Продление жизни: ресвератрол, спермидин и аутофагия (2)
Аутофагия – механизм защиты клеток и предотвращения старения
(продолжение, начало статьи – здесь)
В цитоплазме клеток, подвергшихся воздействию стресса и находящихся на краю гибели, часто происходит накопление аутофагосом и ауто(фаго)лизосом. Это наблюдение было (ошибочно) интерпретировано как самоуничтожение клетки [50]. Поэтому в сотнях работ «аутофагическая» (также известная как «гибель 2 типа») гибель клеток описана как запрограммированная смерть клетки, которой предшествует массовая аутофагическая вакуолизация, морфологически отличающаяся от апоптоза («гибель 1 типа») и некроза («гибель 3 типа») [51-54]. Несмотря на то, что «аутофагическая гибель клеток», бесспорно, существует как морфологическое событие [53], она является всего лишь отражением (по крайней мере, для клеток млекопитающих) механизма самоуничтожения клетки с помощью аутофагии [50]. В действительности, в большей части случаев аутофагия представляет собой (иногда безрезультатный) механизм клеточной адаптации к широкому спектру неблагоприятных условий, в том числе гипогликемии, гипоксии, дефициту незаменимых аминокислот, отсутствию необходимых факторов роста или сублетальному повреждению содержащихся в цитоплазме органелл, в том числе митохондрий и ЭР [4, 55, 56]. Поэтому генетическое ингибирование аутофагии путем блокирования генов, ассоциированных с аутофагией (ATG), часто приводит к апоптотической или некротической гибели клеток, которые в обычным состоянии смогли бы пережить дефицит питательных веществ, недостаток факторов роста, гипоксию, воздействие ионизирующей радиации или противоопухолевую химитерапию [11, 50, 57-60]. Нарушения аутофагии непосредственно вовлечены в патогенез ряда заболеваний, в том числе нейродегенеративных болезней, сердечной недостаточности, наследственных миопатий, стеатоза/жирового перерождения печени и других хронических воспалительных процессов [6, 61-64]. Было показано, что индуцирующие аутофагию генетические и фармакологические манипуляции в условиях in vitro защищают клетки от гибели при летальных в обычном состоянии повреждениях [5, 6]. Аутофагия способствует поддержанию высоких уровней АТФ внутри клетки [22, 65], повышает способность клеток противостоять метаболическому стрессу (гипоксия в комбинации с дефицитом питательных веществ) [22, 66], предотвращает генетическую нестабильность [60, 67] и ограничивает накопление потенциально токсичных белков, в том числе протеотоксинов, вызывающих нейродегенерацию [10, 38]. С физиологической точки зрения старение можно рассматривать как продолжительное постепенное ухудшение функций на клеточном и организменном уровне, которое (по крайней мере, частично) является отражением накопления неправильно сформированных белковых молекул, окисленных молекул жиров, а также мутаций в митохондриальных и ядерных ДНК.
Единственным способом, позволяющим увеличить продолжительность жизни каждого из протестированных на сегодняшний день организмов, является низкокалорийная диета – снижение количества поступающих в организм калорий, не приводящее к истощению [68]. Низкокалорийная диета является мощным индуктором аутофагии в клетках практически всех видов, в том числе млекопитающих [69-71]. У круглых червей Caenorhabditis elegans запуск аутофагии необходим для увеличения продолжительности жизни, вызываемого низкокалорийной диетой [72-74] или удалением гена p53 [22, 49, 75-77]. При этом, при условии одновременного применения метода РНК-интерференции против генов atg, нематоды, содержащиеся на низкокалорийной диете, не живут дольше особей группы контроля [72-74].
Рапамицину, активирующему аутофагию посредством ингибирования (m)TOR, также приписывают выраженную способность замедлять старение модельных организмов. Однако рапамицин не может увеличить хронологическую продолжительность жизни (то есть продолжительность жизни постмитотических клеток, находящихся в стационарной фазе) у мутантов дрожжей, не имеющих функциональных генов Atg1, Atg7 или Atg11 [79]. Положительное влияние рапамицина на продолжительность жизни C.elegans утрачивается при блокировании важного модулятора аутофагии BEC-1 (ортолога гена млекопитающих Beclin 1 и дрожжевого гена Atg6) [74]. Таким образом, аутофагия необходима для вызываемого рапамицином увеличения продолжительности жизни и замедления хронологического старения дрожжей и нематод. Несмотря на то, что не существует официальных доказательств способности рапамицина увеличивать продолжительность жизни мышей путем индукции аутофагии, даже введение этого препарата стареющим генетически гетерогенным (нелинейным) мышам увеличивало продолжительность их жизни [80]. Рапамицин замедляет возрастное ухудшение функций гемопоэтических клеток мышей [81], а его способность предотвращать физиологическое старение клеток описана в ряде экспериментов in vitro [82, 83].
В целом приведенные результаты указывают на то, что индукция аутофагии на уровне организма с помощью фармакологических агентов может увеличить продолжительность здоровой жизни, по крайней мере, в условиях лаборатории. Это поддерживает идею, согласно которой аутофагия не только обеспечивает защиту клеток, но и оказывает замедляющий старение эффект на организменном уровне.
Аутофагия опосредует увеличение продолжительности жизни, вызываемое ресвератролом
Приведенные выше рассуждения легли в основу высказанной авторами гипотезы, согласно которой аутофагия представляет собой основной или как минимум один из основных механизмов, посредством которых оказывают свое действие увеличивающие продолжительность жизни препараты. Поэтому они изучили предполагаемую способность ресвератрола – хорошо изученного замедляющего старение агента [84] – увеличивать продолжительность жизни модельных организмов посредством индукции аутофагии. Несмотря на способность оказывать влияние на митохондриальные функции [85], ресвератрол является сильным аллостерическим активатором сиртуина 1 – филогенетически законсервированного фермента деацетилазы, реагирующей на изменение соотношения НАД+/НАДФ [84]. Ресвератрол увеличивает продолжительность жизни дрожжей, нематод и плодовых мух (Drosophila melanogaster), а также замедляет старение мышей, содержащихся на богатом жирами рационе [84, 86]. Косвенные доказательства свидетельствуют о том, что ресвератрол может индуцировать аутофагию у дрожжей (хотя причиной этого было признано окисление митохондриальных жиров [87]) и злокачественных клеток человека, в которых индуцированная ресвератролом аутофагия часто предшествует клеточной гибели [88]. Сиртуин 1 является первым белком, способность которого увеличивать продолжительность жизни была продемонстрирована на дрожжах (после чего на животных, в том числе нематодах C.elegans и мухах-дрозофилах) [89]. Впоследствии была также показана его способность запускать аутофагию в культивируемых клетках человека и грызунов [90].
Авторы подтвердили, что гиперэкспрессия сиртуина 1 усиливает аутофагические процессы в злокачественных клетках человека in vitro и что этот эффект нейтрализуется добавлением в среду культивирования EX527 – фармакологического ингибитора его каталитической активности [91, 92]. Сходным образом, трансген, кодирующий SIR-2.1 (принадлежащий C.elegans ортолог человеческого сиртуина 1), вызывал запуск аутофагии у нематод. Этот факт указывает на то, что взаимосвязь между активацией сиртуина 1 и аутофагией сохранилась в ходе эволюции [91, 92]. Важно также то, что была доказана необходимость сиртуина 1 для индукции аутофагии в условиях дефицита питательных веществ (обеспечиваемых культивированием клеток в отсутствие сыворотки, аминокислот и глюкозы), что не распространялось на индукцию аутофагии с помощью других стимулов. Таким образом, в человеческих клетках подавление экспрессии (с помощью РНК-интерференции) или ингибирование (с помощью EX527) сиртуина 1 полностью нейтрализовало про-аутофагическое влияние лишения питательных веществ, не влияя при этом на стимуляцию аутофагии путем ингибирования mTOR (с помощью рапамицина), ингибирование р53 (с помощью пифитрина-альфа) или стрессового воздействия на ЭР (запускаемого добавлением в среду туникамицина). Аналогичным образом, мутации, приводящие к утрате функциональности гена sir-2.1 C.elegans, предотвращали запуск аутофагии в условиях низкокалорийной диеты, но не влияли на аутофагию, вызванную действием рапамицина или туникамицина [91, 92]. Трансгенная гиперэкспрессия гена sir-2.1 увеличивала показатели средней и максимальной продолжительности жизни нематод по сравнению с особями нетрансгенных контрольных линий с таким же генотипом. Этот эффект исчезал при подавлении экспрессии важного модулятора аутофагии BEC-1 с помощью РНК-интерференции [91, 92]. Вызванное РНК-интерференцией нокаутирование гена C.elegans CEP-1, являющегося ортологом р53, – манипуляция, увеличивающая продолжительность жизни путем стимуляции аутофагии [77], – не усиливала положительное влияние гиперэкспрессии sir-2.1 на продолжительность жизни [91, 92]. Результаты этого эпистатического анализа указывают на то, что накопление белка SIR-2.1 и удаление белка CEP-1 увеличивают продолжительность жизни посредством запуска общего конечного механизма, в основе которого лежит индукция аутофагии.
Еще одного генетическое вмешательство, целью которого является косвенная активация сиртуина 1 (или его ортолога в геноме нематод SIR-2.1), заключается в трансгенной гиперэкспрессии гена, кодирующего фермент пиразинамидазу/никотинамидазу PNC-1, расщепляющую никотинамид, являющийся отрицательным регулятором сиртуина 1/SIR-2.1. Трансгенная гиперэкспрессия гена pnc-1 действительно индуцировала аутофагию в клетках нематод, причем эта реакция нейтрализовалась подавлением экспрессии белка SIR-2.1 с помощью РНК-интерференции. Соответствующим образом, увеличивающий продолжительность жизни эффект PNC-1 исчезал при нокаутировании гена, кодирующего SIR-2.1, а также любого из генов, кодирующих важные модуляторы аутофагии BEC-1 и ATG-5 [77]. Таким образом, как гиперэкспрессия, так и метаболическая активация сиртуина 1/SIR-2.1 увеличивают продолжительность жизни посредством индукции аутофагии.
После этого авторы изучили потенциальную способность ресвератрола индуцировать аутофагию у C.elegans посредством активации SIR-2.1. Добавление ресвератрола в среду для выращивания нематод действительно стимулировало аутофагию, причем этот эффект утрачивался при подавлении экспрессии белка SIR-2.1 с помощью РНК-интерференции. Аналогичным образом, ресвератрол снижал возрастную смертность C.elegans, за исключением случаев отсутствия продуктов генов sir-2.1 или bec-1 [77]. На основании результатов этих экспериментов авторы пришли к выводу, что ресвератрол увеличивает продолжительность жизни клеток человека и нематод посредством индукции аутофагии, что является результатом опосредуемой ресвератролом активации сиртуина 1/SIR-2.1 (а не результатом какого-либо непредвиденного эффекта).
Часть 3: Аутофагия опосредует увеличение продолжительности жизни, вызываемое спермидином
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
30.12.2011