Нутригеномика. питание vs. заболевания. Нутригеномика. питание vs. старение
реклама
Нутригеномика: питание vs. заболевания АВТОР o Маргарита Перцева Все больше людей в мире умирает от хронических неинфекционных болезней (диабет, онкологические и сердечно-сосудистые заболевания). Что же способно остановить подобную эпидемию? Ответ даст нутригеномика — новое направление в науке, изучающее, как пища влияет на экспрессию генов. Cтатья раскроет молекулярные механизмы воздействия пищи на гены; расскажет о том, какие продукты стоит употреблять чаще, а от каких отказаться, чтобы жить дольше и здоровее; и опишет перспективы диетологии в будущем. Вторая часть серии — «Нутригеронтология: питание vs. старение» подробно остановится на механизмах старения и на том, как пища может замедлить эти процессы. В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением, осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза. Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений. Краткое содержание спецпроекта освещено в видеоролике «Стареть или не стареть? // Всё как у зверей». Подробности же узнаете из наших статей. Следите за обновлениями! Еще со времен Древней Греции было известно, что пища влияет на состояние тела и духа и способна избавлять от болезней. Однако фундаментальные открытия в науке о питании были сделаны только в 18–20 столетиях: изучили химический состав пищи и основные пути метаболизма [1]. До середины 20 века из-за несбалансированного рациона были распространены недуги, связанные с дефицитом витаминов и минералов, поэтому их функции исследовались особенно активно. Сегодня же развитые страны столкнулись с другими последствиями нерационального питания — ожирение и диабет II типа [2] (рис. 1). Более того, обнаружено, что продолжительность жизни и развитие «убийственной тройки» — сердечно-сосудистых, нейродегенеративных и раковых заболеваний — зависит от рациона человека [3]. Медикам и ученым стало очевидно, что для эффективного лечения и профилактики вышеупомянутых заболеваний необходимо понять механизмы воздействия пищи на организм на клеточном и молекулярном уровнях. В начале 21 века завершились международные геномные проекты [4], предоставив для анализа множество генетической информации; стали развиваться производительные молекулярные методы для исследования «внутренней жизни» клетки [5]. Все эти факторы привели к рождению новой науки — нутригеномики [6]. Нутригеномика исследует влияние различных компонентов пищи и биологически активных добавок на экспрессию генов [7]. Ожидается, что определение биохимических путей взаимодействия пищи и генов позволит эффективно лечить неинфекционные заболевания (например, диабет, рак, патологии сердечно-сосудистой системы), а также предотвращать их развитие благодаря выявлению ранних маркеров нарушений в метаболизме и составлению индивидуального плана питания [6]. Каким же образом пища регулирует работу генов? Рисунок 1. Последствия несбалансированного питания в развитых странах: распространение ожирения и диабета II типа. Некоторые компоненты пищи влияют на эти процессы (рис. 2): 1. Ацетилирование гистонов (включение гена). Сульфарафан (содержащийся в капусте, брокколи, цветной капусте) и диаллилдисульфид (из чеснока) — включают гены, подавляя ферменты, которые репрессируют ген посредством снятия ацетильной метки с гистонов. Поэтому сульфарафан способен включать молчащие в раковых клетках гены — регулировщики нормального деления, что подавляет рост опухоли. Масляная кислота, которая образуется микрофлорой человека при употреблении клетчатки, оказывает аналогичное влияние на работу генов, а также активирует иммунную систему, что подавляет рост раковых клеток. Ингибирующее действие масляной кислоты на метастазирование было показано у крыс на модели рака прямой кишки [8]. 2. Метилирование ДНК (выключение гена). Источники метильных групп (холин, метионин, фолиевая кислота) содержатся в яйцах, шпинате, бобовых и печени. У взрослых крыс хронический дефицит метильных групп влечет за собой спонтанное образование опухолей [9], а также ведет к активации мобильных элементов генома [10]. Широко известен эксперимент, проведенный Джиртлом и Уотерлэндом, с трансгенными vy грызунами агути (A agouti), которые имеют желтую окраску и предрасположенность к ожирению, диабету и раку. При добавлении в корм беременным самкам агути холина, метионина и фолиевой кислоты у них рождалось нормальное потомство с коричневой окраской шерсти и без отклонений в здоровье [11]. Дело в том, что присутствие источников метильных групп в пище матери способствовало метилированию (и, соответственно, выключению) гена agouti, вызывавшего болезненный фенотип у эмбрионов. Подробнее про то, как эпигенетические модификации влияют на развитие читайте в «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре», «Эпигенетика: невидимый командир генома» [12], [13]. 3. Для нормального развития плода и протекания беременности у женщин необходимы источники метильных групп, в частности, фолиевая кислота. При ее дефиците повышается риск преждевременных родов, выкидышей, а также возможны патологии в нервной системе плода и низкий вес новорожденного [14]. Точные механизмы действия фолиевой кислоты до сих пор не ясны, известно лишь, что усиливается метилирование гена IGF2 (инсулиноподобного фактора роста 2), участвующего в росте и развитии плода [15] Рисунок 2. Механизм влияния пищи на эпигенетические модификации. Рисунок 3. Механизм действия нутриентов на экспрессию генов через транскрипционные факторы. Транскрипционные факторы Второй механизм, посредством которого пища изменяет экспрессию генов, иллюстрирует следующая схема: «компонент пищи → рецептор → сигнальный путь → транскрипционный фактор → включение генов» [6], [16] (рис. 3). Рецепторы распознают строго определенную структуру веществ, поэтому схожие по строению компоненты пищи различно воздействуют на организм (например, насыщенные и ненасыщенные жиры). В данной схеме возможны небольшие вариации, например, ядерные рецепторы совмещают в себе функции рецептора и транскрипционного фактора: они распознают различные гидрофобные компоненты еды или их производные (жирные кислоты, витамин D, ретиноевую кислоту, желчные соли и пр.), а затем изменяют активность регулируемых ими генов [17–19]. Пища состоит из белков, углеводов и жиров. Компоненты пищи расщепляются в процессе пищеварения до более простых веществ (аминокислоты, моносахара, жирные кислоты), которые далее транспортируются в клетки и связываются рецепторами. Сигнал от рецептора распространяется по клетке, доходит до ядра и экспрессия генов изменяется. Длительные изменения в экспрессии генов, в конечном счете, сказываются на здоровье и продолжительности жизни. Но обо всем подробнее. Белки в пищеварительном тракте распадаются до аминокислот, которые затем транспортируются внутрь клеток. В клеточной цитоплазме плавает молекула mTOR (mammalian target of rapamycin), которая активируется высокой концентрацией аминокислот и регулирует многочисленные аспекты метаболизма в клетке. Примечательно, что сигнальный путь mTOR — консервативный биохимический путь, регулирующий старение у животных. Генетические мутации, ослабляющие сигнал mTOR-пути, продлевают жизнь червей, мушек и мышей [20]. Поскольку mTOR активируется аминокислотами, то можно ожидать, что рацион с ограниченным содержанием белков будет благоприятно сказываться на здоровье и долголетии. Действительно, потребление малого количества белков или метионина(незаменимой аминокислоты) повышает продолжительность жизни у модельных животных [21]. У людей диета с низким соотношением белков и углеводов снижает риск развития рака, ожирения и нейродегенеративных заболеваний [22]. Согласно исследованиям, люди пожилого возраста (50–65 лет), получающие из белков более 20% суточных калорий в четыре раза (!) чаще умирают от рака, а уровень их общей смертности на 75% выше по сравнению с людьми, соблюдающими низкобелковую диету (т.е. менее 10% суточных калорий) [23]. Интересно, что корреляция между употреблением растительных белков и уровнем смертности не выявлена. Считается, что это обусловлено аминокислотным составом растительных белков, которые содержат меньше метионина и цистеина [23]. Углеводы в процессе пищеварения расщепляются до моносахаров; самый известный представитель этого класса — глюкоза. Повышение уровня глюкозы в крови вызывает выработку гормона инсулина. Инсулин улавливается рецепторами на поверхности клеток, что приводит к активации сигнального пути IIS (Insulin/Insulin-like grow factor Signaling), который запускает поглощение клетками глюкозы, а также стимулирует клеточный рост и деление. Сигнальный путь IIS тесно переплетен с путем mTOR, соответственно, уровень его активации имеет последствия для здоровья и продолжительности жизни. Мыши, гетерозиготные по рецептору IGF-1 (Insulin-like grow factor) (Igf1r+/−), в среднем, жили на 26% дольше, чем их гомозиготные братья (Igf1r+/+). Что касается людей, то генетические полиморфизмы, снижающие уровень сигнала IIS-пути, ассоциированы с долголетием [23]. Многочисленные исследования демонстрируют, что ограничение калорий у животных снижает уровень IGF в крови; вместе с IGF падает и риск развития атеросклероза, рака и прочих болезней [22]. У людей голодание несколько дней в неделю (потребление менее 25% от суточной нормы калорий) улучшает такие маркеры сердечно-сосудистых заболеваний, как уровень холестерина (ЛПНП) в крови и чувствительность к инсулину [23]. Подробности о механизмах действия низкобелковой диеты и сигнальных путях mTOR и IIS разобраны в статье «Нутригеронтология: питания vs. старение» [24]. Жиры перерабатываются до жирных кислот, моноглицеридов и глицерина. Биохимические эффекты жирных кислот активно исследуются в нутригеномике, так как они запускают множество сигнальных путей, и многие заболевания связаны именно с нарушением липидного обмена. Жирные кислоты можно разделить на два основных класса: ненасыщенные (к которым относятся полиненасыщенные жирные кислоты и транс-жиры) и насыщенные. Полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК). ПНЖК содержатся в оливковом масле, семечках, тунце, лососе. ПНЖК необходимы для нормальной работы организма, их употребление благотворно влияет на работу сердечно-сосудистой и нервной систем [25]. Внутри клетки ПНЖК распознаются ядерными рецепторами PPAR (peroxisome proliferator—activated receptors), которые также выполняют функции транскрипционных факторов и регулируют гены метаболизма. Активация PPARα в печени способствует катаболизму жиров в организме (т.е. их утилизации). Также ПНЖК снижают экспрессию генов, вовлеченных в синтез холестерина и жирных кислот. Особенно полезны для организма омега-3-жирные кислоты, которыми богаты рыбий жир, льняное масло и грецкие орехи. Рыбий жир снижает уровень холестерина в крови и печени [26]. Исследования демонстрируют, что ω-3жирные кислоты (но не ω-6-ЖК) ингибируют рост ободочного рака кишки in vitro и in vivo [27]. Помимо этого, ω-3-жирные кислоты обладают противовоспалительным действием, так как функционируют в качестве субстратов для синтеза противовоспалительного простагландина E3, протектинов и резолвинов, участвующих в рассасывании воспаления и защите клеток [28]. Кроме того, ω-3-жирные кислоты изменяют ацетилирование гистонов и таким образом подавляют действие транскрипционного фактора NF-kB на гены иммунного ответа и апоптоза, которые он регулирует [28]. Транс-жиры. Транс-жиры образуются в пищевой индустрии из ненасыщенных жирных кислот при производстве маргарина, который используется в изготовлении выпечки, крекеров, чипсов и пр. Исследования демонстрируют, что существует прямая зависимость между потреблением транс-жиров и развитием сердечно-сосудистых заболеваний, диабета, ожирения, аллергии, рака груди, а также сокращением периода беременности [29]. В экспериментах, проведенных на мышах, ученые определили, что транс-жиры усиливают в печени экспрессию PGC-1 — ключевого регулятора липидного обмена. Это способствует экскреции липопротеинов низкой плотности в кровь и отложению холестерина в сосудах [30]. Также транс-жиры встраиваются в клеточную мембрану, вызывают воспаление и нарушают работу клеток (рис. 4) [31]. Рисунок 4. Предполагаемые механизмы действия трансжиров. (а) Транс-жиры изменяют продукцию, секрецию и катаболизм липопротеинов в клетках печени, а также влияют на транспорт эфиров холестерина в липопротеины очень низкой плотности. (б) В эндотелиоцитах увеличивается синтез циркулирующих молекул адгезии и снижается функция NO-синтазы. (в) Под действием транс-жиров изменяется нормальный метаболизм жиров в адипоцитах и усиливается воспалительный ответ. (г)В макрофагах возрастает продукция медиаторов воспаления (интерлейкина-6, фактора некроза опухолей). Перечисленные эффекты трансжиров подтверждены исследованиями на людях и способствуют атеросклерозу, диабету, отрыву бляшек, внезапной смерти от сердечных патологий. Внутриклеточные механизмы действия транс-жиров точно не установлены. Возможны: изменения в мембранных фосфолипидах клетки, что влияет на функции мембранных рецепторов (таких, как NO-синтаза на эндотелиоцитах или TLR на макрофагах); прямое взаимодействие трансжирных кислот с ядерными рецепторами, регулирующими транскрипцию генов (например, X рецептором печени); опосредованный или прямой эффект на ЭПР, активация киназы Jnk, которая обычно активируется в ответ на клеточный стресс и регулирует апоптоз, деление клеток, продукцию цитокинов. Предполагаемые механизмы нуждаются в дальнейшем изучении. Сайт www.ufrgs.br, рисунок адаптирован. Насыщенные жирные кислоты (НЖК). Основные источники насыщенных жирных кислот — сливочное масло, сыр, мясо, желтки, кокосовое, пальмоядровое масла и масло какао. Существуют данные, что НЖК способствуют воспалению через прямую активацию рецепторов TLR4 (Toll-like receptor) на макрофагах [32]. Рецептор TLR4 — это рецептор врожденного иммунитета, распознающий определенный компонент клеточной стенки бактерий, в состав которого входит липид. Сигнал от TLR4 активирует ключевой транскрипционный фактор иммунного ответа — NFkB. Несмотря на то, что результаты исследований относительно неблагоприятного воздействия НЖК на здоровье противоречивы, Всемирная организация здравоохранения рекомендует сократить долю насыщенных жирных кислот в рационе до 5–10% (от общего количества калорий). Известно, что одинаковые факторы (идентичные диета и степень физической активности) могут сказаться на метаболизме людей по-разному. Например, недавно было выявлено, что у женщин в зависимости от типа аллеля, потребление ПНЖК способно оказывать противоположные эффекты на уровень липопротеинов высокой плотности (ЛВП) в крови [33]. Соответственно, при проведении нутригеномных исследований надо обязательно учитывать индивидуальные генетические особенности. Нутригенетика: от генов к пище Нутригенетика изучает, как вариации в генах отражаются на усвоении и метаболизме пищи и, соответственно, выявляет генетические предрасположенности к заболеваниям. Генетические заболевания подразделяют на моногенные (определяются вариацией в одном гене) и полигенные (определяются комбинацией генов + факторами внешней среды) [36]. К моногенным заболеваниям относят, например, фенилкетонурию, глютеновую болезнь, непереносимость лактозы. Причина таких заболеваний ясна, поэтому внешние проявления предотвратить просто: достаточно исключить из рациона неусваиваемый компонент пищи. Для профилактики полигенных заболеваний — ожирения, диабета II типа, рака, нарушений сердечно-сосудистой системы — необходимо контролировать не только рацион, но и следить за степенью физической активности, уровнем стресса и пр. Тем не менее, накапливающиеся знания из нутригенетики и нутригеномики позволяют индивидуально (в зависимости от генотипа) выявить группы риска и определить, каких продуктов данному человеку стоит избегать, а какими, наоборот, дополнить свое ежедневное меню, чтобы минимизировать риски заболеваний. Сердечно-сосудистые заболевания (CCЗ). Развитие ССЗ чрезвычайно комплексно, поэтому ученые еще далеки от установления всех факторов рисков и способов их устранения. Однако в генах липидного обмена (генах аполипопротеинов E, A1, A2, A54; PPARs; липоксигеназы-5 и др.) выявлены вариации, у обладателей которых быстрее развивается ССЗ от высококалорийного питания [35]. Также показано, что у людей с медленным метаболизмом кофеина повышается риск сердечных атак при его употреблении [36]. При этом доказан основной риск развития ССЗ — наличие метаболического синдрома, который характеризуется «смертельной четверкой»: повышением артериального давления, уровня сахара и липидов в крови, ожирением. Поэтому главная актуальная задача в этой области — установление молекулярных механизмов общего патологического процесса, который приводит к таким разным метаболическим нарушениям [34]. Рак. Особенности транспорта и метаболизма питательных веществ вносят вклад в развитие (или предотвращение) раковых заболеваний. Например, распространена мутация, снижающая эффективность фермента, необходимого для метилирования ДНК. При недостатке в пище источников метильных групп (фолата и холина), носители такой мутации имеют повышенную вероятность заболеть колоректальным раком. Для таких людей употребление алкоголя — это дополнительный усугубляющий фактор, так как алкоголь снижает абсорбцию фолата и увеличивает его выведение из организма [34]. Употребление красного мяса значительно увеличивает риск развития колоректального рака как у обладателей быстрой Nацетилтрансферазы, так и у носителей особой комбинации полиморфизмов в гене цитохрома P450 [33], [36]. Обнаружено также, что вероятность онкологических заболеваний возрастает при мутации в гене одного из типов глутатионтрансфераз (ферментов, участвующих в детоксикации), и постоянное поступление в организм токсинов (при курении и др.) опасно для людей с подобной мутацией. А поедание капусты и прочих крестоцветных, наоборот, будет крайне полезно, так как они содержат вещества, увеличивающие активность глутатионтрансфераз [34]. Ожирение. Определенный вариант гена FTO (fat mass- and obesityassociated gene) ассоциирован у людей с ожирением и диабетом. Во время проведения исследований выяснилось, что при неограниченном доступе к еде дети с таким вариантом FTO склонны потреблять более калорийную пищу. Эффект подобного генетического варианта легко модулируется физической активностью и сбалансированным питанием. Несмотря на возможные генетические предрасположенности к ожирению, диабету, сердечно-сосудистым заболеваниям и раку, показано, что факторы окружающей среды играют существенную роль при развитии вышеперечисленных патологий [7]. Поэтому ВОЗ были составлены базовые рекомендации для поддержания здоровья: употребление разнообразных фруктов и овощей в течении дня, снижение потребления насыщенных и трансжиров, копченостей, соленой пищи; умеренное употребление алкоголя; активный образ жизни; поддержание нормального веса. Различные исследования подтвердили обратную зависимость между употреблением овощей и фруктов и частотой онкологических заболеваний [37], [38]. Кроме того, накапливающиеся данные о благотворном влиянии на здоровье и долголетие рациона с низким содержанием животных белков уже сегодня заставляют диетологов выстраивать новую систему сбалансированного питания. Однако для полноценного представления о механизмах влияния составляющих пищи (а также их комбинаций) на организм, и возможных разбросах такого влияния среди человеческой популяции предстоит еще сделать много работы. Существует ряд проблем, которые необходимо решить для получения достоверной информации и внедрения нутригеномики/нутригенетики в повседневную жизнь. Проблемы Отдельно взятый прием пищи оказывает слабое влияние на организм, поэтому при проведении нутригеномных исследований очень важна длительность употребления нутриентов, что усложняет проведение экспериментов. Для анализа изменений в экспрессии генов и метаболизма клетки используются следующие методы: эпигенетический анализ и анализ клеточных мРНК (транскриптома), белков (протеома) и метаболитов (метаболома) (рис. 5). К сожалению, на сегодняшний день методы получения протеома и метаболома дороги и развиты недостаточно, а количество мРНК не всегда пропорционально количеству белка в клетке и не дает информации об активности белка. Кроме того, для исследований требуется достаточно большое количество биологического материала, поэтому анализируется, в основном, кровь, в частности, белые кровяные клетки (жировая и мышечная ткани — на втором месте), но до сих пор неизвестно, насколько точно они отражают ранние нарушения в метаболизме [39]. Рисунок 5. Нутригеномные методы исследования. Несмотря на то, что пока не накоплено достаточного объема достоверной информации для внедрения нутригеномики и нутригенетики в повседневную жизнь, уже существуют компании, предлагающие нутригенетические тесты (правительство США выпустило отчетоб опасности и недостоверности таких тестов). Такие компании вызывают сомнения у людей о научной релевантности таких областей, как нутригеномика и нутригенетика, что мешает их распространению и внедрению в общество. Перспективы Ожидается, что вклад нутригеномики и нутригенетики в здравоохранение в следующем десятилетии будет очень значительным. Установление молекулярных механизмов взаимодействия «пища—гены» и выявление ранних маркеров нарушений в метаболизме позволит проводить эффективное превентивное лечение. Планируется составлять индивидуальный план питания на основе особенностей метаболизма и генетических предрасположенностей (рис. 6). Продукты питания будут проверяться не только на безопасность, но и на эффективность их действия на организм. Нутригеронтология: питание vs. старение В 16 веке Лукас Кранах Старший, мечтая вновь стать юным, написал картину «Фонтан молодости». Если бы Лукас знал нутригеронтологию, то он изобразил бы фонтан молодости именно так. o АВТОР. Маргарита Перцева Продолжительность жизни и количество людей старше 60 лет неуклонно растет во всем мире. Вместе с этим возрастает и уровень возрастных заболеваний. Однако система сбалансированного питания, позволяющая отсрочить развитие болезней и замедлить старение, до сих пор не разработана. Стоп. А разве при помощи пищи можно повлиять на процессы старения? Этими вопросами и занимается нутригеронтология. Ну а о нутригеномике шла речь в первой части этой статьи. Старение и долголетие Цикл статей, задуманных в рамках спецпроекта «биомолекулы» для фонда «Наука за продление жизни». В этом цикле рассмотрим общие проблемы старения клеток и организмов, научные подходы к долголетию и продлению здоровой жизни, связь сна и старения, питания и продолжительности жизни (обратимся к нутригеномике), расскажем про организмы с пренебрежимым старением, осветим темы (эпи)генетики старения и анабиоза. Конечно, феномен старения настолько сложен, что пока рано говорить о радикальных успехах в борьбе с ним и даже о четком понимании его причин и механизмов. Но мы постараемся подобрать наиболее интересную и серьёзную информацию о нащупанных связях, модельных объектах, разрабатываемых и уже доступных технологиях коррекции возрастзависимых нарушений. Краткое содержание спецпроекта освещено в видеоролике «Стареть или не стареть? // Всё как у зверей». Подробности же узнаете из наших статей. Следите за обновлениями! Введение Старение проявляется как постепенное ухудшение физиологических функций: ослабляется защита иммунной системы, уменьшается мышечная масса, возникают нарушения работы мозга и сердечно-сосудистой системы. До недавнего времени казалось, что процесс старения не поддается контролю. Однако, в последние десятилетия в биогеронтологии — науке о старении — был сделан ряд важных открытий. Ученые давно догадывались, что доступные глазу признаки старения — это последствия незаметных изменений на уровне клеток и молекул, но выяснить, какие же это молекулярные изменения, удалось совсем недавно [1]. На данный момент выделяют девять клеточномолекулярных признаков старения, общих для различных организмов. К этим признакам относят (рис. 1): 1. повышение нестабильности генома; 2. укорочение теломер [2], [3], [4]; 3. эпигенетические изменения [5]; 4. изменения в межклеточной коммуникации; 5. нарушение белкового гомеостаза; 6. истощение стволовых клеток; 7. клеточное старение [6]; 8. митохондриальные нарушения; 9. разрегулирование клеточных сигнальных путей, чувствующих уровень питательных веществ. Рисунок 1. Молекулярные признаки старения. Эксперименты в области биогеронтологии и анализ человеческих популяций долгожителей выявили любопытные взаимосвязи между типом питания и продолжительностью жизни. И сейчас по всему миру проводятся исследования, нацеленные на подбор оптимального рациона, который мог бы замедлить процессы старения и развитие возрастных болезней. В связи с этим возникла новая отрасль в науке — нутригеронтология. Давайте подробнее остановимся на молекулярных механизмах старения и рассмотрим, как пища и ее биоактивные компоненты воздействуют на эти процессы. Ну, в более общем виде вопрос связи питания с нашим здоровьем и — более того, с работой генов — затронут в первой части этой статьи: «Нутригеномика: питание vs. заболевания» [8]. Молекулярные признаки старения и пища Сигнальные пути энергетического баланса В биогеронтологии широко известны два клеточных сигнальных пути, ослабление которых приводит к удлинению жизни у многих организмов [9]: сигнальный путь инсулина/инсулиноподобного фактора роста (IIS) и сигнальный путь mTOR . Эти сигнальные пути тесно переплетены между собой и «зондируют» уровень питательных веществ в клетке (рис. 2). Пути mTOR и IIS активируются компонентами пищи: углеводами (активируют в большей степени IIS путь) и аминокислотами (запускают mTOR-сигналинг). Ослабление сигналов от этих путей на различных стадиях продлевает жизнь самым разным модельным организмам, и на настоящий момент не осталось сомнений, что регуляция именно этих путей — главный рычаг воздействия рациона на здоровье и долголетие. О практических аспектах изучения таких сигнальных путей как mTOR, а также веществ, потенциально продлевающих жизнь, можно будет прочитать в книге-стратегии Longevity Cookbook, готовящейся при содействии фонда «Наука за продление жизни». Первая глава книги уже опубликована в интернете (правда, пока только на английском языке): «Longevity Cookbook: Pharmacological Extension of Lifespan». — Ред. Рисунок 2. Взаимосвязь IIS- и mTOR-сигнальных путей. Сигнал от инсулинового рецептора (он же рецептор фактора роста) распространяется по клетке и активирует белок mTOR, что приводит к сборке двух функциональных комплексов: mTORC1 и mTORC2. В свою очередь комплекс mTORC1 может ингибировать субстрат инсулинового рецептора (insulin receptor substrate, IRS). mTOR также активируется аминокислотами, поэтому высокая концентрация аминокислот в крови снижает чувствительность клеток к инсулину. For mTOR, Clarification and Confusion Сигнальный путь IIS (insulin and IGF-1 signaling) информирует клетку о наличии глюкозы через уровень инсулина в крови. Путь IIS берет начало от мембранного рецептора , распознающего инсулин или инсулиноподобный фактор роста (IGF1), и затем распространяется по клетке, стимулируя ее рост и деление и инактивируя транскрипционные факторы FOXO (регулируют стресс-ответ, репарацию ДНК, клеточную смерть, аутофагию [10] и др). Углеводы, содержащиеся в пище, в зависимости от строения, по-разному влияют на уровень инсулина в крови. Чем проще структура углевода, тем быстрее он переваривается и поступает в кровь, инициируя выработку инсулина. Забавно, что родственный ему рецептор играет совсем другую роль — чувствует щелочь в окружающей среде: «Рецептор „нетрадиционной ориентации“» [11]. — Ред. Сложные углеводы (клетчатка, крахмал) перевариваются постепенно, не вызывая сильного роста уровня сахара в крови и резких выбросов инсулина, в то время как простые углеводы (сахароза, глюкоза) приводят к скачку сахара в крови уже через 10–15 минут после употребления, что провоцирует выработку инсулина. Для того, чтобы оценить насколько возрастает уровень сахара в крови после потребления того или иного продукта, были введены такие параметры как гликемический индекс и гликемическая нагрузка. Например, выпечка и сладости имеют высокий гликемический индекс, так как содержат большое количество простых сахаров. Рацион с высокой гликемической нагрузкой стимулирует сигнальные пути IIS и mTOR, что в долгосрочной перспективе неблагоприятно сказывается на здоровье. Согласно исследованиям, питание с высоким гликемическим индексом/нагрузкой повышает риск таких возрастных заболеваний как диабет II типа и сердечные приступы [12]. В то время как соблюдение диеты с низкой гликемической нагрузкой (например, диеты, основанной на овощах), наоборот, благотворно сказывается на здоровье и даже способно обратить диабет II типа. А ограничение калорийности в течение долгого времени (при сохранении на нормальном уровне всех необходимых организму веществ) значительно замедляет старение сердечно-сосудистой системы и скелетной мускулатуры у людей [13]. Белок mTOR — ключевой регулятор клеточного роста и метаболизма. mTOR расположен в цитоплазме, активируется он аминокислотами и функционирует в двух различных комплексах: mTORC1 (mTOR complex 1) и mTORC2 (mTOR complex 2). Комплекс mTORC1 хорошо изучен, он собирается при поступлении сигналов от питательных веществ и рецепторов инсулина, факторов роста. mTORC1 способствует синтезу белков, подавляет аутофагию и регулирует метаболизм глюкозы (рис. 3). mTORC2 также собирается при запуске IIS и mTOR, но приводит к ингибированию транскрипционного фактора FOXO3. Поскольку mTOR активируется аминокислотами, то их невысокое содержание в пище способно увеличить продолжительность жизни. Например, мыши, содержащиеся на низкобелковой диете, живут гораздо дольше мышей с высокобелковой диетой (150 недель против 100 недель) [12]. Рисунок 3. Схема комплексов mTORC1 и mTORC2 и их функции в клетке. Ограничение в употреблении только незаменимых аминокислот тоже сказывается на долголетии. Так, у крыс ограничение по метионину увеличивает срок жизни, а рацион с высокой концентрацией этой аминокислоты ускоряет старение сосудов. Как же можно использовать эти знания по отношению к людям? Во многих культурах красное мясо — важный источник белков в рационе. Недавние исследования показали, что существует зависимость между степенью употребления мяса и уровнем сердечнососудистых заболеваний, диабета II-го типа, рака и смертности от всех случаев. Однако следует признать, что вклад в повышенный уровень смертности от потребления мяса вносит не только белковая составляющая. Дело в том, что мясо, особенно жареное или копченое, содержит достаточно большое количество различных веществ, негативно влияющих на здоровье. А вот корреляции между употреблением растительных белков и уровнем смертности найдено не было, что обусловлено аминокислотным составом растительных белков, которые содержат меньше метионина и цистеина [12]. Исследования выявили также, что люди, употребляющие мало белков (менее 10% от суточных калорий), имеют низкий уровень IGF1 и сниженный риск развития рака и смерти от всех случаев [12]. Однако пожилым людям старше 65 лет рекомендуется повысить количество белка в пище, чтобы предотвратить потерю массы и чрезмерного снижения уровня IGF1 и других важных факторов [14]. Каким же образом активация путей IIS и mTOR вносит вклад в фенотип старения? Постоянная стимуляция IIS и mTOR ведет к сокращению жизни и высокому риску возраст-зависимых заболеваний через снижение аутофагии, нарушения в функционировании митохондрий, повышение агрегации белков (так как TOR ведет к образованию белков) и уровня воспаления (рис. 4) [12]. Поэтому излишек углеводов и белков в рационе способствует атеросклерозу, остеопорозу, нейродегенеративным заболеваниям, раку, нечувствительности к инсулину. Подобные механизмы вписываются в парадигму, согласно которой процесс старения — это следствие чрезмерной стимуляции клеток во взрослом организме посредством постоянной «бомбардировки» питательными веществами, ростовыми факторами и митогенными стимулами. Рисунок 4. Влияние ограничения калорий и белков в рационе на физиологию клеток и организма. Утрата белкового гомеостаза Белковый гомеостаз в клетке поддерживается за счет двух разнонаправленных процессов: механизмов корректной сборки белков (и их последующей стабилизации) и механизмов деградации белков с нарушенной структурой (протеолиз). Если в данных процессах происходит сбой, то белки агрегируются, что приводит к развитию нейродегенеративных заболеваний [15]. Белки теплового шока (БТШ) восстанавливают нарушенную структуру белков, и при стрессе (тепловом или химическом) уровень БТШ в клетке возрастает (рис. 5). Синтез БТШ, индуцируемый стрессом, с возрастом значительно снижается [16], и это сказывается на продолжительности жизни. Белок SIRT1 в клетках млекопитающих инициирует синтез БТШ [17], а активность SIRT1 повышает ресвератрол, содержащийся в клюкве и винограде. Рисунок 5. Поддержание белкового гомеостаза. Стресс в клетке (тепловой или химический) приводит к нарушениям в структуре белков. В норме такие «поломанные» белки либо восстанавливают утраченную структуру при помощи белков шаперонов, либо утилизируются в протеасомах/аутофагосомах. Но если в системах утилизации-сборки происходит сбой, то белки агрегируются и ухудшают работу клетки. Это способствует старению и развитию нейродегенеративных заболеваний. Эффективность двух основных протеолитических систем — аутофагосомной (или лизосомальной) и протеасомной — также падает с возрастом. Активация аутофагосом замедляет клеточное старение и продлевает жизнь у ряда модельных организмов. Спермидин, содержащийся в грибах, цельных зернах и бобовых, запускает процессы аутофагии, и его добавление в пищу способствует долголетию у червей, мушек и мышей [18], [19]. Нарушение белкового гомеостаза и усиление провоспалительных процессов провоцируют конечные продукты гликирования (неферментативной реакции присоединения углеводов к аминокислотам в составе белка). Высокий уровень конечных продуктов гликирования (advanced glycolation products, AGEs) в тканях вызывает окислительный стресс и воспалительные процессы, так как AGEs связываются с поверхностными клеточными рецепторами, запускают воспалительный NF-kB-сигнальный путь, а также изменяют структуру и функции белков [20], [21]. Полученные данные показывают, что снижение количества AGEs в пище замедляет развитие хронических болезней и старения у животных и, видимо, у человека. Овощи, фрукты, зерновые, бобовые, молоко и хлеб содержат мало AGEs, в то время как в твердых сырах, говядине, свинине и птице количество AGEs высоко [21]. Стабильность генома Накопленные повреждения в ДНК в течение жизни — один из базовых признаков старения. Целостность и стабильность генома постоянно находятся под угрозой из-за воздействия как внешних (химических и биологических агентов), так и внутренних факторов (ошибок при удвоении ДНК, активных форм кислорода). Генетические повреждения могут затрагивать важные биохимические пути в клетке и нарушать их работу, что особенно критично в случае стволовых клеток. В поддержании геномной стабильности рацион играет более существенную роль, чем считалось ранее. Витамины группы B (B3, B9, В12), цинк и магний необходимы для нормального синтеза ДНК, ее метилирования и коррекции ошибок, поэтому даже незначительный недостаток этих веществ в организме сказывается на геномной стабильности и приводит к повышению уровня спонтанных хромосомных повреждений [22]. Однако современные нормы для витаминов и минералов установлены для профилактики дефицитов, а не для минимизации повреждений в ДНК [22]. Употребление этих витаминов особенно важно при дефектах в их абсорбции/метаболизме, которые обычно наблюдаются в пожилом возрасте. Поэтому после пятидесяти лет рекомендовано употреблять пищу с повышенным содержанием B12 и B9 [22]. Людям, соблюдающим веганскую диету, также необходимы специальные витаминные добавки, так как B12 содержится только в продуктах животного происхождения. Длина теломер Теломеры — концевые участки хромосом, длина которых сокращается при каждом делении клетки. Теломеры связаны с мультибелковым комплексом — шелтерином, который препятствует их слипанию. Шелтерин не даёт доступ к ДНК системам репарации, которые распознавали бы концы хромосом как разрывы в ДНК и соединяли бы их друг с другом. Из-за ограниченной репарации, произошедшие в теломерах повреждения относительно устойчивы и способны индуцировать остановку клеточного деления и/или апоптоз клетки [23], [24]. Для предотвращения повреждений и поддержания нормальной длины теломер необходимы витамины B3 и B9 [25]. С длиной теломер положительно коррелирует употребление омега-3-полиненасыщенных жирных кислот [25], [26]. Эпигенетические изменения В течение жизни в клетках нашего организма происходят эпигенетические изменения , которые затрагивают метилирование ДНК, модификации гистонов и перестройку структуры хроматина (рис. 6) [7]. Это приводит к ослаблению репарации ДНК и повышению хромосомной нестабильности. Но в отличие от мутаций эпигенетические процессы обратимы: активность ферментов, участвующих в создании и поддержании эпигенетических меток, можно регулировать. При помощи изменений в модификациях гистонов ученые увеличили продолжительность жизни прогероидных мышей (мышей, с ускоренных старением) [27]и восстановили когнитивные способности у старых мышей [28]. Во фруктах, овощах и зелени найдено множество веществ, влияющих на активность ферментов, задействованных в эпигенетическом реконструировании [29]. Эти изменения могут передаваться следующим поколениям и влиять на фенотипы детей и внуков. Подробнее о том, что такое эпигенетика, какие бывают эпигенетические модификации и существуют ли препараты для лечения эпигенома, рассказано в статьях: «Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны», «Эпигенетика: невидимый командир генома» и «Пилюли для эпигенома» [5], [30], [31]. — Ред. Рисунок 6. Эпигенетические изменения, происходящие с возрастом. Генистеин, выделенный из сои, индуцирует установление определенных гистоновых модификаций (метилирование H3K27 и H3K9), уровень которых с возрастом падает [29]. А один из эффектов ресвератрола, содержащегося в клюкве, голубике, винограде и красном вине, — повышение активности белка SIRT1, участвующего в модифицировании гистонов. Белки сиртуины, которые относятся к семейству НАД-зависимых деацетилаз (т.е. снимают ацетильную метку с гистонов), широко изучаются как потенциальные факторы, препятствующие старению. Повышенная экспрессия SIRT1 у млекопитающих улучшает показатели здоровья в старческом возрасте (продолжительность жизни при этом не возрастает) [32]. Помимо этого, для SIRT6 были получены убедительные доказательства его активности на длину жизни у млекопитающих [33]. И недавние эксперименты показали, что свободные жирные кислоты (олеиновая, линоленовая, миристиновая) в физиологических концентрациях повышают активность SIRT6 [34]. Митохондриальные нарушения Митохондрии — главные энергетические станции клетки, они окисляют поступающие питательные вещества, преобразуя их в энергию в виде АТФ [35]. При окислении веществ в митохондриях неизбежно образуются кислородные радикалы (активные формы кислорода — АФК), которые повреждают клеточные структуры [36], [37]. Ранее считалось, что митохондриальные повреждения способствуют старению именно из-за повышенной продукции АФК. Однако данные последних лет ставят эту гипотезу под сомнение. Нарушения в митохондриях, независимо от уровня АФК, приводят к апоптозу клеток и повышению воспалительных реакций [38]. Дисфункция митохондрий с возрастом возникает по нескольким причинам. Во-первых, снижается образование новых митохондрий (митохондриогенез) из-за повреждений в ДНК и укорочении теломер. Кроме того, в митохондриальной ДНК накапливаются мутации из-за богатого АФК окружения и ограниченной эффективности систем репарации в митохондриях (по сравнению с ядром) [7]. Все тот же белок SIRT1 активирует митохондриогенез, увеличивает антиоксидантную защиту клетки [39] и способствует удалению поврежденных митохондрий через процесс аутофагии [40]. Существует и другой способ улучшения работы митохондрий. Известно, что мягкие токсины провоцируют в клетке защитные реакции, из-за чего она менее подвержена воздействию различных неблагоприятных факторов. В ответ на слабые митохондриальные яды, к числу которых принадлежит и ресвератрол [41] (содержащийся, напомним, в винограде, голубике и клюкве), в клетке активируются гены митохондриального контроля, обеспечивающие целостность митохондрий и их функциональность [42]. Клеточное старение, изменения в межклеточной коммуникации и истощение стволовых клеток Истощение стволовых клеток и изменения в межклеточной коммуникации — главные «виновники» фенотипа старения: хрупкости костей, сокращения мышечной массы, ослабления иммунной системы и пр. Одна из причин развития данных признаков старения — клеточное старение или остановка деления. Клеточное старение индуцируется укорочением теломер, повреждениями в ДНК или нарушениями в сигналах клеточного деления. При этом стареющие клетки секретируют специфические молекулы (провоспалительные цитокины и металлопротеиназы), которые ускоряют старение окружающих клеток, а также инициируют воспалительные реакции [43], [44]. Из-за истощения стволовых клеток падает уровень иммунных клеток и наблюдаются дефекты в их активации [45]. В сумме это приводит к ослаблению иммунной защиты, усилению провоспалительных реакций и запуску воспалительного сигнального пути NF-kB. Но некоторые функции иммунной системы можно восстановить при помощи питания. Так, повышенные дозы витамина E способны усилить функции Т-клеток у пожилых людей; поступление вместе с пищей аминокислоты триптофана и клетчатки благоприятно воздействует на структуру и функции кишечной микрофлоры и, соответственно, на секрецию ей факторов, которые регулируют множество воспалительных и метаболических путей (рис. 7) [13]. Кишечная микрофлора вырабатывает особые молекулы, помогающие делению и дифференциации регуляторных Tклеток (а регуляторные Т-клетки играют важную роль в контроле воспаления и аутоиммунных реакций) [46], [47]. Анализ популяций выявил сильную взаимосвязь между диетой и составом микрофлоры, и между составом микрофлоры и заболеваемостью, а также уровнем воспаления у пожилых людей [48]. Манипуляции с составом кишечной микрофлоры представляются еще одним эффективным способом увеличения продолжительности жизни и улучшения самочувствия в старости [48], [49]. Рисунок 7. Влияние микрофлоры на иммунитет и воспаление. Микрофлора снижает уровень воспаления несколькими способами. Во-первых, кишечная микробиота продуцирует короткие жирные кислоты (short-chain fatty acid, SCFA), которые способствуют делению и поддержанию регуляторных Т-клеток. SCFA также стимулируют выработку слизи бокаловидными клетками; усиливают целостность эпителиального барьера. Во-вторых, нормальная микрофлора вытесняет патогенные бактерии, не давая им размножаться. В-третьих, сегментированные филаментные бактерии способствуют развитию T-хелперов 17, участвующих в защите от внеклеточных патогенов. Рисунок 8. Средиземноморская диета. Крупы, бобовые, овощи, оливковое масло и морепродукты — главные составляющие средиземноморского рациона. Не менее важным аспектом является наслаждение прогулками и трапезой с друзьями. Вывод Дальнейшие исследования в области биогеронтологии помогут в будущем разработать комплексную систему мер, направленную на увеличение продолжительности жизни и продление молодости. Важным пунктом такой стратегии, несомненно, будет составление адекватных рекомендаций по питанию. Возможно, в будущей диете «Мафусаил» углеводы, белки и жиры будут доставляться в организм в форме, минимально активирующей пути IIS и mTOR, или найдут вещества, «симулирующие» эффект голодания. Но на сегодняшний день первоначальные причины старения до сих пор не ясны, и наиболее зарекомендовавшими себя типами питания являются средиземноморская и окинавская диеты [26]. Общие аспекты данных диет таковы: высокое потребление цельных зерновых, бобовых, рыбы и морепродуктов, фруктов и овощей; умеренное потребление молочных продуктов (в основном, сыр и йогурт) и вина; низкое потребление красного мяса, мяса птицы и сладостей (рис. 8). Множество исследований подтвердило взаимосвязь между соблюдением средиземноморской диеты и долголетием, а также сниженным риском развития патологий [50], [51], а жители острова Окинавы отличаются наивысшей продолжительностью жизни. Старение и долголетие: эпигеном раскрывает тайны ОБЗОР Детальное изучение эпигенома дает биологам возможность выбраться из тумана многочисленных теорий старения и более точно понять коренные причины этого явления, а также связанных с ним возрастных болезней. o АВТОР Алексей Ржешевский Статья на конкурс «био/мол/текст»: Эпигенетика — относительно недавно возникшая область науки. Предметом ее изучения являются устойчиво сохраняющиеся в ряду клеточных делений изменения активности генов, не связанные с изменением самой ДНК. Иными словами, за счет эпигенетических модификаций одни гены работают, а другие — молчат. Еще тридцать лет назад в научном сообществе многие из-за укоренившихся догм не хотели признавать важность эпигенетических процессов в биологическом мире. Сейчас к этой области знания приковано внимание множества лабораторий и институтов по всему миру, занимающихся в том числе и изучением природы старения. В геронтологии получило мощное развитие новое направление, связанное с описанием эпигенетических механизмов возрастных изменений. Эпигенетика начинает поиск Эпигенетика — это научное направление, изучающее все факторы, которые влияют на активность генома, но не связаны с мутациями ДНК. Так как все наши клетки содержат одинаковую ДНК, эпигенетическое управление активностью генов имеет первостепенное значение при установлении специализации клеток во время развития организма и в последующем функционировании генома. Эпигенетика посредством своих механизмов — например, метилирования цитозиновых оснований ДНК, модификации гистонов и РНК-интерференции (рис. 1) — управляет работой генома, изменяя структуру хроматина и «включая» или «выключая» наши гены . Подробнее о процессах эпигенетической модификации генома — в статьях: «Развитие и эпигенетика, или история о минотавре» [1], «Эпигенетические часы: сколько лет вашему метилому?» [2], «Эпигенетика поведения: как бабушкин опыт отражается на ваших генах» [3]. Метилирование представляет собой способ регулирования активности генов путем присоединения к цитозиновым основаниям ДНК метильной группы (-СН3). Метилированиеподавляет активность гена: синтез РНК (соответственно, и белка) по такой матрице становится невозможным. Это своего рода «заглушка», которую организм использует, инактивируя те или иные гены, работа которых в данный момент ему не нужна или может представлять опасность. Еще одним важным механизмом эпигенетической регуляции является модификация гистонов, входящих в состав хроматина. Хроматин — это комплекс белков и нуклеотидов, обеспечивающий надежное хранение и нормальную работу ДНК. В наших клетках упаковка ДНК похожа на склад бижутерии. Иначе никак невозможно уложить спираль длиной два метра в одно маленькое клеточное ядро. Нить ДНК наматывается в полтора оборота на многочисленные «бусинки» из нескольких специальных белков, гистонов. Так формируются повторяющиеся структурные единицы эукариотического хроматина, называемые нуклеосомами. В каждой нуклеосоме содержится восемь молекул гистонов — по две молекулы каждого из четырех видов белков (H2A, H2B, H3, H4). Гистоны имеют «хвостики» — белковые «наросты», которые могут удлиняться или укорачиваться специальными ферментами. Длина такого «хвоста» напрямую влияет на активность генов, находящихся вблизи него. Гистоновый «хвост» может подвергнуться процессу ацетилирования, то есть замене в нём атомов водорода на остаток уксусной кислоты. В результате этого связь гистонов с ДНК, основанная на притяжении разнозаряженных частиц, ослабится, гистон диссоциирует (отдалится от ДНК), и упаковка ДНК станет более «рыхлой» (менее плотной). Тогда белки-регуляторы смогут легче присоединяться к ДНК, и активность гена повысится. Эпигенетические процессы взаимосвязаны друг с другом: так, увеличение уровня метилирования ДНК обычно сопряжено со снижением уровня ацетилирования гистонов, и наоборот. Помимо ацетилирования существует множество других способов модификаций гистонов: метилирование, фосфорилирование, сумоилирование и так далее. Эти модификации могут как разрыхлять, так и «заматывать крепче» упаковку ДНК, что приводит к увеличению или уменьшению экспрессии генов соответственно. Не так давно был обнаружен еще один уровень эпигенетической регуляции, заключающийся в воздействии на экспрессию генов посредством некодирующих РНК (нкРНК). Эти РНК могут регулировать активность гена как на транскрипционном, так и на посттранскрипционном уровнях — то есть могут как «заглушать» транскрипцию, предотвращая синтез мРНКи препятствуя тем самым считыванию информации с гена, так и приводить к разрушению уже синтезированной мРНК. Этот механизм назвали РНК-интерференцией. В 2006 году за его открытие американские исследователи Эндрю Файер и Крейг Мелло были удостоены Нобелевской премии в области физиологии и медицины . Подробнее о РНК и связанных с ней механизмах воздействия на геном рассказано в статьях: «Обо всех РНК на свете, больших и малых» [4], «Как избавиться от РНК за несколько минут» [5], «микроРНК — чем дальше в лес, тем больше дров» [6]. Важные научные открытия, связанные с эпигенетикой, появляются практически ежегодно. И хотя ученые находятся в самом начале пути, полученные данные показывают исключительную ценность этого научного направления. Получив мировое признание, эпигенетика вскоре перешла из чисто научной области исследований в очень прикладную, когда выявилась ее тесная связь с развитием и старением. Не случайно одна из недавних статей в Nature вышла под названием «Эпигеномика начинает поиск» [7]. И этот поиск уже дает свои результаты. Рисунок 1. Структура хроматина и эпигенетические механизмы воздействия на геном. Модификации гистонов: Ас, ацетилирование; Me, метилирование; Ub, убиквитинирование; P, фосфорилирование. Метилирование цитозина ДНК — Me ~ C. РНК-интерференция: miРНК, малые некодирующие РНК. Метилирование и его связь со старением В научных трудах по геронтологии часто встречается описание онтогенеза (индивидуального развития организма) лососевых рыб. И, как уже известно, молниеносно развивающееся сразу после нереста старение рыб этого вида сопровождается массивным деметилированием ДНК [8]. Установлено, что с возрастом происходит общее снижение уровня метилирования ДНК. В ДНК, которую брали у эмбрионов и новорождённых, присутствует наибольшее количество метилированных цитозиновых оснований. Получается, что некоторые гены, которые были «заглушены» и молчали в детском и молодом возрасте, к старости начинают проявлять активность. Другая, меньшая часть генов, напротив, с возрастом «замолкает», подвергшись метилированию. Последствия таких изменений генной активности сегодня еще не до конца изучены, но некоторые аспекты уже известны. Так, довольно большая часть метилированного генома человека (по некоторым данным, до 90%) приходится на подвижные элементы ДНК — ретротранспозоны . Некоторые вирусные агенты, такие как аденовирус или вирус гепатита В, попадая в наш организм, также могут блокироваться посредством метилирования. Характерный для человека ретротранспозон Aluиз-за ослабления его метилирования в старости может начать перемещаться — создавать свои копии и вставлять их в разные точки генома, нарушая этим нормальную работу генов. Подобные неконтролируемые перемещения ретротранспозонов несут в себе немалую опасность и могут быть причиной серьезных патологий: сегодня с активностью подвижных элементов ДНК связывают около ста заболеваний [9]. О мобильных генетических элементах эукариот можно прочитать в статьях: «Тайны „молекулярных паразитов“, или Как путешествовать по геному» [10], «Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге» [11], «Геном человека: полезная книга, или глянцевый журнал?» [12]. Насколько большим может быть влияние эпигенетики на продолжительность жизни, показали в своих работах ученые из Австралийского национального университета, Роберт Кухарски и его коллеги. В 2008 году Science опубликовал результаты их исследований о влиянии фермента ДНК-метилтрансферазы-3 (DNMT3) на продолжительность пчелиной жизни [13]. Долгое время оставалось загадкой, каким образом из генетически совершенно одинаковых личинок появляются две разные касты пчел — рабочие и королевы (или матки). Рисунок 2. Комплекс ДНК-метилтрансферазы с ДНК. Если рабочие пчелы живут всего несколько недель, то матки — несколько лет. Такая огромная разница в длине жизненного пути генетически одинаковых организмов является следствием особого питания: тех личинок, которым суждено стать королевами, дольше кормят маточным молочком. Молекулярные механизмы этого явления стали понятны, когда Р. Кухарски и его команда искусственно уменьшили количество фермента DNMT-3 у личинок пчел. Этот фермент прикрепляет метильные группы к ДНК (рис. 2), подавляя экспрессию генов. Без DNMT-3 активность некоторых генов у личинок оказалась повышенной, и в итоге большинство из них превратилось в королев даже без кормления маточным молочком. Расшифровка пчелиного эпигенома подтвердила это предположение: в ДНК пчеломаток было найдено значительно меньше метильных групп, чем у рабочих пчел. Несколькими годами позже группа Р. Кухарски, проводя исследование уровня метилирования цитозина в нервной системе рабочих пчел и пчеломаток, нашла 561 ген со значительными различиями в метилировании между двумя пчелиными группами [14]. Конечно, не только особенности эпигенома влияют на срок жизни пчеломатки. Как сегодня известно, долгожительницу из королевы делает совокупность факторов: это и нужное соотношение полиненасыщенных и насыщенных жирных кислот, и уменьшенное содержание цитохрома с (который способен запускать процесс клеточной гибели, апоптоз), и повышенная антиоксидантная активность [15]. Как выяснилось, влияние эпигенома на продолжительность жизни чрезвычайно велико и у людей. Так, в 2013 году большая группа итальянских генетиков, возглавляемая Джованни Витале, опубликовала результаты работы, в ходе которой изучались возрастные изменения метилирования ДНК [16]. Объектами исследования стали две группы женщин-ровесниц, жительниц Северной Италии. В одной группе были собраны пожилые итальянки, имевшие матерей-долгожительниц и отцов, проживших не менее 77 лет. К другой группе отнесли итальянок, родители которых умерли, прожив около 70 лет (отцы — 67 лет, матери — 72 года). Распределив таким образом исследуемых, ученые поставили себе задачу сравнить, какие изменения на генном уровне могут лежать в основе долголетия. А также выяснить, существует ли явная преемственность в этом вопросе — передаются ли факторы долгожительства по наследству? Результаты их работы превзошли все ожидания и показали следующее. Снижение метилирования ДНК (гипометилирование), характерное для пожилого возраста, происходило гораздо быстрее у итальянок, чьи родители не дожили до 70 лет, чем у их сверстниц, имевших родителей-долгожителей. Исследователи обнаружили, что метилирование (а значит, и блокирование) элемента Alu было значительно выше у потомков долгожителей. Даже в старости люди, получившие в наследство от родителей хорошее здоровье, мало чем отличались на молекулярно-генетическом уровне от молодых людей. И такие потенциально опасные элементы генома, как ретротранспозоны, были у них надежно блокированы. Можно с большой долей уверенности говорить, что хорошее здоровье (как, впрочем, и плохое) передается по наследству. Понимание природы эпигенетики показало, что родители ответственны за здоровье своих детей гораздо в большей степени, чем это считалось ранее. Совсем недавно было показано, что такая привычная сегодня вещь, как лишний вес будущих родителей, может самым негативным образом сказаться на их потомстве. Известный американский генетик Рэнди Джиртл и его коллеги из Университета Дьюка провели исследования ДНК лейкоцитов из пуповинной крови младенцев, родившихся в госпитале при их университете. По словам ученых, анализ зафиксировал существенное снижение уровня метилирования гена инсулиноподобного фактора роста 2 (IGF 2) у тех детей, чьи родители имели лишний вес: «Мы обнаружили у новорождённых, отцы которых страдали ожирением, значительное снижение метилирования IGF2 в ДНК, извлеченной из лейкоцитов пуповинной крови. Понижение уровня метилирования IGF2 связано с повышенным риском развития раковых заболеваний» [17]. Возрастные отклонения и эпигеном Уже известно, что возрастные изменения эпигенома тесно связаны с другими возрастными явлениями, такими как увеличение продукции активных форм кислорода, укорочение теломер и т.д. Активные формы кислорода (АФК) и связанные с ними процессы с легкой руки знаменитого американского биолога Денгама Хармана (и не менее знаменитого российского биолога В.П. Скулачёва) рассматриваются сегодня некоторыми учеными в качестве одного из основных факторов старения. Хотя сами АФК участвуют во многих физиологических процессах (особенно по части иммунной системы), с возрастом может происходить опасное повышение их уровня. Обладая большой химической активностью, АФК потенциально способны повреждать мембраны клеток, митохондриальную и ядерную ДНК . Они задействованы во многих возрастных процессах и связанных с ними патологиях: атеросклерозе, болезни Альцгеймера и др. Так, к примеру, при сердечно-сосудистых болезнях АФК блокируют производство белковсиртуинов (в частности, SIRT1), что ведет к цепи отклонений и развитию патологий (рис. 3). При болезни Альцгеймера АФК участвуют в патологических процессах образования амилоида, а также способствуют активации провоспалительных факторов — например, ядерного фактора транскрипции NF-kB [18]. Подробнее АФК и связанные с ними процессы рассмотрены в статьях «Активный кислород: друг или враг, или о пользе и вреде антиоксидантов» [19] и «Антиоксиданты против пиелонефрита» [20]. Рисунок 3. Окислительный стресс, эпигенетика и болезни сердца, легких и нервной системы. ROS — активные формы кислорода; SIRT1 — sirtuin 1, белок из семейства сиртуинов; iNOS — индуцируемая синтаза оксида азота; eNOS — эндотелиальная синтаза оксида азота; NO — оксид азота; 8oxo — 8-гидроксигуанин, маркер окислительного повреждения ДНК; HDAC2 — гистондеацетилаза 2; NF-kB — ядерный фактор транскрипции каппа-B; p21 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 1A; р16 — белок, ингибитор циклин-зависимой киназы 2A. [18] Еще в 1994 году Зигмунд Вейцман и его коллеги из Северо-Западного университета (Чикаго) обнаружили, что окисление свободными радикалами гуанина, обязательного «напарника» цитозина в двухцепочечной ДНК, влияет на метилирование. Окисленный продукт гуанина, 8-гидроксигуанин (8-OHdG), известный маркер окислительного повреждения ДНК, не только увеличивал частоту мутаций, но и препятствовал нормальному метилированию цитозина [21]. Оказалось, что эпигеном тесным образом связан с регулированием уровня АФК: общее возрастное уменьшение метилирования ДНК развивается параллельно с повышением уровня АФК и окислительным стрессом. И эти процессы связаны между собой. Так, возрастной окислительный стресс, вызванный повышенной продукцией АФК, достоверно снижает количество уже упоминавшихся сиртуинов, к которым сегодня приковано пристальное внимание геронтологов. Сиртуины представляют собой семейство консервативных (то есть встречающихся у всех живых организмов) белков, выполняющих одну из эпигенетических функций — деацетилирование гистонов. Многочисленные эксперименты показали благотворную роль сиртуинов в поддержании здоровья и увеличении продолжительности жизни. АФК же снижают уровень этих белков, сокращая тем самым срок жизни. Фолатный цикл, p66Shc, эпигеном и старение Если взять наугад любую патологию из длинного списка возрастных болезней (таких, как атеросклероз, болезнь Паркинсона, диабет или ревматоидный артрит), то совершенно точно обнаружится непосредственное участие эпигенома в их развитии. Этот вопрос сегодня хорошо изучен и уже ни у кого не вызывает сомнений. К примеру, у больных атеросклерозом обнаруживается повышенный уровень токсичного для артерий гомоцистеина. И причина этого — сбой в работе сложного биохимического процесса под названием фолатный цикл, который тесно связан с метилированием ДНК и эпигеномом. Фолатный цикл представляет собой каскад биохимических реакций, в котором задействовано большое количество ферментов (рис. 4). Для нормального протекания фолатного цикла необходимы витамины B9 (фолиевая кислота), В6 и В12. В этом цикле происходит перенос метильных групп, которые присоединяются к гомоцистеину, а избыток гомоцистеина превращается в метионин. Метионин переходит в свою активную форму, Sаденозилметионин (SАМ), который в клетке служит основным донором метильных групп, необходимых для синтеза и метилирования ДНК, РНК, белков и фосфолипидов [22]. Рисунок 4. Схема фолатного цикла. В реакции, катализируемой ферментом MTHFR, из тетрагидрофолата и серина образуется 5,10метилентетрагидрофолат, который затем восстанавливается до 5метилтетрагидрофолата. На следующем этапе метильная группа от 5метилтетрагидрофолата переносится на гомоцистеин в реакции, катализируемой В12-зависимой метилтрансферазой. В результате реметилирования гомоцистеина образуется метионин. Данную реакцию катализирует цитоплазматический фермент метионинсинтаза (MTR). Для работы фермента необходим метилкобаламин, производное витамина В12. Метионинсинтаза обеспечивает преобразование гомоцистеина в метионин посредством реакции, в которой метилкобаламин выступает в роли промежуточного переносчика метильной группы. При этом происходит окисление кобаламина, и фермент MTR переходит в неактивное состояние. В фолатном цикле может произойти сбой по двум причинам: генетическим (из-за мутаций генов ферментов фолатного цикла) или алиментарным (из-за дефицита метионина, фолиевой кислоты и других витаминов группы В). Дефицит возникает, если в рационе недостает продуктов, богатых этими веществами, или если эти вещества плохо усваиваются — как правило, на фоне вредных привычек, приема лекарств, инфекций и др. Нарушение фолатного цикла угрожает организму сразу тремя последствиями. Первое: низкий уровень одного из производных этого цикла, 5,10-метилентетрагидрофолата, приводит к разрывам в ДНК и нарушению процессов репарации [23]. Второе: возникает дефицит основного донора метильных групп, S-аденозилметионина (SAM), без которого невозможно производить метилирование ДНК. И третье последствие: нарушается метаболизм гомоцистеина, и его уровень в крови начинает расти. А далее токсичный для клеток гомоцистеин запускает цепную реакцию со множеством патологических ответвлений. Какой это может иметь вид? Как показали работы американских и корейских биологов — С. Ким и соавторов, — повышенная концентрация гомоцистеина в крови имеет прямую связь с дисфункцией эндотелия (тонкого слоя клеток, выстилающего поверхность сосудов) и атеросклерозом [24]. Причем активным участником в повреждающем действии гомоцистеина на клетки эндотелия является белок с «дурной репутацией», p66Shc, который обладает окислительной и проапоптозной (подстрекающей клетку к самоубийству) активностью. Подопытные мыши с нокаутированным («выключенным») геном p66shc, показывали существенное увеличение продолжительности жизни [25]. При этом такие мыши были удивительным образом устойчивы к действию окислительного стресса и развитию основных патологий, традиционно связываемых со старением: гиперхолестеринемии (повышению уровня холестерина), гипергликемии (повышению уровня глюкозы) и ишемии. И даже ударные дозы алкоголя не убивали таких мышей! Как выяснилось, гомоцистеин в повышенных концентрациях способен увеличивать экспрессию эндотелиального p66shc посредством гипометилирования конкретных динуклеотидов CpG в промоторе shc (регуляторном участке гена) p66 . И этот механизм играет важную роль в вызванной гомоцистеином эндотелиальной патологии. Дело в том, что p66Shcповышает продукцию АФК, которые признаны одной из основных причин возрастной дисфункции эндотелия [24]. Примечательно, что точно таким же действием на p66Shc, как гомоцистеин, обладают и липопротеины низкой плотности (ЛПНП, или, по-обывательски, «плохой» холестерин), рассматриваемые как один из факторов развития метаболического синдрома, которому подвержено огромное количество людей в мире. Выяснилось, что ЛПНП в состоянии вызывать гипометилирование двух динуклеотидов CpG и ацетилирование гистона 3 в промоторе p66shc, что ведет к повышению его активности [26]. Итальянский исследователь Джовамбаттиста Пани связал возрастную активность p66Shc и АФК с еще одним белком, вызывающим повышенный интерес у геронтологов, — mTOR (мишень рапамицина у млекопитающих), который регулирует в клетке процессы, связанные с развитием и клеточным ростом (рис. 5) [27]. По мнению одного из самых авторитетных исследователей mTOR, Михаила Благосклонного (Roswell Park Cancer Institute, США), этот белок занимает одно из центральных мест в процессах старения живых организмов, стимулируя развитие возрастных патологий, укорачивающих жизнь [28]. Рисунок 5. Две модели, показывающие, как p66Shc может объединять АФК и mTOR/S6K-каскад в процессе старения. а — АФК активируют белок p66Shc (или просто p66), который в свою очередь активирует рибосомную S6-киназу (S6K). АФК могут производиться в митохондриях в ответ на поступление питательных веществ (нутриентов), таким образом создавая альтернативный маршрут для детекции питательных веществ посредством S6K. б — Активированная p66 киназа S6K увеличивает образование АФК в митохондриях. В этом случае р66 может стимулироваться клеточным стрессом, белком р53 или экзогенными оксидантами. В обоих примерах воздействие р66 на старение тормозится ограничением калорий, что снижает поставку нутриентов. Активация p66 происходит в результате повышенной экспрессии (показана увеличенным значком) и фосфорилирования серина (буква «Р»). Оба изменения возникают в ответ на различные стрессы в клетках млекопитающих. [27] Но не только дисфункция эндотелия и сердечно-сосудистые болезни связаны с гомоцистеином и повышенной активностью p66Shc. Уже известно, что p66Shc напрямую связан с отклонением, которое сегодня чаще всего рассматривают в качестве точки отсчета ускоренного старения — с резистентностью к инсулину, когда клетки перестают взаимодействовать с этим гормоном [29]. Вместе с резистентностью к инсулину развиваются липо- и глюкозотоксичность — разрушительное воздействие избытка жирных кислот (прежде всего пальмитиновой) и глюкозы на клеточные структуры. И далее объем последствий растет как снежный ком: повышение продукции провоспалительных цитокинов, накопление опасных метаболитов (диацилглицерола, сорбитола, церамида), окислительный стресс, нарушение синтеза АТФ и дисфункция митохондрий, повреждение эндотелия и атеросклероз, гликозилирование белков, накопление амилоида, повреждение клеток, ускоренное старение. Подавляющее число долгожителей не приобретает резистентности к инсулину до самой глубокой старости. И наоборот — бόльшая часть людей, преждевременно погибших от сердечнососудистых патологий, имела резистентность к этому гормону. Сегодня большое внимание геронтологов приковано к механизмам благотворного воздействия на организм ограничения калорий. Как показали исследования, урезанный по калориям рацион может продлевать жизнь. Самый яркий и часто приводимый пример такого влияния — жители японского острова Окинава, которые при суточном рационе менее 2000 ккал уверенно держат первое место в мире по числу долгожителей. Суть этого феномена складывается из многих факторов, в том числе и из эпигенетических. Обнаружилось, что ограничение калорий меняет в позитивную сторону профиль метилирования ДНК: снижается метилирование генов — подавителей опухолевого роста, что ведет к их активации, и повышается метилирование онкогенов. Кроме этого, ограничение количества потребляемой глюкозы, которая дает немалую часть калорий, в эксперименте приводило к феномену расширения лимита Хейфлика — предела клеточного деления, лежащего в основе ограниченности срока жизни клетки (рис. 6). И опять это происходило вместе с изменениями эпигенома — изменениями в метилировании ДНК и модификациями гистонов, влияющими на активность ключевых генов — р16 и hTERT [30]. Рисунок 6. Влияние ограничения потребления глюкозы на продолжительность жизни. Ограничение поступления глюкозы может влиять на эпигенетическую регуляцию как в нормальных, так и в раковых клетках. В нормальных клетках это приводит к репрессии гена р16 и активации hTERT, что позволяет расширить лимит Хейфлика. Белок р16 замедляет процесс размножения клеток, ген hTERT кодирует фермент теломеразу, способный наращивать концевые участки ДНК, сокращающиеся при делении клеток, — теломеры. В предраковых клетках противоположные эффекты на p16 и hTERT приводят к апоптозу и гибели опасных клеток. [30] Эпигеном и теломеры Еще один ассоциированный с возрастом процесс — укорочение теломер (повторяющихся последовательностей ДНК, стабилизирующих концевые участки хромосом, но уменьшающихся в длине при каждом клеточном делении) — также оказался тесно связанным с эпигеномом. Американские биологи из Института Солка и Гарвардского университета, Родерик О'Салливани его коллеги, провели исследования, выясняющие влияние клеточного деления на структуру хроматина. Как видно из работы О'Салливана и соавторов, в стареющих клетках с сильно укороченными теломерами характер упаковки ДНК в хромосомах значительно меняется [31]. Также выяснилось, что с возрастом при каждом делении клетки вместе с укорочением теломер происходит уменьшение синтеза специальных белков-гистонов . На нуклеосомные гистоны, как швейная нить на катушку, наматывается молекула ДНК, упаковываясь таким образом в ядрах клеток. Посредством ацетилирования-деацетилирования гистонов происходит регулирование плотности упаковки ДНК. Если нужно «заглушить» гены, упаковка уплотняется, и считывающие информацию белки не могут присоединиться к регуляторным нуклеотидам. Если, наоборот, работа какого-то гена необходима, хроматин «разрыхляется», упаковка ДНК становится менее плотной и доступной для регуляторных белков. Свойства этих белков описаны в статье «Катится, катится к ДНК гистон» [32]. Очевидно, что гистоны хроматина играют очень важную роль в нормальной работе генома. И обнаруженное американскими исследователями возрастное снижение их синтеза, связанное с делением клетки и укорочением теломер, может приводить к дестабилизации генома. По предположению О`Салливана и его коллег, хронический стрессовый сигнал генерируется за счет сокращения теломер и приводит к снижению синтеза гистонов двух видов, H3 и H4. В свою очередь, это не позволяет точно восстановить ландшафт хроматина при следующем делении, и повреждение ДНК постепенно ограничивает жизнь клетки. Даже незначительные изменения в равновесии системы «ДНК — гистоны», по мнению ученых, могут нарушить синтез ДНК, архитектуру хроматина и жизнеспособность клеток. Но, как оказалось, это не единственно возможная взаимосвязь теломер, старения и эпигенома. Не так давно проследили еще одну потенциальную связь. В.А. Галицкий и его коллеги из Института биохимии им. А.А. Палладина (Киев) описали возможность укорочения теломер на фоне возрастной геномной нестабильности. И вот как это может выглядеть. По мнению украинских биохимиков, микроРНК в стволовых клетках поддерживают исходный профиль эпигенетических маркеров, что и лежит в основе уникальных качеств стволовых клеток (в первую очередь, их способности к долгой жизни). Но дифференцировка — превращение стволовых клеток в специализированные — требует репрессии генов некоторых микроРНК, чтобы те не мешали активности ряда нужных генов. В результате этого происходит возрастная потеря эпигенетических маркеров, снижается уровень метилирования ДНК. А это может приводить к дерепрессии «дремлющих» в ДНК ретротранспозонов и других мобильных элементов и, как следствие, к их перемещениям и повреждению ДНК. В ответ в клетке могут запуститься системы репарации ДНК, провоцирующие несанкционированные рекомбинации в участках теломер (так называемых теломерных кэпах). И по этой причине теломеры будут терять свою длину [33]. А укорочение теломер, как мы знаем, выступает одним из признанных маркеров старения организма. Этот процесс на примере профориентации клеток крови прекрасно проиллюстрирован (в прямом смысле) в комиксе «Кем быть? Как гемопоэтическая стволовая клетка выбирает профессию» [34]. — Ред. Заключение. «Эпигенетический дрейф» Насколько сильно меняется эпигеном с возрастом в зависимости от внешних факторов, наглядно показали исследования ДНК близнецов, выполненные испанскими учеными, Марио Фрага и его коллегами. Изучая монозиготных (однояйцевых) близнецов, они определили, что близнецы в возрасте трех лет идентичны не только генетически, но и эпигенетически [35]. А вот у 50-летних — по-прежнему одинаковых генетически — людей возникают существенные эпигенетические различия (рис. 7). Причем тем больше, чем внушительнее географическая дистанция между местами их проживания и, следовательно, разница в условиях проживания. Это может говорить о том, что подобные различия возникают не случайно, а зависят от условий, в которых живут люди. Рисунок 7. Разница в метилировании ДНК близнецов в возрасте трех и 50 лет. Для того чтобы определить эпигенетические различия между близнецами, исследователи разработали оригинальную методику окраски одинаковых участков (локусов) гомологичных хромосом. В случае одинаковой экспрессии эти локусы окрашивались в желтый цвет, если были гипометилированы — в красный, а если гиперметилированы — в зеленый. Так вот, если у 3-летних близнецов хромосомы были окрашены практически полностью в желтый цвет, то у 50-летних явно доминировали зеленый и красный. Результаты всех этих исследований позволили немецкому генетику Акселю Шумахеруразработать концепцию «эпигенетического дрейфа» — постепенного изменения с возрастом профиля метилирования ДНК [36]. Согласно концепции, возрастзависимый «эпигенетический дрейф» является естественным процессом, наблюдающимся у всех, даже полностью здоровых людей. Но у тех, кто подвергается сильному влиянию окружающей среды, вредных привычек, стрессов, неправильного питания, дрейф может «давать крен» в сторону неблагоприятных профилей, негативно меняя работу генома. О природе различных, не только эпигенетических, возрастных изменений в клетках и возможных путях их преодоления образно рассказывает статья «Зачем клетки стареют» [37]. — Ред. После всех проведенных исследований ученые могут уверенно говорить, что основу долголетия и хорошего здоровья вместе с другими факторами во многом определяет именно состояние эпигенома. А оно складывается из двух составляющих: из того, что мы получили в наследство от своих родителей, и из привычек, которые мы выработали в нашей жизни. Как сказал один из основоположников эпигенетики, профессор МГУ Б.Ф. Ванюшин, «нет никакого сомнения в том, что метилирование ДНК и модификации гистонов, а также избирательный сайленсинг генов малыми РНК играют очень важную роль в жизни клетки и организма, поэтому дальнейшие исчерпывающие исследования в этой захватывающей области знаний — очень важная и плодотворная задача нашего века» [38]. И с этим трудно поспорить. Остается ждать новых открытий, которые подарит нам область знаний, стремительно ворвавшаяся в нашу жизнь, — наука ЭПИГЕНЕТИКА.
