Биомедицина

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.

Доктор Келли занимается исследованием некоторых видов рака, в том числе предстательной железы и кишечника. Его деятельность направлена на разработку и практическое применение в клинической практике химиотерапии, вакцин, опухоленаправленной терапии, терапии антителами и лекарственными препаратами, которые регулируют экспрессию генов. Ингибиторы HDAC действуют посредством ряда механизмов, включая остановку клеточного цикла, апоптоз и ингибирование ангиогенеза. Раковые клетки более чувствительны к действию ингибиторов, что открывает широкие возможности для их применения в терапии. Целый ряд ингибиторов, в том числе вориностат, сейчас подвергаются клинических испытаниям. В раковых клетках была обнаружена аберрантная экспрессия и нарушение активности HDAC и гистоновых ацетилтрансферраз, что доказывает их роль в развитии рака. Кроме того, разные ингибиторы деацетилаз гистонов показали хороший результат при клинических испытаниях на больных мезотелиомой, предыдущее лечение которых оказалось неэффективным.

Ограничение калорийности питания в отсутствие недоедания является единственным известным вмешательством, которое надежно увеличивает среднюю и максимальную продолжительность жизни разнообразных организмов, включая млекопитающих. Группа профессора Келлера исследовала влияние ограничения калорийности на пути убиквитин-протеасомы (UPP) в сердце. Исследователи сделали вывод, что ограничение калорийности значительно уменьшило возрастные ухудшения в зависимой от протеасом деградации белка, и уменьшило возрастные увеличения количества в убиквитинилированного, окисленного, и сумоилированного белка в сердце. Интересно, ограничение калорийности значительно не увеличивало выражение протеасомных подъединиц 20S или протеасомного фактора созревания (POMP-1). Эти данные демонстрируют влияние старения и ограничение калорийности питания на биогенетику протеасом и сумоилирование в сердце. Кроме того, исследования группы профессора Келлера показали, что при старении повышаются уровни убиквитилированного белка в селезенке, а ограничение калорийности питания способствует значительному снижению этих показателей. Можно предположить, что сохранение UPP может быть потенциальным механизмом положительного воздействия ограничения калорийности на сердечно-сосудистую систему.

Лаборатория профессора Андрю Квеста сфокусировала свою работу на двух основных вопросах. Во-первых, понимание роли связанного мембраной белка кавеолина-1 в развитии рака; во-вторых, понимание механизмов, которые приводят к альтернативным формам гибели клеток — некрозу, особенно в раковых клетках. Предполагается, что кавеолин-1 подавляет опухоль. Группой профессора Квеста была проверена гипотеза, что кавеолин-1 делает это путем репресии сурвивина — ингибитора синтеза белка, вызывающего апоптоз клеток, а также частично регулирующего клеточный цикл. В человеческих клетках перед апоптозом, а так же в раковых клетках, наблюдается гиперэкспрессия этого белка. На клеточных штампах HEK293T было проведено исследование влияния кавеолина-1. Важно отметить, что в клетках с по-вышенным количеством кавеолина-1 подавлялся синтез сурвивина, восстанавливалась жизнеспособность и способность к пролиферации.

Главными темами исследований профессора Каложеро Карузо являются изучение генетического контроля иммунного ответа и продолжительности жизни, а также модификаций иммунологических параметров и долголетия. Профессор Карузо считает, что полиморфные варианты генов главного комплекса гистосовместимости и цитокинов, отвечающие за устойчивость или предрасположенность к распространенным заболеваниям и инфекциям, могут определять продолжительность жизни человека. Профессор Карузо совместно с другими европейскими учеными провел системный мета-анализ имеющихся генетических данных по изучению ассоциации полиморфных вариантов гена интер-лейкина-6 (IL-6) — цитокина, играющего важную роль в организации иммунного ответа — с продолжительностью жизни у европейцев. Показано, что встречаемость гомозиготного варианта GG(-174), расположенного в промоторном участке гена IL-6, связанного с повышенной экспрессией данного цитокина, достоверно понижена у мужчин-долгожителей из Италии старше 100 лет по сравнению с контрольной выборкой. Итальянские мужчины-носители гомозиготного варианта GG(-174), имели вдвое более низкую вероятность дожить до 100-летнего возраста по сравнению с индиваидами, гомозиготными по СС(-174). Полученные результаты свидетельствуют о возможном существовании генетического контроля долголетия, модулируемого факторами внешней среды и половой принадлежности.

Несмотря на то, что болезни вызываются многими причинами (например, генетическими, токсинами и микроорганизмами), старение также является одной из таких болезней. Заболевания, вызываемые не старением, излечимы и их патогенез известен (например, оспа). Старение, тем не менее, не преставляет собой одно заболевание, его причины — стохастические (случайные) и неслучайные (нестохастические). Карнес с соавторами предпринял попытку классификации причин смертности. Особое внимание уделялось внутренним причинам, которые являются прямым следствием нарушения хода биологических процессов, и внешних причин, которые вызываются факторами окружающей среды. С помощью данных, полученных у мышей, собак и человека, было показано, что эта классификация смертности привносит биологическую компоненту в математические модели, которые обычно используют для анализа обусловленной старением смертности, а также обогащает фактическое содержимое прогнозов уровня смертности, полученных при помощи этих моделей, и помогает сравнивать смертность в различных популяциях, разделенных во времени или географически. При использовании математических моделей многие исследователи пришли к выводу, что предела для увеличения продолжительности жизни не существует, как и не существует нижнего предела для снижения уровня смертности. Кроме того, по их оценкам, в 21 веке продолжительность жизни достигнет 100 лет. Карнес с коллегами сделали попытку оценки состоятельности этих утверждений с биологической точки зрения. Для этого были исследованы временные аспекты биологических явлений у трех видов млекопитающих. Было показано, что: 1) физиологическое угасание репродуктивной функции неизменно наблюдается в возрасте менее, чем одна треть от средней продолжительности жизни; 2) физиологические параметры у человека при старении снижаются на 80% от своего функционального максимума к возрасту 80 лет; 3) молодые и старые организмы могут быть дифференцированы по патологиям, обнаруживаемым после смерти. Предложенная классификация, основанная на генезе причин (внутренние или внешние), позволит структурировать и направлять исследования обусловленной старением смертности. Биологические свидетельства говорят в пользу того, что организмы нормально функционируют в течение определённого периода времени, который ограничивает продолжительность жизни отдельных организмов и популяций.

Лаборатория профессора Джудит Кэмписи проводит многосторонние исследования механизмов старения, специализируясь на выяснении молекулярных причин старения клеток (когда клетки теряют способность к делению, оставаясь при этом функционально активными) и клеточной смерти, а также влияния повреждений и репарации ДНК на преждевременное старение и генетические синдромы, предрасполагающие к раку. Работы по изучению механизмов клеточного старения и роли теломер и связанных с теломерами белков в поддержании стабильности генома принесли Джудит Кэмписи мировую известность. Она также проводит активные исследования по выявлению роли генов-супрессоров опухолей, геномной нестабильности и окислительного стресса на формы клинической манифестации (фенотипы) старения и рака. Научная группа Джудит Кэмписи установила, что старение клеток — это сложный многокомпонентный процесс. Клетки, способные делиться, отвечают на различные стрессовые стимулы, которые могут вызвать клеточное старение. К таким стимулам относится дисфункция теломер, повреждение нетеломерных участков ДНК, избыток митогенных сигналов (включая онкогенные сигналы, которые приводят к геномным нарушениям и хромосомным перестройкам), нарушение организации хроматина и т. д. Клеточное старение приводит к коренным изменениям в фенотипе клетки. Клетка навсегда теряет способность к пролиферации. Изменяется профиль экспресии множества генов. Кроме того, многие клетки приобретают устойчивость к апоптозу.

Основное направление работы лаборатории Браина Каллена — изучение герпес вирусов и ретровирусов. При исследовании ретровирусов основной акцент делается на клеточные белки, которые, будучи частью врожденного иммунитета, способны защищать от ретровирусной инфекции и подвижности ретротранспозонов. Ученые группы Браина Каллена показали, что белки APOBEC3А, APOBEC3B и в меньшей степени APOBEC3C специфично ингибируют ретротранспозицию элементов LINE-1 и Alu, а APOBEC3G и APOBEC3F практически не влияют на подвижность LINE-1. Белки A3A, A3B и A3C могут проникать в клеточное ядро, где обратно транскрибируется LINE-1 и Alu, тогда как A3F и A3G функционируют в цитоплазме. В перспективе ученые планируют найти ответ на вопрос — как клетки избегают хаотичного мутагенеза с помощью ядерных белков APOBEC3.

Область научных интересов Стюарта Калдервуда — биология свободных радикалов и природных антиоксидантов. Несмотря на то, что белки теплового шока (hsp) считались исключительно внутриклеточными белками, в работах группы Калдервуда было показано, что они могут высвобождаться из клеток в отсутствии некроза. Белки hsp60 и 70 присутствовали в кровотоке человека в норме, а у тех, у кого сывороточный уровень hsp70 был высоким, было менее выраженным усугубление атеросклероза — распространенного возраст-зависимого заболевания. Это позволяет предположить, что этот белок обладает атеропротекторными свойствами. Кроме того, Калдервуд изучает роль hsp в развитии опухолей, а также их возможную роль как мишеней и кандидатов для создания лекарственных средств. В лаборатории Стюарта Калдервуда было показано, что в предстательной железе белок hsp70 индуцирует синтез интерлейкина-6. Он в свою очередь, запускает CD4- и CD8-аутоимуные реакции, которые могут обеспечить разрушение возникающих опухолей предстательной железы. Эти результаты важны с клинической точки зрения для разработки иммунотерапии для подобных опухолей (индукция аутоиммунных реакций с помощью hsp70).

Области научных интересов профессора Калабриза: изучение роли оксидативного стресса и нарушения функции митохондрий в старении, нейродегенерации и продолжительности жизни, клеточного ответа на стресс, в том числе и клеток мозга, в особенности, регуляция функций белками теплового шока. Недавно было показано, что пищевые антиоксиданты, такие как полифенолы и L-карнитин/ацетил-L-карнитин, обладают нейропротекторным эффектом, так как способны активировать экспрессию витагенов. Профессор Калабриз предлагает использовать известные по этому вопросу данные для проведения клинических исследований и подбора оптимальных доз лекарственных средств для лечения большого числа заболеваний. В его лаборатории также было показано, что активные формы кислорода (АФК), которые, как ранее считалось, крайне вредны, так как служат причиной оксидативного повреждения биологических структур (оксидативного стресса), оказывают также и положительное влияние на организм — в физиологических концентрациях они могут регулировать ключевые процессы метаболизма клетки, например, регулировать экспрессию и активность важных антиокислительных ферментов и транскрипционных факторов, в том числе и hsp. Профессор Калабриз считает, что, большой интерес представляет поиск препаратов, индуцирующих hsp-ответ на стресс, поскольку он обладает огромными цитопротекторными свойствами. В частности, hsp70 и hsp90 возможно использовать в качестве мишеней.