Возможно, уже через несколько лет мы не будем так сильно бояться сердечного приступа — все пораженные клетки можно будет восстановить.

Пожалуй, каждый, кто находил у себя первую морщинку или первый седой волос, нет-нет да и задумывался о том, как было бы здорово, если бы ученые придумали лекарство от старости. Борьба со старением – дело нелегкое, поэтому любые успехи в этой области, достигнутые на «братьях наших меньших», это уже повод для большой радости. Недавно биологи нашли способ омолодить мышцы мух-дрозофил, избавив их от митохондрий, несущих вредоносные делеции в своих молекулах ДНК. Другая группа ученых продлила жизнь мышам методом частичного перепрограммирования их эпигенома. А там и до «молодильных яблок» для нас, Homo sapiens, недалеко.

Современные представления ученых о старении предполагают, что это не просто механический износ всех систем, а процесс, управляемый некими «генетическими часами», которые велят нашему телу и разуму неумолимо угасать.

Говорить о бессмертии пока бесконечно рано, но если как следует покопаться в механизме этих самых «генетических часов», то, оказывается, процесс старения всё же можно обратить. Достаточно пристальное внимание этой теме «биомолекула» уделила в спецпроекте по старению и долголетию (знакомство с ним можно начать с вводной статьи [1]).

Старение, кроме приближения неизбежного финала, сопровождается массой сопутствующих болезней и состояний. В частности, многие из старческих болезней могут вызываться накоплением в клетках, наряду с нормальными митохондриями, митохондрий с различными поломками в ДНК – мутациями. Явление, когда в одних и тех же клетках находятся митохондрии с «добрыми» и «злыми» генотипами, называется гетероплазмией. Гетероплазмия может вносить свой коварный вклад в развитие метаболических нарушений, нейродегенеративных заболеваний, рака, болезней сердца и саркопении (возрастной атрофии скелетных мышц), которые так или иначе связаны со старением организма.

Многие важные биологические механизмы сначала открывают и изучают у практически на-всё-готовых мух-дрозофил. В норме гетероплазмия у дрозофил, конечно, встречается тут и там, но чтобы превратить это явление в модель для изучения, понадобились средства генетической инженерии.

Группа ученых из Калифорнии создала систему [2], в которой гены специально натасканных на митохондрии ферментов – рестриктазы AflIII (mitoAflIII) и ДНК-лигазы Т4 (mitoT4lig) – экспрессировались под контролем промотора, работающего только в одной из мышц – той, что обеспечивает движение крыльев и полет дрозофилы. Эта не жизненно важная, характерная только для взрослых особей, энергоемкая, состоящая из постмитотических (неделящихся) клеток и содержащая огромное количество митохондрий ткань идеально подходит для наблюдения и оценки эффектов повышенного уровня гетероплазмии во взрослом организме. У молодых мух в митохондриях этой мышцы рестриктаза mitoAflIII разрезала митохондриальную ДНК в двух местах. При этом вырезанный фрагмент с несколькими важными генами терялся, а лигаза mitoT4lig сшивала оставшиеся концы ДНК. Так образовывалась делеция. Митохондрии с такими делециями накапливались в мышце в большом количестве (~76%), однако это не мешало мышце функционировать.

В норме митохондрии с поломками уничтожаются клеткой при помощи механизма, который носит название митофагия (частный случай аутофагии). Этот механизм управляется белками PINK1 (PTEN-induced putative kinase 1) и Parkin (нарушение работы этого белка у человека приводит к развитию болезни Паркинсона) и функционирует так: мембрана поломанной митохондрии деполяризуется, разрушаются мембранные белки митофузины, и митохондрия теряет возможность присоединяться ко всеобщей митохондриальной сети. В конце концов эту одинокую митохондрию уничтожают лизосомы.

Смысл и примеры «самоедства» на разных уровнях организации живой материи и в разных доменах живой природы обсуждаются в статье «Аутофагия, протофагия и остальные» [3]. Аутофагия во всех ее проявлениях оказалась настолько важным и захватывающим процессом, что в прошлом году снискала особое расположение Нобелевского комитета: «Нобелевская премия по медицине и физиологии 2016: за самоедство» [4]. – Ред.

Процесс митофагии в мышцах идет не слишком бодро, поэтому-то со временем уровень гетероплазмии всё же растет, и мышца стареет. Но, как выяснили калифорнийские ученые, омоложение такой мышцы можно стимулировать несколькими способами:

1. лишать поломанные митохондрии возможности присоединяться к общей сети, снижая уровень митофузинов;

2. предотвращать реполяризацию митохондриальной мембраны, производя белок ATPIF1, который ингибирует активность АТФазы, но не АТФ-синтазы;

3. повышать эффективность распознавания поломанных митохондрий, увеличивая количество белков PINK1 и Parkin;

4. активировать процесс митофагии.

Эти открытия на дрозофиле послужат отправной точкой для генетических и химических скринингов. Эти скрининги помогут выявить молекулы, способные очистить ткани от поломанных митохондрий и потому стать долгожданным лекарством от старости для нас.

Всего через месяц после публикации статьи о мухах с омолодившимися мышцами другие калифорнийские биологи порадовали мир новостью об омоложении мышей [5], которые, по сравнению с мухами, уже почти что люди.

В качестве модели для этого эксперимента выбрали мышей с мутацией, приводящей к прогерии – преждевременному старению. В основе лечения таких мышей-старичков лежала уже весьма известная и изученная технология получения индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Ее суть в том, что из дифференцированных клеток путем генетического перепрограммирования получают стволовые клетки, способные стать любым другим типом клеток. Такое перепрограммирование достигается, когда в клетках с предопределенной судьбой в течение нескольких недель индуцируют экспрессию всего четырех генов: Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc – так называемых факторов Яманаки (Yamanaka factors) [6–8]. В результате изменяется эпигеном этих клеток – «штатное расписание» работы всех генов [9]. «Генетические часы» такой клетки как будто возвращаются в 00 часов 00 минут.

Но в случае борьбы со старением такое обнуление на уровне всего организма было бы фатальным: клетки кожи, например, «забыли» бы, кто они. Поэтому ученые индуцировали экспрессию факторов Яманаки у мышей, больных прогерией, всего лишь в течение нескольких дней. В результате многие органы существенно омолодились. Под микроскопом ткани кожи, селезенки, почек и желудка просто излучали молодость и здоровье. Кроме того, у грызунов улучшилась работа сердечно-сосудистой системы, которая с возрастом обычно изнашивается первой. Процесс накопления повреждений ДНК, сопутствующий прогерии, замедлился, и мыши-старички стали жить целых 24 недели вместо положенных судьбой 18.

Эта работа доказала, что борясь с возрастными изменениями эпигенетической информации, можно не только увеличить продолжительность жизни, но и системно оздоровить многие органы.

К большому сожалению, использованные в этом исследовании технологии нельзя тут же применить к людям, и до клинических испытаний потенциальных лекарств от старости, по словам ученых, должно пройти не меньше 10 лет. Тем не менее мысль, что нам удастся на своем веку отведать первый урожай «молодильных яблок», радует бесконечно.

Ссылки на источники в оригинале статьи

06.04.2017 Источник: biomolecula.ru

С помощью зрения человек воспринимает около 80% информации. Утрата любого канала восприятия окружающего мира — большая трагедия для человека, но потерять зрение — основного поставщика внешней информации — особенно неприятно. Ученые всего мира ломают головы над решением проблемы слепоты — над тем, как остановить потерю зрения и как вернуть его уже ослепшим людям. И они делают значительные успехи. В 2016 году компания RetroSense поставила эксперимент по восстановлению зрения у крыс — и у них получилось. Посмотрим, что же они придумали.

Вспомним вкратце, как устроено человеческое зрение. В глазу у человека (а конкретнее, в сетчатке) находятся два типа светочувствительных нейронов, или фоторецепторов, — палочки и колбочки (рис. 1). Палочки отвечают за ночное зрение (зрение в условиях слабой освещенности), колбочки — за дневное. Колбочки делятся на три типа в зависимости от чувствительности к свету разных длин волн и, соответственно, отвечают за цветовое восприятие: одни — за красную область спектра, другие — за зеленую, третьи — за синюю. Раздражение всех трех типов колбочек дает человеку восприятие белого цвета.

Рисунок 1. Однажды в сетчатке глаза. Иллюстрация, хотя и основана на реальном строении сетчатки, намеренно упрощена. В действительности клетки-фоторецепторы расположены под ганглионарными клетками, а не над. То есть источник света попросту расположен с другой стороны.

Световой сигнал (пучок фотонов) поступает к фоторецепторам, которые содержат светочувствительные белки опсины (в палочках находится самый известный из них — родопсин [1], а в колбочках разные виды опсинов воспринимают разные цвета). В результате серии фотохимических трансформаций молекул этих пигментов меняется мембранный потенциал палочек/колбочек — световая энергия таким образом преобразуется в нервный импульс, который через биполярные клетки передается ганглионарным клеткам, а те, в свою очередь, направляют «увиденное» в мозг. Некоторые заболевания приводят к тому, что палочки или колбочки атрофируются и перестают работать. Последствия подобных изменений печальны — больной слепнет. Одно из таких заболеваний — пигментный ретинит (retinitis pigmentosa, RP). Эта патология наследственная и пока неизлечимая. Сейчас от RP страдает около полутора миллионов человек в мире [2]. Согласитесь, цифра немалая.

Конечно, никто не готов смириться с надвигающейся слепотой, и врачи с пациентами стараются всячески противостоять болезни. На данный момент есть три возможных решения. Во-первых, можно вводить в глаза моноклональные антитела, подавляющие патологический рост сосудов, питающих сетчатку, — ранибизумаб (Lucentis) или афлиберцепт (Eylea). Однако больным с пигментным ретинитом, в отличие от пациентов с возрастной макулярной дегенерацией, это лекарство приносит не очень много пользы. Второй выход — генная терапия. Этот вариант пока подходит только тем людям, у которых выявлена мутация в гене RPE65. Метод лечения, разработанный компанией Spark Therapeutics, сейчас проходит третью стадию клинических исследований. К сожалению, уже ослепшим пациентам этот метод никак не поможет. Третий вариант может подойти в качестве крайней меры, но на самом деле мало кто согласится на опасную и дорогостоящую операцию по трансплантации глаза. Кроме того, пациенту придется постоянно носить с собой электронный девайс «Аргус 2» стоимостью $150 000, что тоже может доставлять некоторые неудобства. Похожий прибор, сочетающий голографические и оптогенетические технологии с кибернетической «приставкой», уже был описан на «биомолекуле» [3], однако жить и взаимодействовать с ним не сильно проще, чем с «Аргусом 2».

Итак, все три способа вернуть зрение довольно ограничены и неудобны в применении. Так что же, любые усилия тщетны? На самом деле пациентам с неработающей сетчаткой не стоит отчаиваться: им на помощь всё-таки придет оптогенетика (рис. 2).

Рисунок 2. Как работает оптогенетика? В клеточных мембранах водорослей есть ионный канал (канальный родопсин, ChR), который открывается под действием голубого света. С помощью методов генетической инженерии ген этого канального белка можно внедрить в специфические нейроны головного мозга человека. Нейроны коммуницируют посредством электрических сигналов — «волн» поляризации и деполяризации их мембран, возникающих в результате открытия/закрытия ионных каналов. Управлять «общением» трансгенных нейронов, производящих канальный родопсин, можно всего лишь вспышками голубого света. Используя правильные последовательности световых импульсов, можно взять под контроль активность нейронных цепей и, например, заставить животное двигаться

Оптогенетические технологии управления нейронами уже неоднократно обсуждались на страницах «биомолекулы» [4], [5]. Чаще всего в них применяют генетический вектор на основе аденоассоциированного вируса (AAV), произведенный компанией uniQure. Этот вектор уже одобрен для лечения гемофилии, болезни Хантингтона, сердечнососудистых заболеваний и хиломикронемии (наследственного дефицита липопротеинлипазы). Если решаются оптогенетические задачи, то вектор должен доставить ген бактериородопсина в ганглионарные клетки сетчатки, что сделает их светочувствительными. Так как наш мозг пластичен, то вскоре он научится воспринимать сигналы, исходящие непосредственно от ганглионарных клеток, и пациент может в буквальном смысле слова прозреть. Эта схема недавно была разработана компанией RetroSense и уже получила одобрение FDA для лечения первого пациента. Кстати, инвестором компании недавно стал ученый и предприниматель российского происхождения Дмитрий Кузьмин. Схема терапии довольно простая — больному необходимо один или всего несколько раз в жизни сделать укол в глазное яблоко. Цена такого мероприятия пока что неизвестна, но, будем надеяться, его смогут себе позволить многие пациенты.

Этой успешной разработке предшествовал другой научный прорыв: ученые из Института биологических исследований Солка (Salk Institute) научились вводить гены не только в делящиеся, но и в постмитотические, «зрелые» клетки — например, клетки глаза, мозга, поджелудочной железы или сердца. Для того чтобы достичь своей цели, ученые использовали хорошо известный путь репарации NHEJ (non-homologous end-joining, негомологичное соединение концов). В природе этот механизм используется для починки ДНК путем простого «сшивания» концов разорвавшихся цепей. Чтобы иметь возможность прицельно вставлять ген в нужное место, был разработан особый подход, который исследователи назвали HITI (homology-independent targeted integration, прицельная интеграция, независимая от гомологии) [2], [6]. HITI-пакет состоит из коктейля нуклеиновых кислот, который доставляется в нейроны при помощи вирусного вектора. Таким способом ученым удалось частично восстановить зрение крысам с пигментным ретинитом, вызванным повреждением гена Mertk (кодирует трансмембранный белок из семейства тирозиновых киназ, необходимый для полноценного фагоцитоза в клетках пигментного эпителия сетчатки [7]). Эта технология выглядит многообещающей для клинических ситуаций, которые можно исправить «починкой» конкретных дефектных генов.

Еще совсем недавно было сложно предположить, что незрячие люди получат возможность прозреть, однако будущее надвигается на нас с невероятной скоростью и, судя по всему, несет нам немало побед над неизлечимыми болезнями.

Ссылки на источники в оригинале статьи

11.04.2017 Источник: biomolecula.ru

Болезнь Альцгемера — нейродегенеративное заболевание с крайне удручающими симптомами: пациенты становятся беспомощными, утрачивают связь с реальностью и даже теряют способность говорить. В 2016 году научным коллективам удалось немного продвинуться как в понимании молекулярных основ этой патологии, так и в разработке способов борьбы с ней. В частности, были проведены клинические испытания сразу двух препаратов, направленных на уничтожение β-амилоидных частиц — структур, связанных с развитием болезни Альцгеймера. В то же время эксперименты на живых организмах подтвердили предположение о том, что β-амилоид обладает полезными для нашего организма свойствами — он является важным элементом врожденного иммунитета.

Болезнь Альцгеймера, как правило, развивается у людей старше 65 лет. Внешне она проявляется триадой «афазия-апраксия-агнозия»: человек утрачивает способность совершать элементарные действия, распознавать предметы и лица людей, нарушается его речевая активность. При этом отклонениям в поведении пациентов предшествуют физиологические изменения в их организме. За 10–15 лет до первых проявлений заболевания в мозге начинают откладываться так называемые β-амилоидные бляшки. Эти характерные скопления сформированы преимущественно β-амилоидом — пептидом, образующимся особым ферментативным расщеплением белка — предшественника β-амилоида. Многие исследователи считают, что эти образования способствуют прогрессирующей дегенерации клеток мозга, в связи с чем разрабатывают лекарства, направленные на уничтожение или уменьшение числа β-амилоидных скоплений. В 2016 году сразу два таких противоамилоидных препарата проходили клинические испытания.

Одно из этих лекарств разработали в Швейцарии. Вначале ученые отбирали образцы крови у пожилых людей, которые не демонстрировали никаких когнитивных нарушений. Затем из отобранной крови они выделяли B-лимфоциты. При этом важно было выделить такие клетки, антитела которых распознавали бы «токсичные» β-амилоидные бляшки, но не белок-предшественник. Дело в том, что предшественник β-амилоида присутствует во всем организме и играет важную роль в росте нервных клеток, поэтому затрагивать его крайне нежелательно — можно навредить здоровью. В результате было получено моноклональное антитело адуканумаб (aducanumab) [1]. Оно избирательно реагирует с вредным β-амилоидом, но не атакует полезный белок-предшественник. Предположительно, это антитело может помочь пациентам на ранней стадии болезни Альцгеймера.

К настоящему моменту уже завершена первая фаза клинических испытаний адуканумаба [2], [3]. Лечению этим антителом подвергались 165 пациентов на ранней стадии болезни Альцгеймера: часть из них получала адуканумаб, а часть (контрольная группа) — плацебо. Сравнивая между собой такие группы, можно судить об эффективности лекарства. Оказалось, что у пациентов из группы плацебо значительно снижались когнитивные способности, тогда как у пациентов, получающих антитело, они стабилизировались. Проверяли это при помощи стандартных вопросников для оценки познавательных способностей. Также методом позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) ученые выяснили, что адуканумаб способствует уменьшению β-амилоидных отложений в мозге. В настоящее время проводятся новые клинические исследования для дальнейшей оценки безопасности и эффективности адуканумаба. Кто спасёт принцессу Чтобы увидеть рисунок в полном размере, нажмите на него. Рисунок Ольги Посух.

Второй препарат получили исследователи из США и Канады [4]. Называется он верубецестат (verubecestat), и его функция заключается в ингибировании фермента бета-секретазы (BACE1). Этот фермент — один из главных «производителей» β-амилоида в мозге. Исследования, которые проводились на грызунах и приматах, показали, что у животных, принимавших верубецестат на протяжении 6–9 месяцев, содержание β-амилоида в центральной нервной системе заметно снижалось. К сожалению, результаты оказались не столь вдохновляющими, когда очередь дошла до лечения людей. В феврале 2017 года было решено прекратить клинические испытания верубецестата, поскольку препарат не проявлял эффективности в борьбе с уже развившейся болезнью Альцгеймера — по крайней мере, в случае ранней или умеренной деменции. Независимые эксперты сошлись во мнении, что в данном случае шансов получить положительный клинический эффект практически нет. Однако исследователи не теряют надежды: есть вероятность, что верубецестат подойдет для лечения пациентов с первыми проявлениями болезни Альцгеймера. Результаты этих клинических испытаний будут известны в феврале 2019 года.

В последнее время амилоидная гипотеза развития болезни Альцгеймера постепенно теряет свои позиции. Один из главных фактов, опровергающих устойчивое мнение о вредоносности β-амилоида, обнаружили исследователи из Массачусетской клинической больницы [5], [6]. Оказалось, что β-амилоид представляет собой нормальный компонент врожденного иммунитета. Ранее ученые подтвердили это предположение в экспериментах in vitro, то есть продемонстрировали соответствующие эффекты в модельных системах вне живого организма [7]. Сейчас же они получили аналогичные результаты в опытах in vivo, то есть на живых организмах. Новые исследования на мышах и круглых червях, как и эксперименты с культивируемыми клетками человеческого мозга, показали, что β-амилоид способен защищать организм от потенциально летальных инфекций. Ученые сравнивали синтетические формы β-амилоида с кателицидином — антимикробным пептидом, который помогает справляться с инвазивными бактериальными инфекциями. Оказалось, что β-амилоид ингибирует рост нескольких опасных патогенов так же, а иногда даже и лучше, чем кателицидин.

β-Амилоид, выделенный из мозга пациентов с болезнью Альцгеймера, подавлял рост культивируемых дрожжей Candida, а его синтетический аналог оказался эффективен против вирусов гриппа и герпеса. Также ученые выяснили, что трансгенные мыши, у которых экспрессировался ген человеческого β-амилоида, жили после заражения сальмонеллой значительно дольше их обычных сородичей. А быстрее всех погибали мыши, лишенные какого бы то ни было амилоидного предшественника. Трансгенная экспрессия β-амилоида защищала круглых червей и культуры нейронов от заражения микроорганизмами Candida и Salmonella. И, как вишенка на торте, последний факт: человеческий β-амилоид, синтезируемый живыми клетками, оказался в 1000 раз эффективнее в борьбе с инфекциями по сравнению с его синтетическими аналогами.

Почему так происходит? Вероятно, антимикробный эффект β-амилоида объясняется как раз его способностью образовывать агрегаты: его молекулы связываются с поверхностью микробов, а затем объединяются в плотные структуры, что предотвращает прикрепление патогенных микроорганизмов к клеткам макроорганизма. Тогда почему же амилоидные бляшки накапливаются именно в мозге? Ученые не исключают следующий вариант: возможно, мозг по каким-то причинам начинает воспринимать себя «атакованным» вторгающимися патогенами (и, возможно, в действительности так оно и есть), в результате чего запускается усиленная выработка амилоида. Но для подтверждения этой гипотезы требуются дальнейшие исследования.

Так каков же итог? Как лечить болезнь Альцгеймера? Пока очевидного ответа на этот вопрос, увы, нет. Однако, учитывая новые данные, следует понимать: тотальное уничтожение β-амилоида может быть чревато негативными последствиями для здоровья. Амилоидная гипотеза выглядит уже не так многообещающе, и ученым предстоит искать новые мишени для лечения этого тяжелого недуга. Хочется верить, что эра новых лекарств против болезни Альцгеймера уже не за горами.

Ссылки на источники в оригинале статьи

10.04.2017 Источник: biomolecula.ru