Финские биологи обнаружили истинную причину старения мышей-мутаторов, у которых ДНК в митохондриях мутируют быстрее обычного. Оказалось, что дело не в самих митохондриях, а в том, что для починки мутаций они забирают себе большую часть нуклеотидов. Когда нуклеотидов в ядре не хватает, клетки не могут делиться, и это приводит к досрочному старению животных.

Работа опубликована в журнале Nature Metabolism.

Митохондриальная теория старения появилась в 1966 году. Согласно ей, одна из основных причин старения — свободные радикалы, которые вызывают мутации в митохондриальной ДНК. Считается, что в результате накопления этих мутаций митохондрии перестают полноценно работать, клеткам не хватает энергии на жизненно необходимые процессы и это приводит к старению — сначала клеток, а потом организма в целом.

Чтобы смоделировать эту ситуацию, ученые вывели особенную линию мышей — их назвали мутаторами, поскольку у них митохондриальные мутации появляются чаще, чем обычно. Это связано с дефектом полимеразы — фермента, который копирует ДНК в митохондриях. Все полимеразы с той или иной частотой ошибаются — подставляют неверный нуклеотид в строящуюся цепь. Однако большинство умеет вовремя обнаружить и исправить свои ошибки. У мутаторных мышей же полимераза дефектная, и ее ошибки остаются в ДНК митохондрий в виде мутаций.

Когда исследователи начали работать с мутаторами, они обнаружили, что те преждевременно стареют. В то же время у людей с мутациями, которые снижают эффективность работы митохондрий, ускоренного старения не наблюдается. Это означает, что мутации в митохондриальной ДНК влияют не только на эффективность работы этих органелл, но и на какие-то другие процессы старения.

Риикка Хамалайнен (Riikka Hämäläinen) с коллегами из Университета Восточной Финляндии предположили, что митохондриальные и ядерные мутации как-то связаны друг с другом — судя по тому, что у мышей, которые страдают накоплением тех или других, развиваются похожие симптомы. Чтобы разобраться в этой ситуации, они работали с культурой индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (то есть взрослых клеток, которые превратили в зародышевые) мутаторных мышей и сравнивали ее с культурой здоровых клеток.

Ученые подсчитали соотношение клеток на разных стадиях клеточного цикла и обнаружили, что мутаторные стволовые клетки чаще, чем обычные, находятся в фазе подготовки к делению или самого начала деления. Исследователи предположили, что клетки почему-то «застревают» в начале размножения и не могут его закончить.

Ученые окрасили стволовые клетки, чтобы рассмотреть повреждения ДНК, и увидели, что маркеров двунитевых разрывов в мутаторных клетках накопилось больше. Кроме того, в них была повышена экспрессия ферментов, которые отвечают за починку повреждений. Таким образом, на фоне митохондриальных мутаций ДНК в ядре тоже накопила ошибки.

Исследователи предположили, что проблемы с делением клеток могут возникать из-за нехватки нуклеотидов — строительного материала для ДНК. Они измерили их концентрацию в клетках и обнаружили, что в ядре их действительно мало, зато в митохондриях — много. Добавление нуклеотидов извне мутаторные клетки не спасло: митохондрии забирают себе большую часть.

Чтобы вернуть стволовым клеткам способность делиться, ученые решили заблокировать копирование митохондриальной ДНК. Они заставили клетки экспрессировать белок Tfam, который работает как упаковщик митохондриальной ДНК и делает ее недоступной для других ферментов. В присутствии Tfam двунитевых разрывов в ядре стволовых клеток стало меньше.

На основании своих данных исследователи воссоздали следующую цепь событий в мутаторных клетках: полимераза ошибается, в ДНК митохондрий накапливаются поломки, белки репарации требуют для работы больше нуклеотидов, в цитоплазме и ядре концентрация нуклеотидов падает, клетка не может завершить деление, и в ядерной ДНК тоже накапливаются мутации. Таким образом ученые предлагают связать старение митохондрий со старением ядерной ДНК.