Продолжительность жизни человека благодаря достижениям медицины за последний век существенно возросла. В России — практически в два с лишним раза (по разным данным примерно с 30 до 71 года). Но долголетие остается мечтой человечества. Сегодня это одна из задач науки и здравоохранения во всех передовых странах. Для достижения результата идут в ход самые разные методы и технологии. Занимающаяся геронтологической темой старший научный сотрудник, кандидат биологических наук Екатерина ПРОШКИНА из Федерального исследовательского центра «Коми научный центр Уральского отделения Российской академии наук» использует в своей работе плодовых мушек. Девушка, чьи исследования поддержаны грантом Президента России в поддержку молодых ученых, рассказала «Поиску» о тонкостях использования этих маленьких насекомых во благо науки и человека.
— Екатерина, введите, пожалуйста, в курс дела: какие темы разрабатывает ваша научная группа?
— Одно из направлений исследований лаборатории геропротекторных и радиопротекторных технологий, в которой я работаю под руководством члена-корреспондента РАН Алексея Александровича Москалева, — это выявление ключевых генов и белков, которые определяют, как долго организм проживет и как быстро будет стареть. Мы находим мишени, воздействие на которые поможет продлить жизнь и замедлить возрастные изменения. Влиять на них можно разными методами. Например, менять последовательность и активность генов, что мы и делаем в опытах с модельными животными. Можно повышать или подавлять активность белков с помощью фармакологических веществ. Или стимулировать эту активность, изменяя условия среды и особенности образа жизни.
— И какова же в этих экспериментах роль мушки дрозофила?
— Плодовая мушка Drosophila melanogaster идеально подходит для исследований в области генетики старения и долголетия. У нее короткий жизненный цикл — за две недели мы можем получить необходимых для работы взрослых особей, которые затем живут около трех месяцев. В таких условиях удобно тестировать геропротекторные воздействия, которые увеличивают продолжительность жизни.
Следует отметить, что у дрозофилы хорошо изучен геном. Большинство ее генов имеет ортологи (так называют гены с одинаковой функцией у разных видов) у человека. Если какой-то ген у дрозофилы отвечает за старение, то можно ожидать, что его ортолог вносит вклад в возрастные изменения у людей.
Нам доступно много линий дрозофил с искусственно созданными изменениями в конкретных генах. Сейчас в разных странах есть специальные центры, где разводят и хранят линии дрозофил с разными генотипами. Информация о них находится в Интернете. На сайтах таких центров можно выбрать линию с нужным набором изменений и заказать ее. Кроме того, мы можем обмениваться линиями с другими институтами, которые работают с дрозофилой. Они есть и в России, и за рубежом. Например, у нас в институте тоже имеется своя коллекция линий дрозофил, иногда мы отправляем мушек коллегам.
Drosophila melanogaster легко содержать, для этого достаточно камеры или комнаты, где поддерживаются нужная температура и влажность. Ингредиенты для питания — кукурузную муку, манную крупу, дрожжи, сахар, глюкозу — можно закупать на обычных продуктовых складах.
— Как вы определяете роль генов в контроле продолжительности жизни?
— Мы выясняем это экспериментальным путем. Сначала подбираем линии мушек с изменениями в геноме. Для этого просматриваем информацию в опубликованных статьях и базах дрозофилиных центров, о которых я уже говорила. Ищем линии с учетом нужных нам изменений и генетического фона. Для сниженной активности выбираем линию с мутацией гена, то есть нарушением последовательности ДНК, из-за которой ген перестает работать. Или для этой же задачи можем взять линию с РНК-интерференцией гена, то есть блокированием его активности путем разрушения мРНК — промежуточного звена между геном и белком.
Для изучения дрозофил с повышенной активностью определенного гена есть линии с его дополнительными копиями. Их получают исследователи, владеющие методами трансгенеза, с помощью введения в зародыши мушек конструкций с нужными генами.
Затем, после заказа и получения линий, мы их размножаем до нужного количества — из расчета, чтобы на один вариант эксперимента набралось минимум 100-150 особей. Так как в одном эксперименте мы сравниваем разных дрозофил, то можем отобрать и больше тысячи.
Мушек рассаживаем в специальные пробирки с питательной средой с учетом их генотипа, пола и других условий эксперимента, например, добавляем какие-то вещества, действие которых мы решили изучить. В пробирках они живут до конца жизни, и мы отмечаем возраст, в котором умерла каждая мушка. По этим данным определяем динамику смертности и параметры продолжительности жизни в связи с изменениями в геноме.
Существуют гены, выключение которых заметно укорачивает жизнь. То есть они важны для поддержания нормальной работы и жизнеспособности организма. К ним можно отнести гены ответа на повреждение ДНК, антиоксидантной защиты. Интересно изучить, как будет влиять на продолжительность жизни и скорость старения их повышенная активность. Для этого ученые добавляют в геном еще одну или даже несколько копий какого-либо гена и получают животных, у которых одновременно работают свой ген и копия.
Далее ученые, в том числе геронтологи, могут проверить результат таких преобразований. Исследования нашей лаборатории и коллег из других институтов доказывают, что таким способом действительно можно получить мушек-долгожителей. Но далеко не всегда удается увидеть ожидаемый эффект. Это связано с тем, что гены и белки в клетках организма взаимодействуют друг с другом, образуют целые сети. Поэтому изменение активности какого-то одного компонента, даже позитивно влияющего на продолжительность жизни, может вызвать дисбаланс в работе всей сети генов. Например, это происходит из-за чрезмерного расхода энергии.
Нужна очень тонкая настройка генной экспрессии, чтобы стимулировать нужные механизмы и не навредить работе всей клетки и организма. Если все-таки удается продлить жизнь, мы делаем вывод, что имеем дело с геном долгожительства. Чаще работаем с генами, которые имеют ортологи у разных организмов, в том числе человека. Соответственно, их стимуляция с большой вероятностью замедлит старение и у других видов.
Также ученые-геронтологи нашли гены, выключение которых, наоборот, продлевает жизнь у модельных животных. Это, например, хорошо изученные гены сигнального пути инсулина или мишени рапамицина. Мишень рапамицина, так же как инсулин, это регулятор обмена веществ и роста на уровне клетки. Изначально она была обнаружена как мишень для лекарства-иммунодепрессанта рапамицина. Отсюда такое название.
Сейчас исследовали, работающие с дрозофилой, создали модельные системы, которые позволяют не только контролировать, какой ген и в какую сторону будет менять активность. Мы можем контролировать, насколько сильно и как долго будет повышаться или снижаться эта активность, какую стадию жизненного цикла и какие органы затронут изменения. Благодаря такому подходу мы выясняем, на какие гены и белки стоит воздействовать, чтобы продлить жизнь и замедлить старение организма. И понять, в каком направлении и насколько интенсивно нужно это делать. То есть мы занимаемся поиском мишеней, по возможности универсальных для мухи и человека.
— Каким образом гены биогенеза и регуляции малых РНК влияют на продолжительность жизни и старение?
— В клетках всех живых организмов, включая дрозофилу и человека, есть разнообразные типы РНК. Они отличаются по своим функциям. Например, есть матричная РНК (мРНК, или информационная РНК), которая выступает в качестве промежуточного звена между геном и кодируемым ею белком. Есть рибосомальная РНК и транспортная РНК, которые непосредственно участвуют в процессе сборки белков. А есть регуляторные молекулы, которые координируют активность генов в клетке. К ним относится группа малых РНК.
Если требуется, чтобы в клетке снизилась активность каких-то генов, то малые РНК разрушают мРНК этих генов. Например, это происходит в процессе развития организма или как ответ на изменение внешних условий. Малые РНК также необходимы для защиты генома от транспозонов (это участки ДНК, способные к передвижению и размножению в пределах генома) и вирусов. Они принимают участие в развитии организма, поддержании стабильности генома, иммунитета и обмена веществ.
Слаженная работа белков и генов их биогенеза также важна для этих процессов. Мутация одного из генов биогенеза малых РНК вызывает синдром GLOW, при котором наблюдаются нарушение развития и множественные опухоли. Возрастные заболевания, например, разные виды рака, болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, сердечная недостаточность, сахарный диабет, сопровождаются нарушением работы генов биогенеза малых РНК.
До недавнего времени было очень мало исследований роли генов биогенеза и регуляции малых РНК в контроле продолжительности жизни. Они касались какого-то одного гена и проводились чаще на дрожжах или нематодах. Мы проводим комплексную работу, которая включает изучение влияния подавления и активации почти всех генов биогенеза малых РНК у дрозофилы на продолжительность жизни и скорость старения.
— Какими результатами уже можете похвастать?
— Мы обнаружили, что изменение активности некоторых генов биогенеза малых РНК в определенных тканях влияет на продолжительность жизни плодовых мушек и их устойчивость к действию гамма-излучения.
Еще мы увидели, что активация любого из двух генов семейства Dicer в нервной системе и жировом теле (аналог печени) продлевает жизнь дрозофил. Так же действует подавление гена piwi в нервной системе. Все три гена имеют ортологи у млекопитающих и человека. До нас никто не выяснял, что активация гена Dicer-1 и выключение гена piwi в отдельных тканях может влиять на продолжительность жизни. Если судить по полученным данным, они могут выступать в качестве мишеней для геропротекторных вмешательств.
Снижение активности гена Argonaute-1 повышает устойчивость к гамма-излучению и стимулирует активность других генов, которые участвуют в ответе на клеточные повреждения. То есть этот ген и кодируемый им белок могут быть целью для воздействия потенциальных радиопротекторов (веществ, которые защищают от последствий облучения).
Поиск и разработка радиопротекторов — очень актуальная задача. Если получится найти эффективные вещества для людей, то их можно будет использовать в качестве средств для защиты здоровья населения, проживающего в местах с повышенным радиационным фоном, для устранения отрицательного влияния лучевой терапии при лечении рака и даже для поддержания здоровья космонавтов.
Подбор геропротекторных и радиопротекторных способов воздействия и учет возможных последствий — это уже отдельное большое и перспективное направление исследований. Мы также проводим исследования в этом направлении — на уровне поиска и проведения доклинических испытаний таких средств.
— Что-то на эти темы опубликовано?
— По нашим исследованиям есть две публикации в зарубежных журналах: теоретическая статья в Aging Research Reviews и экспериментальная работа в International Journal of Molecular Sciences. На стадии подготовки еще пара статей. Хотелось бы их тоже представить в англоязычных журналах (так как у них шире круг читателей и выше цитируемость), если позволит нынешняя ситуация в мире. Большая часть публикаций по генетике старения (где-то 80%) у нас как раз в зарубежных журналах по геронтологии, генетике, молекулярной биологии. Данные по этой работе мы отправляли еще до известных событий, поэтому с притеснениями не сталкивались. Я так понимаю, сейчас очень много будет зависеть от лояльности редактора и рецензентов.
— Что дальше планируете исследовать?
— Прежде всего продолжим работу над выяснением эффектов подавления и активации генов биогенеза малых РНК, а также других генов, ранее не изученных. Отдельное внимание хотим уделить действию фармакологических препаратов, которые способны повышать или снижать активность белков, кодируемых этими генами, на продолжительность жизни. Мы уже подобрали список из десятка известных лекарственных препаратов, которые используются для лечения некоторых заболеваний и которые потенциально могут связываться с белками биогенеза малых РНК и влиять на их работу.
Препараты подбираем специальными программными средствами на основе метода молекулярного моделирования. Сейчас ставим эксперименты по оценке их влияния на продолжительность жизни. Новые результаты по этой теме ждем уже в ближайшие год-два.
Василий Янчилин
Нет комментариев