Возрастная нейродегенерация связана с реакцией на мтДНК в цитоплазме

Один из наиболее системных и важных симптомов старения организма — хроническое воспаление, охватывающее все ткани и органы. Новое исследование ученых из Швейцарии, Германии и Нидерландов показало, что большой вклад в стимуляцию этого воспаления вносит реакция сигнального пути cGAS-STING на цитозольную митохондриальную ДНК. В молодых тканях источником ДНК в цитоплазме могут быть внутриклеточные инфекции — вирусные, бактериальные и эукариотические, — а еще банальное повреждение клетки либо ненормальные процессы в ядре, в том числе связанные с раком.

Когда ДНК попадает в цитоплазму, cGAS связывается с ней, активируется и синтезирует циклический динуклеотид ГМФ-АМФ (цГАМФ). Это соединение, в свою очередь, активирует STING, белок мембраны эндоплазматического ретикулума, который запускает каскад реакций, вызывающих воспаление.

Ранее уже была установлена роль пути cGAS-STING в регуляции клеточного старения. Однако оставалось неясным, работают ли те же механизмы на человеческих тканях и в организме. Авторы новой работы демонстрируют эти механизмы как раз в таких условиях.

Сначала эффект ингибирования STING был проверен на человеческих клетках. Из образцов жировой ткани, взятой у пациентов с ожирением (средний возраст 48,7 лет), выделили преадипоциты и культивировали. Обработка клеток веществом H-151, ингибитором STING, снизила количество маркеров воспаления, что подтвердило его перспективность для дальнейших исследований.

Затем ингибитор H-151 вводили внутрибрюшинно мышам дикого типа старше 18 месяцев; наблюдения продолжались до 26 месяцев, что для мыши глубокая старость. H-151 значительно снизил маркеры воспаления в печени, количество макрофагов в жировой ткани, концентрации креатинина и мочевины, а также улучшил показатели выносливости и памяти. Аналогичный эффект наблюдался у гомозиготных мышей с дефицитом STING (Sting1 ^-/-). При этом у мышей, которым вводили агонист STING, DMXAA, экспрессия генов, ассоциированных с воспалением, резко увеличивалась, но была менее выраженной, если затем им вводили H-151.

Далее авторы сосредоточились на старении мозга, так как инициация воспалительных реакций в нем изучена недостаточно. Пониженная активность STING снижала проявление старческих изменений в мозге мышей, например микроглиоз (гибель нейронов с замещением их микроглией); выживаемость нейронов гиппокампа, их концентрация и синаптическая активность были выше.

В мозге стареющих мышей была повышена концентрация цГАМФ, продуцируемой cGAS. Анализ транскриптов обнаружил более 450 генов, чья активность варьировалась в зависимости от присутствия H-151 и возраста. Основной вклад в эти возрастные изменения экспрессии вносит микроглия. Изолированная микроглия проявляла те же самые изменения активности генов.

 Результаты РНК-секвенирования гиппокампа молодых и старых мышей: активность различных генов, участвующих в возрастном воспалении. Наверху образцы старых мышей, в середине — молодых, снизу — старых, обработанных H-151. Credit: Nature, 2023, DOI: 10.1038/s41586-023-06373-1

Чтобы выяснить, способна ли активация пути cGAS–STING сама по себе вызвать возрастные неврологические симптомы, авторы создали генетически модифицированных мышей с аллелем Cgas^R241E, нечувствительным к нуклеосомному подавлению активности cGAS. В норме cGAS благодаря взаимодействию с нуклеосомами неактивен в ядре, где он тоже присутствует. Но мутантный аллель, будучи экспрессированным, взаимодействует с собственной ДНК клетки и производит большие количества цГАМФ. Экспрессия этого аллеля практически исключительно в микроглии и макрофагах мозга активировалась Cre-рекомбиназой при воздействии тамоксифеном. У таких мышей можно было «включать» сигнальный путь, который, согласно предложенной гипотезе, должен вызывать воспаление.

Действительно, стимуляция тамоксифеном вызвала воспалительный ответ как на клетках этих мышей, так и на мышах in vivo. В мозге мышей наблюдалось накопление иммуноактивной микроглии. При применении H-151 вместе с тамоксифеном на мышах этой же линии эффекты были слабее. Кластерный анализ других типов клеток обнаружили, что их транскрипционная активность претерпела схожие изменения. Таким образом воспаление, индуцированное микроглией, охватывает всю нервную ткань.

Электронная микроскопия микроглии выявила деформации митохондрий в стареющих клетках. Путем секвенирования было установлено, что при этом в цитоплазму выходит митохондриальная ДНК (другими источниками ДНК при старении могут быть ретротранспозоны, эндогенные ретровирусы и внехромосомная кольцевая ДНК). Ингибирование олигомеров белка VDAC, ответственных за высвобождение мтДНК, снижало многие маркеры воспаления.

Эти наблюдения поддерживают митохондриальную теорию старения как часть теории воспалительного старения. Теория воспалительного старения («Inflammaging») — одна из живых и актуальных, и согласно ей, при борьбе со старением могут быть фармакологические интервенции в отношении управляющих воспалением механизмов. Возможно, система cGAS–STING станет подходящей мишенью для облегчения симптомов старения, снижения рисков старческих заболеваний или даже продления жизни.

Сероводород в митохондриях улучшает состояние здоровья стареющих нематод