Долголетие вида и долголетие особей внутри вида могут достигаться по-разному

Международная группа исследователей провела секвенирование РНК из нескольких тканей у 41 вида млекопитающих, чтобы выявить признаки, связанные со старением и долголетием, — как у долгоживущих видов по сравнению с короткоживущими, так и у мышей-долгожителей по сравнению с обычными особями того же вида. В работе участвовали Вадим Гладышев (Гарвардская медицинская школа, Центр редокс-медицины в Бригам-энд-Уимен, США) и Александр Тышковский (Гарвардская медицинская школа, США; НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Москва).

Более крупные виды млекопитающих, как правило, живут дольше. Белозубка-малютка Suncus etruscus весит 1,8 г, а максимальная продолжительность ее жизни 3,2 г, тогда как гренландский кит весом 100 тонн может прожить более 200 лет. Но из этого правила есть исключения: голый землекоп размером с мышь доживает до 40 лет; летучая мышь ночница Брандта (Myotis brandtii), живет 20 лет при массе тела 5–10 г, да и Homo sapiens живет дольше, чем другие человекообразные обезьяны похожего размера. Внутривидовая продолжительность жизни тоже варьирует. Известны десятки воздействий, способных продлить жизнь мыши: нокаут рецептора гормона роста, рапамицин, низкокалорийные диеты. Однако внутривидовая продолжительность жизни обычно отрицательно коррелирует с размером — дольше живут мелкие особи, что показано, например, на различных породах собак и на мышах. Уже это подсказывает, что механизмы контроля продолжительности жизни могут быть разнообразными.

Авторы этой работы ранее охарактеризовали сигнатуры экспрессии генов, связанные с различными воздействиями на продолжительность жизни мышей. Но возникают следующие вопросы: факторы, продлевающие жизнь мыши, задействуют те же механизмы, которые работают у голого землекопа или кита? И как сигнатуры долголетия связаны с возрастом — у долгожителей экспрессия генов «как у молодых», или это не совсем так?

Чтобы ответить на эти вопросы, в новой работе авторы проанализировали данные генной экспрессии у 41 вида млекопитающих, включая долгоживущих — таких как голый землекоп, ночница Бранда, гренландский кит и человек. Всего исследовали 371 образец от взрослых молодых особей, полученный из головного мозга, почек, печени, мозжечка, сердца и семенников. С помощью этих данных авторы выявили транскриптомные сигнатуры, ассоциированные с максимальной продолжительностью жизни животных. В частности, для долгоживущих видов характерны повышенная экспрессия генов, участвующих в трансляции (например, Rpl28, ген белка большой субъединицы рибосомы) и репарации ДНК (например, Mpg, кодирующий N-метилпурин-ДНК-гликозилазу), а также подавление экспрессии генов, участвующих в энергетическом метаболизме, сигнальном пути инсулина и убиквитин-опосредованном протеолизе.

Как изменяются паттерны экспрессии генов у стареющей особи? Для определения транскриптомных биомаркеров старения млекопитающих авторы провели метаанализ 92 общедоступных наборов данных для трех видов — мыши, крысы и человека. В целом, возрастные изменения генной экспрессии оказались схожими в различных органах и у различных видов. Среди универсальных сигнатур старения авторы выявили гены Vsig4 и Nrep: активность первого с возрастом повышается в различных тканях и видах, второго — понижается. Ген Vsig4 кодирует белок контрольной точки иммунитета, экспрессия которого у людей коррелирует с прогрессированием рака и некоторых воспалительных заболеваний. Подавление экспрессии Nrep приводит к дефектам обучения и памяти, аномалиям артериального давления и ожирению.

Анализ обогащения по функциональной принадлежности (GSEA) выявил ряд общих механизмов старения для органов и видов, в том числе активацию путей, связанных с образованием молекулярных повреждений: биосинтеза активных форм кислорода, воспаления, а также старческого секреторного фенотипа SASP (англ. Senescence associated secretory pheonype). Экспрессия генов, участвующих в энергетическом метаболизме и митохондриальной трансляции, с возрастом значительно снижалась.

Для паттернов экспрессии генов у долгоживущих мышей — моделей индивидуального долголетия, которые находились на диете с ограничением калорий, получали рапамицин или имели некоторые мутации, — ожидаемо обнаружилась отрицательная корреляция с биомаркерами старения. Но интересно, что биомаркеры долгоживущих видов млекопитающих оказались положительно скоррелированы с сигнатурами старения. По-видимому, это означает, что не все возрастные изменения в организме вредны; это подтверждается и другими работами авторов. А вот межвидовые и внутривидовые транскриптомные паттерны долголетия не показали сильной корреляции: в чем-то они были сходны, а в чем-то различны.

Среди генов, которые регулируются сходным образом у долгоживущих видов и у мышей-долгожителей, авторы упоминают хорошо известный Igf1, ген инсулиноподобного фактора роста 1.Снижение экспрессии Igf1 в различных тканях оказалось универсальным биомаркером старения и долголетия, как и повышение экспрессии Lgals1, гена галектина-1, который регулирует пролиферацию клеток, обладает противовоспалительной и проангиогенной активностью и способствуют выздоровлению после сердечно-сосудистых заболеваний.

В результате авторы получили обширный список биомаркеров долголетия и старения, общих и различных для разных видов, а также определили метаболические пути, связанные с долголетием. В число последних вошли, например, метаболизм мочевой кислоты, метионина и NAD⁺. Интересно, что и здесь обнаружились различия между механизмами долголетия на межвидовом и внутривидовом уровне. Так, концентрация мочевой кислоты положительно коррелировала с продолжительностью жизни вида, в то же время ее уровень был понижен у мышей-долгожителей. В свою очередь, вмешательства, продлевающие жизнь у мышей, активировали метаболизм метиониниа и биосинтез NAD⁺, в то время как у долгоживущих видов млекопитающих таких эффектов не наблюдалось.

В числе ключевых клеточных процессов, регулирующих долголетие, оказался синтез белка в митохондриях, который подавлялся с возрастом, но активировался как у долгоживущих мышей, так и у долгоживущих видов млекопитающих. Энергетический обмен, включая цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование, снижался с возрастом и у долгоживущих видов, но повышался у мышей-долгожителей. С другой стороны, некоторые механизмы врожденного иммунитета, в том числе каскады комплемента и коагуляции и передачу сигналов фактора некроза опухоли (TNF), активировались у старых животных и долгоживущих видов, но не у мышей-долгожителей. Аналогичную закономерность показал Rela, компонент комплекса NF-κB, ключевого регулятора воспаления и апоптоза: его активность повышается в ходе старения и снижается в ответ на воздействия, продлевающие жизнь у мышей, однако у долгоживущих видов млекопитающих этот ген не подавляется.

Эти результаты позволяют сделать следующий вывод: в то время, как некоторые молекулярные механизмы долголетия являются универсальными для голого землекопа и мыши с нокаутом гена гормона роста, другие имеют принципиальные различия. Авторы предположили, что молекулярные сигнатуры, свойственные мышам-долгожителям, но не долгоживущим видам млекопитающих, такие как ингибирование каскада комплемента и пути NF-κB, отражают низкоэффективные способы продления жизни, регулирующие ответ организма на уже накопленные с возрастом повреждения. Снижение воспалительных реакций может быть полезным для пожилого организма, так как в этом возрасте хроническое воспаление само является источником повреждений, однако сильный иммунный ответ в начале жизни может, напротив, замедлить старение, в том числе обеспечивая лучшую защиту от инфекции и возникновения раковых клеток. В то же время общие биомаркеры долголетия — усиление митохондриальной функции, подавление экспресии Igf1, — скорее могут оказаться фундаментальными механизмами, предотвращающими накопление первичных возрастных повреждений.

Авторы проверили эту гипотезу в эксперименте на клетках: они подвергли фибробласты короткоживущих и долгоживущих видов окислительному стрессу и сравнили защитные эффекты нескольких химических соединений, улучшающих выживаемость мышиных клеток. В соответствии с гипотезой, оказалось, что ингибитор NF-κB был более эффективным для клеток короткоживущих видов, чем долгоживущих, в то время как ингибитор передачи сигналов PI3K/Akt (путь, связанный с рецептором Igf1) и активатор генов митохондриальной трансляции обеспечивали сходную выживаемость клеткам как короткоживущих, так и долгоживущих видов.

Интересны также результаты анализа эволюционных особенностей генов-биомаркеров долголетия. Оказалось, что сигнатуры долгоживущих видов обогащены эволюционно древними и консервативными генами, участвующими в протеолизе, цитокиновом сигналинге и передаче сигналов PI3K-Akt. Сигнатуры вмешательств, увеличивающих продолжительность жизни у мышей, напротив, включали эволюционно более молодые и толерантные к мутациям гены, связанные с энергетическим метаболизмом.

Наконец, авторы использовали обнаруженные транскриптомные сигнатуры долголетия для предсказания новых воздействий, увеличивающих продолжительность жизни млекопитающих. Эту часть работы прокомментировал для PCR.NEWS Александр Тышковский.

— В ходе первичного скрининга химических соединений из базы данных CMAP мы выявили несколько перспективных лекарств, вызывающих в клетках изменения генной экспрессии, ассоциированные с долголетием. Многие из них также проявили положительные эффекты в органах после месячного применения на мышах. Одним из наиболее перспективных соединений, демонстрирующих положительную корреляцию с сигнатурами долголетия как долгоживущих мышей, так и долгоживущих видов млекопитающих, оказался ингибитор mTOR KU0063794. Применив это лекарство на пожилых мышах линии C57BL/6, мы обнаружили, что оно действительно смогло существенно продлить жизнь и улучшить двигательную активность животных. Таким образом, транскриптомные биомаркеры долголетия могут применяться для ускоренного скрининга новых воздействий, направленных на улучшение здоровья и увеличение продолжительности жизни млекопитающих.

Александр Тышковский: «Государственные регуляторы идут к тому, чтобы признать старение заболеванием»