Вся правда об эпигенетике и старении. Часть I. Эпигенетическое омоложение

Не существует лабораторных исследований, результаты которых свидетельствовали бы о том, что активация собственной теломеразы повышает риск развития рака. Согласно современным представлениям, теломераза – не необходимое условие запуска процесса озлокачествления ее экспрессия является обязательной только для поддержания роста большинства прогрессирующих злокачественных опухолей. Последние исследования, проведенные лабораторией Роберта де Пино (Robert de Pinho) из Гарвардского университета и испанской лаборатории Марии Бласко (Maria Blasco), посвящены изучению возможности манипуляций с теломеразой для снижения риска развития рака. Следует отметить, что ранние исследования, на основании которых десять лет назад было высказано беспокойство по поводу безопасности работы с теломеразой, были проведены этими же учеными.

Также проведено большое количество исследований, продемонстрировавших, что (а) экспрессия теломеразы не повышает риск развития рака у лабораторных животных и (b) короткие теломеры ассоциированы с очень высоким риском развития рака. По мнению автора, использование активаторов теломеразы значительно снизит вероятность развития рака. Это произойдет, во-первых, благодаря уничтожению провоспалительных клеток, являющихся потенциально канцерогенными из-за укороченных теломер, и во-вторых, за счет омоложения иммунной системы, обеспечивающей защиту организма от развития рака. В прошлом году автор опубликовал статью, посвященную этому вопросу (J.J.Mitteldorf, Telomere biology: Cancer firewall or aging clock?, Biokhimiya, 2013, Vol. 78, No. 9, pp. 1345–1353; перевод на русский доступен в «бумажном» издании журнала «Биохимия»).

Почему мы можем ожидать от удлинения теломер значительного увеличения продолжительности жизни

Ответ на этот вопрос очевиден, поэтому сформулируем его по-другому: какие факторы указывают на то, что увеличение длины теломер окажет очень мощное влияние на разнообразные аспекты биологии старения?

А) Укорочение теломер является древним механизмом старения

Протисты – это первые одноклеточные эукариоты, появившиеся на Земле миллиард лет назад (их структура значительно сложнее структуры бактерий, появившихся примерно на 3 миллиарда лет раньше). Протисты имеют линейную ДНК и, соответственно, потребность в теломеразе. Так как протисты размножаются простым делением, можно было бы предположить, что эти клетки не должны «стареть» или даже то, что концепция старения не имеет смысла для их клеточного цикла. Однако клеточные линии протистов могут стареть, а с некоторыми это в действительности происходит. В основе этого лежит самый старый из известных механизмов старения, заключающийся в воздержании от использования теломеразы.

В качестве примера можно привести парамеции (инфузории-туфельки). Репродукция парамеций заключается в делении клетки и репликации ДНК в отсутствии экспрессии теломеразы. В результате при каждом делении клетки происходит укорочение ее теломер. Парамеции могут вступать в конъюгацию, являющуюся примитивной формой полового обмена генетической информацией. Клетки двух парамеций сливаются и обмениваются ДНК, после чего разделяются. Экспрессия теломеразы характерна исключительно для процесса конъюгации. Поэтому любая не вступающая в конъюгацию клеточная линия вымирает через несколько сотен поколений. Это предотвращает возникновение чрезмерной однородности клеточных колоний. Таким образом, можно утверждать, что возраст механизма старения составляет миллиард лет, а некоторые из его генетических компонентов сохранялись и передавались через все трансформации многоклеточных форм жизни. William R Clark написал на эту тему де книги, находящиеся в открытом доступе [1, 2].

В) Теломеры человека укорачиваются с возрастом

Этот факт стал известен более 20 лет назад.

С) Люди с короткими теломерами входят в группу риска по преждевременной смертности

Этот факт установлен Ричардом Каутоном (Richard Cawthon, 2003) и описан в статье, удивившей специалистов, занимающихся изучением данного вопроса. В конце концов, если вся сложность процесса старения заключается в укорочении теломер, почему бы организму не решить эту проблему путем экспрессии теломеразы? Это бы усилило индивидуальную выносливость организмов. Почему же эволюция не воспользовалась таким простым приемом? (Ответ на это, конечно, заключается в том, что естественный отбор благоприятствует старению ради сохранения демографической стабильности. Большинство эволюционных биологов не рассматривают эту движущую силу эволюции.) Каутон продемонстрировал, что для 25% 60-летних участников исследования, имевших наиболее длинные теломеры, был характерен в два раза более низкий риск смерти, чем для 25% участников с наиболее короткими теломерами. Каутон имел доступ к уникальной базе данных, содержащей законсервированные образцы крови 20-летней давности. Насколько известно автору, в течение 11 лет (на момент написания данной статьи) никому не удалось ни воспроизвести, ни опровергнуть полученные Каутоном результаты.

D) При анализе данных с учетом возрастного фактора, люди с короткими теломерами входят в группу риска по развитию различных заболеваний, в особенности болезней сердечно-сосудистой системы

Эта взаимосвязь выявлена не только в оригинальном исследовании Каутона, но и при проведении целого ряда других работ [1, 2]. Продемонстрирована также взаимосвязь между длиной теломер и риском развития слабоумия [1, 2], а также сахарного диабета [1, 2].

Е) При анализе результатов с учетом возраста, животные с короткими теломерами также входят в группу высокого риска скорой смерти

Это было продемонстрировано в исследованиях на нескольких видах птиц [1, 2, 3] и павианах. Уже в 2003 году было установлено, что теломеры особей долгоживущих видов укорачиваются медленнее, чем теломеры представителей видов с малой продолжительностью жизни.

F) Небольшие исследования на мышах продемонстрировали способность стимуляторов теломеразы омолаживать организм животных
(Считается, что мыши являются значительно менее эффективной мишенью данной стратегии по сравнению с человеком, так как, судя по всему, старение человека намного сильнее зависит от укорочения теломер, чем старение мышей.)

Первый подобный эксперимент был проведен в 2008 году. Испанский исследователь Томас Лоба (Tomas-Loba) из лаборатории Марии Бласко создал генетически модифицированных мышей, одновременно устойчивых к раку и имеющих дополнительную копию гена теломеразы, экспрессируемую в некоторых тканях, для которых в норме экспрессия этого гена нехарактерна даже у мышей. Продолжительность жизни этих животных была на 18% выше продолжительности жизни устойчивых к раку мышей, имеющих только обычный ген теломеразы.

Впоследствии лаборатория Blasco работала с более мощным (хотя и более опасным) методом индукции теломеразы – инфицированием модифицированным ретровирусом, встраивающим ген теломеразы в ядерную ДНК инфицированных клеток. «Введение мышам в возрасте 1 и 2 года терапевтического аденоассоциированного вируса широкого тропизма, экспрессирующего мышиный ген TERT, оказывало выраженное влияние на состояние здоровья и выносливость животных, в том числе на такие показатели, как чувствительность тканей к инсулину, выраженность симптомов остеопороза, нервно-мышечная координация и несколько молекулярных биомаркеров старения» (Bernardes de Jesus et al., 2012). При начале терапии в 2-летнем возрасте продолжительность жизни мышей увеличивалась на 13%, а при начале терапии в возрасте 1 год – на 24%. При этом увеличения частоты развития рака не наблюдалось.

Наиболее выдающимся примером омоложения является достижение лаборатории Роберта де Пино из Гарвардского университета. Как правило, клетки мышей (в отличие от клеток человека) экспрессируют теломеразу на протяжении всей жизни. Исследователи создали модифицированных мышей, не имеющих нормальной (постоянно активной) версии гена теломеразы. Вместо этого животные имели ген теломеразы, который можно было активировать или инактивировать с помощью химического соединения, добавляемого в корм животных. По мере старения у таких мышей развивалось множество тяжелых симптомов дегенерации семенных желез, селезенки, кишечника, нервной системы и других органов. Прогрессирование этих симптомов не только прекращалось, но и обращалось вспять при активации теломеразы на поздних этапах жизни животных. Особенно интересным оказалось влияние на нервную систему, так как, в отличие от клеток кишечника и кожи, нервные клетки функционируют на протяжении всей жизни организма и не нуждаются в постоянном обновлении за счет стволовых клеток. Несмотря на это, у стареющих мышей с инактивированным геном теломеразы снижалась чувствительность органов чувств и способность к обучению. Активация теломеразы полностью восстанавливала эти нарушения.

Исследователи Стэнфордского университета и компании Geron провели эксперименты с «кожей», выращенной из клеток человека в лабораторных условиях. Они установили, что инфицирование клеток модифицированным ретровирусом, встраивающим в их геном ген теломеразы, обеспечивает искусственной коже восстановление эластичности, мягкости и фактуры, характерных для кожи молодого организма.

G) Помимо выполнения основной функции, заключающейся в удлинении теломер, теломераза выступает в роли своего рода гормона роста

Эта гипотеза была предложена в 90-х годах прошлого столетия и получила убедительное подтверждение в виде результатов, полученных учеными Стэнфордского университета [1, 2, 3, 4]. В рамках этой работы была создана линия мышей, имеющих измененную теломеразу, в которой отсутствовал компонент, необходимый для синтеза теломер. Несмотря на это, была продемонстрирована способность теломеразы индуцировать рост шерсти животных. Была также показана способность теломеразы воздействовать на гормональный сигнальный механизм, известный как Wnt. Другие функции теломеразы рассматриваются в статье Cong and Shay (2008).

Что интересно,ранее попадалась информация о влиянии Wnt на потенциал стволовых клеток кишечника…

Тогда ученые выяснили, что теломераза особенно активна в эмбриональных стволовых клетках, которые составляют зародыш на стадии нескольких дней, а потом, по мере дифференцировки клеток, ее работа постепенно сходит на нет. Исследователи забирали у зародышей мыши эмбриональные стволовые клетки и выращивали их в культуре, не давая превращаться в разные клеточные типы. При этом теломераза продолжала работать, пока теломеры не стали в два раза длиннее, чем в среднем у мышей.

Сейчас же исследователи взяли стволовые клетки со сверхдлинными теломерами и ввели их в обычные зародыши мышей. Клетки пометили зеленым флуоресцентным белком, чтобы отличать их от клеток реципиента. И оказалось, что из таких зародышей могут вырасти химерные мыши: плацента и зародышевые оболочки у них состоят из тканей реципиента, а вот сам эмбрион и будущая мышь полностью построены из флуоресцентных клеток с длинными теломерами.

Авторы работы проследили за жизнью таких мышей с рождения и до смерти. Первое, на что они обратили внимание — это комплекция этих мышей: они были существенно стройнее своих сородичей. Оказалось, что дело в проценте жира: мышечная масса у контрольных и экспериментальных животных не различалась, а вот толщина подкожного слоя и общее количество жира в теле у вторых было заметно ниже.

a – схема эксперимента: желтый – клетки обычной мыши, зеленый – флуоресцентные клетки с длинными теломерами; b – флуоресцентные клетки в тканях: верхний ряд – обычная мышь, нижний – мышь с длинными теломерами, красный цвет – окрашивание антителами к флуоресцентному белку; c – более стройная мышь с длинными теломерами рядом с контролем в возрасте 40 и 110 недель, d – динамика веса мышей, серый – контроль, черный – эксперимент

Исследователи проверили, насколько стройность мышей сказалась на их здоровье. Они обнаружили, что в крови мышей с длинными теломерами в два-три раза меньше липопротеинов низкой плотности — так называемого «плохого холестерина». Кроме того, экспериментальные мыши были более чувствительны к инсулину и быстрее справлялись с повышением количества глюкозы в крови.

Как и следовало ожидать, длинные теломеры продлили мышам и жизнь в целом: среднюю продолжительность жизни — на 13 процентов, а максимальную — на 8. А вот риск развития опухолей при этом не вырос: у экспериментальных мышей рак встречался в два раза реже, чем у контроля. Умирали же эти животные в основном из-за других возрастных болезней, например, инфекций матки.

Затем авторы работы проверили, что происходит в тканях у взрослых экспериментальных мышей. Они обнаружили, что теломеры у них в любом возрасте длиннее, чем у контрольной группы — пусть не в два раза, но на 25-50 процентов. При этом теломераза во взрослых клетках не работала — то есть длинные теломеры они сохранили еще с зародышевого периода. Других примет старения ученые тоже нашли меньше, чем в контроле — клетки с поврежденной ДНК или признаками старости у экспериментальных животных встречались в несколько раз реже.

Таким образом, исследователи развеяли опасения своих коллег о том, что длинные теломеры могут повлечь за собой негативные последствия для здоровья млекопитающих. Показательно и то, что удлинить мышам теломеры они смогли без каких бы то ни было генетических манипуляций — просто увеличив период, который эмбриональные клетки проводят в стволовом состоянии. На данный момент, конечно, сложно себе представить, как это можно было бы применить к человеку, однако сам факт того, что теломеры можно удлинить негенетическим путем и продлить таким образом жизнь, выглядит обнадеживающим.

Раньше ученые обнаружили, что теломеры страдают от внутриклеточных стрессов сильнее, чем вся остальная ДНК, потому что свободные радикалы атакуют их в первую очередь. А также, изучив динамику теломер у разных млекопитающих, пришли к выводу, что значение имеет не общая их длина, а скорость, с которой они теряются.

Ещё интересный факт, что не углеводная диета, а высокобелковая(возможно из-за плохого аминокислотного состава) сокращает жизнь дрозафилам… Конечно дрозафилы могут отличаться от людей в плане старение, но тем не менее…мне кажется, что у дрозафилы, что у червяка, что у человека, основная причина смерти может быть похожа, допустим только более сложнее… в среднем, что продлило жизнь одним, работало и на других, хотя и бывали исключения, что в принципе не удивительно…