Митохондриальная ДНК и старение
В данной заметке процитирован комментарий к недавнему исследованию, в котором было продемонстрировано, что метод ослабления митохондриальной функции вызывает ускорение процесса старения у мышей. Комментарий в каком-то смысле гораздо более понятен, чем сама статья, в которой описано исследование. В данном случае существует одна проблема, универсальная для всех исследований, в которых нарушается какой-либо из жизненно важных биохимических механизмов в организме животного, и результат этого выглядит как ускорение процесса старения. Она заключается в том, что подобные формы искусственных поломок практически никогда не проливают свет на процессы нормального старения. Они создают полностью новый статус метаболизма и угасания функций.
Это правда, что нормальное старение представляет собой процесс накопления повреждений и реакций на эти повреждения. Однако оно представляет собой специфичную смесь повреждений определенных тканей. Эти повреждения являются последствиями утраты клеточных и тканевых функций и, в свою очередь, ведут к появлению видимых и хорошо известных симптомов старения и возрастных болезней. Однако практически любая форма серьезного нарушения или поломки биохимического процесса, если она не встречается в дикой природе, также приведет к утрате клеточных и тканевых функций. Очень высокие уровни невосстановленных повреждений ДНК, намного превышающие уровни повреждений ДНК у нормальных животных, приводят к развитию состояний, схожих с ускоренным старением. В качестве естественного примера можно привести синдром прогерии Хатчинсона-Гилфорда. Однако он практически не предоставляет нам информации о нормальном старении, для которого характерны более низкие уровни повреждений ядерной ДНК.
В описываемом здесь исследовании митохондрий мышей повредили способность митохондриальной ДНК-полимеразы (ДНК pol γ) корректировать ошибки при репликации мтДНК, после чего в геномах митохондрий начали накапливаться случайные мутации.
Результат этого очень сильно походил на ускоренное старение. Митохондрии являются энергетическими центрами клетки, ответственными за синтез молекул-накопителей химической энергии, применяемых для питания всех клеточных процессов. Прогрессивное угасание митохондриальных функций вовлечено в процесс старения и развитие множества возрастных болезней, однако, так же как и в случае повышенных уровней повреждений ядерной ДНК, совсем неочевидно, что искусственные повреждения митохондрий предоставляют нам полезную информацию о вкладе митохондрий в нормальное старение. Это однозначно помогает нам понять, что происходит если мы повреждаем что-либо, однако любые другие выводы весьма сомнительны и сильно зависят от деталей.
Выдержки из статьи «Митохондриальная ДНК сохраняет вашу молодость»
(Massimo Bonora & Paolo Pinton, Mitochondrial DNA keeps you young), опубликованной в журнале Cell Death & Disease.
«Для старения характерно угасание митохондриальных функций, в том числе уменьшение концентрации ферментов цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса), снижение дыхательного объема, а также усиление продукции активных форм кислорода (АФК). Это наблюдается как в животных моделях, так и в организме человека. Описанные изменения могут приводить к появлению мутаций ДНК, гибели клеток, развитию воспаления, а также угасанию функций стволовых клеток, что способствует дегенерации тканей. Предположительно движущей силой этого процесса является увеличение количества мутаций митохондриальной ДНК, наблюдаемое как в мышиных моделях, так и в клетках человека.
Митохондриальная ДНК (мтДНК) реплицируется с помощью специализированной митохондриальной ДНК-полимеразы. Этот фермент был лишен способности редактировать ошибки последовательности ДНК для создания мышиной модели – так называемых «митохондриальных мышей-мутаторов», в митохондриальной ДНК которых случайным образом появляются мутации. Эта модель демонстрирует выраженный фенотип преждевременного старения, в том числе выпадение волос, поседение, развитие кифоза. Все это сопровождается снижением активности дыхательного комплекса митохондрий и усилением окислительного стресса.
Недавно исследователи описали новую трансгенную мышиную модель с индуцируемой деплецией митохондриальной ДНК – так называемую мышь-деплетер мтДНК. ДНК этих животных имеет мутацию, которая под действием антибиотика доксициклина индуцирует мутантную ДНК-полимеразу, блокирующую репликацию митохондриальной ДНК. По мере того, как отслужившая митохондриальная ДНК удаляется из клетки в результате митофагии, ее количество в клетке постепенно снижается и через 2 месяца это снижение достигает 60%. Так как митохондриальная ДНК кодирует ядреные субъединицы митохондриальных дыхательных комплексов, активность последних значительно снижается.
На макроскопическом уровне мыши-деплетеры мтДНК демонстрируют ускоренное старение, в том числе снижение массы тела и кифоз, однако особенно выраженным является процесс старения кожи, проявляющийся гиперпластическим и гиперкератозным эпидермитом, дегенерацией волосяных фолликулов и формированием обширных воспалительных инфильтратов. Несмотря на то, что данная модель нуждается в детальном дополнительном описании, гистологическое изучение срезов других проанализированных тканей (считающихся имеющими потребность в высокой митохондриальной активности), в том числе печени, головного мозга и миокарда, не выявило серьезных изменений.
Очень интересным остается вопрос, каким образом деплеции митохондриальной ДНК оказывают влияние на процесс старения. Наличие обширных воспалительных инфильтратов указывает на то, что митохондрии могут продуцировать активные формы кислорода, так как они выступают в роли сигнальных молекул для активации инфламмосом. К сожалению, автор не предоставил данные о выраженности окислительного стресса, однако для лишенных митохондриальной ДНК клеток обычно характерно сниженное потребление кислорода и продукция активных форм кислорода. Это свидетельствует о том, что окислительный стресс не опосредует развитие описанного выше фенотипа старения. В то же время два описанных ниже серьезных последствия были описаны в клеточной модели деплеции митохондриальной ДНК с помощью той же стратегии, которая применялась для мышей-деплетеров: (1) значительная перестройка профиля ацетилирования гистонов из-за косвенных изменений уровней цитратов и (2) снижение активности пролиферации клеток из-за уменьшения мембранного потенциала и дестабилизации фактора транскрипции Hif1a. Тогда как характерный для старения тип эпигенетических перестроек неясен, было показано, что деплеция Hif1a приводит к формированию фенотипа ускоренного старения кожи у мышей.
Еще одним исключительно интересным аспектом данного исследования является восстановление фенотипа. Прекращение воздействия доксициклина обеспечило неожиданное и практически полное восстановление количества митохондриальной ДНК и фенотипа кожи за 1 месяц. Восстановление количества митохондриальной ДНК было прогнозируемо, так как ее исходный пул не был полностью истощен, тогда как восстановление фенотипа кожи гораздо более любопытно. Модель мышей-мутаторов предоставила важных данные о том, как митохондрии могут индуцировать формирование фенотипа старения через угасание способности гемопоэтических и нервных стволовых клеток к самообновлению. Авторы предполагают, что деплеция митохондриальной ДНК оказывает влияние на функции эпидермальных стволовых клеток, что ведет к старению кожи. Несмотря на то, что на протяжении длительного времени было принято считать, что стволовые клетки не зависят от митохондриальной функции (по крайней мере для продукции АТФ), дополнительные наблюдения за взрослыми стволовыми клетками других тканей свидетельствуют о том, что митохондриям принадлежит фундаментальная роль в процессе самообновления стволовых клеток. Однако клетки-предшественники, зависимость которых от митохондриального дыхания доказана для многих моделей, могут быть более чувствительными к деплеции митохондриальной ДНК и, соответственно, ответственными за быстрое восстановление.
Евгения Рябцева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Fight Aging!: Commentary on Recent Research into Mitochondrial DNA and Aging.