ООО "ПРОПИОНИКС"
пн-пт с 09:00 до 18:00 | +7 (966) 348-80-35 |
СОДЕРЖАНИЕ
Эпигенетика - в биологии, в частности в генетике - представляет собой изучение закономерностей эпигенетического наследования - изменения экспрессии генов или фенотипа клетки, вызванных механизмами, не затрагивающими последовательности ДНК. Эпигенетические изменения сохраняются в ряде митотических делений соматических клеток, а также могут передаваться следующим поколениям. Примерами эпигенетических изменений являются метилирование ДНК и деацетилирование гистонов.
Эпигеномом называется множество молекулярных меток, регулирующих активность генов, но не изменяющих первичную структуру ДНК.
Метилирование - введение в органические соединения метильной группы -СН3 вместо атома водорода, металла или галогена.
Метилирование ДНК - это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома. Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца (прим. ред.: динуклеотиды состоят из двух мононуклеотидных единиц, соединенных фосфатным мостиком).
Метилирование в промоторной зоне гена, как правило, приводит к подавлению соответствующего гена. Метилированный цитозин может затем окисляться особыми ферментами, что в конечном итоге приводит к его деметилированию обратно в цитозин.
Метилирование ДНК считается, в основном, присущим эукариотам. У человека метилировано около 1% геномной ДНК. В соматических клетках взрослого организма метилирование ДНК обычно происходит в CpG-динуклеотидах; метилирование ДНК вне CpG-динуклеотидов встречается в эмбриональных стволовых клетках.
Гистоны – обширный класс ядерных белков, выполняющих две основные функции: они участвуют в упаковке нитей ДНК в ядре и в эпигенетической регуляции таких ядерных процессов, как транскрипция, репликация и репарация. Существует пять различных типов гистонов H1/Н5, H2A, H2B, H3, H4. Гистоны H2A, H2B, H3, H4, называемые кóровыми гистонами (от англ. core - сердцевина), формируют нуклеосому, представляющую собой белковую глобулу, вокруг которой накручена нить ДНК. Гистон H1/H5, называемый линкерным гистоном (от англ. link - связь), связывается с внешней стороной нуклеосомы, фиксируя на ней нить ДНК. В хроматине гистоны составляют 25-40% сухого веса. Благодаря высокому содержанию лизина и аргинина гистоны проявляют сильно оснóвные свойства. Гистоны непосредственно контактируют с ДНК и способны нейтрализовать отрицательный заряд фосфатных групп ДНК за счёт положительных зарядов аминокислотных остатков. Последовательность аминокислот в этих белках является консервативной и практически не различается в организмах различных таксонов. Гистоны присутствуют в ядрах эукариотических клеток; у бактерий гистонов нет, но они выявлены у архей группы Euryarchaea.
Хроматин в геноме человека содержит около 10 тысяч петель, они способны исчезать и появляться снова. Предполагается, что петли способны участвовать в активации генов. Возникновению петель способствуют два белка: CTCF и когезин.
Хроматин - нуклеопротеид, составляющий основу хромосом. Состоит из ДНК и белков (главным образом гистонов). Хроматин находится внутри ядра клеток эукариот и входит в состав нуклеоида у прокариот. Именно в составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК.
До 25-40% сухого веса хроматина составляют гистоновые белки. Гистоны являются компонентом нуклеосом, надмолекулярных структур, участвующих в упаковке хромосом. Нуклеосомы располагаются довольно регулярно, так что образующаяся структура напоминает бусы. Нуклеосома состоит из гистонов четырёх типов: H2A, H2B, H3 и H4. Эти гистоны называются кóровыми. В одну нуклеосому входят по два кóровых гистона каждого типа - всего восемь белков. Линкерный гистон H1, более крупный, чем кóровые гистоны, связывается с ДНК в месте её входа на нуклеосому.
Нить ДНК с нуклеосомами образует нерегулярную соленоид-подобную структуру толщиной около 30 нанометров, так называемую 30 нм фибриллу. Дальнейшая упаковка этой фибриллы может иметь различную плотность. Если хроматин упакован плотно, его называют конденсированным или гетерохроматином, он хорошо видим под микроскопом. ДНК, находящаяся в гетерохроматине не транскрибируется, обычно это состояние характерно для незначащих или молчащих участков. В интерфазе гетерохроматин обычно располагается по периферии ядра (пристеночный гетерохроматин). Полная конденсация хромосом происходит перед делением клетки.
Если хроматин упакован неплотно, его называют эухроматином. Этот вид хроматина гораздо менее плотный при наблюдении под микроскопом и обычно характеризуется транскрипционной активностью. Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов - ацетилированием, фосфорилированием, метилированием и другими модификациями.
Считается, что в ядре существуют так называемые функциональные домены хроматина (ДНК одного домена содержит приблизительно 30 тысяч пар оснований), то есть каждый участок хромосомы имеет собственную «территорию». Вопрос пространственного распределения хроматина в ядре изучен пока недостаточно.
На рисунке: представление структуры хроматина, включая гистоны и ДНК, которые становятся доступными для эпигенетических меток (факторов для механизмов метилирования ДНК, модификации гистонов и т.п.) - химических групп, активирующих и инактивирующих гены.
«…Эпигенетика относится к технологиям, которые в ближайшее время перевернут нашу жизнь. Если прошлый век был веком генетики (расшифрован геном), то наше столетие – время эпигенетики…. Сегодня эпигенетика получила материальные доказательства, раскрыта природа эпигенетических сигналов...»
Б. Ванюшин, профессор МГУ, доктор биологических наук, член-корр. РАН. Один из пионеров эпигенетики в России, автор фундаментальной работы «Материализация эпигенетики или Небольшие изменения с большими последствиями»
Эпигенетика изучает наследование функций гена, не связанных с первичной структурой ДНК. «Эпи» – от греческого «над», «вне». Эпигенетика – это своего рода «над-генетика». Наследование по механизмам эпигенетики определяется не молекулами наследственности (ДНК и РНК), а их ближайшим окружением. Закономерности эпигенетического наследования обусловлены воздействием внешней среды на экспрессию генов. При эпигенетическом воздействии последовательность нуклеотидов ДНК остается неизменной, но происходит выбор генов, которые будут экспрессироваться. При этом экспрессия (проявление) одних генов активируется, других, наоборот, подавляется. Обратимые изменения активности генов, не связанные с нарушением структуры и кодирующей способности ДНК, называются эпигенетическими. Многие процессы, протекающие в организме, находятся под эпигенетическим контролем. Лучшим примером эпигенетических изменений является процесс дифференцировки клеток человека.
Сегодня все большее подтверждение находит одна из наиболее дерзких и вдохновляющих эпигенетических гипотез о том, что Homo sapiens может подобрать ключи к механизмам управления генами и, возможно, ему станут подвластны такие физические процессы, происходящие в организме, как старение. Генами можно управлять, целенаправленно воздействуя на их экспрессию. На этом строятся современные подходы к медицине здоровья и долголетия.
В основе эпигенетической терапии лежит регуляция уровня экспрессии генов без изменения нуклеотидной последовательности ДНК.
Экспрессия генов может регулироваться на всех стадиях процесса: и во время транскрипции, и во время трансляции, и на стадии пострансляционных модификаций белка. Ген, как лампочка, может пребывать в двух состояниях – включенном или выключенном. Это состояние определяется молекулярными механизмами, которые регулируют проявления (экспрессию) 30 тысяч генов в разных клетках.
Механизмы эпигенетического регулирования – это метилирование ДНК, ремоделирование хроматина, регуляция на уровне РНК (РНКинтерференция), прионизация белков и инактивация X-хромосом.
Экспрессия генов – это процесс, в ходе которого наследственная информация от гена (сегмента последовательности нуклеотидов ДНК) преобразуется в функциональный продукт – РНК или белок.
Основные механизмы подавления экспрессии генов – метилирование ДНК, компатизация хроматина, деацетилирование гистонов. В свою очередь, процессы деметилирования ДНК, декомпатизации хроматина или ацетилирования гистонов приводят к активации генов.
Метилирование ДНК – наиболее изученный механизм реализации эпигенетического кода и регуляции уровня экспрессии генов.
Процесс ДНК метилирования катализируется ферментом ДНК метилтрансферазой, который способствует переносу метильной группы (СН3) на цитозин, стоящий перед гуанином в нуклеотидной последовательности.
У человека метилирование осуществляется с помощью ферментов DNMT1, DNMT3a, DNMT3b. Предполагается, что DNMT3a и DNMT3b - de novo метилтрансферазы, функционирующие на ранних стадиях развития в процессе эмбриогенеза, когда происходит формирование паттерна метилирования конкретных генов. Паттерн (профиль метилирования) затем сохраняется в ряду клеточных поколений.
Метилтрансфераза DNMT1 поддерживает профиль метилирования ДНК на более поздних стадиях развития организма в митотически размножающихся клетках. Фермент DNMT1 отвечает за присоединение метильной группы на комплементарной цепи при репликации ДНК. Поддерживающее метилирование вновь синтезированной цепи ДНК осуществляется в тех же сайтах, где в исходной цепи содержались метилированные CpG (цитозин-гуанин) динуклеотиды. Благодаря этому в первые минуты после репликации профиль метилирования дочерней нити ДНК воссоздается по образцу материнской и дочерней клетке передается эпигенетическая информация. Поддерживающее метилирование активизируется при каждом клеточном делении.
Профиль метилирования, влияющий на функциональное состояние гена, передается в ряду клеточных поколений. Несмотря на то, что метилирование является наследуемой модификацией, этот процесс оказывается обратимым под воздействием деметилирующих агентов или ферментов. Как правило, неактивный ген соединен с метильной группой. Когда в результате химических реакций метильная группа отделяется от гена, то происходит деметилирование и активизация гена. Установлено, что даже незначительные изменения в степени метилирования ДНК могут существенно изменять уровень экспрессии генов.
На ДНК в определенных местах в буквальном смысле надстраиваются группы атомов – метильные группы СН3. ДНК метилтрансфераза «метит» специфические последовательности ДНК, что привлекает к району промотора белки, способствующие подавлению транскрипции. В частности, белок МеСР2, который содержит домен, репрессирующий транскрипцию.
Метильные группы могут заставить гены «замолчать». Этим обусловлено разнообразие клеток организма при одной и той же ДНК. По сути, клетки отличаются друг от друга тем, что в клетках одного типа «молчат» одни гены, а в других – другие. «Говорят» только те гены, продукты которых необходимы в настоящий момент. Так происходит в течение всей жизни. Каждый раз во время своего деления новые клетки, расходясь, забирают вместе со своей «порцией» ДНК также сопутствующий ей, специфический для каждого клеточного типа, эпигенетический фактор.
Другим эпигенетическим механизмом изменения активации генов является компактизация-декомпактизация хроматина.
В последние годы стало ясно, что механизм компактизации-декомпактизации хроматина напрямую связан с репрессией – дерепрессией локализованных в нем генов. Доказано, что формирование «закрытой структуры» хроматина приводит к инактивации гена.
Хроматин – это вещество хромосом – комплекс ДНК, РНК, белков. Хроматин находится внутри ядра клеток человека. В составе хроматина происходит реализация генетической информации, а также репликация и репарация ДНК. Основную массу хроматина составляют белки гистоны.
Гистоны - относительно небольшие белки с очень большой долей положительно заряженных аминокислот (лизина и аргинина); положительный заряд помогает гистонам крепко связываться с ДНК, которая заряжена отрицательно.
Гистоны необходимы для сборки и упаковки нитей ДНК в хромосоме. Гистоны формируют дискообразную белковую структуру, вокруг каждой из которых спирали ДНК делают два оборота. Гистоны образуют скелет, на который плотно навивается молекула ДНК. От плотности расположения гистонов в активно экспрессирующихся участках генома зависит интенсивность экспрессии генов.
Плотность упаковки хроматина во многом определяется модификациями гистонов – ацетилированием/деацетилированием, фосфорилированием. Эти химические модификации изменяют силу взаимодействия между ДНК и гистонами, влияя на доступность нуклеотидных последовательностей для факторов транскрипции и изменяя скорость транскрипции. Степень ацетилирования гистонов определяется активностью ферментов гистонацетилтрансферазы (НAT) и деацетилазы (NDAC). Известно что ацетилированные гистоны признак транскрипционно активного хроматина. Гистоны целенаправленно модифицируют на тех промоторах, которые требуется активировать.
Деацетилирование гистонов является важным компонентом механизма репрессии. Оно ремоделирует структуру хроматина, повышая степень его компактизации, что приводит к репрессии транскрипции.
|
«Включение» гена происходит за счет ацетилирования гистонов. Ацетилирование гистонов снимает репрессию. Сниженное сродство ацетилированных гистонов с ДНК приводит к разрыхлению структуры хроматина и к увеличению траскрипционной активности генов.
|
Метилирование ДНК и модификация гистонов совместно определяют особенности упаковки хроматина, от которой зависит, какие гены «включаются» или «выключаются». Сегодня уже известно, что «выключение» генов осуществляется при помощи метилирования ДНК (прикрепления к цитозиновым основаниям ДНК метильной группы СН3). А «включение» происходит за счет ацетилирования гистонов (белков в составе хроматина, необходимых для сборки и упаковки ДНК).
Эпигенетические метки, такие как метилирование, модификации гистонов сохраняются при клеточном делении и передаются дочерним клеткам. У клеток есть память.
В результате химических модификаций ДНК или белков-гистонов изменяется активность генов. Для сканирования наследственной информации, специфическим ферментам необходим доступ к соответствующему фрагменту ДНК. Он возможен лишь в случае неплотного контакта ДНК и гистонов. Ослабление связи между ними обеспечивается химической модификацией их концевых участков - «хвостов». Без нее ДНК остается плотно упакованной и ген не активируется.
Человеческое население стареет. Как старение, так и возрастные заболевания связаны с увеличением количества стареющих клеток в организме. Стареющие клетки не делятся, но метаболически активны и влияют на окружающую среду, секретируя многие белки, благодаря феномену, известному как секреторный фенотип, связанный со старением (SASP). Стареющие клетки отличаются от молодых клеток несколькими особенностями. Они обладают более поврежденной ДНК, более нарушенными митохондриями и повышенным уровнем свободных радикалов, которые вызывают окисление макромолекул. Однако не только биохимические и структурные изменения связаны со старением. Стареющие клетки имеют измененную структуру хроматина и, как следствие, измененную экспрессию генов. С возрастом уровень гетерохроматина снижается, и менее конденсированный хроматин более склонен к повреждению ДНК. С одной стороны, некоторые генные промоторы легко доступны для транскрипционного механизма; с другой стороны, некоторые гены более защищены (локально повышенный уровень гетерохроматина).
На рисунке: ДНК, гистоны и химические модификаторы
Структура хроматина точно регулируется эпигенетической модификацией ДНК и посттрансляционной модификацией гистонов. Метилирование ДНК ингибирует транскрипцию, метилирование гистонов в основном приводит к более конденсированной структуре хроматина (за некоторыми исключениями), а ацетилирование играет противоположную роль. Модификация ДНК и гистонов регулируется, в частности, факторами, присутствующими в рационе. Это означает, что соединения, содержащиеся в ежедневной пище, могут изменять экспрессию генов, защищать клетки от старения и, следовательно, защищать организм от старения. Некоторое время преобладало мнение о том, что соединения из рациона действуют не через непосредственное регулирование процессов в организме, а через изменение физиологии микробиома. В этом обзоре мы попытаемся объяснить роль некоторых пищевых соединений, которые, действуя на эпигенетическом уровне, могут защитить организм от возрастных заболеваний и замедлить старение. Мы также пытаемся пролить свет на роль микробиома в этом процессе.
Старение определяется как непрерывное накопление вредных изменений во всем организме из-за нарушения функционирования многих тканей и органов. С возрастом наблюдаются постоянная потеря функции мышечной и скелетной систем, нарушения памяти и повышенная уязвимость, например, к инфекциям [1]. Возраст является основным фактором риска для некоторых заболеваний, называемых возрастными заболеваниями (ARD - Age-Related Disease). Старение связано с хроническим воспалением низкой степени тяжести, которое, вероятно, является как причиной, так и результатом увеличения возраста [2]. Поскольку население людей старше 65 лет очень быстро увеличивается, становится необходимым разработать некоторые новые подходы для улучшения качества их жизни. Общепринято, что гораздо разумнее защищать от старения, чем лечить конкретное заболевание, особенно с учетом того, что возрастные заболевания обычно возникают совместно, что влечет за собой необходимость принимать множество различных лекарств, которые очень часто действуют антагонистично [3]. Чтобы замедлить старение и уменьшить или отложить ARD, необходимо разработать четко определенные и эффективные стратегии. Эти стратегии предпочтительно должны быть совместимы с нашим стилем жизни и привычками. Такое отношение не должно быть сложным и вписываться в нормальное повседневное функционирование. В настоящее время никого не нужно убеждать, что ежедневная диета является одним из важнейших элементов нашего здоровья и благополучия. Существующие данные ясно показывают, что то, что мы едим и сколько мы потребляем, определяет наш запас здоровья. Одним из наиболее убедительных примеров является население острова Окинава, на котором число долгожителей (людей старше 100 лет) является самым высоким в мире. Диагностированная причина такой продолжительной жизни - более низкое потребление калорий [4,5].
Наблюдения за некоторыми полезными эффектами, оказываемыми диетой, подтверждаются большим количеством научных данных. Определенные механизмы такого воздействия уже определены и определенные молекулярные факторы были признаны. Было доказано, что процесс старения является податливым и что с помощью соответствующих процедур мы можем влиять на темпы и ход старения и ARD [6]. Однако в настоящее время наиболее ценным антивозрастным вмешательством является ограничение калорийности или некоторые подходы, имитирующие его [7]. К таким действиям относятся: строго определенный образ жизни, состоящий из правильного здорового питания, легкой физической активности и избегания, в широком смысле, стресса. Поскольку уже хорошо известно, что старение можно изменить, наше осознанное отношение должно помочь увеличить продолжительность нашего здоровья и, возможно, также продолжительность жизни.
Было задокументировано, что одной из наиболее признанных причин старения является клеточное старение. Во-первых, было замечено, что стареющие клетки накапливаются со старением во многих тканях [8,9,10], а затем было доказано, что элиминация таких клеток улучшает функционирование организма и немного увеличивает продолжительность жизни модельных животных [11,12,13]. Снижение количества стареющих клеток было достигнуто в основном у генетически модифицированных животных, что невозможно у людей. Негенетическое уничтожение стареющих клеток нелегко, но недавние исследования показали, что это возможно. Интенсивно развивается новый подход, называемый сенотерапией, и были получены некоторые многообещающие результаты, которые могут быть переданы человеку [14].
Одним из наиболее ярких и значимых изменений, наблюдаемых в стареющих клетках, является модификация структуры хроматина [15]. Роль генотипа в старении и долголетии является важным вопросом, однако все больше доказательств показывает, что роль эпигенетики не может быть проигнорирована и может быть столь же или, в некоторых ситуациях, даже более важной, чем генетический профиль. На эпигенетические изменения могут влиять различные факторы внешней среды [16,17,18,19]. Функциональные пищевые продукты и нутрицевтики, по-видимому, относятся к числу наиболее важных [19], поскольку они могут способствовать здоровью и долголетию и предотвращать ARD [20]. Более низкое глобальное уплотнение хроматина и локально повышенная конденсация приводят к повышенной уязвимости клеточного ядра к разрушению, а также могут изменять экспрессию генов. Это связано с эпигенетическими и посттрансляционными модификациями ДНК и гистонов соответственно. Приобретенные эпигенетические метки наследуются потомством, что наглядно доказывает их значимость. Более того, манипулирование эпигенетическими модификациями кажется менее сложным и не вызывает никаких этических сомнений, как и генетическое вмешательство. Питательные вещества могут изменять эпигенетические метки; Однако влияние диеты на хроматин не всегда может быть прямым. Есть некоторые предположения, что влияние может быть опосредовано микробиомом [17]. Состав кишечных бактерий зависит от возраста и различается по состоянию здоровья и заболеваниям [21]. Пожилое население очень часто страдает от пагубных изменений некоторых биологических функций, которые связаны с перестройкой кишечной микробиоты. Было доказано, что питательные вещества участвуют в формировании состава микробиоты, что дает надежду на то, что хорошо составленная диета может облегчить некоторые возрастные нарушения. Было доказано, что питательные вещества участвуют в формировании состава микробиоты, что дает обещание, что правильно составленная диета может облегчить некоторые возрастные нарушения. Роль микробиома в старении интенсивно изучается, и считается, что состав и качество микробиома могут определять продолжительность жизни [22]. В этом обзоре будут обсуждаться связи между диетой, микробиомом и структурой хроматина.
Старение связано с некоторыми особенностями, которые характерны для всех пожилых людей; Однако возрастные заболевания не влияют на всех из них одинаково. К распространенным возрастным проблемам со здоровьем относятся: нарушение зрения и слуха, саркопения, остеопороз, повышенная уязвимость к инфекциям, нарушение заживления ран и снижение эластичности кожи. С возрастом возрастает риск возникновения ARD, к которым относятся: нейродегенеративные заболевания (например, болезни Альцгеймера и Паркинсона, AD и PD соответственно), сердечно-сосудистые заболевания (гипертония и атеросклероз), диабет II типа, заболевания легких (хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) и идиопатический фиброз легких (IPF)), остеоартроз, катаракта, глаукома и некоторые виды опухолей (например, рак молочной железы, толстой кишки, рак легких) [1]. Было задокументировано, что в тканях и органах, пораженных всеми возрастными заболеваниями, увеличивается количество стареющих клеток [1,23,24,25,26,27,28]. По этой причине роль клеточного старения в старении и ARD нельзя игнорировать. Таким образом, клеточное старение интенсивно изучается, и есть примеры, показывающие, что улучшение функционирования организма связано с ослаблением фенотипа старения [29], и наоборот, за уничтожением стареющих клеток следует снижение некоторых возрастных нарушений. [11,12].
Клеточное старение не всегда вредно, так как оно может появиться в зависимости от его вовлеченности в процесс старения и ARD. Функция этого основного клеточного процесса сложна, и актуальность старения зависит от возраста организма [30]. Старение необходимо для правильного формирования тела во время эмбрионального развития [31,32]. В молодом организме оно выполняет полезную функцию в регенерации тканей, в защите от фиброза [33,34] и в качестве барьера от рака (прекращение пролиферации поврежденных клеток) [30]. Однако в старом организме количество стареющих клеток увеличивается. Они участвуют в генерации хронического воспалительного состояния слабой степени за счет избыточной секреции определенных белков (секреторный фенотип, связанный со старением, SASP) и усиленной продукции активных форм кислорода (АФК). Такие свойства стареющих клеток приводят к изменениям микроокружения, способствующим прогрессированию опухоли, снижению регенеративного потенциала и обновлению тканей, а также к старению соседних нестареющих клеток.
Клеточное старение может происходить в результате укорочения теломер, и тогда оно называется реплицирующим старением, или как реакция на стресс и затем называется стресс-индуцированным преждевременным старением (SIPS) [35,36]. Старение может быть вызвано внутренними (выработка АФК, метаболические нарушения, чрезмерная экспрессия онкогенов, повреждение ДНК, ER-стресс, а также генетическими и эпигенетическими изменениями, например дисфункцией структуры хроматина) или внешними (воздействие физических или химических факторов) стимулами [37,38].
Клеточное старение перечислено как один из девяти признаков клеток, которые способствуют старению: геномная нестабильность, истощение теломер, эпигенетические изменения, истощение стволовых клеток, измененное межклеточное общение, клеточное старение, дисфункция митохондрий, потеря протеостаза, нарушение регуляции чувствительности к питанию [39]. Однако все перечисленные особенности тесно связаны с клеточным старением. Либо они могут привести к старению клеток (нестабильность генома, истощение теломер, эпигенетические изменения, митохондриальная дисфункция и потеря протеостаза), либо являются результатом старения (истощение стволовых клеток, изменение межклеточной коммуникации, нарушение регуляции чувствительности к питательным веществам).
Стареющие клетки характеризуются множественными изменениями в морфологии, физиологии и биохимии клеток (суммировано на рисунке 1). Первой наиболее важной и существенной особенностью старения является постоянное прекращение распространения. Однако старение касается не только компетентных по пролиферации клеток, но и постмитотических клеток, таких как нейроны, клетки скелетных мышц и миоциты сердца [40]. Наиболее известные маркеры старения включают: повышенную активность лизосомального фермента, ассоциированную со старением β-галактозидазу (SA-β-gal), повышенный уровень ингибиторов клеточного цикла (p21, p16), повышенную частоту повреждения ДНК и активацию пути ответа на повреждение ДНК (DDR), увеличивающий продукцию и секрецию компонентов SASP (побочным эффектом является индукция старения в соседних клетках), а также изменения структуры хроматина и экспрессии генов [33,41]. До сих пор не существовало универсального маркера старения клеток. Наиболее распространенной причиной старения клеток является повреждение ДНК [38,42,43]. Однако есть несколько примеров, показывающих, что клетки претерпевают старение без разрывов ДНК [38,40,44]. В настоящее время существует предположение, что старение является реакцией на широко понимаемые стрессовые состояния. Есть несколько примеров, показывающих, что старение клеток может быть результатом ретикулярного стресса, нуклеолярного стресса, изменений хроматина, активации пути DDR без повреждения ДНК и осмотического стресса [38].
Рисунок 1. Глобальные изменения и маркеры старения клеток. Во время старения часто наблюдается накопление стареющих клеток. Стареющие клетки характеризуются постоянной остановкой клеточного цикла, увеличенным размером, повышенной активностью связанной со старением β-галактозидазы (SA-β-gal) и более высокими уровнями ингибиторов клеточного цикла р16 и/или р21. Кроме того, стареющие клетки выделяют различные белки, такие как цитокины, факторы роста и протеазы. Это явление обычно называют старением, связанным с секреторным фенотипом (SASP). Ядерные изменения проявляются нарушением структуры ядерной ламины (например, вследствие пониженной регуляции белка Lamin-B1), локальной конденсацией хроматина в виде ассоциированных со тарением гетерохроматиновых очагов (SAHF) и ДНК-рубцами (сегментами ДНК с изменениями хроматина, усиливающими старение), которые образуются в ответ на повреждение ДНК.
Исследования механизма старения привели к разработке определенных антивозрастных подходов, которые доказали свою ценность на животных моделях. Некоторые из наиболее многообещающих подходов включают ограничение калорий / рациона питания (CR / DR), которое снижает потребление калорий, не вызывая недоедания, и некоторые виды деятельности, имитирующие его, такие как определенные питательные микроэлементы или легкая физическая активность [45,46]. Было показано, что ограничение диеты эффективно у нескольких видов (дрожжи, плодовые мушки, нематоды, крысы, собаки, приматы) [7,47,48,49]; однако, это трудно применить к людям. Тем не менее, аналогичный подход, а именно прерывистое голодание (IF), дал сопоставимые результаты [50,51]. Эффекты CR связаны не только с увеличением продолжительности жизни, но, прежде всего, с улучшением периода здоровья, то есть облегчением нейродегенерации, саркопении, сердечно-сосудистых и метаболических заболеваний и снижением заболеваемости раком [52,53,54]. У людей кратковременное ограничение калорий (CR) увеличивало множественные маркеры метаболического и сердечно-сосудистого здоровья [55]. Есть несколько предложений относительно полезных эффектов механизма, участвующего в CR. Роль при CR приписывается группе ферментов, участвующих в регуляции многих клеточных процессов, необходимых для поддержания гомеостаза, а именно сиртуинов, рассмотренных в [7]. Сиртуин 1 и 6 (SIRT1 и 6) активно участвуют в модуляции структуры хроматина путем деацетилирования гистонов и оказывают влияние на метилирование ДНК. Уровень почти всех сиртуинов повышен благодаря CR [56]. С другой стороны, экспрессия и активность этих ферментов уменьшаются с возрастом [7,44,57]; кроме того, SIRT1 и 3 были предложены в качестве маркеров слабости, одной из наиболее характерных черт, связанных со старением [58].
Основные сигнальные пути, участвующие в долголетии, и, следовательно, предполагаемые в качестве мишени для вмешательства при старении, включают передачу сигналов mTOR-S6K и ось GH / IGF-1, которые требуют AMPK и специфических сиртуинов [54]. Они взаимосвязаны и регулируются. Ингибирование mTOR и IGF-1 или его рецептора является признанным подходом к увеличению продолжительности жизни, рассмотренным в [7]. Путь mTOR – S6K ингибируется AMPK, который регулирует и регулируется сиртуинами. SIRT1, в свою очередь, участвует в пути p53, который противодействует передаче сигналов IGF-1 [59].
Генетический материал всех эукариот ограничен высокоорганизованным ядром размером всего в несколько микрон. Чтобы поместиться в такой ограниченный объем, на гистоновые октамеры намотаны сегменты двухцепочечной ДНК длиной 146 кб, образующие основную структуру нуклеосомы. Затем нуклеосомы дополнительно конденсируются линкерными гистонами и каркасными белками в хроматин более высокого порядка. Хроматин заключен в двойную ядерную мембрану, усеянную комплексами трансмембранных белков-нуклеопоринов. Внутренняя мембрана выстлана сеткой промежуточных нитей, а именно ламинами, которые постоянно взаимодействуют с доменами хроматина [60,61].
Эпигенетика определяется как изучение наследуемых изменений в функции генов, которые не влекут за собой никаких изменений в последовательности ДНК [62]. Эпигеном действует как молекулярная связь между геномом и окружающей средой. Воздействие на окружающую среду связано с образом жизни, включая диету, физическую активность, стрессоры, воздействие химических веществ и пагубные привычки, такие как курение и злоупотребление наркотиками. Все эти факторы способны изменять эпигенетический ландшафт и благоприятствовать фенотипу заболеваний, связанных со старением. К эпигенетическим механизмам относятся: метилирование ДНК, модификации гистонов и посттранскрипционная регуляция экспрессии генов некодирующей РНК (микроРНК, миРНК) [63]. Эти процессы способны синергически и совместно регулировать экспрессию генов путем изменения организации хроматина и доступности ДНК. Хотя эпигенетические метки в значительной степени наследуются, эпигенетический ландшафт не дается раз и навсегда. Он постоянно подвержен постоянным колебаниям в течение всей жизни и глубоко изменяется в стареющих организмах. Однако полученный профиль экспрессии генов может быть относительно легко модифицирован фармацевтическими препаратами [64], физическими упражнениями [65], диетой [66] и даже кишечной микробиотой [67].
Одним из ярких примеров эпигенетической модификации является метилирование ДНК, которое характеризуется ковалентным переносом метильной группы из S-аденозилметионина (SAM) в пятое положение цитозинового кольца (5 mС) в цитозин-фосфат-гуаниновом (CpG) динуклеотиде. Метилирование ДНК у позвоночных в основном ограничивается CpG-сайтами (CpG), и 60–80% CpG в геноме человека метилированы. Приблизительно 7% CpGs расположены на CpG-островках (CGIs), которые являются областями высокой CG-плотности [68]. В зависимости от количества метилированных цитозинов в сайте ДНК может быть либо гипо-, либо гиперметилированной. Гиперметилирование CpG-островков связано с репрессией транскрипции и молчанием генов, тогда как гипометилирование с активацией транскрипции [69]. Это часто относится к островкам CpG (CGIs) в промоторных областях определенных генов. Примерно 60-70% генов имеют CpG-островок внутри своих промоторов [70]. Хотя эти области считаются в основном неметилированными [71], это состояние резко меняется при таких патологических состояниях, как рак, или, что самое главное, во время старения.
CpG-сайты или CG-сайты – это области ДНК, в которых за нуклеотидом цитозина следует нуклеотид гуанина в линейной последовательност оснований и вдоль его направления 5' → 3'. Участки CpG встречаются с высокой частотой в геномных областях, называемых CpG-островами (или CG-островами). На рисунке: Сайт CpG, т. е. последовательность нуклеотидов "5'—C—фосфат—G—3", указывается на одной нити ДНК (желтым). На обратной нити ДНК (синим) показан комплементарный 5'—CpG—3' Сайт.
По мере старения организма наблюдается гиперметилирование тканеспецифических генов или генов, кодирующих транскрипционные факторы [72,73], в отличие от глобальной потери метилирования [74,75], что приводит к резким изменениям профиля экспрессии генов по сравнению с молодыми контрольными группами. Этот феномен нашел свое применение в нескольких недавно созданных "эпигенетических часах", где биологический и хронологический возраст можно оценить на основе уровня метилирования ДНК [76,77].
У людей были идентифицированы четыре гена ДНК-метилтрансферазы (DNMT), а именно DNMT1, DNMT2, DNMT3A и DNMT3B [78]. Три из них являются классическими метилтрансферазами (DNMT1, DNMT3A, DNMT3B), и функция DNMT2 немного противоречива. Более того, DNMT-подобный регуляторный фермент DNMT3L (ДНК-метилтрансфераза 3 типа) заслуживает упоминания. DNMT1 была первой идентифицированной метилтрансферазой и отвечает за репликацию паттерна метилирования на вновь синтезированных цепях ДНК на основе гемиметилированной матричной цепи, следовательно, она играет поддерживающую роль. С другой стороны, считается, что DNMT3A и DNMT3B метилируют ДНК de novo. Тем не менее, недавние исследования показали, что эти три фермента могут играть взаимодополняющую роль у млекопитающих [79]. Что касается DNMT3L, его нельзя классифицировать как типичную метилтрансферазу, поскольку он каталитически неактивен. Вместо этого он действует как кофактор в регуляции активности метилтрансферазы, образуя комплекс с гистоном Н3, который неметилирован на лизине 4 (4-й лизиновый остато белка гистона H3), для рекрутирования DNMT3A и осуществления метилирования ДНК de novo [80]. И последнее, но не менее важное: DNMT2 имеет сильную гомологию с другими ДНК-метилтрансферазами, хотя его активность метилтрансферазы считается незначительной [81]. В основном считается, что он играет ведущую роль в метилировании тРНК [82]. Однако недавние исследования предполагают предполагаемый вклад DNMT2 в метилирование ДНК. Халил и соавт. показывают, что активность DNMT2 в старых мышиных макрофагах значительно увеличивается, что приводит к гиперметилированию в промоторных областях генов аутофагии Atg5 и LC3B. Это приводит к снижению аутофагии, которая является одной из причин хронического воспаления, характерной чертой пожилых организмов [73]. Более того, показано, что DNMT2 активируется в репликативно стареющих фибробластах человека, что свидетельствует о его роли в регуляции долголетия. Интересно, что молчание DNMT2 приводит к изменениям уровня miRNAs, связанных с пролиферацией и опухолевым супрессором, и приводит к ингибированию пролиферации и индукции клеточного старения, опосредованного окислительным стрессом [83]. Сайленсинг (глушение) DNMT2 в фибробластах мыши приводит, среди прочего, к укорочению теломер, повышению уровня ингибиторов клеточного цикла и повреждению ДНК, что приводит к старению клеток [84]. Считается, что деметилирование ДНК является не только пассивным процессом, происходящим в результате недостатка DNMT1, но и может быть достигнуто путем активного деметилирования [19]. Метилированный цитозин окисляется до 5-гидроксиметилцитозина (5hmC) ферментами транслокации (TET), состоящими из трех членов семьи, т.е. TET1, TET2 и TET3 [85]. Эти белки могут катализировать дальнейшее окисление 5hmC до 5-формилцитозина (5fC) и 5-карбоксилцитозина (5caC), что обычно заканчивается удалением модифицированного основания путем эксцизионного восстановления или декарбоксилирования основания [86]. Как процесс деметилирования ДНК протекает in vivo, тем не менее, до сих пор изучается недостаточно. Тем не менее, разные ткани, по-видимому, накапливают 5hmC на разных уровнях [87,88], и обогащение обычно наблюдается у промоторов специфических генов [89]. Это указывает на то, что 5hmC не только служит промежуточным звеном в активном деметилировании ДНК, но также может выступать в качестве эпигенетической регуляторной метки, контролирующей экспрессию генов. 5hmC наиболее распространен в эмбриональных стволовых клетках, взрослых соматических стволовых клетках и ткани мозга [88,89], хотя локализация областей, обогащенных 5hmC, зависит от типа клетки и стадии развития. Глубокие изменения обнаруживаются в стареющем мозге мыши; исследование выявило глобальное увеличение содержания в гиппокампе 5hmc, которое не было связано с окислительным стрессом [90]. Такая же тенденция была отмечена в черной субстанции, где увеличение 5hmC наблюдалось в отличие от стриатума, который имеет стабильный статус метилирования ДНК в процессе старения [91].
Кроме того, доступность хроматина регулируется через перекрестные помехи между метилированием ДНК и модификациями гистонов. Метилированная ДНК рекрутирует гистондеацетилазы и гистонметилтрансферазы, например, фермент SuV39H1, который путем метилирования H3K9 (гистон H3 лизин 9) усиливает структуру хроматина [19]. Более того, HP-1 (гетерохроматиновый белок 1) отвечает за рекрутирование ДНК-метилтрансфераз, DNMTs [92].
Следующий уровень ядерной организации и контроля экспрессии генов касается структуры хроматина, преимущественно контролируемой посттрансляционными модификациями (PTMs) гистонов. Гистоны являются высококонсервативными ДНК-связывающими белками, которые образуют ядро нуклеосомы. Каждая нуклеосома состоит из двух копий канонических гистонов H2A, H2B, H3 и H4. Двухцепочечная ДНК наматывается на установленный октамер гистона, и весь комплекс стабилизируется линкерным гистоном H1 [93]. Каждый основной гистон (кроме H4) имеет варианты, которые отличаются по аминокислотной последовательности и могут быть синтезированы независимо от репликации ДНК как в митотических, так и в постмитотических клетках [94]. Включение вариантов гистонов, безусловно, усложняет организацию нуклеосом и контроль экспрессии генов.
Гистоны могут быть пост-трансляционно модифицированы на N-концевых хвостах, выступающих из глобулярного гистонового ядра. В зависимости от типа модификации влияние на доступность и стабильность хроматина значительно различается. Среди множества PTMs наиболее распространенными являются метилирование, ацетилирование, фосфорилирование и убиквитинирование [95]. Эти модификации точно контролируются узкоспециализированными «авторами», «ластиками» и «читателями», которые включают, удаляют и распознают PTMs в гистонах. «Авторы» включают гистонацетилтрансферазы (HATs), которые переносят ацетильную группу из ацетил-КоА на специфические остатки лизина в хвосте гистона [96], и гистон метилтрансферазы (HMTs), которые могут моно-, ди- и триметилировать остатки лизина [96].. Ацетилирование гистонов H3 и H4 приводит к открытой и активной структуре хроматина. С другой стороны, метилирование гистонов может как активировать, так и подавлять экспрессию генов. Триметилирование K4, K36 и K79 в гистоне H3 приводит к активной транскрипции, в то время как триметилирование K9, K27 и K20 связано с молчанием хроматина [97] (прим. ред.: К - стандартная аббревиатура для лизина, номер - положение аминокислотного остатка (отсчет от N-конечной точки)). Триметилирование гистона Н3 в лизине 9 (H3K9me3) катализируется метилтрансферазой Suv39H1. Этот HMT может напрямую взаимодействовать с HP-1 и регулирует уплотнение хроматина [98]. «Ластики», такие как гистондеацетилазы (HDACs и Sirtuins) и гистоновые деметилазы (HDMs), противодействуют действию HATs и HMTs и модифицируют конденсацию хроматина и экспрессию генов. «Читатели», с другой стороны, представляют собой белки, которые обладают доменами с высокой аффинностью к модифицированным сайтам гистонов для направления конкретного транскрипционного исхода [99]. Домены, которые распознают метилированные гистоны, включают домены хрома, PHD, WD40, Tudor, MBT и другие, в то время как ацетилирование гистона распознается доменами брома и тандемными PHD доменами. Интересно, что читатели могут нацеливаться на множественные PTMs в пределах гистона, нуклеосомы и даже множественных нуклеосом, и их действие может контролироваться некодирующими РНК. Кроме того, читатели могут привлекать факторы, которые участвуют в транскрипции, репликации или восстановлении повреждений ДНК [100].
С помощью гистоновых модификаторов хроматин может принимать две динамические конформации: константа транскрипционно неактивного гетерохроматина, конденсированная во время интерфазы и реплицируемая в поздней S-фазе, и эухроматин, доступный для транскрипции, деконденсированная во время интерфазы и реплицируемый в ранней S-фазе [101]. Гетерохроматин может быть далее разделен на конститутивный гетерохроматин (теломеры, перицентромерные области), богатый в H3K9me3, белок HP1 (который стабилизирует уплотнение хроматина) и H4K20me3, и факультативный гетерохроматин, характеризующийся высоким уровнем H3K27me3, который возникает временно в эухроматических областях и в отдельных эйхроматических регионах. С другой стороны, эухроматин обычно присутствует в маркерах активного хроматина, например, H3K4me3, H3K36me3 и ацетилированных гистонах H3 и H4 [102].
Сиртуины, благодаря деацетилированию гистонов, принимают участие в образовании конститутивного и Факультативного гетерохроматина. Наиболее изученными являются сиртуины SIRT1 и 6. SIRT1 участвует в деацетилировании лизина К9 в гистоне 3 (H3K9), что приводит к его триметилированию (ацетилирование К9 защищает его от триметилирования) и облегчает взаимодействие с гетерохроматиновым белком 1 α (HP1a). Такое взаимодействие удерживает хроматин в замкнутом состоянии, что приводит к глушению генов [103,104]. SIRT1 преимущественно деацетилирует H4K16, H3K9, H3K56, H3K14, H1K26 и H1K9 [104,105]. Кроме того, этот фермент влияет на конденсацию хроматина, регулируя экспрессию гистона, а также уровень и активность некоторых гистон-модифицирующих ферментов, например, он ингибирует деградацию метилтрансферазы Suv39h1 и усиливает ее активность. Он также может модулировать активность ацетилтрансферазы гистона Р300 [106,107,108]. В свою очередь, SIRT6 деацетилирует преимущественно H3K9 в промоторных областях генов, участвующих в метаболизме [109]. Также предполагается, что путем деацетилирования H3K9 в теломерных областях он может защитить клетки от дисфункции теломер [110].
МикроРНК - это небольшие (21-25 нуклеотидов) РНК, которые связываются с комплементарными зарождающимися мРНК и запускают их деградацию, приводящую к ингибированию экспрессии специфических генов. Было подсчитано, что 1% -4% генов в геноме животных кодируют миРНК [111], и вычислительный анализ предсказывает, что индивидуальная миРНК может нацеливаться примерно на 200 транскриптов [112]. Известно, что миРНК играют определенную роль в регуляции продолжительности жизни [113].
Трехмерная архитектура хроматина высшего порядка включает в себя определенные области хроматина внутри определенных доменов, называемых топологически ассоциированными доменами (TADs). Они обеспечивают благоприятную среду для регуляции экспрессии генов посредством энхансер-промоторных взаимодействий. TADs заключены в CTCF и cohesin, которые изолируют их от соседних доменов [114]. Хроматин также может быть отнесен либо к так называемому компартменту A, который состоит из транскрипционно активных, богатых генами областей ДНК, либо компартменту B, который перекрывается доменами, ассоциированными с пластинкой Lamina (LADs), и представлен в основном гетерохроматином [115]. LADs - это области гетерохроматина, обогащенные H3K9me3 и H3K27me3, которые плотно взаимодействуют с ядерной пластинкой с целью организации хромосом и стабилизации ядерной архитектуры [116].
Механизмы, ответственные за создание и поддержание структуры хроматина, приведены на рисунке 2.
Рисунок 2. Эпигенетические механизмы формирования хроматина. Структура хроматина точно контролируется путем метилирования ДНК и посттрансляционных модификаций (PTMs; метилирование, ацетилирование и т.д.), депонированных на хвостах гистонов. Включение метильной и ацетильной группы определяется гистонметилтрансферазами (HMTs) и гистон ацетилтрансферазами (HATs), в то время как удаление этих остатков достигается с помощью гистоновых деметилаз (HDMs) и гистоновых деацетилаз (HDACs и сиртуинов). Действие этих ферментов определяет расположение хроматина и влияет на транскрипцию генов. Хроматин может принимать две различные конформации, то есть гетерохроматин и эухроматин. Гетерохроматин представляет собой конденсированную и транскрипционно неактивную структуру, поддерживаемую в основном метилированием остатков лизина. Типичные модификации включают H3K27me3, H3K20me3 и H3K9me3. Эухроматин представляет собой открытую и активную конформацию. Эта структура широко распространена в ацетилированных гистонах H3 и H4, а также в H3K4me3, H3K36me3 или H3K79me3. На уровне ДНК экспрессия генов может регулироваться путем метилирования остатков цитозина с помощью ДНК-метилтрансфераз (DNMTs) и окисления метилированных цитозинов ферментами ТЕТ.
При старении картина метилирования ДНК изменяется. Наиболее явное изменение связано с глобальным снижением метилирования ДНК, наблюдаемым у разных видов, таких как мышь, крыса, корова, хомяк и человек [117,118,119]. Было продемонстрировано, что экспрессия DNMT1 (ответственного за глобальное метилирование ДНК) и DMNT3a снижается при старении, что влечет за собой снижение метилирования ДНК [120]. Однако геноспецифичное метилирование промоторов повышено, как это наблюдалось, например, в отношении рецептора эстрогена и инсулиноподобного фактора роста-2 (IGF-2) [72,101,121].
Стареющие клетки характеризуются глобальной потерей канонических гистонов как при формировании нуклеосом (“потеря " нуклеосом), так и при линкерных гистонах [122], что может происходить из-за снижения регуляции гистоновых белков, вызванного остановкой клеточного цикла. Сравнительный количественный анализ экспрессии глобального гистонового белка выявил снижение содержания гистонов Н3 и Н4 примерно на 30% и снижение оборота Н3 и Н4 в стареющих клетках на 40% [123]. Потеря гистонов также может быть результатом индуцированной аутофагии фрагментов цитоплазматического хроматина (CCFs) [124]. Стареющие человеческие фибробласты образуют CCFs, которые содержат ДНК, γH2AX (фосфорилированная форма H2AX) и репрессивные гистоновые метки (в основном H3K9me3 и H3K27me3) [125], которые затем перевариваются в лизосомах [126]. Это приводит к повышенной нестабильности генома при старении. С другой стороны, гистоновые варианты накапливаются со старением [127]. В фибробластах стареющих мышей с репликативным старением и повреждением ДНК наблюдается значительное увеличение гистонового варианта H2A.J по сравнению с пролиферирующими клетками [128]. Накопление H2A.J может способствовать экспрессии воспалительных генов, способствующих SASP. Более того, из-за повреждения ДНК также γH2AX накапливается в стареющих клетках как часть механизма ответа на повреждение ДНК (DDR) [129]. В свою очередь, пролонгированный DDR может приводить к деградации метилтрансфераз G9a и GLP, вызывая снижение уровня H3K9me2, который входит в состав конститутивного гетерохроматина [130]. Снижение H3K9me3 в промоторах генов, кодирующих IL-8 и IL-6, можно затем компенсировать ацетилированием H3K9 и H4K16, что приводит к SASP. Как показано Hayakawa и соавт., у стареющих клеток наблюдается постепенное увеличение ацетилирования H3K9 и H4K16 с одновременной понижающей регуляцией гистондеацетилазы SIRT1 [131].
Как правило, стареющие клетки демонстрируют глобальную потерю HDACs и сиртуинов [7,132], хотя некоторые области генома обогащаются ацетилированными гистонами. Например, стареющие человеческие фибробласты показывают относительно повышенные уровни H4K16ac в генных промоторах. Это препятствует упаковке хроматина более высокого порядка и приводит к открытой структуре хроматина в стареющих клетках, которая, как предполагается, способствует обмену нуклеосом [133, 134]. Более того, исследования показали, что H4K16ac является предпосылкой для индукции диметилирования H3K79, в то время как он действует как ингибитор H4K20me2 [135]. Напротив, ацетилирование K56 на H3 (H3K56ac) снижается в репликативно стареющих клетках [135], вероятно, из-за активности SIRT6 [136]. Было показано, что SIRT6 также деацетилирует H3K9ac по теломерному хроматину и сохраняет хромосомную стабильность [136]. Уровень / активность большинства сиртуинов уменьшается с возрастом. Это наблюдалось во многих тканях и во многих типах клеток in vitro (печень, артерии и клетки гладких мышц сосудов) [57,137,138]. Одной из вероятных причин снижения активности сиртуинов может быть снижение уровня NAD+.
С другой стороны, во время старения наблюдается глобальная потеря или перераспределение гетерохроматина, что приводит к повышенной нестабильности генома и измененной экспрессии генов [15]. Потеря уплотнения в основном связана с уменьшением метилирования и обычно с повышенным ацетилированием гистонов. Стареющие клетки характеризуются резким снижением H3K9me3 и SUV39H1 метилтрансферазы, HP1α и H3K27me3 наряду с EZH2 метилтрансферазой. Аналогичная тенденция потери H3K9me3 и H3K27me3 наблюдается также при нормальном старении человека и заболеваниях преждевременного старения, таких как прогеризация Хатчинсона-Гилфорда или синдром Вернера, что позволяет предположить, что глобальная потеря гетерохроматина может быть общей чертой старения [139,140]. Напротив, индуцированные онкогеном стареющие (OIS) клетки, как правило, имеют повышенные уровни репрессивных гистоновых меток (H3K9me3 и H3K27me3) по сравнению с не старыми пролиферирующими контролями [141]. Более того, перинуклеарный гетерохроматин, связанный с LAD, реорганизуется из ранее существовавшего гетерохроматина в очаги гетерохроматина, ассоциированные со старением (SAHF) [142]. SAHFs обогащены белками, ассоциированными с хроматином, а именно HP1, HMGA и макроистон 2A (mH2A). Кроме того, SAHFs имеют четко выраженную слоистую структуру: область ядра обогащена H3K9me3 [143], периферия обильна в H3K27me3 [144], в то время как активные хроматиновые метки обычно можно найти снаружи (например, H3K36me3) [145]. Что интересно, Chandra et al. показали, что, несмотря на истощение H3K9me3 и H3K27me3, клетки OIS все еще способны образовывать SAHFs [144]. Пониженная регуляция рецептора Lamin B1 и Lamin B (LBR) в клетках OIS нарушает структуру ядерной оболочки и, как следствие, отключает закрепление гетерохроматина. Более того, недавние исследования показывают, что повышенная плотность ядерных пор в OIS способствует образованию SAHF [146]. Пространство под нуклеопориновым комплексом естественным образом лишено гетерохроматина; следовательно, он перемещается из перинуклеарного во внутреннее пространство [147].
Считается, что воздействие на уплотнение хроматина (вынужденная индукция локальной конденсации хроматина) может быть достаточным для индукции старения клеток из-за его влияния на активацию пути DDR (атаксия телеангиэктазия мутированная (ATM) - и ATR-зависимая), который не связан с повреждением ДНК [148]. С другой стороны, конденсация хроматина является неотъемлемой частью нормального хода пути DDR, и неудача на этом этапе приводит к нарушению активации этого пути. Более того, подавление активности гистонацетилтрансферазы р300 было достаточным для индукции старения клеток [149].
МикроРНК и их челноки (в частности, внеклеточные везикулы) регулируют большое количество клеточных функций и физиологических процессов и в настоящее время признаны регуляторами здорового и нездорового старения [150]. В частности, роль миРНК документирована для функций мозга при старении [151,152,153]. Например, миРНК контролируют уровень двух белков, белка-предшественника амилоида (APP) и связывающего мембрану β-сайта APP-расщепляющего фермента 1 (BACE1), которые способствуют образованию амилоидных бляшек при AD [154]. При множестве патологий, связанных со старением, миРНК, подобно другим эпигенетическим регуляторам, не регулируется [155,156]. Функция миРНК в регуляции продолжительности жизни может быть как ингибирующей, так и активирующей. В экспериментальных исследованиях микроРНК были способны продлевать или сокращать продолжительность жизни модельных организмов, таких как C. elegans или мыши [113,157,158,159]. Например, потеря функциональной мутации в миРНК lin-4 C. elegans резко сократила продолжительность жизни нематоды, а избыточная экспрессия этой миРНК увеличила ее [160]. Потеря функциональной мутации в миРНК lin-14 удлиняет продолжительность жизни, которая нарушается из-за сверхэкспрессии этого типа миРНК. Обе эти миРНК, lin-4 и lin-14, регулируют путь инсулин / IGF-1. Другие миРНК, такие как miR-375, которая регулирует секрецию инсулина в мышиной островковой клетке поджелудочной железы [161] или miR-122 в мышиной печени, связаны с этим сигнальным путем [162]. Некоторые миРНК, которые нацелены на гены, кодирующие белки и ферменты, принадлежащие к путям восприятия питательных веществ, могут действовать как новые терапевтические средства. Они участвуют в диабете, а также в старении, регулируя воспаление [150] и, следовательно, могут играть ключевую роль в модуляции процесса старения.
На структуру хроматина также влияют изменения в ядерной оболочке. Внутренняя поверхность ядерной оболочки выстлана двумя типами ламинов - А и В. старение связано с истощением ламина В1 и мутациями в гене ламина А, приводящими к накоплению дефектного реламина А [163]. Это приводит к аномальной ядерной морфологии и хромосомным аберрациям. Было показано, что преламин А снижает импорт фактора репарации ДНК 53BP1 путем неправильной локализации нуклеопротеина NUP153 [164], что приводит к стойкому повреждению ДНК. В HGPS прогерин (не усеченный преламин А) закрепляется на внутренней ядерной мембране и уменьшает прикрепление H3K9me3 и H3K27me3 [165]. Гетерохроматин переходит от ядерной пластинки (нитевидная белковая сетка, созданная ламинами и белками внутренней ядерной мембраны) к центру ядра (как в OIS).
Все связанные с возрастом / старением изменения в структуре хроматина и архитектуре ядра суммированы на рисунке 3.
Рисунок 3. Изменения в архитектуре ядра и хроматина в стареющих и стареющих клетках. Ядро пролиферирующей клетки содержит высококонденсированный хроматин, обогащенный метилированными гистонами и гиперметилированной ДНК. Хроматин разделен на топологически связанные домены (TADs), заключенные в белок CTCF и когезин (не показаны). Гетерохроматические и бедные генами области, характеризующиеся наличием H3K9me3 и H3K27me3, находятся в тесном контакте с ядерной ламиной (NL), образуя ассоциированные с ламиной домены (LAD), способствуя общей стабилизации структуры ядра. Во время старения ДНК становится глобально гипометилированной, за исключением промоторов определенных генов, которые могут быть гиперметилированы. В результате паттерн экспрессии генов значительно изменяется. Точно так же нуклеосомы показывают общую потерю гистонов, приводящую к слабо уплотненному эухроматину. Снижение уплотнения также является результатом накопления ацетилированных остатков на хвостах гистонов и уменьшения их метилирования. Клетки OIS обнаруживают локальную конденсацию и перераспределение гетерохроматина в форме SAHFs. SAHFs возникают в результате отделения гетерохроматина от ядерной пластинки (из-за подавления Lamin B1 и накопления дисфункциональных преламина A и прогерина) и имеют слоистую структуру с богатым H3K9me3 ядром, окруженным H3K27me3. Снаружи обнаружены фрагменты активного хроматина (H3K36me3). Более того, локальное накопление нуклеопоринов предотвращает отложение гетерохроматина вблизи ядерной оболочки. Нарушения в структуре NL также приводят к цитоплазматическим фрагментам хроматина, которые содержат ДНК и репрессивные гистоновые метки.
Растущее количество фактических данных, полученных как в клинических, так и в экспериментальных исследованиях, указывает на то, что эпигенетическая дерегуляция, особенно метилирование ДНК, часто связана со старением и может лежать в основе этиологии хронических заболеваний, например, осложнений диабета, ССЗ (атеросклероз), рака, нарушения обмена веществ и нейродегенерации [166, 167, 168, 170, 170]. В атеросклеротических бляшках, выделенных из аорты человека, наблюдался специфический профиль метилирования ДНК. По сравнению со здоровыми контролями было обнаружено несколько гиперметилированных генов, связанных с функциями эндотелия и гладких мышц [166]. Кроме того, метилирование ДНК может представлять собой полезный биомаркер для риска заболевания, например, повышенное глобальное метилирование ДНК, которое наблюдается в лейкоцитах периферической крови (PBL) китайцев Сингапура, положительно коррелирует с увеличением частоты сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонии, диабета и ожирения [169]. Гораздо больше примеров, связывающих эпигенетические модификации с ожирением и диабетом. Было показано, что статус метилирования промоторов генов, кодирующих альфа-рецептор ретиноида X (RXRA) и эндотелиальную синтазу оксида азота (eNOS) в ткани пуповины у здоровых новорожденных, и рецептор активируемый пролифератором пероксисом g коактиватор-1a (Pgc-1a) в крови детей ассоциируется с ожирением в детском возрасте [171,172]. Эпигенетические анализы, проводимые на разных этапах жизни человека, могут быть предиктором индивидуальной уязвимости к последующему ожирению и метаболическим заболеваниям. Способность полностью изменить эпигенетическую метку была бы неоценима для лечения определенных заболеваний. Было показано, что эпигенетические изменения связаны с возрастными дисфункциями органов, как в случае старения почек [173], так и в связи со снижением иммунного ответа, связанным со старением, рассмотренным в [174]. Влияние на иммунный ответ достигается, с одной стороны, посредством изменения эпигенетического оформления промоторов и энхансеров регуляторов основных функций иммунных клеток. С другой стороны, это связано с эпигенетической регуляцией воспалительного состояния. Например, индукция воспалительных цитокинов (IL-8, MIP-1α - макрофагальный воспалительный белок 1-альфа) была вызвана потерей метилирования H3K9 в промоторных областях [175]. Более того, было показано, что повышенная возрастная нестабильность генома была связана с потерей меток гетерохроматина (H3K9me3) и снижением экспрессии Suv39H1 [176].
Однако роль эпигенетики в старении гораздо сложнее и не ограничивается только одним поколением [177]. На мышиной модели было продемонстрировано, что пожилой возраст увеличивает восприимчивость к болезням у потомства. У потомков престарелых отцов усугублялись связанные с возрастом фенотипы, сокращалась продолжительность жизни, и они были более склонны к возрастным патологиям, чем животные, родившиеся у молодых отцов. Это сопровождалось многочисленными эпигенетическими изменениями в отцовской зародышевой линии и тканях потомства, которые проявлялись в измененных состояниях активации передачи сигналов, связанных с долголетием. Во всех геномных эпигенетических исследованиях были выявлены различия в метилировании генных промоторов, которые были обогащены в случае генов, участвующих в регуляции путей долголетия, в ДНК из сперматозоидов пожилых самцов и тканей старо-отцовского потомства (повышенная активность mTORC1). Это отличный пример для демонстрации роли эпигенетики в наследовании изменений, связанных со старением, приобретенных в течение жизни. Кроме того, такие результаты дают очень убедительную причину для разработки стратегий, позволяющих избежать неблагоприятных последствий в случае пожилого возраста родителей.
Последствия диеты для здоровья можно наблюдать на долгосрочной основе, считая даже через десятилетия. Диета оказывает влияние на начало ADR и продолжительность жизни, но некоторые эффекты могут быть эффективно нейтрализованы / устранены с помощью определенных подходов [63]. Эпигенетические механизмы, опосредованные питательным эффектом, а также другие факторы окружающей среды, устанавливают определенный тип клеточной памяти. Такие модификации могут копироваться клетками во время клеточного деления и определять экспрессию генов в клетках нового поколения без изменения их первичной последовательности ДНК. Как было описано в предыдущих параграфах, участие изменений структуры хроматина в старении и старении является значительным; Таким образом, защитные подходы или подходы омоложения хроматина рассматриваются как потенциальные инструменты вмешательства против старения. Структурные изменения, с одной стороны, связаны с более высокой уязвимостью к повреждению ДНК, а с другой - с измененной экспрессией генов. Продукты, присутствующие в рационе, способны модулировать структуру хроматина и, таким образом, регулировать состав белка. Существует большое количество данных, показывающих влияние диеты на метилирование ДНК на экспрессию определенных генов в моделях на животных, рассмотренных в [19]. Некоторые данные присутствуют и для людей. Один из наиболее впечатляющих результатов касается различий в метилировании ДНК у людей, которые в период концептуального голода пережили голодную зиму в Голландии [178, 179]. Это вызвало снижение метилирования, например, гена IGF-2. Кроме того, периконцептуальные добавки фолиевой кислоты влияли на метилирование промотора IGF-2 [180]. Ограничение питания, одно из известных в настоящее время вмешательств против старения у людей, также действует путем изменения метилирования ДНК [181]. Рацион питания (DR), как правило, сильно защищает от возрастных изменений в метилировании ДНК [181]. Это связано со снижением метилирования p16 и повышенной активностью DNMT1 (потенциальное изменение глобального гипометилирования) [182,183,184]. Существует также все больше свидетельств того, что эпигеном гораздо более податлив на ранней стадии развития (до и после рождения), однако модификации возможны в каждом периоде жизни. Во взрослом возрасте пластичность эпигенома также существует, рассмотрено в [19]. Считается, что эпигенетические модификации могут быть потенциально обратимыми, и это делает эту особенность привлекательной целью для вмешательств [185].
Питательные вещества непосредственно регулируют как транскрипционные, так и трансляционные процессы и вмешиваются в метаболизм, влияя на метилирование ДНК, модификации гистонов и посттранскрипционную регуляцию генов некодирующими РНК. Диета с высоким содержанием жиров, низким содержанием белка или ограничением энергии может изменить эпигенетические метки [182,186,187].
Питание может влиять как на формирование, так и на поддержание паттерна метилирования ДНК, который может оказывать длительное воздействие на здоровье. Экспрессия генов может модулироваться как питательными, так и не питательными веществами. В настоящее время основной интерес сосредоточен на воздействии конкретных питательных микроэлементов и пищевых компонентов. К этой группе относятся природные соединения, например, полифенолы, наиболее распространенные фитохимические вещества в фруктах, овощах и напитках растительного происхождения [16]. Появляется все больше доказательств того, что полифенолы могут контролировать эпигенетические изменения, и считается, что они проявляют способность обратить вспять эпигенетические модификации, связанные с некоторыми патологиями, такими как метаболические нарушения, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания и некоторые виды рака. Таким образом, такие соединения, как флавоноиды, куркуминоиды и стильбены, являются перспективными как в профилактике заболеваний, так и во вмешательстве, поскольку они могут изменять экспрессию генов с последствиями для риска заболеваний и поддержания здоровья.
Было постулировано, что питательные и диетические факторы влияют на метилирование ДНК путем изменения доступности метильных доноров и изменения активности ферментов DNMT. К первой группе относятся микроэлементы, которые являются кофакторами ферментов, участвующих в одноуглеродном метаболизме, включая фолиевую кислоту, витамин В6, витамин В12, холин и метионин, а также те, которые могут косвенно влиять на одноуглеродный метаболизм [63]. Диетический селен вызывал дисбаланс в цикле метилирования, снижая концентрацию гомоцистеина и, как следствие, снижая его доступность для цикла метионина. Это привело к снижению глобального метилирования ДНК у крыс [188]. Модуляторы активности DNMT включают: селен, генистеин, кверцетин, куркумин и полифенолы зеленого чая, например, EGCG (эпигаллокатехин-галлат), действие которого было зафиксировано в основном в раковых клетках [189,190,191,192], а также апигентин и ресвератрол [193]. Флавоноиды из чая и фруктов способны обратить вспять гиперметилирование и, таким образом, реактивировать гены-супрессоры опухоли [194]. Селенит ингибировал связывание транскрипционного фактора AP-1 с ДНК, что, в свою очередь, уменьшало ассоциацию DNMT1 с ДНК (уменьшенное метилирование) [195,196], а селен ингибировал экспрессию DNMT [197]. EGCG может ингибировать DNMT1 непосредственно путем установки в связующий карман [194,198]. Кверцетин способен ингибировать пролиферацию раковых клеток за счет деметилирования промотора гена Р16, что приводит к усилению экспрессии этого опухолевого супрессора [199]. Очень хорошим примером связи между питанием, эпигенетикой и фенотипом является добавление в рацион матери мыши agouti (ретротранспозон, вставленный выше гена agouti, вызывает эктопическую экспрессию белка agouti, приводя к желтому меху, ожирению и диабету) фолиевой кислоты (метиловый донор) и кофакторов (витамин В12, холин и бетаин) [200] или генистеина [201]. Метилирование ДНК ретротранспозона в непосредственной близости от гена agouti восстанавливает нормальную экспрессию гена agouti, видимым маркером которого является более темный цвет волос у потомства. Кроме того, добавление метиловых доноров или генистеина самок agouti защищает потомство от ожирения (одного из факторов риска развития сахарного диабета и ССЗ), что характерно для этих мышей [201,202].
Генная регуляция может быть опосредована вторичными структурами ДНК, например, G-квадруплексами (G4) [203]. Считается, что эти высокостабильные тетрацепочечные структуры, расщепляемые ДНК-геликазами, являются причинным фактором нарушений при мутациях генов ДНК-геликазы и связаны с фенотипом преждевременного старения. Такие структуры G4 являются субъектами динамических модификаций ДНК, которые могут влиять на стабильность и целостность генома и изменять экспрессию генов. Предполагается, что пищевые питательные вещества, такие как фолат и антиоксиданты, могут стабилизировать структуры G4 [204].
В некоторых ситуациях применение фитохимических веществ, которые изменяют метилирование ДНК, может привести к неблагоприятным эпигенетическим изменениям. Такое наблюдение было сделано в случае женщин в пременопаузе, получающих изофлавоны (к которым принадлежит генистеин) в ежедневной диете [205]. Это вызвало повышенное метилирование промоторов генов-супрессоров опухолей. С другой стороны, генистеин усиливал экспрессию ингибиторов клеточного цикла, которые могут снижать потенциал пролиферации раковых клеток [206, 207].
Есть много данных, показывающих, что гистоны могут быть изменены питательными веществами и диетическими соединениями. Это связано с ингибирующим потенциалом некоторых пищевых компонентов, взаимодействующих с ферментами, участвующими в украшении гистонов. Метки гистонов могут изменяться в результате изменения количества и / или эффективности ферментов, участвующих в их украшении, или из-за нарушения доступности субстрата фермента. Как упоминалось ранее, статус хроматина контролируется HATs, HDACs, HMTs и HDMs. Однако гистоны не только метилированы и ацетилированы. Хвосты гистонов могут быть модифицированы фосфорилированием, рибозилированием, убиквитинированием, сумоилированием и биотинилированием [63], что наглядно демонстрирует сложность регуляторного механизма. К HDACs класса III относятся сиртуины, которые называются «ферментами молодости», рассмотренными в [7]. Уровень сиртуинов снижается с возрастом, а восстановление их уровня приводит к омоложению.
Многочисленные ингибиторы HDACs набираются из полифенольных соединений. Многие данные касаются сиртуинов, особенно 1 и 6 [193]. Однако ингибиторы HDACs, по-видимому, неселективны. Такие ингибиторы показали полезные эффекты при нейродегенерации, раке и воспалительных заболеваниях. HDACs могут ингибироваться бутиратом (карбоновая кислота с короткой цепью, продуцируемая в толстой кишке путем бактериальной ферментации углеводов) и некоторыми полифенолами, присутствующими в чесноке, соевых бобах (например, генистеин), гарциноле и корице [63,193]. К ингибиторам HDAC1 относятся кверцетин, полифенолы зеленого чая, например, EGCG, лютеолин и генистеин [190, 208, 209, 210]. Сообщалось, что куркумин, природный полифенол, действует как ингибитор HDAC и HAT [211,212] и признан гипометилирующим агентом [192]. Кроме того, куркумин, в зависимости от концентрации, может действовать как ингибитор сиртуина (цитостатические концентрации) или активатор (концентрация, которая не влияет на потенциал пролиферации) [44,57,213]. Аналогичная функция приписывается EGCG, который влияет на ферментативную активность и экспрессию HATs, HDACs (HDAC1, 2, 3) и сиртуинов [193,214,215], а также для кверцетина [216,217]. В свою очередь, генистеин увеличивал HAT и уменьшал активность HDAC, включая SIRT 1, и таким образом изменяет доступность ДНК [193,206]. HATs могут ингибироваться полифенолами зеленого чая, включая EGCG, кверцетин и медь [214,216,218], а HMTs - EGCG [219]. Снижение доступности доноров метила в рационе также способствует снижению активности HMT [220]. Посттрансляционная модификация гистонов может также формироваться ресвератролом и катехинами, то есть другими диетическими полифенолами [16].
Тот факт, что сиртуины оказывают множественные полезные эффекты в организме, такие как уменьшение симптомов сердечно-сосудистых заболеваний, диабета и нейродегенерации, а также связаны с продолжительностью жизни, [221], разумно искать факторы, которые могут увеличить их экспрессию или деятельность. Последнее может быть усилено некоторыми природными и синтетическими соединениями. К первой группе относятся флавоны, стильбены, халконы и антоцианидины, которые непосредственно активируют определенные сиртуины in vitro. Такая активность была показана для кверцетина, бутеина, куркумина, физетина, кемпферола, катехинов, резвератрола, цилостазола, паеонола, даидзеина и пицеатаннола [7,193,222,223]. Активация сиртуинов также наблюдалась после легкой физической активности [224,225,226]. Роль сиртуинов в старении и заболеваниях подробно обсуждалась нами в работе Grabowska et al. [7].
Ингибиторы HDAC могут быть одной из наиболее многообещающих профилактических стратегий, касающихся эпигенетических изменений, включая уменьшение / восстановление уже существующих вредных изменений. Восстановление транскрипции генов, участвующих в правильном метаболизме, которое уменьшается с возрастом, может задержать функциональное снижение организма [227]. Действительно, некоторые примеры показали, что ингибиторы HDACs эффективны в увеличении продолжительности жизни. Это было показано для плодовой мухи, например, после кормления 4-фенилбутиратом (PBA) [228] или другими ингибиторами HDAC [229,230]. Глобальное увеличение ацетилирования гистонов и изменение экспрессии генов (например, SOD, супероксиддисмутазы, цитохрома P450, глутатион-S-трансферазы) значительно увеличивало продолжительность жизни. Ингибиторы HDAC были предложены для лечения диабета II типа, связанного со старением снижения когнитивных функций и нейродегенеративных заболеваний, таких как AD и PD [231,232,233,234,235].
Некоторые ограничения налагаются отсутствием специфичности ингибиторов HDAC. Это создает реальную проблему, поскольку ингибирование большинства HDACs считается полезным, в то время как сиртуины должны быть активированы, чтобы выполнять свою роль против старения / против ARD. Для этой цели необходимы тщательные исследования, чтобы выяснить, какие уникальные соединения участвуют в селективной регуляции активности HDAC.
Полифенолы, например, EGCG, куркумин, ресвератрол и кверцетин, также являются регуляторами miRNAs, как было показано в раковых клетках [236,237,238,239,240]. EGCG снижал экспрессию онкогенных микроРНК и увеличивал экспрессию опухолево-супрессорных микроРНК, что указывает на его точную регуляторную функцию [236]. Кверцетин усиливал экспрессию миРНК, признанных негативными регуляторами воспалительных генов [237]. Противораковый потенциал генистеина также связан с дерегуляцией миРНК [238].
Модернизация эпигенома может быть осуществлена с помощью факторов окружающей среды, отличных от питательных веществ, например, с помощью физических упражнений. Большое количество данных указывает на то, что физическая активность (PA) может модулировать экспрессию генов посредством эпигенетических изменений. Это может быть полезной стратегией при хронических заболеваниях, таких как метаболический синдром, диабет, рак (рак молочной железы, колоректальный рак и рак желудка), сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания, рассмотренные в [65]. Физическая активность реконструирует скелетные мышцы и жировую ткань [241, 242, 243, 244]. Было показано, что шесть месяцев физических упражнений привели к гиперметилированию генов HDAC4 и NCOR2, что оказало влияние на метаболизм жировой ткани [244]. Активность HDAC4 связана с репрессией транскрипции GLUT4 в адипоцитах и коррелирует с резистентностью к инсулину [245]. Потеря функции HDAC4 (экспорт из ядра во время упражнений и потеря транскрипционной репрессивной функции) также связана с адаптацией скелетных мышц к нагрузке; последний эффект был интерпретирован как результат активации клеточной экспрессии GLUT4 [246]. В свою очередь, NCOR2, ядерный ко-репрессор, участвует в рекрутинге, среди прочего, HDAC4 [247]. Было показано, что изменение характера метилирования вследствие физической активности снижает уровень медиаторов воспаления и предотвращает возникновение заболеваний, связанных с хроническим воспалением слабой степени [248]. Физическая активность действует как модулятор метилирования ДНК, модификаций гистонов (особенно H3 и H4) и миРНК [249]. В случае миРНК упражнения модулируют определенные миРНК, особенно те, которые связаны с раком, метаболическими заболеваниями и сердечно-сосудистыми заболеваниями [250, 251, 252]. Интересно, что было показано, что на эпигенетическом уровне упражнения не только защищают пациентов от диабета 2 типа, но также благодаря материнской передаче эпигенетических модификаций генов, участвующих в важных метаболических путях, оказывают благотворное влияние на потомство [253]. МикроРНК регулируют миогенез, атрофию и саркопению [254]. Во время упражнений в мышечной ткани мышей наблюдалось заметное снижение некоторых типов миРНК, таких как miR-107, miR-208b, miR-221 и miR-499. Биопсия скелетных мышц пожилых людей (68–72 года) показала сверхэкспрессию или более низкую экспрессию многочисленных микроРНК по сравнению с молодыми людьми, рассмотренными в [254]. МикроРНК регулируют два наиболее важных сигнальных пути, связанных со старением и долголетием, а именно ось IGF и путь mTOR. Документально подтверждено, что физические упражнения могут модифицировать экспрессию генов и активировать сигнальные пути, и что некоторые из этих изменений связаны с экспрессией различных микроРНК [255]. Таким образом, физическая активность может усиливать адаптацию к физической нагрузке [256].
Аутофагия считается антивозрастным катаболическим процессом и связана с выживаемостью и долголетием клеток [257]. Это один из основных процессов, вовлеченных во внутриклеточную деградацию поврежденных макромолекул и органелл, что приводит к самоочищению и рециркуляции внутри клетки. Регуляция аутофагии является многошаговой и происходит на нескольких уровнях. Одним из механизмов, регулирующих экспрессию генов аутофагии, является посттрансляционная модификация гистонов, которая контролирует, например, сенсор питательных веществ TOR (мишень рапамицина), фактор, участвующий в долголетии. Аутофагия очень часто повышена у долгоживущих модельных организмов. SIRT1 и миРНК участвуют в этом процессе. Было показано, что SIRT1 стимулирует образование аутофагосом и аутофагическую деградацию, что приводит к увеличению аутофагического потока [258]. Хотя SIRT1-опосредованное деацетилирование цитоплазматических белков необходимо для индукции аутофагии, активность SIRT1 в ядре ограничивает аутофагию [257]. SIRT1 регулирует экспрессию генов аутофагии посредством деацетилирования гистонов. Деацетилируя H4K16, он репрессирует экспрессию различных генов, связанных с ранними и поздними стадиями аутофагии (Ulk1/ATG1, Ulk3/ATG1, Atg9A/ATG9,Lc3/ATG8, GabarapL2/ATG8 и вакуолярный мембранный белок Vmp1). Гипоацетилирование гистона H3 (K9, K14, K18), посредством ингибирования спермидином активности гистонацетилтрансферазы, увеличивает экспрессию генов, участвующих в аутофагии, таких как ATG7, ATG11, ATG15. Более того, метилтрансфераза EHMT2/G9a путем нацеливания на H3K9 репрессировала транскрипцию генов аутофагии [259]. И наоборот, подавление ацетилирования гистонов KAT8 (HAT) (деацетилирование H4K16) вызывало аутофагию. Таким образом, посредством индукции аутофагии SIRT1 оказывает протективный эффект в некоторых моделях нейродегенеративных заболеваний (например, PD) [260]. Аутофагия может регулироваться ацетил-коэнзимом А (ацетил-КоА), который является донором для реакций ацетилирования [257]. Снижение уровня ацетил-КоА продлило жизнь дрозофиле [261]. Катионные полиамины (например, спермин и спермидин), уровень которых снижается с возрастом в нескольких тканях и которые участвуют в регуляции аутофагии, также оказывают влияние на статус ацетилирования гистонов, регулируя активность HATs и HDACs [257,262]. Спермидин ингибирует активность HAT и приводит к гипоацетилированию H3 на K9, K14 и K18. Было показано, что репрессивные метки H3K9me3, которые накапливаются с возрастом, и H3K4me3 связаны с изменениями в экспрессии генов аутофагии, как рассмотрено в [257]. Вторым способом эпигенетической модуляции аутофагии являются миРНК. Например, miR-34 связан с аутофагией и долголетием. Пониженный уровень этого регулятора наблюдался у мышей, подвергшихся воздействию DR, и это коррелировало с увеличением продолжительности жизни [263]. Повышенная регуляция miR-34 во время старения ингибирует экспрессию генов аутофагии (например, Atg9a) [264]. MIR34 также приводит к ингибированию экспрессии компонентов пути SIRT1 [265] и mTOR. Несколько других миРНК, таких как MIR376A, MIR376B, MIR181, MIR30D, MIR101, связаны с ингибированием аутофагии, рассмотрено в [257].
Организм человека создает прекрасную среду для высокодинамичной и сложной экосистемы бактерий, архей, грибов и вирусных видов, которая называется микробиотой человека. Эти микроорганизмы представляют собой симбиотические спутники на протяжении всей жизни, которые присутствуют с рождения до наших последних дней. Однако точная отправная точка микробной колонизации в настоящее время является предметом горячих споров [266]. Было высказано предположение, что весь процесс может начаться уже внутриутробно [267, 268], хотя недавние исследования возвращаются к гипотезе о том, что плацента довольно стерильна, следовательно, плод не может приобретать какую-либо микрофлору на этой стадии [269, 270]. Тем не менее, можно предположить, что обитание начинается с родов [271], и исходный состав микробиоты во многом зависит от способа рождения [272]. Во время родов первые микроорганизмы начинают колонизировать нашу кожу, легкие, полость рта и желудочно-кишечный тракт. Этот процесс относительно стабилизируется к возрасту от трех до пяти лет [273]. Дальнейшее развитие отчасти зависит от генома хозяина [274] и пола [275], а также от множества внешних факторов, которые включают тип питания [276,277], физическую активность [278,279], использование лекарств [280,281] и жизненную среду в целом [282,283]. Тем не менее, следует отметить, что микробная композиция является весьма индивидуальной, поэтому вышеупомянутые модулирующие факторы могут по-разному влиять на каждого хозяина. Другим фактором, существенно влияющим на бактериальный состав, является старение и возрастные заболевания [284]. Общепринято, что с возрастом общее количество и разнообразие видов бактерий уменьшается, что часто приводит к дисбалансу между комменсальными бактериями в пользу патобионтов. Это приводит к дальнейшей колонизации патогенами, выработке ингибирующих веществ или токсинов и развитию хронического воспаления [285]. Прогрессирующий дисбактериоз способствует развитию вредных для здоровья и связанных с возрастом состояний, таких как сердечно-сосудистые заболевания, нейродегенеративные заболевания (болезни Альцгеймера и Паркинсона), диабет II типа, хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ), остеопороз и различные виды рака. Более того, считается, что изменения в микробиоте человека также связаны с аллергией [286], ожирением [287] и даже депрессией [288,289]. Микробиота может модулировать возрастные изменения, связанные со слабостью, такие как врожденный иммунитет, саркопения и когнитивные функции [22]. Очень обширные исследования показали, что различия в составе кишечной микробиоты между пожилыми людьми и молодыми взрослыми связаны с постепенными изменениями во времени, а не с хронологическим возрастом [22].
Самый большой и наиболее заметный микробный резервуар находится в нижнем отделе желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Кишечная микробиота играет важную роль в здоровье и заболеваниях человека [290,291]. Микробиом необходим для переваривания сложных растительных полисахаридов, синтеза короткоцепочечных жирных кислот (SCFAs), незаменимых аминокислот и витаминов. Кроме того, он нейтрализует лекарства и канцерогены, защищает хозяина от патогенной инфекции и регулирует окислительный стресс, как описано в [292]. Существует некоторая взаимозависимость между микробиотой и хозяином [293,294]. Микробиота может модулировать функции иммунных клеток, обмен веществ и чувствительность к инсулину. Более того, микробиом может регулировать экспрессию хозяйствующих генов через несколько медиаторов, таких как SCFAs, антиоксиданты и медиаторы воспаления. Питание играет ключевую роль в этом процессе, потому что все упомянутые медиаторы, синтезируемые кишечными бактериями, происходят из рациона [295].
Существует около 1000–1500 признанных видов бактерий, живущих в кишечнике, и каждый человек содержит около 150 различных видов, которые вместе содержат больше генов, чем геном человека, и представляют собой своего рода второй геном [294]. ЖКТ является наиболее восприимчивым участком возрастных изменений в составе бактерий, связанных с постепенным снижением барьерной функции кишечника [296], нарушением всасывания питательных веществ [297], повышенным риском развития рака [298,299] и нарушений головного мозга [300,301]. Наиболее заметным изменением кишечной микробиоты является уменьшение их разнообразия, смещение доминирующих видов, что связано с уменьшением количества полезных микроорганизмов и увеличением факультативных анаэробных бактерий. Это приводит к снижению доступности короткоцепочечных жирных кислот, поскольку различные составы микробиоты оказывают влияние на выработку бактериальных метаболитов [17, 284]. Возрастные изменения в микробиоте кишечника также связаны с изменениями физиологии желудочно-кишечного тракта, такими как снижение выработки слюны и секреции желудочной кислоты, снижение всасывания питательных веществ (железа и витамина B12), замедление моторной функции желудочно-кишечного тракта и, наконец, измененный состав диеты связан с уменьшением потребления пищи и снижением функционирования иммунной системы. Это делает пожилых людей более склонными к инфекциям и слабости [17,302,303,304,305].
ЖКТ состоит из тонкого и толстого кишечника. Тонкая кишка отвечает за усвоение питательных веществ, чему способствует метаболическое действие микробных клеток, которые относительно малы по количеству, но стабильны по составу [306]. Однако во время старения могут возникать случаи чрезмерного микробного роста, а именно бактериального избыточного роста тонкой кишки (SIBO). Это приводит к нарушению всасывания микроэлементов и, как следствие, к недоеданию, вздутию живота, диарее и метеоризму [307]. Толстый кишечник, с другой стороны, является наиболее плотно колонизированной частью человеческого тела. Среднее число бактериальных колоний колеблется от 1011 до 1012, что делает их геном почти в 150 раз больше человеческого [294]. Кишечник - это место, где происходит окончательная ферментация и усвоение основных питательных веществ. Наиболее распространенными типами в гомеостатических условиях являются Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes, Proteobacteria и Verrucomicrobia. Наряду с секрецией слизистой оболочки бактерии образуют довольно толстую и устойчивую биопленку, которая выстилает эпителий, действуя как посредник между просветом и телом хозяина [308]. Эти комменсальные бактерии продуцируют короткоцепочечные жирные кислоты (SCFAs), синтезируют витамины K и B и защищают хозяина от внешних патогенных микроорганизмов (производство бактериоцинов). Все эти соединения оказывают иммуномодулирующее действие, стимулируя выработку иммуноглобулина А, подавляя провоспалительные цитокины и индуцируя регуляторные Т-клетки [309]. Однако при старении все нарушается, поскольку количество и разнообразие комменсалов уменьшается [310]. Бифидобактерии и Энтеробактеры уменьшаются у пожилых людей, тогда как количество Бактероидов увеличивается по сравнению с молодыми людьми [311]. Более того, полезные бактерии обычно настигаются патобионтами, которые нарушают целостность эпителия [312] и приводят к секреции маркеров воспаления, таких как IL-6 и IL-8, что приводит к повышенному (и постоянному) воспалению [22]. Воспаление кишечника характеризуется более тонким или даже ухудшенным внутренним слоем слизи, что позволяет бактериям достигать эпителия. Патогенные штаммы продуцируют экзотоксины [313], которые вызывают изменения в плотных соединениях, что приводит к увеличению проницаемости кишечника, также определяемой как «дырявая кишка». Это, как следствие, способствует заболеванию раздраженного кишечника [314], развитию рака толстой кишки и может также привести к нарушению гематоэнцефалического барьера мозга, пагубно влияющему на нейродегенеративные заболевания [315,316,317]. Однако проницаемость кишечника может быть изменена полезными бактериальными штаммами, такими как Lactobacillus plantarum, Escherichia coli, Nissle и Bifidobacterium infantis и др., которые повышают экспрессию белков, образующих плотные соединения, и в результате усиливают кишечный барьер [318]. Хотя бактерии играют ведущую роль в поддержании состава кишечника у пожилых людей, метаногенные археи также играют важную роль в старении человека. Разнообразие метаногенов увеличивается у пожилых людей по сравнению с молодыми людьми [319], однако не наблюдается значительного увеличения распространенности. Тем не менее, метан, образующийся из этих архей, более распространен у пожилых людей, что влияет на клетки гладких мышц и приводит к замедленному прохождению кишечника [320]. Это также влияет на рН кишечника. В пожилом возрасте рН увеличивается по сравнению с молодыми контролями и оказывает вредное воздействие на полезные бактерии.
Старение оказывает огромное влияние на микробный состав в организме человека. Например, человеческая кожа питает довольно разные колонии между сухим, соляным предплечьем, довольно влажным подмышечным сводом и сальным лицом [321], где численность бактерий чрезвычайно зависит от возраста [322]. У пожилых более высокое видовое богатство отмечается в ладонях, предплечьях и лбу, чем у молодых индивидов, тогда как у молодых наблюдается большее разнообразие на ноздрях, глабелли или спине [323]. С возрастом общее количество аэробов (особенно кожных Propionibacterium) на щеках и лбу здоровых пожилых людей уменьшается по сравнению с молодыми людьми [323,324], что тесно коррелирует с более низкой секрецией кожного сала [324]. Тем не менее, при некоторых кожных заболеваниях кожное сало может быть перепроизведено и привести к себорейному дерматиту (СД), который также является немоторным симптомом болезни Паркинсона (БП) [325]. Кожа больных БП с СД имеет повышенную плотность грибков Malassezia spp. и бактерии Streptomyces spp., которые продуцируют сложные летучие органические соединения, которые, в свою очередь, могут служить неинвазивным диагностическим инструментом при ранней болезни Паркинсона [326]. Аналогично, анализ дыхания микробных летучих органических соединений может также использоваться для диагностики хронической обструктивной болезни легких (ХОБЛ) у пожилых людей [327]. Пациенты с ХОБЛ демонстрируют значительное увеличение количества патогенных грамотрицательных бактерий [328] с соразмерным уменьшением разнообразия резидентных бактериальных сообществ [329,330] по сравнению со здоровыми субъектами и молодыми взрослыми [331]. Пожилые люди также демонстрируют глубокие изменения внутриротовой микрофлоры [332], особенно на зубной и субгингивальной бляшке. Они часто приводят к воспалительным состояниям, таким как периодонтит, при которых наблюдается рост грамотрицательных бактерий [333,334]. Основной возбудитель хронического периодонтита, Porphyromonas gingivalis, является серьезным фактором риска развития болезни Альцгеймера [335].
Как упоминалось ранее, роль микробиома тесно связана с темпами старения и качеством жизни пожилых людей. Некоторые данные показывают, что кишечная микробиота участвует в патогенезе метаболических нарушений, таких как диабет и ожирение, и способствует атеросклерозу и эндотелиальной дисфункции сосудов [336,337,338,339]. С другой стороны, микробиом также участвует в замедлении атеросклероза, генерируя метаболиты пищевых флавоноидов, которые стимулируют обратный транспорт холестерина в макрофагах [340]. Тем не менее, наиболее признанное влияние микробиома связано с симптомами слабости [22,295].
Взаимодействие между питательными веществами (микро и макро) и микробиотой очень плотное. Такое отношение касается, например, полифенолов [341, 342, 343, 344]. Биодоступность этой группы соединений очень низкая. Кишечная микробиота метаболизирует их в активные и биодоступные метаболиты. С другой стороны, полифенолы модулируют микробиоту, поскольку они могут оказывать пребиотическое действие и стимулировать рост некоторых видов бактерий (особенно гидролизуемых и конденсированных танинов, полученных из продуктов, богатых полифенолами, включая какао, чай, виноград, вино, ягоды, гранаты и орехи). Воздействие, таким образом, является взаимным [345,346]. Куркумин также способен модулировать разнообразие микробиоты [341, 342, 343, 347]. Состав кишечной микробиоты очень часто является причиной некоторых запутанных результатов, полученных в результате клинических испытаний, из-за индивидуальной вариабельности. Предполагается, что состав бактерий является ключевым элементом в ответе на лечение полифенолами и что микробиота кишечника, вероятно, ответственна за воздействие полифенолов на здоровье путем регулирования их биодоступности [345,348]. Биодоступность большинства питательных микроэлементов является низкой из-за низкой абсорбции и быстрого метаболизма, что приводит к быстрому выведению из организма. Одной из модификаций, связанных с механизмом детоксикации, является глюкуронидация, которая хорошо документирована, например, для фенольных соединений куркумина, кверцетина, генистеина и имбиря [349,350,351,352,353]. Моно- и диглюкурониды менее активны, чем свободные соединения [354]. Одним из продуктов кишечных бактерий является β-глюкуронидаза [355]. Этот фермент участвует в гидролизе глюкуронидной группы [351,356] и оказывает влияние на уровень свободных соединений.
Последние данные показали, что сиртуин SIRT1 может опосредовать взаимодействие между хозяином и микробиомом [357]. Мыши с делецией SIRT1 в эпителии кишечника проявляли повышенную активацию NF-κB и воспаление и, кроме того, изменяли фекальную микробиоту из-за изменения метаболизма желчных кислот. Кроме того, более низкая экспрессия SIRT1 наблюдалась в тканях кишечника у пациентов, страдающих колитом. Предполагается, что SIRT1 предотвращает воспаление кишечника путем регулирующего воздействия на микробиоту кишечника. Аналогичная роль приписывается SIRT3, уровень которого снижается при колоректальном раке [358]. Он взаимодействует с кишечной микробиотой, которая играет центральную роль в устойчивости к раку толстой кишки, и таким образом действует как противовоспалительный и подавляющий опухоль белок. С другой стороны, SIRT1 также может регулироваться микробиомом [359]. Экспрессия SIRT1 регулируется микроРНК (например, геном miR-204), тогда как экспрессия последнего контролируется микробиомом дистанционно. Таким образом, функция эндотелия нарушается, так как miR-204 снижает уровень SIRT1 (антибиотики уменьшают miR-204 и увеличивают экспрессию Sirt1). Кроме того, ситруины и AMPK могут регулироваться с помощью SCFAs, продуцируемой микробиотой, рассмотренной в [292]. Это может оказать влияние на структуру хроматина и экспрессию генов. SIRT1 является одним из белков, непосредственно регулируемых SCFAs [360]. N-бутират активировал несколько регуляторных путей, в том числе с участием передачи сигналов AMPK [361], и ингибировал деацетилазу гистона 4 (HDAC4), о чем свидетельствует повышенное ацетилирование H3K9 в печени и мозге [362]. Здоровая кишечная микробиота продуцирует значительные количества фолата и витамина B12 [363], которые являются донорами метильной группы, необходимой для метилирования ДНК. Кроме того, кишечные бактерии синтезируют аминокислоты, такие как триптофан, который стимулирует путь IGF-1 / p70s6k / mTor и таким образом активирует экспрессию генов [364]. Была задокументирована связь между составом кишечной микробиоты и потерей веса, вызванной ограничением калорий (CR). Более того, на моделях на животных показано, что удлинение продолжительности жизни, вызванное CR, сопровождается структурной модуляцией микробиоты кишечника [365].
Поддержание правильной диеты важно для людей всех возрастов. Более того, потребности в питании пожилых людей существенно не отличаются от потребностей молодых людей. Тем не менее, особенно важно продвигать некоторые стратегии питания среди людей более старшего возраста из-за риска недоедания из-за нарушения всасывания, потери аппетита и трудностей с жеванием, которые могут повлиять на правильное состояние питания [366]. Эти стратегии разрабатываются для восстановления разнообразия микробиоты у пожилых людей с целью уменьшения некоторых неблагоприятных последствий старения, в том числе слабости.
Хорошо известные антивозрастные стратегии долгое время были связаны с правильной диетой. Недавно было хорошо задокументировано, что диета может изменять структуру хроматина. Более того, было доказано, что некоторые эпигенетические модификации являются продолжительными и могут быть унаследованы, тогда как другие могут быть довольно легко изменены. Следовательно, питательные вещества могут определять наше здоровье и болезни, даже если они потреблялись давно, например, в дородовой период. Они могут играть ключевую роль в процессе старения и долголетия. К головоломке, состоящей из двух элементов: питательных веществ и эпигенетики, следует также добавить микробиом. Взаимодействие этих трех, казалось бы, независимых элементов создает целостную картину, которая может быть полезна для разработки потенциальных стратегий против старения. Осознание этой взаимосвязи позволяет принять целостный подход к старению с единственной целью: синхронизировать все стратегии, чтобы оптимизировать условия, необходимые для удлинения периода здоровья. Возрастные эпигенетические изменения могут быть отменены некоторыми макромолекулами из рациона, биодоступность которых зависит от микробиома, который сам по себе влияет на возрастные дисфункции. Актуальным вопросом для решения является то, как текущие знания могут быть переданы на практике. В более широком смысле, речь идет о том, как определить индивидуальные потребности людей, исходя из их эпигенетической истории и состава микробиома, одновременно принимая во внимание возраст и пол, а не пренебрегая влиянием окружающей среды, которая модулирует эпигенетический ландшафт. Нынешняя точка зрения предполагает, что эпигенетический возраст, определяемый как наличие характерных маркеров, может быть более сильным предиктором будущих ARD и снижения здоровья и, чем хронологический возраст. Наиболее важной областью для будущих исследований является разработка стратегий и пропаганда таких диетических привычек, которые будут эффективны при модулировании эпигенома (непосредственно или путем воздействия на микробиом) для устранения или задержки экспрессии генов, связанных с инициацией и прогрессированием ARD и нарушения старения (например, слабость). Такие пищевые привычки / стратегии должны быть адаптированы к возрасту. Важно идентифицировать и охарактеризовать наиболее мощные факторы питания, оказывающие сильное и определенное влияние на эпигеном и микробиом, а также определить механизм их действия.
Дополнительные материалы: о микробиоме, возрастных изменениях и здоровом долголетии:
См. дополнительно: Эпигенетика, короткоцепочечные жирные кислоты и врожденная иммунная память