Молекулярная биология

Теломеры, по-видимому, являются важным звеном между ограниченным жизненным циклом клетки или бессмертием. Укорочение теломерных участков постепенно запускает процесс, который приводит к репликативному старению клетки. Группа учёных под руководством Томаса фон Зглиницки активно занимается изучением действия окислительного стресса на организм на молекулярном уровне. В настоящее время профессор Зглиницки участвует в следующих проектах: — Оценка роли антиоксидантной защиты клетки и всего организма в уменьшении длины теломер и в защите теломерных участков от укорочения, а также оценка экспрессии белков в различных типах клеток одного организма в ответ на стресс с использованием биочипов. — Исследования влияния определённых теломер-связывающих белков на эффективность репарации одноцепочечных разрывов.- Прогностические исследования возможной связи длины теломерных участков с возрастными дегенеративными заболеваниями человека. В ходе исследований группы профессора Зглиницки было показано, что одним из ключевых факторов укорочения теломерных участков является окислительный стресс, который сильнее воздействует на укорочение теломер, чем репликативное старение. По причине высокого содержания гуанина в теломерах, последние очень чувствительны к активным формам кислорода (АФК). АФК вызывают одноцепочечные разрывы в теломерах, которые не могут быть устранены, вследствие отсутствия необходимых ферментов. Таким образом, снижая действие окислительного стресса на организм можно избежать ускоренного разрушения теломер. Сотрудниками лаборатории также продемонстрировано, что репликативное старение фибробластов человека в значительной степени зависит от стрессовых факторов. Также продемонстрировано, что антиоксидантная терапия способна противостоять укорочению теломер и замедлять старение, защищая их от АФК.

Регенерация нервной ткани — это процесс, важность которого в развитии современных биотехнологий сложно переоценить. В лаборатории Рутледже Еллис-Бенке разработаны пептидные препараты, стимулирующие регенерацию нервной ткани, способные к самосборке для остановки кровотечения при мозговой травме, травме позвоночника, травме печени или нарушении кожного покрова млекопитающих без необходимости проводить катетеризацию и вазоконстрикцию. Использование препаратов для регенерации тканей позволит медицине шагнуть на качественно новую ступень своего развития. При наложении на рану происходит полимеризация с образованием нетоксичной и не иммунногенной сетки из нановолокон в течение 15 секунд. При деградации образованного каркаса происходит высвобождение аминокислот, которые служат строительным материалом для новых клеток. Знание такого механизма позволит ученым разрабатывать эффективные препараты, способствующие регенерации тканей.

Другой аналогичной разработкой является пептидный препарат для регенерации тканей, способный к наносборке, который стимулирует не только физическую регенерацию аксонов в месте повреждения, но и функциональную. Научным достижением группы Рутледже Еллис-Бенке также является т.н. лечение нанотехнологиями, которые создают специальную наносреду, способную регулировать клеточную активность, замедлять пролиферацию и дифференциацию клеток in vitro или in vivo, оставаясь невидимой для иммунной системы. Эти выводы были сделаны по результатам успешных экспериментов на клетках линии PC12, швановских клетках и клетках-предшественниках нейронов. Более того, расширяя применение данной технологии, ученые успешно апробировали ее на животных с имплантацией наноматериала в головной и спинной мозг. Это подтверждается результатами эксперимента на хомяках, у которых после повреждения зрительного тракта восстанавливалось зрение. В будущем такие нанотехнологии в лечении различных заболеваний будут использоваться повсеместно. Использование препаратов, стимулирующих регенерацию тканей, позволит внедрять наноматериал с не дифференцированными клетками в мозг без необходимости применения иммуносупрессоров.

Эпигенетическая работа лаборатории сфокусирована на пищевых химических веществах, таких как ингибиторы HDAC. Сульфорафан, содержащийся в брокколи, органическая сера и органический селен из чеснока, жирные кислоты с короткой цепью, полученные в результате ферментации пищевого волокна (бутирата) в желудочно-кишечном тракте ингибируют активность HDAC и вызывают остановку роста\апоптоз. Ингибирование HDAC и ацелирование гистонов происходит также у здоровых людей при потреблении в пищу брокколи. В настоящее время лаборатория занимается практическим применением этих исследований для лиц, прошедших колоноскопию.

Эрик Дрекслер — главный технический советник компании Nanorex. Он предложил идею молекулярного ассемблера — сложной конструкции, которая насчитывает несколько миллионов атомов, но все-таки является одной молекулой массой от 10(9) до 10(10) amu. Это устройство похоже на маленький робот, способный к самокопированию, доставке необходимых веществ, управлению их в местоположении химической реакции, а также производству нужных соединений на месте.

Известно, что режим питания сильно влияет на старение организма. У самок дрозофил с хорошим режимом питания с возрастом наблюдалось уменьшение количества герминальных стволовых клеток (ГСК). А у самок, испытывающих недостаток в питании, снижение количества ГСК было гораздо более резким. От режима питания зависит секреция инсулина, которая уменьшается с возрастом. С помощью фосфоинозитол-3-киназы исследователи обнаружили пониженное действие инсулина в более зрелых яичниках дрозофил. Было показано, что воздействие инсулина объединяет эффекты режима питания и старения на поддержание ГСК. Регуляция происходит за счет изменения количества клеток ниши, и за счет взаимодействия клеток ниши с ГСК. Изменение количества клеток ниши регулируется посредством сигнальной сети трансмембранного рецепторного белка Notch. В то время как взаимодействие клеток происходит посредством Е-кадгерина — трансмембранного гликопротеина. Исследователи показали, что системные воздействия, подобные инсулину, совмещают реакцию организма на режим питания и старение. А так же то, что регуляция стволовых клеток происходит посредством их микроокружения, то есть ниши. Кроме того, эти исследования ещё раз подтвердили наличие связи между низким воздействием инсулина, строгой диетой и увеличенной продолжительностью жизни.

Исследовательская группа профессора Диксита из Университета Луизианы сравнивала Т-клетки, полученные от 26-месячных мышей, питание которых было ограничено, и контрольной группы. Ученые обнаружили, что первые лучше пролиферируют и экспрессируют больше интерлейкина-2. К тому же, у животных с ограниченным питанием наблюдали повышенную плотность тимусного кортекса и меньшую по сравнению с контрольной группой инволюцию тимуса. Интересным оказался тот факт, что низкокалорийное питание предотвратило возрастно-зависимое повышение экспрессии регуляторов эпителиально-мезенхимального перехода, FOXC2 и FSP-1, наряду с пониженным содержанием липидов с ткани тимуса. Они сделали вывод, что ингибирование проадипогенных путей с помощью ограничения калорийности питания может улучшать тимопоэз в ходе старения.

С помощью ингибирования ряда генов интерферирующими РНК группой Джонсона были открыты три новых киназы, необходимые для активации SKN-1. В условиях окислительного стресса SKN-1 перемещается в ядро клетки и там активирует транскрипцию ряда генов, которые кодируют белки, принимающее самое непосредственное участие в защите от активных форм кислорода. Открытые исследователями киназы MKK-4, IKKe-1, NEKL-2, PDHK-2 необходимы для того, чтобы фактор SKN-1 переместился в ядро. Ингибирование двух из этих киназ приводит к укорочению длительности жизни нематод и увеличивает их чувствительность к окислительному стрессу.

Особый интерес вызывает влияние ферментов репарации на ретротранспозицию. В лаборатории Прескотта Дейнингера на основе модели транспозиции LINE-1 или L1 (Long Interspersed Element-1) мобильного элемента в клетках человека и мышей, было установлено, что возможным промежуточным продуктом ретротранспозиции является ампликон ДНК (a flap intermediate), гетерологичный мРНК матрице, с которой происходило считывание. Для изучения влияния этого интермедиата был охарактеризован гетеродимер ERCC1/XPF во время LINE-1 ретротранспозиции, который, возможно, восстанавливает интактность исходной ДНК матрицы. Снижение количества белка XPF в клетках человека повышало уровень ретротранспозиции, тогда как снижение ERCC1 в клетках хомяка — уменьшало. Профессором Дейнингером впервые было показано, что ферменты, участвующие в репарации ДНК, ингибируют ретротранспозицю мобильных элементов, представленных не длинными концевыми повторами (non-length terminal repeat retrotransposition), к которым относится LINE-1. Таким образом, установлено, что белковый комплекс ERCC1/XPF ограничивает ретротранспозицию мобильных элементов.

Проводимые под руководством доктора Данна исследования сосредоточены на комплексном изучении молекулярных основ аутофагии с использованием методов генетики, клеточной и молекулярной биологии для установления роли отдельных белков. Некоторые полученные доктором Данном результаты представляются достаточно интересными для понимания функционирования аппарата шаперон-зависимой аутофагии. Одним из белков, чье количество в клетке контролируется шаперон-зависимой аутофагией, является альдолаза В. Это гликолитический фермент, в норме находящийся в цитоплазме клетки. Известно, что в условиях голодания этот белок активно транспортируется в лизосомы, где подвергается расщеплению. Такой путь утилизации альдолазы В может быть подавлен 3-метиладени-ном — ингибитором аутофагии. В самой альдолазе В выявлено три мотива (фрагмента), способных стать мишенью для узнавания сигнального пентапептида hsc70: Q12KKEL, Q58FREL, и IKLDQ111. При замене остатков глутамина в указанных последовательностях на остатки аспарагина обнаруживается, что в случае первых двух мутантов ускорение деградации альдолазы В сохранялось на естественном уровне, тогда как в случае третьего мутанта происходило полное подавление деградации альдолазы. Данный пример говорит о том, что, во-первых, мы можем оценить относительную значимость разных аминокислотных остатков для узнавания сигнального пентапептида hsc70, и во-вторых, некоторые участки могут присутствовать в последовательности белка более чем однократно, хоть и не все могут быть функционально активны. Регуляторные механизмы, определяющие функционирование белкового аппарата шаперон-зависимой аутофагии, демонстрируют достаточную степень вариабельности в зависимости от структурной организации вовлеченных молекул. Это позволяет с большей эффективностью реагировать на внешние воздействия и изменения.внутриклеточного гомеостаза.

Работа группы доктора Дайса направлена на изучение шаперон-зависимой аутофагии с учетом всех возможных вовлеченных в нее компонентов и субстратов. В настоящее время считается, что ключевым компонентом аппарата шаперон-зависимой аутофагии (ШЗА) является LAMP2A. Наибольшее количество патологий, связанных с ШЗА, обусловлено снижением его функциональной активности либо из-за его недостатка либо из-за блокирования его активности каким-либо другим фактором. Под контролем ШЗА находится достаточно разнородный набор цитозольных белков. Нарушения функциональной активности ШЗА в процессе старения в клетках печени и в фибробластах объясняется заметным снижением количества LAMP2A в мембране лизосомы. Приняо считать, что причиной этого является изменение свойств лизосомальной мембраны с возрастом. В норме внутри лизосомы содержится достаточное количество молекул LAMP2A, способных повторно связываться с мембраной и участвовать в ШЗА. Потеря этой способности, по-видимому, обусловлена связыванием большей части пула этого белка другими белками в их окисленной форме. Знание модели специфической системы деградации белков в клетке позволяет судить о способе контроля ШЗА над внутриклеточным гомеостазом и адекватно реагировать на изменения внешних условий. На основании коррекции работы этой системы возможно лечение многих возникающих с возрастом заболеваний.