Секрет долголетия гигантской черепахи

Гигантская черепаха по имени Джонатан считается самым старым наземным животным — его возраст оценивается в 194 года. Этот самец альдабрской черепахи (Aldabrachelys gigantea) вылупился предположительно в 1832 году и уже больше ста лет обитает на острове Святой Елены. Авторы исследования, опубликованного в Science Advances, выявили у Джонатана 287 уникальных генных вариантов, которые влияют на большинство связанных со старением процессов. Исследователи считают, что секрет его долголетия кроется не только в генетических вариантах, но и в отсутствии характерного для старения повреждения генома. 

Чтобы определить молекулярные механизмы, лежащие в основе долголетия Джонатана, ученые секвенировали его геном и метилом. Из-за опасений за здоровье Джонатана и его особого статуса на острове Святой Елены кровь у черепахи не брали. Вместо этого авторы собрали мазки со слизистой оболочки щеки и образцы слюны. Из них выделили геномную ДНК и секвенировали ее на платформе Illumina. Для получения референсного генома ученые собрали кровь у более молодой черепахи по имени Танк, ДНК которой секвенировали с использованием длинных прочтений PacBio HiFi.

Гены Джонатана проанализировали на предмет признаков положительного отбора — о нем свидетельствует соотношение частот несинонимичных и синонимичных замен (dN/dN) больше единицы. Для сравнения использовали данные о других видах с разной продолжительностью жизни. Всего ученые выявили 770 генов, значимо подвергавшихся положительному отбору. Среди них — гены, участвующие в процессах репарации ДНК, регуляции инсулинового сигналинга, функционировании митохондрий и поддержании функции теломер. Также следы положительного отбора нашли в гене HAS2, кодирующем гиалуронансинтазу 2. У голых землекопов он участвует в избыточной секреции гиалуроновой кислоты, а трансгенные мыши с его оверэкспрессией отличаются устойчивостью к раку и большой продолжительностью жизни. 

Анализ генной онтологии и сети функциональных взаимодействий этих же 770 генов подтвердил их связь со старением, в том числе репарацией ДНК, функцией митохондрий, ответом на окислительный стресс, регуляцией инсулинового сигналинга. 

Затем авторы сравнили однонуклеотидные варианты в геноме Джонатана и еще одной черепахи — Одинокого Джорджа. Он считался единственным представителем другого вида (по иным источникам, подвида) галапагосских черепах и прожил более ста лет, в предыдущих исследованиях были аннотированы 2 629 его генов, связанных с долголетием. Ученые выявили 13 общих несинонимичных вариантов, в том числе в генах, связанных с репарацией ДНК, функцией теломер, регуляцией уровня глюкозы и инсулина. Два из этих вариантов подверглись у Джонатана действию положительного отбора.

В ходе предыдущих исследований было выявлено 11 специфичных для черепах семейств генов с увеличенным числом копий. У Джонатана обнаружилось увеличение числа копий в девяти из них, в том числе LAMTOR4 — он кодирует компонент комплекса, регулирующего mTORC1, уже известного ключевого фактора долголетия. Также у обоих черепах-долгожителей был дуплицирован ген VCP, который участвует в ответе на повреждение ДНК и привлекает TP53BP1 (белок 1, связывающийся с p53) к двунитевым разрывам. 

Метиломный анализ проводили методом полногеномного бисульфитного секвенирования. Ученые проанализировали ДНК Джонатана и четырех других представителей его вида — пятилетней молодой особи, двенадцатилетней и двух взрослых самцов, которых звали Тока и Пока. 

Общий уровень метилирования ДНК у Джонатана был снижен по сравнению с пятилетней особью. Это согласуется с данными, полученными на человеке — у долгожителей уровень метилирования ниже, чем у новорожденных. При сравнении метиломов этих двух черепах авторы выявили 67 тысяч дифференциально метилированных областей, из которых 90% характеризовались гипометилированием у Джонатана. Как гипо-, так и гиперметилированные участки находились в основном в межгенных областях или интронах, а на промоторы и экзоны приходилось лишь 5%. 

Ученые предположили, что промоторы, отличающиеся низким метилированием у Джонатана и молодых черепах и более высоким у Токи и Поки, могут быть связаны с долголетием. Всего они выявили 272 таких промотора. Почти 30% из них были связаны с признаками старения. Одна из категорий включала митохондриальные процессы, в том числе работу комплексов IV и I электронтранспортной цепи, формирование крист и митофагию. Другие гены были связаны с процессингом и сплайсингом РНК, трансляцией и репарацией генома. 

На основе полученных данных авторы предложили модель старения Джонатана. Они предположили наличие положительной обратной связи, в которой соматические CpG-мутации определяют общее снижение метилирования с возрастом. Гипометилирование стабилизирует области, в которых локализованы наиболее важные гены. В свою очередь, такая особенность повышает эффективность репарации и работы митохондрий, в том числе способствует защите от окислительного стресса и выработке АТФ. Все это замедляет молекулярные процессы, характерные для старения. Иными словами, секрет долголетия Джонатана может заключаться в поддержании низкой энтропии ключевых областей генома. 

Предложенная авторами статьи модель объясняет причину возможного долголетия Джонатана (подробности в тексте выше).
Credit:
Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.adw8887 | CC BY-NC

Авторы отмечают, что имеющихся данных недостаточно для обоснования прямой причинно-следственной связи — для того, чтобы ее подтвердить, понадобятся дополнительные исследования с использованием образцов крови, которые в том числе обеспечат более глубокий анализ метилирования. 

Долгоживущие летучие мыши предпочитают уничтожить поврежденные клетки, а не чинить