Генетика старения

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, возглавляемой Константином Храпко, особый интерес уделяется исследованию роли соматических мутаций мтДНК в человеческом старении. При этом исследуется количество мутаций мтДНК в отдельных клетках. С использованием такого подхода — определение количества мутаций мтДНК в отдельной клетке — было обнаружено что уровень делеций мтДНК в пигментированных нейронах у человека очень высок. Среди других направлений разрабатываемых в лаборатории: исследование рекомбинации мтДНК и исследование мтДНК с помощью метода микрочипов. Обычно принято считать, что мутации в мтДНК возникают в тех клетках, в которых эти мутации и нашли: то есть в данный момент. Однако показано, что клетки, несущие определенную мутацию в мтДНК склонны объединяться в кластеры. Клетки в этих кластерах являются как правило потомками одной клетки. Таким образом мутации в мтДНК возникают не в них, а в клетках-предшественниках, например в стволовых клетках или даже раньше в процессе развития. Мутации мтДНК в клетках-предшественниках могут быть одним из основных источников мутаций мтДНК в здоровой стареющей ткани.

Для достижения результата, учёные использовали сочетание двух приёмов: они выключили определённые гены (Ras2, Tor1 и Sch9) в клетках и посадили их на низкокалорийную диету. Лонго и его коллеги выключили данные гены у дрожжей, добившись огромного роста срока жизни — до 10 недель, вместо «стандартной» одной недели. Исследователи также обнаружили, что для продления жизни дрожжей необходима серин-треониновая киназа Rim15.Авторы эксперимента объясняют эффект продления жизни так: обычно организм направляет энергию на рост и развитие, что, однако, приводит к появлению генетических ошибок. Выключение генов Ras2, Tor1 и Sch9 наряду с ограничением калорий, заставляет организм переключать свои усилия с роста (размножения клеток) на «консервацию» — защиту ДНК в клетках.

Замедление процесса старения — тема, уже давно занимающая ученых всего мира. Сравнивая гены, которые вовлечены в старение, в том числе и замедленное старение, эукариот, группа Кеннеди идентифицировала набор консервативных путей продолжительности жизни, которые, вероятно, относятся и к млекопитающим. Текущие проекты:

1. Путь ТОР, трансляция белка и старение — Снижение ТОР-сигналинга продлевает жизнь дрожжей, червей, мух и мышей, а следовательно замедляет старение. Исследования лаборатории Кеннеди указывают, что главная выгода ингбирования ТОР — изменение трансляции, которое имеет множественное действие. Одно из них — увеличенная трансляция GCN4, который кодирует фактор транскрипции, регулирующий гены ответа на стресс (и другие). Текущая задача — идентифицировать мишени GCN4, относящиеся к замедленному старению организма. Исследования также указывают, что уменьшение ТОР-сигналинга ведет к продлению жизни и замедлению старения через независимые от GCN4 механизмы. Применяются несколько подходов к идентификации этих дополнительных механизмов для замедления старения. В лаборатории проф. Кеннеди создали и охарактеризовали нескольких мышей с нокаутированными генами компонентов пути mTOR. Изучаются фенотипы этих мышей, связанные со старением и возрастными заболеваниями при замедленном старении. После тщательной обработки данных исследователями будет также рассмотрено замедленное старение человека.
2. Сиртуины и старение — Сиртуины — группа консервативных, зависимых от NAD+ деацетилаз, или ADP-рибозилтрансфераз. Сверхэкспрессия SIR2 у дрожжей и их ортолога у червей, SIR 2.1, ведет к продлению жизни. Кроме того, есть указания, что повышение экспрессии ортолога млекопитающих, SIRT1, может благотворно влиять на ряд моделей возрастных болезней. В то время как механизмы действия ортологов SIR2, связанные с обычным и замедленным старением, были предложены в каждом организме, нет никакой объединенной модели для всех организмов. Группа проф. Кеннеди обнаружила при изучении дрожжей, что SIR2 продлевает жизнь по другому механизму, не связанному с внехромосомными кругами рДНК.
3. S6-киназа и старение — Уменьшение активности S6-киназы ведет к продлению жизни дрожжей, червей и мух, тем самым обеспечивая замедление старения. Группа проф. Кеннеди изучает S6-киназу беспозвоночных и мышей. Ученые характеризуют свойства мышей, испытывающих недостаток S6K1 и создают тканево-специфичные нокауты S6K1. Тканевоспецифичные нокауты будут использоваться для определения участков, где уменьшение активности S6K1 ведет к увеличению продолжительности жизни, замедлению процесса старения и защите от возрастных болезней.
4. Ядерный ламин, А — В течение ряда лет предметом изучения лаборатории Кеннеди была регуляция функций ядра ламином А. Ламины — единственные промежуточные нити, которые ограничивают ядро. Это требуется для целостности ядра и надлежащего регулирования репликации и транскрипции. Ламин, А подвержен мутациям при ряде болезней, включая мускульную дистрофию, кардиомиопатию и прогерию. Объектом недавних исследований было обеспечение нормальной сердечной и скелетной функции мышц ламином, А и возникновение синдрома прогерии Хатчинсона-Гилфорда благодаря мутации ламина А. В этих исследованиях использовали первичную клеточную культуру и модельных мышей.

Саркопения — явление потери мышечной массы с возрастом. Это основная причина старческой слабости, уменьшения скорости метаболизма, уменьшения прочности костей. Для объяснения причин саркопении был предложен ряд теорий. Одна из них связывает саркопению с увеличением количества свободных радикалов, окислительным стрессом и возраст-зависимой аккумуляцией митохондриальных аномалий: то есть с накоплением мутаций в мтДНК приводящих к дефектам белков электрон-транспортной цепи. Ученые под руководством Айкена предположили, чтомышцы, которые наиболее ослабляются в результате саркопении будут нести больше дефектов электрон-транспортной цепи, чем менее ослабленные мышцы. Для того, чтобы проверить эту гипотезу ученые исследовали наличие в мышцах соответствующих миоцитов, в митохондриях которых отсутствовал комплекс цитохромоксидазы и тех, в которых наблюдалась повышенная активность сукцинат-дегидрогеназы. Оказалось, что миоциты, в которых отсутствует цитохромоксидаза и наблюдается повышенная активность сукцинат-дегидрогеназы несут мутации мтДНК. Накопление делеций мтДНК приводит к потере активности цитохромоксидазой и вызывает повышенную активность сукцинат-дегидрогеназы. Накопление митохондрий с дефектной электрон-транспортной цепью вызывает умень-шение продукции энергии, нарушение клеточной активности и ограничение способности клеток адаптироваться к различным физиологическим стрессам.