Предложен новый признак старения — Интервью Александра Фединцева для сайта Lifespan.io

От редакциии «Технологий Долголетия»

Недавно в журнале Ageing Research Reviews вышла чрезвычайно интересная и важная статья, подготовленная Александром Фединцевым и Алексеем Москалевым — учеными, занимающимися вопросами старения. Это статья-обзор, в которой авторы, анализируя уже имеющиеся данные, предлагают существенно изменить взгляд на причины старения. По сути, предполагается, что к уже известным, клеточным причинам старения, может быть добавлен еще один — повреждение долгоживущих молекул, таких например, как молекулы внеклеточного матрикса. Более того, по мнению авторов эта причина является не просто еще одной, а возможно самой важной среди других общепризнанных.

Ссылка на статью https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32540391/

Александр Фединцев дал интервью для сайта Lifespan.io и мы предлагаем нашим подписчикам перевод этого материала эксклюзивно на русском языке для подписчиков Технологий Долголетия

Аркадий Мазин

Два исследователя, Александр Фединцев и Алексей Москалев, опубликовали обширный обзор, в котором они предлагают новый признак старения [1].

Авторы обращают наше внимание на феномен, который иногда упускается из виду в контексте старения: накопление повреждений долгоживущих молекул, вызванное неферментативными химическими реакциями гликирования, карбонилирования и карбамилирования. Со временем эти модификации наносят огромный вред нашему организму. Авторы осторожно предполагают, что это явление может быть основной причиной нескольких известных признаков старения, таких как клеточное старение.

Хотя авторы посвящают значительную часть своего внимания внутриклеточным белкам, таким как гистоны (которые достаточно долго живут, чтобы быть восприимчивыми к гликированию), их внимание сосредоточено на увеличении жесткости внеклеточного матрикса (ВКМ), которое происходит из-за накопления поперечных связей (сшивок) между долгоживущими молекулами коллагена (и, возможно, эластина). Поскольку эти молекулы имеют продолжительность жизни, сравнимую с продолжительностью жизни человека, ущерб фактически непоправим из-за их медленного оборота. Некоторые исследователи предполагают, что снижение эластичности тканей ставит верхний предел функционирования сердечно-сосудистой и легочной систем на 100–120 лет [2].

Возрастное увеличении жесткости ВКМ, по-видимому, ингибирует пролиферацию стволовых клеток и даже вызывает клеточное старение (сенесценцию). Удивительно, но стареющие клетки можно омолодить, перенеся их в молодой ВКМ. Авторы делают интересную связь между механистическими качествами ВКМ и внутри- и межклеточными химическими реакциями. Одним из их самых смелых утверждений является то, что физическая жесткость ВКМ ошибочно принимается клетками за фиброз. Это клеточное недоразумение запускает механизм борьбы с фиброзом, который включает клеточное старение. Борьба со старением является одной из основных целей исследований долголетия, и был достигнут значительный прогресс, но авторы предполагают, что мы могли искать ответы не в тех местах. В другом примере мезенхимальные стволовые клетки (МСК) имеют тенденцию дифференцироваться в костные клетки при культивировании на жесткой матрице. Это, утверждают авторы, может объяснить феномен кальцификации тканей.

Жесткость ВКМ может нанести ущерб из-за нескольких причин. Например, когда жесткость ВКМ увеличивается из-за гликирования, это значительно уменьшает пролиферацию (деление) Т-клеток. В дополнение к этому, иммунные клетки, могут испытывать разрыв оболочки ядра при при миграции сквозь узкие поры сшитого межклеточного матрикса, что приводит к гибели клеток или разрыву ДНК. 

Авторы предполагают, что артериальная жесткость, вызванная старением ВКМ, сама по себе может объяснить гипертонию, потому что барорецепторы (рецепторы в наших кровеносных сосудах, которые реагируют на кровяное давление), вопреки тому, что предполагает их название, реагируют скорее на растяжение, чем на давление. По мере того, как стенки сосудов становятся более жесткими, они испытывают меньшее растяжение под тем же давлением, что приводит к неправильному расчету желаемого артериального давления.

ВКМ влияет на внутриклеточные процессы через интегрины, белки, которые прикрепляют клеточный цитоскелет к ВКМ. Реакция интегринов на повышенную жесткость ВКМ приводит к резкому увеличению производства АФК (активных форм кислорода или, по-другому, свободных радикалов).

Жесткость ВКМ может играть роль в формировании опухоли, способствуя ангиогенезу. Развивая свои механистические аргументы, авторы предполагают, что «физического признака, лишенного химической специфичности» — то есть жесткости ВКМ — может быть достаточно, чтобы превратить определенные клеточные фенотипы в раковые.

Как объясняют авторы, это может также способствовать возрастному снижению познавательной способности [у людей], по крайней мере, двумя способами. Во-первых, артериальное напряжение может привести к нарушению ГЭБ (гематоэнцефалический барьер). Во-вторых, ВКМ в мозге становится более устойчивым к деградации, что может препятствовать образованию новых синапсов, которым просто не хватает места для роста, и, таким образом, снижать нейропластичность.

Накопление КПГ (конечных продуктов гликирования) приводит к усилению жесткости легочной ткани, вызывая затруднения дыхания в пожилом возрасте. И последнее, но не менее важное: КПГ могут иметь разрушительные последствия для нашего хряща и костной ткани .

Хотя авторы признают, что попытки найти способы изменения жесткости ВКМ будет тяжелым сражением, они предлагают ряд возможных вмешательств. Было показано, что ингибиторы КПГ увеличивают продолжительность жизни некоторых видов. Известно, что ограничение калорийности, одно из лучших наших средств в борьбе со старением, снижает скорость накопления КПГ. К сожалению, ингибиторы КПГ могут замедлить скорость деградации ВКМ, но омолодить его они не могут. Другие многообещающие пути — увеличение производства эластина и разработка препаратов, расщепляющих сшивки.

Поскольку статья, которая объявляет об открытии нового признака старения, безусловно, является важным событием, мы решили взять интервью у одного из авторов, Александра Фединцева.

Что заставило вас сосредоточиться на этой конкретной проблеме? Как вы поняли, что это может быть новым признаком старения? Как вы думаете, почему это упустили?

Многие другие исследователи, не только я, знали о поперечных сшивках белков в течение многих лет. Идея о том, что неферментативные поперечные сшивки являются основной причиной старения, была предложена Йоханом Бьоркстеном в 1942 году, но с тех пор их роль в значительной степени недооценивалась. Обри Де Грей проделал большую работу, описав гликирование в своей книге, однако многие исследователи все еще считают, что поперечные связи ответственны только за жесткость артерий (фактор, который способствует гипертонии) и образование морщин. Повреждение долгоживущих макромолекул сшивками даже не упоминается в самой известной и цитируемой работе по биогеронтологии, The Hallmarks of Aging [3]. Это то, что первоначально привлекло мое внимание, наряду с тем фактом, что, хотя многие ученые работают над очищением стареющих клеток, восстановлением функции митохондрий, эпигенетическим омоложением и так далее, только горстка из них сфокусирована на повреждении ВКМ. Я обеспокоен этим, особенно потому, что разработка разрывающего сшивки препарата является чрезвычайно сложной проблемой, которая может потребовать значительных усилий для решения.

В вашей статье говорится, что неферментативные модификации долгоживущих макромолекул вызывают практически все признаки старения. Похоже, что вы обнаружили первопричину старения.

Как я уже сказал, это было впервые предложено более полувека назад Бьоркстеном. Однако в то время было мало доказательств, подтверждающих это. Сегодня мы гораздо лучше понимаем молекулярные механизмы, лежащие в основе патогенности поперечных сшивок и аддуктов. Существуют два разных взгляда на роль ВКМ в старении: “слабая” и “сильная” ВКМ-гипотезы. В первой говорится, что повреждение долгоживущих макромолекул является лишь одним из факторов старения, хотя и довольно важным. “Сильная” ВКМ-гипотеза постулирует, что мы не можем решить проблему старения исключительно попытками клеточного омоложения, поскольку клеточное старение вызвано, главным образом, дегенерацией ВКМ. И наоборот, исследования показывают, что клетки омолаживаются при переносе в молодой ВКМ. Так что да, омоложение ВКМ может быть ключевым.

В нашей статье мы придерживаемся в основном “слабой” гипотезы ВКМ и демонстрируем, что деградация ВКМ является важным фактором старения всех органов и систем, достаточно важным, чтобы считаться новым признаком старения. Более того, кажется, что повреждение ВКМ (и других долгоживущих молекул) может даже вызывать развитие некоторых других отличительных признаков, таких, как накопление сенесцентных клеток.

Несколько лет назад я наткнулся на статью [4], в которой утверждалось, что у дрожжей все внутриклеточные повреждения устраняются во время гаметогенеза, что эффективно сбрасывает биологический возраст. Ничего удивительного в этом на первый взгляд нет, но, примечательно то, что согласно исследованию, этот “сброс” возраста не обязательно требует мейоза! Естественно, мы не должны делать вывод, что клетки могут полностью самовосстановиться, из одного исследования, которое может быть ошибочным или неприменимым к клеткам млекопитающих. Но если это применимо к людям, то наши соматические клетки могут потенциально полностью омолодиться. Я спросил себя: «Допустим, это правда. Что может быть причиной старения? » И ответом был внеклеточный матрикс. Это выглядит так: белки ВКМ, такие как коллаген и эластин, имеют чрезвычайно долгую продолжительность жизни, в течение которой они накапливают неконтролируемые неферментативные модификации посредством гликирования, карбонилирования и карбамилирования. Это приводит к образованию токсичных аддуктов. Это, в свою очередь, вызывает стерильное системное воспаление и поперечные связи, которые придают жесткость матрице. Устойчивость к ВКМ-деградирующим протеазам (таким как коллагеназа) увеличивается, оборот белка замедляется, а накопление повреждений ускоряется. Вопреки внутриклеточному повреждению, нет известных ферментов (по крайней мере, не у млекопитающих), которые могли бы нейтрализовать аддукты и разрушать поперечные связи, поэтому в настоящее время мы беспомощны. Устойчивость к ВКМ-деградирующим протеазам (таким как коллагеназа) увеличивается, оборот белка замедляется, а накопление повреждений ускоряется. Вопреки внутриклеточному повреждению, нет известных ферментов (по крайней мере, не у млекопитающих), которые могли бы нейтрализовать аддукты и разрушать поперечные связи, именно поэтому в настоящее время мы беспомощны. Устойчивость к ВКМ-деградирующим протеазам (таким как коллагеназа) увеличивается, оборот белка замедляется, а накопление повреждений ускоряется. Вопреки внутриклеточному повреждению, нет известных ферментов (по крайней мере, не у млекопитающих), которые могли бы нейтрализовать аддукты и разрушать поперечные сшивки, поэтому в настоящее время мы беспомощны.

Тем не менее, количество свидетельств пользу сильной гипотезы ВКМ растет. Например, нейроны, трансплантированные от мышей в мозг крысы, могут жить на 40% дольше, чем мышь. Гемопоэтические стволовые клетки мыши, которые серийно трансплантируют молодым мышам, могут жить почти в 3 раза дольше, чем максимальная продолжительность жизни вида. Это говорит о том, что клетки могут иметь гораздо больший потенциал для самоомоложения, чем считалось ранее, и что их микроокружение (в частности, ВКМ) может ограничивать эту способность к регенерации.

Также было показано, что стволовые клетки старых мышей омолаживаются молодым ВКМ [5], в то время как старый ВКМ отрицательно влияет на стволовые клетки молодых мышей. Жесткий ВКМ отрицательно влияет на нейрональные предшественники [6]. Кроме того, ВКМ причинно связан с сенесценцией.

Говоря об этом, вы, кажется, предлагаете новое объяснение клеточного старения: это в основном механизм предотвращения фиброза. Можете ли вы объяснить это нашим читателям?

Напомню, что такое фиброз: это патологическое разрастание соединительной ткани, иными словами — избыточное производство коллагена (в основном). Противофиброзная роль клеточного старения (сенесценции) была открыта давно. Это имеет смысл в контексте остановки клеточного цикла и SASP (секреторный фенотип, связанный со сенесценцией). По сути, это часть процесса заживления ран. Арест клеточного цикла (когда клетка перестает делиться) необходим, чтобы уменьшить количество коллагена, который синтезируют клетки. Матричные металлопротеиназы, которые сенесцентные клетки активно производят и выделяют, разрушают избыточный коллаген, в то время как провоспалительные цитокины привлекают иммунные клетки для завершения очистки. Антифиброзная природа клеточного старения была продемонстрирована во многих исследованиях. Итак, вопрос заключается в том, что если клеточное старение действительно является антифиброзной программой, почему оно резко усиливается во время процесса старения? Я выдвинул гипотезу, что клетки могут ощущать избыток коллагена через жесткость ВКМ, и если жесткость превышает определенный порог, это может запустить последовательность клеточного старения. Но увеличение жесткости — это именно то, что происходит при нормальном старении из-за неферментативного образования поперечных связей! Таким образом, с точки зрения жесткости, гликированный, старый ВКМ может быть неотличимым от фиброзного ВКМ. Это ошибочно запускает программу заживления ран при отсутствии какой-либо реальной раны или фиброза. Существует блестящее исследование, которое демонстрирует роль ВКМ в клеточном старении: ученые создали мышь с мутацией, которая делает коллаген, вырабатываемый их клетками, устойчивым к коллагеназам (что очень похоже на то, что происходит при нормальном старении). Это вызвало тяжелое преждевременное старение наряду с уменьшением продолжительности жизни, кифозом, остеопорозом и гипертонией [7]. Также взаимодействие с ВКМ, полученным от молодых клеток, достаточно, чтобы восстановить старые, сенесцентные клетки до молодого состояния [8]

Я также думаю, что неферментативные модификации ВКМ могут быть основной причиной возрастного снижения когнитивных функций. Наши когнитивные способности зависят от нейропластичности — способности формировать, поддерживать и разрушать связи между нейронами. Каждый нейрон окружен перинейрональной сетью — особой формой ВКМ. Чтобы освободить место для нового синапса, этот ВКМ должен быть разрушен клетками микроглии. Но что, если макромолекулы в перинейрональной сети также становятся более устойчивыми к разрушающим матрицу ферментам с возрастом? Это будет препятствовать способности делать новые синапсы, уменьшая нейропластичность. Конечно, перинейрональная сеть состоит в основном из протеогликанов и гиалуроновой кислоты, а не из коллагена или эластина, но протеогликаны также подвержены гликированию и образованию поперечных связей [9].

Как вы думаете, вы создали “пуленепробиваемую” аргументацию, или это скорее гипотеза, предположение?

Я думаю, что “слабая” ВКМ-гипотеза имеет железобетонные свидетельства, в то время как “сильная” ВКМ-гипотеза все еще остается гипотезой. Тем не менее, сосредоточение внимания на омоложении ВКМ в любом случае является беспроигрышной стратегией.

Если ваша идея получит широкое признание, что вы ожидаете? Какое влияние это окажет на медицинские исследования, на разработку новых терапевтических подходов?

Если гипотеза сильной роли ВКМ верна, мы могли бы полностью повлиять на все признаки старения и возрастные патологии исключительно путем омоложения ВКМ. Если верна только слабая гипотеза, нам все равно нужно найти способ омолодить ВКМ. Независимо от того, как далеко мы продвигаемся в других направлениях, деградация ВКМ все еще будет ограничивать нашу продолжительность (здоровой) жизни.

Получили ли вы какие-либо отзывы от других исследователей долголетия? В частности, авторы оригинальной статьи 2013 года о признаках старения? У вас есть представление о том, какова может быть их реакция?

Я получил положительные и конструктивные отзывы от Обри де Грея. Профессор Алексей Москалев был вдохновлен и присоединился в качестве соавтора, что я очень ценю. Я также получил довольно положительные отзывы от рецензентов и некоторых других исследователей. Я пока не получил никакой обратной связи от авторов The Hallmarks of Aging; однако, я думаю, что большинство исследователей признают (хотя, возможно, недооценивают) проблему, которую мы описываем в нашей статье. Многим исследователям, вероятно, будет трудно принять гипотезу о сильной роли ВКМ, поскольку она представляет собой серьезную смену парадигмы.

Исследования SENS показывают, что глюкозепан может быть самым проблематичным из всех КПГ. Похоже, вы согласны с этой точкой зрения: согласно вашей статье, глюкозепан является главным виновником образования поперечных связей в ВКМ.

Глюкозепан — действительно самый распространенный КПГ в организме человека, и это может представлять огромную проблему. Во-первых, нам нужно найти подходящую животную модель для тестирования потенциальных лекарств, которые могут разрушать перекрестные связи. В настоящее время наиболее популярные модели — мыши и крысы — не подходят, поскольку большинство сшивок в их ВКМ имеют метилглиоксальное происхождение. Во-вторых, глюкозепан, по-видимому, лишен каких-либо слабых мест, в отличие от альфа-дикетоновых сшивок, которые могут быть разрушены препаратом “алагебриум”. Наконец, я лично не думаю, что мы можем создать фермент, который разрушает поперечные связи глюкозепана просто потому, что ферменты — это большие молекулы, которые не могут поместиться между коллагеновыми фибриллами, которые поперечно сшиваются друг с другом в результате чего возрастает плотность их упаковки. Кроме того, глюкозепан является нефлуоресцентным КПГ, поэтому его нельзя обнаружить с помощью неинвазивного оборудования, такого как считыватель КПГ.

Говоря о потенциальных препятствиях в поиске методов лечения жесткости ВКМ, думаете ли вы, что они могут быть непреодолимыми, или это просто вопрос времени, когда мы найдем способы эффективно обратить вспять этот процесс?

Лично я не верю, что разорвать перекрестные ссылки невозможно, но я считаю, что это чрезвычайно сложная задача. На разработку разрушителя глюкозепана в одной лаборатории могут уйти десятилетия.

Как вы думаете, область исследований долголетия в целом движется в правильном направлении? Вы с оптимизмом смотрите в будущее?

На самом деле, нет. Я знаю только одну лабораторию, которая занимается разработкой разрушителя глюкозепана. Это чрезвычайно сложная проблема, и для ее решения нужны совместные усилия нескольких лабораторий по всему миру. Я не впечатлен сенолитиками, так как в настоящее время результаты находятся на одном уровне с ограничением калорий. Подумайте об этом: мы не можем превзойти метод, который существует уже более века! Нам также не хватает хороших кандидатов на генную терапию, которая бы замедляла скорость старения. Да, все верно: большинство манипуляций с генами у мышей, которые увеличивают продолжительность жизни, делают это за счет снижения смертности, зависящей от возраста, а не скорости старения [10]!
Итак, я бы сказал, что нам необходимо изменить фокус.

Литература

[1] Fedintsev, A., & Moskalev, A. (2020). Stochastic non-enzymatic modification of long-lived macromolecules-a missing hallmark of aging. Ageing Research Reviews, 101097.

[2] Robert, L., Robert, A. M., & Fülöp, T. (2008). Rapid increase in human life expectancy: will it soon be limited by the aging of elastin?. Biogerontology, 9(2), 119-133.

[3] López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2013). The hallmarks of aging. Cell, 153(6), 1194-1217.

[4] Ünal, E., Kinde, B., & Amon, A. (2011). Gametogenesis eliminates age-induced cellular damage and resets life span in yeast. Science, 332(6037), 1554-1557.

[5] Sun, Y., Li, W., Lu, Z., Chen, R., Ling, J., Ran, Q., … & Chen, X. D. (2011). Rescuing replication and osteogenesis of aged mesenchymal stem cells by exposure to a young extracellular matrix. The FASEB Journal, 25(5), 1474-1485.

[6] Segel, M., Neumann, B., Hill, M. F., Weber, I. P., Viscomi, C., Zhao, C., … & Sharma, A. (2019). Niche stiffness underlies the ageing of central nervous system progenitor cells. Nature, 573(7772), 130-134.

[7] Vafaie, F., Yin, H., O’Neil, C., Nong, Z., Watson, A., Arpino, J. M., … & Pickering, J. G. (2014). Collagenase-resistant collagen promotes mouse aging and vascular cell senescence. Aging Cell, 13(1), 121-130.

[8] Choi, H. R., Cho, K. A., Kang, H. T., Lee, J. B., Kaeberlein, M., Suh, Y., … & Park, S. C. (2011). Restoration of senescent human diploid fibroblasts by modulation of the extracellular matrix. Aging cell, 10(1), 148-157.

[9] Pokharna, H. K., & Pottenger, L. A. (1997). Nonenzymatic glycation of cartilage proteoglycans: an in vivo and in vitro study. Glycoconjugate journal, 14(8), 917-923.

[10] de Magalhães, J. P., Thompson, L., de Lima, I., Gaskill, D., Li, X., Thornton, D., … & Palmer, D. (2018). A reassessment of genes modulating aging in mice using demographic measurements of the rate of aging. Genetics, 208(4), 1617-1630.

Перевод: Юрий Хаит, Александр Фединцев