В данном разделе мы рассматриваем открытия в области различных процессов старения, а также прогресс в развитии методов воздействия на них с целью радикального продления жизни человека.
Мы фокусируемся на фундаментальных исследованиях, посвященных механизмам старения, обозреваем успехи применения потенциальных антиэйджинговых терапий и технологий на модельных организмах и человеке, следим за деятельностью сообществ и компаний, целью которых является замедлить старение и продлить продолжительность жизни человека. Нас также интересуют методы профилактики и поворота вспять биологического старения, что напрямую связано с предотвращением развития возраст-зависимых заболеваний.
Cенесценция: ингибирование биосинтеза нуклеотидов как регулятор сенесценции.
Известно несколько механизмов индукции сенесценции, в том числе нарушение функции митохондрий, укорочение теломер, повреждение ДНК, оксидативный стресс. Регуляторы сенесценции, однако, могут отличаться в зависимости от типа клеток. В новом исследовании ученые из США показали, что сенесценция эпителиальных клеток молочной железы человека (HMECs) характеризуется ингибированием синтеза нуклеотидов (составляющих ДНК и РНК).
Подтвердив, что HMECs клетки культуры находятся в стадии репликативной сенесценции путем оценки активности β-gal, синтеза ДНК, экспрессии р16 и р21, морфологии клеток и других черт, ассоциированных с сенесценцией, ученые проанализировали метаболические изменения сенесцентных HMECs. Было показано, что эти клетки не отличаются гликолитическим сдвигом (аэробный гликолиз — когда клетка потребляет много глюкозы и образует лактат — отличительная черта раковых клеток), изменением метаболитов цикла Кребса или обмене аминокислот. Оценка же размера внутриклеточного пула 111 метаболитов показала, что в сенесцентных HMECs наблюдаются значительно пониженные значения метаболитов синтеза нуклеотидов (нуклеозид моно-/ди-/трифосфаты). Анализ потока метаболитов с помощью изотопической маркировки показал пониженное инкорпорирование углеводов глюкозы метаболитами пиримидинового синтеза, что подтвердило нарушение синтеза нуклеотидов в сенесцентных HMECs. Пониженная экспрессии генов, участвующих в биосинтезе диоксирибокуелкотидов (например, RRM2), также подтвердила, что снижение синтеза нуклеотидов — отличительная черта сенесцентных клеток.
Далее исследователи применили теломеразную обратную транскриптазу (hTERT) на клетках HMECs и проанализировали её эффект на сенесцентные клетки и их метаболизм. Было показано, что hTERT предупредила развитие сенесценции и ингибирование биосинтеза нуклеотидов в HMECs. Выдвинув гипотезу о том, что нарушение синтеза нуклеотидов — драйвер сенесценции HMECs, исследователи провели эксперименты по нокдауну и ингибированию RRM2 и показали, что этого достаточно для запуска сенесценции в HMECs и приводит к таким же метаболическим нарушением, как и “естественная” сенесценция. Таким образом, авторы делают выводы о снижении биосинтеза нуклеотидов как о критически важном регуляторе сенесценции в HMECs. Понимание процесса изменения метаболизма, сопровождающего сенесценцию, приближает нас к разработке терапевтических методов для борьбы со старением.
Сенесценция: фибраты в качестве сенолитиков.
Терапевтический потенциал сенолитиков для борьбы с остеоартритом уже тестируется в клинических исследованиях, в частности препарата UBX0101 компании Unity Biotechnology (подробнее здесь). В новом исследовании ученые идентифицировали фенофибрат, агонист рецептора PPARα, играющего важную роль в метаболизме жиров, как вещество, снижающее сенесценцию и повышающее аутофагию — повышение первого и дисфункция последнего наблюдается при дегенерации хрящевой ткани у больных с остеоартритом. Важно, что фенофибрат уже используется в клинической практике для лечения нарушений метаболизма жиров.
В начале ученые на культуре хондроцитов вызвали сенесценцию путем применения IL-6. Далее на этих клетках была проанализирована антисенесцентная эффективность препаратов, входящих в библиотеку Prestwick Chemical Library. Из 279 компонентов, показавших антисенесцентную активность, а 14 из них также увеличили активность аутофагии. Среди таких компонентов оказались модуляторы PPARα — рецептора, играющего роль в гомеостазе хондроцитов. Было показано, что агонисты PPARα селективно удаляют сенесцентные клетки, вызывая их апоптоз. Эксперименты с дополнительными культурами сенесцентных клеток подтвердили сенолитический эффект активации PPARα. Среди опробованных агонистов PPARα фенофибрат повысил активность аутофагии как при маленькой так и повышенной концентрации (10 и 50 μM соответственно). Применение же фенофибрата на эксплантах (кусочки ткани) хрящевой ткани предотвратило её деградацию в ответ на администрирование IL-6. В то же время фенофибрат не вызвал смерть нормальных хондроцитов. Было также показано, что фенофибрат увеличивает экспрессию PPARα, а в модельных животных моделях старения и остеоартрита наблюдается пониженная экспрессия этого рецептора. Более того, у людей с остеоартритом была показана такая же ситуация, а применение фибратов улучшило некоторые клинические показатели пациентов с остеоартритом колена.
Таким образом, активация PPARα запускает транскрипционную программу, улучшающую гомеостаз хондроцитов. Фенофибрат и другие лиганды PPARα предотвращают деградацию хрящевой ткани, выступая как сенолитики и активаторы аутофагии.
Сенесценция: астроциты как мишень для борьбы с нейродегенерацией.
Ранее мы писали о положительном эффекте удаления сенесцентных глиальных клеток для предотвращения Тау-зависимой нейродегенерации. В новом исследовании ученые показали важную роль сенесцентных астроцитов в развитии болезни Альцгеймера (БА) на модели мышей.
Сначала было показано, что астроциты мышей линии 5XFAD (модель БА) отличаются повышенной экспрессией маркеров сенесценции, таких как β-gal, р16, p19 и p21 по сравнению с контролем. Вместе с тем такие астроциты не могут эффективно поддерживать нейроны, о чем свидетельствуют более короткие отростки последних по сравнению с отростками нейронов, помещенных в культуру с астроцитами дикого типа. Подобный эффект можно избежать ингибированием пути NF-κB. Также было показано, что у сенесцентных астроцитов наблюдается повышенная экспрессия цитокина TGF-β1, а ингибирование путя TGF-β1-SMAD2/3 привела к снижению уровня экспрессии таких маркеров сенесценции как р16 и IL-6.
Таким образом, скопление амилоидных бляшек может вызывать сенесценцию астроцитов посредством активации пути TGF-β1. Вероятно, методы подавления сенесценции астроцитов или их удаление могут стать обнадеживающими терапевтическими подходами для борьбы с БА и нейродегенерацией.
Эпигенетика: эпигенетический откат для борьбы со старением на примере клеток нервной системы.
Ранее мы писали об успешном эксперименте по применению временного эпигенетического отката (или перепрограммирования) на старых клетках человека, и как этот метод обладает потенциалом для омоложения тканей. В конце июля же был опубликован препринт статьи с результатами исследования по эпигенетическому перепрограммированию клеток глаза мышей с помощью трех факторов Яманаки, Oct4, Sox2 и Klf4 — OSK в отсутствии c-Myc в виду способности этого онкогена сокращать ПЖ.
Важным вопросом в биологии старения является выделение драйверов старения. Непонятно, например, являются ли изменения в метилировании ДНК, наблюдаемые с возрастом (служащие в качестве эпигенетических часов), драйвером или следствием старения. В своем исследовании для того, чтобы проверить, являются ли эпигенетические изменения одной из причин старения, ученые сначала применили OSK на фибробластах старых мышей, показав, что это приводит к омоложению паттерна экспрессии генов. Далее исследователи опробовали периодическую экспрессию OSK in vivo на мышах с помощью вирусного вектора AAV на протяжении года и не наблюдали никаких побочных эффектов. Для оценки эффективности экспрессии OSK для восстановления регенеративной способности клеток сетчатки, ученые применили модели повреждения оптического нерва мышей. В итоге применение OSK привело к аксональной регенерации после травмы. Важно, что сама травма привела к возраст-ассоциированному изменению в паттерне метилирования ДНК, а экспрессия OSK скорректировала этот эффект. Было подтверждено, что омоложения паттерна метилирования ДНК удалось достичь путем апрегуляции ДНК-деметилаз Tet1 и Tet2. На клетках человека было показано, что способность OSK перепрограммировать нейроны и способствовать росту аксонов сохранена между видами. Исследователи назвали этот процесс REVIVER (recovery of information via epigenetic reprogramming). На мышиной же модели глаукомы также как и на мышах с возраст-ассоциированной потерей зрения было показано, что экспрессия OSK восстанавливает зрение.
Таким образом, омоложение клеток путем сбрасывания возраст-ассоциированного паттерна метилирования ДНК — обнадеживающая стратегия не только для восстановления зрения после повреждения, но и и для омоложения клеток для борьбы с возраст-зависимыми нарушениями.
Эпигенетика: дефекты в структуре хроматина увеличивают ПЖ нескольких видов животных.
Геном эукариотов компактно упакован в ядре клетки — ДНК намотана на нуклеосомы, состоящие из белков под названием гистоны. Нормальная функция генов в большой степени зависит от правильной динамики формирования нуклеосом и соответствующей организации структур над ними — хроматина, т.к. ими определяется доступность генов для их экспрессии. Изменения в модификации гистонов и пониженный уровень этих белков с возрастом — отличительные черты старения. В новом исследовании ученые попытались выяснить связь между уровнем экспрессии гистонов и ПЖ почкующихся дрожжей.
Сначала ученые оценили влияние разного уровня экспрессии гистонов H3 и H4 на ПЖ дрожжей, варьируя концентрацию матричной РНК с помощью генетического инжиниринга. Было показано, что уменьшение экспрессии гистонов до 85% от экспрессии в линии дрожжей дикого типа (htf1Δ) привела к значительному увеличению ПЖ, в то время как сокращение экспрессии до 15% сократило ПЖ. Далее было показано, что делеции генов, кодирующих гистоны, меняют структуру хроматина, делая её более открытой. В то же время в зависимости от того, какая конкретно копия гена удалена, изменения в транскриптоме и ПЖ дрожжей варьируется. Ученые также показали, что увеличенная ПЖ htf1Δ объясняется ингибированием сигнального пути TOR (тот же механизм наблюдается при ограничении калорий). Дальнейший анализ показал, что сокращение уровня гистонов вызывает отличительный от уже известных видов стресса, который получил название архитектурный дефект хроматина (chromatin architectural defect — CAD). А на различных модельных организмах было показано, что снижение уровня экспрессии генов, кодирующих гистоны, вызывает CAD, что ведет к ингибированию TOR, т.е. этот механизм эволюционно сохранен и может стать мишенью для анти-эйджинговых интервенций.
mTOR: новый более безопасный аналог рапамицина.
Рапамицин, ингибитор mTORC1, известен своей способностью увеличивать ПЖ и отодвигать наступление ВЗЗ у модельных организмов, включая млекопитающих. Однако, из-за нецелевого воздействия этого препарата и его аналогов (рапалогов) на второй комплекс mTOR (mTORC2) существует вероятность метаболических и иммунных побочных эффектов его применения. В новом исследовании был определен новый аналог рапамицина DL001 как в 40 раз более специфичный ингибитор mTORC1, не продемонстрировавший побочных эффектов со стороны метаболизма жиров и иммунной системы.
Для выявления аналога рапамицина, который бы ингибировал исключительно mTORC1, исследователи протестировали 90 компонентов на культуре клеток В итоге они сосредоточились на DL001 как на селективном ингибиторе mTORC1. Эффект DL001 был подтвержден на нескольких линиях клеток мышей и человека. Далее для подтверждения действия DL001 in vivo препарат был администрирован мышам на протяжении 20 дней. Ингибирование mTORC1 удалось достичь в 9 тканях из 11 протестированных (не в желудке и селезенке, где эффективность рапамицина также ограничена). Ингибирование же mTORC2 во всех тканях было намного ниже по сравнению с использованием рапамицина. Далее администрирование DL001 мышам на протяжении 5 недель для сравнения побочных эффектов рапамицина и DL001 показало, что последний в отличие от первого не вызывает нарушение гликемического контроля, повышение уровня холестерина, триглицеридов или свободных жирных кислот, почти не влияет на размер популяции нескольких видов Т-лимфоцитов. Эффективность DL001 была также подтверждена на модели редкого генетического заболевания, туберозного склероза, характеризующегося гиперактивностью mTORC1. Таком образом, DL001 является более безопасным аналогом рапамицина и рапалогов и обладает потенциалом для борьбы со старением.
Стволовые клетки: механизмы старения и определение Notum как мишени для интервенций.
Старение приводит к ухудшению способности тканей обновляться и регенерировать. Это связывают в том числе с истощением пула стволовых клеток. В новом исследовании ученые сосредоточились на механизмах старения клеток кишечного эпителия и показали, что с возрастом регенеративный потенциал этой ткани снижается из-за дефектов как самих стволовых клеток так и их пула.
С возрастом наблюдается увеличение числа нарушений в функции пищеварительной системы несмотря на отличительную способность кишечного эпителия обновляться. Для понимания механизмов за этим стоящих исследователи изначально оценили способность стволовых клеток кишечника (ISC), взятых у людей и мышей разного возраста, образовывать органоиды. Было показано, что клетки, взятые у молодых доноров, формировали большее число органоидов. Далее анализ клеточного состава показал, что ткани старых доноров характеризуются большим количеством клеток Панета (клетки антибактериальной защиты) и пониженным числом ISC. Клетки ISC молодых доноров формировали органоиды эффективнее, чем старых. В то же время помещение старых ISC с молодыми клетками Панета (в отличие от со-культуры со старыми) улучшила способность первых формировать органоиды. Транскриптомный анализ старых клеток Панета выявил ряд генов с нарушенной экспрессией, включая повышенную экспрессию ингибитора Wnt известного как Notum. А в старых ISC клетках соответственно наблюдалась пониженная экспрессия генов, участвующих в ответе на воздействие Wnt. Старые ISC также характеризовались повышенной экспрессией генов mTORC1. Применение же рапамицина восстановило регенеративную способность клеток кишечного эпителия, также как и нокаут или фармакологическое ингибирование Notum с помощью молекулы ABC99.
Таким образом, снижая активность Notum, тем самым повышая активность Wnt в старых стволовых клетках кишечника, вероятно, удастся справиться с возраст-ассоциированными расстройствами желудочно-кишечного тракта.
Стволовые клетки: роль транскрипционного фактора Slug в их старении.
В прошлом месяце мы писали о роли транскрипционного фактора Slug в поддержании пула стволовых клеток мышц. В новом исследовании ученые разбирались, какую роль Slug/Snai2 играет в функционировании клеток эпителия молочных желез. Было показано, что Slug запускает программу починки повреждения ДНК.
При неспособности клетки починить повреждения ДНК запускаются механизмы безопасности (апоптоз, сенесценция или дифференциация) для предотвращения злокачественных образований. Такие механизмы особенно важны для поддержания регенеративного пула стволовых клеток для предотвращения передачи опасных мутаций их потомству. Однако, активация подобных механизмов в стволовых клетках — составляющая черта функционального нарушения, связанного с возрастом, ввиду, например, истощения пула стволовых клеток. Поэтому, понимая механизмы контроля этих так называемых точек проверки повреждений ДНК (DDR checkpoints), нам, вероятно, удастся манипулировать ими во избежании возраст-ассоциированной деградации тканей.
Изначально ученые охарактеризовали клеточные и молекулярные изменения клеток эпителия молочных желез, связанные со старением, на примере клеток мышей дикого типа. Было показано, что старый эпителий молочных желез характеризуется пониженным числом маммарных юнитов репопуляции (mammary repopulating units), что, по-видимости, связано с уменьшением размера молочных протоков с возрастом. Далее сравнение транскриптома молодых и старых клеток показал, что базальные клетки протоков характеризуются экспрессией генов клеток люминальной выстилки протоков (нарушение идентификации, а, соответственно, и функциональности клеток), а также генов геномного и белкового стресса. Сравнение же экспрессии генов маммарных клеток c репрессией активности Slug с транскриптомом клеток разного возраста показал, что первые почти идентичны по своим молекулярным признакам старым клеткам, включая повышенный уровень повреждения ДНК. Ряд последующих экспериментов показал, что Slug необходим для эффективной починки повреждений ДНК, что, однако, не зависит от его активности как фактора транскрипции. Важно, что повреждения ДНК (двухцепочечный разрыв — DSB) приводят не к повышенной экспрессии Slug, а к стабилизации этого белка путем активации киназы ATM, распознающей DSB. Таком образом, DSB приводит к активации ATM, которая стабилизирует Slug через Sirt2, который, в свою очередь, активирует комплекс белков, участвующих в процессах починки ДНК, следующих за резекцией (этап в починке DSB). Было продемонстрировано, что Slug также необходим для починки одноцепочечных разрывов ДНК (при репликативном стрессе).
Таком образом, в дополнение к уже известной роли Slug в качестве фактора транскрипции добавилась еще и его роль как регулятора ДНК повреждений. Дополнительные исследования покажут, какие молекулярные сети ответственны за эти две функции Slug и, помогут разобраться в том, как наиболее эффективно манипулировать Slug для поддержания пула стволовых клеток.
Теломеры: способность предсказывать ПЖ.
Несмотря на важную роль теломер в старении, непонятно насколько их длина влияет на ПЖ разных видов. В новом исследовании ученые показали, что ПЖ вида не ассоциирована с изначальной длиной теломер, но коррелирует со скоростью их укорочения.
Исследователи измерили длину теломер мононуклеарных клеток крови, взятых у птиц и млекопитающих разных видов со значительно варьирующейся ПЖ и размером тела, включая мышь, оленя, фламинго, дельфина и слона. Далее был проведен расчет скорости укорочения теломер клеток каждого вида за год. Было показано, что по изначальной длине теломер невозможно предсказать ПЖ вида. Более того, наметился тренд более короткой ПЖ у видов с изначально более длинными теломерами. Исследователи также показали, что смерть вида наступает при укорочении теломер на 50-75% от изначальной длины. Скорость укорочения теломер сильно коррелировала с ПЖ вида. Например, у человека как одного из долгоживущих видов скорость укорочения теломер составляет 70 пар нуклеотидов в год, а у мыши как у короткоживущего млекопитающего — 7000 пар в год. Скорость укорочения теломер (также как и ПЖ) коррелирует с размером тела животных и скоростью сердцебиения (обратная корреляция). Факт того, что скорость укорочения теломер является надежным предиктором ПЖ вида говорит о том, что клеточные процессы, запускаемые критически короткими теломерами (например, сенесценция) являются важными факторами, определяющими долголетие животного. Вероятно, стратегии, направленные на увеличение длины теломер в определенном возрасте или устранение факторов, приводящих к их укорочению (например, ультрафиолета или оксидативного стресса) смогут увеличить ПЖ человека.
Омоложение кожи: механизмы регенерации.
Появление морщин и фотостарение кожи — часто первый повод задуматься о собственном старении для многих людей. На рынке косметических средств уже присутствует целый ряд средств с маркировкой “антивозрастное”. Однако, эффективность большинства из них сомнительна. Компонентом же с доказанной эффективностью является ретиноевая кислота (RA) — метаболит витамина А, содержащаяся в некоторых средствах для топического нанесения и являющаяся регулятором функции стволовых клеток. Еще одним методом омоложения кожи является применение лазера. До сих пор неясно было, какие механизмы стоят за регенерацией кожи после травмы или же повреждения лазером. В новом исследовании было показано, что в основе этого процесса лежит запуск синтеза RA в результате активации рецептора TLR3 двухцепочечными РНК (dsRNA). Этот путь ранее был известен своей ролью в противовирусном ответе.
В первой части экспериментов 17 испытуемых (женщины, средний возраст — 55 лет) прошли лечение лазером, после чего спустя 1 неделю у них были взяты образцы кожи для анализа разницы в экспрессии генов. В результате применения лазера была отмечена повышенная экспрессия dsRNA-лиганд TLR3 и ферментов, участвующих в синтезе RA. Далее ученые сравнили транскриптом и протеом обычных кератиноцитов (клетки эпидермиса кожи) с клетками под воздействием dsRNA или RA. В результате оба воздействия привели к схожим изменениям в экспрессии генов, многие их которых участвуют в дифференциации кератиноцитов. Дальнейшие эксперименты показали, что dsRNA путем воздействия на TLR3 запускают процесс конвертации ретиналя в RA засчет повышенной экспрессии соответствующих ферментов. Эти результаты были подтверждены in vivo на модели мышей с неогенезом волосяных фолликул, вызванном раной (wound-induced hair neogenesis — WIHN). На образцах кожи людей, прошедших процедуру лечения лазером было показано, что синтез RA повышен по сравнению с контролем. Полученные данные говорят о потенциальном успехе комбинированной терапии агонистами TLR3 и RA для регенерации кожи после травмы, ожога и борьбе с фотостарением.
Омоложение кожи: запуск клинического исследования.
В июле был объявлен запуск плацебо-контролируемого 12-недельного клинического исследования по оценке анти-эйджинговой эффективности топического средства для кожи с признаками фотостарения. Препарат под кодовым названием RGR-003 был разработан тремя компаниями, Regenerage International, IIMET, и Bioquark Inc, и будет опробован на 10 испытуемых. По заявлению представителя Bioquark Inc комбинаторные биопродукты наподобие RGR-003 — следующий шаг валидации их стратегии по разработке средств способных перепрограммировать и ремоделировать ткани человека in vivo. Будем следить за результатами исследования.
Автор обзора: Лариса Шелоухова.
Перепечатка разрешается при сохранении ссылок на источник публикации.
