Гормезис, клеточная гибель и старение
Статья Isabelle Martins, Lorenzo Galluzzi и Guido Kroemer Hormesis, cell death and aging
опубликована в журнале Aging, август 2011 г., том 3, № 8.
Перевод: Евгения Рябцева
Резюме
Часто низкие дозы токсинов или других стрессогенных факторов не только не наносят организму вреда, но и активируют адаптивные стресс-реакции, формирующие устойчивость организма к высоким дозам этих же агентов. Наиболее наглядным примером этого феномена, известного как «гормезис», является ишемическое прекондиционирование – ситуация, когда короткие эпизоды ишемии защищают мозг и сердце от продолжительного недостатка кислорода и питательных веществ. Многие молекулы, вызывающие гибель клеток, одновременно запускают аутофагию – цитопротекторный механизм, в основе которого лежит переваривание внутриклеточных структур, представляющих собой потенциальную опасность, преимущественно митохондрий. Воздействие высоких доз подобных агентов вызывает пермеабилизацию (изменение проницаемости) внешних мембран митохондрий и гибель клетки. Низкие дозы таких цитотоксичных соединений, напротив, способны запускать несколько механизмов гормезиса, что может объяснить способность индукторов аутофагии, таких как ресвератрол и низкокалорийная диета, увеличивать продолжительность жизни.
Введение
Гормезис (неологизм, происходящий от древнегреческого слова «hormaein», буквально означающего «приводить в движение, побуждать, понукать») представляет собой благоприятную биологическую реакцию на безвредные дозы токсинов и других стрессогенных факторов. Стимулирующие гормезис соединения инициируют адаптивную стресс-реакцию, обеспечивающую формирование устойчивости клеток и организмов к высоким (обычно губительным) дозам того же агента. Теоретически, гормезис может быть представлен единым или несколькими механизмами, позволяющим(и) клеткам, подвергшимся стрессогенному воздействию, избегать физиологического старения и гибели и, соответственно, потенциально способен оказывать определенное влияние на (пато)физиологию старения. Таким образом, эффект подходов, которые, согласно имеющимся данным, увеличивают продолжительность жизни многих видов, такие как низкокалорийная диета и прием ресвератрола [1-6], может быть обусловлен запуском механизмов гормезиса [7, 8]. В данной статье мы проанализируем молекулярные сигнальные каскады, связывающие клеточный стресс с гибелью клетки, а также механизмы их разобщения, запускаемые при развитии реакции гормезиса.
Механизмы чрезмерной активации, ведущие к апоптотической гибели клеток
Апоптоз часто рассматривается как механизм каспазо-зависимой клеточной гибели, при запуске которого активация ряда специфических цистеиновых протеаз происходит в виде каскада, состоящего из нескольких этапов протеолитического созревания [9, 10]. Воздействие индуцирующих клеточную гибель сигналов стимулирует активность так называемых инициирующих каспаз (каспазы-8 и -9) [11, 12], которые активируют так называемые эффекторные каспазы (каспазы-3, -6 и -7) [13], которые, в свою очередь, разрушают большое количество белков. Это приводит к остановке жизненно важных функций клетки и запуску летальных катаболических реакций [14-16]. К активации инициирующих каспаз приводит два события. При запуске внешнего механизма каспаза-8 вовлекается и активируется внутри индуцирующего гибель клетки сигнально комплекса (DISC, от англ. «death-inducing signaling complex») – мультибелкового комплекса, формирующегося на внутриклеточном концевом сегменте особого класса рецепторов клеточной поверхности – так называемых рецепторов клеточной гибели – при их связывании с соответствующими лигандами [12, 17-19]. При запуске внутреннего механизма каспаза-9 активируется внутри так называемой апоптосомы – надмолекулярной структуры, состоящей из дАТФ (дезоксиаденозин-5-трифосфата), цитоплазматического белка APAF1 и фактора межмембранного пространства митохондрий цитохрома С. Апоптосомы формируются только при нарушении проводимости наружной митохондриальной мембраны, обычно разделяющей белок APAF1 (снаружи) и цитохром С (внутри) [20-24].
Тем не менее, ингибирование каспаз редко полностью предотвращает гибель клеток (хотя в некоторых случаях оно сглаживает морфологические проявления апоптоза) [10, 25-27], так как при этом в игру могут вступать многочисленные каспазо-независимые механизмы [9, 28, 29]. Например, нарушение проницаемости митохондриальной мембраны может приводить к высвобождению апоптоз-индуцирующего фактора (АИФ) и кофилина, оба из которых выступают в роли каспазо-независимых эффекторов клеточной гибели [30-33]. Это перемещает механизм управления клеточной гибелью на уровень митохондрий, а точнее, на уровень митохондриальных мембран, нарушение проницаемости которых регулируется множеством эффекторов и процессов, в том числе различными классами стресс-активируемых киназ [24, 34-43], белком-супрессором опухолевого роста p53 [44-46], эпигенетическими изменениями [47-51], (де)ацетилазами [52, 53], нарушениями клеточного цикла [54, 55] и повреждениями ядра [56-60].
Согласно ключевой роли митохондрий в управлении многими (если не всеми) апоптотическими механизмами [61-65], функции и целостность митохондрий регулируются целым набором не связанных между собой механизмов. Белки семейства Bcl-2 считаются основными модуляторами митохондриального апоптоза [66-68], однако другие белки, не связанные непосредственно с BCL-2, могут также индуцировать или подавлять нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий. Таким образом, помимо BCL-2 и его близких родственников BCL2L1 (более известного как Bcl-XL) и MCL1, подавлять нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий способны белки PRELI [69], разобщающий белок 2 [70] и Х-сцепленный ингибитор апоптоза [22]. Проапоптотические белки, такие как мультидоменные белки BAX и BAK [71], также как и многочисленные «BH3-only» белки, стимулируют нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий [72-74]. Кроме того, нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий способны стимулировать проокислители [75-77], дестабилизирующие мембрану липиды (такие как церамид) [52] и свободные ионы Ca2+ (концентрация которых модулируется концентрацией других двухвалентных катионов, таких как Mg2+ и Zn2+, а также, возможно, одновалентным катионом Li+) [21, 23, 78-80].
Аутофагия как цитопротективный механизм
Макроаутофагия (которую мы обычно называем «аутофагией») представляет собой механизм лизосомальной деградации, при запуске которого фрагменты цитоплазмы (органеллы или цитозоль) заключаются внутрь пузырьков, окруженных двухслойной мембраной (аутофагосом), которые сливаются с лизосомами, где происходит их деградация под действием лизосомальных ферментов гидролаз [81-84]. Важно отметить, что на многих уровнях аутофагия и апоптоз проявляют выраженное взаимное влияние [85-87].
Результатом аутофагии может быть удаление поврежденных потенциально опасных митохондрий, повышающее порог запуска механизмов клеточной гибели под действием агентов, индуцирующих нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий, или других стрессогенных факторов. Таким образом, как избирательная аутофагия митохондрий (митофагия), так и аутофагия в целом способны снижать предрасположенность клеток к апоптозу [1, 76, 88-90].
Каспазо-зависимый апоптоз ассоциирован с деградацией белка Beclin 1 под действием каспаз. Beclin 1 необходим для запуска первого этапа аутофагии, поэтому активация каспаз чаще всего приводит к ингибированию механизма аутофагии [16, 91, 92]. Это отражает общую тенденцию, согласно которой проапоптотические сигналы приводят к подавлению функционирования систем, обеспечивающих выживаемость.
Некоторые распознающие стресс молекулярные механизмы могут одновременно индуцировать аутофагию и апоптоз. Это относится, например, к белкам BH3 (а также к фармакологическим препаратам – миметикам BH3), что может избавлять Beclin 1 от ингибирующих взаимодействий с белками семейства BCL-2, создавая благоприятные условия для запуска аутофагии, а также стимулировать нарушение проницаемости внешней мембраны митохондрий путем активации BAX или BAK [93-101]. Считается, что относительно высокая концентрация разных представителей семейства Bcl-2, также как их внутриклеточная локализация и активированное состояние могут определять механизм (аутофагию или апоптоз), индуцируемый белками BH3 или их миметиками [66, 67]. Более того, стресс, испытываемый эндоплазматическим ретикулумом, также может приводить к запуску аутофагии или апоптоза, в зависимости от взаимодействия пороговых эффектов, которое ученым еще предстоит расшифровать [88, 102, 103]. Согласно одному из возможных сценариев, слабый стресс может индуцировать реакцию аутофагии, повышающую порог для индукции апоптоза. Такая схема представляет собой типичный вариант гормезиса (рис. 1).
Рисунок 1. Аутофагия и гормезис. В нормальных условиях аутофагия способствует поддержанию клеточного гомеостаза путем удаления потенциально опасных митохондрий (или других поврежденных органелл) и утилизации белковых агрегатов. Это может замедлять старение и увеличивать продолжительность здоровой жизни за счет повышения порогового количества повреждений, достижение которого приводит к нарушению функционирования клетки или ее гибели. В данном случае высокие дозы агентов, одновременно стимулирующих аутофагию и гибель клеток (например, миметиков BH3), являются токсичными (А); низкие дозы этих же агентов могут запускать реакцию гормезиса и, таким образом, способствовать адаптации клеток к стрессовым условиям (В). (MOMP – изменение проницаемости внешней мембраны митохондрий, mitochondrial outer membrane permeabilization.)
Аутофагия как механизм замедления старения
Фармакологические и генетические манипуляции, направленные на увеличение продолжительности жизни, индуцируют аутофагию в клетках различных модельных организмов, в том числе дрожжей, круглых червей и мух-дрозофил. При этом ингибирование аутофагии часто (возможно, и всегда) препятствует увеличению продолжительности жизни этих организмов. Эта закономерность распространяется на увеличение продолжительности жизни, индуцируемое низкокалорийной диетой, генетической или фармакологической активацией сиртуина 1, ингибированием белка-мишени рапамицина млекопитающих (mTOR) с помощью рапамицина, а также на применение ингибитора деацетилазы гистонов спермидина [3, 4, 81, 104-107]. Существует косвенное доказательство того, что воздействие одного из этих стимулов, сиртуина 1 (активация которого происходит при применении низкокалорийной диеты и ресвератрола и является индуктором аутофагии), запускает механизм гормезиса. Одним из наиболее известных примеров гормезиса является ишемическое прекондиционирование (ИПК), при котором кратковременные эпизоды ишемии защищают мозг от последующего более сильного и продолжительного снижения поступления кислорода и питательных веществ. В данной системе применение ресвератрола может имитировать эффекты ИПК; при этом как ресвератрол, так и МПК индуцируют аналогичные изменения в профиле ацетилирования белков клеток мозга [53].
На сегодняшний день механизмы, посредством которых аутофагия может увеличивать продолжительность жизни, остаются загадкой [108, 109]. Один из очевидных вариантов заключается в цитопротективном, подавляющем апоптоз влиянии аутофагии (см. выше), однако следует учитывать и другие возможности. Например, существует большое количество доказательств того, что ингибирование mTOR (стимулирующее аутофагию, и, возможно, оказывающее и другие метаболические эффекты) замедляет наступление физиологического старения [105, 110-115]. Таким образом, можно предположить, что аутофагия позволяет отсрочить физиологическое старение, индуцируемое повреждающими ДНК агентами [116-119], а также замедлить процесс истощения стволовых клеток, происходящий на поздних этапах старения [120-123], однако это еще предстоит доказать. В то же время имеется достаточно убедительное свидетельство в пользу того, что аутофагия выступает в качестве механизма подавления опухолевого роста, позволяющего избежать генетической нестабильности, стимулирующей многоэтапный процесс канцерогенеза [3, 114, 124-130].
Помимо всего этого, аутофагия интенсифицирует оборот клеточных белков, склонных к формированию агрегатов, что снижает концентрацию нейротоксических факторов, в том числе агрегатов белка гентингтина [131]. Однако в возможном влиянии аутофагии на накопление потенциально токсичных внеклеточных белков (таких как бета-амилоид и др.) еще предстоит разобраться [32, 132-134].
На современном этапе неясно, какие (если они есть) из упомянутых предполагаемых механизмов играют наиболее важную роль в способности аутофагии увеличивать продолжительность жизни. Будущие исследования должны внести ясность в этот вопрос, что может оказать решающее влияние на разработку стратегий увеличения продолжительности здоровой жизни человека.
Литература к статье «Гормезис, клеточная гибель и старение» приведена в отдельном файле.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
14.11.2011