Биологи из Университета Брауна нашли способ оценить эффект старения, наблюдая за быстрыми изменениями в хроматине – идущей вдоль цепочки ДНК структуре, которая либо подавляет экспрессию генов, либо способствует ей. В ряде недавно опубликованных экспериментов они показали, что для плодовых мушек характерно возрастное снижение сайленсинга генов, определяемого хроматином.
Чтобы организм был здоров и жил максимально долго, некоторые гены должны «молчать». С целью выяснить, снижают ли возрастные изменения способность подавлять активность таких генов, ученые использовали репортерные гены. Ткани, в клетки которых встроены репортерные гены, светятся синим. Мухе на снимке слева – 10 дней, справа – 50.
Кроме того, исследователи показали, что факторы, способствующие увеличению продолжительности жизни мух, такие как низкокалорийная диета или усиление экспрессии белка Sir2, обращают наблюдаемую возрастную потерю сайленсинга генов вспять.
«То, что одной из причин возрастной дисфункции клеток является потеря некоторыми генами, которые должны молчать, этого сайленсинга, предполагалось на протяжении многих лет», - говорит доктор Стивен Гельфанд, старший автор статьи, опубликованной он-лайн в журнале Aging. «Однако достоверно это было продемонстрировано только на дрожжах. Поэтому то, что мы попытались сделать на мухах, это посмотреть, выходят ли из состояния репрессии их обычно подавленные гены».
В своем исследовании доктор Гельфанд использовал феномен, известный как эффект положения мозаичного типа (position effect variegation, PEV), представляющий собой изменение экспрессии гена на границе между эухроматином – неплотной упаковкой ДНК, делающей возможной экспрессию генов, – и гетерохроматином – плотной упаковкой, обеспечивающей их сайленсинг. Он предположил, что по мере старения организма гетерохроматин может «отступать», включая некогда молчавшие гены, что можно сравнить с тем, как отлив делает видимыми для обитателей океанского побережья раковины моллюсков.
Чтобы проверить, снижается ли с возрастом хроматиновый сайленсинг генов, Гельфанд и его коллеги встроили репортерные гены прямо на границе между гетерохроматином и эухроматином в двух определенных частях генома мух. Использованные в данном исследовании репортерные гены обладают полезным свойством: их экспрессия сопровождается синим свечением и может быть определена просто с помощью кратковременного теплового воздействия. Эта методика обеспечила исследователей индикатором связанной с хроматином экспрессии генов в отдельных клетках и отдельных тканях в любое время в течение всего жизненного цикла насекомого.
По мере старения мухи все больше экспрессировали ген-репортер в пограничных между гетерохроматином и эухроматином областях. Например, в 10-дневном возрасте экспрессия репортерного гена наблюдалась в 5-35 процентах клеток определенных тканей, в то время как в 50-дневном – уже в 40-80 процентах.
Кроме того, ученые непосредственно изучили динамику распространенности гетерохроматина в областях встраивания репортерных генов и установили, что с возрастом гетерохроматина в этих областях действительно становится меньше.
Доктор Гельфанд: «Мы пытаемся вернуть клетку к более молодому состоянию гетерохроматина в надежде на то, что это оптимизирует ее физиологию и будет противодействовать возрастной потере ее функции».
Следующая серия экспериментов показала, что, хотя время и неумолимо, это конкретное проявление старения относительно пластично. Ученые воздействовали на мух факторами, которые, как показали предыдущие исследования, увеличивают продолжительность жизни. Они хотели выяснить, оказывают ли эти факторы влияние на гетерохроматин и сайленсинг генов. Гиперэкспрессия гена, кодирующего фермент Sir2, усилила сайленсинг. Такой же эффект был достигнут и при переводе мух на низкокалорийную диету.
В одном из последних экспериментов исследователи давали одним мухам высококалорийное, а другим – низкокалорийное питание. Затем они «переключали» их диету либо в 20, либо в 30-дневном возрасте. Уже через 72 часа после переключения на другую диету сайленсинг генов приблизился к уровням, наблюдаемым у мух, постоянно находившихся на данной диете. Другими словами, недавно переведенная на низкокалорийное питание муха имела относительно высокий сайленсинг, свойственный мухе, находившейся на этой диете всегда.
Этот результат позволяет предположить, что процесс естественного возрастного нарушения сайленсинга генов регулируем: его можно как усилить, так и ослабить воздействием определенных факторов.
«Это указывает на молекулярный механизм, с помощью которого можно замедлить процесс старения», - считает доктор Гельфанд, преподаватель кафедры молекулярной биологии, клеточной биологии и биохимии Университета Брауна.
В недавнем исследовании, проведенном коллегой Гельфанда Робертом Ринаном (Robert Reenan), было показано, что подавление РНК-редактирования и, таким образом, сохранение гетерохроматина увеличивает продолжительность жизни мух.
Ссылаясь на статью, опубликованную в этом году его коллегой Джоном Сэдиви, который вместе с Николой Неретти нашел доказательства возрастной поломки гетерохроматина и ослабления генетического контроля у человека, доктор Гельфанд считает, что результаты, полученные в экспериментах на мухах, можно экстраполировать на организм человека.
Однако на человека нельзя воздействовать факторами, хорошо работающими на мухах, такими как жесткое ограничение калорий, и доктор Гельфанд и его коллеги предлагают одно из возможных направлений будущих исследований. По их мнению, реальной альтернативой устранению эффектов нежелательной экспрессии отдельных генов у пожилых пациентов могут, в конечном итоге, стать не наносящие вреда организму способы имитации эффектов ограничения калорий, восстанавливающие сайленсинг генов в целом.
«Мы пытаемся вернуть клетку к более молодому состоянию гетерохроматина в надежде на то, что это оптимизирует ее физиологию и будет противодействовать возрастной потере ее функции», - подводит итог доктор Гельфанд.
Источник: LifeSciencesToday
