Биомедицина

Одно из направлений исследований профессора Шмуклер-Райса — поиск генов, регулирующих продолжительность жизни у нематоды C. elegans. В его лаборатории были созданы мутанты нематоды по гену age-1, у которых вырезана каталитическая субъединица фосфатидининозитол-3-киназы (PI3K(CS)), обладающие выдающейся продолжительностью жизни. Эти нематоды обладают гораздо более длительным периодом развития, нормальной подвижностью, однако при этом мутантным животным приходится пожертвовать размерами тела и скоростью метаболизма. Также эти черви обладают исключительной устойчивостью к оксидативному и электрофильному стрессам по сравнению с червями, обладающими нормальными аллелями или аллелями, ассоциированными с меньшей продолжительностью жизни. Мутантные черви живут 145–190 дней при 20 градусах Цельсия, что составляет продление средней и максимальной продолжительности жизни примерно в 10 раз.

В лаборатории профессора Шмитта изучаются молекулярные механизмы клеточных ответов на стрессовое воздействие. Стрессовые ответы сопровождаются индукцией апоптоза или клеточного старения для остановки предракового состояния в клетке и последующей гибели (изоляции) измененной клетки. Однако при длительной онкогенной стимуляции клетка может преодолеть данный барьер и безвозвратно приобрести онкогенный фенотип. Для исследования клеточного ответа на стресс, вызванный действием антираковой терапии в лаборатории профессора Шмитта были созданы мышиные модели лимфом и других опухолей с известными генетическими нарушениями. На базе данных моделей была показана противоопухолевая роль гистоновой метилазы Suv39h1, ингибирование которой приводило к развитию у мышей лимфомы В-лимфоцитов, направляемой конститутивной экспрессией встроенного протоокогена Ras. Метилирование гистона H3R9 (мишени для метилазы Suv39h1) у мышей, дефицитных по Suv39h1, предотвращало образование лимфом и инициировало процесс клеточного старения у В-клеток как защитного механизма против рака. Была также установлена модулирующая роль генетических нарушений в локусе INK4a/ARF в чувствительности/устойчивости различных типов лимфом к противораковому лечению. Онкогенные сигналы вызывают активацию стрессового ответа в нормальных клетках, который служит своеобразным «барьером» на пути превращения клетки из нормальной в опухолевую. Таким образом, клеточное старение или апоптоз, индуцируемое антираковой терапией, является защитным механизмом, предотвращающим дальнейшую экспансию (метастаз) раковых клеток.

Продукты неэнзиматического гликозилирования, продукты окисления белков и липидов (AGEs) накапливаются в течение жизни организмов. Важную роль AGEs играют в активации рецептора для AGEs — RAGE, трансмембранного рецептора семейства иммуноглобулинов. Ученые предполагают, что таким образом AGEs стимулируют процессы, сопряженные с воспалением и его последствиями в разных тканях, а это способствует осложнениям при диабете, воспалительных и нейродегенеративных процессах и в ходе старения. Научной группой Шмидт на культуре клеток и на животных моделях было показано, что рецепторы RAGE, активированные AGEs, влияют на прогрессию сосудистых заболеваний. Кроме того, в патогенезе болезни Альцгеймера также прослеживается взаимодействие между бета-амилоидным белком и рецепторами RAGE. Влияние RAGE на микроглию, гематоэнцефалический барьер и нейроны осуществляется через множество сигнальных каскадов. Последние исследования показали, что комплекс бета-амилоид+ RAGE усиливает стресс нейронов и дальнейшее накопление бета-амилоида, что приводит к ухудшению памяти и обучаемости. Целевое терапевтическое влияние на уровень рецепторов к AGEs в организме может быть полезным в лечении сосудистых и нейродегенеративных заболеваний. Поскольку гены, кодирующие эти рецепторы, очень полиморфны, в качестве лечебного подхода можно рассматривать генетический контроль.

Непрерывная генерация новых нейронов в гиппокампе взрослого обладает удивительной пластичностью. Считается, что снижение нейрогенеза лежит в основе депрессии, и лечение антидепрессантами должно повышать нейрогенез. Группа Клаудии Шмаус провела сравнительное исследование на мышах двух инбрендных линий, которые существенно отличаются в эмоциональности, стрессовой устойчивости и поведении при постоянном приеме антидепрессантов. В ходе исследования было показано, что, несмотря на различную проли-ферацию между разными линиями, не было обнаружено существенных различий в нейрогенезе после стресса или лечения флуоксетином. Стимуляция флуоксетином нейрогенеза взрослых была обнаружена только тогда, когда лечение им было назначено в подростковом возрасте, и этот эффект был отмечен у мышей, подвергшимся раннему жизненному стрессу, что является серьезным фактором риска развития депрессии во взрослом возрасте. Таким образом, влияние антидепрессантов на стимуляцию нейрогенеза в гиппокампе зависит от возраста.

Поровые тканеинженерные конструкции могут быть использованы для переноса генетического материала (ген фактора роста сосудов) и стимуляции формирования новой ткани. В лаборатории Лонни Ши были созданы поровые тканеинженерные наноконструкции из полилактида-когликолида с инкаспуслированными плазмидами, несущими вставки генов для трансфекции. Было установлено, что поризация повышала уровень трансгенной экспрессии in vivo. Трансфецированные клетки сначала обнаруживали на периферии конструкции, а через 4 месяца экспрессию трансгенов отмечали по всему объему ткани в конструкции. В результате стабильной экспрессии кодируемого на плазмиде VEGF в объеме трансгенной ткани была повышена плотность кровяных сосудов по сравнению с контролем. Комбинация новых наноконструкций с технологией доставки генов с помощью невирусных векторов облегчит проведение манипуляций с различными тканями в будущем, что будет способствовать развитию регенеративной медицины.

Окислительный стресс и воспаление вовлечены в развитие различных возраст-зависимых патологий. Исследовательская группа доктора Фу Шенга из Университета Тафтс (Бостон) продемонстрировала, что окислительная инактивация протеасомы является молекулярным связующим звеном между окислительным стрессом и интерлейкином-8 (цитокин, вызывающий воспаление). Блокирование любой из стадий этого каскада, приведет к отмене ингибирования протеасомы и, что может уменьшить синтез провоспалительных молекул в клетке. Был обнаружен сигнальный каскад, который приводит к увеличению концентрации интерлейкина-8 в ответ на ухудшение работы протеасомы.

Круг научных и медицинских интересов Нормана Шарплесса включает разработку новых антираковых терапий, поиск биомаркеров старения, изучение меланом и генетические исследования рака. Главный фокус исследований в лаборатории доктора Шарплесса — это изучение роли локуса опухолевого супрессора INK4a/ARF в развитии рака и в старении человека. В лаборатории доктора Шарплесса:- обнаружено, что активация механизмов клеточного старения происходит в некоторых самообновляемых клеточных компартментах организма и нишах стволовых клеток. Следовательно, старение организма происходит по мере старения взрослых стволовых клеток. — показано, что потеря клеточного старения в данных компартментах и нишах ведет к раку. Следовательно, рак и старение представляют собой, соответственно, потерю и успешное развитие клеточного старения в отдельных нишах стволовых клеток. Поскольку фактор p16INK4a играет важную роль в предотвращении меланомы, в лаборатории также на протяжении длительного времени проводятся исследования этой особо опасной формы рака. Созданы несколько мышиных моделей меланомы человека, используемых для тестирования новых антираковых терапевтических агентов. Показана репрессивная роль p16INK4a/RB- и ARF/p53-зависимых супрессорных путей по отношению к меланоме в ответ на активацию RAS/RAF-зависимых сигналов. Открыт новый подтип экспрессионного профиля меланомы человека, что позволило обнаружить новую терапевтическую мишень — белок CD200 (мембранный гликопротеин-иммуномодулятор, регулирующий развитие миелоидных линий клеток и участвующий в проведении ингибирующего сигнала по отношению к развитию макрофагов) — для лечения меланомы. Экспрессия фактора p16INK4a, являющегося важным индуктором клеточного старения, заметно увеличивается с возрастом. Следовательно, экспрессия данного белка может служить своеобразным биомаркером физиологического (но не временного) старения.

Зубы развиваются из взаимодействий между клетками мезенхимы и эпителием, где эпителий обеспечивает инструктивную информацию для инициирования. Основываясь на этих начальных взаимодействиях ткани, группой под руководством профессора Шарпа клетки мезенхимы были заменены мезенхимой, созданной скоплением культурных незубных стволовых клеток мышей. Перекомбинации между незубной, полученной из клеток мезенхимой, и эмбриональным эпителием ротовой полости стимулируют одонтогенный ответ в стволовых клетках. Эмбриональные стволовые клетки, нервные стволовые клетки, и взрослые, полученные из костного мозга, клетки — все отвечали выделением одонтогенных генов. Кроме того, перемещение зачатка эмбрионального зуба во взрослую челюсть закончилось развитием структур зуба. Это свидетельствует о том, что эмбриональный зачаток может развиться во взрослой окружающей среде. Перемещение перекомбинаций во взрослые почечные капсулы закончилось развитием структур зуба и связанных костей. Таким образом, эти результаты обеспечивают существенный прогресс в создании искусственного эмбрионального зачатка зуба от культурных клеток, которые могут использоваться, чтобы заменить отсутствующие зубы после трансплантации в рот взрослого.

Доктор Чуанг занимается изучением ингибиторов HDAC и их терапевтического применения при лечении различных нарушений нервной системы. Многие нарушения в работе мозга связаны с дисбалансом в уровне ацетилирования белков и нарушениями транскрипции. Группа Чуанга показала, что с помощью воздействий разнообразными ингибиторами HDAC можно исправить эти нарушения, и это является перспективной стратегией в терапии нервнодегенеративных заболеваний. Кроме того, доктор Чуанг совместно с докторами Ким и Лидс показал влияние ингибитора HDAC — бутирата натрия — на нейрогенез в ишемизированном мозге. Полученные результаты указывают на то, что пролиферация, миграция и дифференциация клеток, вызванная ингибиторами гистоновых деацетилаз, может способствовать длительному благоприятному эффекту бутирата натрия после ишемических повреждений. Д-р Чуанг говорит и о других ингибиторах дейцетилаз гистонов, в частности о вальпроевой кислоте. Это широко описанное и изученное лекарство от биполярных психозов и припадков — является ингибитором HDAC. Воздействие ингибиторов HDAC после инсульта вызывает уменьшение объема инфаркта мозга. Д-р Чуанг с коллегами проводили инъекции трех ингибиторов HDAC мышам через 24 часа после искусственно вызванного инсульта. Показано, что все три ингибитора приводят к уменьшению объема инфаркта. Они разрушают ДНК клеток микроглии, но эффект вальпроевой кислоты сильнее. Исследования показали, что трихостатин, А и бутират натрия — два структурно различных ингибитора HDAC — так же вызывают апопотоз микроглии. Эти исследования открыли новые механизмы усиления нейропротекции с помощью ингибиторов HDAC.

Исследовательская группа под руководством Эдуардо изучает вторичные мессенджеры — малые сигнальные молекулы, которые производятся клеткой в ответ на различные физиологические стимулы. Белок CD38 является многофункциональным ферментом, использующим молекулу НАД+ в качестве субстрата для синтеза вторичных мессенджеров, например цАДФ-рибозы. Ин-тересно также то, что белок CD38 присутствует на внутренней ядерной мембране. Под руководством Эдуар-до Чини было проведено исследование опосредованного влияния белка CD38 на ферментативную активность SIRT1, через регуляцию уровня НАД+.Было выявлено, что у мышей с вы-ключенным геном CD38, тканевой уровень НАД+ существенно повышен. Исследователи также обнаружили, что инкубация очищенного рекомбинантного белка SIRT1 с белком CD38 или ядерным экстрактом от мышей дикого типа приводит к инги-бированию активности SIRT1. Более того, эндогенная активность SIRT1 у мышей с «выключенным» CD38 оказалась в несколько раз выше по сравнению с диким типом. Кроме того, у мутантных мышей был повышен уровень деацетилирования одного из субстратов фермента SIRT1 — белка р53. Эти данные подтверждают, что CD38 является основным регулятором соотношения клеточного/ядерного уровня НАД+ и активности SIRT1, и указывают на ещё одну возможную регуляционную точку активности сиртуинов.