Клетки по всему телу говорят друг с другом о старении | Журнал Кванта

Старение может показаться нерегулируемым процессом: с течением времени в наших клетках и организме неизбежно накапливаются вмятины и вмятины, которые вызывают дисфункции, сбои и, в конечном итоге, смерть. Однако в 1993 году открытие перевернуло эту интерпретацию событий. Исследователи обнаружили мутацию в одном гене, которая удвоила продолжительность жизни червя; Последующая работа показала, что родственные гены, участвующие в реакции на инсулин, являются ключевыми регуляторами старения у множества животных, от червей и мух до человека. Это открытие показало, что старение не является случайным процессом — его регулируют определенные гены — и открыло дверь для дальнейших исследований того, как старение протекает на молекулярном уровне.

Недавно в ряде работ был документирован новый биохимический путь, регулирующий старение, основанный на сигналах, передаваемых между митохондриями, органеллами, наиболее известными как электростанция клетки. Работая с червями, исследователи обнаружили, что повреждение митохондрий в клетках головного мозга запускает реакцию восстановления, которая затем усиливается, вызывая аналогичные реакции в митохондриях по всему телу червя. Результатом этой восстановительной деятельности стало продление жизни организма: черви с восстановленными митохондриальными повреждениями жили на 50% дольше.

Более того, клетки зародышевой линии — клетки, которые производят яйцеклетки и сперматозоиды — играли центральную роль в этой системе связи против старения. Это открытие добавляет новые аспекты к проблемам рождаемости, которые подразумеваются, когда люди говорят о старении и своих «биологических часах». Некоторые выводы были сообщили в Наука развивается и другие были размещены на сервер научных препринтов biorxiv.org осенью.

Исследование основано на недавних работах, которые предполагают, что митохондрии – социальные органеллы которые могут разговаривать друг с другом, даже находясь в разных тканях. По сути, митохондрии функционируют как клеточные рации, посылая сообщения по всему телу, которые влияют на выживание и продолжительность жизни всего организма.

«Здесь важно то, что помимо генетических программ существует еще очень важный фактор регулирования старения — связь между тканями», — сказал он. Дэвид Вилчез, который изучает старение в Кельнском университете и не участвовал в новом исследовании.

клеточный биолог Эндрю Диллин обнаружили первые намеки на этот новый путь, регулирующий продолжительность жизни, около десяти лет назад. Он искал гены, продлевающие жизнь. Caenorhabditis Элеганс червей, когда он обнаружил, что генетическое повреждение митохондрий продлевает жизнь червей на 50%.

Это было неожиданно. Диллин предполагал, что дефектные митохондрии ускоряют смерть, а не продлевают жизнь — в конце концов, митохондрии играют центральную роль в функционировании клеток. Однако по какой-то причине нарушение бесперебойной работы митохондрий заставило червей жить дольше.

Более интригующим было то, что поврежденные митохондрии Эффект в нервной системе червей, по-видимому, был обусловлен действием. «Это действительно говорит о том, что некоторые митохондрии важнее других», — сказал Диллин, который сейчас является профессором Калифорнийского университета в Беркли. «Нейроны диктуют это остальному организму, и это было действительно удивительно».

Теперь Диллин и его команда расширили это открытие, открыв новые подробности о том, как митохондрии в мозге взаимодействуют с клетками по всему телу червя, чтобы продлить жизнь.

Во-первых, ему нужно было понять, почему повреждение митохондрий мозга может оказать благотворное влияние на организм. Процесс выработки энергии митохондриями требует чрезвычайно сложного молекулярного механизма с десятками различных белковых частей. Когда что-то идет не так, например, когда некоторые компоненты отсутствуют или неправильно свернуты, митохондрии активируют реакцию на стресс, известную как реакция развернутого белка, которая доставляет ферменты репарации, чтобы помочь комплексам правильно собраться и восстановить функцию митохондрий. Таким образом, развернутая белковая реакция сохраняет клетки здоровыми.

Диллин ожидал, что этот процесс развернется только внутри нейронов с поврежденными митохондриями. Тем не менее, он заметил, что клетки в других тканях тела червя также включили реакции восстановления, хотя их митохондрии были неповрежденными.

Именно эта восстановительная деятельность помогла червям жить дольше. Подобно тому, как регулярно отвозить машину к механику, развернутая белковая реакция, по-видимому, поддерживает клетки в хорошем рабочем состоянии и действует как средство против старения. Что оставалось загадкой, так это то, как эта развернутая белковая реакция передавалась остальному организму.

После некоторого исследования команда Диллина обнаружила, что митохондрии в стрессированных нейронах используют везикулы — пузырькообразные контейнеры, которые перемещают материалы вокруг клетки или между клетками — для переноса сигнала, называемого Wnt, за пределы нервных клеток к другим клеткам тела. Биологи уже знали, что Wnt играет роль в формировании структуры тела на ранних стадиях эмбрионального развития, во время которого он также запускает процессы восстановления, такие как ответ развернутого белка. И все же, как передача сигналов Wnt, включенная у взрослого, может избежать активации эмбриональной программы?

Диллин подозревал, что должен был быть еще один сигнал, с которым взаимодействовал Wnt. После дальнейшей работы исследователи обнаружили, что ген, экспрессируемый в митохондриях зародышевой линии — и ни в каких других митохондриях — может прерывать процессы развития Wnt. Этот результат подсказал ему, что зародышевые клетки играют решающую роль в передаче сигнала Wnt между нервной системой и тканями по всему телу.

«Зародышевая линия абсолютно необходима для этого», — сказал Диллин. Однако неясно, действуют ли митохондрии зародышевой линии как усилители, получая сигнал от митохондрий мозга и передавая его другим тканям, или же принимающие ткани «слушают» сигналы из обоих источников.

В любом случае, сила сигнала зародышевой линии регулирует продолжительность жизни организма, сказал Диллин. По мере старения червя качество его яиц или спермы снижается — это мы называем тиканьем биологических часов. Снижение также отражается на изменении способности зародышевых клеток передавать сигналы от митохондрий мозга, предположил он. По мере взросления червя его зародышевая линия менее эффективно передает сигнал восстановления, и поэтому его тело тоже разрушается.

Ученые пока не знают, применимы ли эти выводы к людям и к тому, как мы стареем. Тем не менее, эта гипотеза имеет смысл с более широкой эволюционной точки зрения, сказал Диллин. Пока зародышевые клетки здоровы, они посылают сигналы, способствующие выживанию, чтобы гарантировать, что их организм-хозяин выживет и сможет воспроизводиться. Но поскольку качество зародышевых клеток снижается, нет никакой эволюционной причины продолжать увеличивать продолжительность жизни; с точки зрения эволюции жизнь существует для того, чтобы воспроизводить себя.

Тот факт, что митохондрии могут разговаривать между собой, может показаться несколько тревожным, но этому есть объяснение. Давным-давно митохондрии были свободноживущими бактериями, которые объединили усилия с другим типом примитивных клеток, чтобы работать вместе в том, что стало нашими современными сложными клетками. Таким образом, их способность общаться, вероятно, является пережитком свободноживущих бактериальных предков митохондрий.

«Эта маленькая штука, которая миллиарды лет тикала внутри клеток, до сих пор сохраняет свое бактериальное происхождение», — сказал Диллин. И если его исследования червей подтвердятся и на более сложных организмах, таких как люди, вполне возможно, что ваши митохондрии прямо сейчас говорят о вашем возрасте.