Наша концепция: мы верим, что процесс старения - это эпигенетическая программа, выработанная в процессе эволюции. Когда мы молоды и растем, определенные гены включаются и выключаются, идеально выбирая нужный для этого момент, чтобы должным образом росли и развивались кости, мышцы и органы. На склоне лет эта программа продолжает работать: медленно, но непрерывно. Включаются гены, которые разрушают нас за счет воспаления, старения клеток, аутоиммунности и запрограммированной гибели клеток, в то время как системы, защищающие нас от патогенов и свободных радикалов, постепенно прекращают свою работу. Эволюция никому не дает шанса.
Первые идеи были предложены Авивом Джонсоном (Aviv Johnson) в его работе по метилированию, однако более десятилетия назад подобное было высказано Джеффом Баулзом (Jeff Bowles). Вскоре данная сфера стала популярной благодаря исследованиям специалистов по биостатистике. Так, с помощью компьютерных технологий Стив Хорват (Steve Horvath) подвергнул анализу тысячи генов и их экспрессию у молодых и пожилых людей, и разработал «эпигенетические часы», способные точно определить возраст человека, используя измерения метилирования 353 сайтов ДНК.
Предпосылки
Эпигенетика - это новый раздел научного знания, сформировавшийся в XXI веке. Все клетки одного организма имеют одну ДНК (почти), но процесс экспрессии генов происходит по-разному, в результате чего они преобразуются в разные ткани в разное время, что и контролирует метаболизм тела. Фактически лишь 2% ДНК - это гены, а 98% определяют, как ДНК складывается и скручивается, открывается и закрывается в определенный момент и в определенном месте, что и регулирует экспрессию генов. Люди - это 2% генетики 98% эпигенетики.
Язык под названием «генетический код» определяет, каким образом гены транслируются в белки. Он был дешифрован Фрэнсисом Криком (Francis Crick) и другими в 1950-х гг. Есть и другой язык - «эпигенетический код», определяющий экспрессию генов. Он еще не был расшифрован, ученые только начинают понимать его запутанный и самореферентный синтаксис. Эпигенетический код начинается с сигналов, встроенных в ДНК, служащих как старт-кодоны (инициаторные кодоны) и стоп-кодоны (кодоны терминации). Участок ДНК, расположенный между ними, заключает в себе часть гена, который транскрибируется с хромосомы, а затем расплетается и соединяется, образуя функциональные РНК и белки. Сложная часть эпигенетического кода представлена как комбинация метильной и ацетильной групп. Они являются химической отделкой, прикрепленной к ДНК и гистонам - своеобразным узлам, вокруг которых накручивается ДНК в ядре клетки для безопасного хранения.
Метильные и ацетильные группы беспрерывно присоединяются и отсоединяются согласно правилам, исходящим из клетки, и другим правилам, передающимся через кровь. Именно метильные и ацетильные группы определяют то, каким образом сворачивается и скручивается ДНК, что эффективно включает и выключает определенные гены, если это необходимо. На данный момент лучше всего известна часть эпигенетического кода, называемая «метилирования CpG-островов». Длинная последовательность ДНК имеет ЦГЦГЦГЦГ… на одной цепи, комплементарной ГЦГЦГЦГЦ… на другой цепи. Часто у цитозина в данной области есть дополнительная метильная группа, превращающая его в 5-метилцитозин. Затем от данного участка поступает сигнал НЕ экспрессировать соседний ген.
Метилирование ДНК может быть долгосрочным, когда ген отключается на десятилетия единовременно. Когда клетка делится, а ДНК редуплицируется, паттерн метилирования может воспроизводиться вместе с ней. Это объясняет долгосрочность эпигенетики и то, каким образом экспрессия генов может быть унаследована через поколения.
Метилирование ДНК интересует ученых уже 30 лет, но два последних исследования сделали эту тему привлекательной и доступной для изучения. (1) В настоящее время существует простой лабораторный/компьютерный способ считывания паттерна метилирования с ДНК. Он осуществляется благодаря автоматизированному прибору для ПЦР-диагностики, способному секвенировать полный геном до и после химических изменений метилированного цитозина. (2) Существует также простой лабораторный/компьютерный способ изменения состояния метилирования любого выбранного сайта в ДНК. Этот процесс основан на технологии CRISPR (коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами), завоевавшей генетические лаборатории в последние два года.
Эпигенетика и процесс старения
Три года назад Стив Хорват показал, что существуют специфические паттерны метилирования, связанные с определенным возрастом организма. Не просто свежие ясные паттерны молодых экспрессий генов становятся нарушенными и более произвольными с возрастом, хотя такое тоже случается. Доказано, что некоторые активированные в молодости гены деактивируются, когда организм стареет. Кроме того, другие гены, подавляемые в молодости, активируются в пожилом возрасте. В работе Стива Хорвата говорится: «Покажите мне паттерн метилирования клеток человека, и я скажу Вам его возраст»».
Является ли эпигенетика причиной или результатом старения?
Взаимосвязь процесса старения и эпигенетического состояния находится вне сомнений. Но что же это значит? Это большой вопрос. Большинство исследователей верят, что организм запрограммирован эволюцией быть настолько крепким и здоровым, насколько возможно. Так что, когда разные гены экспрессируются в пожилом возрасте, считается естественным, что организм защищает себя в ответ на вред, нанесенный ему за прожитые годы. В пожилом возрасте гены экспрессируются по-другому, потому что на склоне лет просто нужны другие гены. Таковым было господствующее мнение на первой конференции.
Другая интерпретация ближе тем исследователям, которые работают преимущественно в сфере эпигенетики. Она состоит в том, что эпигенетические изменения, возникающие с возрастом, являются способом саморазрушения. Организм запрограммирован на смерть, а план самоубийства заключается в транскрибировании неисправной комбинации генов. Эта идея несколько противоречит традиционной теории эволюции. (Как естественный отбор смог предпочесть геном, который разрушает сам себя и прекращает собственную репродукцию?) Тем не менее доказательства подтверждают гипотезу. Активированные гены не защищают организм, а совсем наоборот. Гены, отвечающие за воспаление, настраиваются. Гены, защищающие организм от свободных радикалов, испытывают перебои в работе. Скорость обновления клеточной популяции снижается. Репарация ДНК выключается. Механизмы запрограммированной клеточной гибели (апоптоз) усиливают свою деятельность в здоровых клетках и ослабляют ее в пораженных клетках, несущих угрозу всему организму, например, в зараженных или раковых клетках.
Как определить, кто прав?
С одной стороны, существующие на данный момент свидетельства указывают на то, что старение вызвано эпигенетическими изменениями, нежели чем-либо иным. Когда мы наблюдаем за происходящими изменениями, кажется, что они только подливают масло в огонь, а не извлекают его. Другим свидетельством являются эксперименты по парабиозу. Три исследовательские группы (из Гарварда, Стэнфорда и Беркли) выявили, что введение плазмы крови молодых мышей старым особям делает старых мышей здоровее, а также облегчает некоторые проблемы, связанные со старением. В плазме крови не содержатся клетки, а только сигнальные молекулы, являющиеся продуктом экспрессии генов. Это является весомым доказательством в пользу того, что экспрессия генов у молодых поддерживает здоровый и крепкий организм, а экспрессия генов, происходящая в пожилом возрасте, не делает организму ничего хорошего.
Отличным опытом был бы тот, когда у старых мышей перепрограммировали бы экспрессию генов и понаблюдали, есть ли омолаживающий эффект.
Что мы можем предложить?
На данный момент над проектом GILGA-mesh работают преимущественно энтузиасты в области биоинформатики. Огромные базы данных экспрессии генов сортируют, чтобы отобрать эпигенетических генов-кандидатов, которые могут иметь положительный результат. Так, вероятно, необходимо сотрудничество с биохимиками, понимающими цепи сигнализации в организме и способными задать дальнейшие пути исследований молекул «уменьшения» и «увеличения» (т.е регуляции производства чего-либо, контролируемой сигнальными молекулами). Предложенный план действий:
- Повторить анализ Стива Хорвата на мышах. Другими словами, установить несколько сотен мест, где метилирование протекает по-разному у молодых и старых особей.
- Определить, какие гены связаны с этими регионами. Необходимая для этого карта к тому моменту будет уже доступна.
- После изучения набора генов идентифицировать факторы, влияющие на транскрипцию.
- Начать опыты со старыми мышами. Использовать технологию CRISPR, чтобы изменить состояние метилирования в части промоторных областей, контролирующих факторы транскрипции, чтобы они соответствовали состоянию метилирования молодых особей.
- Наблюдать за метаболическими функциями, чтобы установить, стали ли старые мыши более крепкими и здоровыми после данных манипуляций. Необходимо обратить особенно пристальное внимание на изменения в воспалении, склонности к развитию рака и продолжительности жизни.
Если эксперименты покажут положительные результаты, можно будет начать испытания на человеке.
Как организм распознает, насколько он стар?
Существует ли центральный таймер, диктующий эпигенетической экспрессии организма и тем самым определяющий наш биологический возраст? По логике вещей, телу были бы необходимы чрезвычайно точные часы, чтобы засекать этапы его роста и развития. Эволюции нравится многократно использовать части, ей же созданные, так что не было бы удивительно, если часы, связанные с развитием, трансформировались бы в таймер старения.
Есть две возможности. Во-первых, может существовать некоторый хронометр, возможно, в нейроэндокринных областях мозга, контролирующих процессы развития и старения. Этот вариант подтверждается работами Каспера Дэниела Хансена (Kasper Daniel Hansen) и Клавдии Кавадас (Claudia Cavadas). Однако есть вероятность, что экспрессия сама по себе является некоторым подобием часов, рассеянных по всему организму. Экспрессия генов, происходящая сегодня, содержит в себе факторы транскрипции, контролирующие экспрессию генов завтра. Таким образом, эпигенетическое состояние может быть цепью обратной связи или автономными часами. Оно также может стать целью в программе омоложения, но менее доступной, так как с ней труднее справиться.
Дополнительные сведения
Стоит отметить тех людей, которые работают над проектом GILGA-mesh и предложенным планом, в частности. Так, например, Калеб Финч (Caleb Finch) - один из самых известных людей в данной сфере, в 1990г. создавший «Энциклопедию старения» и продолжающий работать над проблемой и поныне.
От Финча мы узнали, что инфекции, перенесенные в детстве или даже в утробе матери, существенно влияют на возникновение болезней в старости, десятилетиями после самого заражения. Свидетельством является повышенная частота заболеваний сердечно-сосудистой системы у группы людей, родившихся сразу после эпидемии гриппа в 1918г.
Известно, что загрязнение воздуха, особенно взвешенные частицы, присутствующие в нем, связывают с увеличенным риском развития слабоумия. Врачебная ошибка занимает 3 место в списке причин смертности в США, отвечая примерно за 10% всех смертей, как и у курения.
