Карманный справочник врача. Основы геронтологии

Нокаут генов и трансгенные мыши. В основе метода лежит явление гомологичной рекомбинации: обмена соответствующими участками между парами гомологичных хромосом. Марио Капекки и Оливер Смитис независимо друг от друга изобрели способ выключения (нокаутирования) генов за счет гомологичной рекомбинации с участием искусственно синтезированных фрагментов ДНК, имеющих определенную последовательность нуклеотидов, соответствующую участку одного из генов, но некоторым образом видоизмененную. Такие фрагменты вводят в выращиваемые в культуре клетки обычно методом электропорации. За счет рекомбинации в некоторых клетках культуры введенная последовательность внедряется в хромосому на место нормальной, что приводит к изменению или отмене синтеза определенного белка. Добавив другой ген, не свойственный мышиным клеткам и делающий их устойчивыми к действию, например, антибиотика, рекомбинантные клетки можно легко отделить от остальных, получив культуру только рекомбинантных клеток.

Применение метода нокаута генов стало особенно актуальным в последние годы, после завершения секвенирования (прочтения последовательности) полных геномов человека и мыши, а также ряда других видов животных. Последовательно нокаутируя различные гены в пределах мышиного генома, исследователи выясняют функции каждого из них. Учитывая, что у человека и мыши очень многие гены сходны и выполняют одни и те же функции, «нокаутные» мыши предоставляют исследователям богатый материал для изучения роли генов в нормальном развитии и жизни человеческого организма и в патологических процессах.

В последние годы бурно развиваются исследования влияния мутаций в геноме мышей на продолжительность их жизни.

Факторы роста. Особые белки, участвующие в межклеточной сигнализации и называемые факторами роста (growth factors – GF), запускают внутриклеточные каскады фосфорилирования различных белков через активацию особых клеточных ферментов – протеинкиназ.

Наиболее изучен и, видимо, важен, инсулиноподобный фактор роста (IGF-1), связывание которого с рецептором инсулина/IGF-1 на клетке активирует на внутренней мембране ее фосфоинозитол-3-киназу, что приводит к образованию низкомолекулярного посредника – фосфоинозитид-3,4,5-трифосфата, который связывается с другой киназой (3-фосфоинозитид-зависимая киназа 1 или PDK-1) и активирует (фосфорилирует) киназы Akt/PKB и SGK-1, что позволяет протекать нормальным ростовым процессам в клетке. Параллельно выключаются факторы стрессоустойчивости, такие как транскрипционный фактор FOXO. То есть наравне с нормальным ростом клетки при благоприятных условиях питания снижается стрессоустойчивость, что ускоряет старение.

Мутации генов перечисленных киназ, или сверхэкспрессия фосфатазы PTEN, блокирующей каскад этих киназ, продлевают жизнь модельным животным. При этом у мутантных животных снижаются размеры тела и скорость метаболизма.

Еще одно семейство киназ – TOR, высококонсервативное от дрожжей до человека; оно участвует в регуляции многих клеточных процессов в присутствии достаточного количества питательных веществ: роста клетки, автофагии, биогенеза рибосом, трансляции, метаболизма углеводов и аминокислот, стресс-ответа.

Выключение функции компонентов TOR-каскада фосфорилирования продлевает жизнь модельным животным – нематодам и дрозофилам, – что может быть связано с переключением программы развития и роста на программу поддержания жизнеспособности в условиях стресса, как и в случае с вышеописанным инсулин/IGF-1-сигналингом.

Стресс-индуцируемые протеинкиназы (JNK, MST-1).JNK- и MST-1-зависимые каскады фосфорилирования выполняют эволюционно-консервативную (у нематод, дрозофил, млекопитающих) функцию регуляции различных форм устойчивости к стрессам через активацию транскрипционных факторов FOXO и HSF-1. В результате сверхактивации JNK обычно наблюдается увеличение продолжительности жизни.

Деацетилазы белков (Sir2/SIRT1, Rpd3/HDAC). Деацетилазы семейства Sir2/ SIRT1 (сиртуины) в ответ на стрессовые воздействия подавляют проапоптозную функцию транскрипционных факторов р53 и FOXO, а также репрессируют гены, контролирующие участие эндоплазматической сети в стресс-ответе, способствуя выживаемости клетки и увеличению продолжительности жизни. Другая деацетилаза, Rpd3/HDAC, напротив, способствует старению, а мутация ее гена, выключающая ее активность, продлевает жизнь.