Биомедицина

В лаборатории Ирины Конбой было показано, что, помимо снижения активации Notch, с возрастом повышается уровень TGFβ, который индуцирует образование большого количества фосфорилированного Smad3 в резидентных прогениторных клетках мышцы, что мешает регенеративной способности клеток-сателлитов. Важным фактом является то, что Notch и pSmad3 являются антагонистами и контролируют пролиферативную активность стволовых клеток. Активация Notch блокирует TGFβ-зависимую активацию ингибиторов циклин-зависимых киназ (таких как p15, p16, p21 и p27), в то время как его ингибирование, наоборот, активирует их. Ученые изучили возможность экстраполяции данных, полученных на грызунах, на человека. Было показано, что у человека сателлитные клетки сохранялись с возрастом, но не могли активироваться в ответ на истощение мышцы, из-за снижения активности Notch, одновременно с увеличением активности TGFβ. Кроме того, было показано, что большое значение в активации Notch играет MAPK/pERK сигнальный путь. С помощью вестерн блоттинга (Western blot) исследователи выяснили, что с возрастом, активность MAPK-сигнального каскада снижается. При исследовании содержания уровня Delta, количества активного Notch, и активности миогенеза в ответ на присутствие антагонистов или агонистов MAPK, ученые выяснили, что агонист (FGF 2) индуцировал Delta и активировал Notch. В то время как ингибиторы MAPK-сигнального пути угнетали активность Notch и снижали уровень Delta. При непосредственной активации MAPK, регенеративная способность сателлитных клеток мышечной ткани, как молодой, так и старой, значительно увеличивалась. Соответственно, баланс между этими двумя молекулами — Notch и pSmad3- является важным фактором в контроле пролиферативной активности и регенеративной способности стволовых клеток мышцы. Активация MAPK/Notch показала возможность «омоложения» сателлитных клеток мышцы 70-тилетнего до уровня 20-тилетнего.

Область научных интересов Антонины Компаниец — исследование гомологичных рядов веществ — полиолов, амидов и их производных, продуктов направленного синтеза; установление характера взаимосвязи между криозащитной активностью, цитотоксичностью, токсичностью соединений и их химической структурой и физико-химическими свойствами. В ее работе реализуется один из способов создания и получения, новых криопротекторов — химическая модификация известных соединений. Так же значительное место в исследованиях занимают направления, связанные с фазовыми превращениями и разработкой способов управления ими для оптимизации технологии низкотемпературного консервирования различных клеточных суспензий и тканей. В лаборатории Антонины Компаниец были получены данные для управления рекристаллизационными процессами типа «кристалл-кристалл», «витрификация-девитрификация» в средах с различными криопротекторами (добавками углеводов, белков, поверхностно-активных веществ и др.). В настоящее время в отделе Антонины Компаниец исследуются растворы, содержащие криопротекторы и биологически активные вещества, которые в дальнейшем смогут позволить охладить тела теплокровных существ до сверхнизких температур.

В лаборатории Мелани Х. Коб изучают белковый каскад, запускаемый киназами, а также функции MAP киназ. MAP киназы преобразовывают сигналы, которые участвуют во множестве путей и клеточных функций в ответ на разнообразные лиганды и клеточные стимулы. MAPKs ERK1 / 2 связаны с клеточной пролиферацией. ERK1 / 2, как полагают, играет определенную роль в развитии некоторых раковых заболеваний, потому что мутации в Рas-и B-RAF, которые могут активизировать ERK1 / 2 каскады, находят во многих опухолях человека. Аномальные ERK1 / 2 сигнализации также были найдены при поликистозе почек. ERK1 / 2 имеют важное значение в хорошо дифференцированных клетках, и их связывают с долгосрочным потенцированием в нейронах и с поддержанием эпителиальной полярности. Кроме того, ERK1 / 2 имеют важное значение для транскрипции гена инсулина в бета-клетках поджелудочной железы, производящих инсулин в ответ на повышение концентрации глюкозы. В настоящее время выявлено нарушение функций MAPKs при множестве заболеваний, начиная от рака и воспалительных процессов и заканчивая ожирением и диабетом.

Для изучения патофизиологии кахексии как осложнения ракового заболевания и поиска вариантов ее лечения ученые группы Паолы Клеменс исследовали эффект выделяемых раковыми клетками цитокинов на первичные миобласты, полученные из скелетной мускулатуры мышей. Эти исследования показали, что факторы, выделяемые раковыми клетками предстательной железы и меланомы (интерлейкин (IL)-1b, TNF-альфа и фактор, вызывающий протеолиз (PIF)) значительно ингибируют дифференцировку миобластов. При этом связывающая и транскрипционная активность NF-kappaBв обработанных этими факторами миоцитах были повышены. Трансфекция миобластов геном cFLIP (клеточный каспаза-8-подобный белковый ингибиор), который является ингибитором NF-kappaB, активировала экспрессию мышечных маркеров в миобластах. В то же время гиперэкспрессия антиапоптотического белка Bcl-xL не вызывала подобного эффекта. Эти результаты показывают, что воздействие не на все молекулярные системы, вызывающие развитие кахексии, может быть эффективным. Перспективной является работа с белком cFLIP, воздействие которым оказывало положительный эффект на развитие мышечных клеток.

Коэнзим Q — незаменимый жирорастворимый антиоксидант. Включение его в рацион помогает предотвращать прогрессию нейро- и мышечно-дегенеративных заболеваний. Однако у более простых организмов, например, С. elegans, CoQ, напротив, способствует сокращению продолжительности жизни. Это, по всей видимости, связано, с его участием в образовании АФК. Мутации в гене clk-1 °C. elegans приводят к увеличению продолжительности жизни и замедляют развитие. Гомология гена clk-1 и генов CoQ дрожжей позволила предположить, что долгоживущие clk-1-мутанты нематод имеют нарушения биосинтеза CoQ. При отсутствии CoQ в рационе мутантных нематод наблюдается прекращение роста на ранних стадиях развития и стерильность в зрелости. Группой Кларк было показано, что этот фенотип можно изменить добавлением Q8 в пищу, позднее было обнаружено, что такими свойствами обладают также Q9 и Q10. Эти результаты свидетельствуют, что clk-1 необходим для биосинтеза CoQ, и с его уровнем могут быть связаны и старение, и замедление развития. Причем эти результаты очень устойчивы и воспроизводятся для всех мутантов с измененной продолжительностью жизни. При понижении уровня CoQ повышается экспрессия защитных генов и количество митохондриальной ДНК. Этот ответ сходен с таковым у дрожжей и человека при ингибировании дыхания. Таким образом, влияние на митохондрии активирует сходные транскрипционнные и физиологические механизмы у разных организмов и разными способами. Средняя и максимальная продолжительность жизни нематод дикого типа удлиняются на 60% при снижении количества CoQ в пище.

Центральной идеей работы доктора Кирквуда является идея о старении как о комплексном явлении, зависящем от генетики, окружающей среды и случайных явлений. Ключевым моментом эволюционного формирования феномена долгожительства является приобретение видом пула клеточных механизмов, обеспечивающих наибольшую устойчивость к стрессовым воздействиям. Данная парадигма хорошо прослеживается при сравнении физиологии и биохимии коротко- и долгоживущих видов. В сфере научных интересов доктора Кирквуда находится изучение эволюционных и генетических аспектов старения. В качестве предпосылок развиваемой им теории выдвигается:1) старение является эволюционным ограничением (чем-то вроде налога) на возможности соматической регенерации и целостности организма для смещения акцента жизнедеятельности в направлении репродуктивной функции,2) старение развивается как накопление с течением жизни повреждений клеток и тканей,3) старение обусловлено набором механизмов подобно тому, как поддержание соматической целостности также осуществляется разными путями, 4) генами, определяющими скорость старения и долгожительство, являются гены, отвечающие за поддержание гомеостаза в организме,5) процесс старения в принципе стохастичен, тогда как долгожительство программируемо генами,6) максимальная продолжительность жизни не жестко фиксирована, она достаточно гибка и поддается влиянию внешних воздействий. По мнению профессора Кирквуда сама концепция современного развития науки о старении может быть сформулирована в 10 выводах или замечаниях, подытоживающих современные знания и предлагаемые в качестве базиса для дальнейших исследований: 1) старение — это высоко-дифференцированный и модифицируемый процесс. Необходим поиск способов влияния на его течение.2) инвестиции в исследования в области старения должны быть значительно увеличены в связи с развитием проблемы старения населения.3) необходимо направленное формирование общественного мнения для осознания социумом важности повышения уровня жизни пожилых людей.4) исследования в области старения должны становиться все более комплексными для адекватного отражения сущности проблемы.5) исследователи должны концентрировать внимание на ранних, обратимых этапах развития старения для создания методов предотвращения возникающих патологических изменений.6) особое внимание следует уделять части популяции, которая характеризуется выраженным долгожительством.7) необходимо создание служб максимально быстрого и полного донесения результатов исследований в области старения до общества.8) развитие информационных технологий, позволяющих использовать результаты исследований при проектировании окружающей среды обитания пожилого населения.9) ясная и четкая политика финансирования и распределения служб поддержки пожилого населения и исследовательских групп.10) Важно, чтобы исследования в области старения управлялись и производились как единое целое, без разбивки по научным дисциплинам. Именно такой подход обеспечит прогресс в решении проблемы старения как на индивидуальном, так и общественном уровне. Одним из направлений работы профессора Кирквуда является приложение математического моделирования к биологии старения и стандартизация биологических данных.

Отдел Давида Киплинга изучает механизмы репликативного старения клеток человека, раковые заболевания, а также синдром Вернера, который представляет собой состояние преждевременного старения организма с предрасположенностью к раку. Основным методом изучения является использование биочипов. Фибробласты организма человека, страдающего синдромом Вернера, обладают повышенной способностью к росту и продолжительностью жизни после обработки ингибитором SB203580, который подавляет стресс-киназу p38, ответственную за нестабильность генетического материала. Биохимический механизм с экспрессией стресс-киназы p38 приводит к остановке деления клетки. Некоторые ингибиторы р38 уже проходят клинические испытания, а результаты работы группы Давида Киплинга открыли возможный механизм для медикаментозного вмешательства. Полученные данные свидетельствуют об эффективности использования ингибитора SB203580 для лечения преждевременного патологического старения.

Отложение бета-амилоида играет центральную роль в развитии болезни Альцгеймера. Очевидно, что для замедления развития болезни необходимо либо уменьшить аккумуляцию амилоида в мозгу, либо ускорить процесс его выведения. На ранних стадиях болезни Альцгеймера и в результате возрастных изменений активность неприлизина снижается. В своей работе Марк Кинди исследовал эффект введения человеческого гена неприлизина в мозг мышей с моделью болезни Альцгеймера на ранних стадиях до формирования амилоидных бляшек и оценивал влияние этого воздействия на отложение бета-амилоида и связанные с ним патогенетические изменения. Также у мышей, подвергавшихся воздействию, наблюдалось улучшение пространственной памяти в лабиринте Морриса. Эта данные показывают, что восстановление уровня неприлизина в мозгу на ранних стадиях болезни Альцгеймера является эффективным методом предотвращения или смягчения развития болезни. Неприлизин — главный фермент мозга, отвечающий за разрушение бета-амилоида. Полученные результаты свидетельствуют о том, что сверхэкспрессия гена неприлизина приводит к уменьшению бета-амилоида и сопутствующих патологических процессов.

Мутации митохондриальной ДНК являются причиной ряда заболеваний. Большим потенциалом для лечения таких болезней обладает метод, основанный на перенесении нормальной копии мутировавшего гена в ядро. При этом белок, который будет кодироваться в ядре должен будет транспортироваться в митохондрии. У зеленых водорослей Chlamydomonas и Polytomella sp. некоторые гены кодирующие белковые субъединицы дыхательной цепи кодируются ядром, а не мтДНК. Структура этих белков отличается от структуры их гомологов из митохондрий: гидрофобность кодируемых ядром белков уменьшена в тех участках, которые не отвечают за взаимодействие между субъединицами белковых комплексов в митохондриях. Кроме того у этих белков необычно большие сигнальные последовательности, помогающие их транспорту в митохондрии. Информация, полученная в результате этих исследований, может впоследствии быть применена для разработки генетической терапии человеческих заболеваний, причиной которых являются мутации в митохондриальной ДНК.

Работы группы Синтии Кеньон привели к открытию, что гормональная система передачи сигналов контролирует старение в разных организмах, включая млекопитающих. К эндокринным сигналам, которые обеспечивают клеточно-неавтономный контроль продолжительности жизни относится путь инсулин/IGF1.Снижение передачи сигналов через этот путь может увеличивать продолжительность жизни червей до 250%, а у мух до 85%. Мутации, которые снижают передачу сигналов посредством сигнального пути инсулин/IGF1, редуцируют фосфорилирование FoxOs, приводя к его транслокации в ядро. В ядре FoxOs модулирует экспрессию генов, которые увеличивают продолжительность жизни. Увеличение продолжительности жизни у червей за счет передачи сигналов по пути инсулин/IGF1 нуждается в daf-16. Аналогично, избыточная экспрессия FOXO достаточна для увеличения продолжительности жизни у мух. Дальнейшая работа по изучению сигнального пути инсулин/IGF1 может привести к созданию способов лечения, которые позволят гораздо дольше, чем обычно, сохранять молодость и избегать раковых заболеваний.