Кто выживает, тот до старости живет

Мыши с одним из вариантов белка p53 живут дольше, но чаще болеют раком

Полина Лосева, «Элементы»

Рис.1. Модель белка р53 (показан красным и желтым), обхватывающего нить ДНК (сине-зеленая двойная спираль). Изображение с сайта pdb101.rcsb.org

Белок р53 известен как «страж генома». Он активируется при повреждениях ДНК и других критических состояниях клетки, блокирует ее деление и запускает программу апоптоза. Таким образом р53 препятствует опухолевой трансформации клеток, а мутации и нарушения в его работе приводят к возникновению опухолей. Этот белок встречается у людей в двух вариантах, которые отличаются друг от друга силой связывания с ДНК и, как следствие, способностью регулировать внутриклеточные процессы. Оказалось, что мыши с более «слабым» вариантом белка р53 чаще болеют раком, но зато живут дольше, чем мыши с более «сильным» его вариантом: «но какие выживают – те до старости живут». Видимо, мы знаем о функциях этого белка далеко не всё.

Перед каждой клеткой многоклеточного организма стоит не только задача выполнить свои функции, но и – что иногда важнее – не навредить организму в целом. Наибольший вред, который клетка может принести, – это опухолевая трансформация и неконтролируемое деление. Трансформированные клетки конкурируют со здоровыми клетками за ресурсы (питательные вещества, пространство организма) и практически всегда выигрывают и продолжают делиться, так как нечувствительны к сигналам извне. Поэтому необходимы системы контроля клеточного цикла, которые будут чутко реагировать на изменения внутри клетки. Ошибки в ДНК, неправильное расхождение хромосом при делении, накопление поврежденных белков – все это сигнализирует о том, что с клеткой происходит что-то не то. Неважно, чем эти неполадки вызваны, главное – помешать такой клетке размножиться.

Один из главных «контролеров» клеточного цикла – белок р53 (см.: На пути к детальному каталогу раковых генов, «Элементы», 06.04.2015). Он работает как фактор транскрипции: связывается с ДНК, влияя на работу разных генов: подавляет гены, стимулирующие деление клетки, и активирует гены, тормозящие деление. Именно к р53 через разные молекулы-посредники и стягиваются все сигналы о происходящем внутри клетки. В зависимости от количества активированного р53 в клетке она или делится (если его мало), или не делится (если его много) или умирает апоптозом (если очень много).

Мутации в гене TP53, кодирующем белок р53, часто приводят к развитию рака (Hollstein et al., 1991. p53 mutations in human cancers). При этом белок может не только ломаться, но и превращаться в онкоген, то есть стимулировать неконтролируемое деление клетки (см.: Главный борец с опухолями ген ТР53 может превращаться в онкоген, «Элементы», 11.11.2015).

С проблемой онкогенеза тесно связана проблема старения. С одной стороны, рак – возрастное заболевание, его частота и тяжесть протекания увеличиваются с возрастом. А значит, борьба с раком помогает увеличивать среднюю продолжительность и качество жизни пожилых людей. С другой стороны, существуют гипотезы о том, что старение защищает нас от рака (de Magalhães, Passos, 2018. Stress, cell senescence and organismal ageing), поэтому, как только мы научимся справляться со старением, он атакует нас с новой силой. И это логично: с возрастом клетки в организме делятся реже и обновляются хуже; если мы разрешим им делиться, частота опухолевых трансформаций возрастет. Получается, что две эти проблемы нужно решать одновременно. И здесь возникает вопрос: какую роль в старении играет главный белок противоопухолевого контроля – р53?

Кроме мутаций, у людей встречаются полиморфизмы белка р53. Это аллельные варианты, различающиеся одним нуклеотидом в гене ТР53. В результате 72-я аминокислота в белке оказывается либо аргинином (аллель R72), либо пролином (аллель Р72). Это крошечное отличие сказывается на активности белка: вариант Р72 хуже связывается с ДНК и, следовательно, слабее регулирует транскрипцию генов. До сих пор не ясно, действительно ли отличие в 72-й аминокислоте влияет на риск развития опухолей. Хотя некоторые исследователи отмечают, что у носителей аллеля Р72 чаще возникает рак. Но при этом Р72 чаще обнаруживается у долгожителей (Van Heemst et al., 2005. Variation in the human TP53 gene affects old age survival and cancer mortality). Это наводит на мысль, что белок р53 играет в нашей жизни какую-то двойную роль.

На мышах тоже собрано немало статистики по работе белка р53. Ранее ученые пробовали перманентно увеличить его активность в клетках: в норме белок активируется специальными сигналами, а в эксперименте можно сделать его активным постоянно. При этом мыши становились более устойчивы к раку, но быстрее старели. Можно поступить и по-другому: добавить дополнительную копию гена ТР53 в клетку. Тогда белок будет активироваться по сигналу, но его в клетке будет больше. Мыши с такой модификацией и не болеют раком, и не стареют. Однако обе эти модели не воссоздают реальных условий, в которых р53 работает в организме.

Поэтому группа ученых из Ратгерского университета (США) и Чжэцзянского универститета (Китай), статья которых вышла недавно в журнале eLife, использовали линию мышей Hupki (humanized p53 knock-in), у которых вместо мышиного гена ТР53 человеческая версия этого гена (как их вывели, можно почитать здесь: Luo et al., 2001. Knock-in mice with a chimeric human/murine p53 gene develop normally and show wild-type p53 responses to DNA damaging agents: a new biomedical research tool). Эти мыши были двух типов: с аллелями Р72 и R72. Авторы статьи скрестили этих мышей с мышами двух лабораторных линий (C57BL/6J и 129SVsl). Эти линии далеко отстоят друг от друга генетически, поэтому их часто используют, чтобы проверять независимость результатов эксперимента от сочетания генов. В результате получилось четыре типа мышей, и за всеми этими мышами наблюдали, чтобы определить, какие у них будут выживаемость (зависимость количества живых мышей от времени) и смертность, а также уровень и скорость старения.

Рис. 2. Графики выживаемости для мышей линии 129SVsl (здесь и на других рисунках приведены данные только по одной линии мышей; данные по второй линии есть в обсуждаемой статье, они аналогичны). Черные линии – мыши с аллелем R72, красные – мыши с аллелем Р72. По горизонтальной оси – время жизни мышей (в сутках), по вертикальной оси – процент выживших мышей. Справа от каждого графика указано количество мышей в выборке и медианная продолжительность жизни. А – общая выживаемость, В – выживаемость среди мышей, умерших не от онкологических заболеваний, С – выживаемость среди мышей, умерших от рака, D – выживаемость среди мышей старше 18 месяцев (по человеческим меркам – около 60 лет). Изображение из обсуждаемой статьи в eLife.

Мыши с аллелем Р72 (который работает хуже), как и следовало ожидать, чаще умирали от онкологических заболеваний. Однако во всех других отношениях они оказались «прочнее»: и общая выживаемость, и средняя продолжительность жизни, и выживаемость среди долгожителей у них была выше. А смертность от других заболеваний – ниже (рис. 2).

Рис. 3. Состояние костей как признак старения мышей. Результаты приведены для линии 129SVsl. А – томограмма скелета мышей, желтым обозначен лордокифоз. В – измеренный угол лордокифоза в 6 и 18 месяцев, синие столбики – мыши с аллелем R72, красные – с Р72. С – томограмма черепа мышей возрастом 6 и 18 месяцев. Изображение из обсуждаемой статьи в eLife.

Скорость старения оценивали по нескольким параметрам: по искривлению шейного отдела позвоночника (лордокифоз), по плотности костей (чем она ниже, тем сильнее остеопороз, еще одно нарушение структуры костей, сопровождающее старение, рис. 3), по толщине кожной дермы и подкожной жировой клетчатки, которые со времени истончаются и, наконец, по скорости заживления ран, которая свидетельствует о наличии или отсутствии запаса стволовых клеток для регенерации (рис. 4). Все эти параметры измеряли у мышей в возрасте 6 и 18 (иногда еще и 12) месяцев. И по всем пунктам мыши Р72 обогнали мышей R72. Это позволяет заключить, что старение их организма было замедлено.

Рис. 4. Толщина кожи и заживление ран как признак старения мышей. Результаты приведены для линии 129SVsl. А – окрашенные гистологические препараты кожи (e – эпидермис, d – дерма, а – жировая клетчатка, m – соединительные ткани под кожей), В – толщина дермы в микрометрах, С – толщина жировой клетчатки в микрометрах, D – способность к заживлению ран (в процентах от площади раны). Синие столбики – мыши с аллелем R72, красные – с Р72. Изображение из обсуждаемой статьи в eLife.

Состояние стволовых клеток можно оценить по количеству делящихся стволовых клеток крови. И здесь носители аллеля Р72 оказались в выигрыше. Правда, только в относительном: с возрастом количество делящихся стволовых клеток у них тоже снижалось, но не так резко, как у носителей аллеля R72 (рис. 5).

Рис. 5. Делящиеся стволовые клетки в крови мышей. D – мыши линии 129SVsl, Е – мыши линии C57BL/6J. Синие столбики – мыши с аллелем R72, красные – с Р72. По вертикальной оси – процент клеток с маркерами, характерными для делящихся стволовых клеток. Изображение из обсуждаемой статьи в eLife.

Чтобы определить восстановительные способности клеток, исследователи облучали других мышей, убивая все их стволовые клетки крови, а затем подсаживали к ним стволовые клетки изучаемых мышей. С возрастом стволовые клетки теряли способность к восстановлению крови, но это происходило лишь у мышей с аллелем R72! У носителей аллеля Р72 отличия оказались несущественными (рис. 6).

Рис. 6. Восстановление крови клетками изучаемых мышей. По вертикальной оси – процент клеток крови, полученных от мышей-доноров. По горизонтальной оси – возраст мыши-донора. Синие столбики – мыши с аллелем R72, красные – с Р72. Изображение из обсуждаемой статьи в eLife.

В результате подробного исследования мышей стало ясно, что различие между носителями хорошо и плохо работающих версий белка р53 не ограничивается вероятностью развития рака. Изменения так или иначе затрагивают все системы органов и приводят к замедленному старению организма. Все эти изменения связаны с обновлением клеточного состава. Судя по всему, аллель Р72, допускающий чрезмерное деление клеток, способствует и «полезному» делению, возобновляющему ресурсы организма. А аллель R72, препятствующий отклонениям от нормы, снижает способность тканей к регенерации. Таким образом, белок р53 оказывается винтиком, скрепляющим весы, на одной чаше которых – защита от старения, а на другой – защита от рака. Это могло бы служить подтверждением теории плейотропного антагонизма (см. Blagosklonny, 2010. Revisiting the antagonistic pleiotropy theory of aging: TOR-driven program and quasi-program), согласно которой механизмы, обеспечивающие выживание в репродуктивный период, в старости производят обратный эффект: если молодому организму важнее не умереть от опухоли, чем беречь ресурсы, то для старого ресурсы оказываются критичнее, а их уже нет. Поэтому активность белка р53 в молодости негативно влияет на выживание в старости.

Наконец, сам факт наличия в человеческой популяции двух аллельных вариантов, Р72 и R72, наводит на мысль о том, что каждый из них должен быть чем-то ценен, раз не отсеивается под действием естественного отбора. Возможен и другой вариант: белок р53 имеет какие-то еще функции, о которых мы ничего не знаем, и именно их аллель Р72 выполняет успешнее.

Источник: Zhao et al., A polymorphism in the tumor suppressor p53 affects aging and longevity in mouse models // eLife. 2018.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru