Молекулярные взаимодействия между теломерами, митохондриями и болезни старения

Стенограмма лекции

XXVI Всероссийской Образовательной Интернет Сессии для врачей

Общая продолжительность: 36:19

00:00

Владимир Трофимович Ивашкин, председатель межведомственного Научного Совета по терапии РАМН, академик РАМН, доктор медицинских наук, профессор:

- Первая лекция. Она первая, может быть, не по значимости, но так выстроено в нашей программе.

Итак, дисфункция митохондрий, теломеры и процессы старения. Что такое митохондрии, наверное, знают все. Что такое процесс старения - тоже понятно, наверное, всем присутствующим.

Понятие «теломеры». Это понятие хорошо известно нам, начиная, наверное, со школьной скамьи, когда мы проходим биологию, на первом курсе медицинских вузов. Но буквально в последние годы с понятием «теломер» или «теломеры» стали связывать процесс старения.

В настоящее время печать, интернет пестрят сообщениями о том, что длина теломеров определяет продолжительность жизни человека. Вот такая мистическая связь, которая заставляет людей задавать вопрос - каким же образом? Что это за биологическая структура - теломеры? Каким образом теломеры определяют продолжительность жизни?

В этой пирамиде наших представлений все-таки необходимо убрать мистический компонент и попытаться расшифровать значимость теломеров в той системе координат, к которой мы уже привыкли. На примере тех биологических процессов или на основе тех биологических, биохимических процессов, которые проходят в наших органах и тканях, и которые мы ясно представляем.

Если мы посмотрим на наш возраст, то мы согласимся, наверное, что наша функциональная активность и интеллектуальная, физическая активность имеет характер примерно такой кривой. Вначале до определенного возраста наша многомерная активность растет. Потом она длительное время находится на плато, а затем она постепенно начинает убывать. Убывание этой многоплановой активности и означает, по существу, начало процесса старения в социальном плане.

Если параллельно проанализировать, что происходит с внутриклеточными органеллами, с клетками, тканями, то выясняется, что в процессе функционального угасания происходит снижение функций митохондрий. Развивается так называемая дисфункция (нарушение), определенные функциональные поломки со стороны теломеров.

Это, как вы видите, обоюдный процесс. Митохондрии, энергопродуцирующие элементы, и теломеры, поддерживающие целостность хромосом, обуславливают взаимную поддержку. Далее следует мышечная атрофия, присоединяется инсулиновая резистентность, диабет, кардиомиопатии различного генеза.

03:42

Если вы посмотрите на левую верхнюю часть слайда, здесь представлены специфические формы как раз теломеров. Это теломеры животных. Животные модели.

Вы видите, первоначально поле насыщено этими светящимися точками. Это животное wild type - обычное дикое животное. Скажем, мышь. Далее на специальных моделях мышей, у которых выключается функция теломеразы и нарушается функция теломеров, количество светящихся точек уменьшается (фаза G1). Наконец, фаза G4 - это достаточно продолжительная жизнь модельного животного с нарушенной функцией теломеров.

Они практически исчезают. Они действительно укорачиваются. Это совпадает со значительным снижением всех возможных жизненных проявлений модельного животного.

С биохимической точки зрения старение органов и тканей - это процесс, который сопровождается накоплением мутаций в митохондриальной ДНК. Мы знаем, что митохондрии имеют свою собственную ДНК. Она служит для поддержания целостности митохондрий и для генеза митохондрий.

Это накопление мутаций проявляется разобщением окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи митохондрий. Следовательно, снижением продукции АТФ, резким ростом кислородных радикалов и возникновением угрозы хронического оксидативного стресса. Как я уже отметил, в результате разобщения окисления и фосфорилирования снижается энергия, энергизация.

Именно как следствие де-энергизации происходит универсальное тотальное падение трансмембранного электрохимического градиента во всех без исключения клетках, включая и клетки центральной нервной системы, ибо основной машиной, которая поддерживает электрохимический градиент (большую разность электрических зарядов по обе стороны мембраны любой клетки), является Na* Ka* - АТФаза. Дефицит энергии приводит к угнетению активности Na* Ka* - АТФазы и падению трансмембранного электрохимического градиента.

По существу, смерть - это ни что иное как исчезновение трансмембранного электрохимического градиента.

06:51

Далее очень важно отметить, что в процессе старения происходит угнетение активности ключевых регуляторов митохондриальной активности или митохондриальных регуляторов. Это так называемые коактиваторы 1 ? и 1 ? peroxisome proliferator-activated receptor gamma. Его очень сложно переводить. Я привожу в оригинальной английской транскрипции (англоязычной транскрипции).

Мы с вами в последующем будем говорить о PGC-1? и PGC-1 ?, коактиваторах peroxisome proliferator-activated receptor gamma.

К чему приводит угнетение этих коактиваторов? К угнетению биогенеза митохондрий. В ответ на нагрузку, требующую увеличения продукции энергии, организм обычно реагирует увеличением плотности числа митохондрий или увеличением их пространственного объема. Но эта реакция начинает страдать.

Это приводит к нарушению контроля метаболических процессов: в частности, снижается активность глюконеогенеза. В стрессовой ситуации печень не в состоянии выбросить адекватное количество глюкозы за счет включения реакции глюконеогенеза.

Далее падает активность такого важного донатора энергии как ?-окисление жирных кислот. Жирные кислоты не могут проникнуть во внутреннее пространство митохондрий за счет нарушения когнитивного челнока. Это ведет к тому, что страдает процесс энергообразования.

Наконец, это сопровождается патофизиологическими нарушениями, инсулиновой резистентностью и хорошо известным нам диабетом пожилых, который резко ухудшает прогноз жизни пациента в виду развития полиморбидных изменений.

09:13

Давайте посмотрим, какие компоненты участвуют в этой теломер-митохондриальной оси.

Это хорошо известные вам митохондрии. Мы видим электронный вариант митохондрии - митохондрию с наружной и внутренней мембраной, с большим количеством крист.

Схема митохондрии. В правом верхнем углу представлен цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот. Основной энергетический поставщик восстановительных эквивалентов - митохондриальная дыхательная цепь. Межмембранное пространство, которое включает последовательность разных ферментов.

Здесь мы видим три пункта сопряжения: трансмембранная энергия протонов используется, чтобы быть преобразованной в молекулу АТФ. В процессе прохождения пары электронов образуется три молекулы АТФ. Это чрезвычайно эффективная система продукции АТФ внутренней мембраной митохондрий.

Раз мы говорим о теломерах, мы должны определить, где эти теломеры находятся. Мы с вами видим привычный нам кариотип. Очень красиво выстроенные 22 пары осмотических хромосом и пара половых хромосом. Видите, большая хромосома Х, определяющая женские признаки, и совершенно уступающая внешне и по своим функциональным возможностям мужская хромосома. По всей вероятности, от этого мужчины выглядят менее привлекательными, чем женщины.

Где находятся теломеры? Теломеры находятся на концах этих хромосом, на полюсах. Здесь теломеры представлены в виде красных кружков на полюсах хромосомы.

Что такое теломеры? Это большие, повторяющиеся структуры, содержащие большое количество гуанина. Здесь показана формула: тиамин, тиамин, аденин, гуанин, гуанин, гуанин. Этих повторений очень много.

Важнейшей частью теломеров является теломераза. Здесь показан ген TERC, который необходим, чтобы функционировала теломераза.

Теломераза - это обратная транскриптаза. Задача теломеразы состоит в том, чтобы восстанавливать теряемые при каждом клеточном делении нуклеотиды. Задача теломеразы состоит в том, чтобы задерживать процесс укорочения теломеров. Если нарушается функция теломеразы, фермента, который в определенной степени восстанавливает количественное отношение нуклеотидов в теломерах, процесс старения в значительной степени ускоряется. Не только процесс старения, но и процесс развития различных заболеваний.

13:00

Итак, возвращаясь к теломерам, мы с вами вспоминаем, что это нуклеопротеиновые комплексы, расположеннее на полюсах хромосом. Они решают триединую задачу.

Во-первых, поддержания целостности хромосом (очень важно). Мы знаем целый ряд заболеваний, при которых нарушается целостность хромосом. Далее. Они подавляют повреждения ДНК, которые вызываются чрезмерной активностью хорошо известного нам протеина 53. Наконец, хромосомы обеспечивают репарацию ДНК, восстанавливают количественное соотношение нуклеотидов на свободных концах хромосом.

Основным рабочим механизмом в теломерах является теломераза, обратная транскриптаза. Она компенсирует потери нуклеотидов теломерами при делении клеток. Снижение активности или выключение теломеразы приводит к целому ряду очень серьезных последствий.

Происходит необратимое укорочение теломеров при клеточном делении. Это как раз тот процесс, который приводит к ускорению старения. Наконец, повышается активность гена Р53, продуцирующего протеин Р53. Дисфункция теломеров, а по существу дисфункция, нарушение функций теломеразы приводит к истощению популяции стволовых/прогениторных клеток в пролиферирующих органах (костный мозг и ЖКТ).

Но помимо этого такое нарушение активности теломеразы сопровождается дегенеративными изменениями висцеральных, так называемых постмитотических органов, где пролиферативная активность включается лишь в случае необходимости (как компенсаторный процесс), а не является постоянным процессом. Это такие постмитотические органы как мозг, сердце, печень. В конечном счете, это приводит к быстрому старению и присоединению болезней старения.

15:21

Важным компонентом в этой теломер-митохондриальной оси является ген и протеин Р53. Ген Р53 находится на 17-й хромосоме. Внизу показана структура этого белка. Протеин Р53 является продуктом гена Р53, находящегося на 17-й хромосоме.

Что делает протеин и ген Р53? Они контролируют клеточный цикл, апоптоз и генетическую стабильность. Повышение активности Р53. Мы редко говорим о повышении активности Р53. Как правило, в наших клинических примерах мы говорим об угнетении активности, скажем, о мутациях в гене Р53, которые выводят клетку из-под генетического контроля и обуславливают процесс опухолевой трансформации.

Так вот сейчас мы с вами будем говорить о повышении активности продукта гена Р53, который обусловлен наличием гиперактивных аллелей в структуре этого гена. Что происходит? Остановка клеточного деления. Блокируется пролиферативный процесс, в частности в костном мозге, в ЖКТ и в других органах и тканях.

Остановка клеточного деления сопровождается апоптозом - стареющие клетки, не дающие дочерней популяции, приходят к необходимости апоптоза. Происходит опустошение стволовых/прогениторных клеток в организме животных, человека. Это обуславливает преждевременное старение - накопление старых неделящихся клеток, входящих все больше и больше в апоптоз, сопровождающийся клеточным истощением.

Снижение активности или дефицит Р53, о котором мы говорим очень часто, приводит к обратному процессу - к неконтролируемой пролиферации резидентных стволовых клеток. Это лежит в основе опухолевого роста, опухолевой трансформации клеток.

Следовательно, и избыточная продукция гена Р53 и его недостаточная активность, дефицит активности гена Р53, сопровождаются разными, разнонаправленными процессами, имеющими в том или в другом случае крайне негативные последствия.

Еще один участник в этом взаимодействии теломер-митохондриальной оси - это коактиваторы PGC-1 ? и PGC-1 ?. Коактиваторы - это протеины, кодируемые геном PPARGC. Я напоминаю, это peroxisome proliferator-activated receptor gamma. Это ген этого рецептора.

Посредством этого рецептора происходит взаимодействие с транскрипционными факторами генов, вовлеченных в энергетический метаболизм. Коактиваторам, чтобы проявить свою прогенетическую активность, необходимо взаимодействовать с определенными ядерными рецепторами.

19:14

Коактиваторы регулируют активность целого ряда очень важных внутриклеточных регуляторных путей. В частности, активность CREB - это cAMP (циклический аденозинмонофосфат), белок, зависящий от циклического аденазинмонофосфата (cAMP response element-binding protein), и система регуляторов NRFs (ядерные респираторные факторы).

Далее коактиваторы PGC-1обеспечивают прямую связь между внешними физиологическими стимулами и митохондриальным биогенезом. Например. В случае гипертрофии миокарда у пациентов с высоким системным артериальным давлением происходит стимуляция биогенеза митохондрий, увеличивается количество гипертрофирующихся митохондрий миокарда.

Как раз этим процессом заведует коактиватор PGC-1.

Далее эти коактиваторы очень важны для регуляции митохондриального клеточного дыхания. Репрессия коактиваторов сопровождается угнетением биогенза и функций митохондрий во всех проявлениях.

Здесь показаны эти коактиваторы. Peroxisome proliferator-activated receptor вместе со своими коактиваторами из цитоплазмы во время активации переносятся в ядро. В ядре они, как мы уже говорили, должны взаимодействовать с одним из ядерных рецепторов.

Здесь показан ретиноидный Х-ядерный рецептор. Взаимодействие коактиваторов peroxisome proliferator-activated receptor вместе с ретиноидным ядерным рецептором приводит к активации, дерепрессии определенных генов. Начинается экспрессия ДНК, то есть начинается экспрессии продукции матричной РНК. Она служит далее матрицей для синтеза различных белков: цитокинов, например, регуляторных белков.

Следовательно, это взаимодействие необходимо для дерепрессии ядерной ДНК и для продукции специфических белков-коагуляторов.

22:02

К чему же приводит дисфункция теломеров? Для этого в настоящее время создана модель. Это мышки, у которых выключаются оба аллеля теломеразы. Здесь показано: Tert с двумя минусами. Это мышки, у которых выключена теломераза (оба аллеля).

Чем проявляется дисфункция теломеров? Происходит, в первую очередь, укорочение теломеров. Мы с вами уже говорили, что теломераза необходима для поддержания своей структуры, для восстановления теряемых при каждом клеточном делении нуклеотидов. Здесь происходит укорочение теломеров. Это сопровождается угнетением системы коактиваторов PGC, снижением массы митохондрий и снижением продукции энергии, о чем мы с вами тоже говорили.

Это сопровождается атрофией пролиферирующих тканей. Происходит атрофия костного мозга, атрофия клеток ЖКТ. Следует отметить, что наблюдается и функциональная недостаточность постмитотических органов - таких как сердце, печень и других постмитотических органов (так называемых солидных органов).

Здесь показаны последствия дисфункции теломеров. Это сопровождается угнетением генов окислительного фосфорилирования митохондриальной дыхательной цепи. Это комплекс генов окислительного фосфорилирования OXPHOS. Сюда входит АТФ-синтаза, цитохром С и цитохром С оксидаза.

Мы видим с вами три столбика. В гематопоэтических стволовых клетках, в печени и в сердце. Внутри диаграммы мы видим три сета, три набора этих разноцветных столбиков: зеленый, красный, синий.

Зеленый - это исходный фон функциональной активности АТФ-синтазы, уровня цитохрома С и цитохром оксидазы. Красные столбики - это жизнь животного (относительно короткое время) с выключенной теломеразой. Вы видите, активность этих ферментов окислительного фосфорилирования снижается. Синие столбики - это более продолжительная жизнь животных в условиях выключения теломеразы.

Вы видите, что практически все ферменты дыхательного цикла митохондрий в значительной степени угнетаются. Это хорошее доказательство нарушения функциональной активности митохондрий.

Здесь выключение толомеразы - та же самая модель - сопряжено со снижением митохондриальной ДНК. На левой стороне слайда вы видите - гематопоэтические стволовые клетки, печень и сердце. Вы видите, что по мере продолжения жизни с выключенной теломеразой количество ДНК в митохондриях этих тканей прогрессивно снижается.

Правая часть. Вы видите, здесь мы отмечаем интенсивность дыхания сердца и печени по скорости поглощения кислорода. Далее мы отмечаем с вами синтез АТФ и держание АТФ в клетках и тканях. Вы видите, что по мере продолжения жизни животных с выключенной теломеразной активностью происходит и угнетение дыхания, и снижение содержания АТФ, и снижение синтетической активности АТФ.

26:18

Здесь совершенно наглядно видно, что выключение теломеразной активности ассоциируется со снижением объемной плотности митохондрий в сердце и в печени. Слева - это митохондрии в интактных тканях. Затем количество митохондрий начинает уменьшаться при относительно коротком периоде жизни животных с теломеразной недостаточностью. Наконец, при более продолжительном периоде жизни в условиях теломеразной недостаточности, количество митохондрий существенно снижается.

Это видно на графиках. На них показана объемная плотность митохондрий. Мы видим с вами, что количество, объем митохондрий в клетках, тканях прогрессивно снижается на фоне дисфункции теломеров.

Итак, дисфункция теломеров сопровождается, как мы уже с вами уже отметили, их укорочением. Это, в свою очередь, сопряжено с функциональной недостаточностью постмитотических органов, со снижением уровня триглицеридов и холестерина, и с потерей жировой массы. Жировая масса, мы с вами хорошо понимаем, основной источник энергии.

Когда мы с вами говорили о делящихся тканях, нам было все понятно. Дисфункция теломеров, блокада пролиферации, апоптоз и так далее. Но что же происходит в постмитотических тканях? Мне кажется, на этом рисунке очень хорошо видны негативные последствия теломеразной недостаточности. В условиях теломеразной недостаточности происходит формирование дилатационной кардиомиопатии.

Вы видите справа: животные интактные. Толщина задней стенки левого желудочка значительная. Диастолический размер левого желудочка относительно небольшой. По мере продолжения жизни в условиях теломеразной недостаточности истончается задняя стенка левого желудочка (сверху вниз мы смотрим). В значительной степени увеличивается диастолический конечный объем.

Сочетание истончения стенок левого желудочка и увеличение диастолического конечного объема. Речь идет о развитии недостаточности.

Мы слева на графиках видим, что фракционное укорочение падает. Мы с вами прекрасно понимаем, что это можно объяснить в рамках закона Франка-Старлинга: укорочение длины мышц есть ни что иное как снижение сократительной функции. В конечном счете, диастола левого желудочка или размер левого желудочка увеличивается. Если вы представляете себе кулакообразную кривую закона Франка-Старлинга, то мы с вами легко можем понять, что выход или растяжение мышц или миоцита конкретного выше определенного значения сопровождается также падением сократительной функции.

Так что все это укладывается в классический закон Франка-Старлинга. Эта дилатационная кардиомиопатия сопровождается резким уменьшением сократительной функции.

30:03

Далее происходит потеря контроля над геном Р53. Это сопровождается угнетением активности коактиваторов PGC, уменьшением митохондриальной ДНК, подавлением глюконеогенеза, развитием кардиомиопатии и поливисцеральной недостаточности.

Выключение гена Р53 оказывает обратный эффект. Происходит восстановление транскрипции коактиватора PGC и восстановления содержания митохондриальной ДНК.

Для того чтобы не теряться в этом графике, посмотрите на синие и красные столбики (крайние справа на всех картинках). Синие столбики самые короткие. Это жизнь животных длительное время с включенным Р53. Красный крайний столбик - выключенный ген Р53 свидетельствует о восстановлении функций митохондриальной ДНК в сердце и печени и активности коактиваторов.

31:15

То же самое можно сказать в отношении функциональной активности. Выключение Р53 сопровождается восстановлением глюконеогенеза и нормализацией функции митохондрий.

Один из заключительных слайдов. Мы видим здесь ткани гемопоэтических стволовых клеток сердца и печени. Левые столбики - это теломеры интактных животных («звездное небо»). Средние столбики - это теломеры животных, которые только начинают жизнь в условиях выключения теломеразной активности. Яркость «звездного неба» начинает постепенно угасать. Это длина теломеров. Наконец, крайние правые столбики во флуоресцентном поле - это теломеры у животных, которые длительное время существуют с выключенной теломеразной активностью.

Вы видите, что «звездное небо» практически угасает. «Звездное небо» - это теломеры наших хромосом, хромосом животных. Угасание «звездного неба» означает укорочение теломеров и окончание практически жизни животных!

Итак. В заключение мы с вами должны сказать, что дисфункция теломеров сопровождается угнетением системы коактиваторов и последующим развитием митохондриопатии и метаболических нарушений, индукции апоптоза и полиорганной недостаточности.

Постмитотические ткани (сердце и печень) оказываются в состоянии энергетического дефицита. Идут потери фундаментальной способности вырабатывать адекватное количество АТФ.

В основе снижения функциональной активности при старении могут лежать: первичное угнетение коактиваров и митохондриальной функции, последующее нарастание продукции активных радикалов кислорода, как результат снижения активности комплекса ферментов окислительно-восстановительной цепи и сниженной экспрессии PGC-регулируемых генов антиоксидантной защиты.

Высокие уровни кислородных радикалов могут инициировать замкнутый цикл генотоксических повреждений с разрушением G-богатых теломеров (мы с вами говорили, что в теломерах G-обогащенные повторы), продолжающейся высокой активностью гена Р53, дальнейшей репрессией коактиваторов, прогрессирующей митохондриопатией и так далее.

Теломер-митохондриальная ось подвержена регуляторным воздействиям многих факторов. По всей вероятности, в последующих лекциях мы остановимся на этих заключительных формулах. Оказывается, продолжительность жизни на моделях животных возрастает на фоне ограничения калорий в рационе питания и сопровождается увеличением митохондрий и ростом дыхательной активности, поддержанием длины теломеров.

Голодная диета сопряжена с повышением активности целого ряда ферментов, стабилизацией коактиваторов, увеличением биогенеза митохондрий и их функций.

Эти регуляторные системы инактивируют Р53 и дерепрессируют экспрессию коактиваторов PGC.

Заключительная схема отражает всю теломер-митохондриальную ось. Дисфункция теломеров приводит к избыточной активности гена Р53. Это сопровождается остановкой роста тканей, старением и интенсивностью апоптоза, с одной стороны. С другой стороны, это сопровождается репрессией коактиваторов peroxisome proliferator-activated receptor gamma, развитием митохондриальной дисфункции и нарушением метаболических процессов во всей их широте и глубине.

Страдают стволовые клетки пролиферирующих органов. Страдают, как вы уже видели на примере дилатационной дисфункции, и постмитотические органы. Это, в конечном счете, приводит к старению и к развитию болезней старости.

Позвольте на этом закончить свою лекцию.

36:19

 
Ивашкин В.