Что происходит при химическом омоложении клеток

На этой неделе PCR.NEWS опубликовал сообщение о химическом репрограммировании клеток для противодействия клеточному старению. Той же теме посвящена статья, которую опубликовали в виде препринта сотрудники лаборатории Вадима Гладышева в Гарвардской медицинской школе, соавторы предыдущей работы под руководством Дэвида Синклера. Они исследовали механизмы этого явления.

Частичное химическое репрограммирование — это обработка клеток химическими веществами, которые противодействуют клеточному старению, но в то же время не переводят клетки в плюрипотентное состояние. Ученые исследовали частичное химическое репрограммирование, используя «мультиомиксный» подход, то есть анализируя эпигеном, транскриптом, протеом и метаболом клеток.

Исходным материалом стали фибробласты, полученные от старых (20 месяцев) и молодых (4 месяца) мышей. Для обработки клеточных культур использовали два коктейля низкомолекулярных веществ: 7с — из семи компонентов (репсокс, транс-2-фенилциклопропиламин, DZNep, TTNPB, CHIR99021, форсколин и вальпроевая кислота) и 2с — из двух компонентов (репсокс и транс-2-фенилциклопропиламин).

После шести дней обработки клеток коктейлями 7с и 2с в клетках активизировалась работа митохондрий. Исследователи измеряли митохондриальный мембранный потенциал, который падает с возрастом. Флуоресцентный метод показал его увеличение в старых фибробластах под действием 7с и 2с коктейлей, что говорит о восстановлении митохондриальных энергетических свойств. Кроме того, химическое репрограммирование привело к увеличению массы митохондрий и к активации комплекса митохондриального окислительного фосфорилирования (OXPHOS).

Влияние репрограммирования на экспрессию генов исследовали с помощью секвекнирования РНК в старых и молодых фибробластах. Под действием коктейлей 7с и 2с изменилась экспрессия большего количества генов, чем меняется с возрастом. Для клеток, обработанных 7с, отметили значительное снижение доли альтернативного сплайсинга, повреждающего белки (еще один признак клеточног старения). В целом изменения экспрессии генов, вызванные обработкой, были противоположны возрастным. Изменения протеома коррелировали с изменениями экспрессии генов, при этом эффект коктейля 7с оказался значительно более выраженным.

Старение сопровождается активацией биохимических путей, вовлеченных в воспаление, апоптоз и р53 сигнальные пути, и ослаблением генов энергетического метаболизма и репарации ДНК. Компенсировать эти изменения удается с помощью факторов Яманаки. Обработка клеток 2с и 7с коктейлями тоже оказалась эффективной, она привела к усилению OXPHOS и TCA циклов, метаболизму жирных кислот и митохондриальной трансляции, ослаблению интерферонового сигнального пути. Гены и белки, ассоциированные с сигнальным путем р53, также усиливались под действием обоих коктейлей. Частичное химическое репрограммирование повлияло на количество белков, вовлеченных в клеточную дифференцировку и организацию внеклеточного матрикса. Анализ метаболитов показал, что из 203 метаболитов 109 были значительно изменены, причем коктейль 7с опять-таки вызывал более сильный эффект, чем 2с.

В старых клетках фосфорилирование белков, вовлеченных в клеточную миграцию и пролиферацию, снижается, а белков, вовлеченных в метаболизм жирных кислот, ионный транспорт, мышечное сокращение — увеличивается. Оба молекулярных коктейля нормализовали фосфорилирование митохондриальных белков, а 2с — фосфорилирование белков, вовлеченных в липозис и сокращение мышц.

Наконец, ученые определили биологический возраст фибробластов, используя метод транскриптомных часов. Обработка 7с значительно снижала транскриптомный возраст всех клеток, в то время как 2с оказывает лишь минимальный эффект на молодые фибробласты. Эпигенетический возраст, определяемый по степени метилирования ДНК, значительно снижался обработкой 7с как у старых, так и у молодых клеток, в то время как эффект 2с был слабее и менее стабильным.

Итак, частичное химическое репрограммирование с помощью коктейля 7с омолаживает фибробласты, изолированные как от старых, так и от молодых мышей. Это воздействие компенсирует возрастные сдвиги в экспрессии генов, обращает вспять молекулярные повреждения, связанные с возрастом, включая накопление возрастных метаболитов и нарушение сплайсинга. Можно предположить, что наиболее вероятный механизм частичного химического репрограммирования связан с усилением митохондриального окислительного фосфорилирования.

Таким образом, и в этой работе получены доказательства, что частичное репрограммирование с помощью малых молекул можно рассматривать как альтернативу воздействию факторов Яманаки для обращения старения клеток. Конечно, нужны исследования на животных, чтобы проверить, будет ли этот способ эффективен in vivo.

Вадим Гладышев ответил на вопросы PCR.news.

Как вы подбирали состав молекулярных коктейлей? По какому принципу отбирали вещества?

Мы брали те коктейли, которые использовались до этого для полного репрограммирования. Просто применили их для частичного репрограммирования и сделали много молекулярных анализов, чтобы понять, что происходит.

Но если так, получается, что одни и те же вещества приводят как к полному репрограммированию, так и к частичному? Как вы в таком случае избегали превращения клеток в плюрипотентные?

В нашем случае обработка продолжалась короткое время. То же самое происходит и в случае факторов Яманаки — коротким воздействием можно частично репрограммировать клетки, а если делать это дольше, будет полное репрограммирование, в плюрипотентные клетки.

Как вы видите потенциальное применение полученных результатов в медицине? Прежде всего в регенеративной?

Пока об этом рано говорить. Мы не знаем, как поведут себя эти соединения в животных.