Спасти рядового дрозофилу

Представьте себе, что все величайшие врачи, ветеринары и ученые мира собрались вместе и получили неограниченные ресурсы на решение одной задачи: помочь маленькому хомячку прожить максимально долго. Комбинируем все: лучшие условия жизни, диету, лекарства, пересадку любых поврежденных тканей или органов от молодых клонов-доноров, самые полезные мутации, внесённые еще до рождения, все мыслимые достижения научно-технического прогресса. Сколько бы прожил такой хомячку? Увы, у нас нет ответа на этот вопрос. Хотя мы знаем, что отдельные мутации, диеты и генные терапии способны продлевать жизнь грызунов на десятки процентов. А вот комбинировать разные методы борьбы со старением и смертью – идея интересная, но технически сложная и затратная.

И все же мы знаем, что старение связано с широким спектром неблагоприятных процессов, действующих в совокупности. Вспомним их вместе?

1. Перед делением клеток ДНК удваивается, но при этом укорачиваются кончики хромосом – теломеры;

2. Копирование ДНК происходит не без ошибок. Накапливаются мутации, которые могут впоследствии приводить к различным нарушениям, включая неконтролируемое деление клеток (рак);

3. Повреждения ДНК могут возникать и из-за других факторов: активные формы кислорода, ионизирующее излучение, некоторые вирусы и мобильные (скачущие) генетические элементы;

4. Белки, находящиеся в клетках, могут неправильно сворачиваться или повреждаться и накапливаться в виде своеобразного мусора, мешающего нормальной жизнедеятельности;

5. Клетки организма разной специализации (мышечные, нервные, эпителиальные и так далее) имеют одинаковую ДНК, но в них активны разные гены. Эти отличия “программируется” в том числе особыми метками на ДНК. С возрастом важные метки могут исчезать, а неправильные накапливаться, нарушая функции клеток;

6. Накопление повреждений митохондрий и других органелл внутри клеток;

7. Износ соединительной ткани;

8. Воспалительные процессы, порождающие новые воспалительные процессы.

9. Гибель клеток трудновосполнимых типов;

10. И многое другое.

В общем, старение — это очень сложно.

На некоторые из механизмов старения животных мы уже умеем влиять. Например, генная терапия позволяет достраивать теломеры до нужной длины. Активаторы аутофагии могут способствовать “перевариванию мусора”. Лекарства-сенолитики помогают избавляться от старых клеток, которые могут вызывать воспаления или превращаться в раковые. Известны мутации и гены, уменьшающие окислительный стресс или повреждения ДНК.

Но даже если один из механизмов старения подавлен, это не отменяет все остальные. Отсюда идея: что, если ударить по разным механизмам старения одновременно? Будет ли эффект таких воздействий суммироваться, а если будет, то как? Может быть, эффект окажется больше, чем простая сумма слагаемых? Как взаимодействуют между собой разные гены, связанные со старением? Какие факторы старения самые важные сейчас, а какие вышли бы на первый план, если бы организм жил дольше?

Этими вопросами заинтересовались ученые в рамках проекта Open Longevity. Они придумали серию экспериментов, правда, не на грызунах, а на мушках, в рамках которых предполагается комбинировать разные мутации, связанные с долголетием. Дрозофилы – удобный и информативный модельный объект для изучения старения. Многие из уже открытых генов и метаболических путей, связанных с долголетием, похожи у человека и других животных, включая мух. При этом дрозофилы быстро размножаются, их дешево содержать, а опыты по изучению факторов, влияющих на их продолжительность жизни, ведутся уже более сотни лет [1].

Действительно, у дрозофил известен целый ряд генов, выключение или изменение активности которых может продлевать организму жизнь, причем благодаря совершенно разным механизмам.

Ген chico кодирует белок, связывающийся с рецепторами инсулина. Мутации в этом гене могут продлевать жизнь мушкам в 1.5 раза [2]. Инсулин является сигналом для клеток о поступлении пищи. Чем меньше активация рецепторов инсулина, тем клетка более склонна находиться в состоянии “подготовки к неблагоприятным условиям”: запускаются процессы внутриклеточного переваривания “мусора”, активируется синтез белков, защищающих от повреждений ДНК и не только.

Выключение или подавление гена puc (puckered) у дрозофил приводит к увеличению продолжительности жизни по другому механизму. Через активацию особого сигнального пути, защищающего клетку от окислительного стресса [3].

Ген Indy (расшифровывается как I'm not dead yet) кодирует белок, участвующий в клеточном метаболизме. Мутации в этом гене продлевают жизнь [4], имитируя некоторые из эффектов ограничения калорий (само ограничение работает на мышах, круглых червях и на многих других животных, хоть и не на всех модельных организмах).

Мутации в гене E(z) влияют на продолжительность жизни мух через эпигенетический механизм [5]. Продуктом гена является фермент, который приделывает метки к гистонам – белкам, участвующим в компактной упаковке ДНК. Эти метки влияют на работу целого ряда других генов. В частности, подавляют активность гена, усиливающего устойчивость клеток к окислительному стрессу.

Я перечислил примеры генов, снижение активности которых приводит к продлению жизни мух. Но есть и множество генов, активность которых, наоборот, стоило бы подстегнуть. Наверное, самый интересный из них – ген dFOXO [6]. Важность этого гена наглядней продемонстрировать на примере гидры. Эти кишечнополостные не стареют, то есть с возрастом вероятность их смерти не растет [7]. Но стоит выключить их ген FOXO (родственный мушиному) — и это правило отменяется [8]. Родственные аналоги этого гена задействованы в старении самых разных животных, от круглых червей до человека. У нашего вида есть мутация в гене FOXO3a, которая намного чаще встречается у сверхдолгожителей, чем в среднем по населению [9].

В свое время ген FOXO произвел на меня такое впечатление, что я упомянул о нем в своей фантастической повести “Гарвардский Некромант”. В книге ученые пытаются продлить жизни мышей, вставляя им человеческую версию гена FOXO3a от сверхдолгожителей. Но в итоге случайно открывают магические свойства принесенных в жертву “гуманизированных” (очеловеченных нашими генами) животных.

Гены семейства FOXO – это гены транскрипционных факторов, белков, связывающих ДНК и регулирующих работу других генов. У ряда организмов FOXO активируются в ответ на голодание и в свою очередь усиливают синтез белков, защищающих ДНК от повреждений. Поэтому так интересно посмотреть, как активация этого гена взаимодействует с другими механизмами, влияющими на долголетие.

Чтобы выключить ген, достаточно его удалить или сломать с помощью мутации. А как усилить активность того или иного гена? Сегодня специалисты научились это делать очень точечно и массово.

Существует белок, который называется Cas9 — это специфичные молекулярные ножницы, которые могут разрезать ДНК со строго определенной последовательностью нуклеотидов (букв ATGC). Последовательность для узнавания задается специальной “наводящей” молекулой, которую можно спроектировать произвольным образом. Получается что-то похожее на “поиск с заменой” в современных текстовых редакторах, но только для генов и других участков ДНК.

Ножницы режут, но с помощью отдельной мутации в гене, который кодирует белок Cas9, их можно “затупить”. Полученный дефективный dCas9 белок по-прежнему узнает и связывает нужный участок ДНК, но разрезать уже не может. Из инструмента для разрезания ДНК он стал инструментом для прилипания к ДНК.

К такому dCas9 белку приделываются другие белки, способные активировать (или наоборот, подавить) работу целевого гена [10]. Например, гена dFOXO в клетках дрозофилы. Причем dCas9 белку можно дать не одну, а несколько “наводящих” молекул, чтобы нацелить его сразу на несколько генов. Даже более того: можно сделать так, чтобы активация dCas9 белка, а вслед за ней и целевых генов происходила в определенных, удобных для ученых условиях.

Объединяя различные мутации и вариации активности генов, связанных с долгожительством, мы наконец-то можем изучить их синергетическое действие. И это очень важно, ведь для замедления старения желательно затронуть не один, а все основные механизмы, по которым оно происходит. Именно это и пытаются сделать специалисты в рамках проекта с Open Longevity. Ну а я с интересом понаблюдаю за учёными, а потом расскажу о результатах их работы.

[1] Piper MDW, Partridge L. Drosophila as a model for ageing. Biochim Biophys Acta Mol Basis Dis. 2018 Sep;1864(9 Pt A):2707-2717.

[2] Clancy DJ, Gems D, Harshman LG, Oldham S, Stocker H, Hafen E, Leevers SJ, Partridge L. Extension of life-span by loss of CHICO, a Drosophila insulin receptor substrate protein. Science. 2001 Apr 6;292(5514):104-6

[3] Wang MC, Bohmann D, Jasper H. JNK signaling confers tolerance to oxidative stress and extends lifespan in Drosophila. Dev Cell. 2003 Nov;5(5):811-6

[4] Rogina B, Reenan RA, Nilsen SP, Helfand SL. Extended life-span conferred by cotransporter gene mutations in Drosophila. Science. 2000 Dec 15;290(5499):2137-40

[5] Siebold AP, Banerjee R, Tie F, Kiss DL, Moskowitz J, Harte PJ. Polycomb Repressive Complex 2 and Trithorax modulate Drosophila longevity and stress resistance. Proc Natl Acad Sci U S A. 2010 Jan 5;107(1):169-74

[6] Hwangbo DS, Gershman B, Tu MP, Palmer M, Tatar M. Drosophila dFOXO controls lifespan and regulates insulin signalling in brain and fat body. Nature. 2004 Jun 3;429(6991):562-6

[7] Schaible R, Scheuerlein A, Da?ko MJ, Gampe J, Mart?nez DE, Vaupel JW. Constant mortality and fertility over age in Hydra. Proc Natl Acad Sci U S A. 2015 Dec 22;112(51):15701-6

[8] Boehm AM, Rosenstiel P, Bosch TC. Stem cells and aging from a quasi-immortal point of view. Bioessays. 2013 Nov;35(11):994-1003

[9] Willcox BJ, Donlon TA, He Q, Chen R, Grove JS, Yano K, Masaki KH, Willcox DC, Rodriguez B, Curb JD. FOXO3A genotype is strongly associated with human longevity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2008 Sep 16;105(37):13987-92

[10] Shakirova KM, Ovchinnikova VY, Dashinimaev EB. Cell Reprogramming With CRISPR/Cas9 Based Transcriptional Regulation Systems. Front Bioeng Biotechnol. 2020;8:882. Published 2020 Jul 28. doi:10.3389/fbioe.2020.00882

Источник: vk.com

Комментарии: