Новые биологические часы доказали обратимость клеточного старения
Исследователи из Гарварда разработали новые биологические часы на основе экспрессии генов, показав, что старение можно измерять и обращать вспять.
Мы привыкли определять свой возраст по времени, прошедшему с момента рождения, но может ли у нашего организма быть «внутренний часы», тикающие совсем с другой скоростью? Именно это предлагает новое исследование, опубликованное в журнале Nature. В работе исследователи из Массачусетской больницы общего профиля (Mass General Brigham) и Гарвардского университета в США разработали новый способ заглянуть в биологические часы организма и, возможно, предсказать наше будущее здоровье. Результаты позволяют оценивать различные аспекты биологического старения, а также выявлять паттерны, связанные с хроническими заболеваниями и повышенным риском смертности.
Для понимания новизны исследования следует разграничить два типа возраста. Наш хронологический возраст определяется как количество лет, прошедших с момента рождения. В противовес ему, биологический возраст отражает состояние клеток, тканей и систем организма. Два человека, родившиеся в один день, могут сильно отличаться: один может функционировать как человек на десяток или два моложе, в то время как у другого уже проявятся многочисленные клеточные и молекулярные изменения, связанные со старением. Разница в данном случае кроется не в хронологическом возрасте, а в биологическом.
Как проявляется возраст
Метод, с помощью которого исследователи измеряли биологический возраст, опирается на область, называемую транскриптомикой — изучение экспрессии генов. ДНК можно уподобить огромной инструкции. Все клетки действуют по одной книге, но разные клетки используют разные ее части: мышечная клетка, например, подчиняется инструкциям, отличным от инструкций клетки печени. Даже в клетках одного типа паттерн активности генов меняется в зависимости от состояния клетки и ее возраста. Поэтому изучение активных генов в каждый момент времени может предоставить исследователям картину состояния клетки и намекнуть на ее биологический возраст.
В рамках исследования было проанализировано более 11 000 образцов экспрессии генов из более чем 25 типов тканей. Чтобы проверить, появляются ли эти паттерны старения в различных тканях или у разных видов, также были изучены данные мышей, крыс и макак-резусов. Результат оказался неожиданным: несмотря на свои различные функции, клетки печени, мышц, иммунной системы и стволовые клетки разделяют схожие паттерны старения. Иными словами, существует общая «молекулярная сигнатура» старения, которая повторяется у разных видов млекопитающих.
Часы экспрессии генов
На основе этих данных исследователи разработали «часы экспрессии генов». Для этого они обучили вычислительные модели на тысячах образцов тканей и измерили уровень экспрессии тысяч генов. Модели научились тому, какие изменения в экспрессии определенных генов характеризуют более преклонный возраст или повышенный риск смертности, и какой вес придать каждому из них. После обучения в модель можно подать новый образец экспрессии генов, и на его основе она рассчитает предполагаемый молекулярный возраст.
В отличие от предыдущих биологических часов, предоставлявших единый возраст, новые часы разделяют старение на составляющие. Таким образом можно отдельно измерять различные процессы, происходящие в организме, например, воспалительные процессы, выработку энергии или состояние поддерживающей среды для клеток и тканей. Вместо общего ответа на вопрос «насколько стар организм?», можно понять, какие системы функционируют хорошо, а какие начинают изнашиваться. Исследователи также проверили, могут ли часы выявлять изменения, связанные с состоянием здоровья, а не только с возрастом. Применив часы к образцам людей с хроническими заболеваниями, включая болезнь Крона, язвенный колит, хроническую болезнь почек, сердечную недостаточность и болезнь Альцгеймера, они обнаружили, что часы указывали на ускоренное молекулярное старение по сравнению со здоровыми людьми того же возраста.
Когда часы идут назад
Чтобы проверить, можно ли обнаружить ускорение или замедление старения, исследователи изучили данные мышей и крыс, прошедших через изменения, которые, как известно, влияют на продолжительность жизни — включая генетические изменения, изменения в диете и медикаментозное лечение. В случаях, когда изменение сокращало продолжительность жизни, часы указывали на ускоренное старение и повышенный риск смертности. Напротив, вмешательства, продлевающие жизнь, такие как ограничение калорийности питания и определенные препараты, замедляли часы и снижали измеренный биологический возраст.
Не менее захватывающим было обнаружение того, что в некоторых случаях наблюдалось не просто замедление, но и биологическое «омоложение». В клетках, прошедших перепрограммирование в стволовые клетки, в ситуациях, когда исследователи соединяли кровеносные системы старых и молодых животных (парабиоз), и даже на ранних стадиях эмбрионального развития некоторые молекулярные сигнатуры, характеризующие старение и смертность, ослабевали и даже обращались вспять. Другими словами, биологические часы начали двигаться назад. Эти результаты подкрепляют гипотезу о том, что старение не обязательно является однонаправленным и необратимым процессом.
Если исследования в этой области продолжат развиваться, они могут изменить современную медицину. Врачи смогут в реальном времени отслеживать темпы старения организма и оценивать, как лекарства, питание или физическая активность влияют на здоровье в долгосрочной перспективе. Фактически, мы сможем измерять не только то, сколько времени мы живем, но и то, насколько хорошо мы живем. Тем не менее, наряду с большими перспективами возникают и этические опасения, такие как риск биологической дискриминации со стороны страховых компаний или медицинских комитетов.
