Биомедицина

Ян Хоймейкерс изучает воздействия на репарацию ДНК и стабильность генома млекопитающих. В частности, он клонировал первый из многих человеческих генов репарации ДНК и обнаружил существенную эволюционную консервативность систем репарации ДНК вообще. Это обеспечило основание для разъяснения механизма репарации путем вырезания нуклеотидов (NER). Кроме того, он установил молекулярные основы множества человеческих NER синдромов. Его команда внесла большой вклад в изучение стабильности генома. Ян Хоймейкерс установил функцию ключевых факторов в NER, например, роль комплекса ERCC1/XPF эндонуклеазы, показал, что XPC комплекс — первичный фактор узнавания повреждения и обнаружил новый механизм регулирования NER повреждением ДНК.Некоторые мыши несут те же самые мутации, которые найдены у NER-пациентов, и имеют подобные фенотипы. Изучение этих мутантных мышей ценно для понимания воздействия повреждения и репарации ДНК на канцерогенез и мутагенез и обнаруживает сильную связь со старением. У условных мутантов было вызвано ускоренное старение определенных органов/тканей. С помощью анализа профиля экспрессии, был идентифицирован мощный «ответ выживания» у быстро стареющих мутантных мышей, перенаправляющий ресурсы от роста и пролиферации на защиту. Этот ответ обеспечивает довольно легкое старение, противодействует раку и может быть вызван постоянным повреждением ДНК. Эти результаты расширяют понимание молекулярных основ старения. В настоящее время в рамках этого проекта ведется идентификация биомаркеров и веществ, которые способны предотвратить многие связанные со старением болезни, включая рак.

Лаборатория молекулярной биологии компании BIOMOL под руководством Конрада Ховитца разрабатывает и производит исследования рекомбинантных ферментов, играющих роль в передаче сигнала на клетках млекопитающих, а так же разрабатывает системы для скрининга. В настоящий момент активно исследуются гистоновые деацетилазы, включая сиртуины, для которых Ховитц разработал несколько флуоресцентных субстратов и количественных систем. В лаборатории Конрада Ховитца исследовался класс компонентов, активирующих сиртуины. Они называются STAC (Sirtuin-activating compound) и являются активаторами Sir2/SIRT1 NAD±зависимых деацетилаз, увеличивающих продолжительность жизни многих видов животных, а так же способных откладывать по времени развитие заболеваний, ассоциированных со старением, таких как, например, рак, диабет, нейродегенеративные заболевания и др. STAC, получаемые из растений, такие как фисетин (fisetin) и резвератрол, имеют некоторые недостатки, например низкую стабильность и относительно низкую эффективность активации сиртуинов. Для разработки улучшенных STA в лаборатории были синтезированы производные стильбена (stilbene) с модификацией В кольца в 4-ом положении. Они обладали пониженной токсичностью по отношению в человеческим клеткам, высокой эффективностью активации SIRT1 и с высокой способностью увеличивать продолжительность жизни дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Главный вывод этих исследований — возможно улучшать свойства натуральных компонентов — активаторов сиртуинов с помощью искусственных модификаций.

Причиной возрастного ухудшения тимопоэза и иммунных функций может быть изменяющийся с возрастом цинковый статус. Добавление цинка в пищу улучшает тимопоэз, что подтверждается увеличением числа тимоцитов. В исследовании, проведенном группой профессора Хо из Универ-ситета Орегона, улучшенная производительность тимуса была связана частично с уменьшением возрастного накопления незрелых CD4(-)CD8(-)CD44(+)CD25(-) тимоцитов, а также с уменьшением экспрессии фактора стволовых клеток — цитокина, подавляющего функции тимуса. В другой своей работе Э. Хо с сотрудниками показали, что самая малая нехватка цинка в рационе мужских особей крыс подвергла ткань простаты повышенному оксидативному стрессу и увеличенному количеству повреждений в ДНК клеток ткани этого органа. У крыс с дефицитом цинка была обнаружена повышенная экспрессия p53 и PARP, что и явилось причиной возникновения ДНК мутаций. Учёные сделали вывод о необходимости потребления необходимой дозы цинка для уменьшения риска заболевания раком простаты.

В ходе исследований группы Алана Хипкиса установлено, что карнозин (β-аланил L-гистидин) способен замедлить старение и стимулировать обновление клеток в культуре человеческих фибробластов. Механизмы, с помощью которых такая простая молекула способна вызывать такие эффекты, до конца не выяснены за исключением ее антиоксидантных свойств. Возможно, что посттрансляционная модификация белков в клетке включает в себя присоединение карбонильных остатков с помощью активных форм кислорода и гликирование. Кумулятивный эффект данных изменений проявляется в виде старения клеток на биохимическом уровне. Результаты исследования показывают, что в дополнение к профилактической роли карнозина, он может участвовать в инактивации или устранении «старых белков», возможно, путем непосредственной реакции с карбонильными группами белков. Для названия этой реакции исследователи предложили термин «карнозинилирование» («carnosinylation»). В настоящее время карнозин уже используется как антиоксидант и хелатирующий агент. Не исключено, что «карнозилированные» белки превращаются в инертный липофусцин, расщепляются и выбрасываются в межклеточное пространство.

Для «омоложения» популяции Т-клеток, которая более всего затрагивается старением, необходимо уничтожить плохо функционирующие клетки и освободить пространство для новых иммунных клеток. В исследованиях группы Хейнес, проводившихся на мышах было показано, что у старых мышей CD4+ наивные клетки нормально не функционируют и экспрессируют низкое количество молекулы CD40L. Ученые уничтожили все CD4 клетки с помощью антител к их маркеру. Через два месяца у старых мышей восстановилась популяция наивных Т-клеток. При этом все они прекрасно выполняли свои функции.

При описании биологической сущности механизмов старения очень большую роль ученые отводят изучению фактора TOR. То, что ингибирование фактора TOR увеличивает продолжительность жизни и замедляет процессы клеточного старения у беспозвоночных, в частности у дрожжей, нематод и дрозофил, было известно давно. Однако вопрос о том, увеличивает ли ингибирование фактора TOR продолжительность жизни у млекопитающих, долгое время оставался открытым. В опытах, проведенных группой Дэвида Харрисона, TOR ингибировался с помощью рапамицина. В исследовании использовались три группы генетически гетерогенных мышей. В результате длительность жизни у мышей всех трех групп значительно увеличивалась: у самок на 14% а у самцов на 9%. Как известно, ингибирование TOR активирует процесс макроаутофагии. Это исследование впервые показывает, что ингибирование фактора TOR увеличивает продолжительность жизни и замедляет клеточное старение не только у беспозвоночных, но и у млекопитающих.
Ученые уверены, роль стволовых клеток в механизмах старения — это тема, которая позволит в будущем управлять биологическим возрастом.

Во время старения происходит уменьшение содержания гормона роста (ГР) и инсулин-подобного фактора роста-I, дефицит эстрогена у женщин, уменьшение тестостерона у мужчин, уменьшение безжировой массы тела, увеличение массы жира, и другие изменения, связанные с дефицитом гормона роста. Лечение непожилых людей с дефицитом ГР при помощи рекомбинантного человеческого ГР (rhGH) улучшает отношение мышечной и жировой ткани тела, мышечную силу, физическую выносливость, плотность костей, и уменьшает холестерин в крови и риск сердечно-сосудистых заболеваний. Однако терапия rhGH часто сопровождается синдромом запястного канала, периферийными отёками, суставными болями и опуханиями, гинекомастиями, нетерпимостью к глюкозе, и возможно, увеличивает риск возникновения рака. Данные показывают, что низкий уровень тестостерона у мужчин старших возрастов коррелирует с потерей безжировой массы тела и мускульной силы, и увеличением объема жировой массы тела. Возможно, низкий уровень тестостерона также связан с уменьшением плотности костей, потерей чувствительности к инсулину, и ухудшением познавательной и эмоциональной сферы, и снижением сексуальной функции. Необходимо проведение дополнительных исследований влияния гормона роста на функционирование организма, его положительного и отрицательного воздействия. Восполнение тестостерона у пожилых мужчин показывает некоторые положительные эффекты на каждую из этих переменных.

Основной темой исследования профессора Харриса является приобретенные и врожденные механизмы направленного мутагенеза. Разнообразие антител на генном уровне и ограничение подвижности ретроэлементов — оба эти механизма катализируются ДНК цитозин-дезаминазами. Установлено, что белки семейства дезаминаз могут ингибировать ретротранспозцию мобильных элементов L1, а также вируса ВИЧ с помощью механизма, не связанного с дезаминированием. Этот механизм работает в цитоплазме клеток во время трансляции белков или посттрансляционно. Полученные учеными данные предполагают, что белки семейства дезаминаз являются неотъемлемой частью врожденного иммунитета и играют важную роль в создании многообразия антител. Возможно, что белки этого семейства (такие как APOBEC3) используют ткань-специфичные кофакторы или посттрансляционные модификации для максимально эффективной коррекции рестрикции. Результаты этих исследований помогут глубже понять механизмы «благоприятных» мутаций, разработать терапевтические подходы к управлению ими, и разобраться, как сбой в работе этих механизмов может приводить к неоплазии.

Учеными группы Билли Худсона былопоказано, что in vitro пиридоксамин и тиамин пирофосфат (витамины группы В) более эффективно ингибируют формирование AGE, чем аминогуанидин. Полученные результаты свидетельствуют, что витамины B1 и В6 могут применяться для борьбы с осложнениями диабета и при старении. Также установлено, что аминогуанидин ингибировал процесс гликилирования на поздних стадиях хуже, чем на ранних. Ученые предполагают, что интенсивная терапия пиридоксамином и тиамин пирофосфатом в сочетании с другими препаратами поможет в облегчении осложнений диабета за счет снижения степени гликилирования белков.

Ученые группы Тэо Хагга показали, что систематическое лечение агонистами D2-рецепторов стимулирует нейрогенез, индуцируя цилиарный нейротрофический фактор (CNTF). Другие нейротрансмиттерные системы также регулируют производство нейротрофических факторов астроцитами, тем самым регулируя нейрогенез. Астроциты — наиболее устойчивые к травмам клетки, что делает их хорошей мишенью для лекарств, улучшающих нейрогенез. Нейротрансмиттерные рецепторы также присутствуют на клетках-предшественниках и других типах клеток, вовлеченных в нейрогенез, что также способствует общей регуляции этого биологического процесса. Таким образом, комбинируя разные типы лекарств, можно увеличивать число новых нейронов и контролировать их фенотип.