О каких секретах долголетия говорят исследования на модельных объектах (продолжение)

Исследования на модельных объектах позволили обнаружить целое семейство генов, влияющих на продолжительность жизни различных организмов. Так, гены семейства Sirtiun обеспечивают продление жизни благодаря увеличению числа копий или гиперактивации кодируемых ими продуктов. Ген SIR2 принадлежит к членам указанного семейства и был открыт в исследованиях, казалось бы, на совсем неподходящем объекте  – на одноклеточных грибах дрожжах.

Скрининг дрожжевых колоний позволил выявить дрожжи-долгожители, которые были способны к значительно большему числу делений. Поиск генов, наделяющих организм таким замечательным свойством, завершился успехом, и такие мутации были найдены. У этих мутантов фермент, контролируемый геном SIR2, концентрировался вблизи области дрожжевого генома с повторяющимися последовательностями, отвечающими за дрожжевые рибосомы (так называемые, «клеточные фабрики» по сборке белков). Это район, который  носит название рибосомной ДНК (рДНК), и содержит около сотни таких повторов. Дальнейшие исследования показали, что старение материнских дрожжевых клеток связано с нестабильностью именно этого района – рДНК. Некоторые избыточные копии рДНК вычленяются из дрожжевых хромосом в виде кольцевых элементов, которые получили название ERC – extrachromosomal rDNA circles (внехромосомная кольцевая рДНК). ERC реплицируется одновременно с хромосомной ДНК, но при клеточном делении остаётся в ядре исходной клетки. Чрезмерное накопление ERC приводит к гибели клетки. Однако если в дрожжевую клетку внести дополнительные копии гена SIR2, то образование ERC подавляется. Заставляя уязвимую область генома скручиваться плотнее, Sir2 защищает её от вырезания рДНК и тем самым влияет на продолжительность жизни  клетки,  увеличивая её на 30%. Эти исследования указали на существование у дрожжей репликативного механизма старения.

Но имеет ли значение этот ген в жизни многоклеточных? Современные методы генной инженерии позволили внести копии гена SIR2 в клетки нематоды (круглые черви), и результаты оказались поразительными – червь прожил не один, полтора положенных жизненных срока. И это явление наблюдалось у взрослого червя, клетки которого уже не делились.

Какие же свойства фермента, кодируемого геном SIR2, сделали червя долгожителем? О том, что белки Sir (от англ. silent information regulator – регулятор замалчивания информации) участвуют в поддержании генов в молчащем состоянии, было известно и раньше. Это особенность определяется тем, что ферменты Sir способны влиять на характер укладки ДНК в хромосоме. ДНК и белки (гистоны), входящие в состав хромосомы, уложены в виде, так называемых, нуклесом. В результате хромосома напоминают нитку бус, в которой длинные нити ДНК наматываются, как на шпульки, на гистоновые молекулы, составляющие сердцевину нуклеосомы. При этом большое значение имеет плотность упаковки ДНК, которая определяется особенностями химической структуры гистонов. В частности, наличие ацетильных групп у гистонов поддерживает нужную плотность упаковки. Так вот, Sir2 принадлежит к группе ферментов, отщепляющих от гистонов ацетильные группы. В результате формируется сверхплотная упаковка, т.е. нить ДНК наматывается на гистоновую сердцевину слишком туго,  и ферменты, вычленяющие из хромосомы кольцевые рДНК, оказываются беспомощными.

Дальнейшие исследования позволили от сугубо генетической трактовки продолжительности жизни и старения перекинуть мостик к метаболизму. Установили сопряжённость работы фермента Sir2, контролируемого геном SIR, и небольшой молекулы НАД, участвующей во многих метаболических процессах в клетке. Обнаружилось, что у дрожжей изменение активности Sir2 зависит от соотношения окисленной (НАД) и восстановленной формы (НАД-Н). [НАД – никотинамид-аденин-динуклеотид - кофермент, действующий как акцептор водорода в окислительно-восстановительных реакциях в цепи переноса электронов при клеточном дыхании; его действие ослабляется восстановленной формой кофермента НАДН.]

Возможность регуляции активности белка Sir2 была установлена на различных объектах. Так, дефицит питательных веществ в среде приводил к повышению ферментативной активности Sir2 у дрожжей, и в результате воздействия такого умеренного стресса увеличивалась продолжительность жизни дрожжевых клеток на 30%. Активность рассматриваемого белка можно изменять и с помощью модуляторов. Один из них резвератрол. В экстремальных условиях он вырабатывается многими растениями, а также содержится в красных винах. Его присутствие в культуральной среде, где растут дрожжи, введение в организм червей и дрозофил увеличивает продолжительность их жизни на 30%. Дрозофилы, получавшие резвератрол, жили дольше и при этом сохраняли фертильность, которая часто утрачивалась при дефиците калорий. Если же у дрозофил наблюдали гиперпродукцию белка Sir2, то ни резвератрол, ни дефицит калорий никакого дополнительного эффекта не давали.

Таким образом, генетические исследования функции гена SIR2 на модельных одноклеточных и беспозвоночных многоклеточных объектах указали на наличие определённой связи между генетической регуляцией продолжительности жизни, уровнем метаболической активности и калорийностью питания. Следующая задача – оценить значимость этого гена для млекопитающих.