В США ученые попытались с помощью химических соединений вернуть стареющим человеческим клеткам часть их прежних молекулярных характеристик. Эксперимент команда Дэвида Синклера проводила только лишь на клеточных культурах, но тем не менее результат оказался весьма впечатляющим. Шесть комбинаций веществ всего за несколько дней смогли изменить ряд молекулярных признаков старения клеток, при этом не стирая их клеточную идентичность.
Речь не идет о “лекарстве от старости” и тем более о доказанном способе омоложения человека. Значение работы в другом: она поддерживает гипотезу о том, что некоторые возрастные изменения клетки могут быть не окончательным результатом разрушения, а частично обратимой потерей биологической информации.
Клетка может забыть, как быть молодой
У клетки есть два уровня информации. Первый - геном, сама последовательность ДНК. Он в значительной степени остаётся неизменным на протяжении жизни организма. Второй - эпигеном: химические метки и изменения структуры хроматина, которые помогают клетке определять, какие гены включать, а какие подавлять. Эта система гораздо пластичнее и чувствительнее к возрасту, повреждениям и окружающей среде. Именно ее постепенное нарушение исследователи рассматривают как один из возможных механизмов старения.
По одной из гипотез, проблема стареющей клетки заключается не только в накоплении повреждений. Со временем она начинает хуже сохранять и считывать эпигенетическую информацию, необходимую для нормальной работы. В результате клетка словно знает исходный текст, но постепенно теряет инструкции по его правильному прочтению. Авторы исследования называют это потерей эпигенетической информации. Их идея заключается в том, что если эту информацию удастся восстановить, часть возрастных изменений можно будет обратить.
На сцене - факторы Яманаки
Ключ к этой идее появился еще в 2006 году, когда Синъя Яманака и его коллеги показали, что четыре фактора - OCT4, SOX2, KLF4 и c-MYC, могут перепрограммировать взрослые клетки и возвращать их в состояние, близкое к эмбриональному. Эти белки получили название факторов Яманаки.
Однако, если полностью перепрограммировать зрелую клетку, она перестает быть, например, клеткой кожи и приобретает свойства индуцированной плюрипотентной стволовой клетки. Для регенеративной медицины это может быть полезно, но одновременно опасно: полное перепрограммирование связано с потерей клеточной идентичности и риском неконтролируемого роста. Поэтому ученые пошли по более тонкому пути.
Вместо полного перепрограммирования они использовали только три фактора 0 OCT4, SOX2 и KLF4, то есть OSK, исключив онкогенный c-MYC. В предыдущих экспериментах на животных такой подход уже позволял восстанавливать некоторые признаки молодого состояния тканей, не превращая клетки полностью в стволовые. И тогда возник главный вопрос: обязательно ли вообще вводить в клетки гены?
А что, если вместо генов использовать химические вещества?
Генетическая терапия сложна, дорога и потенциально небезопасна. Поэтому исследователи решили найти химический способ запустить похожий процесс. Для начала им потребовался способ быстро отличать молодые клетки от старых.
Ученые обратили внимание на ядро клетки - своеобразный защищенный архив, где хранится ДНК. С возрастом нарушается транспорт белков между ядром и цитоплазмой. Ядерная оболочка и связанные с ней структуры начинают работать хуже, а содержимое ядра и цитоплазмы распределяется неправильно. Это явление называется нарушением ядерно-цитоплазматического разделения.
Исследователи создали специальную систему, которая позволяла наблюдать этот процесс по флуоресцентным сигналам. В молодых клетках белки оставались разделенными между ядром и цитоплазмой. В стареющих и сенесцентных клетках граница между этими пространствами становилась менее четкой. Получился своего рода индикатор возраста клетки, который можно было использовать для массового поиска веществ-кандидатов.
80 комбинаций — и только несколько кандидатов
Ученые отобрали химические вещества, которые ранее уже использовались для перепрограммирования обычных клеток в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Всего они протестировали 80 комбинаций. После первичного отбора исследователи остановились на шести химических коктейлях. Они улучшали состояние ядерно-цитоплазматического разделения стареющих клеток.
В состав этих комбинаций входили, среди прочего, валпроевая кислота, CHIR-99021, E-616452, форсколин и другие соединения, влияющие на работу клеточных сигнальных путей и регуляцию хроматина. Один из наиболее эффективных вариантов — VC6TF — показал особенно сильный эффект в используемой системе. Но самое важное происходило дальше.
Клетка стала моложе — но не перестала быть собой
Ученые проверили не только внешний вид клеток и работу ядра. Они посмотрели на тысячи генов одновременно, используя РНК-секвенирование. Оказалось, что все шесть комбинаций меняли характер экспрессии генов в направлении, противоположном возрастным изменениям.
Одновременно исследователи не обнаружили признаков того, что обработанные клетки превратились в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки. Не было выявлено и характерной экспрессии ряда маркеров плюрипотентности. Это принципиальный момент.
Целью эксперимента было не уничтожить старую клеточную программу и не создать новую клетку с нуля. Идея состояла в частичном перепрограммировании - вернуть клетке более молодое состояние, сохранив ее исходную специализацию. Проще говоря, клетку попытались не заменить, а «настроить обратно».
Четыре дня: минус несколько лет на молекулярных часах
Самый эффектный результат исследователи получили, сравнивая клетки с помощью транскриптомных часов - моделей, которые оценивают биологический и хронологический возраст по характеру активности генов. Все шесть коктейлей статистически снижали транскрипционный возраст сенесцентных клеток. Три комбинации, основанные на мышиных моделях, давали наиболее сильный эффект.
Для некоторых из них расчетный хронологический возраст клеток уменьшался более чем на три года всего после четырех дней воздействия. Но здесь важно не попасть в ловушку эффектного заголовка. «Минус три года» не означает, что человек после четырехдневной процедуры станет биологически на три года моложе. Речь идет об изменении молекулярной оценки возраста клеток в лабораторном эксперименте.Тем не менее сам факт того, что такой сигнал удалось получить за несколько дней, указывает на удивительную пластичность клеточных программ старения.
Что изменилось внутри клетки
Анализ экспрессии генов показал, что химическое перепрограммирование затрагивало несколько процессов, связанных со старением. У клеток активнее работали пути, связанные с энергетическим обменом и митохондриями, а активность ряда воспалительных сигналов снижалась. Среди них - сигнальные пути интерферонов и JAK-STAT, связанные с воспалительным секреторным профилем стареющих клеток.
Иными словами, изменения были не просто косметическими. Клетка начинала работать по молекулярному сценарию, который больше напоминал молодой.
Но старение пока не удалось отменить
Как отмечалось выше, исследование проводилось прежде всего на клетках в лаборатории. Ученым еще предстоит выяснить, как долго сохраняется полученный эффект, работает ли он в других типах клеток и тканей, что происходит после прекращения воздействия и способен ли такой подход дать реальное функциональное улучшение организма.Есть и фундаментальная проблема безопасности.
Полное перепрограммирование клеток может привести к потере их специализации и нежелательному росту. Поэтому любое химическое вмешательство, которое способно «омолаживать» клетку, необходимо проверять на токсичность, нарушения структуры тканей и риск опухолеобразования до перехода к испытаниям на людях. Сами авторы подчеркивают, что прежде чем говорить о клиническом применении, нужны исследования на нескольких моделях млекопитающих.
Следите за NEWS.am Medicine на Facebook и Twitter