Суточные циклы затрагивают не только общую активность организма млекопитающих, но и процессы внутри клеток, в том числе стволовых. Известно также, что с возрастом количество и работоспособность этих клеток снижается. Ученые из Испании и США изучали, что происходит с циклическими процессами в стволовых клетках разных тканей мыши при старении. Оказалось, что жизнь стволовых клеток продолжает подчиняться биоритмам, однако набор циклических процессов изменяется в зависимости от типа ткани и ее потребностей. В то же время, последствия возрастной перестройки биоритмов ученые смогли минимизировать, посадив мышей на низкокалорийную диету.
Рис. 1. Возрастные изменения в стволовых клетках кожи и мышц мыши. Ритмичность процессов сохраняется, но сами процессы претерпевают изменения: при старении необходимо отвечать на накапливающийся стресс. Однако ограничения в калорийности пищи позволяют репрограммировать циклы в сторону более молодого состояния.
Активность большинства живых организмов напрямую зависит от времени суток. Сигнал об уровне освещенности поступает в нервную систему (или ее аналоги), которая, в свою очередь, выделяет гормоны, действующие на разные системы организма. Результатом становятся суточные (или циркадные) биоритмы — колебания в работе органов, тканей и даже отдельных клеток. Например, у человека за биоритмы отвечает супрахиазмальное ядро гипоталамуса, нейроны которого посылают сигнал в шишковидную железу и запускают выделение гормона мелатонина в темное время суток. А мелатонин уже регулирует работу отдельных органов. В результате ночью у людей снижаются температура и давление, активность кишечника и сердечно-сосудистой системы. Циклические процессы наблюдаются и на уровне клеток — например, в соответствии с биоритмами клетки печени усваивают вещества, а клетки волосяного фолликула делятся. Обсуждаемое исследование — отметим сразу — было проведено на мышах, для которых характерен ночной образ жизни, поэтому большинство циклов работает строго наоборот, и пик активности приходится на темное время суток.
Циклическая активность имеет значение, по всей видимости, только для взрослого организма — мыши, мутантные по генам контроля биоритмов, рождаются здоровыми, а дефекты в работе органов начинают проявляться позже. Но с возрастом даже у здоровых организмов некоторые биоритмы нарушаются. Например, у человека постепенно снижается выработка мелатонина эпифизом, поэтому сбиваются циклы сна и бодрствования, и пожилые люди чаще молодых страдают бессонницей. И тогда возникает вопрос: влияет ли старение на циклические процессы на уровне отдельных клеток и можем ли мы как-то на него повлиять или даже остановить?
Стволовые клетки, способные делиться в течение всей жизни человека, представляют собой ресурсы для возобновления тканей организма. Как и в других клетках, в них наблюдаются определенные суточные циклы, то есть ночью повышена экспрессия одного набора генов и происходят одни процессы, а днем — другие. Авторы исследуемой работы рассматривали два типа стволовых клеток мыши — эпидермальные (ЭпСК) и мышечные (МСК) как примеры часто и редко делящихся клеточных популяций соответственно.
Физиология стволовых клеток в организме различается в соответствии с потребностями тканей. ЭпСК находятся в коже, а значит должны часто делиться и дифференцироваться в клетки кожи. У мышей деление ЭпСК контролируется суточным биоритмом и происходит по ночам. Это связано с тем, что самое ценное, что есть в стволовой клетке, то есть ДНК, необходимо оберегать от ошибок и поломок, а главной их причиной обычно является свет. Под действием солнечного ультрафиолета азотистые основания в ДНК могут образовывать сшивки друг с другом, нарушая общую структуру молекулы. В момент удвоения ДНК стволовых клеток наиболее уязвима: она раскручивается, поэтому ее легче повредить, и ошибка с большей вероятностью попадет в дочерние клетки. Но даже если ошибку вовремя заметят системы репарации ДНК, то при большом количестве ошибок деление клетки будет остановлено. Одновременно с этим запустится процесс программируемой клеточной гибели — апоптоз, и клетка погибнет. Поэтому удвоение ДНК в делящихся стволовых клетках по возможности должно происходить в темное время суток. В то же время для деления клеткам нужна энергия, то есть высокий уровень глюкозы в крови. А значит деление должно приходиться на период активности организма. Это оказалось удобно для мышей с их ночным образом жизни, но совсем неудобно для человека, который активен в дневное время суток. Вероятно, это еще одна причина распространенности рака кожи у людей — неизбежное накопление ошибок в делящихся клетках под действием дневного света.
Функционирование МСК устроено по-другому. Их функция заключается в том, чтобы поддерживать себя в покоящемся состоянии и быть готовыми начать деление при необходимости. Для этого нужно регулярно сканировать ДНК на ошибки и обновлять белковый состав клетки. В делящихся клетках устаревшие белки равномерно распределяются между потомками и наносят мало вреда. Но в покоящихся МСК их накопление может привести к стрессу, при котором нарушается сразу множество функций клетки. Поэтому во взрослых клетках важную роль играет аутофагия — частичное самопоедание — в ходе которой клетка переваривает собственные белки. У мышей это обычно происходит днем, в период покоя.
Известно, что с возрастом количество и активность стволовых клеток снижается, то есть истощаются ресурсы организма для восстановления повреждений. Однако причины этого не до конца известны. По аналогии с расстройством циклов сна при старении можно предположить, что и суточные циклы стволовых клеток должны как-то изменяться, ухудшая их работу. Однако до недавнего времени никто этого не проверял. Авторы исследуемой работы измеряли экспрессию множества генов в ЭпСК и МСК взрослых и старых мышей в течение дня. Затем с помощью статистических критериев отбирали те гены, экспрессия которых показывала устойчивые пики в определенное время суток. Такие гены будем дальше называть «циклическими», в отличие от остальных, которые экспрессировались равномерно или с разовыми всплесками. Наличие циклических генов позволяет заключить, что клеточные процессы, за которые они отвечают, подчинены суточным биоритмам. То есть, сравнивая набор циклично экспрессирующихся генов в стволовых клетках взрослых и стареющих мышей, авторы делают выводы о том, насколько у этих клеток выражены те или иные функции.
Первое, на что исследователи обратили внимание, — суточные циклы сохраняются даже у старых стволовых клеток, то есть у них обнаруживается циклическая экспрессия генов. При этом амплитуда колебаний генов оставалась неизменной. Что касается набора циклических генов, то некоторый их процент (примерно одинаковый в обоих типах клеток) сохранялся, но существенная часть (больше 70%) изменялась: циклическими становились другие гены. Это значит, что при старении в стволовых клетках запускаются новые циклические процессы, которые требуют работы других генов.
Рис. 2. Количество циклических генов в ЭпСК и МСК.
Более тщательный анализ состава циклических генов показал, что при старении сохраняются ключевые функции стволовых клеток. В случае ЭпСК, для которых главное — быстрое регулярное деление, остаются циклическими гены, регулирующие сами биоритмы, а также синтез ДНК и митоз (деление клеток). При этом из списка циклических исчезают гены, отвечающие за дифференцировку клеток, зато добавляются гены, связанные с реакцией на стресс, выделением провоспалительных веществ и репарацией ДНК. Причина возникновения стресса предположительно следующая: с возрастом у стволовых клеток больше времени занимает удвоение ДНК (возможно, из-за количества накопленных ошибок), поэтому оно начинается ночью и продолжается в течение всего дня, а деление происходит тогда же, когда и у взрослых клеток — в конце ночи. Из-за того, что синтез ДНК приходится на световой день, появляются световые повреждения, а это вызывает в клетке стресс. Поэтому важно запускать экспрессию генов репарации и реакции на стресс и синхронизировать ее с циклами генов, стимулирующих удвоение ДНК.
Рис. 3. Циклы экспрессии генов, контролирующих суточный ритм в ЭпСК. Черные линии — экспрессия в клетках взрослых мышей, серые — стареющих. По горизонтальной оси отложено время: ZT0 — начало светового дня, ZT12 — конец светового дня.
Несколько по-другому обстоит ситуация с МСК. Так как регулярного деления от них не требуется, циклическую экспрессию генов митоза у них не обнаружили. Но как у взрослых клеток, так и у старых работают циклические гены, связанные с клеточным скелетом и контактами с межклеточным веществом. Это необходимо для того, чтобы клетки удерживались в своей нише и реагировали на изменения окружающей среды. В то же время, взрослые МСК в любой момент готовы к делению, поэтому у них ожидаемо обнаружили циклические гены репарации ДНК (для проверки на ошибки и починки) и аутофагии (для устранения пришедших в негодность белков). Все эти процессы — готовность к делению, репарация, аутофагия — в старых клетках больше не подчиняются биоритмам, так как соответствующие гены утрачивают цикличность экспрессии. Зато появляются циклические гены, отвечающие за выделение воспалительных белков — вероятно, в качестве реакции на стресс (как внутриклеточный, так и внешний, связанный с общими процессами старения в организме).
Таким образом, авторы обсуждаемой работы показали, что с возрастом стволовые клетки утрачивают часть своих циклических процессов, переключаясь на антистрессовый ответ. Однако все еще неясно, какие факторы вызывают это переключение. Авторы предприняли попытку повлиять на функционирование стволовых клеток с помощью пищевых ограничений. Давно известно, что низкокалорийная диета (содержащая на 30% меньше калорий, чем необходимо для полного насыщения животного) улучшает состояние мышей, повышает их когнитивные способности и продлевает им жизнь. К тому же, было обнаружено, что она стимулирует активность мышечных стволовых клеток.
Поэтому группу мышей в течение полугода держали на низкокалорийной диете, а затем сравнили цикличность экспрессии генов в стволовых клетках с контрольной группой (которая питалась полноценно) и со взрослыми животными. Выяснилось, что ограничение в питании позволяет предотвратить изменения в суточных циклах, связанные со старением стволовых клеток. Через полгода на диете в ЭпСК сохранялась цикличность генов дифференцировки, а синтез ДНК не сдвинулся на дневное время, хотя за это время клетки должны были сильно постареть (по меркам мышиной жизни полгода — довольно большой срок). Впрочем, было обнаружено небольшое количество циклических генов репарации, что характерно для старых клеток. В МСК через полгода аутофагия оставалась цикличной, как и во взрослых клетках. Тогда авторы провели обратное исследование: группу взрослых мышей держали на диете с повышенным содержанием жиров. Как и следовало ожидать, набор циклических генов стал больше похож на характерный для старых клеток. Впрочем, в полной мере клетки состояния старости не достигали, сохраняя целостность ДНК (ЭпСК) и способность к цикличной аутофагии (МСК). Однако появились циклические гены, характерные для воспаления и стрессовой реакции. К тому же, количество МСК стало меньше, то есть было дополнительно заторможено их деление.
Наконец, авторы исследования задались целью проверить, можно ли вызвать старение путем разрушения суточных циклов экспрессии. Оказалось, что нет: в клетках, мутантных по генам, контролирующим биоритмы, не возникало признаков старения.
Обсуждаемая работа приближает нас к пониманию того, какие изменения происходят в организме при старении. Судя по всему, на клеточном уровне цикличность экспрессии генов не исчезает, но изменяются наборы циклических генов. Стареющие стволовые клетки сохраняют базовые свойства: способность к делению (у клеток кожи) и контакты с окружающей средой (у клеток мышц). Однако вместо того, чтобы готовиться к дифференцировке (циклично экспрессировать дифференцировочные гены) и поддерживать постоянство внутренней среды (то есть регулярно осуществлять аутофагию), клетки переключаются на защиту от стресса и исправление накапливающихся ошибок. При этом тип защитной реакции зависит от принадлежности к той или иной ткани.
Причины подобных изменений в работе стволовых клеток остаются неизвестными. Однако не исключено, что это связано с общим уровнем стресса в организме, который повышается при старении. Возможно, именно поэтому в эксперименте с жирной диетой, которая повышает нагрузку на организм, были отмечены признаки старения стволовых клеток. Более подробное изучение циклических процессов на внутриклеточном уровне может подсказать нам новые способы замедлить старение. Однако не следует забывать, что у человека суточные ритмы устроены не так, как у мыши, а это значит, что старение стволовых клеток человека требует отдельного тщательного исследования.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
