Новые биологические исследования по экстренному выживанию
Учёные МГУ совместно с коллегами из Гарвардской школы медицины и ИМБ РАН изучили изменения в синтезе белка в печени и почке мышей разного возраста.
Исследование помогает понять фундаментальные механизмы, лежащие в основе процессов старения. Результаты трёхлетней работы учёных опубликованы в престижном международном журнале PNAS.
Старение является причиной множества возрастных заболеваний. В его основе лежат повреждения, которые со временем накапливаются в клетках, тканях и органах живых организмов. Биосинтез белка - важнейший метаболический процесс, на который клетка тратит большую часть вырабатываемой энергии. Его нарушения приводят к ухудшению качества и соотношения белков в клетке и вносят большой вклад в старение организма в целом. Известно, что некоторые воздействия, снижающие эффективность белкового синтеза, увеличивают продолжительность жизни животных. Однако вопрос о том, можно ли как-то повлиять на этот процесс, чтобы достичь долголетия у человека, остаётся открытым.
Выпускница факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Александра Анисимова, первый автор статьи, рассказывает:
«Благодаря уникальному опыту, накопленному в лаборатории Вадима Гладышева в Бостоне, мы смогли применить метод рибосомного профайлинга к двум органам (печени и почке) мышей разного возраста. Это позволило детально охарактеризовать изменения в экспрессии генов на уровне биосинтеза белка при старении. Мы обнаружили изменения в синтезе компонентов многих важных процессов и регуляторных путей, в том числе связанных с иммунитетом, воспалением, внеклеточным матриксом и метаболизмом жиров. Но самое яркое наблюдение, которое мы сделали, касается снижения темпов наработки самих компонентов белок-синтезирующего аппарата – рибосомных белков и трансляционных факторов»
Синтез рибосом и связанных с ними белков тщательно регулируется в клетке, поскольку при их избытке слишком много энергии будет уходить на белковый синтез. Кроме того, чересчур интенсивная наработка белков будет приводить к их плохому сворачиванию, накоплению повреждённых и неправильно работающих клеточных компонентов.
Например, при отсутствии аминокислот (когда животное голодает) или в условиях, способствующих денатурации белков (при перегреве или интоксикации) уровень синтеза белка падает, и эта адаптация позволяет организму выжить в неблагоприятных условиях. Оказалось, что с возрастом в печени и почке мыши происходит нечто похожее: по-видимому, «чувствуя» накопление повреждений, стареющая клетка вынуждена снижать уровень белкового синтеза, чтобы отсрочить наступление неблагоприятных последствий.
Интересно, что на то же самое направлены некоторые воздействия, продлевающие жизнь самым разным организмам. Например, низкокалорийная диета, мутации в некоторых генах трансляционного аппарата или лекарственные средства, снижающие активность одного из главных регуляторов белкового синтеза – протеинкиназы mTOR. Все они приводят к замедлению синтеза белка и таким образом отдаляют старение и гибель организма.
«Полученные нами результаты помогают понять фундаментальные механизмы, лежащие в основе процессов старения. Одновременно мы узнаём много нового о молекулярных механизмах биосинтеза белка», - рассказывает один из руководителей работы, профессор Гарвардской школы медицины Вадим Гладышев
Исследованием изменений, происходящих с возрастом в различных организмах – от дрожжей до человека – учёные МГУ занимаются с 2017 года, когда в НИИ Физико-химической биологии имени А.Н.Белозерского МГУ на средства «мегагранта» была создана Лаборатория системной биологии старения. Студенты факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ выполняли как биохимическую, так и "компьютерную" часть исследования. Работа в лаборатории позволила ребятам овладеть уникальным сочетанием навыков в молекулярной биологии и биоинформатике.
«Главным проектом лаборатории в первые три года её работы стало изучение картины биосинтеза белка в органах мышей разного возраста методом рибосомного профайлинга, - рассказывает со-руководитель лаборатории, старший научный сотрудник НИИ ФХБ МГУ и ИМБ РАН, доцент ФББ МГУ Сергей Дмитриев. - Этот ультрасовременный метод появился относительно недавно и совершил настоящую революцию, привнеся все преимущества системной биологии в область изучения биосинтеза белка. В клетке белок синтезируют специальные молекулярные машины – рибосомы. Они «переводят» (транслируют) последовательности генов с языка азотистых оснований, на котором записана информация в ДНК и РНК, на язык аминокислот, из которых и состоят белки. Метод рибосомного профайлинга позволяет определить одновременно все РНК, которые в данный конкретный момент транслируются рибосомами в клетке. Для этого используется секвенирование нового поколения и сложная биоинформатическая обработка данных»
Руководство биоинформатической частью проекта взял на себя ведущий научный сотрудник ИМБ РАН, д.б.н. Иван Кулаковский.
«Работа в этой лаборатории, - говорит Иван. - Невероятно воодушевляет. Это прямой доступ к результатам современных экспериментов, внушительным компьютерным мощностям (вычислительный кластер «Макарьич»), и, главное, молодой и мотивированный коллектив. Этот проект был для нас определённым вызовом, поскольку требовал и технических навыков в работе с "сырыми" данными с секвенатора, и сложной статистической обработки, и правильной интерпретации итоговых результатов»
В настоящее время коллектив лаборатории продолжает исследования с целью понять изменения в биосинтезе белка, которые происходят в организме мышей при некоторых воздействиях, увеличивающих продолжительность жизни.
