Как мы стареем: связь митохондриальной ДНК и возраста организма

О том, чем обусловлен процесс старения, есть множество разных предположений, включая гипотезы, связанные с ошибками в репарации повреждений ДНК (устранение ошибок в ее структуре). С момента нашего зачатия и до смерти в нас накапливается множество соматических (в отдельных клетках организма, не принадлежащих к репродуктивной системе) мутаций: как замещений отдельных нуклеотидов в ДНК, так и более крупных изменений ДНК, например делеций — хромосомных перестроек, при которых происходит потеря целого участка хромосомы. Это происходит в связи с огромным числом делений клеток и необходимым для них таким же числом редупликаций ДНК.

Митохондрия, вырабатывая подавляющее количество аденозинтрифосфата (АТФ) в процессе окислительного фосфорилирования, — основная энергетическая подстанция клетки. В митохондриальной ДНК (мтДНК), как было показано еще в XX веке, концы наиболее частых делеций чаще всего совпадают с так называемым общим повтором (common repeat). Наличие общего повтора в мтДНК, его удлинение, а также влияние ядерной наследственности на процесс спаривания отдельных двух плеч общего повтора в конечном итоге влияют на митохондриальную нестабильность и недостаточность митохондриальной функции. Это, например, в случае болезни Паркинсона, приводит к утрате в престарелом возрасте практически всех дофаминэргических нейронов из черной субстанции головного мозга (до 80 % и более) и в итоге к инвалидности и общему сокращению продолжительности жизни. Однако соматические мутации в отдельных нуклеотидах мтДНК по большому счету не играют никакой роли из-за того, что в клетке мтДНК представлена огромным количеством копий по сравнению с ядерными ДНК (нДНК). «Человеческие соматические клетки обычно являются диплоидными и содержат две копии нДНК, в то время как мтДНК находится в ста копиях минимум. То есть на клетку митохондриальная ДНК представлена по меньшей мере сто раз», — поясняет старший научный сотрудник ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» кандидат биологических наук Константин Владимирович Гунбин. 

Старея, мы накапливаем множество различных как однонуклеотидных, так и крупных делеционных повреждений в мтДНК. Важно, что внутри себя клетка, особенно старая клетка, не может распознать, какие митохондрии содержат цельную мтДНК, а какие — только ее укороченный (делетированный) фрагмент. Митохондрии с укороченной мтДНК (в особенности, когда делетируется фрагмент мтДНК, не содержащий последовательностей нуклеотидов, связанных с редупликацией и транскрипцией самой мтДНК) размножаются в клетке быстрее своих нормальных собратьев. В итоге митохондрий с делетированной мтДНК (и в конечном случае отдельных укороченных мтДНК) с возрастом становится всё больше и больше, что несет организму в целом значительный вред. Иными словами, клетки старого организма чаще всего содержат в обилии поврежденные митохондрии с частично делетированной мтДНК.

Из-за того, что митохондрия — основная энергетическая подстанция клетки, поломки в молекулах мтДНК являются решающими для энергетического баланса организма в целом. Перед началом синтеза ядерной ДНК (в поздней G1 фазе клеточного цикла) митохондрии обычно сливаются в единое целое, чтобы эффективно продуцировать АТФ. Однако после этого, в момент клеточного деления, они должны распасться на отдельные единицы, для того чтобы во время разрыва цитоплазмы клеток в митозе содержимое слившихся митохондрий не вылилось вовнутрь дочерних клеток. 

«Существует специальный молекулярный механизм специфического разделения митохондрий. Его повреждение приводит к тому, что неразделенные митохондрии просто разрываются, и их содержимое оказывается внутри клетки. Происходит воспаление внутри клетки, запуск процесса самоубийства клеток (апоптоз), и, как следствие, это ведет к повреждению тканей. Уровень критичности процесса разделения митохондрий зависит от того, каково число слившихся митохондрий на предшествующей фазе. Это, в свою очередь, зависит от глубины функциональной специализации клетки, то есть ее дифференцировки. Обычно чем более дифференцирована клетка, тем больше ей требуется энергии и тем чаще митохондрии сливаются в клеточном цикле», — объясняет Константин Гунбин. 

С возрастом в каждой соматической клетке увеличивается доля делетированных мтДНК, кроме того накапливаются и мтДНК, содержащие поврежденные гены из-за однонуклеотидных мутаций (которые, например, кодируют мутированные белки, имеющие сниженную функциональную активность). В итоге это приводит к снижению способности клеток генерировать энергию, то есть происходит снижение их функции. Такой энергетический кризис ведет к клеточной гибели, или клетки могут переродиться в раковые, переходя в своем энергетическом метаболизме с окислительного фосфорилирования на гликолиз и теряя свою тканевую идентичность, то есть дедифференцируясь. 

В настоящее время есть одна лидирующая теория причин старения. Основные стимулы старения связывают с изменениями эпигенетического ландшафта — очень сложной молекулярной машины контроля работы генов, обуславливающих изменения в наборе ограниченных устойчивых путей развития как клеток (превращение в дифференцированные или, наоборот, в недифференцированные стволовые клетки), так и организма в целом. «Процесс определения пола у некоторых рыб связан с накоплением их массы и старением, так же как и формы листьев некоторых однолетних растений», — говорит ученый.

С возрастом происходят случайные потери или приобретения метилирования отдельных генов и их частей в дифференцированных клетках — химической модификации молекулы ДНК без изменения самой ее нуклеотидной последовательности. Например, со временем в некоторых генах клетки медленно теряют из ДНК свои островки метилирования. Такие островки — маркеры репрессированного хроматина. Это вещество хромосом, представляющее собой комплекс ДНК, РНК и белков, которое предотвращает неположенную в дифференцированных клетках работу некоторых генов. «Подобные возрастные изменения связаны с дедифференцировкой клеток в организме — процессом, в результате которого клетки постепенно теряют свою специализацию, то есть приобретенные в процессе эмбрионального развития химические, морфологические и функциональные особенности. Клетки утрачивают понимание того, что относятся к печени, а не к какому-либо другому органу», — поясняет Константин Гунбин. Утрата этих маркеров специализации клетки приводит к рассогласованию в работе генов в клетке и в итоге к увеличению количества повреждений ДНК и другим дегенеративным изменениям.

За первые десять лет жизни у человека в ядерной ДНК накапливаются четкие островки (пики метилирования). То есть одни ее участки будут метилированы, а другие — нет. Внутри метилированных участков хромосом экспрессия генов (процесс, когда наследственная информация от гена преобразуется в РНК или белок) не производится. И таким образом поддерживается очень четкая дифференцировка клеток. Напротив, те клетки, которые постоянно должны делиться в нашем организме, имеют сниженное количество пиков метилирования ДНК / эпигенетического ландшафта. Это сохраняется примерно до 25—30-лет. Далее с возрастом происходят только дегенеративные изменения: размывание, утрата четких островков (пиков метилирования). «Эти дегенеративные изменения практически не зависят от количества клеточных делений. Они — таймер, который тикает в нашем организме, — говорит ученый. — Когда человек молод, его эпигенетический ландшафт можно представить как Гималаи, а когда стар — как Уральские горы: пиков метилирования практически нет». Эпигенетические часы могут предсказать развитие определенного списка возрастных болезней, а использование участков ДНК, на которых с течением времени появляются или исчезают метильные метки (эпигенетические маркеры), — один из самых точных способов подсчитать свой биологический возраст. В настоящий момент связь эпигенетических изменений со старением наиболее статистически достоверна, а также подтверждена на разных группах людей. 

«В этом году на основе анализа всех имеющихся в свободном доступе мтДНК человека как из здоровых, так и из раковых тканей, и проведенной реконструкции детального генеалогического дерева мтДНК людей нами было показано отчетливое различие между спектром фиксирующихся мутаций мтДНК в соматических тканях с возрастом и спектром мутаций мтДНК в генеративных тканях», — говорит Константин Гунбин. «Это позволило обнаружить еще один отчетливый маркер старения — асимметрические мутации (к примеру, отношение частот A>G / T>C) в разных цепях мтДНК, а также указать на химические повреждения мтДНК в соматических клетках как на основной фактор, связанной со старением деградации мтДНК», — поясняет Константин Гунбин. Важно, что химические повреждения мтДНК обычно связаны с разбалансировкой системы устранения повреждений ДНК, что, в свою очередь, связано с изменениями эпигенетического ландшафта клеток с возрастом.

С помощью методов специфического, например бисульфитного, секвенирования (определения нуклеотидной последовательности ДНК и РНК) можно определить процент метилированных или деметилированных групп в определенных частях генома в клетках определенной ткани. Это дает возможность сказать, насколько сильно постарела та или иная хорошо исследованная в этом плане ткань. Сейчас уже существуют специальные коммерческие продукты, позволяющие узнать скорость старения внутренних органов или всего организма в целом. Например, уже сегодня реально сделать такой анализ, взяв образец ДНК с внутренней стороны щеки, а после выявить уровень метилирования определенных генов. «Проведенное нами исследование мутационных спектров мтДНК позволяет расширить число тканей, для которых можно узнать биологический возраст. По сути, сейчас это можно сделать для любой ткани: как с постоянно делящимися (клетки крови, ткани), так и с неделящимися (мышечная ткань и нейроны) клетками», — говорит Константин Гунбин.

Теоретически продлить жизнь на относительно небольшой промежуток (максимум пять лет) возможно с помощью метода направленного мутирования одного из плеч общего повтора в митохондриальной ДНК у пожилых людей. Также это позволит существенно улучшить эффективность борьбы с болезнью Паркинсона. «Вдобавок если бы за счет деградации мембран митохондрий посредством индукции мутаций в ключевых генах, кодируемых в мтДНК, мы могли инициировать, например, для предраковых клеток апоптоз (процесс программируемой клеточной гибели), то это очень значительно бы увеличило продолжительность жизни. Все те клетки, которые неправильно функционируют в старом организме, уничтожились бы. Человек смог бы омолодиться даже в 80-летнем возрасте. Это вполне достижимо, однако требует большого количества времени и денег для дополнительных исследований в области целевого (таргетного) мутирования мтДНК», — говорит Константин Гунбин.

На данный момент основной вектор в борьбе со старением направлен на предотвращение или компенсацию крупных изменений, предрасположенности к ранним возрастным изменениям. Они возникают из-за того, что у человека уже при рождении есть какие-то генетические аберрации (прежде всего, мутации, которые изменяют структуру хромосом) — проблемы в системе репарации ДНК или наличие удлиненного общего повтора в мтДНК.

Анастасия Федотова

Фото из открытых источников