Обращение старения путем репрограммирования сетей экспрессии генов

Каждый орган и ткань прогрессивно теряют функцию и целостность по мере старения. Фактически, исследователи выявили «признаки старения», которые не только показывают конкретные процессы, затронутые возрастом, но также рассматриваются как рычаги, которые, если их успешно использовать, могут помочь повернуть вспять биологические часы и привести к омоложению тканей.

В 2006 году открытие Синьи Яманаки, удостоенное Нобелевской премии, что сверхэкспрессия четырех генов, «факторов Яманаки», может переработать большинство зрелых типов клеток в недифференцированное, плюрипотентное состояние, было вехой в исследовании старения. Интересно, что при экспрессии только в коротких импульсах факторы Яманаки также могут частично переработать старые клетки в более молодое состояние, обращая вспять множественные признаки старения при сохранении их специализированных функций. Это и другие выводы показали, что старение не обязательно должно быть однонаправленным процессом и что старые клетки сохраняют скрытую способность к омоложению.

К сожалению, терапевтическое использование факторов Яманаки вызывает озабоченность у некоторых исследователей, поскольку их сверхэкспрессия также повышает риск образования рака. Поэтому исследователи ищут другие факторы для омоложения стареющих тканей более безопасным и управляемым способом. Однако, как сказал Алекс Плеса, кандидат наук, первый соавтор исследования, представляющего новый потенциальный способ решения этой проблемы: «При переработке существует фундаментальный компромисс между омоложением и идентичностью клетки; достижение одного без потери другого требует прохождения по тонкой грани».

В исследовании, которым руководил Джордж Чёрч, доктор философии, основной научный сотрудник Wyss Institute при Гарвардском университете, и возглавляемом научным сотрудником Wyss Institute Плеса в сотрудничестве с группой вычислительной биологии Антонио дель Сола, доктора философии, из CIC bioGUNE-BRTA, Басского альянса исследований и технологий в Испании, команда сначала разработала новый предиктор возраста.

Конкретно, они создали алгоритм машинного обучения, обученный на профилях экспрессии генов (транскриптомных) по нескольким процессам старения в клетках кожных фибробластов человека в широком возрастном диапазоне. Этот предиктор точно определил «транскриптомный возраст» клеток кожи, полученных от нескольких доноров.

Используя этот предиктор возраста как оцениваемый показатель, команда смогла провести скрининг сосредоточенной коллекции генов, которые предположительно влияют на процессы старения тем или иным образом. Цель заключалась в выявлении кандидатов, которые при сверхэкспрессии могли бы смещать первоначально присвоенный балл старения старых клеточных линий фибробластов в более молодой балл.

Топ-кандидат, ген, кодирующий фактор обработки РНК, известный как SRSF1, смог снизить признаки, соответствующие нескольким признакам старения, такие как биологический процесс, в котором поврежденные клетки перестают делиться, но не умирают (клеточное старение), нарушения нормального баланса и оборота белков (протеостатический стресс) и хроническое воспаление низкой степени (также называемое «воспалением старения»).

Важно, что при доставке в стареющих мышей, где он главным образом накапливался в печени, SRSF1 снизил скорость старения животных и продлил их продолжительность жизни на 14%, выделив SRSF1 как «геропротективную» мишень. Результаты опубликованы в Nature Aging.

«Давно поставленная цель моей лаборатории — разработать клинически полезные стратегии де-старения путем выявления генов, которые, при инженерной работе в геноме для повышения или понижения экспрессии в стареющих целевых тканях, увеличивают продолжительность здоровой жизни человека. Наша платформа и результаты на SRSF1 — важный шаг в этом поиске», — сказал Чёрч, который также является профессором генетики в Гарвардской медицинской школе. «Исследование старения переходит в точку перелома, где экспоненциальный прогресс биотехнологии влияет на основные процессы старения, которые иначе убили бы 90% из нас».

«Наиболее часто используемые 'часы старения', эпигенетические часы старения, оценивают химические модификации генома, которые происходят с возрастом, как один из признаков старения. Но это не очень хорошо масштабируется для скрининговых подходов из-за высоких затрат и сложностей с интерпретацией его обширных изменений», — сказал Плеса.

«Идея предсказания возраста клеток на основе их экспрессии генов имела большой смысл, поскольку каждый процесс омоложения неизбежно должен проявляться в измененных программах экспрессии генов, которые приводят к восстановлению более молодых функциональностей клеток», — сказал Плеса.

Полагаясь на эту интуицию, Чёрч и Плеса сотрудничали с дель Солом, исследовательским профессором Икербаскел, и Сашей Юнгом, кандидатом философии, постдокторантом и соавтором исследования, чтобы разработать управляемый машинным обучением алгоритм, который предсказывает возраст на основе изменений в экспрессии генов, участвующих в различных процессах, сравнимый с одометрами для разных частей автомобиля. Интеграция изменений во всех процессах в транскриптомную модель старения обеспечила точный обзор здоровья и возраста клеток.

Этот новый предиктор точно сообщил об изменениях транскриптомного возраста в трех линиях клеток фибробластов, полученных от доноров в возрасте 55, 65 и 79 лет, после того как команда обработала их различными экспериментальными вмешательствами, изменяющими продолжительность жизни, включая факторы Яманаки и другие.

Полностью используя свой предиктор транскриптомного возраста, исследователи затем разработали сосредоточенную библиотеку генов, которые, как предполагалось, влияют на старение и могли бы быть сверхэкспрессированы в старых линиях клеток фибробластов. «Мы работали на предположении, что сверхэкспрессия одного гена с проверенными результатами омоложения в конечном итоге может быть продвинута в генную терапию, специфичную для органов или тканей, если объединить с правильной системой доставки», — сказал Плеса.

Команда оценила все гены библиотеки, используя свой новый предиктор возраста, и проанализировала их влияние на конкретные особенности старения. На вершине этой обширной кампании оказался ген, кодирующий фактор обработки РНК SRSF1, который сдвинул множество процессов старения в сторону более молодых состояний. Эти эффекты омоложения зарегистрировались на эпигенетических часах старения и распространились на функциональные признаки, уменьшив клеточное старение, сигнализацию воспаления и протеостатический стресс, при восстановлении программ репарации ДНК.

Важно, что омолодившиеся фибробласты сохранили свою идентичность: они сохранили свою характерную веретенообразную морфологию, продолжили экспрессию генов, кодирующих типичные функции фибробластов, и не индуцировали программы плюрипотентности, которые включают факторы Яманаки.

Наконец, команда хотела увидеть, распространяются ли наблюдаемые эффекты омоложения в результате сверхэкспрессии SRSF1 также на гораздо более сложную in vivo систему. Когда они упаковали ген SRSF1 в тропный к печени аденоассоциированный вирус (AAV) и использовали его для лечения мышей, они наблюдали омоложение печени и системные преимущества: животные, обработанные SRSF1, становились хрупкими медленнее и жили дольше, с медианной продолжительностью жизни, увеличенной на 14% по сравнению с контролем.

Наиболее видная роль SRSF1 — это роль «фактора сплайсинга РНК», который помогает включать кодирующие белки, так называемые альтернативные последовательности экзонов в подмножество зрелых молекул мессенджер-РНК (мРНК). Затем они могут быть переведены синтезирующими белок рибосомами в белки, многие из которых имеют измененные функции.

«Мы наблюдали сильную тенденцию альтернативно сплайсированных мРНК, но мы только начинаем понимать, как эти изменения привносят многогранную программу омоложения в ткани», — сказал Плеса. «Также весьма вероятно, что первичное нацеливание на печень может обратить вспять процессы старения в других органах и тканях и что программы омоложения могут быть сообщены и, таким образом, усилены в организме».

Авторы считают, что SRSF1 является многообещающей анти-старения мишенью, поскольку она работает через механизм, который все клетки уже используют, вместо того чтобы переопределять их идентичность. Решение проблем доставки и дозирования может превратить этот геропротективный ген в терапию омоложения, а дальнейшие исследования системных эффектов SRSF1 in vivo могли бы раскрыть новые перспективы, дополнительные мишени и жизнеспособные стратегии омоложения.