Замедление старения позволяет специализированным клеткам омолодиться на 30 лет в течение 13 дней. | ГК ТРИММ
Замедление старения позволяет специализированным клеткам омолодиться  на 30 лет в течение 13 дней.
18 Января 2023

В 2012 году японский исследователь Шинья Яманака получил Нобелевскую премию за свою работу по открытию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). Они выглядят как обычные взрослые клетки ткани, на которые воздействуют четыре молекулы, называемые факторами Яманаки, и возвращают их в незрелое состояние. Стволовые клетки теоретически могут развиться в клетки любого типа в организме. Полный процесс перепрограммирования включает в себя воздействие факторов Яманаки на клетки в течение примерно 50 дней, но ученые из Бабрахама обнаружили, что сокращение этого процесса может принести существенную пользу. Когда клетки подвергаются полному перепрограммированию, они отказываются от некоторых специализированных способностей, которые они развили в процессе созревания. В случае клеток кожи это включает производство коллагена для использования в сухожилиях, связках, костях и для помощи в заживлении ран. Идея заключалась в том, чтобы вернуть этим клеткам молодое состояние, но не полностью стереть их идентичность.

Новый метод, названный «переходным перепрограммированием фазы созревания», подвергает клетки воздействию факторов Яманаки всего на 13 дней. Было обнаружено, что это снимает возрастные изменения и стирает их индивидуальность, но только временно. Имея возможность расти в естественных условиях, эти омолодевшие клетки снова приобрели характеристики клеток кожи, но с новым взглядом на жизнь. Экспериментируя с очень многообещающей методикой омоложения, ученые из британского Института Бэбрахама   профессор Вольф Рейк и доктор Дилджил Гилл продемонстрировали новый способ повернуть время вспять в клетках кожи человека. Эти клетки функционировали так же, как клетки на 30 лет моложе, но, они смогли сохранить некоторые из своих специализированных функций, приобретенных с возрастом.

Взрослый организм ежедневно заменяет миллиарды клеток; в этом процессе существующие клетки постоянно заменяются новыми. Поддержание баланса между клеточным делением, клеточной дифференцировкой и клеточной гибелью чрезвычайно важно, потому что даже малейший дисбаланс нарушает это равновесие и рано или поздно способствует развитию рака или может привести к преждевременному старению.

Старение – это постепенное снижение приспособленности организма, которое происходит с течением времени, что приводит к дисфункции тканей и заболеваниям. На клеточном уровне старение связано со снижением функции, изменением экспрессии генов и нарушением эпигенома.

Индуцированное перепрограммирование плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) представляет собой процесс, с помощью которого почти любая соматическая клетка может быть преобразована в состояние, подобное эмбриональной стволовой клетке. Интересно, что репрограммирование ИПСК обращает вспять многие возрастные изменения, включая истощение теломер и окислительный стресс ( Lapasset et al., 2011 ). Примечательно, что эпигенетические часы сбрасываются примерно до нуля, что позволяет предположить, что перепрограммирование может обратить вспять связанные со старением эпигенетические изменения ( Horvath, 2013).). Однако перепрограммирование иПСК также приводит к потере исходной клеточной идентичности и, следовательно, к потере функции. Напротив, подходы временного перепрограммирования, при которых факторы Yamanaka (Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc) экспрессируются в течение коротких периодов времени, могут обеспечить омоложение без потери клеточной идентичности. Перепрограммирование может быть выполнено in vivo ( Abad et al., 2013 ), и действительно, циклическая экспрессия факторов Yamanaka in vivo может увеличивать продолжительность жизни прогероидных мышей и улучшать клеточную функцию у мышей дикого типа ( Ocampo et al., 2016 ).

Альтернативный подход к перепрограммированию in vivo также продемонстрировал обращение вспять связанных со старением изменений в ганглиозных клетках сетчатки и был способен восстановить зрение на модели мыши с глаукомой ( Lu et al., 2020).).

Ученые разработали первый метод «транзиентного перепрограммирования фазы созревания» (MPTR), в котором факторы перепрограммирования выборочно экспрессируются до тех пор, пока эта точка омоложения не исчезнет. Применяя MPTR к дермальным фибробластам доноров среднего возраста, они обнаружили, что клетки временно теряют, а затем вновь приобретают свою идентичность фибробластов (возможно, в результате эпигенетической памяти на энхансерах и/или постоянной экспрессии некоторых генов фибробластов). Интересно, что этоь метод существенно омолодил несколько клеточных атрибутов, включая транскриптом, который был омоложен примерно на 30 лет, что измеряется новыми транскриптомными часами. Эпигеном был омоложен в аналогичной степени, включая уровни H3K9me3 и часы старения метилирования ДНК. Величина омоложения, вызванная MPTR, кажется значительно большей, чем достигнутая в предыдущих протоколах временного перепрограммирования. Кроме того, фибробласты MPTR продуцировали юношеские уровни белков коллагена и показали частичное функциональное омоложение скорости их миграции. Наконец, работа предполагает, что существуют оптимальные временные окна для омоложения транскриптома и эпигенома.

Таким образом, изучив химические маркеры, составляющие так называемые эпигенетические часы, и молекулы, экспрессируемые клетками, ученые подтвердили, что перепрограммированные клетки соответствуют профилю клеток на 30 лет моложе. Эти клетки также производили больше коллагена, чем контрольные клетки, и реагировали более эффективно в лабораторных экспериментах, предназначенных для воспроизведения заживления ран. Интересно, что ученые также обнаружили, что этот метод оказывает омолаживающее действие на гены, связанные с болезнью Альцгеймера и катарактой, два из которых показали признаки возвращения к более молодому уровню активности.

131.jpg

Рис.1 Транзиторно перепрограммированные клетки вновь приобретают свою первоначальную клеточную идентичность.

Новый подход позволяет сохранить идентичность клеток, чтобы со временем вновь молодые клетки могли снова получить прежнюю функцию. Например, вновь стать клетками кожи.

Ссылка на источник:

Теперь ученые начинают следующий этап исследований, направленный на омоложение клеток. Они надеются, что эти терапевтические стратегии откроют новые возможности в профилактике и лечении возрастных заболеваний.

Наша кровь постоянно регенерируется из гемопоэтических стволовых клеток (ГСК). Однако с возрастом эти стволовые клетки крови теряют функцию, и их регенеративный потенциал уменьшается. У пожилых людей другая проблема с кроветворением: у них образуется меньше лимфоцитов , поэтому они часто не в состоянии так же хорошо справляться с инфекциями и обычно не проявляют высокоэффективного иммунного ответа после прививок.

Гемопоэтические стволовые клетки дают начало кроветворению, однако с возрастом они теряют свою функцию, их регенеративный потенциал уменьшается, поэтому, например, пожилые люди больше подвержены инфекциям. Исследователи из Германии, США и Нидерландов изучали сигнальный путь Hippo и обнаружили, что его коактиватор, белок TAZ, может защищать гемопоэтические стволовые клетки от старения и, соответственно, предотвращать их гибель.

Сигнальный путь Hippo играет центральную роль в регенерации тканей, а также в развитии рака. Он контролирует деление клеток в органах и тканях и гарантирует, что они приобретают и сохраняют правильный размер и форму. Многие гены в нем активируются в пожилом возрасте, но пока мало известно о роли, которую эти процессы играют в старении.

132.jpg

Активность YAP/TAZ важна для регенерации тканей.

Сигнальный путь Hippo ингибирует активность белков, таких как YAP (Yes-ассоциированный белок) и TAZ (транскрипционный коактиватор с PDZ-связывающим мотивом). Это белки, которые контролируют копирование определенных генов ДНК в информационную РНК (мРНК) — процесс, называемый транскрипцией. Недавние исследования показали, что YAP и TAZ также необходимы для регенерации тканей в кишечнике или печени, помогая клеткам лучше справляться со стрессом от повреждения тканей, перепрограммируя их в более примитивное состояние.

Учитывая их важную роль в регенерации, ученые проанализировали экспрессию генов в гемопоэтических стволовых клетках молодых и старых мышей и проверили, какие гены активируются или деактивируются при старении. Они обнаружили, что гены в клетках изменяются с возрастом. В клетках старых мышей белок TAZ индуцировался более сильно как коактиватор пути Hippo, и несколько сотен генов также активируются. Наиболее поразительные изменения, связанные со старением, произошли в гене Clca3a1, поэтому исследователи использовали этот TAZ-индуцированный ген в качестве чувствительного маркера для своих дальнейших исследований.

Интересно, что продукт гена CLCA3A1 представляет собой белок, обнаруживаемый на поверхности клеток и индуцируемый белком TAZ. Используя антитела против CLCA3A1, исследовательской группе фон Эйсса удалось идентифицировать специфическую популяцию клеток, экспрессирующих высокие или низкие уровни CLCA3A1. С помощью специальных одноклеточных методов, таких как одноклеточная РНК-Seq или одноклеточная ATAC-Seq. Путем секвенирования стало возможным отслеживать активность TAZ в каждой отдельной клетке на клеточном уровне и контролировать его непосредственно в естественных условиях.

Таким образом, исследователи обнаружили, что стволовые клетки крови не стареют равномерно. Скорее, они очень неоднородны и демонстрируют смешанный тип. Таким образом, от старых мышей удалось выделить субпопуляции, в которых клетки были преимущественно старыми, а также популяции, в которых клетки находились в «юношеском» состоянии. Паттерн экспрессии генов этих клеток также имеет тенденцию напоминать таковые у молодых гемопоэтических стволовых клеток. Это указывает на то, что TAZ может в некоторой степени противодействовать постепенной потере функции стволовых клеток и защищать стволовые клетки крови, омолаживая их. Следовательно, генетическая даунрегуляция ТАЗ в старых ГСК приводила к резкой неспособности восстановить систему крови при трансплантации этих ГСК.

Эти результаты открывают совершенно новые перспективы для того, чтобы снова сделать стволовые клетки более приспособленными. С одной стороны, если удасться выборочно отфильтровать старые стволовые клетки крови от молодых и изолировать их от организма, тогда можно использовать их, чтобы подстегнуть иммунную систему и снова сделать ее значительно более активной. Этот подход к омоложению стволовых клеток будет более подробно изучен в следующем проекте.

Однако если эпигенетические часы не тикают одинаково во всех клетках организма, это может объяснить возникающие в результате различия в биологическом возрасте клеток. Эпигенетика описывает химические маркеры генома, которые не влияют на последовательность строительных блоков ДНК, но определяют, как и какие гены считываются. Этот тип информации также передается, когда клетки делятся и изменяются с возрастом. Гетерогенность клеток, как показано в этом исследовании гемопоэтических стволовых клеток, потенциально может быть результатом различных эпигенетических маркеров в субпопуляциях. 

Таким образом, функциональное понимание этих маркеров в гемопоэтических стволовых клетках может дать ключ к пониманию процесса старения и связанных с ним заболеваний.

Ссылка на источник


Запросить коммерческое предложение
Отправьте сообщение специалистам компании.