|
|
|||||||||
| |||||||||
|
Секрет генов долголетия
Первое представление о техническом состоянии автомобиля можно составить, узнав год его выпуска и пробег. Нещадная эксплуатация и время накладывают неизгладимый отпечаток на любой механизм. То же самое можно сказать и о пожилых людях, но с одной существенной оговоркой: "изношенность" человеческого организма частично компенсируется его способностью к "саморемонту" с использованием внутренних резервов. Одно время ученые рассматривали процесс старения не просто как истощение жизненных сил организма, а как один из этапов его генетически запрограммированного развития: лишь только мы достигаем зрелости, включаются "гены старения", выводящие нас на финишную прямую. Позже такая концепция была отвергнута, и теперь считается, что старение - это все-таки простое изнашивание организма, истощение его внутренних ресурсов, ранее поддерживавших все части "на ходу". Естественному отбору нет резона ставить подпорки тому, чей репродуктивный возраст остался позади.Однако недавно мы обнаружили, что семейство генов, отвечающих за способность организма противостоять стрессу (слишком высоким температурам, недостатку пищи или воды и т.д.), обеспечивает также действие защитных механизмов и систем регенерации, невзирая на возраст. Оптимизируя функционирование организма в целях выживания, эти гены повышают его шансы на преодоление кризиса. И если они остаются активными достаточно продолжительное время, то вносят весомый вклад в поддержание организма в рабочем состоянии и увеличение продолжительности жизни. По существу, это "гены долголетия" - антиподы "генов старения". Мы впервые занялись обозначенной проблемой 15 лет назад, предположив, что естественный отбор вполне мог использовать некий универсальный механизм для координации ответа организма на стресс. Если бы нам удалось идентифицировать такой ген или гены, являющиеся главными контролерами, а, следовательно, основными регуляторами продолжительности жизни, можно было бы превратить их в мощное оружие против болезней и ухудшения состояния здоровья. Многие из недавно открытых генов с таинственными названиями наподобие daf-2, pit-1, amp-1, clk-1 и p66Shc влияют не только на способность лабораторных животных справляться со стрессом, но и на продолжительность их жизни. Наблюдения наводят на мысль, что, возможно, они служат частью некой фундаментальной системы, позволяющей организму противостоять любым "ударам судьбы" (см. табл.). Мы сфокусировали свое внимание на гене SIR2, разные варианты которого обнаружены во всех исследованных на сегодня организмах, от дрожжей до человека. Наличие большого количества копий такого гена сопровождается увеличением продолжительности жизни у столь разных живых существ, как дрожжи и дрозофила, и мы намереваемся выяснить, воздействуют ли они на более высокоорганизованных животных, например мышей.
Молчание - золото SIR2 был открыт в ходе поисков ответа на вопрос, почему некоторые дрожжевые клетки живут дольше других, и может ли какой-то один ген контролировать процесс старения у простейшего организма. Мысль о том, что, разобравшись с дрожжами-долгожителями, мы приблизимся к пониманию механизма старения человека, многим в то время представлялась абсурдной. Возраст дрожжевой клетки измеряется числом ее делений, которое обычно не превышает 20. Затем клетка погибает. Один из нас (Ленни Гайренте) занялся скринингом дрожжевых колоний в поисках клеток, которые делятся большее число раз, для того чтобы идентифицировать гены, наделяющие организм таким замечательным свойством. В результате поисков была выявлена мутация в гене SIR4, который кодирует один из компонентов сложного белкового комплекса, содержащего фермент Sir2. Мутация в гене SIR4 приводит к тому, что молекулы Sir2 концентрируются вблизи той области дрожжевого генома, где содержится необычайно много повторяющихся нуклеотидных последовательностей. Эта область, отвечающая за синтез компонентов рибосом - "клеточных фабрик" по сборке белков, носит название рибосомной ДНК (рДНК). В дрожжевом геноме содержится более 100 рДНК-повторов, которые клетке трудно поддерживать в неизменном состоянии. Дело в том, что повторяющиеся последовательности часто рекомбинируют друг с другом, и этот процесс имеет губительные последствия для организма. Так, у человека он причастен к возникновению рака и болезни Гентингтона. Результаты наших исследований дрожжевых клеток наводят на мысль, что старение материнских клеток сопряжено с нестабильностью рДНК. Подобная нестабильность носит совершенно особый характер. Претерпев несколько делений, материнская дрожжевая клетка вычленяет из своего генома избыточные рДНК-копии в виде кольцевых элементов. Внехромосомные рДНК-кольца (ERC, от англ. extrachromo-somal rDNA circles) реплицируются одновременно с хромосомой, но при клеточном делении остаются в ядре исходной клетки. Со временем их становится все больше, ресурсов клетки не хватает на репликацию геномной ДНК, и она погибает. Однако если в клетку ввести дополнительные копии гена SIR2, то образование ERC подавляется, а продолжительность жизни дрожжевой клетки увеличивается на 30%. Еще более эффективным стало введение SIR2-копий в клетки другого организма - круглого червя, который прожил вполовину больше положенного срока. Поразило нас не столько сходство реакции разных организмов, сколько тот факт, что данный феномен наблюдался у взрослого червя, чьи клетки уже не делятся, и у которого репликативный механизм старения, свойственный дрожжам, не действует. Как же в таком случае работает ген SIR2? Мы обнаружили, что данный ген кодирует фермент, обладающий совершенно необычными свойствами. Известно, что молекула ДНК в клетке находится в компактной форме: она намотана на множество гистоновых "шпулек". К гистонам присоединены химические метки, т.е. ацетильные группы, с помощью которых поддерживается нужная плотность упаковки. Если часть меток удалить, то ДНК наматывается на гистоновую сердцевину слишком туго, и ферменты, обеспечивающие вычленение из нее кольцевых рДНК, оказываются беспомощными. Участки ДНК в таком сверхплотном состоянии называются молчащими, потому что ни один из их генов не может быть активирован. О том, что белки Sir участвуют в поддержании генов в молчащем состоянии, было известно и раньше. Само сокращение "SIR" происходит от англ. silent information regulator (что можно перевести как "регулятор замалчивания информации"). Sir2 - один из ферментов, отщепляющий от гистонов ацетильные группы, но, как мы показали, он может работать только в присутствии никотинамидадениндинуклеотида (NAD), небольшой молекулы, участвующей во многих метаболических процессах в клетке. Сопряженность Sir2 c NAD весьма примечательна, поскольку тем самым протягивается ниточка от Sir2 к метаболизму, следовательно, к взаимосвязи характера питания и старения, наблюдаемой в условиях недостатка калорий. Обзор: увеличение продолжительности жизни
Чем меньше калорий, тем лучше Уменьшение количества калорий, потребляемых организмом, - самый известный способ продлить жизнь. Эта взаимосвязь была открыта более 70 лет назад и до сих пор не вызывает сомнений. Режим ограничения обычно заключается в уменьшении количества потребляемой пищи на 30-40% по сравнению с тем, что считается нормой для данного вида. Все животные (от крыс и мышей до собак и приматов) на такой диете не только живут дольше, но и отличаются отменным здоровьем. Уменьшается частота многих заболеваний, включая рак, диабет и нейродегенеративные расстройства. Однако репродуктивные способности при этом ослабевают. Долгое время считалось, что при малом количестве калорий метаболизм замедляется, и, следовательно, уменьшается количество образующихся при этом токсинов, побочных продуктов пищеварительного процесса. Сегодня такая точка зрения признана ошибочной. Низкокалорийная диета вовсе не замедляет метаболизм ни у млекопитающих, ни у низших организмов, напротив, происходит ускорение и изменение процесса обмена веществ. Мы полагаем, что дефицит калорий служит таким же биологическим фактором стресса, что и недостаток пищи, который включает защитные системы организма, мобилизуя их на борьбу за выживание. У млекопитающих при этом меняется эффективность работы клеточных систем репарации и производства энергии, отсрочивается апоптоз (запрограммированная гибель клеток). Намереваясь узнать, какова роль Sir2 в указанных изменениях, мы вначале попытались выяснить, как участвует этот белок в реакции на недостаток калорий у простейших организмов. Обнаружилось, что у дрожжей дефицит питательных веществ запускает два механизма, повышающих ферментативную активность Sir2. Во-первых, включается ген под названием PNC1, который кодирует фермент, расщепляющий никотинамид - низкомолекулярное вещество, в норме подавляющее активность Sir2. Во-вторых, активируется механизм получения энергии, при котором в качестве побочного продукта образуется NAD и одновременно уменьшается уровень его антагониста NADH. Последнее очень важно, поскольку, как выяснилось, происходит не только активация Sir2 под действием NAD, но и его инактивация под действием NADH. Следовательно, при изменении соотношения NAD/NADH в клетке существенно трансформируется и активность Sir2. С учетом всего, что мы знаем о связи между действием стресс-факторов на организм и активностью Sir2, можно задать естественный вопрос: служит ли наличие данного белка необходимым условием увеличения продолжительности жизни? Чтобы разобраться в этом, из организма дрозофилы был удален кодирующий его ген. Изучение последствий позволило ответить на вопрос положительно. А поскольку многие ткани насекомого имеют свои аналоги у млекопитающих, можно предположить, что и для них ответ будет таким же. Однако речь не идет о том, что для реализации всего потенциала Sir2 нужно садиться на жесточайшую диету. Активность рассматриваемого белка и его "родственников" (их общее название - Sirtuin) можно изменять с помощью модуляторов. Особенно интересен один из Sirtuin-активаторов - низкомолекулярное вещество под названием резвератрол, который содержится, например, в красных винах. В экстремальных условиях он вырабатывается многими растениями. Sirtuin-модуляторной активностью обладают также 18 других веществ, синтезируемых растениями в ответ на стресс. Не исключено, что все они используются для регуляции активности белка Sir2. Добавление резвератрола к низкокалорийной пище, его присутствие в культурной среде, где растут дрожжи, введение его в организм червей и дрозофил увеличивает продолжительность их жизни на 30%, правда, только в том случае, если у них присутствует ген Sir2. Более того, дрозофилы с гиперпродукцией Sir2 живут так долго, что ни резвератрол, ни дефицит калорий никакого дополнительного эффекта не дают. Проще всего объяснить это тем, что последние влияют на продолжительность жизни через активацию белка Sir2. Дрозофилы, получающие резвератрол, не только живут дольше, питаясь при этом вдоволь, но и сохраняют фертильность, которая часто утрачивается в условиях дефицита калорий. Если мы намереваемся в будущем использовать вещества, влияющие на активность Sir2, в медицине, то сначала необходимо детально разобраться в том, какую роль играет этот белок в организме млекопитающих.
Умеренный стресс увеличивает продолжительность жизни дрожжевых клеток на 30%, повышая активность фермента Sir2. Стресс-факторы действуют двумя путями, но оба они приводят к одинаковому результату - подавлению ингибитора белка Sir2. Гиперактивированный Sir2, в свою очередь, устраняет одну из форм нестабильности генома, которая приводит к тому, что число делений дрожжевого генома не превышает 20. Кольцевые рДНК, вырезанные из геномной ДНК, остаются в материнской клетке и реплицируются одновременно с ее хромосомой. После 15-20 делений их скапливается слишком много, материнская клетка не может поддерживать собственную репликацию и погибает. Заставляя уязвимую область генома скручиваться плотнее, Sir2 защищает ее от вырезания рДНК. Избыточные внехромосомные элементы не накапливаются в материнской ДНК, и она живет дольше. Главный дирижер Аналог дрожжевого SIR2-гена у млекопитающих - ген SIRT1. Он кодирует белок Sirt1, обладающий такой же ферментативной активностью, что и Sir2, кроме того, он катализирует деацетилирование широкого круга белков в ядре клетки и в цитоплазме. Некоторые из этих белков вовлечены в такие важные клеточные процессы, как апоптоз и метаболизм. Таким образом, роль генов семейства SIR как потенциальных генов долголетия распространяется и на млекопитающих. Правда, у столь сложных организмов механизм их действия гораздо сложнее. Исследователи обнаружили, что при повышении содержания белка Sirt1 в организме мышей и крыс некоторые клетки выживают в таких условиях, при которых обычно запускается программа апоптоза. Sirt1 действует при этом опосредованно через регуляцию активности белков p53, FoxO и Ku70, которые участвуют или в установлении некоего критического уровня для перехода к апоптозу, или же в активации систем клеточной репарации. Утрата клеток в результате апоптоза может быть одним из важных факторов старения, особенно когда речь идет о таких нерегенерируемых тканях, как сердечная мышца или мозг. Возможно, белки семейства Sirtuin воздействуют на процесс старения организма, отсрочивая апоптоз. Показательным примером способности белка Sirt1 повышать жизнестойкость клеток млекопитающих служит поведение мутантных мышей линии Wallerian. Особенность заключается в том, что в их организме происходит дупликация только одного гена, что значительно повышает способность их нейронов противостоять стрессу. Благодаря такой мутации, животные меньше подвержены токсическому действию химиотерапевтических препаратов, у них реже возникают инфаркт и нейродегенеративные расстройства в стрессовой обстановке. В 2004 г. Джеффри Милбрандт (Jeffrey D. Milbrandt) из Университета Вашингтона в г. Сент-Луисе доказал, что упомянутая мутация приводит к повышению активности фермента, катализирующего образование NAD, а это, в свою очередь, активирует белок Sirt1. Кроме того, он обнаружил, что резвератрол и аналогичные препараты оказывают такое же защитное действие на нейроны обычных мышей, как и дупликация гена у грызунов линии Wallerian. Недавно Кристиан Нери (Christian Neri) из Национального института здоровья и медицинских исследований во Франции обнаружил, что резвератрол и еще один модулятор, фисетин, предотвращают гибель нервных клеток у двух организмов - червей и мышей, которые использовались в качестве модельных систем для изучения болезни Гентингтона. В обоих случаях эффект наблюдался только при наличии активного Sirtuinгена. Механизм действия белков семейства Sirtuin на уровне индивидуальных клеток более или менее понятен. Но если кодирующие их гены имеют отношение к положительному эффекту, который дает дефицит калорий, то возникает вопрос: как именно влияет диета на их активность и, следовательно, на процесс старения? По данным Пере Пиксервера (Pere Puigserver) из Медицинской школы при Университете Джонса Хопкинса, в условиях дефицита калорий в клетках печени повышается уровень NAD, что приводит к увеличению активности белка Sirt1. Среди белков, на которые действует Sirt1, - один из важных факторов регуляции транскрипции PGC-1, оказывающий влияние на метаболизм глюкозы в клетке. Таким образом, Sirt1 одновременно определяет наличие питательных веществ и регулирует соответствующую реакцию печени. Подобные наблюдения позволяют предположить, что белок Sirt1 - один из ключевых регуляторов метаболических процессов в печени, мышцах и клетках жировой ткани, поскольку он отслеживает любые изменения в характере питания, реагируя на соотношение между NAD и NADH, и затем коренным образом изменяет профиль транскрипции генов в этих тканях. В рамках такой схемы становится понятно, каким образом Sirt1 координирует работу генов и метаболических путей, влияющих на продолжительность жизни организма. Однако действие Sirt1 на уровне целого организма не обязательно должно опосредоваться каким-то одним механизмом. Например, можно предположить, что "внутренний датчик" млекопитающих оценивает доступность питательных веществ по количеству энергии, запасенной в виде жиров. Жировые клетки секретируют гормоны, которые посылают сигналы другим клеткам, причем характер сигналов зависит от количества запасенных жиров. Возможно, при уменьшении жировых запасов в условиях дефицита калорий подается сигнал "Голод!", и организм включает защитные системы. С подобной гипотезой согласуется тот факт, что генетически модифицированные мыши, остающиеся худыми независимо от количества потребляемой пищи, как правило, живут дольше обычных особей. Мы предположили, что Sirt1 регулирует количество запасенных жиров в ответ на изменение характера питания. Возможно, белок чувствует подобные изменения, диктует организму, какое количество жиров он должен иметь в запасе, и тем самым предопределяет уровень гормонов, секретируемых жировыми клетками, что задает темп старения организма. В таком случае становится очевидной связь между старением и таким патологическим заболеванием, обусловленным изменениями метаболизма, как диабет второго типа. Белок Sirt1 также влияет на воспаление, сопровождающее такие серьезные заболевания, как артриты и артрозы, астма, сердечно-сосудистые патологии, нейродегенеративные расстройства. По данным Мартина Мэйо (Martin W. Mayo) из Вирджинского университета, Sirt1 подавляет активность белкового комплекса NF-кB, который участвует в запуске воспалительной реакции. Аналогичным действием обладает и Sirt1-модулятор резвератрол. Исследования важны по двум причинам: во-первых, уже давно ведутся поиски веществ, подавляющих активность NF-кB, а во-вторых, хорошо известно, что дефицит калорий подавляет воспалительные процессы.
Фермент Sirt1 ответствен за состояние здоровья и увеличение продолжительности жизни в условиях дефицита калорий у млекопитающих. Недостаток пищи и другие биологические стресс-факторы повышают активность Sirt1, а тот, в свою очередь, влияет на внутриклеточные процессы. Стимулируя выработку различных сигнальных молекул, например, инсулина, Sirt1 может регулировать ответ на стресс организма в целом. Действие этого фермента осуществляется через его влияние на другие белки. От обороны к активным действиям История борьбы человека со старением насчитывает не одну тысячу лет, и очень трудно поверить, что решить проблему может какая-то горстка генов. А между тем старение у млекопитающих можно замедлить, просто ограничив поступление калорий, и к данному процессу причастны гены семейства Sirtuin. Конечно, причин старения может быть очень много, а о его механизмах известно далеко не все, но на примере самых разных организмов мы однозначно показали, что старение можно замедлить, манипулируя ограниченным числом регуляторов. Белки семейства sirtuin в клетке Фермент Sirt1 - наиболее изученный белок семейства Sirtuin, но кроме него в клетках млекопитающих присутствуют и другие белки данного типа. Они локализуются в разных отделах клетки. Так, белок Sirt1, находящийся в ядре и цитоплазме, деацетилирует другие белки, изменяя их поведение. Многие из его мишеней - факторы транскрипции, активирующие гены, или белки, регулирующие работу этих факторов. Такая схема позволяет Sirt1 осуществлять контроль широкого спектра важных внутриклеточных процессов. Исследование роли других белков семейства Sirtuin и их способности влиять на продолжительность жизни организмов только начинается. Так, установлено, что Sirt2 модифицирует белок тубулин, из которого состоят микротрубочки, и может влиять на процесс деления клетки. Sirt3 влияет на выработку энергии в митохондриях и, по-видимому, принимает участие в регуляции температуры тела. Функции Sirt4 и Sirt5 пока неизвестны. Мутации в гене белка Sirt6 приводят к преждевременному старению. Некоторые мишени белка sirt1 Fox01, Fox03 и Fox04: факторы транскрипции генов, влияющих на работу защитных систем клетки и метаболизм глюкозы. Гистоны Н3, Н4 и Н1: участвуют в упаковке ДНК в хромосомах. Ku70: фактор транскрипции, способствующий репарации ДНК и делению клетки. МуоD: фактор транскрипции, способствующий формированию мышц и ликвидации повреждений тканей. NCoR: регулирует работу многих генов, в том числе, влияющих на метаболизм жиров, воспалительные процессы и функционирование других регуляторных белков, таких как PGC-1. NF-кB: фактор транскрипции, участвующий в регуляции воспалительной реакции, выживаемости клеток и их роста. P300: регуляторный белок, участвующий в ацетилировании гистонов. P53: фактор транскрипции, запускающий апоптоз поврежденных клеток. PGC-1: регулирует процесс дыхания клеток и, по-видимому, играет ключевую роль в развитии мышц.
В наших лабораториях проводятся эксперименты, которые позволят ответить на вопрос, контролируют ли гены этого семейства продолжительность жизни также и у млекопитающих. Вряд ли мы скоро узнаем, могут ли указанные гены продлить жизнь на десятилетия, так что те, кто хотел бы дожить до своего 130 летия, родились рановато. Но уже при жизни нынешних поколений будут найдены лекарственные вещества (модуляторы активности ферментов, кодируемых Sirtuin-генами), с помощью которых можно будет бороться с такими недугами, как болезнь Альцгеймера, диабет, нейродегенеративные расстройства и т.д. Некоторые модуляторы уже проходят клинические испытания. Если говорить о долгосрочной перспективе, то мы надеемся, что проникновение в тайны функционирования генов долголетия поможет справиться со старческими болезнями. Нам пока трудно представить себе жизнь сообщества, в котором 90-летние люди вполне здоровы и жизнеспособны. Многим кажутся несерьезными разговоры об увеличении продолжительности жизни с помощью неких манипуляций с генами. Вспомним, однако, что в начале ХХ в. средняя продолжительность жизни составляла всего 45 лет, а сегодня в развитых странах она достигает 75 лет. Возможно, будущим поколениям, для которых 100 лет жизни будут далеко не пределом, наши попытки сохранить трудоспособность в старости тоже покажутся жалкими стараниями малосведущих людей, но и эти усилия приносят свои плоды. Дэвид Синклер и Ленни Гайренте, "В МИРЕ НАУКИ" № 6-2006
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Дизайн и поддержка: Interface Ltd. |
|
Фермент sir2 и стресс
Если ген SIR2 действительно влияет на систему регуляции процессов старения, активируемую при стрессе, то его можно сравнить с главным дирижером оркестра, в котором "играют" такие маститые "музыканты", как гормональная система, внутриклеточные белки-регуляторы и различные гены, связанные с механизмом увядания организма. Недавно было сделано еще одно замечательное открытие: оказалось, что Sirt1 участвует в регуляции выработки инсулина и инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1), а эти молекулы, в свою очередь, регулируют производство Sirt1. Подобная "обратная связь" объясняет, как деятельность Sirt1 в одной ткани сказывается на клетках других тканей организма.
SIR2-гены имеют давнюю эволюционную историю, поскольку они присутствуют у самых разных ныне живущих организмов - дрожжей, паразитов Leishmania, круглых червей, дрозофилы и человека. Из всех перечисленных видов, кроме последнего, для которого пока просто нет данных, эти гены отвечают за продолжительность жизни.