уменьшал окислительный стресс, перекисное окисление липидов и клеточное старение. Введение старым мышам везикул от молодых особей приводило к снижению в различных тканях маркеров перекисного окисления липидов, в частности, малонового диальдегида, о котором мы рассказывали выше.
Что характерно, уровень GSTM2 у голых землекопов в несколько раз выше, чем у мышей.
В итоге, как пишут исследователи, в организме при старении разворачивается нешуточное «поле битвы» между крошечными пузырьками из старых и нормально делящихся клеток. Первые вызывают старение, вторые — противодействуют ему. И когда большинство клеток, существующих в ткани, являются стареющими, чаша весов этой битвы склоняется в сторону везикул с «факторами старения».
Но на ранних стадиях старения или во время повреждения ткани, когда еще много пролиферирующих клеток, они могут восстанавливать тканевую дисфункцию своими «молодильными» везикулами. Что и было показано в этом исследовании.
То есть наконец-то мы имеем потенциальный механизм, с помощью которого можно влиять сразу на два ключевых фактора старения: перекисное окисление липидов и клеточное старение. Что, конечно, внушает нам некоторый оптимизм.
Рис 18. Антивозрастные процессы, запускаемые внеклеточными везикулами из молодых клеток. Источник.
Окисленные фосфолипиды
Кроме использования везикул, есть и другой подход для нейтрализации негативных последствий перекисного окисления липидов, а точнее — фосфолипидов.
Фосфолипиды — сложные липиды, в которых содержатся жирные кислоты, фосфорная кислота и дополнительная группа атомов, во многих случаях содержащая азот. Именно из них состоят мембраны клеток, а кроме этого, они участвуют в доставке жиров, жирных кислот и холестерина.
Самый распространенный класс фосфолипидов — глицерофосфолипиды, в состав которых входит фосфатидилхолин. Фосфоэтаноламин или фосфатидилсерин представляют собой менее распространенные классы, но характерные для некоторых тканей, таких, как мозг.
Фосфолипиды также подвержены процессу перекисного окисления. Более того, они выступают одним из главных факторов воспалительных процессов в различных возраст-зависимых болезнях. В частности, сердечно-сосудистых и метаболических.
В этом году вышло несколько важных работ, связанных с окисленными фосфолипидами. Они представляют для нас немалый интерес, так как в последние годы в борьбе с окисленными фосфолипидами наметился некоторый прорыв, основанный на связывании их при помощи специфичного антитела.
Но обо всем по порядку.
Как и в случае с присоединением сахаров к белкам, не так давно выяснилось, что окисление фосфолипидов тоже бывает ферментативным и не ферментативным.
В первом случае происходит контролируемый процесс окисления биомембран, в котором участвуют ферменты: липоксигеназы (LOX) и циклооксигеназы (COX). Ферментативное окисление выступает как часть иммунного ответа на повреждение тканей и вторжение патогенов. Оно зафиксировано во множестве типов клеток врожденного иммунитета. Одни только тромбоциты человека могут быстро образовывать множество уникальных структур ферментативно окисленных фосфолипидов. Такие фосфолипиды активно участвуют в процессах свертывания крови, в ответе на инфекцию и регуляции воспаления.
Фосфолипиды также подвержены процессу перекисного окисления. Более того, они выступают одним из главных факторов воспалительных процессов в различных возраст-зависимых болезнях. В частности, сердечно-сосудистых и метаболических.
В этом году вышло несколько важных работ, связанных с окисленными фосфолипидами. Они представляют для нас немалый интерес, так как в последние годы в борьбе с окисленными фосфолипидами наметился некоторый прорыв, основанный на связывании их при помощи специфичного антитела.
Но обо всем по порядку.
Как и в случае с присоединением сахаров к белкам, не так давно выяснилось, что окисление фосфолипидов тоже бывает ферментативным и не ферментативным.
В первом случае происходит контролируемый процесс окисления биомембран, в котором участвуют ферменты: липоксигеназы (LOX) и циклооксигеназы (COX). Ферментативное окисление выступает как часть иммунного ответа на повреждение тканей и вторжение патогенов. Оно зафиксировано во множестве типов клеток врожденного иммунитета. Одни только тромбоциты человека могут быстро образовывать множество уникальных структур ферментативно окисленных фосфолипидов. Такие фосфолипиды активно участвуют в процессах свертывания крови, в ответе на инфекцию и регуляции воспаления.
Рис 19. Ферментативно окисленные фосфолипиды (eoxPLs) участвуют в процессах по удалению апоптотических клеток. Окисленные фосфолипиды 12-HETE-PEs экспрессируются на поверхности резидентных макрофагов и участвуют в клиренсе апоптотических клеток этим подмножеством макрофагов. И, наоборот, эти eoxPLs препятствуют поглощению апоптотических клеток иммунокомпетентными моноцитарными макрофагами и дендритными клетками во время воспаления. Генерация HETE-PEs, таким образом, облегчает «бесшумное удаление отходов» (то есть не связанное с иммунным ответом и воспалением), которое выполняется тканевыми резидентными макрофагами, обеспечивая неиммуногенный клиренс антигенов апоптотического клеток. Источник.
В отличие от ферментативного, неферментативное окисление фосфолипидов происходит под воздействием свободных радикалов и развивается неконтролируемо.
Чувствительность фосфолипидов к ПОЛ обусловлена наличием в их составе ПНЖК.
Окисленные фосфолипиды (OxPL) образуют структуры, которые вызывают иммунный ответ организма — специфические эпитопы окисления (OSE).
OSE представляют собой молекулярные фрагменты, связанные с повреждениями (DAMP), которые распознаются иммунными рецепторами и белками врожденной иммунной системы. Избыточное накопление OSE может стимулировать хроническое воспаление, усиление окислительного стресса и развитие патологий. Описанный нами выше малоновый диальдегид, присоединяясь к аминогруппам, также формирует OSE.
Наиболее хорошо изучено участие OxPL в развитии атеросклероза. Они опосредуют, как сегодня считается, негативные эффекты накопления окисленных липопротеинов низкой плотности, которые выступают ключевыми факторами атерогенеза. Многочисленные виды OSE (PC-OxPL, MDA, 4-HNE, OxCE, CEP) были обнаружены в атеросклеротических поражениях у людей и в моделях животных.
Вполне логично, что накопленные за последние десятилетия данные о вредных эффектах OxPL побудили ученых искать способы их нейтрализации. И кое-что в этом направлении удалось достичь.
Чувствительность фосфолипидов к ПОЛ обусловлена наличием в их составе ПНЖК.
Окисленные фосфолипиды (OxPL) образуют структуры, которые вызывают иммунный ответ организма — специфические эпитопы окисления (OSE).
OSE представляют собой молекулярные фрагменты, связанные с повреждениями (DAMP), которые распознаются иммунными рецепторами и белками врожденной иммунной системы. Избыточное накопление OSE может стимулировать хроническое воспаление, усиление окислительного стресса и развитие патологий. Описанный нами выше малоновый диальдегид, присоединяясь к аминогруппам, также формирует OSE.
Наиболее хорошо изучено участие OxPL в развитии атеросклероза. Они опосредуют, как сегодня считается, негативные эффекты накопления окисленных липопротеинов низкой плотности, которые выступают ключевыми факторами атерогенеза. Многочисленные виды OSE (PC-OxPL, MDA, 4-HNE, OxCE, CEP) были обнаружены в атеросклеротических поражениях у людей и в моделях животных.
Вполне логично, что накопленные за последние десятилетия данные о вредных эффектах OxPL побудили ученых искать способы их нейтрализации. И кое-что в этом направлении удалось достичь.
Нейтрализация окисленных фосфолипидов
Команда ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего во главе с Джозефом Витцтумом клонировали естественное антитело E06 IgM, которое связывается с головной группой фосфохолина в OxPL. При этом блокируется захват окисленного липопротеина низкой плотности (OxLDL) макрофагами и подавляется последующее развитие воспаления.
Как показали результаты их исследования на животной модели, действие антитела E06 по блокаде OxPL уменьшало развитие атеросклероза и общего воспаления. И, как пишут исследователи в своей публикации в Nature, «эта уникальная чувствительность E06 к окисленным молекулам может дать нам специфическое терапевтическое воздействие на пораженные патологией ткани, не задевая нормальных тканей, при различных воспалительных состояниях».
В 2020 году команда Д. Витцтума продолжила исследования по применению антитела E06. Как показали их работы, оно может быть эффективно в терапии ещё двух возраст-зависимых заболеваний человека, связанных с воспалением: остеопороза (потеря костной массы) и неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), развивающегося на фоне ожирения и метаболического синдрома.
Так, у мышей с НАСГ действие E06 снизило целый ряд проявлений этой патологии, включая стеатоз, воспаление, фиброз, гибель гепатоцитов и прогрессирование гепатоцеллюлярной карциномы.
Помимо прямого провоспалительного действия, было обнаружено, что OxPL способствуют производству АФК, вызывая митохондриальную дисфункцию в гепатоцитах. Нейтрализация OxPL, в свою очередь, уменьшала окислительный стресс, улучшала функцию митохондрий в клетках печени и жировой ткани и окисление жирных кислот. Эти результаты, по мнению авторов, предполагают, что нацеливание на OxPL может быть эффективной терапевтической стратегией при НАСГ.
Во второй работе Д. Витцтума антитело Е06 эффективно противодействовало потере костной ткани под воздействием окисленных фосфолипидов, что наблюдается при остеопорозе.
Раз уж мы затронули связь OxPL и метаболического синдрома, проницательный читатель может спросить: а не связаны ли как-то висцеральное ожирение и окисленные фосфолипиды?
Связаны, как показало исследование американских ученых, опубликованное в журнале PNAS.
Норберт Лейтингер с коллегами проследили, как окисленные фосфолипиды усиливают воспалительные процессы, связанные с избытком жировой ткани. Известно, что накопление жира в организме связано с усилением окислительного стресса.
Тут играет роль и дисфункция митохондрий, и активация системы ренин-ангиотензина, и сигнального пути RAGE и других факторов. Окислительный стресс, в свою очередь, как мы рассказали выше, приводит к процессам пероксидации липидов. В ходе которых и образуются окисленные фосфолипиды.
Как обнаружили американские ученые, эти фосфолипиды способствуют превращению макрофагов в их провоспалительный тип, который называется М1 (в отличие от противовоспалительного М2).
Но это ещё не всё.
Удивительно, но оказалось, что окислительные фосфолипиды бывают разными и не всегда оказывают негативное воздействие. Их «характер» зависит от количества и метаболического состояния жировой ткани в организме. Эксперименты с животными показали, что у мышей с нормальной, не избыточной, жировой тканью также формировались окисленные фосфолипиды. Но они были более короткого, «усеченного» размера и не оказывали провоспалительного действия на макрофаги жировой ткани. Напротив, как обнаружили ученые, такие «усеченные» окисленные фосфолипиды стимулировали уникальную популяцию макрофагов с антиоксидантными свойствами.
Как показали результаты их исследования на животной модели, действие антитела E06 по блокаде OxPL уменьшало развитие атеросклероза и общего воспаления. И, как пишут исследователи в своей публикации в Nature, «эта уникальная чувствительность E06 к окисленным молекулам может дать нам специфическое терапевтическое воздействие на пораженные патологией ткани, не задевая нормальных тканей, при различных воспалительных состояниях».
В 2020 году команда Д. Витцтума продолжила исследования по применению антитела E06. Как показали их работы, оно может быть эффективно в терапии ещё двух возраст-зависимых заболеваний человека, связанных с воспалением: остеопороза (потеря костной массы) и неалкогольного стеатогепатита (НАСГ), развивающегося на фоне ожирения и метаболического синдрома.
Так, у мышей с НАСГ действие E06 снизило целый ряд проявлений этой патологии, включая стеатоз, воспаление, фиброз, гибель гепатоцитов и прогрессирование гепатоцеллюлярной карциномы.
Помимо прямого провоспалительного действия, было обнаружено, что OxPL способствуют производству АФК, вызывая митохондриальную дисфункцию в гепатоцитах. Нейтрализация OxPL, в свою очередь, уменьшала окислительный стресс, улучшала функцию митохондрий в клетках печени и жировой ткани и окисление жирных кислот. Эти результаты, по мнению авторов, предполагают, что нацеливание на OxPL может быть эффективной терапевтической стратегией при НАСГ.
Во второй работе Д. Витцтума антитело Е06 эффективно противодействовало потере костной ткани под воздействием окисленных фосфолипидов, что наблюдается при остеопорозе.
Раз уж мы затронули связь OxPL и метаболического синдрома, проницательный читатель может спросить: а не связаны ли как-то висцеральное ожирение и окисленные фосфолипиды?
Связаны, как показало исследование американских ученых, опубликованное в журнале PNAS.
Норберт Лейтингер с коллегами проследили, как окисленные фосфолипиды усиливают воспалительные процессы, связанные с избытком жировой ткани. Известно, что накопление жира в организме связано с усилением окислительного стресса.
Тут играет роль и дисфункция митохондрий, и активация системы ренин-ангиотензина, и сигнального пути RAGE и других факторов. Окислительный стресс, в свою очередь, как мы рассказали выше, приводит к процессам пероксидации липидов. В ходе которых и образуются окисленные фосфолипиды.
Как обнаружили американские ученые, эти фосфолипиды способствуют превращению макрофагов в их провоспалительный тип, который называется М1 (в отличие от противовоспалительного М2).
Но это ещё не всё.
Удивительно, но оказалось, что окислительные фосфолипиды бывают разными и не всегда оказывают негативное воздействие. Их «характер» зависит от количества и метаболического состояния жировой ткани в организме. Эксперименты с животными показали, что у мышей с нормальной, не избыточной, жировой тканью также формировались окисленные фосфолипиды. Но они были более короткого, «усеченного» размера и не оказывали провоспалительного действия на макрофаги жировой ткани. Напротив, как обнаружили ученые, такие «усеченные» окисленные фосфолипиды стимулировали уникальную популяцию макрофагов с антиоксидантными свойствами.
NAD+ и фермент NADase CD38
В ноябре 2020 года в журнале Nature Metabolism вышло сразу две работы в продолжение темы висцерального ожирения, макрофагов и воспаления. В центре внимания ученых в этих работах был фермент NAD+, тесно связанный с функцией митохондрий и старением.
Как сегодня известно, митохондрии с возрастом начинают хуже выполнять свою основную биологическую функцию — синтез АТФ. Напомним здесь, что АТФ — это вещество, которое даёт нам энергию для всех процессов жизнедеятельности организма. В сутки организм взрослого человека синтезирует и расходует около 50 кг АТФ.
Старение неизбежно сопровождается нарушением работы митохондрий и снижением синтеза АТФ. Ускорить это падение синтеза может, как ни удивительно, избыточное потребление человеком энергетических субстратов, жиров и глюкозы, а попросту — переедание. «Перегрузка» субстратом влечёт за собой целый каскад негативных для митохондрий последствий:
Митохондрии имеют собственную ДНК и кодируют часть (а именно — 13) белков дыхательной цепи. Но подавляющую долю белков, необходимых для работы, они должны получать от ядра. Поэтому, как только в митохондрии что-то идет не так, ей нужно пояснить ядру, что именно случилось и чего не хватает. Происходит это в процессе так называемого «ретроградного сигналинга». При этом, даже для синтеза тех компонентов, которые закодированы в ДНК митохондрий, нужа помощь ядра. В ядре находится ген, который отвечает за синтез белка TFAM (транскрипционный фактор А митохондрий). Этот белок необходим для нормального процесса «считывания» митохондриальной ДНК. Регуляторами этого и других генов ядра, влияющих на работу митохондрий, являются коактиваторы PGC-1α и PGC1-1β.
Еще к 2013 году уже было известно, что активность комплексов I, III и IV OXPHOS снижается с возрастом. Но комплекс II, единственный комплекс, состоящий исключительно из ядерно-кодированных субъединиц, остаётся в норме. Учёные проверили, может ли снижение OXPHOS быть вызвано специфической потерей транскриптов, кодируемых митохондриями. Так вот, авторы упомянутой нами работы обнаружили, что, действительно, во время старения происходит специфическая потеря митохондриальных, но не ядерно кодируемых, субъединиц окислительного фосфорилирования, которые отвечают за производство энергии. При этом причина, по мнению авторов, состоит не в повреждении митохондриальной ДНК, а в нарушении коммуникации ядра и митохондрий. Что становится причиной утраты этого взаимопонимания?
Оказывается, существует ещё один механизм ядерно-митохондриального взаимодействия, описанный А.P. Gomes и соавт. Ключевую роль в нем играет NAD+. Никотинамид-адениндинуклеотид (NAD) — центральный метаболический кофактор, он играет существенную роль в регулировании клеточного метаболизма и митохондриальной биоэнергетики. В своей восстановленной форме NADН является донором водорода в дыхательной цепи.
Одна из важных для долголетия функций NAD+ — это участие в работе сиртуинов.
Мы ранее говорили, что ДНК находится в связанном с белками состоянии и имеет несколько уровней «упаковки». На первом из них ДНК довольно плотно обернута вокруг шарика из 8 молекул белков-гистонов, образуя нуклеосому. Представьте себе нитку, намотанную плотно на катушку. Для того, чтобы сделать что-либо с этой ниткой, нам надо немного ослабить ее связь с катушкой. Этим занимаются специальные ферменты — деацитилазы гистонов. Кроме этого, они имеют важную роль в репарации ДНК. Один из классов этих ферментов получил красивое название сиртуины.
У млекопитающих аж 7 членов семейства сиртуинов (SIRT1 – SIRT7). О них и их связи со старением написано уже немало. Экспрессия SIRT1 повышается в ряде тканей после ограничения калорий (CR) — вмешательства, которое увеличивает продолжительность жизни у различных видов. Сверхэкспрессия или фармакологическая активация SIRT1 воспроизводит многие преимущества CR для здоровья, включая защиту от метаболического спада, сердечно-сосудистых заболеваний, рака и нейродегенерации. Кроме этого, активность SIRT1 связана с улучшением митохондриальной функции.
Так какая же взаимосвязь существует между возрастной дисфункцией митохондрий и падением уровня NAD+?
Известно, что уровень NAD+существенно падает с возрастом. При этом происходит снижение падение уровня именно ядерного NAD+ (есть ещё внутриклеточный и митохондриальный). Как мы уже сказали, NAD+ необходим для действия SIRT1. А, в свою очередь, низкая активность SIRT1, из-за недостатка NAD+, вызывала снижение экспрессии генов в мтДНК.
Снижение NAD+ действует на еще один важный для митохондрий сиртуин — SIRT3. Это один из сиртуинов, локализованных в митохондриях, где он регулирует активность ключевых митохондриальных белков, важных для метаболизма и окислительного гомеостаза, таких как LCAD, IDH2, SDH и MnSOD.
Теперь перед учёными встала новая задача — найти причину возрастного падения уровней NAD+. И в скором времени «виновник» был найден. Им оказался фермент NADase CD38, а точнее — рост его активности с возрастом.
NADase CD38 была обнаружена более 10 лет назад. И уже вскоре было описано, что она является одним из основных NAD-деградирующих ферментов в тканях млекопитающих. Мыши, нокаутированные по CD38, имели более высокие уровни NAD и были защищены от ожирения и метаболического синдрома.
Кроме того, лечение мышей с ожирением ингибиторами CD38 повышало внутриклеточные уровни NAD и улучшало гомеостаз глюкозы и липидов.
В 2016 году E. N. Chini и соавт. показали, что уровень белка CD38 и экспрессия мРНК увеличивается во время старения во многих тканях. И именно этот фермент (а не другие, также использующие NAD+) играет главную роль в возрастном снижении NAD, и, как следствие, в снижении синтеза АТФ.
Увеличение экспрессии CD38 в клетках приводило к митохондриальной дисфункции, снижению потребления кислорода и повышению уровня лактата, вызванного снижением активности NAD+-зависимого сиртуина, SIRT3. Есть ряд публикаций, в которых описаны попытки противостоять возрастному снижению уровня NAD+ при помощи введения его прекурсоров — никотинамид мононуклеотида (NMN) и никотинамид рибозида (NR). Но успехи их использования пока незначительные. Это может объясняться тем, что NADase CD38 разрушает не только сам NAD+, но и его предшественников. Позже вышло ещё несколько работ, дополнительно описывающих свойства NADase CD38.
Так, K.A.Hogan и соавт. сделали подробный обзор о роли NADase CD38 в иммунных процессах, метаболических заболеваниях и старении и о возможности использования таргетной терапии, направленной на подавление активности этого фермента.
И в дополнение, J. Kirkland и соавт. описали неизвестную ранее взаимосвязь между клеточным старением и возрастным падением уровня NAD+. Падение соотношения NAD+/NADH приводит к запуску сенесцентности клетки через p53. С другой стороны, активность NADase CD38 повышается факторами сенесцентности SASP, формируя «порочный цикл».
Как сегодня известно, митохондрии с возрастом начинают хуже выполнять свою основную биологическую функцию — синтез АТФ. Напомним здесь, что АТФ — это вещество, которое даёт нам энергию для всех процессов жизнедеятельности организма. В сутки организм взрослого человека синтезирует и расходует около 50 кг АТФ.
Старение неизбежно сопровождается нарушением работы митохондрий и снижением синтеза АТФ. Ускорить это падение синтеза может, как ни удивительно, избыточное потребление человеком энергетических субстратов, жиров и глюкозы, а попросту — переедание. «Перегрузка» субстратом влечёт за собой целый каскад негативных для митохондрий последствий:
- уменьшение количества и размера митохондрий;
- снижение экспрессии генов OXPHOS (окислительного фосфорилирования, процесса по производству АТФ);
- увеличение генерации АФК, повреждение клеток, мутации митохондриальной ДНК (мтДНК) и гибель клеток;
- блокирование АФК окисления жирных кислот в митохондриях, накопление липидов, резистентность к инсулину.
Митохондрии имеют собственную ДНК и кодируют часть (а именно — 13) белков дыхательной цепи. Но подавляющую долю белков, необходимых для работы, они должны получать от ядра. Поэтому, как только в митохондрии что-то идет не так, ей нужно пояснить ядру, что именно случилось и чего не хватает. Происходит это в процессе так называемого «ретроградного сигналинга». При этом, даже для синтеза тех компонентов, которые закодированы в ДНК митохондрий, нужа помощь ядра. В ядре находится ген, который отвечает за синтез белка TFAM (транскрипционный фактор А митохондрий). Этот белок необходим для нормального процесса «считывания» митохондриальной ДНК. Регуляторами этого и других генов ядра, влияющих на работу митохондрий, являются коактиваторы PGC-1α и PGC1-1β.
Еще к 2013 году уже было известно, что активность комплексов I, III и IV OXPHOS снижается с возрастом. Но комплекс II, единственный комплекс, состоящий исключительно из ядерно-кодированных субъединиц, остаётся в норме. Учёные проверили, может ли снижение OXPHOS быть вызвано специфической потерей транскриптов, кодируемых митохондриями. Так вот, авторы упомянутой нами работы обнаружили, что, действительно, во время старения происходит специфическая потеря митохондриальных, но не ядерно кодируемых, субъединиц окислительного фосфорилирования, которые отвечают за производство энергии. При этом причина, по мнению авторов, состоит не в повреждении митохондриальной ДНК, а в нарушении коммуникации ядра и митохондрий. Что становится причиной утраты этого взаимопонимания?
Оказывается, существует ещё один механизм ядерно-митохондриального взаимодействия, описанный А.P. Gomes и соавт. Ключевую роль в нем играет NAD+. Никотинамид-адениндинуклеотид (NAD) — центральный метаболический кофактор, он играет существенную роль в регулировании клеточного метаболизма и митохондриальной биоэнергетики. В своей восстановленной форме NADН является донором водорода в дыхательной цепи.
Одна из важных для долголетия функций NAD+ — это участие в работе сиртуинов.
Мы ранее говорили, что ДНК находится в связанном с белками состоянии и имеет несколько уровней «упаковки». На первом из них ДНК довольно плотно обернута вокруг шарика из 8 молекул белков-гистонов, образуя нуклеосому. Представьте себе нитку, намотанную плотно на катушку. Для того, чтобы сделать что-либо с этой ниткой, нам надо немного ослабить ее связь с катушкой. Этим занимаются специальные ферменты — деацитилазы гистонов. Кроме этого, они имеют важную роль в репарации ДНК. Один из классов этих ферментов получил красивое название сиртуины.
У млекопитающих аж 7 членов семейства сиртуинов (SIRT1 – SIRT7). О них и их связи со старением написано уже немало. Экспрессия SIRT1 повышается в ряде тканей после ограничения калорий (CR) — вмешательства, которое увеличивает продолжительность жизни у различных видов. Сверхэкспрессия или фармакологическая активация SIRT1 воспроизводит многие преимущества CR для здоровья, включая защиту от метаболического спада, сердечно-сосудистых заболеваний, рака и нейродегенерации. Кроме этого, активность SIRT1 связана с улучшением митохондриальной функции.
Так какая же взаимосвязь существует между возрастной дисфункцией митохондрий и падением уровня NAD+?
Известно, что уровень NAD+существенно падает с возрастом. При этом происходит снижение падение уровня именно ядерного NAD+ (есть ещё внутриклеточный и митохондриальный). Как мы уже сказали, NAD+ необходим для действия SIRT1. А, в свою очередь, низкая активность SIRT1, из-за недостатка NAD+, вызывала снижение экспрессии генов в мтДНК.
Снижение NAD+ действует на еще один важный для митохондрий сиртуин — SIRT3. Это один из сиртуинов, локализованных в митохондриях, где он регулирует активность ключевых митохондриальных белков, важных для метаболизма и окислительного гомеостаза, таких как LCAD, IDH2, SDH и MnSOD.
Теперь перед учёными встала новая задача — найти причину возрастного падения уровней NAD+. И в скором времени «виновник» был найден. Им оказался фермент NADase CD38, а точнее — рост его активности с возрастом.
NADase CD38 была обнаружена более 10 лет назад. И уже вскоре было описано, что она является одним из основных NAD-деградирующих ферментов в тканях млекопитающих. Мыши, нокаутированные по CD38, имели более высокие уровни NAD и были защищены от ожирения и метаболического синдрома.
Кроме того, лечение мышей с ожирением ингибиторами CD38 повышало внутриклеточные уровни NAD и улучшало гомеостаз глюкозы и липидов.
В 2016 году E. N. Chini и соавт. показали, что уровень белка CD38 и экспрессия мРНК увеличивается во время старения во многих тканях. И именно этот фермент (а не другие, также использующие NAD+) играет главную роль в возрастном снижении NAD, и, как следствие, в снижении синтеза АТФ.
Увеличение экспрессии CD38 в клетках приводило к митохондриальной дисфункции, снижению потребления кислорода и повышению уровня лактата, вызванного снижением активности NAD+-зависимого сиртуина, SIRT3. Есть ряд публикаций, в которых описаны попытки противостоять возрастному снижению уровня NAD+ при помощи введения его прекурсоров — никотинамид мононуклеотида (NMN) и никотинамид рибозида (NR). Но успехи их использования пока незначительные. Это может объясняться тем, что NADase CD38 разрушает не только сам NAD+, но и его предшественников. Позже вышло ещё несколько работ, дополнительно описывающих свойства NADase CD38.
Так, K.A.Hogan и соавт. сделали подробный обзор о роли NADase CD38 в иммунных процессах, метаболических заболеваниях и старении и о возможности использования таргетной терапии, направленной на подавление активности этого фермента.
И в дополнение, J. Kirkland и соавт. описали неизвестную ранее взаимосвязь между клеточным старением и возрастным падением уровня NAD+. Падение соотношения NAD+/NADH приводит к запуску сенесцентности клетки через p53. С другой стороны, активность NADase CD38 повышается факторами сенесцентности SASP, формируя «порочный цикл».
Рис. 20. Роль CD38 в метаболизме NAD+. CD38 преимущественно синтезируется в иммунных клетках и метаболизирует никотинамидные нуклеотиды (NAD+ и NMN) до ADPR и cADPR. Хотя внутриклеточный CD38 присутствует в цитоплазме и в мембранах органелл, подавляющее большинство активности CD38 является внеклеточной, что приводит к деградации предшественников NAD+ (например, NMN), необходимых для синтеза NAD+. Внеклеточная активность CD38 имеет широкие последствия для гомеостаза NAD+ в контексте инфекции, метаболической дисфункции и старения. Источник.
В Nature Communications вышла работа V.A. Bohr и соавт., в которой авторы на животных моделях путём повышения уровня NAD+ восстановили митофагию (удаление дефектных митохондрий) и ограничили ускоренное старение, вызванные синдромом Вернера. Для которого характерны многие старческие фенотипы (поседение и выпадение волос, преждевременное старение кожи, катаракта, дислипидемия, преждевременный атеросклероз и инсулинорезистентный диабет).
Вместе с этим надо упомянуть и об «обратной стороне медали» — о критической оценке возможности корректировки уровней NAD и СD38. Так как живой организм — это тонко настроенная система, искусственное повышение NAD+ может иметь неожиданные и вредные последствия. В том числе связанные с опухолевым ростом. Подробнее об этом в двух обзорах:
Что обнаружили теперь?
То, что при старении CD38 активируется воспалением в макрофагах висцеральной жировой ткани и в печени. И разрушает он как сам NAD+, так и его предшественника — никотинамидмононуклеотид (NMN). Это может приводить к дисфункции митохондрий и старению клеток. Пусковым же механизмом может быть рост воспаления.
Как пишут авторы, во время старения и острых реакций на воспаление провоспалительные M1-макрофаги накапливаются в метаболических тканях, включая висцеральную жировую ткань и печень. Эти M1-подобные макрофаги экспрессируют высокие уровни фермента CD38 (разрушающего NAD+), тем самым снижая уровни NAD+ в этих тканях.
А дальше видим порочный цикл. Снижение NAD+ запускает программу сенесцентности клеток. Стареющие клетки постепенно накапливаются в висцеральной жировой ткани и печени. Воспалительные цитокины, секретируемые стареющими клетками (SASP), индуцируют пролиферацию макрофагов М1 и экспрессию CD38, приводящую к дальнейшему снижению NAD+.
Вместе с этим надо упомянуть и об «обратной стороне медали» — о критической оценке возможности корректировки уровней NAD и СD38. Так как живой организм — это тонко настроенная система, искусственное повышение NAD+ может иметь неожиданные и вредные последствия. В том числе связанные с опухолевым ростом. Подробнее об этом в двух обзорах:
- Rugang Zhang и соавт., NAD+ metabolism governs the proinflammatory senescence-associated secretome («Метаболизм NAD+ регулирует провоспалительный секретом, связанный с клеточным старением»)
- J. W. Larrick и соавт., Interacting NAD+ and Cell Senescence Pathways Complicate Antiaging Therapies («Взаимодействие NAD+ и путей старения клеток усложняет антивозрастную терапию»).
Что обнаружили теперь?
То, что при старении CD38 активируется воспалением в макрофагах висцеральной жировой ткани и в печени. И разрушает он как сам NAD+, так и его предшественника — никотинамидмононуклеотид (NMN). Это может приводить к дисфункции митохондрий и старению клеток. Пусковым же механизмом может быть рост воспаления.
Как пишут авторы, во время старения и острых реакций на воспаление провоспалительные M1-макрофаги накапливаются в метаболических тканях, включая висцеральную жировую ткань и печень. Эти M1-подобные макрофаги экспрессируют высокие уровни фермента CD38 (разрушающего NAD+), тем самым снижая уровни NAD+ в этих тканях.
А дальше видим порочный цикл. Снижение NAD+ запускает программу сенесцентности клеток. Стареющие клетки постепенно накапливаются в висцеральной жировой ткани и печени. Воспалительные цитокины, секретируемые стареющими клетками (SASP), индуцируют пролиферацию макрофагов М1 и экспрессию CD38, приводящую к дальнейшему снижению NAD+.
Переливание крови
Ну и конечно, рассматривая исследования антистарения за 2020 год, нельзя обойти вниманием две работы: Гарольда Катчера и супругов Конбой.
Гарольд Катчер с коллегами экспериментировал со старыми крысами, которым вливал фракцию плазмы от молодых животных. У них было 18 крыс, разделенных на три группы: 6 молодых (возраст 30 недель), 6 старых (возраст 109 недель) и 6 старых крыс, получавших фракцию плазмы (также 109 недель).
Лечение фракцией плазмы состояло из двух серий внутривенных инъекций. Суть гипотезы этой команды примерно следующая. Регуляция функционирования всех систем организма происходит на системном уровне посредством множества сигнальных молекул. С возрастом эта регуляция нарушается. И если перелить в старый организм «молодую» плазму, это вернет регуляцию в нормальное состояние и может отсрочить процессы старения.
Эксперимент длился 155 дней. Эпигенетические часы после вливания молодой плазмы показали омоложение различных тканей: лечение более чем вдвое уменьшило эпигенетический возраст крови, сердца и ткани печени. Клинические маркеры также подтвердили улучшение функции органов. Всего биомаркеров было 4 группы.
Гарольд Катчер с коллегами экспериментировал со старыми крысами, которым вливал фракцию плазмы от молодых животных. У них было 18 крыс, разделенных на три группы: 6 молодых (возраст 30 недель), 6 старых (возраст 109 недель) и 6 старых крыс, получавших фракцию плазмы (также 109 недель).
Лечение фракцией плазмы состояло из двух серий внутривенных инъекций. Суть гипотезы этой команды примерно следующая. Регуляция функционирования всех систем организма происходит на системном уровне посредством множества сигнальных молекул. С возрастом эта регуляция нарушается. И если перелить в старый организм «молодую» плазму, это вернет регуляцию в нормальное состояние и может отсрочить процессы старения.
Эксперимент длился 155 дней. Эпигенетические часы после вливания молодой плазмы показали омоложение различных тканей: лечение более чем вдвое уменьшило эпигенетический возраст крови, сердца и ткани печени. Клинические маркеры также подтвердили улучшение функции органов. Всего биомаркеров было 4 группы.
1
Показатели клеток крови: средний объем эритроцита (MCV), среднее содержание гемоглобина (МСН) и средняя концентрация гемоглобина в эритроцитарной массе (MCHC), уровни гематокрита (HCT) и показатели тромбоциты, лейкоциты и лимфоциты.
2
Биомаркеры работы печени, сердца, поджелудочной железы и почек: билирубин, сывороточная глутамино-пировиноградная трансаминаза (SGPT) и сывороточная глутамино-оксалоуксусная трансаминаза (SGOT), триглицериды и холестерин, глюкоза, креатинин и азот мочевины крови.
3
Когнитивные функции: обработка и запоминание информации, обучение и память.
4
Группа биомаркеров клеточного стресса, в частности биомаркер окислительного стресса — малоновый диальдегид (MDA).
Количество MDA у старых крыс в начале эксперимента было выше в мозге, сердце, легком и печени. Применение фракции плазмы снизило у них эти уровни до уровней молодых животных. Также у старых крыс, получавших плазму, до уровня молодых повысились уровни трех антиоксидантов: восстановленный глутатион, каталаза и супероксиддисмутаза.
Уровни двух биомаркеров хронического воспаления (интерлейкина 6 (IL-6) и фактора некроза опухоли α (TNF-α)) у старых крыс очень быстро, в течение нескольких дней, уменьшились до сопоставимых с молодыми крысами показателей.
Уровни Nrf2, транскрипционного фактора, который снижает окислительный стресс и воспаление, были подняты после введения фракции плазмы у старых крыс до уровня молодых. Кроме этого, холестерин ЛПВП у молодых и леченых крыс к концу эксперимента был одинаковый — 150 мг/дл, а у обычных старых крыс — 100 мг/дл. У молодых и получавших плазму грызунов триглицериды были на уровне 40 мг/дл, у старых животных — 110 мг/дл.
Во второй работе команда супругов Конбой заменила половину плазмы у старых мышей 5% раствором альбумина. И в итоге мыши показали существенные улучшения по снижению ожирения и фиброза, восстановлению мышц и нейрогенезу. Восстановление мышц улучшилось, фиброз был ослаблен, адипозность печени и фиброз уменьшились, а нейрогенез гиппокампа был увеличен.
Вот как сами авторы объясняют, что произошло: «Эпигенетика, мРНК и белок — это ступени одного процесса, регуляции экспрессии генов. Ни один из этих этапов не является постоянным, все они активно и постоянно реагируют на клеточную, тканевую и системную среды. В процессе старения происходит дрейф, который рекалибруется рядом подходов к омоложению. Когда аутоиндуктивный возрастной повышенный лиганд разбавляется, он не может активировать свой собственный рецептор и индуцировать свою собственную мРНК. Поэтому уровни лиганда уменьшаются до их более молодых состояний на продолжительное время».
Конбои предполагают, что эти вредные белки являются частью цикла положительной обратной связи. То есть цикла, который является самоподдерживающимся. С возрастом тело погружается в такой дисфункциональный, самоподдерживающийся цикл. И его нарушение посредством предложенной ими манипуляции может подтолкнуть его обратно, к более крепкому и молодому циклу, также самоподдерживающемуся.
Обри Ди Грей так объясняет полученные ими результаты: «Когда все в крови, кроме клеток и альбумина, заменяется водой, организм определенно реагирует, синтезируя и секретируя все, в чем обнаруживает недостаток. Вместе с этим всякое плохое не появится так быстро».
Вот какое сравнение этих двух работ сделал известный геронтолог Джош Миттельдорф:
«В то время как оба подхода основаны на том, что состав плазмы крови различается между молодыми и старыми, Конбои сосредоточены исключительно на удалении того, что препятствует юношеской регенерации, в то время как подход Катчера заключается в добавлении обратно белков, которые раньше сохраняли животное молодым. Конбои полностью раскрыли все аспекты своего экспериментального протокола, в то время как содержание эликсира Катчера остается коммерческой тайной.
Катчер находится на обочине академических исследований, а лаборатория Конбоев находится в одном из ведущих академических учреждений в мире. Катчер на год впереди, экспериментируя с различными дозами и временем. Ни Катчер, ни лаборатория Конбоев еще не продемонстрировали продление жизни. Конбои демонстрируют омоложение с заживлением ран, структурой ткани и возобновлением роста нервов.
Результаты Катчера основаны на физиологии (особенно воспалении), когнитивных способностях и алгоритмах метилирования. Фактически, Катчер рассматривает восстановление юношеских паттернов метилирования как лучшее доказательство, которое можно предъявить в пользу омоложения (я согласен), в то время как Конбои не торопятся судить о важности метилирования и сердятся при упоминании «часов» метилирования. Катчер понимает эффект переливания плазмы с точки зрения широкой теории (которую я поддерживаю).
Старение — это эпигенетическая программа, управляемая и поддерживаемая «часами», которые работают через петлю обратной связи между циркулирующими белками, которые управляют экспрессией генов и экспрессией генов, которые генерируют эти белки. Конбои признают, что работают с этой петлей обратной связи, но они сопротивляются теории, что это является основной причиной старения».
В ещё одной своей работе супруги Конбой показали положительное воздействие их метода на мозг животных. В результате разбавления плазмы они зафиксировали улучшение кратковременной памяти, уменьшение активированной микроглии и, следовательно, уменьшение нейровоспаления. А также увеличение количества белков, которые связаны со здоровой функцией и восстановлением мозга.
Уровни двух биомаркеров хронического воспаления (интерлейкина 6 (IL-6) и фактора некроза опухоли α (TNF-α)) у старых крыс очень быстро, в течение нескольких дней, уменьшились до сопоставимых с молодыми крысами показателей.
Уровни Nrf2, транскрипционного фактора, который снижает окислительный стресс и воспаление, были подняты после введения фракции плазмы у старых крыс до уровня молодых. Кроме этого, холестерин ЛПВП у молодых и леченых крыс к концу эксперимента был одинаковый — 150 мг/дл, а у обычных старых крыс — 100 мг/дл. У молодых и получавших плазму грызунов триглицериды были на уровне 40 мг/дл, у старых животных — 110 мг/дл.
Во второй работе команда супругов Конбой заменила половину плазмы у старых мышей 5% раствором альбумина. И в итоге мыши показали существенные улучшения по снижению ожирения и фиброза, восстановлению мышц и нейрогенезу. Восстановление мышц улучшилось, фиброз был ослаблен, адипозность печени и фиброз уменьшились, а нейрогенез гиппокампа был увеличен.
Вот как сами авторы объясняют, что произошло: «Эпигенетика, мРНК и белок — это ступени одного процесса, регуляции экспрессии генов. Ни один из этих этапов не является постоянным, все они активно и постоянно реагируют на клеточную, тканевую и системную среды. В процессе старения происходит дрейф, который рекалибруется рядом подходов к омоложению. Когда аутоиндуктивный возрастной повышенный лиганд разбавляется, он не может активировать свой собственный рецептор и индуцировать свою собственную мРНК. Поэтому уровни лиганда уменьшаются до их более молодых состояний на продолжительное время».
Конбои предполагают, что эти вредные белки являются частью цикла положительной обратной связи. То есть цикла, который является самоподдерживающимся. С возрастом тело погружается в такой дисфункциональный, самоподдерживающийся цикл. И его нарушение посредством предложенной ими манипуляции может подтолкнуть его обратно, к более крепкому и молодому циклу, также самоподдерживающемуся.
Обри Ди Грей так объясняет полученные ими результаты: «Когда все в крови, кроме клеток и альбумина, заменяется водой, организм определенно реагирует, синтезируя и секретируя все, в чем обнаруживает недостаток. Вместе с этим всякое плохое не появится так быстро».
Вот какое сравнение этих двух работ сделал известный геронтолог Джош Миттельдорф:
«В то время как оба подхода основаны на том, что состав плазмы крови различается между молодыми и старыми, Конбои сосредоточены исключительно на удалении того, что препятствует юношеской регенерации, в то время как подход Катчера заключается в добавлении обратно белков, которые раньше сохраняли животное молодым. Конбои полностью раскрыли все аспекты своего экспериментального протокола, в то время как содержание эликсира Катчера остается коммерческой тайной.
Катчер находится на обочине академических исследований, а лаборатория Конбоев находится в одном из ведущих академических учреждений в мире. Катчер на год впереди, экспериментируя с различными дозами и временем. Ни Катчер, ни лаборатория Конбоев еще не продемонстрировали продление жизни. Конбои демонстрируют омоложение с заживлением ран, структурой ткани и возобновлением роста нервов.
Результаты Катчера основаны на физиологии (особенно воспалении), когнитивных способностях и алгоритмах метилирования. Фактически, Катчер рассматривает восстановление юношеских паттернов метилирования как лучшее доказательство, которое можно предъявить в пользу омоложения (я согласен), в то время как Конбои не торопятся судить о важности метилирования и сердятся при упоминании «часов» метилирования. Катчер понимает эффект переливания плазмы с точки зрения широкой теории (которую я поддерживаю).
Старение — это эпигенетическая программа, управляемая и поддерживаемая «часами», которые работают через петлю обратной связи между циркулирующими белками, которые управляют экспрессией генов и экспрессией генов, которые генерируют эти белки. Конбои признают, что работают с этой петлей обратной связи, но они сопротивляются теории, что это является основной причиной старения».
В ещё одной своей работе супруги Конбой показали положительное воздействие их метода на мозг животных. В результате разбавления плазмы они зафиксировали улучшение кратковременной памяти, уменьшение активированной микроглии и, следовательно, уменьшение нейровоспаления. А также увеличение количества белков, которые связаны со здоровой функцией и восстановлением мозга.
Искусственный тимус
Ну и напоследок расскажем ещё об одной очень важной работе, вышедшей в декабре этого года. Исследователи из Института Фрэнсиса Крика и Университетского колледжа Лондона, S. Campinoti с коллегами, впервые смогли создать функционирующий тимус, используя стволовые клетки человека и биоинженерный каркас.
Тимус — это иммунный орган, где гематопоэтические клетки-предшественники становятся функциональными Т-клетками, происходит их созревание. Эти Т-клетки играют жизненно важную роль в иммунном ответе на вторжение патогенов, а также в ответе на старение и перерождение клеток.
Характерной особенностью старения тимуса является его инволюция (то есть атрофия, уменьшение) и связанные с этим нарушения иммунной функции организма. При этом, вместе с ухудшением иммунного ответа, возрастная инволюция тимуса способствует формированию аутоиммунных реакций и хронического воспаления при старении.
Тимус — это иммунный орган, где гематопоэтические клетки-предшественники становятся функциональными Т-клетками, происходит их созревание. Эти Т-клетки играют жизненно важную роль в иммунном ответе на вторжение патогенов, а также в ответе на старение и перерождение клеток.
Характерной особенностью старения тимуса является его инволюция (то есть атрофия, уменьшение) и связанные с этим нарушения иммунной функции организма. При этом, вместе с ухудшением иммунного ответа, возрастная инволюция тимуса способствует формированию аутоиммунных реакций и хронического воспаления при старении.
Рис. 21. Взаимосвязь иммунного старения и воспаления, связанная с возрастной инволюцией тимуса. Старый атрофированный тимус демонстрирует неэффективную центральную толерантность и сниженный тимопоэз. Неэффективная центральная толерантность включает: 1) нарушение очистительного отбора клеток, что приводит к увеличению выработки самореактивных Т-клеток, атакующих собственные ткани / органы; 2) несбалансированное генерирование репертуара tTreg TCR, которые не в состоянии в подавлять реактивные аутоиммунные ответы, опосредованные Т-клетками. Аутоиммунные реакции приводят к повреждению тканей и, таким образом, вызывают хроническое воспаление, внося вклад в формирование inflammaging. Снижение тимопоэза приводит к уменьшению выработки наивных Т-клеток для клиренса стареющих соматических клеток (SSC) и увеличению Т-клеток, не обладающей достаточной способностью к очистке. Что позволяет накапливаться SSC. SSC являются важным источником SASP, еще одним фактором inflammaging. Источник.
Ранее все попытки создать искусственный тимус терпели неудачу. Но на этот раз ученым удалось решить сложную задачу, вырастив в лаборатории различные клетки тимуса (эпителиальные и интерстициальные) из стволовых клеток тимусов, взятых у людей во время плановых операций. На следующем этапе ученые создали структурный каркас, который можно было заселить клетками тимуса. И уже готовый искусственный тимус трансплантировали мышам. В итоге у большинства животных пересаженный тимус был способен поддерживать нормальное развитие лимфоцитов.
Как отмечают авторы, их исследование может найти свое применение в двух направлениях. Во-первых, как новый источник трансплантатов для людей с атрофированным тимусом. И второе направление связано с трансплантацией других органов: поскольку тимус участвует в иммунном ответе на чужеродные вторжения, при трансплантации органов он способствует активации иммунной системы и атаке на трансплантат. Теперь потенциально появилась возможность обходить эту проблему, также пересаживая тимус, выращенный из клеток, взятых от донора органов. Что не даст организму атаковать трансплантат.
Как отмечают авторы, их исследование может найти свое применение в двух направлениях. Во-первых, как новый источник трансплантатов для людей с атрофированным тимусом. И второе направление связано с трансплантацией других органов: поскольку тимус участвует в иммунном ответе на чужеродные вторжения, при трансплантации органов он способствует активации иммунной системы и атаке на трансплантат. Теперь потенциально появилась возможность обходить эту проблему, также пересаживая тимус, выращенный из клеток, взятых от донора органов. Что не даст организму атаковать трансплантат.
28.12.2020
1. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2410-x
2. https://agmr.hapres.com/htmls/AGMR_1164_Detail.html
3. https://www.nature.com/articles/s41467-020-16050-w
4. https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30930-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS221112472030930X%3Fshowall%3Dtrue#%20
5. https://www.longevity.technology/senisca-seeks-funding-for-senescence-reversal/
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7205774/
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7191849/
8. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32578071/
9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7341951/
10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7341951/
11. https://www.nature.com/articles/s42255-020-0228-3
12. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00279-2
13. https://www.jci.org/articles/view/126078
14. https://www.bmj.com/content/370/bmj.m3324
15. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00273-8
16. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2921-5
17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
18. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
19. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
20. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33003364/
21. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7504624/
22. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.584051/full
23. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7318944/
24. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31000-X
25. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7104298/
26. https://www.aging-us.com/article/103534
27. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1568163720302324?via%3Dihub
28. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32975399/
29. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7418511/
30. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2681-2
31. https://jneuroinflammation.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12974-020-01915-0
32. https://alzres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13195-020-00664-9
33. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.13167
34. https://advances.sciencemag.org/content/6/35/eaba3200
35. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2129-8
36. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7035350/
37. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2403-9
38. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7696601/
39. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31938859/
40. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7425605/
41. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6964821/
42. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7342013/
43. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1550413119306059
44. https://asbmr.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jbmr.4173
45. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00298-z
46. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00305-3
47. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.07.082917v1.full
48. https://www.aging-us.com/article/103418/text
49. https://link.springer.com/article/10.1007/s11357-020-00297-8
50. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6971920/
51. https://www.nature.com/articles/s41467-020-20082-7#Sec9
2. https://agmr.hapres.com/htmls/AGMR_1164_Detail.html
3. https://www.nature.com/articles/s41467-020-16050-w
4. https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(20)30930-X?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS221112472030930X%3Fshowall%3Dtrue#%20
5. https://www.longevity.technology/senisca-seeks-funding-for-senescence-reversal/
6. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7205774/
7. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7191849/
8. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32578071/
9. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7341951/
10. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7341951/
11. https://www.nature.com/articles/s42255-020-0228-3
12. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00279-2
13. https://www.jci.org/articles/view/126078
14. https://www.bmj.com/content/370/bmj.m3324
15. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00273-8
16. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2921-5
17. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
18. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
19. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7326371/
20. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/33003364/
21. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7504624/
22. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2020.584051/full
23. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7318944/
24. https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(20)31000-X
25. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7104298/
26. https://www.aging-us.com/article/103534
27. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1568163720302324?via%3Dihub
28. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32975399/
29. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7418511/
30. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2681-2
31. https://jneuroinflammation.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12974-020-01915-0
32. https://alzres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13195-020-00664-9
33. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/acel.13167
34. https://advances.sciencemag.org/content/6/35/eaba3200
35. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2129-8
36. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7035350/
37. https://www.nature.com/articles/s41586-020-2403-9
38. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7696601/
39. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31938859/
40. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7425605/
41. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6964821/
42. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7342013/
43. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1550413119306059
44. https://asbmr.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/jbmr.4173
45. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00298-z
46. https://www.nature.com/articles/s42255-020-00305-3
47. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.05.07.082917v1.full
48. https://www.aging-us.com/article/103418/text
49. https://link.springer.com/article/10.1007/s11357-020-00297-8
50. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6971920/
51. https://www.nature.com/articles/s41467-020-20082-7#Sec9
Присоединяйтесь к обсуждению