Омоложенные фибробласты опровергли митохондриальную теорию старения
Японские исследователи из университета Цукуба, работающие под руководством профессора Джуна-Ичи Хаяши (Jun-Ichi Hayashi), в экспериментах на культурах человеческих клеток продемонстрировали возможность отсрочить и даже обратить вспять процессы старения. Они также установили, что регуляция активности двух генов, вовлеченных в продукцию глицина, самой маленькой и простой из аминокислот, отчасти определяет некоторые характеристики старения.
Авторы сделали свое открытие в рамках исследования, целью которого было прояснение ряда противоречивых моментов популярной в настоящее время митохондриальной теории старения. Согласно этой теории, ассоциированные с возрастом дефекты митохондрий обусловлены накоплением мутаций митохондриальной ДНК.
Нарушение митохондриальной функции является одной из основных характеристик старения представителей многих видов, в том числе человека. Это преимущественно обусловлено тем, что митохондрии являются энергетическими центрами клетки, производящими энергию в результате процесса, известного как клеточное дыхание. Повреждение митохондриальной ДНК ведет к изменениям последовательности ее нуклеотидов и, соответственно, к нарушению функций закодированных в данных генах белков. Накопление таких изменений ассоциировано с уменьшение продолжительности жизни и преждевременным развитием возрастных проявлений, таких как уменьшение массы тела и густоты волосяного покрова, искривление позвоночника и остеопороз.
Однако растущее количество противоречащих друг другу данных вызвало в среде специалистов сомнения по поводу достоверности данной теории. В частности авторы провели ряд интересных исследований, результаты которых указывают на то, что ассоциированные с возрастом дефекты митохондрий связаны не с накоплением мутаций ДНК, а с другой формой генетического регулирования.
Объектом исследования была митохондриальная функция человеческих фибробластов, выделенных из кожи молодых (от стадии эмбриона до 12 лет) и пожилых (в возрасте 80-97 лет) людей. Авторы сравнили активность митохондриального дыхания и количество повреждений митохондриальной ДНК в клетках этих двух групп. Они ожидали увидеть снижение активности дыхания и увеличение количества повреждений ДНК в клетках более старшей возрастной группы. Но, хотя для пожилых людей действительно было характерно снижение активности митохондриального дыхания, оказалось, что количество повреждений митохондриальной ДНК никак не зависит от возраста. Это навело исследователей на мысль, что за возрастные изменения, наблюдаемые в митохондриях, может отвечать другая форма генетического регулирования – эпигенетические механизмы.
Эпигенетическая регуляция подразумевает изменение физической структуры ДНК за счет присоединения химических структур, что приводит к активации или блокированию активности генов. В отличие от мутаций такие изменения не влияют на последовательность ДНК. Если предложенная теория верна, генетическое репрограммирование клеток в состояние, подобное состоянию эмбриональных стволовых клеток, должно удалить все эпигенетические изменения митохондриальной ДНК.
Для проверки этой гипотезы авторы репрограммировали человеческие фибробласты молодых и пожилых людей в состояние эмбриональных стволовых клеток. Впоследствии эти клетки опять трансформировали в фибробласты и проанализировали дыхательную функцию их митохондрий. Это показалось невероятным, но проделанная манипуляция полностью устранила ассоциированные с возрастом дефекты. Уровни дыхательной функции всех полученных фибробластов, независимо от возраста человека, из кожи которого были выделены исходные клетки, были сопоставимы с уровнем дыхательной функции эмбриональных фибробластов. Это подтвердило предположение авторов, согласно которому процесс старения митохондрий регулируется не мутациями, а эпигенетическими механизмами.
Последующий поиск генов, эпигенетическая регуляция активности которых может приводить к развитию возрастных дефектов митохондрий, вывела их на два гена, CGAT и SHMT2, регулирующих продукцию аминокислоты глицина в митохондриях. Эксперименты показали, что изменение активности этих генов может индуцировать появление повреждений митохондрий или восстанавливать функциональность этих органелл в культивируемых фибробластах. Более того, добавление глицина в среду культивирования линии фибробластов, выделенных из кожи 97-летнего человека, в течение 10 дней восстановило их дыхательную функцию.
В целом полученные авторами данные свидетельствую о том, что, вопреки митохондриальной теории старения, эпигенетическая регуляция является причиной появления возрастных нарушений дыхательной функции митохондрий выращиваемых в культуре фибробластов. Ученым еще предстоит выяснить, может ли эпигенетическая регуляция управлять старением организма человека и могут содержащие глицин биологические добавки дать «новую жизнь» стареющей популяции митохондрий.
Статья Osamu Hashizume et al. Epigenetic regulation of the nuclear-coded GCAT and SHMT2 genes confers human age-associated mitochondrial respiration defects опубликована в журнале Nature Scientific Reports.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
27.05.2015