Клеточное старение можно обратить вспять с помощью коктейля из малых молекул

Старение клеток включает множество признаков, в том числе морфологические изменения, укорочение теломер, дисфункцию митохондрий, изменения архитектуры хроматина, образование веществ, способствующих воспалению. Эти изменения могут быть связаны с потерей эпигенетической информации. Специалисты Гарвардской медицинской школы и их коллеги в статье, опубликованной в журнале Aging, называют геном цифровой системой записи информации, а эпигенетическую систему, не затрагивающую последовательность ДНК, цифрово-аналоговой. Последняя менее стабильна и подвержена влиянию внешних факторов. Потеря этой информации вызывает постепенное угасание функций клеток и тканей и как следствие, возрастные заболевания.

Авторы статьи представили свой метод, позволяющий повернуть вспять клеточное старение. Транскрипционные факторы, известные как факторы Яманаки или OSKM, способны репрограммировать клетку взрослого организма, вернув ей плюрипотпентное состояние. В некоторых своих предыдущих работах авторы репрограммировали с помощью факторов Яманаки клетки in vivo — в организме, а не в культуре, причем экспрессировали только три из четырех факторов — OCT4, SOX2 и KLF4 (OSK), исключив онкоген c-MYC. Воздействие OSK обращало вспять клеточное старение на культурах клеток разных тканей — восстанавливало в старых клетках молодой паттерн генной экспрессии, эпигенетический возраст и молодой уровень клеточных функций. Экспрессия OSK в глазном нерве улучшала зрение у старых мышей, страдающих глаукомой; аналогичным образом репрограммировали и многие другие ткани без возникновения рака. Более того, есть работа, опубликованная в виде препринта, в которой сообщается, что экспрессия OSK в организме пожилых мышей значительно продлила их жизнь.

Доставка генов транскрипционных факторов в вирусных векторах или липидных наночастицах имеет серьезные минусы, среди которых высокая стоимость и проблемы с безопасностью. Поэтому альтернатива, основанная на воздействии малых молекул, представляется привлекательной.

Исследователи разработали свой метод для оценки клеточного старения под названием quantitative nucleocytoplasmic compartmentalization (NCC), то есть количественная ядерно-цитоплазматическая компартментализация. Речь идет о том, что в стареющих клетках нарушается проницаемость ядерной мембраны и транспорт веществ между ядром и цитоплазмой; это выражается в утечке ядерных белков в цитоплазму и отсутствии импорта белков в ядро.

Для эксперимента взяли молодые фибробласты (от 22-летнего донора) и старые (от 94-летнего донора). Чтобы наблюдать за ядерно-цитоплазматическим перераспределением белков, их пометили флуоресцентными красителями: зеленым (eGFP) и красным (mCherry). В молодых фибробластах локализация ядерных и цитоплазматических белков не нарушалась, а в старых заметное количество ядерных белков проникало в цитоплазму. Однако если в старые клетки в течение четырех дней вводили факторы OSK, ядерно-цитоплазматическое соотношение белков существенно восстанавливалось.

Кроме того, ученые сравнили транскриптомы молодых и старых клеток. Они нашли 190 генов, которые в старых клетках были гиперэкспрессированы, и 326 генов, которые были недоэкспрессированы по сравнению с молодыми. Воздействие OSK в течение четырех дней нормализовало экспрессию 42% гиперэкспрессированных генов и 65% недоэкспрессированных; в целом почти половина генов вернулись к «молодому» паттерну. Это сопровождалось восстановлением большей части связанных с ними клеточных процессов.

На следующем этапе ученые поставили задачу найти химический метод клеточного омоложения, не связанный с вирусной доставкой, иными словами, подобрать малые молекулы, которые оказывали бы такой же эффект, как и OSK, и омолаживали клетку без потери ее идентичности, то есть не превращая ее в плюрипотетную. Они обратили внимание на молекулы, которые работают на первых стадиях репрограммирования клеток мышей и человека. Среди этих молекул были: вальпроевая кислота — известный ингибитор гистондеацетилазы, который ведет к распространению ацетилированных гистонов по геному; бутират натрия — другой ингибитор гистондеацетилазы, увеличивающий экспрессию генов, ассоциированных с репрограммированием; форсколин — активатор аденилилциклазы, стимулирующий репрограммирование и трансдифференцировку; основной фактор роста фибробластов (bFGF) и другие.

В общей сложности исследователи протестировали 80 коктейлей из низкомолекулярных вешеств и отобрали шесть наиболее эффективных. Для восстановления ядерно-цитоплазматического распределения белков было достаточно добавлять эти вещества к культуре клеток в течение четырех дней. Они же восстанавливали молодой паттерн экспрессии генов, но при этом не наблюдалось экспрессии генов, характерных для плюрипотентных клеток. Наиболее эффективным был коктейль из пяти веществ, который получил обозначение VC6TF.

Возхдействие  молекулярных коктейлей также снижало транскриптомный возраст клеток мыши и человека. Анализ обогащения набора генов (GSEA) указывал на то, что эффект был связан с усилением нескольких сигнальных путей, таких как оксидативное фосфорилирование и митохондриальная трансляция, с ослаблением гипоксии и провоспалительных путей.

Авторы назвали свой метод EPOCH (Epigenetic Programming of Old Cell Health). Согласно предложенной ими гипотезе, в клетке существуют некие механизмы, которые сохраняют «бэкап-копию» ранней эпигенетической информации, а затем заново перезагружают ее, причем восстанавливаются структура хроматина и молодой паттерн генной экспрессии. Гипотезу «перезагрузки» авторы выдвинули еще в январе 2023 года, когда продемонстрировали последствия разрушения эпигенетического паттерна на специально выведенной линии мыши. Трансгенные животные несли ген эндонуклеазы слизевиков, который индуцировался тамоксифеном; разрывы ДНК успешно репарировались, но репарация приводила к изменению эпигенетического ландшафта и быстрому старению животного (см. рисунок); однако экспрессия OSK обращала изменения вспять.

Расшифровка механизма «загрузки бэкапа» могла бы стать прорывом в регенеративной медицине и лечении возрастных заболеваний. А подход к омоложению, основанный на малых молекулах, в перспективе можно рассматривать как альтернативу генной терапии, имеющей множество ограничений.

«До сих пор лучшее, что мы могли сделать, это замедлить старение. Новая работа дает основания надеяться, что мы сможем повернуть его вспять», — говорит руководитель исследования профессор Дэвид Синклер из Гарвардской медицинской школы.