Зачем, к примеру, нужна база генов Open Genes?

Всё-таки мы большую работу провели в Open Genes. В начале года у нас в базе было 70 как-то описанных генов, а теперь 477, описанных гораздо лучше. Мы, наверно, стали самой большой и хорошо структурированной базой данных о генетике старения. Зачем это надо, помимо того, что это крайне увлекательно изучать, как устроена генетика старения?

Обычно учёные смотрят на тот или иной важный процесс в старении и говорят: «Давайте мы теперь вмешаемся в него и выясним, удастся ли продлить жизнь лабораторному животному?». Включают или выключают какие-то гены или их продукты и смотрят, получилось ли продление жизни.

У нас подход простой: а давайте примем во внимание изменение работы всех генов, связанных со старением и продлением жизни. Может, мы найдём наилучшую комбинацию для генной терапии и приблизимся к идеальной работе генома? Будем такие включать/выключать разные гены в разный момент времени, не давая животному умереть.

Тут, конечно, работы на десятки миллионов долларов.

Чтобы их привлечь, мы хотим ещё лучше структурировать данные, чтобы найти наилучшие принципы подбора генной терапии.

Причём совершенно не обязательно, чтобы именно мы нашли наилучшую комбинацию. Может, это сделаете вы? Наша задача — предоставить наиболее полный и понятный материал по теме. Описать, какие возможности и проблемы существуют. 

Если гонка по поиску наилучших комбинаций по продлению жизни не приняла вселенский масштаб, значит, мы сами ещё не доработали и должны улучшать базу Open Genes и создавать новые базы. Процессов, связанных со старением в организме, немало, и их всех надо описать в базах данных. 

Теперь держите наш следующий рассказ, ещё об одном цитопротекторном гене, продукт которого связан с аутофагией, старением и онкогенезом.

Это ген TFEB, кодирующий фактор транскрипции EB.

TFEB — один из ключевых регуляторов аутофагии. Давайте для лучшего понимания возрастной функции TFEB вспомним, она из себя представляет.

Аутофагия — процесс разрушения поврежденных структур с высвобождением аминокислот и свободных жирных кислот для синтеза белка и производства энергии. Аутофагия необходима для поддержания постоянства внутриклеточной среды: гены всё время синтезирует белки, надо их куда-то девать (не с генов считываются белки, но это и так все знают).

Аутофагия — это лизосомно-зависимый путь деградации повреждённых внутриклеточных структур.

(Если я вас здесь потерял, то ладно, идите. Главное вы уже прочли. Дальше будет сложнее. Если что, лизосома — отдел в клетке, который перерабатывает всякую хрень. Если он работает не идеально, начинаются проблемы.)

В клетках млекопитающих аутофагия подразделяется на макроаутофагию, микроаутофагию и аутофагию, опосредованную шаперонами. 

Выживание или гибель клеток определяется степенью аутофагии. Обычные физиологические уровни аутофагии находятся на относительно низком уровне и способствуют выживанию. Тогда как недостаточные или чрезмерные уровни способствуют клеточной смерти. 

Аутофагия выступает защитным механизмом клеток от неблагоприятных факторов окружающей среды. Нарушение регуляции аутофагии тесно связано со многими заболеваниями.

Аутофагия в раковых клетках проявляет двойную роль, подавляя или способствуя развитию патологии. 

Также аутофагия участвует в деградации аномальных белков, предотвращая их накопление в нейронах. Нарушение аутофагии связано с развитием нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.  

Нарушения самой аутофагии связаны с накоплением клеточных липидов, что приводит к ожирению печени и другим метаболическим болезням. Например, аутофагия необходима для поддержания структуры, количества и функции β-клеток поджелудочной железы и защищает их в стрессовых условиях.

Так вот, лизосомы. Это центр переработки в клетках, представляют собой кислотные отсеки, заполненные более чем 60 различными типами гидролаз в клетках млекопитающих.

Лизосомы в основном отвечают за расщепление субстратов эндоцитоза и аутофагии, таких как мембраны, белки и липиды, на их основные компоненты.

Продукты переваривания выводятся из лизосом посредством везикул. 

Лизосомы играют роль в клеточном метаболизме, иммунитете, регуляции секреции гормонов и других процессах.

Например, секреция меланина меланоцитами, реабсорбция костной ткани остеокластами, секреция протеолитических ферментов натуральными клетками-киллерами, регуляция восстановления клеточной мембраны ионами кальция, презентация антигена макрофагами и В-лимфоцитами — все это связано с активностью лизосом. 

Известно, что аутофагическая активность снижается с возрастом. И как предполагается, способствует накоплению поврежденных макромолекул и органелл во время старения.

Сразу две [1, 2] недавние работы описывают взаимосвязь аутофагии с признаками старения.

В ещё одной [3] свежей работе ученые показали возможную причину того, почему один из генетических вариантов аполипопротеина E связан с нейродегенерацией и Альцгеймером — из-за репрессии им FoxO3a в головном мозге. Из-за чего нарушается как аутофагия, так и митофагия (тоже самое, но по отношению к митохондриям).

Итак, всё вспомнили, вернемся к нашему герою, TFEB.

Он относится к транскрипционным факторам из эволюционно консервативного семейства MiT / TFE. У позвоночных эта группа представлена 4 белками: MITF, TFEB, TFE3 и TFEC

Кроме основной роли белков MiT / TFE в качестве ключевых регуляторов лизосомальной функции и аутофагии, исследования показывают их участие в постоянно расширяющемся списке клеточных процессов.

(Кстати сказать, функции многих белков ещё совершенно не изучены)

Среди которых: восприятие питательных веществ, энергетический метаболизм, ответ на стресс эндоплазматического ретикулума, повреждение митохондрий и ДНК, окислительный стресс, врожденный иммунитет и воспаление, нейродегенерация и онкогенез.     

Белки MiT / TFE хорошо сохранены в процессе эволюции. Их гомологи обнаружены у примитивных многоклеточных животных, таких как Trichoplax и губки. А ортологи у беспозвоночных — фактор HLH-30 у Caenorhabditis elegans и Mitf у Drosophila melanogaster.

Когда питания для клеток в избытке, активный mTORC1 фосфорилирует TFEB. Фосфорилированный же TFEB изолируется в цитозоле, связанный специальным белком, и остается неактивным.

Недостаток же питательных веществ активирует TFEB. После чего он перемещается в ядро, что приводит к активации его целевых генов, участвующих в лизосомном биогенезе и аутофагии.

Окислительный стресс и стресс эндоплазматического ретикулума из-за накопления неправильно свернутых белков также вызывает активацию и перемещение TFEB в ядро. Где он, в свою очередь, усиливает экспрессию генов, связанных с лизосомами и аутофагией, для противодействия пагубным эффектам  стрессов.

А в случае тяжелого и длительного стресса TFEB также может повышать экспрессию апоптотических генов, убивая клетку.    

Логика TFEB такая: давайте попробуем всё исправить, если не получится — убьём.

При дисфункции митохондрий тоже происходит активация TFEB. Белки семейства TFEB выступают ключевыми регуляторами биогенеза митохондрий (процесса, в ходе которого поврежденные митохондрии удаляются и заменяются новыми).

Здесь действие TFEB связано с другим известным регулятором биогенеза митохондрий — PGC-1α. 

TFEB и его родственный белок, TFE3, также активируются в ответ на генотоксический стресс через p53- и mTORC1-зависимый механизм. Что приводит к остановке клеточного цикла или апоптозу в зависимости от степени тяжести повреждения ДНК.

Также описана важная роль TFEB в антибактериальном и противовирусном ответе организма. Причем некоторые из патогенов, такие как Mycobacterium tuberculosis, целенаправленно подавляют экспрессию TFEB и его генов-мишеней, активируя прерывающие трансляцию белка микроРНК.    

ВИЧ также научился подавлять TFEB, фосфорилируя его.

В целом, можно сказать, что белки семейства MiT / TFE в общем и TFEB в частности выступают как чуствительные сенсоры, ответственные за транскрипционные перестройки,  позволяющие клеткам адаптироваться к внутренним и внешним стрессам.

Короче, сам бог велел такому гену быть связанным со старением.

В 2013 году это стало очевидно [4]: M. Hansen с коллегами первыми показали непосредственное участие родственного TFEB гена у нематоды (ортолога), HLH-30, в регуляции долголетия. Они выяснили, что у червей-мутантов с увеличенной продолжительностью жизни (модифицированных по tor, eat-2, daf-2, clk, rsks-1 и glp -1 — генам-королям продления жизни) активирован и HLH-30.

Сверхэкспрессия у червей HLH-30 продлевала им жизнь на 20% по сравнению с контролем.

Также эта  команда зафиксировала повышенный уровень белка TFEB у мышей с ограничением калорий по сравнению с контролем.

В работе 2020 года R. Houtkooper с коллегами продемонстрировали, что уменьшение митохондриальной трансляции с помощью РНК-интерференции, нацеленной на митохондриальный рибосомный белок S5 (mrps-5) у C. elegans увеличивает продолжительность жизни. Происходило это за счет активации митохондриального ответа на неправильно свернутые белки (UPR MT) и фрагментации митохондриальной сети.

Характерно, что увеличение срока жизни у таких червей зависело от активности HLH-30: его нокдаун отменял продление жизни [5].

В ещё одной работе учеными было показано, что ингибирование механизма ядерного экспорта усиливает активность HLH-30 и аутофагию, способствуя увеличению продолжительности жизни C. еlegans и дрозофил [6].

Кроме того, повышенная HLH-30-опосредованная аутофагия делала червей более устойчивыми к термическому и протеотоксическому стрессу [7].

Наконец, C. Riedel с коллегами в своей работе показали [8], что ортолог TFEВ, HLH-30, влияет на продолжительность жизни  совместно с ещё одним известным по его влиянию на долголетие фактором транскрипции DAF-16 / FOXO. Вместе с ним способствуя стрессоустойчивости и увеличению срока жизни.

Ну и как в случае с предыдущим геном CISD2 [9], TFEВ также имеет двойную роль в онкогенезе. Он может как активировать проапоптотические процессы в ответ на повреждение ДНК совместно с белком-онкосупрессором p53, так и своей сверхэкспрессией в раковых клетках способствовать их выживанию [10, 11, 12].

Картина такая. Действие TFEB сильно зависит от стадии и типа клеток: в здоровом организме TFEВ будет защищать от перерождения тканей, а при патологии — защищать переродившиеся клетки.

Аутофагия здесь может играть вредную роль. Вот как пишут: «Лизосомная аутофагия способствует выживанию рака за счет разложения токсичных молекул и поддержания адекватного поступления питательных веществ.

Нокдаун TFEB снижает жизнеспособность опухолевых клеток при одновременном увеличении апоптоза, зависимого от каспазы-3».

При этом, сверхэкспресссия его в макрофагах — полезна для очистки мутировавших клеток. Опухолевое прогрессирование рака молочной железы может быть подавлено сверхэкспрессией TFEB, специфичной для макрофагов, за счет повышения функционального статуса иммунных клеток в микроокружении опухоли.

То есть в одних клетках при раке надо TFEB активировать, а в других — подавлять.

Почему TFEB не активирует самоуничтожение раковых клеток, если он умеет? Скорее всего, он не видит большого числа поломок в ДНК.

Как сделать, чтобы TFEB осознал, что он находится в раковой клетке? Я не знаю. Может, что-то может имитировать поломку ДНК, привязавшись к другому онкогену. Ну это уже наш с вами домысел.

Комментарии

Комментарии 0

    Вам также может быть интересно