Клеточная биология

Ограничение калорий уменьшает сферу действия и прогрессирование спонтанных и индуцированных опухолей у лабораторных грызунов при увеличении средней и максимальной продолжительности жизни. Предполагается, что ограничение калорийности продлевает жизнь и уменьшает возрастные патологии путем уменьшения уровня повреждения ДНК и мутаций, которые накапливаются с возрастом. Неоднократно показано, что и рак, и иммунологические дефекты, которые значительно увеличиваются с возрастом и могут быть отсрочены с помощью ограничения калорийности, связаны с изменениями повреждений ДНК и/или репарации ДНК. Лаборатория Эрлана Ричардсона исследовала влияние ограничения калорийности на целостность генома и способность клеток к репарации ДНК. Большинство выполненных исследований указывает, что возрастное увеличение окислительного повреждения ДНК значительно уменьшается благодаря ограничению калорийности, повышающей репарацию ДНК. Геномные технологии и понимание определенных путей репарации позволили показать, что ограничение калорийности воздействует на главные пути репарации ДНК.

Существуют некоторые эпигенетические отличия iPS от эмбриональных стволовых клеток, что, впрочем, не влияет на стабильность генома. iPS, по-видимому, можно считать особым видом плюрипотентных клеток. На основе iPS удалось получить клетки самых разных тканей. Эти работы имеют важнейшее значение с точки зрения регенеративной медицины. Возможно, в дальнейшем iPS смогут быть использованы для лечения множества, в том числе возрастных заболеваний, связанных как с дегенерацией, так и с дисфункцией определенных типов клеток. Кэтрин Плат участвовала в работах по получению кардиомиоцитов, гладкомышечных клеткок, клеткок эндотелия, гемопоэтических клеток, половых клеток и двигательных нейронов.

Новая научная область нутригеномика использует геномные инструменты, способные, подобно микромассивам, анализировать метаболическую адаптацию, вызванную изменениями в пищевом статусе. Группа профессора Панкратза описала, как образцы транскрипционной регуляции, вызванные пищевыми изменениями, могут быть идентифицированы, используя копирование экспрессии гена. Это включает технические замечания по анализу микромассива и обработке данных, так же как и предоставление биологического обоснования к статистически надежным данным. Исследовательская группа выдвигает на первый план свои недавние результаты транскрипционного регулирования генов, представляющих определенную передачу сигналов и метаболические пути в печени мыши при голодании. Результаты показывают сильные корреляции с предварительно идентифицированными ответами на ограничение калорийности, которое может быть связано с увеличением продолжительности жизни.

Исследования научной группы Марка Нобла привели к открытию нового регуляторного механизма, посредством которого небольшое повышение в окислительном стату-се организма приводит к усилению разрушения рецепторов на поверхности клеток, которые необходимы для деления и выживания клеток-предшественников. Этот механизм был назван redox/Fyn/c-Cbl- механизмом. Он описывает общие принципы действия токсинов разной химической природы и объединяет биологию клеток-предшественников, токсикологию, редокс-биологию и анализ сигнальных реакций в организме. В поиске баланса между регенерацией и дифференцировкой клеток группа Марка Нобла обнаружила, что внутриклеточный редокс-статус является основным модулятором этого баланса в клетках-предшественниках астроцитов олигодендроцитов типа 2 (О-2А). При изучении О-2А прогениторных клеток из различных регионов мозга было обнаружено, что свойства этих клеток специфичны для каждого региона. При немедленном анализе клеток, выделенных из коры, обнаруживалось, что они обладали сниженными редокс-статусом по сравнению с клетками из зрительного нерва. У клеток из зрительной хиазмы способность к обновлению была промежуточной между клетками коры и зрительного нерва: эти клетки были более «восстановлены», чем клетки зрительного нерва, но более «окислены», чем клетки-предшественники O-2A из коры. Внутриклеточный редокс-статус недавно выделенных клеток-предшественников позволяет различать клетки с разной способностью к самообновлению, которые затем можно программировать в противоположных направлениях, добавляя проантиоксиданты.

Воспалительный процесс рассматривается как один из обязательных атрибутов при развитии раковых заболеваний. Исследования влияния интерлейкина-β (interleukin-1β, IL-1β) на α-субъединицу гипоксия-индуцируемого фактора HIF-1α, показали, что IL-1β регулирует HIF-1α в степени, способной привести к развитию физиологической воспалительной реакции в онкологическую реакцию. При этом происходит активация HIF-1-зависимого фактора роста сосудистого эпителия VEGF, находящегося под контролем NFkB. Таким образом IL-1β опосредует синтез NFkB-зависимой циклооксигеназы-2 (cyclooxygenase-2, COX-2), которая, в свою очередь, приводит к образованию простагландина Е2 (prostaglandin E2), доза-зависимого индуктора HIF-1α. Завершением этого каскада является развитие VEGF, необходимого для развития опухоли и метастаз. Из этого следует, что связь HIF-1альфа с NFkB- сигнальным путем является еще одним из факторов, ведущих к переходу физиологической воспалительной реакции в онкогенез.

Кавеолин-1 (Cav1) регулирует многие раковые процессы, включая трансформацию клеток, рост опухоли, клеточную миграцию и метастазирование, а так же множественную лекарственную устойчивость и ангиогенез. Однако, существует как позитивное, так и негативное влияние кавеолина-1 на различные аспекты опухолевой прогрессии. Кавеолин-1, с одной стороны, может функционировать как супрессор опухоли, а с другой — является и прогностическим фактором в различных человеческих раковых клетках. Многолетние исследования показывают, что функции Cav1 взаимозависимы на стадии опухоли и экспрессии молекулярных эффекторов, которые влияют на его роль в опухолевой прогрессии.

Группа Нобору Манабе изучает клеточные и молекулярные механизмы образования фиброзов на животных моделях. Лизилоксидаза — внеклеточный фермент, который играет ключевую роль в посттрансляционных модификациях коллагена и эластина. Лизил-оксидаза катализирует образование внутри- и межмолекулярных сшивок. Считается, что внеклеточный матрикс, пронизанный сшивками, очень устойчив к разрушающим ферментам. Поэтому ученые группы Нобору Манабе предполагают, что гиперэкспрессия лизил-оксидазы провоцирует дегенерацию фиброзной ткани. В исследовании использовали мышей с врожденным тубулоинтерстициальным фиброзом при гломерулонефрите. В результате выяснилось, что уровень лизил-оксидазы в почках мышей с наследственным хроническим фиброзом почек регулирует трансформирующий фактор роста бета1.

Научные интересы профессора Маккиарини охватывают широкий круг проблем, среди которых хирургическое лечение легких, пищевода и опухолей средостения. Методы тканевой инженерии уже позволили решить ряд сложных задач, возникающих при трансплантации органов дыхания, сегодня ведется эксперимен-тальная работа по сердечно-легочной трансплантации. Наиболее существенным достижением Паоло Маккьярини с коллегами является операция по трансплантации биоинженерной трахеи, созданной с использованием аутологичных стволовых клеток. В подготовке и осуществлении операции участвовали ученые из университетов Барселоны (Испания), Бристоля (Великобритания), Падуи и Милана (Италия). Все этапы этой операции отрабатывались в многочисленных экспериментах на моделях животных и в операциях по трансплантации небольших участков дыхательной ткани человеку. Результаты операции показали, что такой «биоинженерный» имплантант трахеи, обладая необходимыми для нормального функционирования дыхательного пути механическими свойствами, полностью исключает риск отторжения. Кроме того, на встроенном участке трахеи наблюдалось быстрое прорастание кровеносных сосудов (реваскуляризация). В течение года состояние пациентки остается хорошим. В настоящее время лаборатория Паоло Маккиарини продолжает совершенствовать биоинженерную технику операций на дыхательных путях и разрабатывает подходы к моделированию трансплантантов для сердца и легких.

В процессе перепрограммирования в клетке должен значительно измениться характер метилирования ДНК и гистонов, а также ацетилирования гистонов. Изучение этих процессов и поиск способов их контроля важно для всех практических приложений iPS. В лаборатории Алекса Майсснера используется модификация метода бисульфитного секвенирования, позволяющая с высоким разрешением изучать метилирование геномов. Здесь были получены важнейшие сведения об эпигенетических изменениях, происходящих при дифференцировке клеток. Эффективность перепрограммирования зависит от степени метилирования генома исходной клетки, что было доказано в опытах с пересадкой ядер. Оказалось, что нейрональные стволовые клетки гораздо эффективней в качестве доноров, чем дифференцированные нейроны. С помощью использования гипоморфного аллеля ДНК-метилтрансферазы 1 было показано, что гипометилирование дифференцированной клетки значительно повышает эффективность перепрограммирования, а значит и клонирования. В частично перепрограм-мированных клетках происходит реактивация генов, характерных для эмибриональных стволовых клеток и неполная репрессия генов, чья экспрессия характерна для дифференцированных клеток. В лаборатории Алекса Майсснера был найден способ идентификации iPS в культуре клеток по морфологическим критериям. Также было показано, что эффективность перепрограммирования можно повысить обработкой ингибиторами ДНК-метилтрансфераз.

Исследования группы профессора Мазоро показали, что животные, получавшие меньше пищи, имеют низкие концентрации инсулина в плазме и увеличенный ежедневный пик глюкокортикоидных гормонов стресса. Последний факт привел Мазоро к предложению новой теории о том, каким образом ограничение калорий продлевает жизнь: как умеренная форма стресса, это позволило бы животным более эффективно справляться с интенсивными нагрузками, такими, как тепловой или токсический стресс, и другими разрушительными агентами, которые вносят вклад в старение. Данные группы профессора Мазоро также показыли, что крысы, которых меньше кормили, жили дольше и использовали большее число калорий на грамм веса тела в течение их жизни, чем крысы, которых не ограничивали в пище. Исследования показали, что ограничение питания продлевало жизнь грызунам, также у них наблюдались эффекты антистарения в отношении разнообразных физиологических и патологических процессов. Таким образом, данные этих исследований не подтверждают концепцию, что ограничение продовольствия замедляет старение, снижая метаболизм.