Долгой для своей весовой категории жизнью славятся некоторые роющие («подземные») грызуны, относящиеся к семействам Spalacidae (слепыш) и Bathyergidae (дамарский землекоп и голый землекоп).
Дети подземелья
Ольга Волкова, «Биомолекула»
Человек живет долго. С каждым десятилетием всё дольше. Но у него есть медицина. Слон живет столько же, а кит гораздо дольше — не пользуясь системой здравоохранения. Но они большие… Недавно человеку посчастливилось поближе познакомиться с очень маленьким и очень странным долгожителем. Он обитает в душном подземелье, не поддерживает постоянную температуру тела, формирует касты — как муравей. Подслеповат, как крот, голокож, как человек. Вот, пожалуй, и все аналогии. Дальше — сплошная уникальность. Не чувствует ожоги, не знает, что такое рак, атеросклероз и нейродегенерация, не проявляет классических признаков старения, переживает
О феномене пренебрежимого старения и перспективах изучения животных, его демонстрирующих, речь шла ранее: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить» [1] и «Преодолевшие старение. Часть I. Кому выпал эволюционный джекпот?» [2]. Пожалуй, к самым интересным объектам биогеронтологических изысканий можно отнести млекопитающих, стареющих чрезвычайно медленно или почти не стареющих в человеческом понимании этого процесса. Но если экспериментировать с крупными, живущими более 100 лет организмами нереально, то мелкие, быстро размножающиеся и формирующие крупные популяции в естественных условиях и неволе животные были бы настоящим подарком для ученых.
И похоже, подходящих кандидатов уже нашли: долгой для своей весовой категории жизнью славятся некоторые роющие («подземные») грызуны, относящиеся к семействам Spalacidae (слепыш) и Bathyergidae (дамарский землекоп и голый землекоп, хотя последний стои?т на пороге выделения в семейство Heterocephalidae [3]). Эти животные (рис. 1) лишь изредка покидают душные и тесные системы подземных ходов и камер, то есть испытывают хронический дефицит кислорода и мирятся с избытком аммиака, углекислого газа и продукта его взаимодействия с водой — угольной кислотой. Условия можно назвать экстремальными, но относительно стабильными и выгодными с точки зрения безопасности: встречи с хищниками чрезвычайно редки. Ничтожность влияния врагов и негативных «наземных» экофакторов на мир этих грызунов эволюция учла, отобрав признаки, способствующие долгой здоровой жизни в условиях пониженной комфортности: замедленный обмен веществ, устойчивость к стрессам, раку, нейродегенерации.
Рисунок 1. Три подземных «богатыря». Слева направо: чемпион по продолжительности жизни — голый землекоп (Heterocephalus glaber, максимальная продолжительность жизни (МПЖ) превышает 32 года), слепыш (Spalax judaei, МПЖ 21 год) и дамарский землекоп (Fukomys damarensis, МПЖ в неволе 20 лет). Фотографии с сайтов lpzoo.org,
Особенно сильно природа поэкспериментировала над голым землекопом (см. врезку «Досье на голого землекопа»), обитателем восточноафриканских полупустынь и обладателем исключительного для млекопитающих плато на кривой смертности (рис. 2) [1]. А человек решил извлечь из этого пользу, изучив условия жизни грызуна и связав их с его уникальными свойствами.
Рисунок 2. Иллюстративная кривая смертности голого землекопа. По оси ординат отложена вероятность умереть в течение года, плато отражает стабилизацию уровня смертности. Голый землекоп живет на порядок дольше мышей, проявляя признаки пренебрежимого старения. Кривая его смертности далека от «классической» экспоненты: у представителей разных возрастных когорт этого грызуна (кроме детской) почти равная вероятность умереть в течение года. Для описанных в научных статьях популяций плато точно пересекает
Досье на голого землекопа (Heterocephalus glaber, naked mole-rat )
- Место обитания: Восточная Африка (юг Эфиопии, Кения, Сомали).
- Максимальная продолжительность жизни: более 32 лет при длине тела 8–10 см (мышь или крыса редко преодолевает четырехлетний рубеж).
- Общественное устройство: колониальные эусоциальные животные. Голый и дамарский землекопы — единственные известные эусоциальные позвоночные: с кастами (открытыми, возрастзависимыми), межкастовым разделением труда и доступа к размножению, коллективной заботой о потомстве. Колония обычно состоит из нескольких десятков рабочих особей, размножается же только главная самка, царица — с помощью 1–3 фаворитов. Рабочие особи не проявляют гендерных различий.
- Жилищные условия: система залегающих на глубине до двух метров ходов, соединяющих гнездовые камеры, «столовые» и «общественные туалеты» (рис. 3). При среднем диаметре 4 см общая протяженность туннелей колонии может достигать нескольких километров.
- Питание: вегетарианское (рис. 3). В воде не нуждаются, из подземных частей растений предпочитают сочные луковицы и клубни: полутораметровый в диаметре клубень кустарника пиренаканта может на несколько месяцев решить продовольственный вопрос для всей колонии. В неволе соглашаются потреблять фрукты и овощи. Не пренебрегают и собственными фекалиями (кишечная микрофлора, очевидно, играет далеко не последнюю роль в поддержании их недюжинного здоровья).
-
Приметы: Самые «лысые» из сухопутных животных; имеют слабое
черно-белое зрение; общаются с помощью широкого диапазона звуковых сигналов; туннели роют зубами. -
Особые приметы (которых нет у других
грызунов-долгожителей ): Не способны поддерживать постоянную температуру тела — единственные среди млекопитающих (видимо,из-за изменений белка термогенина и отключения рецепторов мелатонина — регулятора циркадных ритмов и температуры тела). Не чувствуют боли при химических травмах кожи.С-волокна (тонкие аксоны) кожи, глаз и носа землекопаиз-за мутации гена TAC1 не производят вещество P — нейропептид, передающий импульсы от рецепторов в мозг. Вклад в нечувствительность могут вносить и мутации генов нейропептида CGRP и канального белка нейронов Na(V)1.7. Компенсация мутации TAC1 восстанавливает способность ощущать жжение от капсаицина [4, 5]. Обладают устойчивым к окислению?-актином и практикуют особый процессинг 28S рРНК [6]. -
Приметы, особо ценные для геронтологических исследований: не страдают от рака, деменций и последствий атеросклероза, легко справляются с гипоксией и окислительным стрессом, ну и… почти не стареют. Их смертность не растет с возрастом, способность к размножению не снижается [7], возрастные изменения в биохимии и физиологии минимальны: только ближе к 30 годам снижается мышечная и жировая масса, в тканях откладывается липофусцин и возникают локальные инфаркты (гистологические находки, не проявляющиеся клинически), страдает сетчатка и начинает развиваться катаракта (что зверек вряд ли замечает). Если бы Homo sapiens старел эквивалентно землекопу, то биологический возраст
80-летнего человека не превышал бы 30 лет. - Признание в научной среде: «Позвоночное года — 2013» по версии журнала Science; изучение голого землекопа — одна из 25 научных идей продления жизни фонда поддержки научных исследований «Наука за продление жизни» [8].
Рисунок 3. Образ жизни голого землекопа (система подземных туннелей и камер). Рисунок Логан Парсонс для журнала The Scientist, шкала и аннотация — согласно The Scientist.
Кому, как не голому землекопу, нужно было уделить внимание в поиске факторов долгожительства? И с чего начать, как не с прочтения его генома? Однако биологи поступили разумно:
Молекулярный фундамент долголетия землекопов
Еще в начале
Теоретически вклад в долголетие голого землекопа могут вносить любые, если не все генетические особенности, связанные с работой митохондрий и моделированием теломер, с обменом и утилизацией макромолекул, балансом метаболических процессов и темпами деления клеток. И продлять жизнь они могут в том числе посредством устойчивости к раку и нейродегенерации.
У истоков исключительности: геном голого землекопа
- Мобильные генетические элементы составляют всего 25% генома землекопа (у крысы — 35%, у человека — 40%).
-
Среди генов, утративших актуальность для землекопа и сильно мутировавших (псевдогенов), преобладают связанные со зрением, обонянием, сперматогенезом и убиквитинированием белков. Последний процесс готовит ненужные по
каким-то причинам молекулы к уничтожению протеасомами — выдает им «билет в один конец» [11]. Эта генетическая особенность землекопа подтверждается и в исследованиях его метаболизма: потребность в убиквитинировании у зверька снижена. -
Среди генов, подвергавшихся действию положительного отбора у землекопа по сравнению с крысами и мышами, обнаружены TEP1 (ген ассоциированного с теломеразой белка 1, регулирующего активность теломеразы) и TERF1 (ген связывающего теломерные повторы фактора 1, препятствующего надстройке теломер), участвующие в регуляции длины теломер, а следовательно, в репликативном старении клеток [12, 13]. (Здесь нужно отметить, что ген обратной транскриптазы TERT — каталитической субъединицы теломеразы, достраивающей теломеры — у голого землекопа экспрессируется в любом возрасте, хотя сами теломеры относительно короткие и активность теломеразы невысока.) В более позднем и масштабном исследовании транскриптомов разных африканских землекопов изменения гена TERF1 не сочли специфичными для них, хотя подчеркнули возможную значимость для долголетия землекопов изменений других генов, связанных с работой теломеразы и стабильностью хромосом, а также генов рецепторов, задействованных в секреции гормона роста и контроле метаболизма — GHRHR и GHSR. Не менее существенными могут быть и адаптации гена — супрессора опухолей BRCA1 и других компонентов
BRCA-сети [14]. -
У землекопа в течение жизни стабильна экспрессия большинства генов, с годами меняющих активность у людей и «обычных» грызунов. В частности, у землекопа не возрастает активность генов, связанных с деградацией макромолекул: GSTA1 (ген
глутатион-S-трансферазы ?1, метаболизирующей билирубин, канцерогены, продукты окислительного стресса), DERL1 (гендерлина-1 , одного из участников ассоциированного с эндоплазматическим ретикулумом пути уничтожения дефектных белков) и GNS (ген N-ацетилглюкозамин-6-сульфатазы , обеспечивающей лизосомную деградацию гепарансульфата, компонента внеклеточного матрикса). Не снижается у землекопа активность генов NDUFB11, ATP5G3 и UQCRQ, кодирующих митохондриальные белки, что подтверждает данные о пожизненной стабильной работе его «энергетических фабрик». -
Некоторые гены в мозге Heterocephalus glaber с годами работают даже интенсивнее, в то время как их человеческие гомологи, наоборот, ленятся. Это касается, например, генов CYP46A1 и SMAD3. Продукт первого из них — нейронная
холестерол-24-гидроксилаза — обеспечивает выведение из мозга излишков холестерина, что препятствует агрегации?-амилоида и прогрессированию болезни Альцгеймера [15]. Белок SMAD3 — модулятор транскрипции в сигнальном пути TGF-?, замедляющий деление клеток (в том числе раковых).
В 2014 году свет увидела усовершенствованная версия прочтения генома Heterocephalus glaber, анализ которой выявил уникальные адаптации ДНК землекопа в участках, кодирующих опухолевый супрессор p53 и рецепторы гиалуронана CD44 и HMMR (RHAMM) [16]. Авторы исследования создали портал Naked Mole Rat Genome Resource — в помощь биологам, желающим использовать данные по геному голого землекопа в своей работе.
В том же 2014 секвенировали геном другого африканского землекопа — дамарского (в лаборатории Fukomys damarensis (рис. 1) доживает до 20 лет) — и сравнили его с геномом землекопа голого, а также сопоставили транскриптомы этих двух и нескольких родственных им видов подземных грызунов. Так удалось выявить общие генетические особенности
Итак, что же отличает африканских
- Особенности структуры и мощный конститутивный синтез глобинов позволяют землекопам эффективнее снабжать мозг кислородом. Пожизненно высокий уровень фактора роста и дифференцировки нейронов
нейрегулина-1 (NRG-1 ) в мозгеземлекопов-долгожителей («неафриканского» слепыша в том числе) может вносить определяющий вклад в поддержание синаптической пластичности и стабильной работы нервной системы — непременного условия активного долголетия. Показано, что нейрегулиновый сигналинг спасает нейроны от «тирании» нейротоксинов — внешних и внутренних (например, при накоплении амилоидов). Предполагают также, что фактор NRG1 способен снижать тревожность, «вмешиваться» в социальную жизнь и даже выполнять функцию опухолевого супрессора. Косвенным индуктором синтеза NRG1 служит гипоксия. У грызунов уровень синтезанейрегулина-1 в мозжечке прямо коррелирует с максимальной продолжительностью жизни (МПЖ), а у людей нарушенияNRG1-сигнализации сопутствуют шизофрении, рассеянному склерозу и болезни Альгеймера [17]. -
Низкая биологическая активность инсулина (
из-за радикальных изменений?-цепи) и утилизация глюкозы альтернативным путем (возможно, посредством инсулиноподобного ростового фактора IGF2, обычно работающего до рождения) могут способствовать долголетию. У голого землекопа уровень гликированного гемоглобина в течение жизни стабилен, диабет не встречается. Для этого грызуна характерен и слабый тиреоидный сигналинг, что неудивительно: трийодтиронин поднимает уровень глюкозы в крови, ускоряет метаболизм, повышает температуру тела и потребность тканей в кислороде. У землекопов же, живущих в условиях отвратительного газо- и теплообмена, картина обратная. Есть мнение, что низкая активность этого гормона может продлевать жизнь за счет снижения температуры тела, интенсивности основного обмена, проницаемости мембран и активности определенных сигнальных путей. -
Инактивация гена FASTK может частично защищать от рака, воспаления и клеточного старения. Продукт гена — киназа, сенсор митохондриального стресса. Ее избыток (в клетках опухолей и при хронических воспалениях) задерживает
Fas-опосредованный апоптоз. Ее отсутствие снижает онкогенный потенциал, способствует росту и восстановлению нейронов (у людей эти процессы с возрастом замедляются). -
Интенсивная продукция активных форм кислорода (АФК) и закономерный окислительный стресс не мешают землекопам жить долго. И это несмотря на слабую экспрессию генов некоторых пероксиредоксинов и низкую активность глутатионпероксидазы 1 — стандартных
ферментов-антиоксидантов . Частично объяснить этот феномен для голого (но не дамарского) землекопа может замена в его?-актине окисляемых аминокислотных остатков на неокисляемые. В этом случае актин не деполимеризуется, не меняются регуляторные процессы. Зато высокий уровень АФК и окисленный актин — типичная находка у пожилых и страдающих нейродегенеративными болезнями людей. Тем не менее у голого землекопа общий высокий уровень окислительных повреждений белков, некоторых липидов и ДНК не нарушает их функции и не увеличивается с возрастом (в отличие от мышей) [18]. Интересно, что подобные — противоречащие свободнорадикальной теории старения — данные были получены в экспериментах с дрожжами: ограничение калорий продляло им жизнь, хотя при этом клеточное дыхание усиливалось, и АФК производилось больше [19, 20]. Судя по всему, для продления жизни важнее не избегать окислительного стресса, а вырабатывать механизмы, амортизирующие его эффекты или активирующие пути защиты от других повреждений. Вероятно, активная аутофагия (а значит, поддержание высококачественного пула митохондрий и аминокислотного гомеостаза) и структурная стабильность белков — в их числе. Предполагают, что центральную роль в регуляции всего комплекса защитных механизмов увидов-долгожителей может играть постоянная активность сигнального пути Nrf2 (рис. 4), пересекающегося с системами p53 и NF-?B [21, 22]. Подтверждает это стабильно высокаяNrf2-сигнализация в тканях всех долгоживущих грызунов, причем продолжительность жизни коррелирует не с общим уровнем этого белка, а именно с его сигнальной активностью. Последняя регулируется белковыми «иудами» Keap1 и? TrCP (рис. 4) — именно с их уровнями обратно коррелирует МПЖ грызунов [22]. - Уникальный процессинг 28S рРНК голого землекопа, вероятно, вносит вклад в высокую точность трансляции и потрясающую стабильность протеома. Оказалось, что при сходной скорости трансляции количество ошибочно включенных аминокислот в фибробластах голого землекопа в четыре раза ниже, чем в мышиных. Не исключено, что особая, двухфрагментная, 28S рРНК меняет фолдинг или динамику большой субъединицы рибосомы, повышая тем самым точность трансляции и снижая количество аномальных белков. Для протеома этого грызуна характерны: устойчивость белков к денатурации, пожизненно невысокий уровень их убиквитинирования и повышающаяся с годами активность протеасом (у мышей, наоборот, доля «приговоренных к смерти» белков растет, и «палачи»-протеасомы с нагрузкой справляются хуже). Получается, что высокоточный синтез и эффективные шаперонные системы формируют «здоровый» протеом, предохраняющий клетку от накопления агрегатов и прочих возрастзависимых эффектов. А с поврежденными белками, видимо, неплохо справляются активные протеасомы [23]. Но что самое интересное — транскрипцию генов протеасом и шаперонов регулирует тот же Nrf2.
Рисунок 4. Цитопротекторный сигнальный путь Nrf2 (nuclear
Пока сложно делать общие выводы, ведь не все описанные молекулярные особенности изучались у большой выборки грызунов с разной МПЖ, да и того же слепыша. Вполне вероятно, что общий фундамент долголетия составляют механизмы устойчивости клеток землекопов ко всевозможным стрессовым факторам — от АФК и патологических белков до микотоксинов и ксенобиотиков. Это отчетливо проявляется, например, в исключительной невосприимчивости к раку и пожизненно стабильном поддержании мозговых функций этих животных. Особенности метаболизма глюкозы тоже могут влиять на продолжительность их жизни. Что же касается его величества Землекопа Голого, то большинству упоминаний о нём сопутствует слово «стабильность»: стабильная экспрессия большинства генов, стабильный протеом, стабильный уровень окисленных биомолекул, стабильная работа митохондрий и антиоксидантов, стабильный состав тела, стабильный темп метаболизма, стабильная работа органов. Вполне вероятно, что это свойство характерно и для его «товарищей» по подземелью.
Стратегии противораковой защиты грызунов-долгожителей
Важный, если не определяющий, вклад в долголетие землекопов вносит устойчивость к неоплазии — ведь основная причина смерти мышей и многих других млекопитающих — рак. Например, у некоторых линий мышей и крыс смертность от рака достигает 70–90%. В то же время ни об одном случае развития этой патологии у голых землекопов не сообщалось. Их фибробласты репликативно не стареют (гены теломеразы экспрессируются у этих грызунов всю жизнь), однако в культуре делятся чрезвычайно медленно. Между скоростью деления репликативно не стареющих фибробластов in vitro и продолжительностью жизни существует обратная корреляция [24]. Потому главные вопросы, на которые должен «ответить» голый землекоп: какие механизмы столь надежно контролируют его клеточный цикл, и только ли они обеспечивают нечувствительность к раку? У других
Противораковая защита состоит из многих взаимосвязанных звеньев: она предполагает и строгую регуляцию прохождения контрольных точек клеточного цикла, и репарацию повреждений ДНК, и репликативное старение, и апоптоз, и даже настройку интенсивности убиквитинзависимой утилизации белков. Межвидовые различия в любом из этих процессов объясняют разницу в предрасположенности животных к онкозаболеваниям и (частично) в средней продолжительности их жизни (рис. 5) [24]. Мыши и крысы десятилетиями верой и правдой служили биомедицинской науке [25], но они далеко не лучший объект для изучения онкорезистентности, поскольку восприимчивы к развитию рака гораздо больше, чем люди, не говоря уже о землекопах. Значит,
Рисунок 5. Антираковые стратегии грызунов в зависимости от массы тела и продолжительности жизни. Риск развития рака повышается с ростом числа удвоений ДНК и клеток — то есть с годами и увеличением размера тела. С другой стороны, опасность представляет и «трудолюбивая» теломераза. У крупных грызунов (капибар, американских дикобразов, бобров), как и у человека, соматическая теломераза неактивна, что со временем приводит к запрету на клеточное деление и предотвращает онкогенез. У всех мелких грызунов теломераза чрезвычайно активна, теломеры не укорачиваются, что не отменяет скоротечность жизни многих из них (крыс, мышей и др.). Последним, в отличие от долгожителей, эволюция из соображений экономии отказала в разнообразии систем противораковой защиты.
I. Тотальная зачистка территории (стратегия слепыша)
Общая реальность для подземных грызунов — гипоксия. Причем гипоксия пульсирующая — то больше кислорода, то меньше, а то и совсем нет. Не удивительно, что в организмах таких грызунов, помимо высокой васкуляризации, эффективного дыхания и активного кроветворения, выработаны разные клеточные страховочные механизмы, часть которых так или иначе связана с канцерогенезом.
Дальний родственник голого землекопа — слепыш (Spalax, blind
Доктор Вера Горбунова и ее коллеги из Рочестерского унивеститета (
Интересно, что б?льшая часть клеток гибла именно от некроза (казалось бы, неточного процесса), в то время как у фибробластов мышей IFN-? вызывал апоптоз. Авторы работы связывают это с адаптивной точечной мутацией гена белка p53 у слепышей, позволяющей в условиях характерной для подземных туннелей гипоксии отключать клеточное деление, создавая условия для репарации, но не запускать апоптоз. Не исключено, что некроз — даже более эффективная превентивная процедура, ведь она позволяет зачистить подозрительное место качественнее, уничтожив «неблагонадежное» окружение, подвергшееся опухолевой сигнализации. Та же группа ученых показала, что фибробласты слепыша и даже их культуральная среда вызывали гибель различных линий опухолевых клеток, включая человеческие [26].
Еще интереснее то, что поведение культур фибробластов слепыша и голого землекопа сильно различается: предотвращение переразмножения фибробластов последнего достигается за счет сверхчувствительности к уплотнению популяции (см. ниже). Клетки голого землекопа на стресс предпочитают отвечать традиционным апоптозом — как клетки мышей и человека. Получается, что одной и той же цели даже родственные
У слепыша обнаружен целый спектр обусловленных адаптацией к гипоксии изменений структуры генов или их экспрессии. Причем многие из этих генов напрямую связаны с канцерогенезом. Упомянутая мутация гена опухолевого супрессора p53, например, вполне обычна для человеческих злокачественных опухолей, но, увы, приводит она к иному результату… Ген главного фактора роста эндотелия сосудов VEGF у Spalax экспрессируется по максимуму, причем конститутивно — как в опухолях. У онкобольных высокий уровень этого фактора в крови связывают с неблагоприятным прогнозом: провоцируемый им ангиогенез обеспечивает условия для отдаленного метастазирования [28, 29]. Слепышу же он просто облегчает снабжение тканей кислородом. С другой стороны, анализ транскриптома Spalax выявил много работающих генов, связанных с устойчивостью одновременно и к раку, и к гипоксии [27]. В частности, почти три десятка уникальных аминокислотных замен в транскрипционном факторе Nrf2 (у млекопитающих он очень консервативен) в сочетании с высоким базальным уровнем его синтеза могут вносить вклад в превосходную устойчивость клеток слепыша к канцерогенам и иным стрессовым факторам.
II. Укрепление и уборка периферии (стратегии слепыша и голого землекопа)
Как ни странно, проблему формирования и развития опухолей нельзя решить, сконцентрировавшись на «внутренней» жизни клеток: они ведь не в вакууме обитают, а в насыщенном их же продуктами биоматриксе, через который передают друг другу сигналы, удаляют отходы, оценивают «микроклимат». Внеклеточный матрикс — это не простой бульон, а каркас для поддержания тканевой архитектуры и барьер, защищающий клетки от инвазии повреждающих агентов. Основа матрикса — трехмерная сеть волокон коллагена и эластина, пространство между которыми заполнено «желе», содержащим в основном гиалуроновую кислоту, гликопротеины и протеогликаны. Матрикс играет важную роль в процессах ангиогенеза, воспаления, регенерации, а также адгезии, роста и метастазирования опухолей. Не удивительно, что компоненты матрикса
1. Такая разная гепараназа
Углеводные цепи протеогликанов матрикса очень часто представлены гепарансульфатом. Гепарансульфатные протеогликаны, взаимодействуя с другими компонентами матрикса, образуют своеобразное депо для факторов роста и цитокинов. Соответственно, разрушение гепарансульфатного каркаса гепараназой (HPSE) сопровождается высвобождением этих молекул и низкомолекулярных фрагментов самог? гепарансульфата. Последние, судя по всему, повышают выработку интерлейкинов и прочих провоспалительных цитокинов лейкоцитами и клетками селезенки [30]. Ну, а факторы роста могут сигнализировать клеткам, что пора делиться. Избыток такой сигнализации способен провоцировать рост опухоли и ее метастазирование через новую сосудистую сеть (один из факторов — как раз ангиогенный VEGF). И хотя в норме цели у гепараназы благие — ускорить заживление ткани и рост сосудов, — в случае с онкопатологией она работает во вред: гепарансульфата много в базальной мембране сосудов, служащей препятствием для проникновения оторвавшихся от первичной опухоли клеток в другие ткани. Давно отмечена повышенная и ухудшающая прогноз продукция этого фермента многими опухолями.
Гепараназу сейчас рассматривают как перспективную мишень не только противораковой [31, 32] и противовоспалительной, но даже антидиабетической терапии. Дело в том, что лейкоциты секретируют этот фермент для облегчения миграции из кровяного русла в ткани. А диабет I типа (аутоиммунный) как раз связан с
У слепыша (Spalax judaei) гепараназа синтезируется гораздо интенсивнее, чем у людей, и ее
2. Макроглобулиновый
Совсем недавно внимание биологов привлекло еще одно внеклеточное вещество — ?-
С возрастом количество A2M у человека снижается, соответственно, падает и качество «уборки». Предполагают, что этот белок играет значительную роль в онкогенезе, воспалении, нейродегенерации и старении: показано, что его рецептор, LRP1, задействован в липидном обмене, очистке крови от альцгеймеровского амилоида, гормона лептина и стимулирующих прогрессирование рака факторов (в том числе VEGF). Описана и вспомогательная роль A2M в «обличении предателей» — презентировании раковых антигенов. Этот белок претендует на роль шаперона, предотвращающего белковую агрегацию, и «снабженца» клеток цинком — незаменимым помощником многих ферментов, гормонов и транскрипционных факторов (дефицит цинка связывают с развитием возрастзависимых заболеваний). Так или иначе, структурные различия макроглобулинов голого землекопа и человека уже установлены, осталось самое сложное — оценить их влияние на продолжительность жизни. Авторы работы [35] осторожно напоминают об улучшении когнитивных функций в нашумевшем эксперименте с вливаниями «молодой» крови старым мышам. Тогда эффект связывали с активацией белка Creb в дряхлеющем гиппокампе [36], однако было бы интересно установить и роль A2M в подобных процессах…
3. Гиалуроновая экспансия
Пожалуй, лучше всего описана противораковая стратегия, связанная с высокомолекулярной гиалуроновой кислотой внеклеточного матрикса голого землекопа.
Полисахарид гиалуроновая кислота (ГК, гиалуронан) создает на поверхности клеток связанный с мембранными рецепторами защитный покров, организуя протеогликаны и другие поверхностные белки и поддерживая запас воды. Средняя молекулярная масса ГК в нормальных биологических жидкостях и тканях человека высока — около 1–8 МДа. Защитную функцию этого полимера ослабляют свободные радикалы, которые он вынужден активно улавливать, например, при воспалении. Потому для поддержания тканевого гомеостаза и обновления внеклеточного матрикса жизненно необходим быстрый обмен ГК, оптимальный баланс между синтезом и деградацией, иначе накапливаются ее низкомолекулярные фрагменты. Эти фрагменты нарушают архитектуру матрикса и конкурируют за связывание как с рецепторами высокомолекулярного гиалуронана, так и с альтернативными структурами, что приводит к изменению кластеризации рецепторов, структуры цитоскелета и внутриклеточной сигнализации [37]. Таким образом, ГК можно рассматривать как сенсор деструктивных процессов в клеточном микроокружении. Изменение баланса низко- и высокомолекулярного полимера — стимул, приводящий в движение многочисленные механизмы клеточного ответа, часто лишь усиливающие воспаление и переводящие его в разряд хронического [38].
Надо отметить, что между воспалением и раком существует явная связь, и недавно возрос интерес к ГК как возможному помощнику макрофагов и фибробластов в конструировании проопухолевой воспалительной среды [39].
Связывание мелких фрагментов ГК с рецепторами типа CD44 и RHAMM/HMMR активирует сигнальные пути, стимулирующие не только воспаление, но и выживание, миграцию и инвазию опухолевых клеток (рис. 6) [40]. Снижение молекулярной массы ГК наблюдается и в хрящах пожилых людей, и в коже после
Рисунок 6. Деградация полимерной гиалуроновой кислоты (ГК) и влияние ее фрагментов на клетки в опухолевой микросреде. Слева — Синтезируемая в условиях гомеостаза высокомолекулярная ГК (? 500 дисахаридных единиц -?-1,4-GlcUA-?-1,3-GlcNAc-) разрушается на фрагменты (размером? 50 дисахаридных единиц) под действием свободных радикалов и гиалуронидаз (
В 2009 году Андрей Силуанов, Вера Горбунова и их коллеги обнаружили, что фибробласты голого землекопа проявляют двухуровневое контактное торможение деления — в отличие от одноуровневого у мышей и человека [41]. Контактное торможение — ключевой антираковый механизм, блокирующий деление клеток при достижении определенной их плотности (в культуре — обычно при формировании монослоя). Этот механизм ломается у клеток злокачественных опухолей, и они беспрепятственно наслаиваются друг на друга. Так вот фибробласты голого землекопа в культуре прекращают делиться при гораздо меньшей плотности, чем такие же клетки мышей. Этот процесс, названный ранним контактным ингибированием (РКИ), протекает при условии исправности p53- и
Известно, что у мышей и человека контактное торможение опосредуется мембранными рецепторами с дальнейшей индукцией p27Kip1 — ингибитора
Но природа настолько прониклась симпатией к этому зверьку, что подарила ему еще один «антираковой щит». Если
Рисунок 7. Многоуровневая защита от рака: особенности контактного ингибирования у голого землекопа. Слева — Сравнительная модель контактного ингибирования деления клеток землекопа, мыши и человека. Обычное контактное торможение,
В 2013 году выяснилось, что непосредственное отношение к феномену РКИ имеет гиалуроновая кислота, причем характерная именно для голого землекопа — экстремально высокомолекулярная (ЭВМГК), в пять раз превышающая по размеру молекулы ГК человека и мыши (в случае фибробластов кожи — 6–12 против 0,5–3 МДа) [43]. ЭВМГК накапливается в тканях землекопа благодаря низкой активности его гиалуронидаз и высокой процессивности гиалуронансинтазы 2 (HAS2) с уникальной структурой активного центра. Более того, клетки этого грызуна более восприимчивы к «гиалуроновому» сигналингу. Если же активировать гиалуронидазы или нокаутировать HAS2, среда для культивирования фибробластов теряет повышенную вязкость, а клетки становятся способными к малигнизации (мы помним, что низкомолекулярная ГК способствует пролиферации и воспалению). Однако физического присутствия ЭВМГК недостаточно для РКИ — необходима полноценная работа сигнального пути, связывающего
Поскольку локус INK4 в числе наиболее часто мутирующих при раке у людей, понимание механизмов его экспрессии сложно переоценить. Кроме того, он участвует в развитии репликативного, онкогениндуцированного и преждевременного стрессиндуцированного старения, а возможно, и возрастных болезней (интересно, что при старении повышается экспрессия гена p16, но не p15, хотя локус один, и сами они — потомки одного дуплицировавшегося в древности гена). Однако в нашем контексте особенно важно, что потеря работоспособности локуса делает невозможным и раннее контактное ингибирование у землекопа.
Совсем недавно было обнаружено, что
Недавно было показано, что обычное контактное ингибирование (наряду с сывороточным голоданием, гипоксией и рапамицином) подавляет путь mTOR, а следовательно, и героконверсию — переход обратимого ареста клеточного цикла в глубокое сенесцентное состояние с патологическим профилем клеточной секреции [45]. Потому нельзя исключить вклад РКИ, действующего через необычный
Заключение: о важности ОТК
Итак, подземные
Литература
- биомолекула: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить»;
- биомолекула: «Преодолевшие старение. Часть I. Кому выпал эволюционный джекпот?»;
- Patterson B.D. and Upham N.S. (2014). A newly recognized family from the Horn of Africa, the Heterocephalidae (Rodentia: Ctenohystrica). Zool. J. Linnean. Soc. 172, 942–963;
- Элементы: «Голых землекопов не жжет ни кислота, ни перец»;
-
Park T.J., Lu Y., J?ttner R., Smith E.S., Hu J., Brand A. et al. (2008). Selective inflammatory pain insensitivity in the African naked
mole-rat (Heterocephalus glaber). PLoS Biol. 6 (1), e13. doi: 10.1371/journal.pbio.0060013; -
Fang X., Seim I., Huang Z., Gerashchenko M.
v. , Xiong Z., Turanov A.A. (2014). Adaptations to a subterranean environment and longevity revealed by the analysis of mole rat genomes. Cell Rep. 8, 1354–1364; -
Buffenstein R. (2008). Negligible senescence in the longest living rodent, the naked
mole-rat : insights from a successfully aging species. J. Comp. Physiol. B. 178, 439–445; - «Научные идеи продления жизни». Буклет фонда «Наука за продление жизни»;
-
Kim E.B., Fang X., Fushan A.A., Huang Z., Lobanov A.
v. , Han L. et al. (2011). Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat. Nature. 479, 223–227; - Элементы: «Геном голого землекопа — ключ к секрету долголетия?»;
- биомолекула: «Вездесущий убиквитин»;
- биомолекула: «Старение — плата за подавление раковых опухолей?»;
- биомолекула: «Теломеры и новые мишени протоонкогенной терапии»;
-
Davies K.T., Bennett N.C., Tsagkogeorga G., Rossiter S.J., Faulkes C.G. (2015). Family wide molecular adaptations to underground life in African
mole-rats revealed by phylogenomic analysis. Mol. Biol. Evol. 32, 3089–3107; -
Hudry E., Van Dam D., Kulik W., De Deyn P.P., Stet F.S., Ahouansou O. et al. (2010).
Adeno-associated virus gene therapy with cholesterol24-hydroxylase reduces the amyloid pathology before or after the onset of amyloid plaques in mouse models of Alzheimer’s disease. Mol. Ther. 18, 44–53; -
Keane M., Craig T., Alf?ldi J., Berlin A.M., Johnson J., Seluanov A. et al. (2014). The Naked Mole Rat Genome Resource: facilitating analyses of cancer and
longevity-related adaptations. Bioinformatics. 30, 3558–3560; -
Edrey Y.H., Casper D., Huchon D., Mele J., Gelfond J.A., Kristan D.M. et al. (2012). Sustained high levels of
neuregulin-1 in thelongest-lived rodents; a key determinant of rodent longevity. Aging Cell. 11, 213–222; -
P?rez
v. I., Buffenstein R., Masamsettiv. , Leonard S., Salmon A.B., Mele J. et al. (2009). Protein stability and resistance to oxidative stress are determinants of longevity in thelongest-living rodent, the nakedmole-rat . PNAS. 106, 3059–3064; -
Lin S.J., Kaeberlein M., Andalis A.A., Sturtz L.A., Defossez P.A., Culotta
v. C. et al. (2002). Calorie restriction extends Saccharomyces cerevisiae lifespan by increasing respiration. Nature. 418, 344–348; - Aris JP1, Alvers AL, Ferraiuolo RA, Fishwick LK, Hanvivatpong A, Hu D. et al. (2013). Autophagy and leucine promote chronological longevity and respiration proficiency during calorie restriction in yeast. Exp. Gerontol. 48, 1107–1119;
-
Lewis K.N., Andziak B., Yang T., Buffenstein R. (2013). The naked
mole-rat response to oxidative stress: just deal with it. Antioxid. Redox. Signal. 19, 1388–1399; -
Lewis K.N., Wason E., Edrey Y.H., Kristan D.M., Nevo E., Buffenstein R. (2015). Regulation of Nrf2 signaling and longevity in naturally
long-lived rodents. PNAS. 112, 3722–3727; -
Azpurua J., Ke Z., Chen I.X., Zhang Q., Ermolenko D.N., Zhang Z.D. et al. (2013). Naked
mole-rat has increased translational fidelity compared with the mouse, as well as a unique 28S ribosomal RNA cleavage. PNAS. 110, 17350–17355; - Seluanov A., Hine C., Bozzella M., Hall A., Sasahara T.H., Ribeiro A.A. et al. (2008). Distinct tumor suppressor mechanisms evolve in rodent species that differ in size and lifespan. Aging Cell. 7, 813–823;
- биомолекула: «Грызун особого назначения»;
-
Shams I., Manov I., Malik A., Band M., Avivi A. (2014). Underground fighting of cancer:
Hypoxia-tolerant Spalax hides the key for treatment and prevention. The Plant & Animal Genome XXII Conference; -
Gorbunova
v. , Hine C., Tian X., Ablaeva J., Gudkov A.v. , Nevo E., Seluanov A. (2012). Cancer resistance in the blind mole rat is mediated by concerted necrotic cell death mechanism. PNAS. 109 (47), 19392–19396; - биомолекула: «Обнаружены организаторы побега раковых клеток из первичного очага»;
- биомолекула: «Тернистый путь метастазов: через гипоксию в печень»;
-
Goodall K.J., Poon I.K., Phipps S., Hulett M.D. (2014). Soluble heparan sulfate fragments generated by heparanase trigger the release of
pro-inflammatory cytokines throughTLR-4 . PLoS One. 9 (10), e109596. doi: 10.1371/journal.pone.0109596; -
Червякова Д. Новая стратегия противораковой терапии: ингибирование гепараназы.
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология»; - Pisano C., Vlodavsky I., Ilan N., Zunino F. (2014). The potential of heparanase as a therapeutic target in cancer. Biochem. Pharmacol. 89, 12–19;
- Parish C.R., Freeman C., Ziolkowski A.F., He Y.Q., Sutcliffe E.L., Zafar A. et al. (2013). Unexpected new roles for heparanase in Type 1 diabetes and immune gene regulation. Matrix Biol. 32, 228–233;
- Nasser N.J., Avivi A., Shafat I., Edovitsky E., Zcharia E., Ilan N. et al. (2009). Alternatively spliced Spalax heparanase inhibits extracellular matrix degradation, tumor growth, and metastasis. PNAS. 106, 2253–2258;
-
Thieme R., Kurz S., Kolb M., Debebe T., Holtze S., Morhart M. et al. (2015). Analysis of
alpha-2 macroglobulin from thelong-lived andcancer-resistant nakedmole-rat and human plasma. PLoS One. 10 (6), e0130470. doi: 10.1371/journal.pone.0130470; -
Villeda S.A., Plambeck K.E., Middeldorp J., Castellano J.M., Mosher K.I., Luo J. et al. (2014). Young blood reverses
age-related impairments in cognitive function and synaptic plasticity in mice. Nat. med. 20, 659–663; - Cowman M.K., Lee H.G., Schwertfeger K.L., McCarthy J.B., Turley E.A. (2015). The content and size of hyaluronan in biological fluids and tissues. Front. Immunol. 6, 261. doi: 10.3389/fimmu.2015.00261;
-
Misra S., Hascall
v. C., Markwald R.R., Ghatak S. (2015). Interactions between hyaluronan and its receptors (CD44, RHAMM) regulate the activities of inflammation and cancer. Front. Immunol. 6, 201. doi: 10.3389/fimmu.2015.00201; - биомолекула: «Одураченные макрофаги, или несколько слов о том, как злокачественные опухоли обманывают иммунитет»;
- Schwertfeger K.L., Cowman M.K., Telmer P.G., Turley E.A., McCarthy J.B. (2015). Hyaluronan, inflammation, and breast cancer progression. Front. Immunol. 6, 236. doi: 10.3389/fimmu.2015.00236;
-
Seluanov A., Hine C., Azpurua J., Feigenson M., Bozzella M., Mao Z. et al. (2009). Hypersensitivity to contact inhibition provides a clue to cancer resistance of naked
mole-rat . PNAS. 106 (46), 19352–19357; -
Liang S., Mele J., Wu Y., Buffenstein R., Hornsby P.J. (2010). Resistance to experimental tumorigenesis in cells of a
long-lived mammal, the nakedmole-rat (Heterocephalus glaber). Aging Cell. 9, 626–635; -
Tian X., Azpurua J., Hine C., Vaidya A.,
Myakishev-Rempel M., Ablaeva J. et al. (2013).High-molecular-mass hyaluronan mediates the cancer resistance of the naked mole rat. Nature. 499 (7458), 346–349; -
Tian X., Azpurua J., Ke Z., Augereau A., Zhang Z.D., Vijg J. et al. (2015). INK4 locus of the
tumor-resistant rodent, the naked mole rat, expresses a functional p15/p16 hybrid isoform. PNAS. 112 (4), 1053–1058; -
Leontieva O.
v. , Demidenko Z.N., Blagosklonny M.V. (2014). Contact inhibition and high cell density deactivate the mammalian target of rapamycin pathway, thus suppressing the senescence program. PNAS. 111 (24), 8832–8837.
Портал «Вечная молодость»http://www.vechnayamolodost.ru/pages/teoriistarenija/prsaid1.html