Бессмертие в обмен на бесплодие?

Нематода C. elegans (окраска позволяет выделить клеточные ядра). Фото с сайта en.wikipedia.org

Группе ученых из Арканзасского медицинского университета (Литтл-Рок, США) под руководством Роберта Шмуклера Райса удалось достичь десятикратного — рекордного на сегодняшний день — увеличения продолжительности жизни червя нематоды. За счет всего одного изменения гена age-1 им удалось получить особей, которые давали долгоживущее, устойчивое к различным ядам, но при этом совершенно стерильное потомство.

Нематода (круглый червь) Caenorhabditis elegans — излюбленный модельный организм биологов. Если на примере бактерии E. coli биологи исследуют прокариот, на примере дрожжей Saccharomyces cerevisiae — одноклеточные организмы, то C. elegans, наряду с мушкой дрозофилой и лабораторной мышью, — незаменимый объект для исследования многоклеточных животных.

Любовь биологов к червю отчасти вызвана его прозрачностью и быстротой размножения (полный цикл развития C. elegans составляет около трех суток). И хотя C. elegans едва различим человеческим глазом (он достигает в длину лишь 1 мм), за несколько десятилетий исследований, часть которых посвящена проблемам старения организмов, этот крошечный червь принес уже немало пользы человечеству — с ним работали и продолжают работать молекулярные биологи, эмбриологи и даже нейробиологи (червь имеет нервную систему из трехсот нейронов).

На сегодняшний день у C. elegans известно порядка 80 мутаций, влияющих на продолжительность жизни. В частности, ранее было замечено, что нарушения молекулярных каскадов, связанных с важным гормоном (присутствующим и у человека) — инсулиноподобным фактором роста ИФР-1 (insulin-like growth factor, IGF-1), приводили к трехкратному превышению естественного двухнедельного срока жизни нематод C. elegans (и давали несколько меньший эффект при работе с другими видами, например мышами). Однако в работе, опубликованной недавно в журнале Aging Cell, этот рекорд был превзойден более чем в три раза. «Выбивание» одного из ферментов в каскаде инсулиноподобного фактора роста дало уже не трех-, а десятикратное увеличение продолжительности жизни: некоторые из подопытных нематод прожили девять месяцев.

В любом организме — даже одноклеточном — есть целый ряд молекулярных каскадов, призванных передавать информацию о внешних воздействиях или изменениях внутренней среды к сложному механизму регуляции экспрессии генов. Пришедший на рецепторы клеточной мембраны сигнал (например, если молекула рецептора провзаимодействовала с сигнальной молекулой гормона, нейромедиатора или лекарства) запускает цепочку из сложных превращений, таких как изменение конформаций белков, добавление и удаление фосфатных групп, катализ и ингибирование различных биохимических реакций). На каждой стадии превращения происходит как усиление сигнала, так и передача его в необходимую сторону — к ядру и транскрипционным факторам, регулирующим транскрипцию ДНК с тех или иных генов.

Схема молекулярного каскада с участием ИФР-1 (Signaling Pathway mediated by IGF-1). Рис. с сайта www.grt.kyushu-u.ac.jp (там все факторы на рисунке кликабельны)

К веществам, способным запускать молекулярные каскады, относятся, в частности, инсулин и инсулиноподобный фактор роста ИФР-1. Разветвленность молекулярных каскадов, запускаемых рецепторами инсулина, приводит к тому, что этот сравнительно короткий (51 аминокислота) пептид влияет на процессы от метаболизма глюкозы и регуляции кровяного давления до возникновения нейродегенеративных болезней. А схожая по молекулярной структуре цепочка из 70 аминокислот — ИФР-1 — уже играет другую роль. Инсулиноподобный фактор роста участвует в процессах дифференцировки и роста клеток и даже может приводить к блокированию апоптоза — запрограммированной клеточной смерти. ИФР-1 также участвует в регуляции синтеза соматотропного гормона (который у человека, уже на уровне организма в целом, отвечает за рост костей у детей и подростков), попутно влияя на синтез и распад белка и опять-таки уровень глюкозы в крови.

Сигнальный каскад, запускаемый инсулиноподобным фактором роста, весьма сложен. ИФР-1 сначала взаимодействует со специальными рецепторами, потом сигнал передается с участием фермента фосфатидилинозитол-3-киназы первого класса (PI3K_CS) к четырем различным белкам-киназам и уже от киназ — к ядру и геному (где запускается или останавливается экспрессия генов). Вмешаться в работу этого каскада можно на разных этапах, отключая те или иные гены, и такие вмешательства нередко приводят к изменению продолжительности жизни червя.

В работе американских ученых изучалась нонсенс-мутация (приводящая к прерыванию синтеза белка: вместо кодона, кодирующего очередную аминокислоту в цепочке, появляется стоп-кодон) гена age-1, кодирующего белок PI3K_CS. Ранее нарушение других звеньев сигнальной цепи изучалось на мутациях других генов — например, гена daf-2 (кодирующего рецептор ИФР-1) и daf-12 (кодирующего транскрипционный фактор). «Выбивание» обоих этих генов и дало один из предыдущих рекордов — жизнь нематоды продлили в 4,4 раза. Но это всё же не на порядок и к тому же за счет комбинации двух мутаций (а не одной, как в случае age-1).

Райсу и коллегам удалось получить потомство от мутантов по гену age-1, которые до этого считались принципиально не достигающими зрелого возраста. Родители мутантных нематод были гетерозиготные — с работоспособной копией гена и за счет этого с нормальной физиологией. То есть в их диплоидных клетках только один комплект хромосом нес интересующую нас мутацию по гену age-1. Эффект от этой мутации проявился лишь у 1/4 потомства, которое (в полном соответствии с менделевскими законами наследования) получило оба комплекта генетического материала с мутацией по гену age-1. Эта четверть гомозиготных мутантов первого поколения несла какое-то количество материнского фермента и за счет этого была способна приносить потомство (без PI3K процесс формирования половых клеток не завершается). Мутантов удалось вырастить при пониженной температуре (15-20°C вместо нормальных 25°C, при которых, как показал ранее ряд авторов, происходила остановка развития на личиночной стадии) и получить уже второе поколение — интересное тем, что у них не было унаследованного с материнской яйцеклеткой фермента PI3K_CS; в строгом понимании, именно эти нематоды испытали все эффекты мутации.

Гомозиготные мутанты второго поколения прожили в десять раз дольше, чем обычные C. elegans. Но при этом они были стерильны: полное отсутствие PI3K_CS, в том числе и родительской, привело не только к удлинению жизни, но и к бесплодию. Так что отключение имеющегося молекулярного каскада (именно отключение существующих, а не добавление каких-то новых генов!) все-таки для них даром не прошло.

Возникает естественный вопрос: можно ли в принципе распространить результаты исследования на млекопитающих? Ведь мыши с мутациями, затрагивающими каскад ИФР-1, тоже жили дольше обычных, правда только в 1,7 раза и при этом для них были введены еще и дополнительные ограничения в питании. Так, может быть, возможно как-то компенсировать связанное с геном age-1 бесплодие и оставить только долгую жизнь?

Ряд данных указывает на то, что нельзя — по крайней мере, в одно действие. ИФР-1 и связанные с ним ферменты задействованы, как минимум, еще и в процессах метаболизма (подробное исследование тот же коллектив авторов обещает опубликовать в ближайшее время). Кроме того, черви-долгожители еще и оказались более стойкими к действию перекиси водорода, но менее стойкими к высоким температурам (35°C) по сравнению с обычными червями. Если один ген влияет на такое многообразие процессов, то что уж говорить о взаимодействии нескольких генов применительно к вызреванию яйцеклеток?

Источник: Srinivas Ayyadevara, Ramani Alla, John J. Thaden, Robert J. Shmookler Reis. Remarkable longevity and stress resistance of nematode PI3K-null mutants // Aging Cell. 2208. V. 7. № 1. P. 13-22(10) (полный текст — PDF, 450 Кб).

Алексей Тимошенко

<< Назад