Том 88, № 11 (2023)

Номер посвящён памяти яркого учёного-геронтолога Алексея Матвеевича Оловникова, чьи теоретические работы об укорочении теломер лежали у истоков нового направления науки - молекулярной биологии старения. Алексей Матвеевич был членом редакционной коллегии журнала; с его лёгкой руки журнал стал регулярно публиковать статьи геронтологической тематики. Начало этой традиции положил номер, полностью посвященный проблемам старения и укорочению теломер, авторами которого были ведущие мировые специалисты в этой области, откликнувшиеся на приглашение Алексея Матвеевича (№ 11, 1997).

Взаимосвязи между ростом, метаболизмом, воспроизводством потомства, размерами тела и процессом старения живого организма и продолжительностью его жизни изучались на протяжении десятилетий. Для объяснения наблюдаемых ассоциаций были предложены различные объединяющие «теории старения». В целом, быстрое развитие, раннее половое созревание, приводящее к ранним репродуктивным усилиям, а также рождение большого количества потомства ассоциированы с более короткой продолжительностью жизни. Связь размера тела взрослой особи и продолжительности её жизни включает в себя заметный контраст между положительной корреляцией, наблюдаемой при сравнениях между различными видами, и отрицательной корреляцией, наблюдаемой при сравнении особей одного и того же вида. В настоящей работе мы предполагаем, что продолжительность жизни и, вероятно, скорость старения связаны с «темпом жизни». Медленный темп жизни, включающий медленный рост, позднее половое созревание и небольшое количество потомства, предполагает медленное старение и долгую жизнь. Быстрый темп жизни (быстрый рост, раннее половое созревание и значительные репродуктивные усилия) ассоциируется с более быстрым старением и более короткой жизнью, предположительно из-за лежащих в их основе компромиссов. Предлагаемые взаимосвязи между темпом жизни и её продолжительностью применимы как к меж-, так и к внутривидовым сравнениям, а также к диетическим, генетическим и фармакологическим вмешательствам, которые продлевают жизнь, и к доказательствам «программирования» жизненного пути в раннем периоде жизни. Хотя имеющиеся данные свидетельствуют о существовании причинно-следственной связи для по крайней мере некоторых из этих ассоциаций, необходимы дальнейшие исследования для того, чтобы подтвердить эти предположения и выявить соответствующие механизмы.

Произошедшее в последнее десятилетие осознание постмитотической нестабильности ДНК нейронов как платы за электрическую активность и высокую пластичность их эпигенома меняет теоретический ландшафт не только нейронауки, но и шире - биологии. Действительно, как предполагал А.М. Оловников, именно ДНК нейронов может быть «инициальным субстратом старения», сейчас накоплено уже много данных, существенно повысивших вероятность этой гипотезы. Обзор посвящен их анализу. Как нейрональная ДНК накапливает повреждения, в каких областях генома, какие факторы способствуют их накоплению и насколько они могут быть связаны со старением и продолжительностью жизни? Кроме того, нестабильность ДНК нейронов, очевидно, сопровождалась поиском в эволюции Metazoa разных способов снижения биологической платы за работу мозга, став своеобразным драйвером этой эволюции. Такие явления, как сон, увеличение числа нейронов в эволюции позвоночных, взрослый нейрогенез, распределенная активность нейронов, соматическая полиплоидия, редактирование РНК у головоногих моллюсков, приобретают новый смысл при рассмотрении их в свете решения компромисса «пластичность-нестабильность нейрональной ДНК». Тема имеет очевидное значение не только для фундаментальной нейронауки, но и для трансляционной медицины.

Мобильные элементы (МЭ) составляют десятки процентов генома эукариот, являясь основным источником нестабильности генома. Системы клеточной защиты подавляют экспансию МЭ на всех стадиях их жизненного цикла. Белки подсемейств Piwi и Piwi-взаимодействующие короткие РНК (piРНК) являются ключевыми элементами защитной системы, которая контролирует активность МЭ в гонадах многоклеточных животных, предотвращая наследуемые транспозиции и дефекты развития. В данном обзоре мы обсуждаем разнообразие регуляторных механизмов, с помощью которых короткие РНК подавляют активность МЭ. Тем не менее активные МЭ присутствуют в геномах, что свидетельствует об ограниченных возможностях этих механизмов защиты. Появляется всё больше данных, которые свидетельствуют о том, что повышенная активность МЭ совпадает в развитии с удлинением теломер и эпигенетическим перепрограммированием генома у разных видов. У плодовой мухи Drosophila теломеры состоят из ретротранспозонов, а защитный механизм с участием piРНК также необходим для поддержания теломер и контроля их длины. Следовательно, работа защитных механизмов в данном случае должна быть тонко сбалансирована, чтобы не только подавлять активность МЭ, но и поддерживать оптимальную длину и стабильность теломер. Структурно-функциональная связь гомеостаза теломер с ретротранспозоном LINE1 у человека указывает на тесную взаимосвязь эгоистичных МЭ с жизненно важными функциями генома. Такая связь, по-видимому, является наследием ретротранспозонного происхождения теломер и позволяет сохранять активные МЭ в геноме. Своеобразной платой за такую «услугу» является поддержание теломер и выполнение других жизненно важных функций, приобретённых МЭ в процессе их одомашнивания в геноме.

Несмотря на использование средств профилактики (в том числе интенсивных физических нагрузок), у космонавтов и астронавтов в длительных космических полетах развиваются атония и атрофия мышц, недостаточность сердечно-сосудистой системы, остеопения и др. Все эти изменения, напоминающие возрастные физиологические сдвиги, наступают у здорового человека в условиях микрогравитации довольно быстро - в течение нескольких месяцев. То есть адаптация к отсутствию гравитации приводит к симптоматике старения, которая компенсируется после возвращения на Землю. Перспектива межпланетных полетов ставит вопрос о пороговых значениях гравитации, ниже которых основные физиологические системы будут терять свой функциональный потенциал по аналогии со старением и влиять на продолжительность жизни. Важная роль в процессах старения принадлежит клеточному резерву организма - прогениторным клеткам, которые участвуют в физиологическом ремоделировании и регенеративных/репаративных процессах всех физиологических систем. С возрастом их число уменьшается, и снижается регенеративный потенциал. Более того, их паракринный спектр при клеточном старении становится провоспалительным, нарушая тканевой гомеостаз. Мезенхимальные стволовые/стромальные клетки являются механочувствительными, и поэтому отсутствие гравитационного стимула вызывает серьезные изменения их функционального статуса. В обзоре проведено сравнение клеточных эффектов микрогравитации и изменений, развивающихся в сенесцентных клетках, в том числе стромальных предшественниках.

В ответ на стрессирующие воздействия клетки эукариот обычно подавляют биосинтез белка. Это вызывает высвобождение мРНК из полисом, их конденсацию с участием мРНК-связывающих белков и образование немембранных внутрицитоплазматических компартментов, называемых стресс-гранулами (СГ). В СГ присутствуют 40S, но не обнаруживаются 60S субчастицы рибосом. Известно, что рибосомные ингибиторы циклогексимид, эметин и анизомицин, блокирующие продвижение 80S рибосом по мРНК и стабилизирующие таким образом полисомы, предотвращают образование СГ. Напротив, индуктор преждевременной терминации пуромицин, полностью освобождающий мРНК от рибосом, стимулирует образование СГ. Такой же эффект оказывают и некоторые специфические ингибиторы инициации трансляции, приводящие к накоплению освобождённых из полисом мРНК в форме остановленных 48S преинициаторных комплексов. На основании этих и других данных принято считать, что триггером образования СГ является появление в клетке мРНК с освобождёнными от рибосом протяжёнными участками, которые склонны образовывать конденсаты. В данной работе мы оценили способность различных низкомолекулярных ингибиторов трансляции блокировать или стимулировать сборку СГ в условиях окислительного стресса, вызываемого арсенитом натрия. Вопреки ожиданиям, мы обнаружили, что рибосом-направленные ингибиторы элонгации особого типа, которые останавливают единственную 80S рибосому в начале кодирующей области, но не мешают всем последующим рибосомам закончить трансляцию и покинуть мРНК (например, харрингтонин, лактимидомицин или Т-2 токсин), полностью предотвращают образование арсенит-индуцированных СГ. Эти наблюдения позволяют заключить, что присутствия даже одной 80S рибосомы на мРНК достаточно для того, чтобы воспрепятствовать её вовлечению в СГ, а для формирования СГ недостаточно наличия протяжённых областей мРНК, свободных от рибосом. Мы предполагаем, что вхождение мРНК в СГ может быть опосредовано специфичными контактами между РНК-связывающими белками и теми участками находящихся на этих мРНК 40S субчастиц, которые оказываются недоступными в случае ассоциированных рибосом.

Иммунные привилегии раковых стволовых клеток - хорошо известная и широко изучаемая проблема, поскольку наличие таких клеток в опухолях ассоциируется с рефрактерностью, рецидивированием и метастазированием. Накапливающиеся данные также свидетельствуют о наличии иммунных привилегий у непатологических стволовых клеток в дополнение к другим механизмам их защиты от повреждающих факторов. Такое сходство между патологическими и нормальными стволовыми клетками ставит вопрос о том, почему стволовые клетки обладают таким потенциально опасным свойством. Регуляции жизненно важных процессов контроля аутоиммунитета и регенерации при взаимодействии между иммунными клетками, стволовыми клетками и их микроокружением рассматриваются в обзоре как определяющие для формирования иммунных привилегий стволовых клеток. Отмечается глубокая взаимная интеграция в регуляции стволовых и иммунных клеток. Исходя из многообразия и сложности взаиморегуляции стволовых клеток, их микроокружения и иммунной системы, я предлагаю использовать термин «стволовая система».

Cистема эксцизионной репарации нуклеотидов (NER) ответственна за удаление из ДНК широкого набора объемных повреждений, что вносит существенный вклад в поддержание стабильности генома. Эффективность, с которой белки системы NER распознают и удаляют объемные повреждения, зависит от многих факторов и имеет важное клинико-диагностическое значение. В обзоре рассмотрены современные представления о молекулярных основах функционирования системы NER в клетках эукариот, а также проанализированы методы и подходы, которые применяются для определения эффективности функционирования данной системы репарации ДНК как in vitro, так и ex vivo.

В последние годы показано, что адипокин апелин - эндогенный лиганд рецептора APJ - участвует в регуляции сердечно-сосудистой, гипоталамо-гипофизарной, желудочно-кишечной и иммунной системах человека. В обзоре представлены данные литературы о системе апелин/APJ, ее влиянии на сосудистую систему, пищеварение, жировую ткань и водно-электролитный обмен. Обсуждается действие пептидов апелина при ожирении, диабете и сердечно-сосудистых заболеваниях, а также их кардиопротекторные эффекты, связанные с активацией реперфузионных киназ и проявлением антиоксидантных свойств. Обобщены результаты собственных экспериментов по влиянию апелина-13, [Pyr1]апелина-13, апелина-12 и их химически модифицированных аналогов на сердце в норме и при моделировании патофизиологических состояний in vitro и in vivo. Показано, что спектр действия С-концевых фрагментов апелина на поврежденный миокард охватывает уменьшение гибели кардиомиоцитов от некроза, снижение повреждения клеточных мембран, улучшение метаболического состояния миокарда, снижение образования активных форм кислорода и продуктов перекисного окисления липидов. Сделан вывод о перспективности молекулярного конструирования фармакологических агонистов рецептора APJ, обладающих протеолитической устойчивостью и стабильностью при хранении, которые могут служить основой для разработки нового класса лекарственных средств.

В предлагаемой работе на основании анализа работ трёх лабораторий получен ответ на вопрос О.Б. Птицына: какова роль консервативных нефункциональных остатков в апомиоглобине. Выявлена решающая роль консервативных нефункциональных остатков в апомиоглобине в образовании нативной топологии в состоянии расплавленной глобулы этого белка. Это позволяет предположить, что нефункциональные консервативные остатки в этом белке необходимы для фиксации и сохранения правильной топологии основных элементов его вторичной структуры в промежуточном состоянии. Правильная топология является нативным элементом в этом состоянии.

Прогестерон оказывает множественные эффекты в разных тканях через ядерные рецепторы (nPR) и через мембранные рецепторы семейства адипонектиновых и прогестиновых рецепторов (mPR). Через разные типы рецепторов действие прогестерона на клетки может значительно различаться. При этом он влияет на процессы пролиферации и апоптоза в нормальных и опухолевых тканях двойственно: стимулируя пролиферацию и канцерогенез в одних тканях, подавляя их и стимулируя гибель клеток - в других. В данной работе мы показали наличие высокого уровня мРНК и белка mPRβ в опухолевых клетках HepG2 гепатоцеллюлярной карциномы человека. Экспрессия других мембранных и классических ядерных рецепторов не была обнаружена. Можно предположить, что mPRβ выполняет важную функцию в клетках HepG2. Главной целью работы явилось изучение функции этого белка и механизмов его действия в клетках гепатоцеллюлярной карциномы человека. Ранее нами были выявлены селективные лиганды mPR - соединения LS-01 и LS-02, не взаимодействующие с ядерными рецепторами. Их применение позволяет дифференцировать эффекты прогестинов, опосредуемые разными типами рецепторов. В работе изучалось действие прогестерона, LS-01 и LS-02 на пролиферацию и гибель клеток HepG2, а также активирующее фосфорилирование двух киназ, р38 МАРК и JNK, под действием трех стероидов. Показано, что все три прогестина через 72 ч инкубации с клетками подавляли их жизнеспособность и стимулировали появление фосфатидилсерина на наружной поверхности мембран, выявляемое по связыванию с аннексином V, но они не влияли на фрагментацию ДНК ядер клеток. Прогестерон достоверно снижал экспрессию генов маркеров пролиферации и стимулировал экспрессию гена белка р21, но на экспрессию генов некоторых проапоптотических факторов действовал подавляюще. Все три стероида активировали JNK в этих клетках, но на активность р38 МАРК действия не оказывали. Эффекты прогестерона и селективных лигандов mPR в клетках HepG2 были одинаковыми в отношении подавления пролиферации и стимуляции апоптотических изменений в наружных мембранах, следовательно, они осуществлялись через взаимодействие с mPRβ. Участником сигнального каскада, активируемого в этих клетках изучаемыми стероидами, является JNK.