Ожирение — фактор риска для множества заболеваний. Среди прочего оно влияет и на эмоциональное состояние организма. Возможно, оно как-то связано и со старением: в избытках жировой ткани растет количество сенесцентных (старых) клеток. Авторы недавней статьи в Cell Metabolism предположили, что изменения в поведении могут быть также вызваны этими клетками. И действительно: у мышей, которые приобрели лишний вес из-за диеты или мутации, повысилась тревожность, в некоторых отделах мозга скопились сенесцентные клетки с жировыми каплями, а новых нервных клеток образовывалось меньше. Но препараты-сенолитики снизили тревожность мышей и усилили нейрогенез в их мозге, подтвердив таким образом, что всему виной — сенесцентные клетки.
Рис. 1. Схема обсуждаемого исследования. Худые мыши накапливают жир из-за высокожирной диеты или мутации, вызывающей диабет 2 типа. При этом у них увеличивается количество старых клеток (красные зоны в мозге, показаны в середине), в которых копятся жиры, а образование новых клеток (нейрогенез) замедляется. Эти изменения сказываются на поведении мышей: у них растет тревожность. После удаления старых клеток (справа) мыши остаются полными, но побочные эффекты ожирения (в данном случае — тревожность) исчезают, а нейрогенез восстанавливается.
Ожирение, помимо увеличения веса, приносит с собой множество побочных эффектов. Это и нарушения обмена веществ, и хроническое воспаление, и даже психические нарушения, такие как депрессия и повышенная тревожность. Одна из возможных причин, вызывающих такие разнообразные последствия, — ускоренное старение жировой ткани: многие из ее клеток становятся сенесцентными, изменив свои функции и возможности под действием стресса. Они не размножаются, но и не умирают (поэтому их маркерами являются белки р16 и р21, останавливающие цикл клеточного деления), не выполняют своих прежних функций, зато выделяют набор белков под названием SASP (senescence-associated secretory phenotype), запускающий воспаление и перестройку ткани. Под действием большого количества белков SASP ухудшается состояние окружающих клеток, и они тоже стареют; таким образом, на клеточном уровне старость оказывается в некотором смысле заразна. Сенесцентные клетки образуются в разных тканях организма, но среди клеток жировой ткани их больше всего.
Справиться с сенесцентными клетками можно двумя способами, которые, правда, применяются пока лишь в лабораторных условиях. Первый работает только для генно-модифицированных организмов — модельных мышей линии INK-ATTAC. У них под промотор (INK) гена, кодирующего белок р16, встроен ген белка ATTAC. Одна из частей белка АТТАС — это каспаза 8, активатор апоптоза (программы клеточной гибели). Когда клетка стареет, она начинает производить белок р16, а вместе с ним — и АТТАС, но в неактивной форме. Затем можно подействовать на клетку препаратом АР20187, который активирует каспазу в составе АТТАС, а она убивает клетку. Введение этого препарата в организм мыши линии INK-ATTAC избирательно уничтожает все сенесцентные клетки.
Второй способ — препараты-сенолитики, убивающие сенесцентные клетки в любых организмах. Общий принцип их действия похож на противоопухолевые лекарства: они блокируют белки, придающие клеткам устойчивость к апоптозу (а в этом сенесцентные и раковые клетки похожи друг на друга). Два сенолитика — дазатиниб и кверцетин — летом минувшего года в очередной раз продемонстрировали способность «отстреливать» старые клетки и улучшать самочувствие мышей. А их аналоги уже начали испытывать на людях.
Те же авторы, которые летом писали о спасительной роли дазатиниба и кверцетина, решили на этот раз разобраться, как устроена связь между лишним весом и тревожностью и какова роль сенесцентных клеток в этом процессе. Ход исследования можно условно разбить на несколько шагов.
Шаг 1. Что вызывает тревожность?
Группу мышей откармливали очень жирной пищей и сравнивали их поведение с контрольными животными, которые ели обычный корм. Для этого сначала мышей выпускали в открытый квадратный вольер, а затем — в крестообразный коридор, в котором два тупиковых участка открытые, а два — закрытые, при этом середины их приподняты. Тревожные мыши склонны избегать открытых пространств и прижиматься к стенам, а также боятся высоты, поэтому подсчет времени, которое мышь проводила в определенных местах вольеры и коридора позволяет оценить степень тревожности.
В этом эксперименте главным фактором оказалось ожирение: мыши с лишним весом вели себя гораздо более опасливо, чем контрольная группа (рис. 2). При этом сама масса тела никак с этим поведением не коррелировала, ключевым фактором оказалось именно ожирение, то есть централизованное скопление избытков жировой ткани.
Рис. 2. Результаты поведенческих тестов. Слева — открытое поле. Красным обозначены передвижения мышей по полю, черный квадрат — центральная часть поля; chow — контрольная группа, HF diet — мыши с ожирением. Справа — крестообразный лабиринт. Розовым отмечены закрытые коридоры. Цветом обозначена частота нахождения в зонах лабиринта (красным — максимальная, синим — минимальная).
Шаг 2. Влияют ли на тревожность сенолитики?
Авторы исследования испробовали оба описанных выше способа борьбы с сенесцентными клетками. В их распоряжении были мыши линии INK-ATTAC и мыши, мутантные по гену lepr (рецептор к лептину, гормону жировой ткани), у которых при любом корме развивается ожирение и диабет 2 типа (вторым мышам вводили дазатиниб и кверцетин). Вне зависимости от причины ожирения и способа борьбы с сенесцентными клетками результат оказался одинаковым: при ожирении тревожность возросла, после сенолитической терапии ожирение само по себе не исчезло, но тревожность снизилась, хоть и не достигнув исходного уровня (рис. 3).
Рис. 3. Результаты поведенческого теста открытого поля до и после сенолитической терапии. Красным показаны передвижения мышей по полю. Слева — трансгенные мыши: chow — питавшиеся обычным кормом, HF diet — питавшиеся жирным кормом, vehicle — мышам давали плацебо, АР — сенолитик. Справа — мутантные мыши-диабетики: db/- — частичные мутанты без ожирения, db/db — гомозиготы с ожирением, vehicle — мышам давали плацебо, D + Q — дазатиниб и кверцетин.
Шаг 3. Убивают ли сенолитики старые клетки?
Самый простой способ это выяснить — измерить количество сенесцентных клеток в жировой ткани, поскольку при ожирении их там становится больше. Авторы статьи использовали как белковые маркеры старения (р16), так и метаболические (бета-галактозидазный тест, окрашивающий старые клетки в синий цвет, Senescence-associated beta-galactosidase). У мышей с ожирением количество старых клеток в жировой ткани действительно снизилось под действием сенолитиков (рис. 4).
Рис. 4. Сенесцентные клетки в жировой ткани. Бета-галактозидазный тест придает синий цвет старым клеткам. db/- — частичные мутанты, без ожирения, db/db — гомозиготы, с ожирением, vehicle — плацебо, D + Q — терапия дазатинибом и кверцетином.
Кроме этого, исследователи измерили количество белков SASP в крови мышей. Как и следовало ожидать, их тоже стало больше при ожирении, и меньше — после применения сенолитиков. Однако роль этих белков в развитии побочных эффектов ожирения до сих пор остается загадочной. С одной стороны, они не работают посредниками между жировой тканью и мозгом, поскольку сами по себе инъекции белков SASP не повысили тревожность у здоровых мышей. С другой стороны, эти белки не вызывают накопление жировой ткани — их инъекции не спровоцировали ожирение. Поэтому нельзя говорить и о том, что ожирение — не причина, а следствие изменений в работе мозга.
Шаг 4. Влияет ли пересадка сенесцентных клеток на поведение?
Повторяя свой летний эксперимент с трансплантацией сенесцентных клеток, авторы статьи взяли клетки у здоровых мышей, состарили их и пересадили другим мышам в область жировой ткани. При этом, как и в предыдущей работе, они отметили ухудшение самочувствия. Но поведение мышей-реципиентов не изменилось. Это говорит о том, что сама по себе жировая ткань на работу мозга в данном случае не влияет, а сенесцентные клетки, вызывающие тревожность, нужно искать в другом месте.
Шаг 5. Где находятся сенесцентные клетки в мозге?
Ранее маркеры сенесцентных клеток находили в коре головного мозга, мозжечке и гиппокампе. Но авторам обсуждаемой статьи не удалось их там найти. С некоторой точки зрения, это и логично — поведение мышей при ожирении изменяется не во всех отношениях, в частности, их память не страдает. Поэтому ученые исследовали области мозга, непосредственно отвечающие за эмоции, — амигдалу и гипоталамус — и там обнаружили клетки, экспрессирующие белок р16. Под действием сенолитиков этих клеток становилось существенно меньше.
Шаг 6. Есть ли в мозге признаки ожирения?
Коль скоро разрастание основной жировой ткани не действует на мозг напрямую (ни через сенесцентные клетки, ни через SASP, — см. предыдущие стадии эксперимента), там могут образовываться собственные запасы жира. Есть отдельные сведения о том, что при старении и нейродегенеративных заболеваниях в клетках мозга появляются дополнительные жировые капли. И в этой работе их тоже удалось обнаружить — в зонах, окружающих внутренние полости мозга (боковой желудочек и сильвиев водопровод). Однако окрасив клетки с жировыми каплями на характерные маркеры, ученые установили, что большинство сенесцентных клеток относятся не к нейронам, а к глиальным (вспомогательным) клеткам, в основном — к астроцитам (рис. 5).
Рис. 5. Сенесцентные клетки в мозге. А — окрашивание мозга контрольной группы (сверху) и мышей с ожирением (снизу). Синий — ядра клеток, красный — белок перилипин, окружающий жировые капли в клетках. В — количество клеток, экспрессирующих перилипин, на мм2. Левый столбец — контроль, правый — мыши с ожирением. C — распределение клеток с жировыми каплями по типам в зависимости от маркеров: сиреневый — астроциты, красный — нейроны, зеленый — микроглия (вспомогательные иммунные клетки), желтый — клетки других тканей.
Шаг 7. Может ли жир вызывать старение клеток?
Таким образом, при ожирении в мозге образуются сенесцентные клетки. Они не зависят от периферического жира, но влияют на работу мозга. Откуда они появляются? Один из возможных вариантов — увеличение количества жиров в крови и межклеточной жидкости стимулирует клетки мозга их запасать. Чтобы это проверить, авторы обсуждаемой работы культивировали клетки мышей (фибробласты и астроциты) в разных условиях. Оказалось, что если клетки в культуре подкармливать жиром, то они накапливают его внутри. Кроме того, у них появляются и другие признаки старения: повреждения ДНК и выделение белков SASP.
Шаг 8. Влияют ли сенесцентные клетки на нейрогенез?
Авторы статьи обратили внимание на то, что области, в которых они обнаружили сенесцентные клетки, находятся рядом с зонами нейрогенеза. Поэтому они проверили, как происходит образование новых клеток в мозге мышей с ожирением. Для этого они разбивали мозг мышей на отдельные клетки и считали процентное соотношение разных типов клеток. Оказалось, что при ожирении страдают не все клетки мозга. Большинство типов нейроглии, клеток стенки сосудов и взрослых нейронов остается на месте, то есть количество их не изменяется. Зато резко сокращается количество эпендимной глии (которая окружает полости мозга и может давать начало новым нервным клеткам), предшественников нейронов и молодых, незрелых нейронов. Однако после лечения сенолитиками соотношение клеток в мозге практически восстановилось.
По итогам новой работы мы все еще не знаем, как именно ожирение влияет на поведение. Возможно, очень жирная пища (или же мутация в рецепторе лептина) вызывает накопление жира сразу в нескольких областях организма. В таком случае собственно ожирение и нарушение работы мозга — параллельные процессы, практически независимые друг от друга. Тем не менее, оба они связаны со старением клеток, поскольку сенолитики (вне зависимости от способа, которым они действуют) влияют как на жировую ткань, так и на сенесцентные клетки в мозге.
Что касается нейрогенеза, то здесь связь тоже все еще не ясна: непосредственно ли старые клетки блокируют рост молодых, или же здесь играют роль белки SASP, или собственно накопление жира давит на окружающую ткань. Авторы работы надеются, что дальнейшие исследования позволят нам использовать сенолитики для борьбы если не с ожирением, то хотя бы с его последствиями. Но пока это только дополнительные мазки на картине, объединяющей старение, ожирение и работу мозга.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
