Аутофагия – залог клеточного долголетия
В цитоплазме клеток, подвергшихся воздействию стресса и находящихся на краю гибели, часто происходит накопление аутофагосом и ауто(фаго)лизосом. Ранее считалось, что аутофагия запускает процесс самоуничтожения клетки. На данный момент научное общество признало, что в большинстве случаев аутофагия представляет собой механизм клеточной адаптации к широкому спектру неблагоприятных условий, тем самым продлевая «век» клетки. Однако какие именно звенья этого механизма обуславливают продолжительность жизни, оставалось невыясненным
.jpg)
Считается, что продолжительность жизни млекопитающих связана с массой тела, типичной для данного вида. Так, небольшие грызуны живут относительно недолго, тогда как представители подсемейства больших кошек (например, львы и тигры), киты, слоны живут десятки и даже сотни лет. Иногда эта закономерность нарушается, примером чего служат 30-граммовые капские землекопы, которые, имея массу не более 8 грамм, живут около 30-40 лет.
Другим исключением в этом плане является человек: в среднем, люди живут в 1,5 - 2 раза дольше шимпанзе и других обезьян, а также хищников с сопоставимой массой и размерами тела. В течение последних десятилетий ученые пытаются понять, что заставило наших предков жить дольше и как с этим могут быть связаны различные заболевания, ассоциированные с возрастом.
Известно, что старение организма, а также многие возрастные болезни, такие как атеросклероз, гипертензия, болезнь Альцгеймера и диабет, запускаются под воздействием окислительного стресса. Под окислительным или, как еще говорят, оксидативным стрессом понимают нарушение окислительно-восстановительного статуса клетки, в результате чего в ней повышается содержание токсичных реактивных форм кислорода (РФК), таких как пероксиды и свободные радикалы. РФК способны окислять клеточные белки, липиды и ДНК, вызывая гибель клеток. В зависимости от силы стресса клетки могут погибнуть в результате апоптоза, когда их внутреннее содержимое успевает деградировать до нетоксичных продуктов распада, или в результате некроза, когда сила окислительного стресса слишком велика.
Однако большинство РФК постоянно образуются в клетке в качестве побочных продуктов нормального клеточного метаболизма, но их концентрация находится на очень низком уровне и повреждения клетки не происходит. Это возможно благодаря существованию в клетке ряда механизмов, направленных на борьбу с РФК. К защитным механизмам клетки можно отнести антиоксидантную систему, представляющую собой комплекс внутри- и внеклеточных ферментов, выполняющих функции восстановителей, утилизаторов свободных радикалов и терминаторов цепи, а также аутофагию - процесс, при котором поврежденные РФК молекулы доставляются внутрь клеточных лизосом и подвергаются в них деградации. Это особенно актуально для неделящихся долгоживущих клеток, таких как нервные клетки.
Ученые из института клеточных и молекулярных наук Великобритании сфокусировали свое внимании на изучении гена p62, управляющего механизмом аутофагии. В более ранних исследованиях было показано, что повреждение p62 приводит к развитию бокового амиотрофического склероза, характеризующегося развитием полного паралича из-за массовой гибели клеток мозга. Эта связь натолкнула исследователей на мысль, что p62 может играть важную роль в выживании клеток мозга, большая часть которых не обновляется в течение всей жизни человека.
Продукт гена p62 является рецептором аутофагии, который соединяется с убиквитинированными белками (присоединение убиквитина делает поврежденные РФК белки доступными для протеолиза), связывается с LC3-II (Microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3 phosphatidylethanolamine conjugate) - компонентом мембраны аутофагосомы, которая «запаковывает» в себя поврежденный белок и в дальнейшем сливается с лизосомой.
Исследуя нервные клетки мозга мышей, ученые обнаружили что у старых особей происходит накопление белка p62 в нервной ткани в виде конъюгатов с высокой молекулярной массой. Эти конъюгаты образуются при помощи дисульфидных связей (DLC - disulphide-linked conjugates), возникающий между молекулами p62.
Далее в ходе эксперимента клеточные культуры, экспрессирующие человеческий p62, обрабатывали различными окислителями. Было показано, что окисление белка p62 заставляет его олигомеризоваться и образовывать DLC, подобные мышиным. Вместе с тем, ученые провели протеомный анализ p62, который выявил, что в образовании описанных дисульфидных связей участвуют молекулы цистеина, находящиеся в 105 и 113 положении. В клетках, содержащих миссенс-мутации, в результате которых цистеин в указанных позициях был заменен на другую аминокислоту, при обработке окислителем не происходила олигомеризация p62 и, как следствие, синтез аутофагосом.
Кроме того, проанализировав структуру p62 у 14 видов позвоночных, ученые пришли к выводу, что участок, содержащий остатки цистеина в 105 и 113 положениях, является крайне консервативным и присутствует в неизменном виде у всех рассмотренных видов. Чтобы понять, вносит ли способность p62 к образованию конъюгатов вклад в продолжительность жизни позвоночных, исследователи встроили в ген p62 дрозофилы 18-аминокислотный фрагмент человеческого p62, кодирующего остатки цистеина, необходимые для формирования дисульфидных связей. В результате генно-модифицированные дрозофилы оказались более устойчивы к окислительному стрессу и продолжительность их жизни увеличилась по сравнению с временем жизни мух дикого типа в таких же условиях.
Однако в комфортных условиях содержания продолжительность жизни всех дрозофил была одинакова. По словам ученых, выявленный механизм нельзя считать единственным, обеспечивающим долголетие. Тем не менее, проведенное исследование позволяет сделать вывод, что белок p62 позвоночных является значительно более чувствительным к РФК по сравнению с беспозвоночными и одна из его ведущих функций – запуск механизма аутофагии в ответ на попадание клетки в условия окислительного стресса. Исследователи также отмечают, что полученные данные позволят в дальнейшем разработать более эффективные методы предотвращения и борьбы с нейродегенеративными заболеваниями на генетическом уровне.