Накопление долгоживущих белков стимулирует старение клеток
По мере старения многие части организма изнашиваются и не подлежат восстановлению. То же самое распространяется и на клетки. Новые данные, полученные исследователями Центра онкологических исследований Фреда Хатчинсона, свидетельствуют о существовании микроскопических систем, дегенерирующих со временем и запускающих тем самым процесс старения клеток, который, в свою очередь, стимулирует старение всего организма и развитие возрастных болезней. Они также частично объясняют взаимосвязь между низкокалорийной диетой и увеличением продолжительности жизни.
Молекулярные и клеточные компоненты большинства частей тела подвергаются быстрому круговороту. Кожа полностью обновляется в течение месяца, а клетки слизистой оболочки кишечника – всего за несколько дней. Однако существуют и исключения: некоторые компоненты глаза, суставов и мозга присутствуют в организме на протяжении всей жизни.
Например, хрусталик глаза состоит из белков, синтезирующихся вскоре после рождения и сохраняющихся до самой смерти. Возрастные изменения этих белков приводят к формированию катаракты – необратимого помутнения хрусталика.
Исследователи, работающие под руководством доктора Даниеля Готтшлинга (Daniel Gottschling), предположили, что долгоживущие белки хрусталика не являются исключением из правила и подобные белки могут лежать в основе старения клеток других частей организма. Проведенные ими эксперименты на дрожжах подтвердили эту гипотезу.
Долгоживущие белки глаза, мозга и суставов уникальны, так как они содержатся во внеклеточном пространстве или внутри неделящихся клеток. Стволовые клетки растут и делятся в течение всей жизни, однако со временем и они «сдаются». Согласно одной из теорий старения, пусковым механизмом старения является сокращение количества стволовых клеток, приводящее к угасанию способности организма восстанавливать и обновлять стареющие ткани и органы.
Подобно стволовым клеткам, клетки дрожжей делятся ассиметрично. При этом стареющие «материнские» клетки дают начало новым «дочерним» клеткам. Дрожжевые материнские клетки могут порождать 30-35 дочерних клеток, после чего они погибают. Их нормальная продолжительность жизни при активном делении составляет меньше двух дней.
Для изучения долгоживущих белков в клетках дрожжей авторы использовали специальную методику мечения белков для отслеживания молекул материнских клеток от момента их появления и до их гибели. Они идентифицировали 135 белков, присутствующих только в материнских клетках и не обновляющихся в течение всей их продолжительности жизни. Неожиданно для исследователей оказалось, что 21 из белков являлись нефункциональными фрагментами.
Каким-то образом эти белки сохраняются внутри материнской клетки. Можно предположить, что это происходит для «облегчения» судьбы дочерних клеток, однако точная причина на сегодняшний день неясна.
Дрожжевые материнские клетки почкуются и дают начало дочерним клеткам.
Исследователи выявили взаимосвязь между долгоживующими белками (помечены красным цветом)
и характером старения материнских клеток.
Один из неповрежденных долгоживущих белков материнских клеток привлек внимание исследователей. Этот белок, известный как Pma1, регулирует кислотно-щелочной баланс внутриклеточной среды. В 2012 году группа Готтшлинга установила, что уровень кислотности внутри определенных клеточных структур – вакуолей – является критичным фактором поддержания функциональности энергетических центров клетки – митохондрий. Уровень кислотности клеток снижается со временем, что приводит к постепенному разрушению митохондрий.
Последующие эксперименты авторов показали, что с каждым делением внутриклеточная среда материнских клеток дрожжей становится более щелочной и этот процесс опосредуется белком Pma1. Из-за неравномерного распределения белковых молекул дочерние клетки не имеют этого белка и, соответственно, характеризуются более высокой кислотностью по сравнению с материнскими клетками.
В то же время, снижение экспрессии Pma1 увеличивало продолжительность жизни материнских клеток, а повышение его экспрессии приводило к появлению более «щелочных» дочерних клеток.
Pma1 играет важную роль в питании клеток. Он локализуется на их поверхности и облегчает поступление питательных веществ из среды внутрь клетки. На основании этого авторы предположили, что материнские клетки удерживают этот белок не во благо дочерних клеток, а для облегчения собственного питания и, соответственно, повышения способности к размножению.
Это объясняет более быструю гибель материнских клеток в среде, богатой питательными веществами, а также способность низкокалорийной диеты увеличивать продолжительность жизни дрожжей. Если клетка поглощает меньше питательных веществ, ее кислотность снижается с меньшей скоростью, что сопровождается уменьшением активности размножения.
Авторы отмечают, что они не ищут простой ответ или «волшебный препарат», способный обратить процесс старения вспять. Биология старения настолько сложна и малоизучена, что не смысла пытаться предположить, к появлению каких антивозрастных стратегий могут привести полученные ими данные. Они подчеркивают, что первоочередной задачей является детальное изучение процесса старения и его возможных нарушений.
Статья Nathaniel H. Thayer et al. Identification of long-lived proteins retained in cells undergoing repeated asymmetric divisions опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Евгения Рябцева
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам Fred Hutchinson Cancer Research Center:
Long-term hoarding of cellular ‘garbage’ could trigger old age.
30.09.2014