Волосяной покров у трансгенных мышей, у которых усилена экспрессия гена, кодирующего коллаген 17 типа, (слева) и обычных мышей (справа).

 

Японские ученые обнаружили, что потеря волос связана со снижением выработки коллагена в эпидермальных стволовых клетках. Искусственное увеличение выработки коллагена позволило вывести линию мышей, у которых возрастная потеря волос была в несколько раз меньше, чем у обычных грызунов. Результаты работы были опубликованы в журнале Science.

По гипотезе ученых, за старение корней волос отвечают эпидермальные стволовые клетки. Исследователи решили исследовать активность генов, которые могли быть задействованы в процессе старения фолликул, чтобы точно определить механизмы, задействованные в выпадении волос.  

В качестве показателя возрастных изменений волосяного покрова авторы статьи использовали степень истончения фолликул. С помощью методов иммуногистохимии ученые определили активность генов, вовлеченных в поддержание состояния плюрипотентности стволовых клеток фолликула, включая те, что кодируют коллаген 17 типа. 

Оказалось, что по мере старения в эпидермальных стволовых клетках происходило снижение активности генов, отвечающих за плюрипотентность. При этом снижение происходило еще до того, как становились заметными возрастные изменения в корнях волос. Интересно, что старение было связано не с гибелью клеток фолликула, а именно с потерей стволовых клеток, которые дифференцировались и уже переставали быть стволовыми. Данные иммунофлуоресцентного анализа показали, что старые стволовые клетки постепенно перемещались к поверхности кожи, проходя эпидермальную терминальную дифференцировку и теряя свою плюрипотентность.

На причины таких изменений указывало то, что старые клетки отличались большей активностью генов, участвующих в защите от стресса, тогда как молодые — активностью генов, отвечающих за репарацию (восстановление) ДНК. В результате снижения работы репаративных генов у стволовых клеток начинают накапливаться мутации. Однако ключевое открытие заключалось в том, что для старых клеток было характерна меньшая активность генов, кодирующих коллаген 17 типа.

Чтобы доказать, что именно этот коллаген является основным фактором старения фолликул, ученые получили трансгенных мышей с увеличенной активностью генов, кодирующих данный белок. Животные демонстрировали явное замедление старения фолликул и снижение темпов выпадения волос. 

Волосяные фолликулы представляют собой мини-органы в тканях кожи, состоящие из различных клеток, которые образуют сальные и потовые железы, волосяные сосочки со стволовыми клетками и другие структуры. Волосяной фолликул находится в состоянии постоянного обновления в ходе непрерывных циклов, которые сменяют друг друга и обусловливают рост волос.

Источник: nplus1.ru

Генетическую инженерию иммунных клеток успешно применили для борьбы с лейкозом. В этой статье рассказывается, какие генетические технологии помогут бороться с тяжелыми болезнями, если общество проникнется к передовым методикам бόльшим доверием.

Лейла Ричардс — первый в мире ребенок, излечившийся от лимфобластного лейкоза с помощью геномного редактирования лимфоцитов. Болезнь диагностировали, когда девочке было три месяца. Химиотерапия и пересадка костного мозга оказались неэффективными, и врачи вынесли вердикт о неизлечимости такой агрессивной формы лейкоза, быстро перешедшей в терминальную стадию. Однако родители не согласились на паллиативную терапию, настояв на экспериментальном лечении. Запущенная в кровь гвардия генетически доработанных донорских лимфоцитов за три месяца справилась с предательски размножившимися лимфобластами, что медики расценили как «почти чудо». Фото с сайта www.mirror.co.uk.

 

В начале ноября 2015 года каждое уважающее себя издание написало об успешном излечении от лейкоза годовалой девочки Лейлы Ричардс [1–3]. Острый лимфобластный лейкоз плохо поддается лечению у таких маленьких детей, и обычная химиотерапия помогает им лишь в 25% случаев. Когда стало ясно, что химиотерапия не справилась, родители девочки начали настаивать, чтобы врачи не ограничивались стандартными методиками, а попробовали все возможные способы для ее спасения. Доктора связались с учеными, разработавшими экспериментальную терапию лейкоза, основанную на генетической модификации иммунных клеток. Технология мало того что применяла генную инженерию, к которой с таким опасением относится общественность, так еще и была опробована только на мышах. Членам комиссий по биоэтике и в страшном сне не может присниться одобрение такой методики для массового применения. Но случай Лейлы был исключением, потому что отработанными методами помочь ей уже точно не получалось. Девочке уже нечего было бы терять, и, если бы новый метод не помог ей резко пойти на поправку, мы бы никогда не услышали ее историю, как не слышим истории сотен тысяч других больных раком, которым не помогли никакие методы лечения.

И терапия сработала. Иммунные клетки донора модифицировали таким образом, чтобы они, во-первых, активно атаковали опухолевые клетки того типа рака, что диагностировали у Лейлы, а во-вторых, не причиняли вреда ее здоровым клеткам. Кроме того, модификации генома сделали донорские клетки устойчивыми к лекарствам, которые пациентка для страховки продолжала принимать, хотя они и не действовали на нее достаточно эффективно. Модифицированные иммуноциты донора помогли уничтожить опухолевые клетки и при этом не нанесли вреда здоровым тканям*. Когда все признаки присутствия опухоли пропали, Лейле пересадили подходящий донорский костный мозг, который начал производить новые клетки иммунной системы, сходные с ее собственными. Вновь заработавшая иммунная система уничтожила генетически модифицированные клетки, выполнившие свою задачу.

* — Перспективы и ценность такой терапии очевидны: острый лимфобластный лейкоз со временем развивается у одного из двух тысяч новорождённых, а у взрослых пациентов прогноз заболевания еще хуже, чем у детей. А ведь есть еще и другие виды лейкемии, и другие онкозаболевания, вероятно, поддающиеся напору «дизайнерских» иммуноцитов. В случае Лейлы пришлось получать эксклюзивное разрешение на применение технологии, тем не менее уже в следующем году та же группа врачей планировала проверить безопасность метода на первых 10–12 пациентах. Судя по всему, история Лейлы станет серьезным стимулом для дальнейших клинических исследований, а главное — для соответствующего бюрократического аппарата: о первой победе теперь узнали десятки тысяч больных и их близких, игнорировать их интересы будет нелегко. — Ред.

Этот случай — не первый, когда генное редактирование применяли у людей. Подобные технологии уже использовали в прошлом году, чтобы повысить устойчивость к вирусу иммунодефицита у нескольких ВИЧ-инфицированных [4]. Тот эксперимент тоже оказался удачным и улучшил показатели иммунитета пациентов. Тем не менее первый эпизод не вызвал такого общественного резонанса, как излечение Лейлы. Вероятно, здесь сыграла роль история маленькой больной девочки, которую терапия спасла от смерти буквально в последний момент. В первом же случае не было риска скорой смерти пациентов, которые к тому же были взрослыми.

Можно долго обсуждать, какие компоненты необходимы, чтобы привлечь к истории внимание публики, но в любом случае громкий успех генетической инженерии человеческих клеток очень важен для исследователей, разрабатывающих новые технологии. Благодаря этой счастливой истории, человечество еще на шаг приблизилось к медицине из фантастических романов. Самое интересное, что многие из технологий медицины будущего уже разработаны, но далеко не везде разрешены правительствами, одобрены комиссиями по этике или хотя бы вызывают доверие у простых граждан.

Компания Cellectis, создавшая клетки, которые вылечили острый лимфобластный лейкоз Лейлы, разрабатывает и другие полезные клеточные линии. Каждая из них нацелена на молекулы, характерные для определенного типа рака — к примеру, острого миелоидного лейкоза и миеломной болезни [5]. Сегодня мало кто верит, что возможно создать лекарство от всех видов рака, но Cellectis планирует выпустить целый арсенал иммунных клеток, подходящих для лечения различных его типов. Клеточные линии Cellectis — это наиболее мягкий вариант генно-инженерной терапии человеческих патологий, поскольку такие клетки применяются только для того, чтобы разобраться с проблемой, а затем уничтожаются иммуноцитами пересаженного костного мозга. В этом смысле первый эксперимент по применению генной терапии к ВИЧ-инфицированным выглядит более радикальным: тогда изменяли собственные клетки крови пациентов, которые после модификации и возвращения в кровоток не планировалось оттуда удалять [6]. На самом деле ученые даже рассчитывали, что модифицированные клетки в теле испытуемых размножатся, поскольку будут устойчивы к ВИЧ. Эти ожидания оправдались. Компания Sangamo, разработавшая терапию против ВИЧ, сообщает, что половина из дюжины участников первого эксперимента уже прекратили принимать противовирусные препараты, при этом их уровень Т-клеток, которые раньше атаковал вирус, остается высоким. Сейчас Sangamo дополнительно проверяет свою технологию еще на 70 пациентах [3].

В двух описанных экспериментах генетические модификации проводили вне организма пациентов: брали их собственные клетки или клетки доноров, изменяли ДНК и лишь потом вводили модифицированные клетки людям. Но таким способом можно победить далеко не все болезни. Во многих случаях дефектные клетки входят в состав органов, которые не получится безболезненно извлечь из тела пациента, а потом вернуть обратно. Чтобы лечить такие заболевания, потребуются действительно прогрессивные методы, с помощью которых можно будет изменять геном клеток прямо в составе организма. Для этого инструменты, модифицирующие гены (CRISPR, TALEN или системы, использующие белки с доменом «цинковые пальцы»*), необходимо разнести по множеству клеток организма (в идеале — по всем дефектным клеткам). И эта задача была бы крайне сложной, не будь природных систем проникновения в клетки и доставки туда ДНК — вирусов. Модифицированные вирусы, нацеленные на определенные типы клеток, уже довольно эффективны: в некоторых случаях им удается достичь 40% всех клеток-мишеней [7]. Если целью выбирают «больные» клетки, то даже такая эффективность при очень многих заболеваниях позволяет улучшить состояние пациентов. Например, исследователям из Университета Дьюка удалось существенно улучшить состояние мышей с мышечной дистрофией — притом что эффективность доставки системы, которая редактировала мутацию в генах мышечных клеток мышей, составила всего 20% [3]. А компания Editas собирается использовать подобную технологию для редактирования генов клеток сетчатки, чтобы лечить глазные болезни [8].

* — Системы редактирования ZFN, TALEN и CRISPR/Cas9 выделяются тем, что основаны на сайт-специфическом действии разного типа нуклеаз in vivo: «А не замахнуться ли нам на... изменение генома?» [9], «CRISPR-системы: иммунизация прокариот» [10], «Мутагенная цепная реакция: редактирование геномов на грани фантастики» [11]. Кстати, донорские Т-клетки, спасшие Лейлу Ричардс, модифицировали с помощью нуклеазы TALEN, а ДНК Т-хелперов ВИЧ-инфицированных обрабатывали ZFN (нуклеазой «цинковые пальцы»). Редактирование происходило ex vivo. — Ред.

Помимо непосредственной атаки дефектных клеток, болезни можно лечить и другим способом. В качестве мишеней можно использовать здоровые клетки организма, заставив их производить необходимые для лечения белки. Чтобы полезного белка образовывалось много, нужно вставлять его ген в такое окружение, чтобы он активно работал. Sangamo предлагает использовать в качестве такого места ген альбумина — белка крови, который в больших количествах нарабатывается в печени. Исследователи уже пробовали вставлять в локус альбумина макак ген фактора свертывания крови IX, из-за недостатка которого развивается гемофилия B*. В результате печень обезьян начала вырабатывать значительно больше этого фактора: его уровень в крови животных поднялся на 10%. Руководитель проекта Федор Урнов сравнил ген альбумина с USB-портом генома, видимо, подразумевая, что в этот участок удобно «подключать» новые носители информации — гены, — поскольку там они точно будут работать активно. Вставляя «правильные» варианты генов в локус альбумина, исследователи из Sangamo собираются лечить и другие болезни — к примеру, нарушения синтеза гемоглобина [3].

* — Само заболевание и эксперимент по его генетической терапии у мышей (с использованием того самого гена, вернее, очень уж активного промотора гена альбумина) подробно описаны в статье «Сводка с генотерапевтических фронтов. Новая стратегия нейтрализации гемофилии» [12]. Рассматриваемый способ позволяет избавиться от многих рисков редактирования генома in vivo. — Ред.

По сравнению с применением модифицированных клеток крови, которые при необходимости можно убрать из организма (что и произошло с модифицированными иммуноцитами после того, как они справились с лейкозом Лейлы), модифицировать клетки в составе органов намного рискованнее. Во-первых, крайне трудно гарантировать, что вирусные векторы, используемые для доставки систем модификации генов, не проникнут куда-то еще, кроме клеток-мишеней. В некоторых случаях модификация лишних клеток может быть опасной: к примеру, если целью являются клетки опухоли, которые нужно заставить прекратить деления, а модифицируются заодно и стволовые клетки, деления которых очень важны для здоровья организма. Другой важный момент — способность вирусных векторов долго оставаться в состоянии боевой готовности. В теории такие модифицирующие агенты могут сохранять активность годами, что не всегда полезно. Наконец, системы генетической модификации, не похожие на родные белки организма, могут вызывать иммунный ответ, что в сочетании с долгим сроком жизни агентов доставки ДНК может привести к хроническому воспалению и другим неприятным патологиям иммунитета.

В общем, биоинженерам еще есть над чем работать, но каждый удачный эксперимент, особенно на людях, повышает доверие общественности к их разработкам, и стимулирует ученых тянуть наш мир в будущее еще активнее.

Источник: http://biomolecula.ru/content/1853

 

 

Читайте по теме: ГЕННАЯ ТЕРАПИЯ

 

 

Проведя ряд экспериментов с мышами, международная команда ученых выяснила, что причина возрастного облысения лежит в генетике. С возрастом повреждается ДНК стволовых клеток, особенно при этом страдает ген COL17A1, который влияет на выпадение волос.

Как сообщает портал EurekAlert, чтобы выяснить причину облысения в пожилом возрасте, международная группа ученых провела ряд экспериментов с участием мышей.
Исследователи взяли несколько особей грызунов в возрасте до восьми недель и начали отслеживать возрастные изменения в их организме. Первые признаки ухудшения волосяного покрова появляются уже через 16 месяцев после рождения, становятся более заметными к 18 месяцам и совсем очевидными – к двухлетнему возрасту.
 
После наблюдения за грызунами ученые выяснили, что старение, связанное с сокращением стволовых клеток волосяного фолликула, привело к уменьшению площади волосяного покрова и истончению волос. Генетики установили, что изменения в фолликулах у людей протекают схожим образом. По мнению ученых, выпадение волос происходит из-за того, что повреждается ДНК стволовых клеток. В частности, меняется активность гена COL17A1, кодирующего один из трансмембранных белков, который обеспечивает процесс передачи питательных веществ через клеточную мембрану. 

Еще новости на тему облысения:

Ученые выяснили, что именно активирует рост волос

Биологи обвинили стволовые клетки в возрастном облысении мужчин

Человек живет долго. С каждым десятилетием всё дольше. Но у него есть медицина. Слон живет столько же, а кит гораздо дольше — не пользуясь системой здравоохранения. Но они большие... Недавно человеку посчастливилось поближе познакомиться с очень маленьким и очень странным долгожителем. Он обитает в душном подземелье, не поддерживает постоянную температуру тела, формирует касты — как муравей. Подслеповат, как крот, голокож, как человек. Вот, пожалуй, и все аналогии. Дальше — сплошная уникальность. Не чувствует ожоги, не знает, что такое рак, атеросклероз и нейродегенерация, не проявляет классических признаков старения, переживает 30-летний рубеж... будучи мелким грызуном. С какими же секретами голого землекопа и его пушистых родственников-долгожителей предстоит работать человеку, чтобы продлить собственную здоровую жизнь?

Голый землекоп — укротитель рака и старения. Рисунок автора статьи.

О феномене пренебрежимого старения и перспективах изучения животных, его демонстрирующих, речь шла ранее: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить» и «Преодолевшие старение. Часть I. Кому выпал эволюционный джекпот?». Пожалуй, к самым интересным объектам биогеронтологических изысканий можно отнести млекопитающих, стареющих чрезвычайно медленно или почти не стареющих в человеческом понимании этого процесса. Но если экспериментировать с крупными, живущими более 100 лет организмами нереально, то мелкие, быстро размножающиеся и формирующие крупные популяции в естественных условиях и неволе животные были бы настоящим подарком для ученых.

И похоже, подходящих кандидатов уже нашли: долгой для своей весовой категории жизнью славятся некоторые роющие («подземные») грызуны, относящиеся к семействам Spalacidae (слепыш) и Bathyergidae (дамарский землекоп и голый землекоп, хотя последний стои́т на пороге выделения в семейство Heterocephalidae [3]). Эти животные (рис. 1) лишь изредка покидают душные и тесные системы подземных ходов и камер, то есть испытывают хронический дефицит кислорода и мирятся с избытком аммиака, углекислого газа и продукта его взаимодействия с водой — угольной кислотой. Условия можно назвать экстремальными, но относительно стабильными и выгодными с точки зрения безопасности: встречи с хищниками чрезвычайно редки. Ничтожность влияния врагов и негативных «наземных» экофакторов на мир этих грызунов эволюция учла, отобрав признаки, способствующие долгой здоровой жизни в условиях пониженной комфортности: замедленный обмен веществ, устойчивость к стрессам, раку, нейродегенерации.

Рисунок 1. Три подземных «богатыря». Слева направо: чемпион по продолжительности жизни — голый землекоп (Heterocephalus glaber, максимальная продолжительность жизни (МПЖ) превышает 32 года), слепыш (Spalax judaei, МПЖ 21 год) и дамарский землекоп (Fukomys damarensis, МПЖ в неволе 20 лет). Фотографии с сайтов www.lpzoo.org, www.paratiritis-news.com, www.houstonzoo.org соответственно.

Особенно сильно природа поэкспериментировала над голым землекопом (см. врезку «Досье на голого землекопа»), обитателем восточноафриканских полупустынь и обладателем исключительного для млекопитающих плато на кривой смертности (рис. 2) [1]. А человек решил извлечь из этого пользу, изучив условия жизни грызуна и связав их с его уникальными свойствами.

Рисунок 2. Иллюстративная кривая смертности голого землекопа. По оси ординат отложена вероятность умереть в течение года, плато отражает стабилизацию уровня смертности. Голый землекоп живет на порядок дольше мышей, проявляя признаки пренебрежимого старения. Кривая его смертности далека от «классической» экспоненты: у представителей разных возрастных когорт этого грызуна (кроме детской) почти равная вероятность умереть в течение года. Для описанных в научных статьях популяций плато точно пересекает 20-летний рубеж. Рисунок с сайта nestarenie.ru (из лекционных материалов П. Федичева).

Кому, как не голому землекопу, нужно было уделить внимание в поиске факторов долгожительства? И с чего начать, как не с прочтения его генома? Однако биологи поступили разумно: кто-то секвенировал и сравнивал результаты с другими животными, кто-то погрузился в изучение уникальных «устойчивостей» землекопа. А некоторые команды сконцентрировались на подобных свойствах другого роющего грызуна — слепыша — и тоже не разочаровались.

Молекулярный фундамент долголетия землекопов

Еще в начале 1990-х ДНК-фингерпринтинг выявил крайне низкое генетическое разнообразие внутри колоний голого землекопа — примерно как у однояйцевых близнецов. Это закономерное следствие инбридинга, не снижающего, однако, жизнестойкости потомства. Потому вполне вероятно, что морфологические различия между особями формируются эпигенетическими механизмами, но какими — пока не известно. Геном голого землекопа впервые секвенировали в 2011 году [9, 10]. Оказалось, что при общем высоком сходстве с ДНК мышей и крыс (даже в порядке расположения генов) он обладает и рядом особенностей. Ниже перечислены те из них, которые могут иметь отношение к долголетию этого грызуна и потому требуют усиленного изучения (см. врезку «Геном голого землекопа»).

Теоретически вклад в долголетие голого землекопа могут вносить любые, если не все генетические особенности, связанные с работой митохондрий и моделированием теломер, с обменом и утилизацией макромолекул, балансом метаболических процессов и темпами деления клеток. И продлять жизнь они могут в том числе посредством устойчивости к раку и нейродегенерации.

В 2014 году свет увидела усовершенствованная версия прочтения генома Heterocephalus glaber, анализ которой выявил уникальные адаптации ДНК землекопа в участках, кодирующих опухолевый супрессор p53 и рецепторы гиалуронана CD44 и HMMR (RHAMM) [16]. Авторы исследования создали портал Naked Mole Rat Genome Resource — в помощь биологам, желающим использовать данные по геному голого землекопа в своей работе.

В том же 2014 секвенировали геном другого африканского землекопа — дамарского (в лаборатории Fukomys damarensis (рис. 1) доживает до 20 лет) — и сравнили его с геномом землекопа голого, а также сопоставили транскриптомы этих двух и нескольких родственных им видов подземных грызунов. Так удалось выявить общие генетические особенности зверьков-долгожителей и уникальные адаптации Heterocephalus glaber (перечислены в досье) [6]. Некоторые геномные находки подтвердились при изучении белков и клеточной физиологии землекопов.

Итак, что же отличает африканских грызунов-долгожителей?

1. Особенности структуры и мощный конститутивный синтез глобинов позволяют землекопам эффективнее снабжать мозг кислородом. Пожизненно высокий уровень фактора роста и дифференцировки нейронов нейрегулина-1 (NRG-1) в мозге землекопов-долгожителей («неафриканского» слепыша в том числе) может вносить определяющий вклад в поддержание синаптической пластичности и стабильной работы нервной системы — непременного условия активного долголетия. Показано, что нейрегулиновый сигналинг спасает нейроны от «тирании» нейротоксинов — внешних и внутренних (например, при накоплении амилоидов). Предполагают также, что фактор NRG1 способен снижать тревожность, «вмешиваться» в социальную жизнь и даже выполнять функцию опухолевого супрессора. Косвенным индуктором синтеза NRG1 служит гипоксия. У грызунов уровень синтеза нейрегулина-1 в мозжечке прямо коррелирует с максимальной продолжительностью жизни (МПЖ), а у людей нарушения NRG1-сигнализации сопутствуют шизофрении, рассеянному склерозу и болезни Альгеймера [17].
2. Низкая биологическая активность инсулина (из-за радикальных изменений β-цепи) и утилизация глюкозы альтернативным путем (возможно, посредством инсулиноподобного ростового фактора IGF2, обычно работающего до рождения) могут способствовать долголетию. У голого землекопа уровень гликированного гемоглобина в течение жизни стабилен, диабет не встречается. Для этого грызуна характерен и слабый тиреоидный сигналинг, что неудивительно: трийодтиронин поднимает уровень глюкозы в крови, ускоряет метаболизм, повышает температуру тела и потребность тканей в кислороде. У землекопов же, живущих в условиях отвратительного газо- и теплообмена, картина обратная. Есть мнение, что низкая активность этого гормона может продлевать жизнь за счет снижения температуры тела, интенсивности основного обмена, проницаемости мембран и активности определенных сигнальных путей.
3. Инактивация гена FASTK может частично защищать от рака, воспаления и клеточного старения. Продукт гена — киназа, сенсор митохондриального стресса. Ее избыток (в клетках опухолей и при хронических воспалениях) задерживает Fas-опосредованный апоптоз. Ее отсутствие снижает онкогенный потенциал, способствует росту и восстановлению нейронов (у людей эти процессы с возрастом замедляются).
4. Интенсивная продукция активных форм кислорода (АФК) и закономерный окислительный стресс не мешают землекопам жить долго. И это несмотря на слабую экспрессию генов некоторых пероксиредоксинов и низкую активность глутатионпероксидазы 1 — стандартных ферментов-антиоксидантов. Частично объяснить этот феномен для голого (но не дамарского) землекопа может замена в его β-актине окисляемых аминокислотных остатков на неокисляемые. В этом случае актин не деполимеризуется, не меняются регуляторные процессы. Зато высокий уровень АФК и окисленный актин — типичная находка у пожилых и страдающих нейродегенеративными болезнями людей. Тем не менее у голого землекопа общий высокий уровень окислительных повреждений белков, некоторых липидов и ДНК не нарушает их функции и не увеличивается с возрастом (в отличие от мышей) [18]. Интересно, что подобные — противоречащие свободнорадикальной теории старения — данные были получены в экспериментах с дрожжами: ограничение калорий продляло им жизнь, хотя при этом клеточное дыхание усиливалось, и АФК производилось больше [19, 20]. Судя по всему, для продления жизни важнее не избегать окислительного стресса, а вырабатывать механизмы, амортизирующие его эффекты или активирующие пути защиты от других повреждений. Вероятно, активная аутофагия (а значит, поддержание высококачественного пула митохондрий и аминокислотного гомеостаза) и структурная стабильность белков — в их числе. Предполагают, что центральную роль в регуляции всего комплекса защитных механизмов у видов-долгожителей может играть постоянная активность сигнального пути Nrf2 (рис. 4), пересекающегося с системами p53 и NF-κB [21, 22]. Подтверждает это стабильно высокая Nrf2-сигнализация в тканях всех долгоживущих грызунов, причем продолжительность жизни коррелирует не с общим уровнем этого белка, а именно с его сигнальной активностью. Последняя регулируется белковыми «иудами» Keap1 и βTrCP (рис. 4) — именно с их уровнями обратно коррелирует МПЖ грызунов [22].
5. Уникальный процессинг 28S рРНК голого землекопа, вероятно, вносит вклад в высокую точность трансляции и потрясающую стабильность протеома. Оказалось, что при сходной скорости трансляции количество ошибочно включенных аминокислот в фибробластах голого землекопа в четыре раза ниже, чем в мышиных. Не исключено, что особая, двухфрагментная, 28S рРНК меняет фолдинг или динамику большой субъединицы рибосомы, повышая тем самым точность трансляции и снижая количество аномальных белков. Для протеома этого грызуна характерны: устойчивость белков к денатурации, пожизненно невысокий уровень их убиквитинирования и повышающаяся с годами активность протеасом (у мышей, наоборот, доля «приговоренных к смерти» белков растет, и «палачи»-протеасомы с нагрузкой справляются хуже). Получается, что высокоточный синтез и эффективные шаперонные системы формируют «здоровый» протеом, предохраняющий клетку от накопления агрегатов и прочих возрастзависимых эффектов. А с поврежденными белками, видимо, неплохо справляются активные протеасомы [23]. Но что самое интересное — транскрипцию генов протеасом и шаперонов регулирует тот же Nrf2.

Рисунок 4. Цитопротекторный сигнальный путь Nrf2 (nuclear factor-erythroid 2-related factor-2). Этот путь регулирует транскрипцию более 200 генов, принимающих участие в антиоксидантном и противовоспалительном ответе организма на стрессы — «обыденные» (метаболические, типа окислительного) и «неожиданные» (токсины, поступившие извне). Белок Nrf2 синтезируется в эндоплазматическом ретикулуме (ЭПР) и может проникать в ядро, где активирует целевые гены. Стабильный уровень Nrf2 поддерживается путем модуляции его протеасомной деградации после убиквитинирования E3-убиквитинлигазным комплексом Cullin-3/Rbx1. В условиях гомеостаза Nrf2 связан в цитоплазме с «меткой деградации» Keap1 — субстратным адаптером убиквитинлигазы. Обрекают Nrf2 на деградацию и белки βTrCP, SIAH2, CRIF1. При стрессе конформационные изменения Keap1 делают невозможным убиквитинирование Nrf2, повышая тем самым продолжительность его «жизни» и величину пула свободного Nrf2. В итоге больше его молекул проникает в ядро, в комплексе с транскрипционным фактором Maf связывается с ARE/EpRE-локусом (antioxidant/electrophile response element) и индуцирует экспрессию генов, ответственных за синтез цитопротекторов и факторов контроля клеточного цикла. Неполноценность этого пути или подконтрольных компонентов характерна для многих патологий, особенно возрастзависимых (диабета, рака, нейродегенерации). Nrf2-путь постоянно гиперактивен у грызунов-долгожителей — благодаря снижению продукции негативных регуляторов Keap1 и βTrCP. Уровни экспрессии Nrf2-регулируемых генов в десятки раз (!) выше у голого землекопа по сравнению с мышами. Узлы этого пути (особенно синтез βTrCP) рассматривают в качестве перспективных целей для терапевтических агентов. Рисунок из [22], адаптирован.

Пока сложно делать общие выводы, ведь не все описанные молекулярные особенности изучались у большой выборки грызунов с разной МПЖ, да и того же слепыша. Вполне вероятно, что общий фундамент долголетия составляют механизмы устойчивости клеток землекопов ко всевозможным стрессовым факторам — от АФК и патологических белков до микотоксинов и ксенобиотиков. Это отчетливо проявляется, например, в исключительной невосприимчивости к раку и пожизненно стабильном поддержании мозговых функций этих животных. Особенности метаболизма глюкозы тоже могут влиять на продолжительность их жизни. Что же касается его величества Землекопа Голого, то большинству упоминаний о нём сопутствует слово «стабильность»: стабильная экспрессия большинства генов, стабильный протеом, стабильный уровень окисленных биомолекул, стабильная работа митохондрий и антиоксидантов, стабильный состав тела, стабильный темп метаболизма, стабильная работа органов. Вполне вероятно, что это свойство характерно и для его «товарищей» по подземелью.

Стратегии противораковой защиты грызунов-долгожителей

Важный, если не определяющий, вклад в долголетие землекопов вносит устойчивость к неоплазии — ведь основная причина смерти мышей и многих других млекопитающих — рак. Например, у некоторых линий мышей и крыс смертность от рака достигает 70–90%. В то же время ни об одном случае развития этой патологии у голых землекопов не сообщалось. Их фибробласты репликативно не стареют (гены теломеразы экспрессируются у этих грызунов всю жизнь), однако в культуре делятся чрезвычайно медленно. Между скоростью деления репликативно не стареющих фибробластов in vitro и продолжительностью жизни существует обратная корреляция [24]. Потому главные вопросы, на которые должен «ответить» голый землекоп: какие механизмы столь надежно контролируют его клеточный цикл, и только ли они обеспечивают нечувствительность к раку? У других грызунов-долгожителей, судя по всему, тоже найдутся интересные ответы.

Противораковая защита состоит из многих взаимосвязанных звеньев: она предполагает и строгую регуляцию прохождения контрольных точек клеточного цикла, и репарацию повреждений ДНК, и репликативное старение, и апоптоз, и даже настройку интенсивности убиквитинзависимой утилизации белков. Межвидовые различия в любом из этих процессов объясняют разницу в предрасположенности животных к онкозаболеваниям и (частично) в средней продолжительности их жизни (рис. 5) [24]. Мыши и крысы десятилетиями верой и правдой служили биомедицинской науке [25], но они далеко не лучший объект для изучения онкорезистентности, поскольку восприимчивы к развитию рака гораздо больше, чем люди, не говоря уже о землекопах. Значит, какие-то профилактические механизмы у них не работают, и исследователи упускают важные антипролиферативные факторы. Известно, в частности, что у человека в контроле клеточного деления задействованы оба важнейших пути — pRb и p53, а у мышей и крыс роль первого минорна, то есть подстраховки практически нет — и это при том, что теломераза в их соматических клетках активна. Экспериментально установлено, что для малигнизации мышиных фибробластов достаточно нарушить две клеточные системы, а человеческих — целых шесть. Соответственно, мышиная модель мало пригодна для предсказания человеческих процессов, и отсутствие подходящих животных до сей поры прилично ограничивало темпы онкологических исследований. Если классические модельные грызуны незаменимы для отработки терапии, то недостающие знания по профилактике могут дать именно животные-долгожители, у которых механизмы онкозащиты работают как часы на протяжении всей жизни [26].

Рисунок 5. Антираковые стратегии грызунов в зависимости от массы тела и продолжительности жизни. Риск развития рака повышается с ростом числа удвоений ДНК и клеток — то есть с годами и увеличением размера тела. С другой стороны, опасность представляет и «трудолюбивая» теломераза. У крупных грызунов (капибар, американских дикобразов, бобров), как и у человека, соматическая теломераза неактивна, что со временем приводит к запрету на клеточное деление и предотвращает онкогенез. У всех мелких грызунов теломераза чрезвычайно активна, теломеры не укорачиваются, что не отменяет скоротечность жизни многих из них (крыс, мышей и др.). Последним, в отличие от долгожителей, эволюция из соображений экономии отказала в разнообразии систем противораковой защиты. Виды-долгожители (голый землекоп, слепыш, серая белка) не проявляют репликативного старения, однако выработали альтернативные механизмы защиты от рака: популяция их фибробластов в культуре растет медленно — как и у крупных грызунов с «ленивой» теломеразой. Рисунок из [24], адаптирован.

I. Тотальная зачистка территории (стратегия слепыша)

Общая реальность для подземных грызунов — гипоксия. Причем гипоксия пульсирующая — то больше кислорода, то меньше, а то и совсем нет. Не удивительно, что в организмах таких грызунов, помимо высокой васкуляризации, эффективного дыхания и активного кроветворения, выработаны разные клеточные страховочные механизмы, часть которых так или иначе связана с канцерогенезом.

Дальний родственник голого землекопа — слепыш (Spalax, blind mole-rat) — подземный грызун, распространенный на Среднем Востоке (рис. 1). Он тоже отличается долгожительством (20 лет — не предел) и онкорезистентностью: спонтанные опухоли за 50 лет у этих животных не наблюдали ни разу, да и к индуцированному раку они экстремально устойчивы.

Доктор Вера Горбунова и ее коллеги из Рочестерского унивеститета (Нью-Йорк) и других институтов США и Израиля в поисках объяснения такой устойчивости проанализировали in vitro рост фибробластов двух видов слепышей — Spalax judaei и Spalax golani. Клеточные популяции активно удваивались лишь 7–20 раз, затем «притормаживали» и начинали секретировать β-интерферон (IFN-β), который вызывал массовый клеточный некроз — происходило самоочищение популяции на пороге онкогенеза. Такого единомоментного «конца» исследователи ни разу не наблюдали при выращивании фибробластов 20 других видов грызунов. Этот феномен не был связан ни с условиями культивирования, ни с укорочением теломер (клетки слепыша репликативно не стареют). Зато подтвердилось участие в некротическом ответе белков — контролёров клеточного цикла p53 и pRb [27].

Интересно, что бόльшая часть клеток гибла именно от некроза (казалось бы, неточного процесса), в то время как у фибробластов мышей IFN-β вызывал апоптоз. Авторы работы связывают это с адаптивной точечной мутацией гена белка p53 у слепышей, позволяющей в условиях характерной для подземных туннелей гипоксии отключать клеточное деление, создавая условия для репарации, но не запускать апоптоз. Не исключено, что некроз — даже более эффективная превентивная процедура, ведь она позволяет зачистить подозрительное место качественнее, уничтожив «неблагонадежное» окружение, подвергшееся опухолевой сигнализации. Та же группа ученых показала, что фибробласты слепыша и даже их культуральная среда вызывали гибель различных линий опухолевых клеток, включая человеческие [26].

Еще интереснее то, что поведение культур фибробластов слепыша и голого землекопа сильно различается: предотвращение переразмножения фибробластов последнего достигается за счет сверхчувствительности к уплотнению популяции (см. ниже). Клетки голого землекопа на стресс предпочитают отвечать традиционным апоптозом — как клетки мышей и человека. Получается, что одной и той же цели даже родственные организмы-долгожители могут достигать разными способами (правда, в описанных случаях стратегии таки сходятся на pRb-пути).

У слепыша обнаружен целый спектр обусловленных адаптацией к гипоксии изменений структуры генов или их экспрессии. Причем многие из этих генов напрямую связаны с канцерогенезом. Упомянутая мутация гена опухолевого супрессора p53, например, вполне обычна для человеческих злокачественных опухолей, но, увы, приводит она к иному результату... Ген главного фактора роста эндотелия сосудов VEGF у Spalax экспрессируется по максимуму, причем конститутивно — как в опухолях. У онкобольных высокий уровень этого фактора в крови связывают с неблагоприятным прогнозом: провоцируемый им ангиогенез обеспечивает условия для отдаленного метастазирования [28, 29]. Слепышу же он просто облегчает снабжение тканей кислородом. С другой стороны, анализ транскриптома Spalax выявил много работающих генов, связанных с устойчивостью одновременно и к раку, и к гипоксии [27]. В частности, почти три десятка уникальных аминокислотных замен в транскрипционном факторе Nrf2 (у млекопитающих он очень консервативен) в сочетании с высоким базальным уровнем его синтеза могут вносить вклад в превосходную устойчивость клеток слепыша к канцерогенам и иным стрессовым факторам.

II. Укрепление и уборка периферии (стратегии слепыша и голого землекопа)

Как ни странно, проблему формирования и развития опухолей нельзя решить, сконцентрировавшись на «внутренней» жизни клеток: они ведь не в вакууме обитают, а в насыщенном их же продуктами биоматриксе, через который передают друг другу сигналы, удаляют отходы, оценивают «микроклимат». Внеклеточный матрикс — это не простой бульон, а каркас для поддержания тканевой архитектуры и барьер, защищающий клетки от инвазии повреждающих агентов. Основа матрикса — трехмерная сеть волокон коллагена и эластина, пространство между которыми заполнено «желе», содержащим в основном гиалуроновую кислоту, гликопротеины и протеогликаны. Матрикс играет важную роль в процессах ангиогенеза, воспаления, регенерации, а также адгезии, роста и метастазирования опухолей. Не удивительно, что компоненты матрикса грызунов-долгожителей привлекли особое внимание биологов.

1. Такая разная гепараназа

Углеводные цепи протеогликанов матрикса очень часто представлены гепарансульфатом. Гепарансульфатные протеогликаны, взаимодействуя с другими компонентами матрикса, образуют своеобразное депо для факторов роста и цитокинов. Соответственно, разрушение гепарансульфатного каркаса гепараназой (HPSE) сопровождается высвобождением этих молекул и низкомолекулярных фрагментов самогό гепарансульфата. Последние, судя по всему, повышают выработку интерлейкинов и прочих провоспалительных цитокинов лейкоцитами и клетками селезенки [30]. Ну а факторы роста могут сигнализировать клеткам, что пора делиться. Избыток такой сигнализации способен провоцировать рост опухоли и ее метастазирование через новую сосудистую сеть (один из факторов — как раз ангиогенный VEGF). И хотя в норме цели у гепараназы благие — ускорить заживление ткани и рост сосудов, — в случае с онкопатологией она работает во вред: гепарансульфата много в базальной мембране сосудов, служащей препятствием для проникновения оторвавшихся от первичной опухоли клеток в другие ткани. Давно отмечена повышенная и ухудшающая прогноз продукция этого фермента многими опухолями.

Гепараназу сейчас рассматривают как перспективную мишень не только противораковой [31, 32] и противовоспалительной, но даже антидиабетической терапии. Дело в том, что лейкоциты секретируют этот фермент для облегчения миграции из кровяного русла в ткани. А диабет I типа (аутоиммунный) как раз связан с Т-лимфоцитарными атаками на продуцирующие инсулин клетки поджелудочной железы. Гепарансульфат защищает эти клетки от мигрантов и свободных радикалов, гепараназа же разрушает эту защиту. Показано также, что она может проникать прямо в ядро T-лимфоцитов и активировать гены, связанные с T-клеточной дифференцировкой [33].

У слепыша (Spalax judaei) гепараназа синтезируется гораздо интенсивнее, чем у людей, и ее пре-мРНК сплайсируется несколькими альтернативными способами. Стандартный вариант фермента режет гепарансульфат «с аппетитом» — так же, как и человеческий вариант (гомология их генов высока — 85%). Однако у слепыша в условиях пульсовой гипоксии образуются и альтернативные белки, в том числе почти лишенные гепараназной активности (варианты 7 и 36). Несмотря на это первый из них не оказывает противораковый эффект (не связано ли это с описанной способностью гепараназы напрямую регулировать транскрипцию?), а вот второй... Введение конструкции, продуцирующей вариант 36, в клетки меланомы на 80% сокращало выход фрагментов гепарансульфата: нерабочий белок грызуна доминировал над активным меланоцитарным. Видимо, альтернативные варианты нужны слепышу для модуляции работы стандартного фермента при изменении условий. В экспериментах in vivo вариант 36 заметно снижал метастатическую активность меланомы и в разы замедлял рост глиомы у мышей [34]. Таким образом, альтернативный сплайсинг гепараназы слепыша можно включить в арсенал стратегий ингибирования ее человеческого аналога.

2. Макроглобулиновый клининг-менеджмент

Совсем недавно внимание биологов привлекло еще одно внеклеточное вещество — α-2-макроглобулин (A2M) плазмы крови, ингибитор всех классов протеиназ. Дело в том, что в печени голого землекопа его ген «считывается» в 140 раз чаще, чем в мышиной, да и у человека этого белка меньше [35]. Вероятно, на заре эволюции землекопов подземный образ жизни способствовал закреплению у них высокого уровня A2M как главного защитника от бактериальных протеиназ. У грызунов A2M — главный белок острой фазы (у нас основным считается С-реактивный белок). Человеческий A2M обратимо связывает цитокины и факторы роста, обеспечивая их гомеостаз в тканях, а также инактивирует всевозможные, в том числе опухолевые, протеиназы. Взаимодействие с протеиназами открывает у макроглобулина сайт связывания с рецептором LRP1 (CD91), контакт с которым запускает быстрое очищение крови и тканей от A2M-протеиназных комплексов (путем рецепторзависимого эндоцитоза).

С возрастом количество A2M у человека снижается, соответственно, падает и качество «уборки». Предполагают, что этот белок играет значительную роль в онкогенезе, воспалении, нейродегенерации и старении: показано, что его рецептор, LRP1, задействован в липидном обмене, очистке крови от альцгеймеровского амилоида, гормона лептина и стимулирующих прогрессирование рака факторов (в том числе VEGF). Описана и вспомогательная роль A2M в «обличении предателей» — презентировании раковых антигенов. Этот белок претендует на роль шаперона, предотвращающего белковую агрегацию, и «снабженца» клеток цинком — незаменимым помощником многих ферментов, гормонов и транскрипционных факторов (дефицит цинка связывают с развитием возрастзависимых заболеваний). Так или иначе, структурные различия макроглобулинов голого землекопа и человека уже установлены, осталось самое сложное — оценить их влияние на продолжительность жизни. Авторы работы [35] осторожно напоминают об улучшении когнитивных функций в нашумевшем эксперименте с вливаниями «молодой» крови старым мышам. Тогда эффект связывали с активацией белка Creb в дряхлеющем гиппокампе [36], однако было бы интересно установить и роль A2M в подобных процессах...

3. Гиалуроновая экспансия

Пожалуй, лучше всего описана противораковая стратегия, связанная с высокомолекулярной гиалуроновой кислотой внеклеточного матрикса голого землекопа.

Полисахарид гиалуроновая кислота (ГК, гиалуронан) создает на поверхности клеток связанный с мембранными рецепторами защитный покров, организуя протеогликаны и другие поверхностные белки и поддерживая запас воды. Средняя молекулярная масса ГК в нормальных биологических жидкостях и тканях человека высока — около 1–8 МДа. Защитную функцию этого полимера ослабляют свободные радикалы, которые он вынужден активно улавливать, например, при воспалении. Потому для поддержания тканевого гомеостаза и обновления внеклеточного матрикса жизненно необходим быстрый обмен ГК, оптимальный баланс между синтезом и деградацией, иначе накапливаются ее низкомолекулярные фрагменты. Эти фрагменты нарушают архитектуру матрикса и конкурируют за связывание как с рецепторами высокомолекулярного гиалуронана, так и с альтернативными структурами, что приводит к изменению кластеризации рецепторов, структуры цитоскелета и внутриклеточной сигнализации [37]. Таким образом, ГК можно рассматривать как сенсор деструктивных процессов в клеточном микроокружении. Изменение баланса низко- и высокомолекулярного полимера — стимул, приводящий в движение многочисленные механизмы клеточного ответа, часто лишь усиливающие воспаление и переводящие его в разряд хронического [38].

Надо отметить, что между воспалением и раком существует явная связь, и недавно возрос интерес к ГК как возможному помощнику макрофагов и фибробластов в конструировании проопухолевой воспалительной среды [39]. Во-первых, обволакивание раковых клеток гиалуронаном защищает их от иммунных атак. Во-вторых, показано, что количество ГК повышается как при заживлении ран, так и прогрессировании карцином (кишечника, легких, груди, простаты, мочевого пузыря), однако одновременно повышается и экспрессия генов гиалуронидаз, что совместно с гиперпродукцией свободных радикалов макрофагами ведет к нарезанию длинных ГК-цепей на низкомолекулярные фрагменты. По их количеству в сыворотке крови можно, например, отличить метастатический рак молочной железы от неметастатического.

Связывание мелких фрагментов ГК с рецепторами типа CD44 и RHAMM/HMMR активирует сигнальные пути, стимулирующие не только воспаление, но и выживание, миграцию и инвазию опухолевых клеток (рис. 6) [40]. Снижение молекулярной массы ГК наблюдается и в хрящах пожилых людей, и в коже после УФ-облучения (В-типа), и в опухолях простаты [37]. А вот увеличение размера молекул ГК характерно как раз для наших любимых землекопов...

В 2009 году Андрей Силуанов, Вера Горбунова и их коллеги обнаружили, что фибробласты голого землекопа проявляют двухуровневое контактное торможение деления — в отличие от одноуровневого у мышей и человека [41]. Контактное торможение — ключевой антираковый механизм, блокирующий деление клеток при достижении определенной их плотности (в культуре — обычно при формировании монослоя). Этот механизм ломается у клеток злокачественных опухолей, и они беспрепятственно наслаиваются друг на друга. Так вот фибробласты голого землекопа в культуре прекращают делиться при гораздо меньшей плотности, чем такие же клетки мышей. Этот процесс, названный ранним контактным ингибированием (РКИ), протекает при условии исправности p53- и pRb-путей или хотя бы одного из них: если утрачивается «выключатель» клеточного цикла pRb, то запускается апоптоз за счет страхующей системы p53 (это свойственно и мышам, и людям), а если портится только последняя — апоптоз происходит всё равно (это исключительное свойство голого землекопа). Но такая ситуация, видимо, складывается нечасто. Здесь стόит добавить, что у землекопа по сравнению с мышами базальный уровень синтеза белка p53 в фибробластах в 50 раз выше, и при стрессовых воздействиях он «подскакивает» активнее.

Известно, что у мышей и человека контактное торможение опосредуется мембранными рецепторами с дальнейшей индукцией p27^Kip1 — ингибитора циклин-зависимых киназ (из семейства Cip/Kip-ингибиторов), который в ядре мешает фосфорилированию белка Rb, блокируя этим переход клетки из фазы G1 в фазу S, то есть запрещая ей делиться. У голого землекопа p27 тоже делает свое дело — но если отключено раннее торможение деления, которое обеспечивается ингибитором p16^Ink4a из другого семейства, Ink4. Получается, что «обычное» p27-торможение лишь дополнительно страхует грызуна-долгожителя от канцерогенеза в случае сбоя в работе p16-зависимой системы РКИ (рис. 7, слева).

Но природа настолько прониклась симпатией к этому зверьку, что подарила ему еще один «антираковой щит». Если каким-то образом заставить работать в фибробластах землекопа комплекс онкогенов, то справиться с гиперпролиферацией посредством описанных систем супрессии ему не удастся — онкогены этому мешают. Однако, в отличие от экспрессирующих онкогены мышиных клеток, фибробласты землекопа быстро прекращают делиться, проявляя все признаки так называемого клеточного кризиса: дефекты хроматина, многоядерность, незавершенные деления и т.п. В таком состоянии клетки могут находиться довольно долго. Но подозревают, что если их много, то в конце концов патологическую зону подчищает некроз [42].

Рисунок 7. Многоуровневая защита от рака: особенности контактного ингибирования у голого землекопа. Слева — Сравнительная модель контактного ингибирования деления клеток землекопа, мыши и человека. Обычное контактное торможение, p27-опосредованное, характерно для клеток всех трех видов животных. Но у голого землекопа развился второй, ставший основным, уровень защиты от избыточной пролиферации — p16-опосредованное раннее контактное ингибирование (РКИ), не позволяющее культивируемым фибробластам плотно покрывать дно чашки Петри даже в один слой. Справа — Опухолевый супрессор pALT^Ink4a/b, дополнительный продукт локуса INK4a/b, задействованного в РКИ у голого землекопа. Буквами Е с порядковым номером обозначены экзоны локуса, символы α и β отражают принадлежность экзонов к разным рамкам считывания. p15^Ink4b, p16^Ink4a и ARF (p19^ARF или p14^ARF в зависимости от вида животного) — канонические транскрипты, pALT^Ink4a/b — уникальный, «землекоповый», результат альтернативного сплайсинга, объединяющий 5′ UTR-область и первый экзон p15 со вторым и третьим экзоном и 3′ UTR-областью p16. Рисунки из [41] и [44].

В 2013 году выяснилось, что непосредственное отношение к феномену РКИ имеет гиалуроновая кислота, причем характерная именно для голого землекопа — экстремально высокомолекулярная (ЭВМГК), в пять раз превышающая по размеру молекулы ГК человека и мыши (в случае фибробластов кожи — 6–12 против 0,5–3 МДа) [43]. ЭВМГК накапливается в тканях землекопа благодаря низкой активности его гиалуронидаз и высокой процессивности гиалуронансинтазы 2 (HAS2) с уникальной структурой активного центра. Более того, клетки этого грызуна более восприимчивы к «гиалуроновому» сигналингу. Если же активировать гиалуронидазы или нокаутировать HAS2, среда для культивирования фибробластов теряет повышенную вязкость, а клетки становятся способными к малигнизации (мы помним, что низкомолекулярная ГК способствует пролиферации и воспалению). Однако физического присутствия ЭВМГК недостаточно для РКИ — необходима полноценная работа сигнального пути, связывающего ГК-рецепцию с индукцией генетического локуса INK4 (кодирующего опухолевые супрессоры p15^Ink4b, Arf и p16^Ink4a). Судя по всему, этот путь включает ГК-рецептор CD44 и белок цитоскелета NF2 (мерлин). Предполагают, что склонность к накоплению ЭВМГК изначально развилась у землекопов для поддержания эластичности кожи, что просто необходимо в тесных подземных туннелях, и затем это свойство легло в основу противораковой защиты и долголетия этих млекопитающих. Интересно, что ЭВМГК производят и клетки слепыша.

Поскольку локус INK4 в числе наиболее часто мутирующих при раке у людей, понимание механизмов его экспрессии сложно переоценить. Кроме того, он участвует в развитии репликативного, онкогениндуцированного и преждевременного стрессиндуцированного старения, а возможно, и возрастных болезней (интересно, что при старении повышается экспрессия гена p16, но не p15, хотя локус один, и сами они — потомки одного дуплицировавшегося в древности гена). Однако в нашем контексте особенно важно, что потеря работоспособности локуса делает невозможным и раннее контактное ингибирование у землекопа.

Совсем недавно было обнаружено, что INK4-локус этого грызуна содержит ранний терминатор трансляции и кодирует дополнительный, четвертый, продукт — гибрид p15^Ink4b и p16^Ink4a [44]. Этот новый белок, названный pALT^Ink4a/b (рис. 7, справа), содержится как в культивируемых клетках, так и в разных живых тканях землекопа, но ни у человека, ни у мыши обнаружить его не удалось. Синтез pALT^Ink4a/b клетками индуцируется в течение РКИ и при стрессовых воздействиях: УФ- и γ-облучении, утрате сцепления с субстратом и активации онкогенов. Гиперпродукция «четвертого» белка с большей вероятностью блокирует цикл клеток землекопа и человека, чем гиперпродукция p15^Ink4b или p16^Ink4a. Соотношение разных продуктов локуса, видимо, тканеспецифично и меняется в зависимости от интенсивности и набора стимулов.

Недавно было показано, что обычное контактное ингибирование (наряду с сывороточным голоданием, гипоксией и рапамицином) подавляет путь mTOR, а следовательно, и героконверсию — переход обратимого ареста клеточного цикла в глубокое сенесцентное состояние с патологическим профилем клеточной секреции [45]. Потому нельзя исключить вклад РКИ, действующего через необычный INK4-локус, в предотвращение не только рака, но и старения как такового у голого землекопа. Дополнительный ингибитор циклин-зависимых киназ, вероятно, служит добавочным «слоем» защиты и позволяет животному тонко регулировать работу контрольных точек клеточного цикла, обеспечивая баланс между пожизненной способностью к клеточной пролиферации и супрессией опухолей. Очевидно, что разные этапы синтеза, метаболизма и сигналинга гиалуроновой кислоты могут быть перспективными целями для терапевтических воздействий уже в организме человека.

Заключение о важности ОТК

Итак, подземные грызуны-долгожители выработали множественные, многоуровневые механизмы защиты от рака при сохранении функции теломеразы. Долголетие повышает шансы развития опухолей, а опухоли мешают жить долго. У животных с пренебрежимым или замедленным старением удивительным образом сочетается экстремально долгая молодость с экстремальной устойчивостью к раку. Очевидно, что важную роль в продлении жизни играет активность сигнальных путей транскрипционных факторов Nrf2 и p53. По всей видимости, строжайший, многоуровневый контроль клеточного цикла и качества внутри- и внеклеточных биомолекул — залог успеха многих пренебрежимо стареющих организмов. Возможно, что-то из спектра «животных» ответов на риск малигнизации и прочих возрастзависимых заболеваний удастся адаптировать для нужд медицины человеческой — пусть вначале в виде «костылей», фармпрепаратов, но всё же...

Литература

1. биомолекула: «Старческие капризы природы: почему люди прекращают стареть, а мыши не успевают жить»;
2. биомолекула: «Преодолевшие старение. Часть I. Кому выпал эволюционный джекпот?»;
3. Patterson B.D. and Upham N.S. (2014). A newly recognized family from the Horn of Africa, the Heterocephalidae (Rodentia: Ctenohystrica). Zool. J. Linnean. Soc. 172, 942–963;
4. Элементы: «Голых землекопов не жжет ни кислота, ни перец»;
5. Park T.J., Lu Y., Jüttner R., Smith E.S., Hu J., Brand A. et al. (2008). Selective inflammatory pain insensitivity in the African naked mole-rat (Heterocephalus glaber). PLoS Biol. 6 (1), e13. doi: 10.1371/journal.pbio.0060013;
6. Fang X., Seim I., Huang Z., Gerashchenko M.V., Xiong Z., Turanov A.A. (2014). Adaptations to a subterranean environment and longevity revealed by the analysis of mole rat genomes. Cell Rep. 8, 1354–1364;
7. Buffenstein R. (2008). Negligible senescence in the longest living rodent, the naked mole-rat: insights from a successfully aging species. J. Comp. Physiol. B. 178, 439–445;
8. «Научные идеи продления жизни». Буклет фонда «Наука за продление жизни»;
9. Kim E.B., Fang X., Fushan A.A., Huang Z., Lobanov A.V., Han L. et al. (2011). Genome sequencing reveals insights into physiology and longevity of the naked mole rat. Nature. 479, 223–227;
10. Элементы: «Геном голого землекопа — ключ к секрету долголетия?»;
11. биомолекула: «Вездесущий убиквитин»;
12. биомолекула: «Старение — плата за подавление раковых опухолей?»;
13. биомолекула: «Теломеры и новые мишени протоонкогенной терапии»;
14. Davies K.T., Bennett N.C., Tsagkogeorga G., Rossiter S.J., Faulkes C.G. (2015). Family wide molecular adaptations to underground life in African mole-rats revealed by phylogenomic analysis. Mol. Biol. Evol. 32, 3089–3107;
15. Hudry E., Van Dam D., Kulik W., De Deyn P.P., Stet F.S., Ahouansou O. et al. (2010). Adeno-associated virus gene therapy with cholesterol 24-hydroxylase reduces the amyloid pathology before or after the onset of amyloid plaques in mouse models of Alzheimer’s disease. Mol. Ther. 18, 44–53;
16. Keane M., Craig T., Alföldi J., Berlin A.M., Johnson J., Seluanov A. et al. (2014). The Naked Mole Rat Genome Resource: facilitating analyses of cancer and longevity-related adaptations. Bioinformatics. 30, 3558–3560;
17. Edrey Y.H., Casper D., Huchon D., Mele J., Gelfond J.A., Kristan D.M. et al. (2012). Sustained high levels of neuregulin-1 in the longest-lived rodents; a key determinant of rodent longevity. Aging Cell. 11, 213–222;
18. Pérez V.I., Buffenstein R., Masamsetti V., Leonard S., Salmon A.B., Mele J. et al. (2009). Protein stability and resistance to oxidative stress are determinants of longevity in the longest-living rodent, the naked mole-rat. PNAS. 106, 3059–3064;
19. Lin S.J., Kaeberlein M., Andalis A.A., Sturtz L.A., Defossez P.A., Culotta V.C. et al. (2002). Calorie restriction extends Saccharomyces cerevisiae lifespan by increasing respiration. Nature. 418, 344–348;
20. Aris JP1, Alvers AL, Ferraiuolo RA, Fishwick LK, Hanvivatpong A, Hu D. et al. (2013). Autophagy and leucine promote chronological longevity and respiration proficiency during calorie restriction in yeast. Exp. Gerontol. 48, 1107–1119;
21. Lewis K.N., Andziak B., Yang T., Buffenstein R. (2013). The naked mole-rat response to oxidative stress: just deal with it. Antioxid. Redox. Signal. 19, 1388–1399;
22. Lewis K.N., Wason E., Edrey Y.H., Kristan D.M., Nevo E., Buffenstein R. (2015). Regulation of Nrf2 signaling and longevity in naturally long-lived rodents. PNAS. 112, 3722–3727;
23. Azpurua J., Ke Z., Chen I.X., Zhang Q., Ermolenko D.N., Zhang Z.D. et al. (2013). Naked mole-rat has increased translational fidelity compared with the mouse, as well as a unique 28S ribosomal RNA cleavage. PNAS. 110, 17350–17355;
24. Seluanov A., Hine C., Bozzella M., Hall A., Sasahara T.H., Ribeiro A.A. et al. (2008). Distinct tumor suppressor mechanisms evolve in rodent species that differ in size and lifespan. Aging Cell. 7, 813–823;
25. биомолекула: «Грызун особого назначения»;
26. Shams I., Manov I., Malik A., Band M., Avivi A. (2014). Underground fighting of cancer: Hypoxia-tolerant Spalax hides the key for treatment and prevention. The Plant & Animal Genome XXII Conference;
27. Gorbunova V., Hine C., Tian X., Ablaeva J., Gudkov A.V., Nevo E., Seluanov A. (2012). Cancer resistance in the blind mole rat is mediated by concerted necrotic cell death mechanism. PNAS. 109 (47), 19392–19396;
28. биомолекула: «Обнаружены организаторы побега раковых клеток из первичного очага»;
29. биомолекула: «Тернистый путь метастазов: через гипоксию в печень»;
30. Goodall K.J., Poon I.K., Phipps S., Hulett M.D. (2014). Soluble heparan sulfate fragments generated by heparanase trigger the release of pro-inflammatory cytokines through TLR-4. PLoS One. 9 (10), e109596. doi: 10.1371/journal.pone.0109596;
31. Червякова Д. Новая стратегия противораковой терапии: ингибирование гепараназы. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология»;
32. Pisano C., Vlodavsky I., Ilan N., Zunino F. (2014). The potential of heparanase as a therapeutic target in cancer. Biochem. Pharmacol. 89, 12–19;
33. Parish C.R., Freeman C., Ziolkowski A.F., He Y.Q., Sutcliffe E.L., Zafar A. et al. (2013). Unexpected new roles for heparanase in Type 1 diabetes and immune gene regulation. Matrix Biol. 32, 228–233;
34. Nasser N.J., Avivi A., Shafat I., Edovitsky E., Zcharia E., Ilan N. et al. (2009). Alternatively spliced Spalax heparanase inhibits extracellular matrix degradation, tumor growth, and metastasis. PNAS. 106, 2253–2258;
35. Thieme R., Kurz S., Kolb M., Debebe T., Holtze S., Morhart M. et al. (2015). Analysis of alpha-2 macroglobulin from the long-lived and cancer-resistant naked mole-rat and human plasma. PLoS One. 10 (6), e0130470. doi: 10.1371/journal.pone.0130470;
36. Villeda S.A., Plambeck K.E., Middeldorp J., Castellano J.M., Mosher K.I., Luo J. et al. (2014). Young blood reverses age-related impairments in cognitive function and synaptic plasticity in mice. Nat. med. 20, 659–663;
37. Cowman M.K., Lee H.G., Schwertfeger K.L., McCarthy J.B., Turley E.A. (2015). The content and size of hyaluronan in biological fluids and tissues. Front. Immunol. 6, 261. doi: 10.3389/fimmu.2015.00261;
38. Misra S., Hascall V.C., Markwald R.R., Ghatak S. (2015). Interactions between hyaluronan and its receptors (CD44, RHAMM) regulate the activities of inflammation and cancer. Front. Immunol. 6, 201. doi: 10.3389/fimmu.2015.00201;
39. биомолекула: «Одураченные макрофаги, или несколько слов о том, как злокачественные опухоли обманывают иммунитет»;
40. Schwertfeger K.L., Cowman M.K., Telmer P.G., Turley E.A., McCarthy J.B. (2015). Hyaluronan, inflammation, and breast cancer progression. Front. Immunol. 6, 236. doi: 10.3389/fimmu.2015.00236;
41. Seluanov A., Hine C., Azpurua J., Feigenson M., Bozzella M., Mao Z. et al. (2009). Hypersensitivity to contact inhibition provides a clue to cancer resistance of naked mole-rat. PNAS. 106 (46), 19352–19357;
42. Liang S., Mele J., Wu Y., Buffenstein R., Hornsby P.J. (2010). Resistance to experimental tumorigenesis in cells of a long-lived mammal, the naked mole-rat (Heterocephalus glaber). Aging Cell. 9, 626–635;
43. Tian X., Azpurua J., Hine C., Vaidya A., Myakishev-Rempel M., Ablaeva J. et al. (2013). High-molecular-mass hyaluronan mediates the cancer resistance of the naked mole rat. Nature. 499 (7458), 346–349;
44. Tian X., Azpurua J., Ke Z., Augereau A., Zhang Z.D., Vijg J. et al. (2015). INK4 locus of the tumor-resistant rodent, the naked mole rat, expresses a functional p15/p16 hybrid isoform. PNAS. 112 (4), 1053–1058;
45. Leontieva O.V., Demidenko Z.N., Blagosklonny M.V. (2014). Contact inhibition and high cell density deactivate the mammalian target of rapamycin pathway, thus suppressing the senescence program. PNAS. 111 (24), 8832–8837.

Источник: biomolecula.ru