Alexander Panchin

Alexander Panchin

  • Home
  • Pages
  • Спасти рядового дрозофилу: как наука борется со старением

Спасти рядового дрозофилу: как наука борется со старением

Генетика

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 хомячок? 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?

  • Перед делением клеток ДНК удваивается, но при этом укорачиваются кончики хромосом — теломеры;
  • Копирование ДНК происходит не без ошибок. Накапливаются мутации, которые могут впоследствии приводить к различным нарушениям, включая неконтролируемое деление клеток (рак);
  • Повреждения ДНК могут возникать и из-за других факторов: активные формы кислорода, ионизирующее излучение, некоторые вирусы и мобильные (скачущие) генетические элементы;
  • Белки, находящиеся в клетках, могут неправильно сворачиваться или повреждаться и накапливаться в виде своеобразного мусора, мешающего нормальной жизнедеятельности;
  • 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;
  • Накопление повреждений митохондрий и других органелл внутри клеток;
  • Износ соединительной ткани;
  • Воспалительные процессы, порождающие новые воспалительные процессы;
  • Гибель клеток трудновосполнимых типов;
  • 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.

Читайте также

Генетическое редактирование

Подробнее

Напишите нам

  1. Piper, M., & Partridge, L. (2018). Drosophila as a model for ageing. Biochimica et biophysica acta. Molecular basis of disease, 1864(9 Pt A), 2707–2717. https://doi.org/10.1016/j.bbadis.2017.09.016[↩]
  2. Clancy, D. J., Gems, D., Harshman, L. G., Oldham, S., Stocker, H., Hafen, E., Leevers, S. J., & Partridge, L. (2001). Extension of life-span by loss of CHICO, a Drosophila insulin receptor substrate protein. Science (New York, N.Y.), 292(5514), 104–106. https://doi.org/10.1126/science.1057991[↩]
  3. Wang, M. C., Bohmann, D., & Jasper, H. (2003). JNK signaling confers tolerance to oxidative stress and extends lifespan in Drosophila. Developmental cell, 5(5), 811–816. https://doi.org/10.1016/s1534-5807(03)00323-x[↩]
  4. Rogina, B., Reenan, R. A., Nilsen, S. P., & Helfand, S. L. (2000). Extended life-span conferred by cotransporter gene mutations in Drosophila. Science (New York, N.Y.), 290(5499), 2137–2140. https://doi.org/10.1126/science.290.5499.2137[↩]
  5. Siebold, A. P., Banerjee, R., Tie, F., Kiss, D. L., Moskowitz, J., & Harte, P. J. (2010). Polycomb Repressive Complex 2 and Trithorax modulate Drosophila longevity and stress resistance. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 107(1), 169–174. https://doi.org/10.1073/pnas.0907739107[↩]
  6. Hwangbo, D. S., Gershman, B., Tu, M. P., Palmer, M., & Tatar, M. (2004). Drosophila dFOXO controls lifespan and regulates insulin signalling in brain and fat body. Nature, 429(6991), 562–566. https://doi.org/10.1038/nature02549[↩]
  7. Constant mortality and fertility over age in Hydra[↩]
  8. Boehm, A. M., Rosenstiel, P., & Bosch, T. C. (2013). Stem cells and aging from a quasi-immortal point of view. BioEssays : news and reviews in molecular, cellular and developmental biology, 35(11), 994–1003. https://doi.org/10.1002/bies.201300075[↩]
  9. Willcox, B. J., Donlon, T. A., He, Q., Chen, R., Grove, J. S., Yano, K., Masaki, K. H., Willcox, D. C., Rodriguez, B., & Curb, J. D. (2008). FOXO3A genotype is strongly associated with human longevity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 105(37), 13987–13992. https://doi.org/10.1073/pnas.0801030105[↩]
  10. Shakirova, K. M., Ovchinnikova, V. Y., & Dashinimaev, E. B. (2020). Cell Reprogramming With CRISPR/Cas9 Based Transcriptional Regulation Systems. Frontiers in bioengineering and biotechnology, 8, 882. https://doi.org/10.3389/fbioe.2020.00882[↩]