CC BY
186
ФОРУМ
Для борьбы со старением есть много путей
Итоги Третьей Международной конференции «Генетика старения и долголетия»
А. В. Беликов1, М. В. Шапошников2,3, А. А. Москалев1,2,3* Московский физико-технический институт, Долгопрудный, Россия 2Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия 3Сыктывкарский государственный университет, Сыктывкар, Россия *E-mail: [email protected]
С 6 по 10 апреля 2014 года в Сочи состоялась 3-я Международная конференция «Генетика старения и долголетия», в которой приняли участие более 300 делегатов из 18 стран. Помимо 50 устных докладов, прочитанных ведущими геронтологами мира, и обширной постер-ной сессии было проведено четыре круглых стола, посвященных разработке и интеграции теорий старения, развитию персонализированной медицины и привлечению венчурного капитала в научные исследования. Участники конференции подписали открытое письмо во Всемирную организацию здравоохранения с просьбой организовать сбор и интеграцию данных о возрастных патологиях по всему миру. По итогам конференции стал ясно виден прогресс в изучении старения и разработке технологий вмешательства в этот процесс. В частности, возможным стало определение соматических мутаций и повреждений ДНК в отдельных клетках; были охарактеризованы надежные маркеры биологического возраста; выявлены многие гены, аллели, процессы, метаболиты, кишечные бактерии и внешние воздействия, влияющие на скорость старения; созданы онлайн-базы данных возрастных изменений, а также геномов долгожителей и долгоживущих видов животных. Проводятся доклинические испытания лекарственных средств, с большой вероятностью способных замедлить старение, таких, как никотинамидрибозид, селективные ингибиторы TORC-1 и антитела-блокаторы рецептора к IGF-1. Предложены методы выращивания и трансплантации искусственных органов, адресной доставки лекарственных средств к индивидуальным клеткам и органеллам, направленного редактирования генома и внедрения искусственных хромосом.
В апреле 2014 года в Конгресс-центре отеля Radisson Blu Resort в постолимпийском Сочи состоялась 3-я Международная конференция «Генетика старения и долголетия», организованная Институтом биологии Коми НЦ УрО РАН совместно с фондом «Наука за продление жизни». Ученые 18 стран (Россия, США, Великобритания, Нидерланды, Германия, Италия,
Израиль, Китай, Иордания, Украина, Беларусь, Азербайджан, Польша, Узбекистан, Казахстан, Канада, Эстония, Швеция), работающие в разных областях биологии, медицины и информатики, а также предприниматели и инвесторы собрались на пять дней, объединенные желанием понять механизм(ы)старения и разработать способы предотвращения и, возможно, подавления процессов,
лежащих в основе всех возрастных заболеваний.
Ключевыми темами конференции стали поиск молекулярных мишеней лекарственных средств, замедляющих старение; расшифровка геномов долгожителей и долгоживущих видов животных; взаимосвязь генов, эпигенетической регуляции, обмена веществ, кишечной микрофлоры, образа жизни и окружающей
среды при определении продолжительности жизни индивида; разработка технологий искусственного выращивания, крио-консервации и трансплантации органов; использование нанокап-сул и искусственных хромосом для редактирования генома.
Одним из актуальных направлений геронтологии остается поиск молекулярных мишеней, воздействие на которые с помощью фармакологических субстанций приведет к замедлению или остановке процесса старения. Так, Майкл Петрашек (Michael Petrascheck, The Scripps Research Institute, США) представил результаты проведенного на нематодах скрининга, в котором выявили 57 веществ с известной для млекопитающих фармакологией, которые увеличивают продолжительность жизни Caenorhabditis elegans, причем 16 из них более чем на 30%. Основными мишенями этих соединений оказались рецепторы к дофамину, серото-нину, адреналину, норадрена-лину и гормонам. Большинство (33) из этих веществ также увеличивают устойчивость к окислительному стрессу. Брайан Кеннеди (Brian Kennedy, Buck Institute for Research on Aging, США) рассказал про исследования, направленные на отделение полезных эффектов рапамици-на, в первую очередь увеличения продолжительности жизни, от его побочных эффектов, в частности, индукции инсулинорезистент-ности. Оказалось, что рапамицин ингибирует комплексы TORC-1 (полезные эффекты) и TORC-2 (побочные эффекты) при помощи различных механизмов. Это делает возможным разработку селективных ингибиторов TORC-1, которой занимается компания Delos Pharmaceuticals. В доклинических испытаниях наблюдали снижение выраженности побочных эффектов у этого нового
класса препаратов. Нир Барзилай (Nir Barzilai, Albert Einstein College of Medicine, США) сообщил, что инъекция инсулиноподобного фактора роста-1 (IGF-1), но не инсулина, в желудочки головного мозга старых крыс улучшает периферическую чувствительность к инсулину посредством рецептора к IGF-1. Он также указал на перспективность использования антител-блокаторов рецептора к IGF-1, неспособных преодолеть гематоэнцефаличе-ский барьер, чтобы снизить влияние IGF-1 на периферию (канцерогенное), но не на центральную нервную систему (защитное). Использование таких антител в сочетании с рапамицином позволило бы, возможно, минимизировать индуцируемую рапами-цином инсулинорезистентность. Кроме того, само ингибирование гомолога IGF-1 - DAF-2 - продлевает жизнь нематод. Так, Дэвид Джэмс (David Gems, University College London, Великобритания) расширил наше понимание механизмов этого явления. Оказалось, что транскрипционный фактор DAF-16 активирует AAKG-4, субъединицу атипичной AMP-независимой AMP-киназы. Эта субъединица в свою очередь ускоряет активацию DAF-16 путем прямого фосфорилирования, она необходима для увеличения продолжительности жизни нематод, вызванного инактивацией DAF-2. Другая мишень DAF-16, транскрипционный фактор MDL-1, также способствует положительному воздействию инактивации DAF-2 на продолжительность жизни нематод.
Рапамицин, как следует из доклада Мэтт Кеберлейн (Matt Kae-berlein, University of Washington, США), продлевает жизнь и улучшает состояние мышей с дефектом митохондриального комплекса I. Этих мышей используют в качестве модельного организма
при изучении подострой некро-тизирующей энцефаломиопатии (синдром Лея). Как известно, количество дефектных митохондрий увеличивается при старении организма. Предполагается, что рапамицин предотвращает накопление продуктов гликолиза и лактоацидоза. М. Кеберлейн предположил также, что причиной митохондриального нарушения может быть исчерпание внутриклеточного NAD, поэтому в настоящее время изучается возможность восстановления уровня NAD при включении никотина-мидрибозида в рацион мышей, коррекции синдрома Лея и продления жизни. Никотинамидри-бозид уже поступил в продажу в США под маркой NIAGEN™ в качестве витаминной добавки. Бланка Роджина (Blanka Rogina, University of Connecticut Health Center, США) сообщила, что белок DPGC-1 способствует увеличению продолжительности жизни дрозофил, обусловленному мутацией трансмембранного переносчика лимонной кислоты INDY, путем стимуляции биогенеза митохондрий и снижения уровня окислительного стресса. Пониженный уровень INDY в кишечнике поддерживает гомеостаз стволовых клеток и, как следствие, целостность кишечного тракта. Идентификация человеческого гомолога INDY помогла бы, возможно, разработать новые препараты, замедляющие старение. Роберт Шмуклер-Рис (Robert Shmookler Reis, University of Arkansas for Medical Sciences, США) рассказал об обнаружении нового белка CRAM-1 во внутриклеточных белковых агрегатах му-тантной нематоды, используемой для изучения болезни Хантингтона. Инактивация этого белка приводит к уменьшению размера агрегатов, более позднему развитию паралича и восстановлению хемотаксиса у двух мутантных
ТОМ б № 3 (22) 2014 | ACTA NATURAE | Т
нематод, моделей болезней Хантингтона и Альцгеймера. Оказалось, что CRAM-1 вызывает конденсацию олигоубиквитина, что, вероятно, приводит к остановке протеасомной деградации белков и препятствует аутофагии. Фармакологические ингибиторы гомолога данного белка у человека могли бы оказаться полезными при лечении возрастных нейро-дегенеративных болезней.
Другое перспективное направление геронтологии - изучение генов, продлевающих жизнь модельных организмов. Так, Вера Горбунова (Vera Gorbunova, University of Rochester, США) сообщила, что SIRT-6 - белок, избыточная экспрессия которого продлевает жизнь мышам, играет роль хранителя генома. SIRT-6 способствует репарации повреждений ДНК путем моно-ADP-рибозилирования и активации белка PARP-1. Обнаружен регулятор белка SIRT-6 и показано, что SIRT-6 поддерживает стабильность генома и другими способами. Уильям Орр (Bill Orr, Southern Methodist University, США) рассказал, каким образом редокс-сенсорные функции пе-роксиредоксинов могут регулировать экспрессию генов долголетия у дрозофилы. PRX-5 контролирует баланс между врожденным иммунитетом и старением. Снижение экспрессии PRX-5 повышает сопротивляемость инфекциям, тогда как избыток PRX-5 приводит к снижению иммунитета при увеличении продолжительности жизни (на 30%) и устойчивости к окислительному стрессу.
Безусловно, незаменимым инструментом при поиске новых генов долголетия является исследование долгожителей и дол-гоживущих видов животных. Так, в результате полногеномных популяционных исследований Клаудио Франчески (claudio Franceschi, University of Bolo-
gna UNIBO, Италия) обнаружил протективный аллель APOE (T), носительство которого коррелирует с низким артериальным давлением, низкой вероятностью инсульта и большой продолжительностью жизни. Выявлены также неожиданно благоприятные эффекты мутаций в комплексе I митохондрий, наблюдаемые в отсутствие мутаций в комплексах III и V. В докладе Юшин Су (Yousin Suh, Albert Einstein College of Medicine, США) сообщается о том, что определенные варианты однонуклеотидных полиморфизмов в промотор-ных участках гена sirt-1 препятствуют связыванию транскрипционного активатора CTCF и способствуют связыванию ре-прессора транскрипции ZFR. Это предотвращает активацию sirt-1 при окислительном стрессе и повышает риск инфаркта миокарда. Ассоциированный с долголетием вариант однонуклеотидных полиморфизмов в энхансерном участке гена foxo-3 сходным образом усиливает экспрессию этого гена в ответ на окислительный стресс. SKAT-анализ однонуклеотид-ных полиморфизмов у столетних долгожителей и в контрольных группах показал, что в число первых 25 генов, ассоциированных с долголетием, входят в основном гены, связанные с обнаружением и репарацией двухцепочечных разрывов ДНК.
Результаты анализа геномов и экспрессии генов у млекопитающих представил Вадим Глады-шев (Vadim Gladyshev, Harvard Medical School, США). Секвени-рование геномов нетипично дол-гоживущих млекопитающих -голого землекопа (подземный грызун) и ночницы Брандта (летучая мышь) - и последующее сравнение с геномами близкородственных видов позволило выявить ряд генов, ассоциированных с долголетием. Работа этой груп-
пы направлена на сравнение экспрессии генов у видов с низкой и высокой продолжительностью жизни с целью выявления новых генов долголетия. Андрей Селу-янов (Andrei Seluanov, University of Rochester, США) сообщил, что высокомолекулярная гиалу-роновая кислота защищает голого землекопа от развития рака, в то время как низкомолекулярная гиалуроновая кислота, наоборот, действует как канцероген. Более того, рибосомы голого землекопа способны синтезировать белки с рекордно низким числом ошибок. Джоао Педро де Мегалес (Joao Pedro de Magalhaes, University of Liverpool, Великобритания) поделился некоторыми результатами секвенирования генома гренландского кита - самого дол-гоживущего млекопитающего, обнаружено только пять генов, подвергнутых недавнему действию отбора, в том числе отвечающих за иммунный ответ.
Мутации и повреждения ДНК играют роль в старении и на уровне отдельных соматических клеток. Ян Вийг (Jan Vijg, Albert Einstein College of Medicine, США) представил новые методики обнаружения и анализа соматических мутаций и эпигенетических изменений, такие, как полное сек-венирование генома отдельной клетки и транскрипто-геномика индивидуальной клетки, которая позволяет определить, транскрибируется ли изучаемая мутация или она остается молчащей. Исследования на мышах и дрозофилах, выполненные с использованием этих методик, показали, что количество соматических мутаций и доля молчащих мутаций возрастает с возрастом. Александр Маслов (Alex Maslov, Albert Einstein College of Medicine, США) представил новый метод оценки уровня повреждений ДНК с использованием количественной ПЦР-амплификации протяжен-
ных фрагментов. Обнаружено небольшое возрастное повышение уровня повреждений ДНК в печени, но не в головном мозге лабораторных животных. Другой метод, позволяющий определять соматические структурные вариации ДНК (транслокации, инверсии, дупликации) с помощью высокопроизводительного секвенирования, помог выявить повышение числа таких изменений в печени и головном мозге стареющих мышей, но не в кишечнике или сердце. В результате повреждения ДНК соматические клетки переходят в состояние физиологического старения - необратимой задержки клеточного деления. Джуди Кампизи (Judy Campisi, Buck Institute for Research on Aging, США) представила трансгенную мышь, пригодную для визуализации и уничтожения стареющих клеток, определяемых по избыточной экспрессии p16-INK-4a. Оказалось, что стареющие клетки накапливаются после воздействия ионизирующей радиации или введения доксорубицина, способствуют метастазированию опухолей и отвечают за побочные эффекты химиотерапии. В то же время кратковременное (но не постоянное) присутствие стареющих клеток в повреждениях кожи способствует ускорению их заживления путем секреции мощного фактора роста.
В последнее время все большую поддержку получает теория о взаимосвязи генов, эпигенетической регуляции, обмена веществ, кишечной микрофлоры, образа жизни и окружающей среды при определении продолжительности жизни индивида. Так, Клаудио Франчески (Claudio Franceschi, University of Bologna UNIBO, Италия) показал, что профиль метаболизма столетних долгожителей разительно отличается от профиля пожилых людей, но сходен
с профилем молодой популяции. Кроме того, по данным шотган-секвенирования микробиома, в кишечнике столетних долгожителей повышено относительное содержание Proteobacteria родов Escherichia и Ruminococcus. Дэниел Промислоу (Daniel Promislow, University of Washington, США) представил новую методику изучения метаболома, совмещающую высокочувствительную орбитрэп-масс-спектрометрию с WGCNA-анализом данных для выявления метаболомных модулей коррелирующих метаболитов. Он показал, что ограничение калорийности питания - многократно подтвержденный способ увеличения продолжительности жизни - оказывает сильный эффект не только на уровни отдельных метаболитов у дрозофил, но и на взаимодействия между ними. Алексей Москалев (Институт биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, Московский физико-технический институт, Россия) обсудил механизмы увеличения продолжительности жизни после умеренного стресса, такого, как воздействие ионизирующей радиации (явление гормезиса), открытые на мутантных линиях дрозофил. При этом происходит уничтожение чувствительных клеток, стимуляция клеточного стресс-ответа, активация иммунной системы и ускорение роста организма. Секвенирование РНК показало усиление активности четырех генов (включая sugarb-abe, tramtrack и fat) и снижение активности 48 генов, ассоциированных со старением (например, keap-1 и relish), после воздействия низкой дозы у-излучения.
Изучение процесса старения, учитывая его сложность, невозможно без привлечения компьютерных технологий. Так, Джоао Педро де Мегалес (Joao Pedro de Magalhaes, University of Liverpool, Великобритания) рассказал
про онлайн-базы данных: Digital Aging Atlas (Цифровой атлас старения), Human Aging Genomic Resources (Геномные ресурсы старения человека) и The Naked Mole-Rat Genome Resource (Геномный ресурс голого землекопа). Его коллега по университету, Дэниел Вуттке (Daniel Wuttke, University of Liverpool, Великобритания), представил новую онлайн-платформу с открытым кодом для коллаборации ученых с целью изучения механизмов старения, названную Denigma. Эта платформа основана на машинном обучении по базам данных, массивам данных, а также индивидуально вводимым данным и создании на их основе модели старения. Система использует онтологии, разложение проблем на подпро-блемы и машинную логику.
Насущную необходимость геронтологии представляет поиск надежных биомаркеров старения. Так, Клаудио Франчески (Claudio Franceschi, University of Bologna UNIBO, Италия) сообщил о нескольких биомаркерах биологического возраста, подтвержденных в популяционных исследованиях, таких, как уровни N-гликанов в крови, особенно соотношение NGA2F/NA2F, гиперметилирование локусов elovl-2 и fhl-2, метаболитные сигнатуры крови и мочи и циркулирующая мито-хондриальная ДНК. Анча Баранова (Исследовательский центр медицинской генетики, Россия; George Mason University, Fairfax VA , США) представила простой, но надежный метод определения стадий различных заболеваний или старения, основанный на профилировании мРНК с помощью олигонуклеотидных микрочипов или неглубокого высокопроизводительного секвенирования и последующем вычислении расстояния полученного профиля от нормы в условных координатах. Данный метод пригоден
ТОМ 6 № 3 (22) 2014 | ACTA NATURAE | 9
для предсказания прогрессии злокачественных опухолей.
Отдельная секция конференции была посвящена биоинженерным подходам к здоровому долголетию. Так, Шэй Сокэр (Shay Soker, Wake Forest School of Medicine, США) сообщил о последних достижениях в выращивании органов в биореакторах. Простые органы - роговица, сосуды, мочевой пузырь - выращиваются сравнительно легко, в то время как сложные - печень, почка, поджелудочная железа - нуждаются в присутствии биокаркасов. Паоло Маккиарини (Каролинский институт, Швеция) представил технологию выращивания неиммуногенных трахей, других органов грудной клетки и их клиническое применение. В результате экспериментов выяснилось, что мезенхимальные стволовые клетки и мононуклеар-ные лейкоциты в равной степени хорошо подходят для заселения биокаркасов или биоискусственных трехмерных наноматериалов. Кроме того, оказалось, что G-CSF (гранулоцитарный колониести-мулирующий фактор) ускоряет заселение и приживаемость биокаркасов в организме человека, а эритропоэтин снижает долю апоптозных клеток. Грегори Фэй (Greg Fahy, 21st Century Medicine Inc., США) рассказал об успехах и трудностях в витрификации органов. Были разработаны крио-протекторные смеси, протоколы перфузии органов этими смесями под высоким давлением и способы быстрой разморозки органов. Тем не менее острой проблемой остаются различия в оптимальной скорости заморозки разных типов клеток и зон органов.
Андре Уотсон (Andre Watson, Ligandal Technology, США) представил коммерческую технологию целевой доставки лекарственных средств и невирусных инструментов редактирования генома
(таких, как CRISPR и TALEN) до отдельных клеток и органелл с помощью нанокапсул. Эффективность этой технологии подтверждена в ряде экспериментов в пробирке и на живых организмах. Ксения Юрьева (Институт стволовых клеток человека, Россия) сообщила о появлении технологий создания искусственных хромосом человека. В настоящее время существуют два подхода: «сверху-вниз», при котором нормальная хромосома освобождается от всех генов, в ней остаются только теломерные и центромер-ные участки, и «снизу-вверх», когда хромосома синтезируется с нуля. Для размножения и внедрения искусственных хромосом применяется технология микроклеточного переноса, в которой клетки-носители используются для мультипликации хромосом, затем фрагментируются, и полученные фрагменты, несущие по хромосоме, сливаются с клетками-мишенями. Возможности, открываемые селективным редактированием генома и внедрением искусственных хромосом, для продления жизни человека поистине безграничны.
Таким образом, фармакологические и генетические эксперименты на модельных организмах, а также всестороннее изучение долгожителей и долгоживущих видов животных позволяют выявить взаимосвязь генов, эпигенетической регуляции, обмена веществ, кишечной микрофлоры, образа жизни и окружающей среды при определении продолжительности жизни индивида, равно как и обнаружить новые гены, аллели, процессы, метаболиты, штаммы кишечных бактерий и внешние воздействия, влияющие на скорость старения. Прогрессу исследований способствует внедрение новых методик и технологий, таких, как идентификация соматических мута-
ций и количественный подсчет повреждений ДНК в индивидуальных клетках, получение полных профилей метаболитов или определение биологического возраста с помощью биохимических или генетических маркеров. В связи с необычайной сложностью процесса старения и огромным количеством накапливаемых знаний незаменимым становится внедрение и активное использование онлайн-баз данных возрастных изменений, а также онлайн-депозиториев геномов долгожителей и долгоживущих видов животных, в том числе и ресурсов с применением искусственного интеллекта. Все эти усилия позволили разработать лекарственные средства, с большой вероятностью способные замедлить старение и находящиеся на стадии доклинических испы-таний:никотинамидрибозид, селективные ингибиторы ТОИС-1 и антитела-блокаторы к рецептору IGF-1. В ближайшем будущем возможно появление новых классов средств против старения, например, подавляющих воспалительные реакции, окислительный стресс и образование белковых конгломератов, активирующих репарацию ДНК, уничтожающих стареющие клетки или даже воздействующих на нейротрансмис-сию. Параллельно развиваются биоинженерные подходы к здоровому долголетию - выращивание и трансплантация искусственных органов, адресная доставка лекарственных средств до клеток и органелл, направленное редактирование генома и внедрение искусственных хромосом.
Участники конференции направили во Всемирную организацию здравоохранения обращение о необходимости мониторинга и интеграции данных, связанных с возраст-зависимыми заболеваниями. •
