Ученые Национального института здравоохранения (National Institutes of Health) США установили новый молекулярный путь, включающий часы запрограммированного старения нормальных клеток. Проведенное ими исследование вносит много нового в наши представления о взаимодействии между токсичным белком прогерином и защищающими концы хромосом структурами – теломерами.

Генетический механизм сплайсинга вызывает как синдром преждевременного старения, так и нормальное клеточное старение

Теломеры защищают концы хромосом.
(Фото: genome.gov)

Теломеры «изнашиваются» в процессе деления клетки. Их значительное укорочение приводит к тому, что клетка в конечном итоге перестает делиться и умирает. Ученые установили, что короткие или потерявшие способность нормально выполнять свою функцию теломеры активируют синтез белка прогерина, связанного с возрастным повреждением клетки. По мере укорочения теломер клетки вырабатывают все больше этого токсичного белка.

Прогерин  – мутировавшая версия нормального клеточного белка ламина А, который кодируется нормальным геном LMNA. Ламин А помогает поддерживать правильную структуру ядра клетки – хранилища генетической информации.

В 2003 году ученые Национального научно-исследовательского института генома человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) открыли, что мутация гена LMNA вызывает редкое заболевание – преждевременное старение, называемое прогерией, или синдромом Хатчинсона-Гилфорда. Прогерия – крайне редкое заболевание, при котором у детей проявляются симптомы, обычно ассоциируемые с пожилым возрастом, включая потерю волос, атрофию подкожно-жировой клетчатки, преждевременное развитие атеросклероза и скелетные аномалии. Обычно такие дети умирают в подростковом возрасте от осложнений сердечно-сосудистых заболеваний.

Директор Национального института
здравоохранения (NIH) США
Фрэнсис Коллинз ((Francis Collins), MD, PhD.
(Фото: med.stanford.edu)

«Установление связи между этим редким явлением и нормальным старением приносит свои плоды в очень важной области», – подчеркивает старший автор статьи директор NIH доктор медицины и философии Фрэнсис Коллинз (Francis Collins). «Мы с самого начала считали, что прогерия может многому нас научить в области нормального старения и дать подсказки о биохимических и молекулярных механизмах более общего характера».

В исследовании, проведенном в 2007 году, ученые NIH показали, что нормальные клетки здоровых людей могут вырабатывать небольшое количество токсичного прогерина, даже если они не несут мутации, вызывающей синдром Хатчинсона-Гилфорда. Чем больше делений прошла клетка, тем короче теломеры и тем больше продукция прогерина. Но загадка оставалась: что запускает выработку токсичного белка?

В настоящем исследовании ученым удалось выяснить, что мутация, вызывающая прогерию, значительно активирует сплайсинг ламина А в направлении выработки токсичного прогерина, приводя ко всем признакам преждевременного старения, проявляющимся у детей с этим заболеванием. Но изменения в сплайсинге LMNA происходят и при отсутствии в этом гене каких-либо мутаций.

Исследование показывает, что укорочение теломер в процессе нормального клеточного деления у людей с нормальным геном ламина как-то изменяет способ, с помощью которого клетка обрабатывает генетическую информацию, когда превращает ее в белок – процесс, называемый сплайсингом РНК. Чтобы создать белок, РНК транскрибируется из генетических инструкций, встроенных в ДНК. Но РНК не несет всю линейную информацию, содержащуюся в ленте ДНК: клетка соединяет вместе сегменты генетической информации, называемые экзонами, которые содержат код для построения белка, и удаляет промежуточные буквы неиспользуемой генетической информации – интроны. Этот механизм, как представляется, изменяется укорочением теломер и оказывает отрицательно влияние на выработку многих белков, важных для целостности цитоскелета. Но, самое главное, изменение в сплайсинге РНК влияет на процессинг (обработку) матричной РНК ламина, что и приводит к накоплению токсичного прогерина.

«Укорочение теломер в процессе клеточного старения играет причинную роль в активации выработки прогерина и ведет к значительным изменениям альтернативного сплайсинга во многих других генах», – говорит ведущий автор статьи доктор философии Кан Цао (Kan Cao), доцент кафедры биологии клетки и молекулярной генетики Университета Мэриленда (University of Maryland), США.

46 хромосом человека (показаны синим) с теломерами на концах (белые точки). Процесс репликации
ДНК уже закончен, и каждая хромосома представлена двумя идентичными копиями, каждая из которых
обладает двумя собственными теломерами.
(Credit: Hesed Padilla-Nash and Thomas Ried)

Теломераза – фермент, способный предотвращать укорочение структуры теломер так, что клетки сохраняют способность делиться. (Большинство клеток этого типа – раковые – не достигают конечной точки жизненного цикла нормальной клетки и вместо этого продолжают бесконтрольно размножаться). Показав, что бессмертные клетки с бесконечным запасом теломеразы вырабатывают очень небольшое количество мРНК прогерина, исследование представляет доказательство связи длины теломер с прогерином.

Используя биохимические маркеры, указывающие на продуцирующий прогерин сплайсинг РНК, ученые провели лабораторные тесты и на нормальных клетках здоровых людей. Возраст доноров составлял от 10 до 92 лет. Независимо от возраста, клетки, прошедшие большое количество делений, вырабатывали большее количество прогерина. В нормальных клетках, продуцирующих более высокие концентрации прогерина, наблюдались укороченные и дисфункциональные теломеры – показатель многих пройденных делений.

Помимо изучения синтеза прогерина ученые провели первый систематический анализ альтернативного сплайсинга в процессе старения клетки в масштабах всего генома, рассматривая, какие другие белковые продукты подвергаются воздействию беспорядочных и искаженных инструкций. Используя лабораторные методики, позволяющие проанализировать порядок расположения химических единиц РНК – нуклеотидов – ученые установили, что сплайсинг изменяется короткими теломерами, воздействующими на ламин А и некоторое другие гены, включая те, что кодируют белки, играющие определенную роль в структуре клетки.

Исследователи предполагают, что старение клетки индуцируется сочетанием изнашивания и потери теломер с выработкой прогерина. Это открытие углубляет понимание того, какой вклад прогерин может вносить в процесс нормального старения.

Исследование опубликовано в журнале Journal of Clinical Investigation.

Статья

Progerin and telomere dysfunction collaborate to trigger cellular senescence in normal human fibroblasts