Биомедицина

Теломеры, по-видимому, являются важным звеном между ограниченным жизненным циклом клетки или бессмертием. Укорочение теломерных участков постепенно запускает процесс, который приводит к репликативному старению клетки. Группа учёных под руководством Томаса фон Зглиницки активно занимается изучением действия окислительного стресса на организм на молекулярном уровне. В настоящее время профессор Зглиницки участвует в следующих проектах: — Оценка роли антиоксидантной защиты клетки и всего организма в уменьшении длины теломер и в защите теломерных участков от укорочения, а также оценка экспрессии белков в различных типах клеток одного организма в ответ на стресс с использованием биочипов. — Исследования влияния определённых теломер-связывающих белков на эффективность репарации одноцепочечных разрывов.- Прогностические исследования возможной связи длины теломерных участков с возрастными дегенеративными заболеваниями человека. В ходе исследований группы профессора Зглиницки было показано, что одним из ключевых факторов укорочения теломерных участков является окислительный стресс, который сильнее воздействует на укорочение теломер, чем репликативное старение. По причине высокого содержания гуанина в теломерах, последние очень чувствительны к активным формам кислорода (АФК). АФК вызывают одноцепочечные разрывы в теломерах, которые не могут быть устранены, вследствие отсутствия необходимых ферментов. Таким образом, снижая действие окислительного стресса на организм можно избежать ускоренного разрушения теломер. Сотрудниками лаборатории также продемонстрировано, что репликативное старение фибробластов человека в значительной степени зависит от стрессовых факторов. Также продемонстрировано, что антиоксидантная терапия способна противостоять укорочению теломер и замедлять старение, защищая их от АФК.

Известно, что эпигалокатехин галлат (EGCG) — главный активный компонент чая, участвует в противодействии опухолеообразованию, ожирению, способствует нормализации кровяного давления. Группа исследователей под руководством Баолу Зао показала, что EGCG способствовал увеличению продолжительности жизни Caenorhabditis elegans в условиях стресса — теплового (35°С, максимально на 13,1%) и окислительного (максимально на 177,7%). Дальнейшие исследования показали, что этот эффект связан с нейтрализующим действием на свободные радикалы и стимулирующим действием на синтез стрессовых белков, в том числе и hsp-16.2.

Основным направлением работы лаборатории Ксу Донг Жу является изучение функций белков, участвующих в репарации ДНК на теломерных участках человека. TRF2 является компонентом белкового комплекса шелтерина (shelterin complex), который защищает теломеры. В лаборатории под руководством Ксу Донг Жу было показано, что аминокислотные замены с аргинина на лизин в основном домене TRF2 вызывают дисфункцию теломер, что приводит к клеточному старению. Клетки с повышенной экспрессией мутантного белка TRF2 с лизином накапливают теломерные дуплеты, свидетельствующие о нестабильности теломерных концов. Также было установлено, что TRF2 взаимодействует с PRMT1, а аргининовые основания метилируются PRMT1 in vitro и in vivo. Устранение PRMT1 приводит к блокированию деления в нормальных клетках человека, но не действует на раковые клетки. Нокдаун PRMT1 в раковых клетках пози-тивно регулирует связь TRF2 с теломерами и способствует их укорочению.

Регенерация нервной ткани — это процесс, важность которого в развитии современных биотехнологий сложно переоценить. В лаборатории Рутледже Еллис-Бенке разработаны пептидные препараты, стимулирующие регенерацию нервной ткани, способные к самосборке для остановки кровотечения при мозговой травме, травме позвоночника, травме печени или нарушении кожного покрова млекопитающих без необходимости проводить катетеризацию и вазоконстрикцию. Использование препаратов для регенерации тканей позволит медицине шагнуть на качественно новую ступень своего развития. При наложении на рану происходит полимеризация с образованием нетоксичной и не иммунногенной сетки из нановолокон в течение 15 секунд. При деградации образованного каркаса происходит высвобождение аминокислот, которые служат строительным материалом для новых клеток. Знание такого механизма позволит ученым разрабатывать эффективные препараты, способствующие регенерации тканей.

Другой аналогичной разработкой является пептидный препарат для регенерации тканей, способный к наносборке, который стимулирует не только физическую регенерацию аксонов в месте повреждения, но и функциональную. Научным достижением группы Рутледже Еллис-Бенке также является т.н. лечение нанотехнологиями, которые создают специальную наносреду, способную регулировать клеточную активность, замедлять пролиферацию и дифференциацию клеток in vitro или in vivo, оставаясь невидимой для иммунной системы. Эти выводы были сделаны по результатам успешных экспериментов на клетках линии PC12, швановских клетках и клетках-предшественниках нейронов. Более того, расширяя применение данной технологии, ученые успешно апробировали ее на животных с имплантацией наноматериала в головной и спинной мозг. Это подтверждается результатами эксперимента на хомяках, у которых после повреждения зрительного тракта восстанавливалось зрение. В будущем такие нанотехнологии в лечении различных заболеваний будут использоваться повсеместно. Использование препаратов, стимулирующих регенерацию тканей, позволит внедрять наноматериал с не дифференцированными клетками в мозг без необходимости применения иммуносупрессоров.

Эпигенетическая работа лаборатории сфокусирована на пищевых химических веществах, таких как ингибиторы HDAC. Сульфорафан, содержащийся в брокколи, органическая сера и органический селен из чеснока, жирные кислоты с короткой цепью, полученные в результате ферментации пищевого волокна (бутирата) в желудочно-кишечном тракте ингибируют активность HDAC и вызывают остановку роста\апоптоз. Ингибирование HDAC и ацелирование гистонов происходит также у здоровых людей при потреблении в пищу брокколи. В настоящее время лаборатория занимается практическим применением этих исследований для лиц, прошедших колоноскопию.

Исследования лаборатории доктора Дэвидсон сфокусированы на наследственных генетических заболеваниях, которые вызывают дисфункции центральной нервной системы, в т. ч. на лизосомальных заболеваниях. Поздний младенческий неврональный цероид-липофусциноз (LINCL) вы-ывает мутация в гене CLN2, который кодирует лизосомальную протеазу трипептидилпептидазу (TPP1), что приводит к накоплению в нейронах липофусцина. Доставка ферментов через спинно-мозговую жидкость, являющаяся потенциальным альтернативным маршрутом к центральной нервной системе, пока ещё не была изучена в случае LINCL. Доктор Дэвидсон с коллегами проверили эффективность внутрижелудочковой доставки TPP1 у мышей с LINCL. Было обнаружено, что в результате фермент распределялся в нескольких участках мозга подвергнутых лечению мышей. При этом животные демонстрировали ослабленные нейропатологические признаки. Фермент-замещающая терапия в настоящее время доступна для лизосомных заболеваний, затрагивающих периферические ткани, но пока ещё не была использована для лечения заболеваний, затрагивающих центральную нервную систему. Полученные данные показывают, что внутрижелудочковая доставка фермента в центральную нервную систему является выполнимой и может иметь высокое терапевтическое значение.

Эрик Дрекслер — главный технический советник компании Nanorex. Он предложил идею молекулярного ассемблера — сложной конструкции, которая насчитывает несколько миллионов атомов, но все-таки является одной молекулой массой от 10(9) до 10(10) amu. Это устройство похоже на маленький робот, способный к самокопированию, доставке необходимых веществ, управлению их в местоположении химической реакции, а также производству нужных соединений на месте.

Известно, что режим питания сильно влияет на старение организма. У самок дрозофил с хорошим режимом питания с возрастом наблюдалось уменьшение количества герминальных стволовых клеток (ГСК). А у самок, испытывающих недостаток в питании, снижение количества ГСК было гораздо более резким. От режима питания зависит секреция инсулина, которая уменьшается с возрастом. С помощью фосфоинозитол-3-киназы исследователи обнаружили пониженное действие инсулина в более зрелых яичниках дрозофил. Было показано, что воздействие инсулина объединяет эффекты режима питания и старения на поддержание ГСК. Регуляция происходит за счет изменения количества клеток ниши, и за счет взаимодействия клеток ниши с ГСК. Изменение количества клеток ниши регулируется посредством сигнальной сети трансмембранного рецепторного белка Notch. В то время как взаимодействие клеток происходит посредством Е-кадгерина — трансмембранного гликопротеина. Исследователи показали, что системные воздействия, подобные инсулину, совмещают реакцию организма на режим питания и старение. А так же то, что регуляция стволовых клеток происходит посредством их микроокружения, то есть ниши. Кроме того, эти исследования ещё раз подтвердили наличие связи между низким воздействием инсулина, строгой диетой и увеличенной продолжительностью жизни.

Николай Дохолян изучает динамику белков и исследует вопрос, как индуцированные изменения в фолдинге (сворачивании, укладке, от англ. folding) белка, а также агрегация белков могут привести к той или иной болезни. Одним из таких примеров может служить неправильнoe сворачиваниe супероксид дисмутазы (SOD1), которoe ассоциированно с нейродегенеративным заболеванием двигательных нейронов — боковым амиотрофическим склерозом (Amyotrophic Lateral Sclerosis). Формирование токсичных агрегатов SOD1 наблюдается и при семейной, и при спорадической (т. е. не обусловленной какими-то специфическими мутациями) формах этого заболевания. Цель исследований лаборатории Дохоляна — выяснить причины токсичности мутантной формы SOD1 на молекулярном уровне, используя комбинацию вычислительных и экспериментальных методов. Кроме того, используя быстрый метод дискретной молекулярной динамики, в лаборатории исследуется структура агрегатов SOD1. Знание структуры агрегатов необходимо для определения малых молекул, которые могут предотвратить или разрушить формирование этих токсичных скоплений. Определение структурных и функциональных характеристик белка напрямую связано с тем, насколько хорошо определена его пространственная структура. В лаборатории ведутся исследования, связанные с разработкой быстрых и точных методов предсказания пространственной структуры (фолдинга) белка. Успех этих исследований позволит более эффективно разрабатывать лекарства с высокой степенью специфичности.

Основная научная тема Лоренса Доунхауэра — изучение роли супрессоров опухолей в развитии рака и старении с особым фокусом на исследовании защитных свойств фактора р53.В лаборатории профессора Доунхауэра были созданы мыши, дефектные по гену супрессора р53. Такие мыши имеют нормальное развитие, однако уже в раннем возрасте обнаруживают крайне высокую чувствительность к разнообразным формам рака. Подобными фенотипами обладают «сверх» мыши с дополнительными копиями генов р53 или ARFи мыши с генетически супрессированной активностью MDM2. «Сверх» мышь, несущая дополнительные гены р53 и ARF, имеет повышенную устойчивость к раку и длительную продолжительность жизни. Совершенно иная ситуация возникает, когда нарушена нормальная регуляция р53. Потеря регуляции р53 была достигнута за счет удаления N-концевого домена белка, отвечающего за взаимодействие с MDM2. Так, «м»-мышь несет делецию размером в 500 т.п.н., в результате которой удалены 26 генов, следующих вслед за геном р53, и первые 6 экзонов самого гена р53. Другой пример — мышь Р44tg, экспрессирующая укороченную форму р53 (p44).В этих двух мышиных моделях р53 имеет повышенные стабильность и транскрипционную активность, что выражается в усилении онкоустойчивости, но ускоряет старение животных вследствие истощения регенеративной функции тканей. Похожие фенотипы имеют мыши, дефектные по генам BRCA1 (фактор поддержания геномной стабильности) и протеазе ZMPTE24 и подверженные постоянному стрессу на клеточном уровне из-за персистирующих нарушений ДНК и хромосомной нестабильности. В настоящее время в лаборатории Доунхауэра проводятся исследования по выявлению молекулярных механизмов влияния р53 на старение на базе анализа созданных мышиных моделей, мутантных по р53. Когда активность р53 повышена при сохранении базовой регуляции, р53 защищает от рака, но не замедляет старение. Полная потеря р53 высоко предрасполагает к раку. Мышь с гиперэкспрессией р53 (р53 +/m) имеет гораздо более выраженную устойчивость к раку, но более короткую продолжительность жизни.