Метилен көгі және прогерия: жасушалық қартаю моделінен алынған сабақтар

Бір гендегі бір әріптің өзгеруі балалардың үрейлі жылдамдықпен қартаюына әкеледі. Шаштың түсуі, буындардың сіресуі, артериялардың тарылуы және жасөспірім шақпен шектелетін өмір ұзақтығы. Бұл ауру — Хатчинсон–Гилфорд прогерия синдромы. Көп жыл бойы оны зерттеу мутантты ақуыз зақым келтіретін ядроға бағытталды. Мэриленд университетінің 2016 жылғы зерттеуі басқа сұрақ қойды: осы жасушалардағы митохондриялар қандай күйде? Жауап жасушаның екі бөлімін өзара байланыстырды, ал жүз жылдан бері белгілі көк бояғыш екеуіне де әсер етті.

Бұл — Сюн мен әріптестерінің 2016 жылы Aging Cell журналында жарияланған зерттеуі. Ол толығымен өсірілген жасушаларда жүргізілді. Төмендегі барлық талқылаудың шегін осы факт анықтайды. Нәтижелер нақты әрі шынайы. Олардың қандай да бір емдеуден қаншалықты алыс екені де соншалықты айқын.

Модель: бір мутация, бір жабысқақ ақуыз

Прогерия LMNA генінің 1824-позициясында C нуклеотидінің T нуклеотидіне ауысуынан басталады. Бұл өзгеріс аминқышқылын өзгертпейді. Ол жасырын сплайсинг орнын белсендіреді, соның салдарынан ламин A ақуызынан 50 аминқышқылы алынып тасталады. Прогерин деп аталатын қысқарған өнім қалыпты жағдайда жасушаға оның фарнезилдік бекіткішін алып тастауға мүмкіндік беретін ыдырату орнынан айырылады. Сондықтан прогерин тұрақты түрде фарнезилденген күйде қалып, ішкі ядролық мембранаға жабысып тұрады, ал қалыпты ламин A оған кезекпен байланысып, қайта ажырап отырар еді.

Ядродағы салдарлар жақсы құжатталған және микроскоппен көрінеді. Ядролар тегіс сопақ пішінін сақтаудың орнына томпайып, қатпарланады. Әдетте ядроның шетін қаптайтын, тығыз оралған әрі белсенді емес ДНҚ — гетерохроматин — жұқарады. Мыңдаған геннің экспрессиясы өзгереді. Ядролық ламинаны тұсқағаздың артындағы тірек қаңқа деп елестетіңіз: қаңқаның бір бөлігі қате орында дәнекерленсе, қабырға томпайып, бүкіл бөлмедегі тұсқағаз өрнегі бұрмаланады.

Зерттеуде прогериясы бар пациенттердің тері фибробласттары пассаж саны сәйкес келетін бақылау жасушаларымен қатар қолданылды. Бұған қоса, қалыпты фибробласттар прогеринді тікелей өндіретіндей өзгертілген екінші жасушалық желі пайдаланылды. Өзгертілген жасушаларда дәл сондай ақаулар пайда болды. Бұл олардың себебі пациенттердің медициналық тарихы немесе өсіру ұзақтығы емес, прогерин екенін көрсетеді. Ақаулардың ауырлығы оның мөлшеріне байланысты болды: прогеринді көбірек экспрессиялайтын желіде барлық көрсеткіш бойынша ақаулар ауырлау болды.

Митохондриялар қандай күйде болды

Дені сау фибробласттардың митохондриялары ядро маңында тармақталған желі түзеді: цитоскелет жолдары бойымен қозғалатын ұзын түтікшелер. Прогерия жасушаларының желілерінде бұл желі жойылған еді. Митохондриялардың көбірек бөлігі бөлшектенген, көбі ісінген болатын, ал электрондық микроскопия қатты зақымданған органеллалардың шамамен екі есе көбейгенін көрсетті. Уақыт аралығымен түсірілген бейнелер олардың бақылау жасушаларымен салыстырғанда қысқарақ қашықтыққа және баяуырақ қозғалғанын көрсетті.

Қызметі де құрылымына сай өзгерді. Митохондриялық супероксид пен бүкіл жасушадағы тотықтырғыштардың деңгейі артты. Мембраналық потенциалы бұзылған жасушалар көбейді. ATP өндірісі төмендеді. Бұлардың әрқайсысы өз алдына таңғаларлық емес: зақымданған митохондриялар оттегінің реактивті түрлерін сыртқа шығарып, энергияны аз өндіреді. Жаңалық — ұсынылған себепте. Митохондриялардың биогенезін NRF1, TFAM және бірігу мен бөліну реттегіштері MFN1, MFN2, OPA1, FIS1 және DRP1 сияқты кейінгі әсер етуші факторлар арқылы іске қосатын транскрипциялық коактиватор PGC-1alpha прогерия жасушаларында мРНҚ деңгейінде шамамен сегіз есе азайған, ақуыз мөлшері де соған сай төмендеген. Прогерин митохондрияларды түзу мен сақтаудың негізгі тетігін басып тұрғандай болды. Ядролық ламинаның зақымдануы мен энергия алмасуы арасындағы бұл байланыс митохондриялық энергия өндірісі туралы кеңірек түсініктің бір бөлігі, ал осы тепе-теңдіктің тотықтырғыштарға қатысты жағы тотығу стрессі және ROS бақылауы тақырыбында қарастырылады.

Метилен көгі нені өзгертті

Зерттеушілер жасушаларды төмен концентрациядағы, 100 наномолярлық метилен көгімен бірнеше апта бойы үздіксіз өңдеді. Жасуша өсіру тұрғысынан бұл — препараттың қысқа мерзімді әсері емес, ұзақ әрі жұмсақ әсер етуі. Метилен көгі тотыққан және тотықсызданған түрлер арасында ауысып, митохондриялардың ішінде электрондарды тасымалдай алады. Сондықтан ол бір тотықтырғышты бейтараптандырғанда жұмсалып кететін кәдімгі антиоксидант емес, митохондрияларға бағытталған тотығу-тотықсыздану қосылысы ретінде сипатталады.

Митохондриялар қалыпты жасушаларда да, прогерия жасушаларында да жауап берді. ATP деңгейі артты, тотықтырғыштардың деңгейі төмендеді және қатты ақаулы митохондриялардың үлесі азайды. PGC-1alpha экспрессиясы және оның кейбір кейінгі нысаналары ішінара қалпына келді. Осы тұста бұл прогерияға тән емес, митохондриялардың қызметін жалпы қолдау әсері еді.

Күтпеген нәтиже ядроға қатысты болды және ол ауру жасушаларға ғана тән еді. Пішінді сандық талдау ядроның томпаюы азайғанын көрсетті. Ламин A мен C-нің жалпы мөлшері артты. Ең таңғаларлығы, прогериннің таралуы өзгерді: өңделмеген прогерия жасушаларында прогериннің шамамен 30 пайызы ғана нуклеоплазманың еритін фракциясында болып, қалған бөлігі мембранаға бекіген еді. Өңдеуден кейін еритін үлесі шамамен 65 пайызға дейін өсіп, қалыпты ламиннің таралуына жақындады. Мембранадан босап шыққан прогерин жанындағы ақуыздарды азырақ ілестіріп әкетеді, сондықтан ламин A мен C-нің еритін фракциялары да қалпына келді.

Осы босап шығудан кейін ядроның екі фенотиптік белгісі жақсарды. Электрондық микроскопиямен және гетерохроматин ақуызы HP1-alpha-ға бояумен зерттелген ядро маңындағы гетерохроматиннің қалпына келгені анық көрінді. Ал РНҚ секвенирлеу транскриптомның қалыпты күйге қарай жақындағанын көрсетті: өңделмеген прогерия жасушалары бақылау жасушаларынан 3,200-ден астам ген бойынша ерекшеленсе, өңделген прогерия жасушалары шамамен 1,670 ген бойынша ерекшеленді. Қалыпты жасушаларда дәл сол өңдеу бірнеше ондаған генді ғана өзгертті. Бұл ядролық әсердің транскрипцияны жаппай қозғаудан емес, прогеринмен байланысты екенін көрсетеді. Жасушалық және жануарлық модельдер тақырыптарынан көрінетіндей кең емес, анағұрлым тар сұрақтарға жауап береді деген қағида метилен көгі туралы зерттеулерді қалай оқу керек мақаласында түсіндіріледі.

Неліктен бұл емдеу емес

Төрт шектеу бұл зерттеуді өз шеңберінде — зертханада — қалдырады.

Біріншіден, барлығы зертханалық ыдыстарда өтті. Өсірілген фибробласттарда қанмен қамтамасыз ету, иммундық орта, тіндік құрылым және қосылыстың нысанаға мүлде жете алатынын анықтайтын тұтас ағза фармакологиясы жоқ. Бұл жұмыста бірде-бір жануарға препарат берілмеді және бірде-бір пациент емделмеді.

Екіншіден, прогерия фибробласттары — жасушаның бір түрінің моделі ғана. Ауру негізінен артериялар, сүйек және май тіні арқылы өлімге әкеледі, ал зерттеуде тек фибробласттар мен тегіс бұлшықет жасушаларының бір үлгісі тексерілді. Басқа тіндердің жауабы өзгеше болуы мүмкін.

Үшіншіден, ядроның қалпына келуі қоректік ортада наномолярлық концентрациямен бірнеше апта бойы үздіксіз әсер етудің нәтижесінде байқалды. Ыдыстағы концентрациялар доза емес, ал мақалада ортадағы 100 наномолярлық концентрацияны адамға арналған қолдану тәртібіне айналдыратын ешқандай дерек жоқ. Медицинаның басқа салаларында метилен көгінің өзіне тән дозаға жауап беру сипаты мен қауіпсіздік бейіні бар, ал бұл зерттеу оны үй жағдайында қолдануға ешқандай негіз бермейді. Қауіпсіздікке қатысты жалпы мәлімет метилен көгінің қауіпсіздігі мен жанама әсерлері мақаласында берілген.

Төртіншіден, прогерия қалыпты қартаю емес. Бұл — бір мутациядан туындайтын сирек ауру, онда ядроның тірек қаңқасы ерекше жолмен бұзылады. Өсірілген жасушалардағы дәл осы бұзылысты жеңілдететін қосылыс мұндай мутациясы жоқ адамдардың қартаюы туралы көп нәрсе айтпайды. Жасушалық фенотип ядро мен митохондриялардың өзара байланысын тануға мүмкіндік береді, бірақ өмірді ұзарту нәтижесі емес.

Сондықтан дұрыс қорытынды шартты болуы керек. Прогерия фибробласттарында прогерин PGC-1alpha-ны тежеп, митохондриялардың бөлшектенуіне, баяу қозғалуына, тотықтырғыштарының көбеюіне және энергиясының азаюына әкеледі. Төмен концентрациядағы метилен көгі барлық жасушаларда митохондриялық көрсеткіштерді қалпына келтірді, ал ауру жасушаларда қосымша прогеринді ядролық мембранадан босатып, ядро пішінінің, гетерохроматиннің және ген экспрессиясының ішінара қалпына келуімен қатар жүрді. Осы қосарлы әсер зерттеуді білуге тұрарлық етеді. Бірақ ол метилен көгін прогерияны немесе қартаюды емдейтін құралға айналдырмайды.