Среди причин старения ученые обнаружили двунитевые разрывы в ДНК

Иллюстрация. Разрыв ДНК. Дизайнер — Елена Хавина, пресс-служба МФТИ

Научная группа российских цитологов  и геронтологов в результате совместной экспериментальной работы выявила закономерность, проясняющую клеточные механизмы старения человека и указывающую новые пути поиска возможного «лекарства от старости». В частности, ученые обнаружили корреляцию между возрастом доноров клеток и количеством двунитевых разрывов в ДНК фибробластов — клеточных элементов человеческой кожи. Работа опубликована в журнале Aging.

В исследовании принимали участие ученые из Московского физико-технического института, Института стволовых клеток человека, Федерального медицинского биофизического центра им. А. И. Бурназяна, Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля РАН, Института химической физики им. Н. Н. Семёнова РАН, Национального медицинского исследовательского центра онкологии им. Н. Н. Блохина, Национального медицинского исследовательского центра реабилитации и бальнеологии Министерства здравоохранения, Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, Института молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН и Института биофизики клетки РАН.

Представления о причинах и механизмах биологического старения, к которым склоняются большинство геронтологов мира, так или иначе базируются на гипотезе о накоплении с возрастом в клетках организма различных генетических нарушений. В частности, таких, которые снижают способность клеток к репарации (восстановлению) критических повреждений ДНК. Авторы работы изучали эти процессы на примере так называемых фибробластов — клеточных элементов соединительной ткани, находящихся в среднем слое кожи. Сравнивая множество показателей фибробластов, полученных от доноров различного возраста, ученые выявляли степень влияния тех или иных клеточных процессов на механизмы старения организма.

В частности, они обнаружили, что такой важнейший показатель, как пролиферативная активность клеток (способность к разрастанию биологической ткани с помощью размножения клеток делением) с возрастом сохраняет почти постоянное значение. Фибробласты, полученные от 70-летнего донора, обладают практически такой же пролиферативной активностью, как у 20-летнего юноши. То же самое относится и к большинству других биологических показателей, на которые «подозрение» падает первым. Те же показатели, которые действительно позволяют пролить свет на механизмы старения, удалось обнаружить только среди весьма тонких и трудноопределяемых.

«Мы искали связь возраста человека и его кожи с накоплением в фибробластах критических повреждений ДНК особого вида, так называемых двунитевых разрывов, — рассказывает Андреян Осипов , профессор РАН, старший научный сотрудник лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ. — В качестве маркеров двунитевых разрывов ДНК в клетках человека радиобиологи используют фокусы фосфорилированного гистона γH2AX, которые формируются в областях хроматина, прилегающих к двунитевому разрыву. Однако обнаружить корреляцию количества этих фокусов в активно пролиферирующих клетках с возрастом человека до сих пор никому не удавалось».

Дело в том, что в популяциях пролиферирующих клеток, с которыми работают большинство ученых, обычно имеются клетки, находящиеся на разных стадиях клеточного цикла. 

Рисунок. Процедура деления клеток в самом общем виде напоминает процесс размножения макроорганизмов. Первым делом клетке нужно подготовиться к размножению: эта стадия называется интерфазой. Она делится на следующие составляющие, традиционно обозначаемые латинскими буквами и цифрами: G0 — фаза «покоя». Клетка просто живет и пока не собирается делиться. На этой фазе ее называют «покоящейся» или «отдыхающей»; G1 — начинается синтез клеточных компонентов; S — самая интересная в контексте данной работы фаза: здесь происходит синтез (репликация) ДНК клеточного ядра; G2 — подготовка к митозу — и, наконец, собственно митоз, деление клетки на две новые.   

Определенная часть клеток находится на стадии синтеза ДНК, в так называемой S-фазе. На этой фазе образуется множество двунитевых разрывов, которые потом корректно репарируются. Поэтому если в таких обстоятельствах анализировать маркеры разрывов, то можно обнаружить корреляцию только с клеточной пролиферативной активностью. А она, как было сказано, от возраста донора не зависит вообще.

«Наша идея заключалась в том, чтобы отделить покоящиеся клетки от пролиферирующих и посчитать их фокусы раздельно , — продолжает Андреян Осипов. — Сделать это удалось с помощью маркера клеточного деления Ki67».

В результате наши ученые впервые в мире обнаружили совершенно четкую и однозначную зависимость количества двунитевых разрывов в покоящихся фиброластах кожи от возраста доноров.

Обнаружение этой зависимости позволяет, в частности, допустить возможность создания метода антивозрастной терапии, основанного на повышении эффективности репарации двунитевых разрывов. Добиться этого, возможно, удастся с помощью методов генной инженерии или подбора химических соединений, влияющих на соответствующие процессы.

«Мы подтвердили ведущую роль двунитевых разрывов в клеточном старении», — утверждает Андреян Осипов.

«Кроме того, полученные нами данные открывают возможности для разработки новых терапевтических процедур и фармакологической коррекции для лиц с нарушенными процессами передачи сигналов в клеточных путях репарации двунитевых разрывов ДНК», — добавил Сергей Леонов ,  заведующий лабораторией разработки инновационных лекарственных средств МФТИ

Дальнейшее направление работы коллектива, по его словам, — исследование механизмов репарации этого вида повреждений с использованием различных тест-воздействий — например, ионизирующего излучения.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда и Министерства образования и науки РФ.