Изучение молекулярно-генетических механизмов старения и стрессоустойчивости организма на модели Drosophila melanogaster

Старение представляет собой процесс постепенного угнетения основных функций организма, в результате которого он утрачивает способность противостоять повреждающим факторам, болезням и травмам. Следовательно, способность организма эффективно отвечать на воздействие физиологических и экологических стрессоров определяет его темпы старения. Молекулярно-генетические механизмы стресс-ответа лежат в основе регуляции продолжительности жизни организма. Их изучение, с одной стороны, проливает свет на природу и закономерности процесса старения, а с другой – создает основу для разработки средств, направленных на продление жизни, адаптацию к ус- ловиям среды и борьбу с возрастными заболеваниями. Дрозофила является наиболее удобным модельным объектом для изучения генов и механизмов, определяющих старение и стрессоустойчивость организма, в первую очередь, благодаря возможности создавать разнообразные линии с заданными изменениями в геноме. С их помощью удалось выявить 71 ген, активация которых обеспечивает долгожительство животных. При этом большинство этих генов имеют гомологи у человека [1].

Одним из механизмов, благоприятно влияющих на долгожительство, является распознавание и репарация повреждений ДНК [2, 3]. Авторами показана геропротекторная роль активации генов

GADD45 и PARP-1 , участвующих в различных механизмах поддержания целостности ДНК. Повышенная активность этих генов в нервной системе плодовых мушек Drosophila melanogaster увеличивает медианную и максимальную продолжительность жизни на 8–77 % и отсрочивает процесс старения без ухудшения репродуктивных способностей и двигательной активности [4–8]. Сверхэкспрессия GADD45 существенно повышает устойчивость дрозофил к действию индуктора свободных радикалов параквата, высоких температур и голодания [9] и замедляет скорость возникновения возрастных нарушений в нервной системе [10]. Важно отметить, что у человека также присутствуют гены и белки семейства GADD45. Биоинформационный анализ показал участие белков GADD45 в сигнальных путях клетки, определяющих продолжительность жизни и возникновение возрастных заболеваний у человека (разных видов рака, болезни Альцгеймера, атеросклероза, сахарного диабета 2-го типа, ревматоидного артрита и аутоиммунных расстройств) [11]. Дальнейшее исследование эффектов и способов их активации открывает перспективы для разработки препаратов, направленных на профилактику и лечение социально значимых возрастных патологий. Результаты изучения еще девяти генов, отвечающих за распознавание повреждений ДНК (гомологи HUS1 и CHK2 ), эксцизионную репарацию оснований и нуклеотидов (гомологи XPC , XPF и AP-эндонуклазы 1), репарацию дву-нитевых разрывов ДНК (гомологи BRCA2 , XRCC3 , KU80 и WRNexo ), позволили выявить ряд дополнительных потенциальных мишеней для воздействия на скорость старения. Активация этих генов в ряде случаев приводила к увеличению продолжительности жизни дрозофил и повышению устойчивости к повреждающим факторам различной природы в зависимости от ткани, в которой была вызвана сверхэкспрессия, стадии развития и пола мушки и роли гена в процессе восстановления ДНК [12–14].

Наиболее доступным способом стимулировать защитные системы организма и контролировать связанные со старением гены является применение лекарственных препаратов и биологически активных веществ. Установлено, что добавление ибупрофена в питательную среду дрожжей Sac-charomyces cerevisiae , нематод Caenorhabditis ele-gans и мушек Drosophila melanogaster способно приводить к увеличению продолжительности жизни на 10–17 %. Одним из механизмов его действия является снижение поступления в клетки аминокислоты триптофана [15]. В исследованиях на дрозофиле также было показано благоприятное действие на длительность жизни целого спектра других нестероидных противовоспалительных препаратов и фармакологических веществ, ингибирующих связанные со старением сигнальные пути (IGF1, PI3K, TOR, iNOS, NF-κB) [16]. Выявленные механизмы их действия характеризуются высокой эволюционной консервативностью, а потому положительные эффекты их применения можно ожидать для млекопитающих и человека.

Благоприятный эффект на продолжительность жизни был установлен для биологически активных веществ растительного происхождения – каротиноидов фукоксантина и бета-каротина [17], фитоэкдистероидов и стероидных гликозидов [18], а также для пектинов [19]. В наибольшей степени удалось продлить жизнь дрозофил с помощью фукоксантина – пигмента, содержащегося в бурых водорослях. Его добавление в питательную среду дрозофил увеличило продолжительность жизни на 33– 49 %, что было также подтверждено на нематодах [17]. Благоприятное влияние растительных геропро-текторов связано со стимуляцией генов регуляции стресс-ответа, антиоксидантной защиты, обнаружения и репарации повреждений ДНК и белков [17–19].

В то же время стрессовые воздействия различных факторов среды также способны изменять длительность жизни организмов и скорость их старения. В частности, малые дозы ионизирующих излучений вызывают широкий спектр биологических эффектов, включая радиационный гормезис, радиоадаптивный ответ и гиперрадиочувствительность [20–22]. В исследованиях на дрозофиле представлены доказательства участия генов ответа на повреждение ДНК ( FOXO, SIRT1, JNK, ATM, ATR, p53 ) и репарации ДНК ( XPC, XPF ) в формировании данных эффектов. Мутации в этих генах приводят к повышению радиочувствительности и нарушению ответных реакций организма на воздействие гамма-излучения в малых дозах [20, 21]. Кроме того, проведен анализ транскриптома дрозофил после воздействия индуктора свободных радикалов параквата, ксенобиотиков (диоксина, толуола, формальдегида), высоких и низких температур, гамма-излучения в больших и малых дозах, гипергравитации, голодания, обезвоживания, бактериальных и грибковых инфекций. Впервые составлен список генов, специфичных для каждого из изучаемых воздействий [22–25]. Эти данные могут послужить основой для оценки рисков воздействия повреждающих агентов и создания чувствительных биосенсоров, предназначенных для эффективного и быстрого выявления загрязнения окружающей среды [26].

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта УрО РАН № 15-4-4-23 «Экологическая генетика, транскриптомика и метаболомика продолжительности жизни и стрессоустойчиво-сти 13 видов рода Drosophila» и гранта РФФИ №14-04-01596.