Биомедицина

Лаборатория Джереми Брокса изучает молекулярные основы идентичности в регенерации конечности от центра к периферии. Ведутся работы над позиционной идентичностью в регенерации конечностей, зависимостью от регенерации нервов, а также роль активации тромбина в увязке регенерации и повреждения тканей. Группа профессора Брокса идентифицировала молекулу первого белка поверхности клетки, который будет вовлечен в местные межклеточные взаимодействия, являющиеся посредником позиционной идентичности. Получены данные, которые поддерживают гипотезу, что тромбин является критическим сигналом, связывающим ранение с регенерацией, и предлагают новую перспективу в эволюционных и филогенетических вопросах регенерации.

Основная тема исследований группы Чарльза Бреннера — метаболизм никотинамид аденин динуклеоида (НАД) — молекулы, являющейся коэнзимом для реакций с переносом водорода и субстратом для НАД-зависимых сигнальных ферментов, таких как сиртуины и поли(АДФрибозо)полимеразы. Исследовательская группа под руководством Чарльза Бреннера обнаружила, что недавно открытый витамин — никотинамид рибозид (NR, nicotinamide riboside) — натуральный компонент, найденный в молоке, активирует антивозрастной продукт гена Sir2 дрожжей. Никотинамид рибозид является предшественником в метаболических превращениях молекулы НАД+. Активность сиртуинов зависит от уровня НАД+, поэтому они могут рассматриваться как связующее звено между статусом клеточного метаболизма и адаптивным транскрипционным ответом. В свою очередь, уровень НАД+ повышается при ограничении калорийности питания. Таким образом, можно проследить связь между положительным действием ограничения калорийности питания и сиртуинами. Исследования показали, что никотинамид рибозид способен повышать уровень НАД+ в клетке без введения ограничений в питании, что приводит к активации сиртуинов.

Роско Брэйди имел непосредственное отношение к выяснению причин многих лизосомных болезней накопления (болезни Гоше, болезни Фабри, болезни Ниманна-Пика, болезни Тея-Сакса), участвовал в разработке методов заместительной терапии и в настоящее время продолжает актив-ную работу над генной терапией заболеваний этого класса. Болезнь Гоше — наследственное заболевание, связанное с накоплением глюкоцереброзоида в различных тканях (затрагивает печень, селезенку, почки, легкие, мозг и костный мозг). Она является самой распространенной среди всех лизосомных болезней накопления. Причиной болезни Гоше является недостаточность фермента глюкоцереброзидазы. Болезнь Ниманна-Пика — наследственное заболевание, связанное с нарушением липидного метаболизма, проявляющегося в накоплении липидов в печени, селезенке, легких, мозге и костном мозге. Причиной болезни является недостаточность фермента, расщепляющего сфинго-миелин. Группой Роско Брэйди был определен ген, мутация которого ответственна за развитие болезни Ниманна-Пика С1. Болезнь Фабри вызывается недостаточностью альфа-Г4-галактозидазы, которое приводит к накоплению церамидов в клетках и органах. Группой Роско Брэйди были разработаны методы заместительной ферментной терапии для лечения болезней Гоше, Ниманна-Пика и Фабри. Сейчас ведется поиск методов генной терапии болезни Фабри.

Исследования мутантных мышей имеют неоценимое значение для понимания механизмов, лежащих в основе долголетия. Было показано, что гормон роста (ГР) и инсулин-подобный фактор роста (IGF) играют ключевую роль в таких физиологических процессах, которые вносят вклад в старение организма, в частности — метаболизме глюкозы, регулировании состава тканей тела и защите клеток. Исследования мутантных мышей с различными мутациями в генах регуляции ГР или IGF1 в разных лабораториях показали, что существуют различия и в направлении и в величине выраженности различий вплоть до изменения продолжительности жизни. Мыши нокаутные по рецептору гормона роста, например, имеют нарушения в функционировании рецепторов ГР, поэтому передача сигналов ГР отсутствует. У этих мышей наблюдается отсутствие усиления механизмов антиоксидатной защиты, наблюдаемое у других ГР мутантов, но тем не менее продолжительность их жизни значительно длиннее чем у мышей дикого типа. Учеными исследовался метаболизм глутатиона (GSH) и метионина (MET) с целью определения степени их изменения у этих мутантных мышей по сравнению с карликовой мышью Ames, у которой наблюдается отсроченное старение и увеличение продолжительности жизни почти на 70%. Компоненты глутатиона (GSH) и метионина (MET) отличались у мышей GHR KO по сравнению с контрольным диким типом мышей. Результаты этих экспериментов говорят о том, что эти метаболические пути могут быть частично ответственны за различия, наблюдаемые в устойчивости к стрессу и способности реагировать на стрессоры, что в долгосрочной перспективе, затрагивает здоровье и продолжительность жизни.

Основными факторами борьбы с гликилированием являются классические антиоксиданты такие, как витамин Е или N-ацетилцистеин. Среди молекул, которые способны противостоять AGE, выделяют такие нуклеофилы как пиридоксамин, тенилсетам, 2,3-диаминофеназон, OPB-9195, метформин и аминогуанидин. Механизм действия этих веществ заключается в ингибировании AGE через инактивацию интермедиатов. Добавление витамина Е в пищу снижает количество гликилированного гемоглобина, уровень перекисного окисления липидов и окисления липидов низкой плотности.

Стареющие клетки накапливают повреждения не только в ядерной, но и в митохондриальной ДНК. Они содержат большое число модифицированных азотистых оснований, например, таких как 7,8-дигидро-8-оксогуанин. Ученые считают, что такие нарушения связаны с дефектами репаративных систем, возникающих с возрастом. Исследования показали, что уровень и активность ДНК-гликозилазы, ответственной за репарацию 7,8-дигидро-8-оксогуаниновых оснований, была выше в митохондриальных экстрактах печени не молодых, а старых мышей. Но in vivo, в живой митохондрии старых особей, этот фермент прикреплен к мембране митохондрии в форме предшественника и не способен к действию. Точно так же ведет себя и урацил-ДНК-гликозилаза, которая репарирует модифицированный урацил. Эти данные говорят о снижении количества импортируемых ферментов репарации внутрь митохондрии при старении клеток. Группа Иствана Болдоу также занимается исследованием специфических гликозилаз, ответственных за репарацию ядерной ДНК. Недавно ученые доказали, что в репарации одноцепочечных разрывов ДНК преимущественно участвуют гликозилазы NEIL1 и NEIL2.Еще одно перспективное направление появилось после открытия действия колостринина на культуру клеток. Известно, что колостринин играет стабилизирующую роль при болезни Альцгеймера. Ученые группы Болдоу определили, что колострин в культуре клеток снижает уровень активных форм кислорода, регулирует уровень антиоксидантов и функции митохондрий. У мышей, которым давали колостринин, увеличивалась продолжительность жизни и активность работы органов чувств. Развитие исследований в этом направлении позволит разработать методы контроля процессов деградации клеток и тканей при старении.

Одной из основных тем исследований в лаборатории Кита Блэквелла является фактор SKN-1 и защитные механизмы, направленные на борьбу с активными формами кислорода. Инсулин ингибирует синтез регуляторного белка SKN-1, активность которого повышает устойчивость к активным формам кислорода и увеличивает продолжительность жизни. Уже было известно, что инсулин также ингибирует регуляторный белок FOXO, контролирующий ряд генов, отвечающих за стрессоустойчивость. Более ранние исследования на C. elegans показали, что подавление инсулинового сигналлинга усиливало активность FOXO (DAF-16) и приводило к повышению стрессоустойчивости и увеличению продолжительности жизни. А ученые группы Кита Блэквелла выяснили, что SKN-1 — второй важный ген, который ингибируется инсулином. Эти эксперименты должны быть повторены на млекопитающих, у которых инсулин и инсулиноподобный фактор роста 1 принимают участие в регуляции экспрессии ряда белков в разных тканях. Однако многие модели, испытанные на C. Elegans, уже полностью повторились при исследованиях на мышах и человеке. Ученые показали, что инсулин оказывает неожиданное и до сих пор неизвестное влияние на продолжительность жизни. Таким образом, манипулируя экспрессией SKN-1 у червей, можно продлить их жизнь.

В 1980 году Блэкберн с коллегами показали экспериментально, что уникальная последовательность ДНК в теломерах защищает хромосомы от разрушения. Затем, в 1985 году Блэкберн впервые экспериментально идентифицировала теломеразу — фермент, образующий теломеры. За эту работу Блэкберн была удостоена Нобелевской премии по медицине и физиологии 2009 г. Эти открытия объяснили, как именно теломеры защищают хромосомы и как они образуются при помощи теломеразы. Однако их роль в процессе старения долго оставалась гипотетической. Известно было лишь, что теломераза перестает работать в дифференцированных соматических клетках взрослого человека, сохраняя свою активность в половых и стволовых клетках, а также в клетках большинства опухолей. Однаконедавно группой Блекберн было показано, что при более низких концентрациях теломеразы и меньшей длине теломер в лимфоцитах крови у человека в несколько раз увеличивается риск сердечно-сосудистых заболеваний, которые, как известно, составляют главную причину старческой смертности. Было показано, что у людей, находящихся под воздействием длительного стресса, теломеры укорачиваются гораздо быстрее, чем у их ровесников, находящихся в обычной ситуации. Длина теломер у женщин, испытывающих длительный хронический стресс, эквивалентна их длине у тех, кто на 10 лет старше, но ведет нормальную жизнь. В данный момент проводятся исследования длины и активности теломер у людей с различными заболеваниями, которые являются основными причинами смерти. Главная задача Блэкберн и ее лаборатории — понять, как теломеры ведут себя в организме живого человека, какова их роль на молекулярном, клеточном, организменном уровне. Она перекинула «мостик» от клетки к человеку, из лаборатории в клинику, и сейчас исследует молекулярные механизмы старения и продолжительности жизни на уровне организма.

Группа Блу исследовала механизмы апоптоза мышечных клеток, которые наблюдаются при развитии саркопении, на модели крыс линии F344/N x BN. Известны апоптотические сигнальные механизмы, которые осуществляются за счет высвобождения митохондриальных факторов при участии различных каспаз, белков Bax, Bcl-2 и др. Целью исследователей было проверить, играют ли они решающую роль при дегенерации разных типов мышечных волокон (быстро и медленно сокращающихся), сопровождающейся фрагментацией ДНК, возникающей с возрастом. Изучали также, принимает ли участие белок калпайн в возраст-зависимых протеолитичеких процессах. Для этого исследовали уровень протеолитической деградации мышечного белка α-фодрина. Выяснилось, что с возрастом у всех типов мышц уровень калпайн-зависимого протеолиза возрастал, а уровень протеолиза, осуществляемого каспазами возрастал только у медленно сокращающегося типа мышц (soleus) у очень пожилых крыс. Основные научные интересы лаборатории Эрика Блу — исследование молекулярных механизмов, связанных с сократительными сигналами в скелетной и гладкой мускулатуре, их изменение с возрастом и возможность их регулировки с помощью упражнений. Результаты исследований говорят о том, что в разных типах мышечных волокон механизм их возраст-зависимой дегенерации различается, и это необходимо учи-тывать при лечении разных типов мышечных атрофий. Характер этих различий требует дальнейших исследований для адекватного подбора лекарств и терапии.

Путём воздействия как на межклеточные, так и на внутриклеточные процессы стволовых клеток и их окружения, учёные изучают пути передачи сигнала, лежащие в основе таких процессов, как самообновление, дифференцировка, возникновение рака. Лаборатория работает на стволовых клетках мышечной ткани, гематопоэтических стволовых клетках, стволовых клетках поджелудочной железы, используя методы мультидисциплинарной биоинженерии и микроскопии. Ученые проводили исследования на сателлитных клетках — стволовых клетках мышечной ткани, которые играют важную роль в регенерации мышечной ткани в зрелом возрасте. Эти клетки во время постнатального периода входят в состояние покоя и откладываются между волокнами мышечной ткани, выполняющими роль их ниши. Сателлитные клетки особенно чувствительны к окружению и, выделенные in vivo, они быстро теряют характеристики стволовых клеток в культуре. Этот факт сильно осложняет работу ученых, поскольку изучать свойства сателлитных клеток в отсутствии ниши не представлялось возможным. В лаборатории профессора Блау на основе биоматериалов было создано искусственное микро-окружение для культивирования сателлитных клеток. Было показано, что сателлитные клетки, выделенные из живого организма, сохраняли свои свойства стволовых клеток вплоть до нескольких недель культивирования в условиях искуственной биониши. Более того, клетка, взятая из такой культуры и пересаженная в организм, оказалась способной к самообновлению с сохранением всех своих прежних свойств.