Генетика старения: итоги конференции
Отчет о конференции «Молекулярная генетика старения» в Колд Спринг Харбор
Настя Шубина для ЖЖ Михаила Батина
С 29 сентября по 3 октября в Лаборатории Колд Спринг Харбор, расположенной недалеко от Нью-Йорка, прошла конференция «Молекулярная генетика старения». Организаторами конференции выступали Вера Горбунова из Университета Рочестра, Мален Хансен из Медицинского исследовательского института Стенфорда-Бернхема и Давид Синклеер из Медицинской школы Гарварда. Конференция была крайне насыщенная: доклады шли с 9 утра до 11 вечера с небольшими перерывами на кофе-брейк/обед. Организаторы постарались представить слушателям исчерпывающую картину современных исследований в области генетики старения и долголетия: короткие доклады по 15 минут проходили в рамках 10 секций, посвященных всем основным направлениям исследований в области молекулярной биологии старения. Создать исчерпывающую картину у организаторов почти получилось, доклады пестрили крайне интересными, совсем новыми, ещё не опубликованными данными. Не хватало разве что обобщений: практически все доклады были посвящены только частным аспектам генетики старения, однако к общим теориям старения не переходили.
Ниже приведены краткие конспекты некоторых докладов, показавшихся мне интересными.
Секция «Гены долголетия/биология человека»
Доклад Даники Чен (Калифорнийский университет в Беркли) был посвящен метаболической регуляции старения стволовых клеток. В норме часть стволовых клеток пролиферирует, а часть находится в состоянии покоя. Переход клеток в состояние покоя является защитным механизмом, препятствующим клеточной гибели, и необходим для нормального функционирования СК. В старости наблюдается смещение клеток в пролиферативное состояние, что сопровождается истощением ниш СК. Важную роль в регуляции этого перехода играют сиртуины 3 и 7, активность которых зависит от метаболического состояния клеток. В старости содержание сиртуинов 3 и 7 в СК снижается. Сиртуин 3 снижает оксидативный стресс, а нокаут данного гена приводит к снижению числа СК в состоянии покоя (активные формы кислорода блокируют переход клеток из пролиферативного состояния в состояние покоя). Сиртуин 7 также способствует увеличению числа СК в состоянии покоя. Его нокаут приводит к снижению выживаемости клеток. У таких клеток более активны митохондрии и чаще происходит апоптоз. Лентивирусная доставка ex vivo сиртуина3 или 7 в мезенхимальные стволовые клетки старых мышей с последующим возвращением в старых мышей приводила к увеличению числа СК. Таким образом, увеличение экспрессии сиртуинов 3 и 7 может быть использовано для препятствия истощения ниш стволовых клеток в старости.
Томас МакКенна (Каролинский университет, Швеция) рассказал о роли ламинина А в функционировании жировой ткани и старении. Синдром преждевременного старения хатчинсона-Гилфорда чаще всего вызывается мутацией в гене ламининов А и С – белков ядерной ламины. Авторы исследовали экспрессию ламинина А (прогерина) в разных тканях и выяснили, что прогерин не экспрессируется в нейронах, и только низкий уровень его экспрессии наблюдается в адипоцитах (в 2,7% клеток), в остеоцитах (в 8,1% клеток) и только нескольких остеобластах. Кроме того, у таких мышей совсем не было подкожного жира, были укорочены кости и у них наблюдалось повышенное содержание лейкоцитов и цитокинов воспаления в крови. Авторы предположили, что прогерин приводит к повреждениям ДНК определенных тканей, что приводит к одряхлению клеток, выделению медиаторов воспаления и системному воспалению. Которое, в свою очередь, приводит к истощению жировой ткани и ингибированию роста кости. В дальнейшем необходимо понять, как это приводит к возникновению других симптомов прогерии.
Дуглас Дж Катти (Массачусетский технологический институт) рассказал, что у C.elegans мутации в генах неважных факторов инициации трансляции EIF3K, EIF3L приводят к увеличению продолжительности жизни. Причем, это не сопровождается глобальным изменением уровня трансляции. Для проявления данного эффекта необходимо наличие daf-16. Непонятно, однако, присутствует ли подобный механизм в клетках млекопитающих, однако если бы он был, гомологи EIF3K, EIF3L могли бы быть мишенями для терапии, продлевающей жизнь.
Дэвид Б. Ломбард (Университет Мичигана) рассказал о роли SIRT5 в регуляции митохондриального дыхания и развитии рака. SIRT5 ингибирует ЦТК, что приводит к снижению дыхания митохондрий и активации гликолиза. Это предрасполагает к развитию рака (клетки раковой опухоли характеризуются смещением метаболизма в сторону гликолиза). Уже известно, что экспрессия SIRT5 в клетках меланомы увеличена на 40%. А нокаут SIRT5 препятствует развитию меланомы. Таким образом, подавление экспрессии SIRT5 может быть использовано для терапии рака.
Роберт Шмуклер-Рис (Университет Арканзаса) рассказал об использовании C.elegans в качестве модели нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Хантингтона и болезнь Альцгеймера.
На такой модели с помощью выключения различных генов при помощи интерференции РНК было выявлено 5 генов, вовлеченных в патогенез болезни Хантингтона, причем самым мощным оказалось выключение гена CRAM-1. Это приводило к уменьшению формирования агрегатов почти в 2 раза, более позднему развитию паралича и пр.
Ингибирование гена CRAM-1 также приводит к незначительному увеличению продолжительности жизни (средняя продолжительность жизни – на 11%, медианная – на 19%). Кроме того, наблюдается снижение фертильности. CRAM-1 является примитивным шапероном, который оказывает положительные эффекты на репродукцию, однако обладает негативными эффектами при старении.
Доклад Чангхана Ли (Университет Южной Калифорнии) посвящен роли митохондриальных пептидов в старении. Так выявлено несколько пептидов (humanin, MOTS-c), экспрессия которых с возрастом падает. Они предположительно обладают сигнальными функциями, регулируют гомеостаз, играют роль в «коммуникации» митохондрий с клеткой-хозяином. Экспрессия хуманина подавляется IGF-1. MOTS-c является важным регулятором метаболизма глюкозы и чувствительности к инсулину. Обработка мышей MOTS-c активирует AMPK в скелетных мышцах и препятствует возникновению устойчивости к инсулину. Таким образом, данные пептиды могут быть мишенями терапии, предотвращающей старение.
Сеунгжин Риу (Медицинский колледж Альберта Эйнштейна) рассказал об ассоциации полиморфизмов в генах, отвечающих за когнитивные функции, с долгожительством. Протестировали 568 генов-кандидатов (вовлеченных в когнитивную функцию). Обнаружили, что у долгожителей много редких полиморфизмов в генах PKA/PKC пути. Снижение экспрессии PKC у дрозофилы продляет ей жизнь (известно, что подавление экспрессии PKC приводит к снижению экспрессии транскрипционного фактора NF-κB).
Хайм Кохен (Университет Бар-Илан, Израиль) сделал доклад о влиянии SIRT6 на продолжительность жизни. SIRT6 отвечает за репарацию ДНК, стабилизацию ретротранспозонов, регуляцию пути транскрипционного фактора NF-κB, ограничения питания, эффекта Варбурга. Авторы показали, что сверхэкспрессия SIRT6 приводит к увеличению продолжительности жизни (статистически значимому, но не очень большому) у мышей обоих полов, а также способствует улучшению многих возрастных показателей. Увеличение экспрессии SIRT6 приводит к активации AMPK.Мыши со сверхэкспрессией SIRT6 более худые, у них снижен уровень холестерола и триацилглицеринов.
Сергий Либерт (Университет Корнелла) рассказал о роли SIRT6 в развитии болезни Альцгеймера. Сверхэкспрессия SIRT6 делает клетки более чувствительными к апоптозу, а также приводит к увеличению синтеза воспалительных цитокинов и стимулирует воспаление. На мышиной модели болезни Паркинскона показано, что нокаут SIRT6 обладает нейропротекторным эффектом, у таких мышей увеличивалась двигательная активность и снижалась тревожность. Таким образом, ингибирование SIRT6 может быть эффективно для профилактики развития нейродегенеративных заболеваний.
Секция: «Репарация ДНК/клеточное старение»
Лаура Ниедернхофер (Исследовательский институт Скриппс, Флорида) рассказала об исследовании, в котором она показала, что вызываемые активными формами кислорода повреждения ДНК приводят к клеточному старению. Исследования проводились на мышах с синдромом преждевременного старения, вызванном мутацией в гене
эндонуклеазы ERCC1-XPF, которая участвует в 3х типах репарации повреждения ДНК. Такие мыши стареют в 6 раз быстрее нормальных мышей, у них в 5-6 раз быстрее накапливаются оксидативные повреждения ДНК, стареющие клетки, а также у мутантных мышей больше воспалительных цитокинов, а также их клетки характеризуются гиперметаболическим фенотипом. Изменения, происходящие с мутантными мышами аналогичны изменениям с нормальными мышами в старости. Обработка мутантных мышей агентом, снижающим количество активных форм кислорода в митохондриях, приводит к снижению числа повреждений ДНК и сенесентных клеток. Авторы делают вывод, что повреждения ДНК и одряхление клеток запускают системные эффекты старения.
Марко де Чекко (Брауновский университет) сделал доклад об активности транспозонов в старении. На модели фибробластов человека в состоянии репликативного старения было показано, что с возрастом происходят перестройки хроматина, которые приводят к увеличению доступности повторяющихся элементов (в частности, ретротранспозонов L1 (22% всех повторяющихся элементов) и Alu (18%)) для ферментов транскрипции, и увеличению их экспрессии.
Интересно, что у мышей с возрастом увеличивается не только активность, но и число транспозонов. Среди огромного числа транспозонов в геноме функционально активны только около 150. Однако большинство из них экспрессируется базально и только несколько – специфически в стареющих клетках. Причем, несмотря на активацию транскрипции транспозонов в старости, глобальных изменений в метилировании промотеров не наблюдается. О роли транспозонов в регуляции старения, помимо прочего известно, что они могут запускать аутоиммунный ответ, что приводит к старению клеток.
Доклад Мортена Шайби-Кнудсена (Национальный институт здоровья) был посвящен влиянию диеты с высоким содержанием жиров на скорость старения в случае синдрома Коккейна. Данное заболевание вызывается мутацией в гене фермента репарации ДНК (CSA или CSB) и приводит к преждевременному старению. Употребление мышами с синдромом Коккейна жирной пищи приводило к улучшениям метаболизма, транскриптома и поведения таких мышей. Прием жирной пищи сопровождается увеличением уровня бета-гидроксибутирата. При синдроме Коккейна происходит активация PARP (Поли(АДФ-рибоза)-полимеразы – участвующей в репарации ДНК), что в свою очередь снижает активность SIRT1 (поскольку обоим ферментам требуется один и тот же субстрат – NAD+) и приводит к нарушению функций митохондрий.
Таким образом, к замедлению преждевременного старения при синдроме Коккейна может привести бета-гидроксибутират, NAD+ или ингибирование PARP за счет активации SIRT1.
Селиа Куйджано (Центр исследований свободных радикалов и биомедицинских исследований, Уругвай) рассказала о том, что подавление синтеза липидов (на модели фибробластов человека) приводит к активации ответа на повреждения ДНК, увеличению содержания активных форм кислорода и клеточному старению.
Доклад Патрика Максвелла (Политехнический институт Ренселлаера) был посвящен возраст-зависимым изменениям активности ретротранспозонов у дрожжей. И у человека и у дрожжей активация ретротранспозонов приводит к увеличению числа активных форм кислорода и хромосомным перестройкам.
Кроме того, интересно, что в популяции дрожжей с возрастом наблюдается всплеск хромосомных перестроек (а также инсерций транспозонов), а потом (в конце жизни популяции) спад. Это может быть связано с элиминированием из популяции особей с сильными нарушениями генома.
Вендж Ли (Медицинский колледж Альберта Энштейна) рассказал об особенностях накопления мутаций с возрастом. У 60-дневной дрозофилы наблюдается в 4 раза больше мутаций, чем у 5-дневной. Большую часть мутаций в соматических клетках составляли замены GC на AT (вызываемые, чаще всего, активными формами кислорода). Интересно, что в половых клетках разные типы замен были разновероятны. Так, соотношение миссенс мутаций и нонсенс мутаций было низким, что говорило о строгом отборе половых клеток.
Исследования геномов старых дрозофил показали, что соматические мутации наиболее часто встречаются в экзонах и некодирующих регуляторных участках геномов.
Доклад Надия Ринг (Международный центр генетической инженерии и биотехнологии) был посвящен роли микроРНК в регуляции клеточного старения. Он изучили все 879 микроРНК человека и выяснили, что 20 микроРНК индуцируют пролиферацию старых клеток в отсутствии факторов роста. Интересно, что культуральная среда, в которой выращивали клетки, трансфецированные соответствующими микроРНК также была способна индуцировать пролиферацию старых (сенесентных) фибробластов. Таким образом, микроРНК могут быть использованы для борьбы с клеточным старением.
Секция «Сравнительная биология»
Андрей Селуянов (Университет Рочестра) сделал доклад о механизмах долголетия голого землекопа – грызуна, живущего в 10 раз дольше, чем домовая мышь. Голый землекоп синтезирует длинную форму гиалуроновой кислоты, которая препятствует ассоциации раковых клеток и не дает возможности развиться опухоли. В связи с этим, голые землекопы не страдают от рака. Кроме того, гематопоэтические стволовые клетки голого землекопа гораздо более устойчивы к стрессу, их больше, чем у мыши и их обновление происходит гораздо медленнее.
Интересно, что чем дольше живет грызун, тем сложнее индуцировать плюрипотентность его стволовых клеток. Возможным объяснением является то, что у таких грызунов гораздо более стабильный эпигеном.
Сиао Тиан (Университет Рочестра) исследовал корреляцию эффективности репарации двуцепочечных разрывов и эксцизионной репарации нуклеотидов с продолжительностью жизни у разных грызунов (18 видов). Оказалось, что эффективность репарации двуцепочечных разрывов коррелирует с максимальной продолжительностью жизни, а эксцизионной репарации нуклеотидов – только с циркадным ритмом (динамикой воздействия УФ излучением). К механизмам репарации двунитевых разрывов относят гомологичную рекомбинацию и негомологичное воссоединение концов. Было показано, что RAD51 (важнейший фактор, участвующий в гомологичной рекомбинации) у долгоживущих видов быстрее транспортируется в ядро для репарации 2-нитевых разрывов. Так, у человека его транспорт занимает в 10 раз меньше времени, чем у мыши. Кроме того, сверхэкспрессия RAD51 в фибробластах короткоживущих животных сильнее стимулирует гомологичную рекомбинацию, чем в клетках долгоживущих животных, что говорит о том, что транспорт RAD51 в ядро является лимитирующей стадией для гомологичной рекомбинации.
Стижн Моутон (Медицинский центр университета Гронингена, Нидерланды) рассказал об использовании плоского червя Macrostomum lignano в качестве модельного объекта генетики старения. Уже достаточно давно данный червь используется как модель для регенерации/омоложения. У него есть популяция соматических стволовых клеток и если разрезать такого червя, полная регенерация произойдет приблизительно через 3 недели. Проводили исследования, в которых сравнивали продолжительность жизни червя, которого многократно разрезали и он регенерировал, и контрольного червя. Обнаружили, что контрольный червь жил дольше. Интересно, что в этом случае регенерация не способствовала омоложению, а, наоборот, ускоряла старение.
Вадим Гладышев (Гарвардская медицинская школа) рассказал об использовании методов сравнительной геномики для изучения старения. Исследовали геномы таких долгоживущих видов, как Дамарского пескороя, голого землекопа, ночницы Брандта. У голого землекопа среди генов, которые могут опосредовать его долголетие, были гены UPC1, p16, мелатонина, теломеразы. У ночницы Брандта (которая живет более 40 лет) – GHR, IGF1R. Мутации в гене рецептора гормона роста GHR приводят к тому, что у ночницы Брандта развивается фенотип, аналогичный карликовому фенотипу у мышей с аналогичной мутацией.
Итамар Харел (Стэнфордский университет) рассказал о короткоживущей рыбе Nothobranchius furzeri, которую удобно использовать как модельный объект генетики старения. Время жизни рыбы составляет 4-6 месяцев. Уже была создана рыбка с нокаутом гена теломеразы, которая может быть моделью заболеваний, связанных с нарушениями активности теломеразы у человека.
Доклад Петтери Илмонен (Университет Турку) посвящен эффектам разной длины теломер на продолжительность жизни и другие показатели мышей. У человека укорочение теломер приводят к увеличению риска сердечнососудистых заболеваний, рака и пр. Мыши с недостаточной активностью теломеразы быстрее стареют, имеют сниженную плодовитость, нарушения иммунной системы, ухудшенное обновление тканей.
Исследователи взяли мышей дикого типа (не лабораторных) и стали проводить селекцию мышей на длину теломер. В результате получили мышей с укороченными теломерами и с более длинными теломерами. Интересно, что и те и другие жили дольше, чем исходные мыши. Причем, дольше всех жили мыши с короткими теломерами (хотя отличия от мышей с длинными теломерами были недостоверными). Интересно также, что у лабораторных мышей длинные теломеры вызывают рак.
Маттиас Зием (Университетский колледж Лондона) рассказал о создании базы данных продолжительности жизни различных животных, подвергающихся различным воздействиям.
Секция «Гомеостаз»
Торен Финкел (Национальный институт здоровья) Рассказал об эффектах сниженной экспрессии гена mTOR у мышей. У таких мышей произошла инсерция в область локуса mTOR, что привело к тому, что экспрессия данного гена составляла 25% от базального уровня. Медианная продолжительность жизни у таких мышей была больше приблизительно на 20%, они были меньше размером, однако не наблюдалось изменения метаболических параметров (потребление пищи, гомеостаз глюкозы, интенсивность метаболизма). Кроме того, у таких мышей наблюдалось снижение биомаркеров старения, а также наблюдалось сохранение функций многих, но не всех систем. Интересно, что у таких мышей чаще развивались инфекции, а также наблюдалось повышенная скорость потери костной ткани.
В докладе Ара Хванга (Университета наук и технологий Поханга, Южная Корея) говорится о том, как активные формы кислорода увеличивают продолжительность жизни C.elegans активируя HIF-1. HIF-1 активируется в ответ на активные формы кислорода (образованные митохондриями) и в дальнейшем увеличивает их содержание по механизму положительной обратной связи. Другой белок, который активируется в ответ на активные формы кислорода – AMPK, наоборот, снижает содержание активных форм кислорода и индуцирует долголетие. В результате при воздействии митохондриальных активных форм кислорода C.elegans живут дольше.
Доклад Джуна Ли (из Лаборатории исследований биологических механизмов старения Паула Ф. Гленна) посвящен роли NAD+ и белков, которые активируются NAD+ при старении. NAD+ является субстратом или косубстратом PARP (поли(АДФ-рибоза)-полимеразы, PARP1 – участвует в репарации ДНК) и сиртуинов, кроме того, он регулирует ряд биологических процессов, таких как экпрессия генов, ремоделирование хроматина и функционирование митохондрий. С возрастом происходит снижение содержания NAD+ в различных клеточных компартментах. В ответ на повреждения ДНК из-за работы PARP в клетке также очень быстро истощаются запасы NAD+ , что приводит к клеточной гибели.
Делетированный при раке груди ген 1 (DBC1) связывает PARP1, что приводит к накоплению повреждений ДНК. NAD+ препятствует этому взаимодействию, однако при старении его содержание падает и взаимодействие DBC1 с PARP1 усиливается. Однако если воздействовать на старых мышей предшественником NAD+ – NMN, происходит улучшение репарации ДНК.
Браян Вилсон (Институт генетической медицины, Университет Ньюкастл) рассказал о роли дисфункции комплекса Гольджи в развитии преждевременного старения. Синдром Коккейна (один из синдромов преждевременного старения) характеризуется мутацией в генах белков репарации ДНК CSA или CSB. В норме CSA и CSB являются ядерными белками, однако мутации в данных генах могут приводить к тому, что они накапливаются в комплексе Гольджи, что приводит к нарушению его работы (происходит неправильная локализация ферментов, нарушение модификаций гликопротеинов). Интересно, что в случае полного нокаута по белку CSB нарушения комплекса Гольджи пропадают. Поскольку при синдроме Коккейна наблюдается целый ряд патологий, связанных с нарушением транспорта комплекса Гольджи или нарушением гликозилирования, авторы предполагают, что именно нарушения работы комплекса Гольджи могут приводить к преждевременному старению.
Эндрю Дилин (Университет Беркли) рассказал о возможности увеличивать продолжительность жизни C.elegans, воздействуя на митохондрии. Митохондриальный стресс в нервной ткани приводит передаче сигналов из митохондрий в ядро. В ядре запускается экспрессия ряда генов ответа на стресс под регуляцией UBL-5 и DVE-1. Кроме того, клетки начинают продуцировать специфические сигналы «митокины», которые могут передаваться удаленным от них клеткам (в данном случае – клеткам кишечника), в которых запускается ответ на митохондриальный стресс, что в свою очередь, приводит к увеличению продолжительности жизни C.elegans.
Энтони Роукс (Калифорнийский университет Сан-Франциско) рассказал, что при аресте развития (вызванном отсутствием еды) на стадии L1 личинка C.elegans начинает демонстрировать фенотип старения. Интересно, что после кормления у такого червя почти все маркеры старения исчезают (кроме белковых агрегатов). У таких червей не меняется продолжительность жизни. Оказалось, что омоложение червя опосредовано неканоническим IRE-1 зависимым, опосредованным эндоплазматическим ретикулумом ответом на стресс.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
20.10.2014