Геномы являются полигонами для эволюционной борьбы. Возможно, ничто так хорошо не отражает эту идею, как активное противостояние между ретротранспозонами и геномами, в состав которых они входят. Ретротранспозоны, часто называемые прыгающими генами, представляют собой мобильные генетические элементы, паразитирующие на механизмах репликации ДНК хозяина для того, чтобы реплицировать себя по всему геному. Появившиеся более 100 миллионов лет назад ретротранспозоны оказались весьма успешными. Например, геномы современных млекопитающих испещрены элементами, появившимся в результате активности используемого ретротранспозонами механизма «копирование-вставка». А геном человека почти на 50% состоит из ДНК ретротранспозонного происхождения.
Наиболее опасным ретротранспозоном геномов млекопитающих является длинный диспергированный ядерный элемент-1 (LINE-1, или L1). Длина L1 ретротранспозонов немного больше 6 тысяч нуклеотидов, при этом они кодируют РНК-связывающий белок и фермент эндонуклеазу с активностью обратной транскриптазы, обеспечивающий возможность автономной репликации в геноме хозяина через синтез промежуточной молекулы РНК. Геном человека содержит более 500 000 копий L1 ретротранспозонов. Несмотря на то, что подавляющая их часть инактивирована в результате укорочения, мутации или внутренней реорганизации, по оценкам специалистов, репликационную активность сохраняют примерно 100 копий L1 ретротранспозонов на ядерный геном. Однако, несмотря на свою многочисленность, L1 ретротранспозоны не так уж безобидны. Напротив, их активность и даже само их присутствие таит реальную угрозу для хозяина, повышая риск повреждения ДНК, а также развития рака и других заболеваний. Учитывая последствия активности L1 ретротранспозонов, совсем неудивительно, что геномы затрачивают значительные усилия на ее подавление. Каждому из этапов жизненного цикла L1 ретротранспозонов препятствуют какие-либо обусловленные активностью генома-хозяина факторы, такие как подавление экспрессии генов, механизмы защиты от вирусов, малые РНК и аутофагия.
Исторически почти все исследования «геномных паразитов» были посвящены изучению их активности в зародышевых клетках, любые изменения генома которых передаются следующим поколениям. Очень мало внимания уделялось ретротранспозиции в соматических тканях, так как их было принято считать «эволюционным тупиком». Однако в последние годы появились свидетельства того, что L1 элементы могут активизироваться в различных соматических тканях человека и мыши, в том числе в головном мозге, скелетных мышцах, сердце и печени. Наиболее интересным оказался тот факт, что наиболее высокая активность L1 ретротранспозонов во многих случаях наблюдается в стареющих тканях, особенно в подверженных возрастным патологиям, таким как рак. На основании этого можно предположить, что активность этих генетических элементов может вносить свой вклад в процесс старения.
Количество фактов, свидетельствующих в пользу этой идеи, постоянно увеличивается. Для стареющих тканей характерно увеличение частоты повреждений ДНК и мутагенеза, тогда как известно, что результатом этого является повышение активности L1 элементов. Помимо этого, результаты небольшого количества исследований свидетельствуют о том, что гиперэкспрессия L1 ретротранспозонов может приводить к физиологическому старению клеток, являющемуся характерным признаком стареющих тканей. Роль L1 элементов в запуске ассоциированных с возрастом процессов на сегодняшний день является вопросом, требующим детального изучения.
Подавление экспрессии L1 ретротранспозонов
Наиболее очевидной угрозой, которую кроют в себе L1 ретротранспозоны, является риск появления мутагенных вставок. В зависимости от того, в какое место генома он встраивается, ретротранспозон может, например, сделать клетку предрасположенной к злокачественному перерождению. Фактически увеличенное количество копий и повышенная активность L1 ретротранспозонов является характерным признаком злокачественности генома. Более того, установлено, что множество генетических заболеваний человека возникают в результате обусловленного L1 ретротранспозонами мутагенеза. Однако L1 ретротранспозоны располагают еще целым арсеналом механизмов разрушения генома хозяина. Кодируемая ими эндонуклеаза может вызывать одноцепочечные разрывы ДНК, например, нетранслируемая область L1 ретротранспозонов 5’ (5’ UTR) способна нарушать транскрипцию смежных с ней генов хозяина, а наличие обширных регионов, представленных исключительно ДНК L1 ретротранспозонов, может приводить к ошибкам рекомбинации. Так как нестабильность генома и повреждения ДНК являются ключевыми характеристиками старения, совсем не трудно предположить, какая роль в молекулярной этиологии процесса старения может принадлежать L1 ретротранспозонам.
Возможно, наиболее наглядным доказательством вовлеченности ретротранспозонов в процесс старения является существование взаимосвязи между активностью гена долголетия SIRT6 и подавлением активности L1 ретротранспозонов в соматических тканях. SIRT6 кодирует необходимый для предупреждения старения фермент, поддерживающий длину теломер, способствующий восстановлению повреждений ДНК, регулирующий метаболизм, препятствующий онкогенезу и подавляющий воспаление. Все эти механизмы ассоциированы с предотвращением возрастного угасания организма. Не имеющие гена SIRT6 мыши страдают от синдрома выраженного преждевременного старения, тогда как мыши с гиперэкспрессией SIRT6 отличаются долголетием. Совсем недавно было установлено, что SIRT6 играет ключевую роль в поддержании неактивного состояния L1 ретротранспозонов в тканях молодых мышей и не вступивших в фазу физиологического старения человеческих клеток посредством упаковки ретротранспозонов в недоступный для транскрипции хроматин. Для этого SIRT6 связывается с областью 5’ UTR L1 элемента и запускает сборку белков гетерохроматина в регионе промотора ретротранспозона. По окончании сборки этот механизм подавления активности генов насыщает 5’ UTR регион L1 элемента и ассоциированный с ним хроматин эпигенетическими модификациями, предотвращающими запуск экспрессии ретротранспозона
Лишенный возможности экспрессироваться L1 ретротранспозон не способен синтезировать паразитические механизмы, необходимые для запуска его собственной репликации. Это защищает клетку-хозяина от появления новых мутаций. Кроме того, гетерохроматинизация ограничивает способность L1 ретротранспозона изменять экспрессию генов хозяина и индуцировать ошибки рекомбинации. При удалении гена SIRT6 из клеток мышей или его нокаутировании в клетках человека 5’ UTR регион L1 элементов избегает гетерохроматинизации, что приводит к выраженному усилению транскрипции L1 ретротранспозонов и появлению новых вставок этих элементов в ДНК.
Интересен тот факт, что с возрастом механизм, посредством которого SIRT6 подавляет активность L1 ретротранспозонов, утрачивает эффективность. В процессе старения SIRT6 исчезает из 5’ UTR регионов L1 ретротранспозонов, что приводит к де-гетерохроматинизации этих генетических элементов (см. рисунок).
Исчезновение подавляющего активность хроматина возвращает L1 ретротранспозонам способность к транскрипции во многих тканях стареющих мышей, а также в человеческих клетках, вступивших в фазу физиологического старения. Однако что именно из происходящего в процессе старения лишает SIRT6 способности эффективно защищать стареющие клетки от опасных геномных паразитов?
Одно из объяснений этой несостоятельности может быть связано с ключевой ролью, принадлежащей SIRT6 в восстановлении повреждений ДНК. Результаты нескольких исследований свидетельствуют о том, что SIRT6 катализирует восстановление многих типов повреждений ДНК, в том числе одно- и двухцепочечных разрывов. Характерным признаком стареющих клеток является увеличение количества повреждений ДНК. Возможно, что в нормальных условиях SIRT6 остается связанным с промотором L1 ретротранспозона для подавления активности геномного паразита, однако при возникновении повреждения ДНК этот фермент покидает последовательность L1 элемента для того, чтобы облегчить процесс восстановления ДНК в зоне повреждения. Это предоставляет L1 ретротранспозонам возможность реплицироваться. Данная модель подтверждается наблюдениями, согласно которым при воздействии на клетки повреждающими ДНК агентами, такими как пероксид водорода или гербицид паракват, SIRT6 исчезает из последовательностей L1 ретротранспозонов, что сопровождается увеличением его концентрации в зонах повреждений.
Еще несколько факторов потенциально могут снижать способность SIRT6 подавлять активность L1 ретротранспозонов в стареющих клетках. Например, SIRT6 не может проявлять свою ферментативную активность в отсутствие субстрата, известного как NAD+. Уровень его снижается в стареющих клетках, что, возможно, приводит к уменьшению эффективности функционирования SIRT6. Более того, уровень экспрессии SIRT6 в различных типах клеток и тканей снижается с возрастом. Меньшая доступность этого белка также может усугублять возрастное снижение уровня подавления активности L1 элементов.
Вовлеченность в процесс старения
Происходящее в подверженных стрессу или стареющих клетках изменение локализации SIRT6 созвучно с теорией старения, известной как теория изменения локализации модификаторов хроматина. Эта теория была изначально предложена в 1998 году японскими исследователями Хироаки Китано и Шиничиро Имаи и окончательно сформулирована десятилетие спустя Филиппом Обердерффером и Дэвидом Синклером из медицинской школы Гарвардского университета. Согласно этой теории, тогда как мобилизация модифицирующих хроматин белков, таких как SIRT6, происходящая в ответ на стрессовые воздействия, полезна для молодых организмов, перераспределение этих элементов может запускать губительные возрастные изменения. С этой точки зрения мобилизация SIRT6 в зоны повреждения ДНК и последующее высвобождение L1 ретротранспозонов может приводить к манифестации возрастных фенотипов и патологий. Например, повышенная активность L1 ретротранспозонов может способствовать появлению нестабильности генома, являющейся ключевым фенотипом стареющих клеток. Это является результатом мутагенеза ДНК, проявляющегося появлением новых вставок, и запуска процесса повреждения ДНК, опосредуемого экспрессией эндонуклеазы L1 ретротранспозонов. Более того, вызываемый повреждениями ДНК выход SIRT6 из L1 элементов запускает порочный круг: индуцируемые L1 ретротранспозонами повреждения ДНК заставляют SIRT6 покидать все новые L1 элементы, что еще больше усиливает активность L1 ретротранспозонов и, соответственно, приводит к появлению новых повреждений ДНК. Аналогичным образом L1 ретротранспозоны могут нарушать гомеостаз клетки посредством индукции процесса дисрегуляции генной экспрессии или блокирования транскрипционных механизмов клетки-хозяина. Это подтверждается наблюдениями, согласно которым гиперэкспрессии экзогенных L1 ретротранспозонов достаточно для запуска вступления человеческих фибробластов и стволовых клеток в индуцированную стрессом фазу физиологического старения.
Предположение, согласно которому восстановление активности L1 ретротранспозонов может способствовать развитию возрастных патологий, выглядит особенно правдоподобным, если принимать во внимание тот факт, что для тканей головного мозга (в особенности гиппокампа и полосатого тела), печени и скелетной мускулатуры особенно характерно возрастное усиление активности L1 элементов. Каждая из этих тканей играет важную роль в поддержании гомеостаза организма на уровне множества сигнальных путей и демонстрирует выраженное угасание функций по мере его старения. Например, весьма привлекательным выглядит предположение, что повышенная активность L1 ретротранспозонов и ассоциированные с ней повреждения ДНК, воспаление и нарушение работы механизмов транскрипции способствуют развитию атрофии и нечувствительности к опосредуемым инсулином сигналам, характерным для скелетной мускулатуры стареющего организма. Схожим образом L1 ретротранспозиция в клетках стареющего мозга может быть еще одним любопытным, но малоизученным механизмом, который может объяснить множество проявлений, ассоциированных со старением нервной системы.
Результаты ряда исследований указывают на то, что новые вставки ретротранспозонов в нервной системе преимущественно поражают активно транскрибируемые гены в клетках головного мозга, в особенности гены допаминовых рецепторов, переносчиков аминокислот и гены, регулирующие синаптическую передачу. Рассматривая этот факт в комплексе с оценочными данными, согласно которым количество новых вставок L1 ретротранспозонов на нервную клетку в определенных регионах мозга может достигать от 80 до 800, 5можно говорить о существовании мощного механизма, посредством которого эти ретротранспозоны способны модулировать неврологическую активность и способствовать возрастному угасанию неврологических функций. В соответствии с этой идеей для целого ряда неврологических заболеваний, в том числе синдрома Ретта, синдрома Смита-Магениса и шизофрении, характерна повышенная активность L1 ретротранспозонов. С учетом наблюдения, согласно которому активность L1 элементов повышена в стареющем мозге, напрашивается предположение, что восстановление активности L1 ретротранспозонов может способствовать развитию возрастных патологий нервной системы, начиная от рака и заканчивая нейродегенеративными заболеваниями, в особенности различными видами ассоциированного со старением слабоумия.
В целом вырисовываются две четкие картины, описывающие биологию L1 ретротранспозонов. Во-первых, L1 элементы вне всякого сомнения активны в соматических тканях. Поскольку исторически они игнорировались в соматическом контексте, спектр их активности требует проведения серьезных исследований, посвященных изучению биологической важности данных генетических элементов. Во-вторых, активность L1 ретротранспозонов может иметь исключительную важность в контексте биологии старения. Повышенная активность L1 элементов ассоциирована со старением множества тканей, а открытие того факта, что SIRT6 является связующим звеном между L1 ретротранспозонами и старением, предоставляет исследователям платформу для дальнейшего изучения относительного вклада активности L1 ретротранспозонов в механизмы старения.
Источник: ВЕЧНАЯ МОЛОДОСТЬ
