Биохимия

C-Jun киназа является основным компонентом фактора транскрипции АР-1 и играет ключевую роль в регуляции различных биологических процессов, включая пролиферацию и апоптоз. Лечение клеток винбластином — ингибитором микротрубочек — приводит к увеличению экспрессии С-Jun киназы, ее фосфорилированию и активации AP-1-зависимой транскрипции. Однако роль JNK в реакции клеток на винбластин оставалась невыясненной. Ученые из группы профессора Тимоти Чамберса для ответа на этот вопрос использовали линии раковых клеток, в которых экспрессируется негативная форма киназы (ТАМ-67), а также клетки, которые обладают гиперэкспрессией C-Jun. В результате исследования гибель клеток, индуцированная винбластином, проявилась в культуре с ТАМ-67, а клетки с С-Jun гиперэкспрессией не погибли. Однако, с учетом того, что исследование проводилось на раковых клетках, а винбластин используется как противораковый препарат — подобное влияние JNK является негативным. Необходимо выяснить, какое действие будет оказывать гиперэкспрессия JNK на нормальные клетки. Таким образом, исследование показало, что апоптоз и старение клеток сильно сдерживаются гиперэкспрессией JNK, которая в свою очередь, является защитной реакцией на винбластин.

Хорошо известно, что эластазы нейтрофилов участвуют в разрушении эластиновых волокон легочной ткани. Матриксные металлопротеиназы MMP8 и MMP9 были найдены в нейтрофилах, которые способны разрушать коллаген и эластин, соответственно. Макрофаги, а не нейтрофилы, в основном входят в состав как здоровой, так и патологической ткани легких. Эти клетки в пораженном участке легкого продуцируют огромное количество металлопротеиназ — желатиназы A (MMP9), мартилизина (MMP7) и металлоэластазы (MMP12), каждая из которых способна разрушать эластин. В нормальных макрофагах MMP12 присутствуют в следовых количествах, в то время как альвеолярные макрофаги курильщиков секретируют большое их количество. MMP12 необходим как для накопления макрофагов, так и для разрушения тканей при эмфиземе в результате длительного вдыхания сигаретного дыма, и матриксные металлопротеиназы также могут быть необходимы для пропускания макрофагов внутрь легких. Трансгенное исследование показало, что при сверхэкспрессии MMP12 у мышей развивается легочная эмфизема.

Один из основных признаков старения — изменение мембран клеток миокарда. Функция митохондрий чрезвычайно важна для образования энергии и обеспечения жизнедеятельности миокарда. Однако с возрастом она снижается, при этом снижается порог захвата кальция. Относительная непереносимость кальция, образование супероксида и снижение способности к нейтрализации АФК — важные факторы старения, связанные с функцией митохондрий, которые предрасполагают к ишемической болезни сердца. Возраст-зависимые изменения мембраны митохондрий включают повышение содержания холестерина, фосфатидилхолина и омега-6-ненасыщенных жирных кислот (ЖК) и снижение содержания омега-3-ненасыщенных ЖК и кардиолипина. Однако некоторые неблагоприятные возрастные изменения могут успешно компенсироваться диетой, богатой омега-3-ненасыщенными ЖК, вызывая повышение устойчивости к ишемии. Научной группой Сальваторе Пепе было показано, что добавление рыбьего жира в пищу крыс способно нейтрализовать разрушительные про-аритмические эффекты неэффективного использования кислорода, возникающие при употреблении насыщенных жиров. 3% рыбьего жира от общего количества поступающих в организм жиров способно снижать потребность в кислороде даже при постоянном приеме насыщенных жирных кислот.

Профессором Парк из Медицинского колледжа Сеульского национального университета была предложена новая концепция восстановления функций на основе возвращения чувствительности стареющих клеток к ряду веществ, включая факторы роста. Было показано, что фенотип старения, с которым ассоциируется гипореактивность и морфологические изменения, хорошо восстанавливается путем модуляции нескольких мембрано-связанных молекул, называемых привратниками, среди которых кавеолин — одна из основных молекул. Кавеолин является важнейшим компонентом кавеолы, ответственным за регуляцию передачи сигнала, эндоцитоз и перестройку цитоскелетов. Концентрация кавеолина строго связана с клеточной трансформацией при его истощении и с фенотипом старения при повышенной экспрессии. Поэтому простое снижение статуса кавеолина в стареющих клетках ведет к восстановлению чувствительности к стимулам, запускающим деление, и даже к восстановлению формы клеток. Таким образом, молекулы-привратники, представленные кавеолином, могут играть решающую роль в определении фенотипов старения. Результаты исследований свидетельствуют о том, что в борьбе со старением наряду с принципом замещения может применяться принцип восстановления для коррекции состояния стареющих клеток и организмов.

Джереми Николсон специализируется на применении физико-химических методов анализа для изучении метаболизма млекопитающих при низкокалорийной диете. Исследования, проведенные Джереми Николсоном совместно с Nestle Purina Research center, показали, чтоограничение калорий продлевает жизнь собакам, уменьшает риск диабета и метаболических нарушений. Возможно, это происходит из-за изменения в поведении микробов в кишечнике. По мнению профессора Николсона, нормализация микрофлоры кишечника, в частности, с помощью низкокалорийной диеты, снижает риск ожирения и заболевания диабетом. Микроорганизмы производят биологически активные вещества, которые могут влиять на процесс заболевания, снижать скорость метаболизма энергии организма хозяина. Группа Джереми Николсона также изучала метаболизм при долгосрочном ограничении калорий у нечеловекообразных приматов. Результаты исследований показали ослабление возрастных изменений метаболизма липопротеина и энергии при ограничении калорийности. Ученые предполагают, что ключевой механизм ограничения калорийности заключается в активизации транскрипционных изменений генов в тканях, которые регулируются рецепторами, активизированными в свою очередь пролифераторами пероксисом. Опыты, проведенные на 24 лабрадор-ретриверах, показали, что собаки, получавшие низкокалорийную диету, прожили в среднем на 1,8 года дольше, чем контрольная группа. Метаболический фенотип, найденный в этом исследовании, может использоваться для определения молекулярного профиля связанных с ограничением калорийности особенностей, способствующих здоровью и долговечности в симбиотических сверхорганизмах и человеке.

Есть основания предположить, что накопление продуктов гликозилирования связано со старением и развитием некоторых заболеваний, например, диабета. Профессор Моннье изучает модификации белков за счет сахаров (реакция Майларда) и активных форм кислорода. Реакция Майларда происходит, например, у больных диабетом, у пациентов с терминальной стадией почечной недостаточности и атеросклероза, при формировании катаракты. Так, например, ученые выделили новый белок, в котором в результате реакции Майларда образуются сшивки между лизином и гистидином при воздействии треозы. Белок, которому было присвоено название гистидино-треозидин, может формироваться при наличии в реакции даже малых количеств фруктозы, глицеральдегида, метилглиоксала, гликолальдегида, аскорбиновой кислоты. В различных тканях такие сахара, как глюкоза, реагируют с аминогруппами белков, образуя продукт Амадори, который подвергается множеству других модификаций, что приводит к формированию сшивок в белках тканей. Ученые пытаются найти новые ферменты, которые разрушали бы гликозилированные белки и восстанавливали их нативную структуру. Уже найдено два типа ферментов — фруктозил-лизин-оксидаза и фруктоза-лизин-3-фосфокиназа, которые катализируют дегликозилирование и приводят к освобождению аминогрупп.

Целью исследования группы ученых, под руководством Лэйна было выяснение роли, которую играет белок Atg4D при апоптозе и аутофагии. Известно, что апоптоз может быть как благом, так и «бедой» для организма. Например, апоптоз желателен для уничтожения опухолевых клеток. Однако при нейродегенеративных заболеваниях апоптоз, напротив, вреден для организма, и в таком случае в клетках желателен запуск аутофагии. В результате исследований было показано, что белок Atg4D может существовать в двух изоформах. Одна из них индуцирует апоптоз, а другая — аутофагию. Комплекс Atg4A-Atg4D регулирует образование аутофагосом. А при расщеплении белка Atg4D каспазой три белок становится проапоптотическим. Для того чтобы выяснить роль Atg4D, ученые заблокировали синтез этого белка. В результате этого нарушилось образование аутофагосом. От того, какой путь выберет клетка — апоптоз или аутофагию — зависит продолжительность жизни организма. Управление комплексом Atg4A-Atg4D может помочь направить клетку по нужному пути.

В лаборатории Мелани Х. Коб изучают белковый каскад, запускаемый киназами, а также функции MAP киназ. MAP киназы преобразовывают сигналы, которые участвуют во множестве путей и клеточных функций в ответ на разнообразные лиганды и клеточные стимулы. MAPKs ERK1 / 2 связаны с клеточной пролиферацией. ERK1 / 2, как полагают, играет определенную роль в развитии некоторых раковых заболеваний, потому что мутации в Рas-и B-RAF, которые могут активизировать ERK1 / 2 каскады, находят во многих опухолях человека. Аномальные ERK1 / 2 сигнализации также были найдены при поликистозе почек. ERK1 / 2 имеют важное значение в хорошо дифференцированных клетках, и их связывают с долгосрочным потенцированием в нейронах и с поддержанием эпителиальной полярности. Кроме того, ERK1 / 2 имеют важное значение для транскрипции гена инсулина в бета-клетках поджелудочной железы, производящих инсулин в ответ на повышение концентрации глюкозы. В настоящее время выявлено нарушение функций MAPKs при множестве заболеваний, начиная от рака и воспалительных процессов и заканчивая ожирением и диабетом.

Коэнзим Q — незаменимый жирорастворимый антиоксидант. Включение его в рацион помогает предотвращать прогрессию нейро- и мышечно-дегенеративных заболеваний. Однако у более простых организмов, например, С. elegans, CoQ, напротив, способствует сокращению продолжительности жизни. Это, по всей видимости, связано, с его участием в образовании АФК. Мутации в гене clk-1 °C. elegans приводят к увеличению продолжительности жизни и замедляют развитие. Гомология гена clk-1 и генов CoQ дрожжей позволила предположить, что долгоживущие clk-1-мутанты нематод имеют нарушения биосинтеза CoQ. При отсутствии CoQ в рационе мутантных нематод наблюдается прекращение роста на ранних стадиях развития и стерильность в зрелости. Группой Кларк было показано, что этот фенотип можно изменить добавлением Q8 в пищу, позднее было обнаружено, что такими свойствами обладают также Q9 и Q10. Эти результаты свидетельствуют, что clk-1 необходим для биосинтеза CoQ, и с его уровнем могут быть связаны и старение, и замедление развития. Причем эти результаты очень устойчивы и воспроизводятся для всех мутантов с измененной продолжительностью жизни. При понижении уровня CoQ повышается экспрессия защитных генов и количество митохондриальной ДНК. Этот ответ сходен с таковым у дрожжей и человека при ингибировании дыхания. Таким образом, влияние на митохондрии активирует сходные транскрипционнные и физиологические механизмы у разных организмов и разными способами. Средняя и максимальная продолжительность жизни нематод дикого типа удлиняются на 60% при снижении количества CoQ в пище.

Работы группы Синтии Кеньон привели к открытию, что гормональная система передачи сигналов контролирует старение в разных организмах, включая млекопитающих. К эндокринным сигналам, которые обеспечивают клеточно-неавтономный контроль продолжительности жизни относится путь инсулин/IGF1.Снижение передачи сигналов через этот путь может увеличивать продолжительность жизни червей до 250%, а у мух до 85%. Мутации, которые снижают передачу сигналов посредством сигнального пути инсулин/IGF1, редуцируют фосфорилирование FoxOs, приводя к его транслокации в ядро. В ядре FoxOs модулирует экспрессию генов, которые увеличивают продолжительность жизни. Увеличение продолжительности жизни у червей за счет передачи сигналов по пути инсулин/IGF1 нуждается в daf-16. Аналогично, избыточная экспрессия FOXO достаточна для увеличения продолжительности жизни у мух. Дальнейшая работа по изучению сигнального пути инсулин/IGF1 может привести к созданию способов лечения, которые позволят гораздо дольше, чем обычно, сохранять молодость и избегать раковых заболеваний.