Биомедицина

Лаборатория Яна Виллиса изучает механизмы регуляции транскрипции эукариотических клеток в ответ на питание, окружающую среду и клеточный стресс. В лаборатории Яна Виллиса изучалась регуляция активности Sir2 — НАД±зависимой деацетилазы, играющей важную роль в механизмах эпигенетики и старения. Известно, что клеточный стресс влияет на активность Sir2, однако точные механизмы регуляции еще не известны. Никотинамид является физиологическим ингибитором деацетилазной активности Sir2. Они обнаружили, что эндогенный уровень никотинамида ограничивает активность Sir2 в клетках дрожжей дикого типа. Ингибирование никотинамидом Sir2 антагонизируется in vitro изоникотинамидом (isonicotinamide), что приводит к повышению деацетилазной активности Sir2. Изоникотинамид так же повышает транскрипционное молчание в локусах, регулируемых Sir2. Исследователи предложили химическую стратегию активирования Sir2-зависимого транскрипционного молчания.

Основное направление исследований братьев Вилкоксов — изучение долгожителей-японцев на Окинаве и Гавайских островах. Так, изучение супердолгожителей (людей, проживших 110 лет и более) на Окинаве показало, что эти люди даже в таком исключительном возрасте практически не имеют болезней сердца, рака и диабета. Вплоть до достижения 105 лет супердолгожители жили независимо и не нуждались в посторонней помощи. Таким образом, эта группа долгожителей демонстрирует возможность здорового долголетия при отсутствии возрастных заболеваний. Другое исследование долгожителей Окинавы, проживших сто и более лет, подтвердило идею о пользе низкокалорийной диеты для достижения долголетия. Другое направление исследований Брэдли и Крэйга Вилкоксов заключается в поиске генов, связанных с долголетием. Особый интерес ученых вызывают гены, связанные с метаболизмом инсулина, включая фактор IGF-1. Долгожители также демонстрировали существенно более низкую заболеваемость раком, болезнями сердца, а также более высокую чувствительность к инсулину, что было связано с гомозиготностью по гену FOXO3A GG. В настоящее время исследователи продолжают поиск биологических, поведенческих и психологических факторов, связанных с метаболизмом инсулина среди долгожителей. Исследование показало, что долгожители испытывали нехватку калорийной диеты в молодости имели низкий относительный вес в течение всей жизни. Ученые обнаружили, что генетическая вариация гена FOXO3A, связана с долголетием человека.

Группе профессора Визерса удалось продлить продолжительность жизни мышей на 20% и сократить число возрастных заболеваний, которыми страдают животные. Исследования включали блокировку ключевого молекулярного пути, имитируя воздействие на здоровье снижения потребления калорий. Ученые обнаружили изменения в процессе старения в штамме нокаут-мышей, которые не могли производить специфический белок, известный как S6 киназы 1 (S6K1). Этот белок участвует в реакции организма на изменения в количестве потребляемой пищи. Группа профессора Визерса показала, что удаление белка S6K1 у мышей вызывает эффект, аналогичный ограничению калорий. Блокирование действия белка S6K1 помогло предотвратить целый ряд возрастных патологий у самок мышей, которые жили дольше, их размеры были меньше, они вели более активную жизнь и в целом были здоровее, чем мыши из контрольной группы. Кроме того, у них не было обычного возрастного снижения чувствительности к инсулину, и поэтому они были защищены от диабета 2-го типа, а их Т-клетки оказались более «молодыми», что означает замедление темпов снижения иммунитета с возрастом. Самцы нокаут-мышей были меньше, чем в контрольной группе, имели меньшую устойчи-вость к инсулину и более здоровые Т-клетки. В среднем, у нокаут-мышей самки жили 950 дней, что на 160 дней больше, чем в контрольной группе — другими словами, их продолжительность жизни увеличилась на 20%. Дальнейшие исследования показали, что положительный эффект блокировки S6K1 был опосредован повышением активности другой молекулы, AMPK, которая регулирует уровни энергии внутри клеток. В частности, он активируется, когда уровень энергии клетки падает (например, при уменьшении потребления калорий). Таким образом, результаты показывают, что ограничение калорий действует через путь S6K1. Лекарства, которые активируют AMPK, уже используются для лечения диабета 2-го типа у человека.

Известно, что апоптоз клеток печени вместе с окислительным стрессом может стать ключевым компонентом в патогенезе неалкогольного стеатогепатита (NASH). Тем не менее, основные механизмы апоптотического ответа, связанного с окислительным стрессом, не были исследованы на NASH-моделях с высоким содержанием жиров. В исследовании, проведенном группой Ксян-Донг Ванга, Sprague-Dawley крыс в течение 6 недель кормили так, что они получали из жиров 35% энергии (CD-диета) или 71% энергии (HFD-диета). Были рассмотрены патологические повреждения, продукты перекисного окисления липидов и апоптоз гепатоцитов в печени. В ходе эксперимента выяснилось, что у группы крыс, которые получали HFD-диету (высокожировую) были ярко выражены гистологические признаки NASH, такие как стеатоз, воспаление и дегенерация гепатоцитов. Результаты исследований показали, что повышенный окислительный стресс и связанная с ним активация JNK, а также дисбаланс про-и анти-апоптотические белков Bcl-2 группы способствуют быстрому апоптозу гепатоцитов, что и ведет к патогенезу неалкогольного стеатогепатита.

Группа профессора Минг-Фу Ванга изучает влияние компонентов полуферментированного (чёрного китайского) и зелёного чая на дефицит памяти и патологические изменения мозга у быстро стареющих мышей (линия SAMP8). Шестимесячные мыши опытных групп получали чёрный китайский чай, зелёный чай или воду в качестве единственного источника жидкости в течение 16 недель. Кроме того, у них наблюдалось увеличение антиоксидантной ёмкости сыворотки крови. Результаты исследований показали, что у мышей, получавших оба вида чая, произошло восстановление функций памяти, уменьшилось количество очагов губчатой дегенерации и содержание липофусцина. Таким образом, ученые сделали вывод, что защитные компоненты чая способствуют уменьшению нарушений когнитивных способностей, дегенеративных изменений мозга и процессов старения у мышей линии SAMP8 и представляют собой перспективный объект для дальнейших исследований.

Лаборатория Денгшун Ванга изучает механизмы, лежащие в основе нейродегенеративных заболеваний, в т. ч. болезни Альцгеймера. Характерными показателями болезни Альцгеймера являются амилоидные бляшки и нейрофибриллярные включения, которые приводят к гибели нейронов и прогрессирующим когнитивным ухудшениям. Недавно стало известно, что появление амилоидных бляшек и скрученных нейрофиламентов — результат образования поперечных сши-вок между различными белками. Исследователи показали, что трансглутаминаза сшивает и тау-белки, которые в норме регулируют образование филаментов в цитоплазме клеток. При образовании сшивок всего по нескольким глутаминовым остаткам, молекулы тау-белка образуют агрегаты, которые деформируют нормальную структуру нейрофиламентов. Более того, трансглутаминаза катализирует образование сшивок собственно между белками нейрофиламентов. При наследственной форме болезни агрегаты амилоидного белка могут служить долговременными стимуляторами трансглутаминаз и способствовать прогрессированию заболевания уже без исходных факторов. По последним сведениям, фер-мент трансглутаминаза, участвующий в образовании сшивок, приводит к такой агрегации белков при болезни Альгеймера. Такие факторы, как травма, воспаление, ишемия или стресс повышают уровень и активность трансглутаминазы, что может привести к развитию спонтанной болезни Альцгеймера.

Одна из работ этой лаборатории посвящена фактору транскрипции STAT3, который играет важную роль во многих физиологических процессах. Он также является ключевым белком в программе самообновления эмбриональных стволовых клеток и незаменим на стадиях раннего эмбриогенеза млекопитающих, поскольку развитие многих органов требует активации STAT3. Используя разные вектора, экспрессирующие ген флуоресцентного белка или люциферазы, учёным удалось показать, что для нормального функционирования эмбриональных клеток необходима низкая активность STAT3, а во время дифференцировки она, наоборот, должна повыситься. Учёные выдвигают предположение, что, вызывая экспрессию STAT3 (например, при помощи малых РНК) можно определять судьбу эмбриональных стволовых клеток.

Основная тема исследований Самуэля Вайса — изучение стволовых клеток центральной нервной системы млекопитающих. Было показано, что обонятельные интернейроны принимают участие в обонятельном распозновании, но с возрастом, пролиферативная активность нейрогенных клеток в субвентрикулярной зоне уменьшается. Субвентрикулярная зона представляет собой нишу нейрогенных стволовых клеток и состоит из 4–5 слоев. В этой узкой зоне происходит обновле-ние стволовых клеток, глиогенез или нейрогенез, и тангенциальная миграция вновь сформированных нейронов в обонятельную луковицу. Основной целью исследования стало изучение молекулярных механизмов, происходящих с возрастом в субвен-трикулярной зоне (SVZ) и обонятельной луковице (OB) у мышей. Исследования группы Самуэля Вай-са показали, что взрослые мыши (24 месяца) имели меньше новых обонятельных интернейронов, чем более молодые особи (2 месяца). Но в целом количество обонятельных интернейронов у взрослых особей было больше. Иммуногистохимический анализ и вестерн блот (Western blot) показали избирательное уменьшение уровня экспрессии рецептора фактора роста в субвентрикулярной зоне взрослой мыши. Это приводило к ухудшению нейрогенеза и уменьшению образования новых обонятельных интернейронов. Следующим этапом необходимо провести исследования на приматах — для выяснения механизмов, влияющих на нейрогенез человека.

Исследования лаборатории Яна Вая посвящены геномной нестабильности и механизмам, которые могут приводить к старению и развитию опухолей. Двухцепочечные разрывы ДНК представляют серьезную опасность для жизни клеток и способны накапливаться в течение жизни. В лаборатории Яна Вая изучаются механизмы индукции мутаций. Для исследования используются линии трансгенных мышей и дрозофил, в клетках которых содержатся плазмиды, несущие бактериальный ген lac Z. Эти плазмиды могут быть снова выделены из эукариотических клеток для измерения числа мутаций, произошедших в них при создании условий генотоксического стресса. С помощью трансгенных мышей (несущих ген LacZ) удалось изучить спектр мутаций в различных органах. В печени частота мутаций возрастала при старении (к 34-м месяцам). В мозге увеличение числа мутаций наблюдалось лишь в возрасте 4–6 месяцев и затем прекращалось. Молекулярный анализ показал, что эти мутации связаны с реарранжировкой генов. В мозге частота мутаций меньше и не возрастает с возрастом. Большое число повреждений ДНК накапливается при старении и является тканеспецифичным. Перестройки генома, токсичные для клетки мутации и колебания в уровне экспрессии генов приводят к неправильной экспрессии генов. Вмешательства в генетическую стабильность с помощью различных факторов (в том числе активных форм кислорода) поможет серьезно изучить проблему двухцепочечных разрывов ДНК, влияющих на процесс старения клеток.

Одним из сопутствующих признаков болезни Паркинсона является модификация убиквитин-С-концевой гидролазы L1 (UCH-L1). При ее карбонилировании развивается спорадическая форма заболевания, а при мутации I93M — наследственная. Ученые выяснили, что и нормальный и мутантный фермент UCH-L1 способен взаимодействовать с белками аппарата шаперон-зависимой аутофагии, причем как с LAMP-2A, так и с hsc70. При этом мутация I93M значительно усиливает такое взаимодействие. Это ведет к замедлению шаперон-зависимой аутофагии. Как следствие — в клетках происходит избыточное накопление альфа-синуклеина и развивается болезнь Паркинсона. Помимо этого, в клетке происходит накопление GAPDH, одного из ферментов, участвующего в активации апоптоза. Возникновение и развитие болезни Паркинсона протекает по одной и той же схеме, но исходная причина возникновения болезни может оказаться принципиально различной. Более того, вызывающие болезнь факторы могут взаимно дополнять и усиливать действие друг друга, вызывая обострение болезни.