Рис. 1. Схема эксперимента. В пищу трех модельных объектов — дрожжей, дрозофил и мышей — добавлялись экстракты из старых или молодых сородичей. Выяснилось, что все три вида дольше живут на «молодой» диете. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
Одной из причин старения многие специалисты считают накопление с возрастом молекулярных «повреждений» той или иной природы. Для проверки этой гипотезы американские и корейские биохимики провели эксперименты на трех модельных объектах — дрожжах, дрозофилах и мышах. Подопытные организмы кормили экстрактами из молодых или старых сородичей. Оказалось, что во всех трех случаях «старая» диета, основанная на экстракте из старых сородичей, способствует ускоренному старению. Результаты согласуются с предположением о том, что с возрастом в организме накапливаются вредные вещества, снижающие жизнеспособность, и в этом состоит одна из причин старения.
Хотя причины и механизмы старения изучаются очень интенсивно, в этом вопросе до сих пор много неясного (см. ссылки в конце новости). Одной из самых общих причин старения считается накопление с возрастом разнообразных изменений на молекулярном уровне, будь то изменения экспрессии генов, их метилирования, концентраций тех или иных метаболитов, накопление соматических мутаций или окислительный стресс. Впрочем, не все исследователи согласны с тем, что накопление молекулярных повреждений играет в старении существенную роль. Главная проблема здесь в том, что такие повреждения очень разнообразны и зависят от огромного множества генетических и средовых факторов. Поэтому их вклад в старение трудно доказать или, тем более, измерить.
Группа американских и южнокорейских ученых под руководством биохимика Вадима Гладышева из Гарвардской медицинской школы (см.: Gladyshev Lab) провела серию на удивление простых и наглядных экспериментов для проверки гипотезы о том, что молекулярные изменения, происходящие в организме со временем, вносят вклад в старение. Авторы рассудили, что если это так, то диета, основанная на экстракте из пожилых сородичей, должна ускорять старение. Конечно, далеко не все «старческие вещества», содержащиеся в таком экстракте, будут усвоены организмом. Но ведь какие-то будут, и этого может оказаться достаточно для искомого эффекта.
Известно, что диета сильно влияет на продолжительность жизни и динамику старения. Выявлены и неплохо изучены два ключевых сигнальных каскада, обеспечивающие связь между тем, что мы едим, и тем, сколько мы живем: каскад с участием инсулина/инсулиноподобного фактора роста (Insulin and Insulin-Like Growth Factor Signaling) и каскад с участием mTOR (см.: Мишень рапамицина у млекопитающих). Если допустить, что какие-то эндогенные (внутренние) метаболиты, накапливающиеся с возрастом, влияют на работу этих каскадов (которые, в свою очередь, влияют на ход старения и продолжительность жизни), то почему бы этим каскадам не реагировать аналогичным образом на те же метаболиты, усвоенные с пищей? Каким бы странным и неожиданным ни казалось такое предположение на первый взгляд, оно, безусловно, заслуживает экспериментальной проверки.
Опыты были проведены на трех классических модельных объектах, широко используемых в геронтологии: на почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisae, дрозофилах Drosophila melanogaster и мышах Mus musculus (рис. 1).
1. Опыт на дрожжах. Идея использовать одноклеточный организм в качестве модели для изучения старения может показаться странной, однако почкующиеся дрожжи хорошо для этого подходят. «Продолжительность жизни» дрожжей оценивают двумя способами. Можно поместить дрожжевые клетки в среду с ограниченным количеством глюкозы и подождать, пока вся глюкоза будет съедена. После этого дрожжи переходят на питание менее приятными для них веществами, такими как этанол и ацетат. При этом они перестают делиться (хотя остаются метаболически активными), их жизнеспособность постепенно снижается, а смертность растет. Можно оценить «хронологическую продолжительность жизни» дрожжевых клеток, которая определяется как время от вхождения в стационарную фазу (когда клетки перестают размножаться) до смерти. Снижение жизнеспособности дрожжей в этих условиях по многим биохимическим параметрам похоже на старение постмитотических (переставших делиться) клеток многоклеточных организмов. Дрожжи используют также и как модель старения делящихся клеток. Для этого оценивают «репликативную продолжительность жизни», которая измеряется как число дочерних клеток, которые данная дрожжевая клетка в благоприятных условиях успеет отпочковать, пока не умрет (K. K. Steffen et al., 2009. Measuring replicative life span in the budding yeast).
Авторы изготовили питательную среду для дрожжей на основе экстрактов (лизатов) из молодых дрожжевых клеток, «хронологический возраст» которых составлял 3 дня, и из старых (хронологический возраст 8 дней). В таких экстрактах содержится достаточное для роста дрожжей количество всех питательных веществ, кроме глюкозы, которую добавляли в корм отдельно.
Оказалось, что дрожжи, живущие на «молодой» питательной среде, имеют достоверно более высокую репликативную продолжительность жизни, чем такие же дрожжи, выращиваемые на «старой» среде (рис. 2). Выяснилось также, что экстракт старых клеток сокращает жизнь дрожжам в том числе и в очень высоких концентрациях. По-видимому, это означает, что сокращение жизни объясняется не столько тем, что в «старом» экстракте не хватает чего-то полезного (в этом случае повышение концентрации сгладило бы эффект), сколько тем, что в нем присутствует что-то вредное. Дополнительные эксперименты показали, что низкомолекуляная фракция дрожжевого экстракта сильнее влияет на продолжительность жизни, чем высокомолекулярная. Это логично, потому что низкомолекулярные соединения легче усваиваются клетками.
Рис. 2. Выживаемость почкующихся дрожжей на «молодой» (синяя линия) и «старой» (красная линия) питательной среде. По вертикальной оси — процент выживших клеток, по горизонтальной — число отпочкованных дочерних клеток («репликативный возраст»). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
2. Опыт на дрозофилах. Простейший лабораторный корм для дрозофил готовят на дрожжевой основе (50–60 г свежих дрожжей долго варят в литре воды) с добавлением сахара. Авторы заменили в этом рецепте вареные дрожжи на экстракт молодых или старых дрозофил. Для приготовления экстракта молодые мухи (в возрасте 3–5 дней после выхода из куколки) живьем замораживались в жидком азоте. Затем их толкли в порошок, разводили в воде и центрифугировали. При этом всё нерастворимое выпадало в осадок, а супернатант (надосадочную жидкость) использовали для приготовления корма вместо дрожжей. Для «старого» корма использовали мух, только что умерших естественной смертью в возрасте 30–60 дней (в среднем 45). С ними поступали так же, как с молодыми. Количество мушиного экстракта, добавляемого в корм, подбирали таким образом, чтобы содержание белков в питательной среде было таким же, как в стандартном корме на дрожжевой основе.
Оказалось, что на «молодой» диете самки дрозофил живут в среднем дольше, чем на «старой» (рис. 3). Самцов не тестировали в связи с трудностью массовой заготовки старых мух для «старого» корма. Таким образом, закономерность, обнаруженная у дрожжей, оказалась справедливой и для самок дрозофил.
Рис. 3. Выживаемость самок дрозофил на «молодой» (синяя линия) и «старой» (красная линия) диете. По вертикальной оси — процент выживших мух, по горизонтальной — возраст в сутках. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science Advances
3. Опыт на мышах. Чтобы протестировать группу мышей на продолжительность жизни, требуется много корма, ведь мыши живут года три, а иногда и больше. Поэтому можно понять авторов, решивших не связываться с массовой заготовкой мышиного мяса и использовавших более доступный материал — мясо молодых (трехлетних) и старых (25-летних) самцов благородного оленя. Этих животных разводят на фермах, поэтому добыть оленя нужного возраста не составляет большого труда. Содержание белков и жиров в мышцах молодых и старых оленей различается (у молодых больше белка и меньше жира), что может влиять на продолжительность жизни тех, кто ими питается. Поэтому исследователям пришлось сбалансировать «молодую» и «старую» диету по белку, жиру и калорийности путем смешивания стандартного мышиного корма с оленьим мясом в разных пропорциях.
Диета не повлияла на продолжительность жизни самцов мышей, зато по самкам результаты получились такие же, как по дрожжам и дрозофилам: на «старой» диете самки прожили на 13,3% меньше, чем на «молодой» (рис. 4).
Рис. 4. Выживаемость самок (слева) и самцов мышей на «молодой» и «старой» диете. Обозначения как на рис. 3. Изображение из обсуждаемой статьи в Science Advances
Авторы вскрывали умерших мышей, чтобы разобраться в причинах смерти, но не смогли получить внятных результатов: ни по количеству опухолей, ни по уровню амилоидоза (наиболее типичные причины смерти старых мышей) достоверных различий между группами не обнаружилось. Зато удалось показать, что по составу кишечной микробиоты мыши, живущие на «старой» диете, сильнее отличаются от контрольных мышей (питающихся обычным кормом), чем мыши, живущие на «молодой» диете.
Таким образом, на всех трех объектах было показано, что «старая» диета сокращает жизнь по сравнению с «молодой». Этот результат согласуется с предположением о том, что молекулярные изменения, происходящие с возрастом, негативно сказываются на жизнеспособности, и что «плохая биохимия», характерная для старых организмов, может негативно влиять на продолжительность жизни тех, кто ими питается.
Данное исследование отличается от большинства научных статей, публикуемых сегодня в высокорейтинговых журналах, своей удивительной простотой и дерзостью. Использованные методы уязвимы для критики. Например, молодые дрозофилы для приготовления экстракта замораживались живьем, а старые — посмертно, так что эти мухи отличались не только возрастом. Симбиотические микроорганизмы — бактерии и дрожжи, живущие в кишечнике и на поверхности тела дрозофил — могли пережить замораживание и затем размножиться на мушином корме, влияя на продолжительность жизни тестируемых мух (причем известно, что состав мушиной микробиоты меняется с возрастом). У тестируемых дрожжей измеряли «репликационный» возраст, однако для приготовления питательной среды клетки сортировали по «хронологическому» возрасту (потому что так проще). Самцов дрозофил не тестировали вообще (потому что на них не хватило старых мух, из которых делали «старую» питательную среду). Первые два вида кормили экстрактами конспецификов, а мышей — не мышатиной, а олениной, потому что трудно запасти столько мышатины. Не очень понятно, почему различия в смертности мышей не согласуются с результатами вскрытия, и так далее.
Проведенные опыты должны быть многократно повторены другими исследователями, прежде чем мы получим право делать на их основе далеко идущие выводы. Но всё же совпадение результатов, полученных на трех модельных объектах, впечатляет. Будем надеяться, что дальнейшие исследования скоро покажут, насколько общий характер имеет обнаруженная закономерность и какие именно «старческие вещества» негативно сказываются на продолжительности жизни.
20.02.2017 Источники :elementy.ru
Sang-Goo Lee, Alaattin Kaya, Andrei S. Avanesov, Dmitriy I. Podolskiy, Eun Ju Song, Du-Min Go, Gwi-Deuk Jin, Jae Yeon Hwang, Eun Bae Kim, Dae-Yong Kim, Vadim N. Gladyshev. Age-associated molecular changes are deleterious and may modulate life span through diet // Science Advances. 2017. DOI:10.1126/sciadv.1601833.
