Конкурс «Био/Мол/Текст»-2022/2023

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «Био/Мол/Текст»-2022/2023.

Партнер номинации — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Старение

Неминуемый процесс старения всегда пугал людей. С давних времен люди пытались изобрести «эликсир молодости», способный предотвратить наступление старости.

С каждым годом медицинские средства становятся все эффективнее и эффективнее. За последние десятилетия уровень жизни и ее средняя продолжительность значительно выросли. Но процессы старения все так же приводят к серьезным нарушениям в работе человеческого организма. Из-за этого развиваются тяжелые заболевания, значительно ухудшающие качество жизни людей.

Ученые продолжают вести многочисленные исследования, направленные на поиск подходящей терапии. Однако по-настоящему эффективное «лекарство» все еще не обнаружено. Главной задачей на сегодня является не погоня за бессмертием, как это было в давние времена, а увеличение продолжительности жизни без ухудшения ее качества при неизбежном старении организма. А что, если в этой борьбе поможет микробиота, населяющая организм человека?

Микробиота против старения

Мир микроорганизмов чрезвычайно разнообразен. Их можно найти практически везде: от экстремальных горячих источников или зон вечного льда до морей, почвы или даже тел различных организмов.

Так, в человеческом теле живут миллиарды различных микроорганизмов: бактерий, грибов и архей. Они населяют различные участки: слизистые, кожу, желудочно-кишечный тракт. Такая совокупность микроорганизмов называется микробиотой. Наибольшую роль в функционировании человеческого организма играет микробиота желудочно-кишечного тракта. Количество бактерий, населяющих наш организм, поражает и даже пугает. Однако большинство из них не только не приносят никакого вреда, но являются жизненно необходимыми. Так, микробиота кишечника участвует в переваривании некоторых веществ, синтезе витаминов. Микроорганизмы могут влиять на иммунные реакции организма [1]. И, наконец, микробиота способна выделять специфические вещества, влияющие на процессы старения клеток.

Ученые все чаще предполагают наличие тесной связи между процессами старения и кишечной микробиотой. C возрастом происходят изменения в ее составе [2]. Таким образом, правильно изменяя состав микробиоты, можно улучшить состояние здоровья человека.

Кишечная палочка (Escherichia coli), один из видов микробов, населяющих организм человека, образует колановую кислоту — вещество, «продлевающее жизнь» клеткам. Давайте разберемся подробнее, что это за удивительное соединение.

Колановая кислота

Колановая кислота — полимер, состоящий из повторяющихся остатков глюкозы, галактозы и фукозы, глюкуроновой кислоты, пируватных и ацетатных групп (рис. 1). Это вещество относится к группе экзополисахаридов, то есть выносится на поверхность клетки. Колановая кислота обладает уникальными свойствами. Она способна продлевать жизнь организмов за счет специфического действия на их клетки. Это отличает ее от других известных полимеров — гиалуроновой и альгиновой кислот.

Ученые предполагают, что изначальная функция колановой кислоты заключается в защите микроорганизмов (в частности, Escherichia coli) от неблагоприятных условий. Но в ходе различных исследований они выяснили, что данное вещество способно продлевать жизнь. Правда, пока не людям, а модельным объектам (например, нематоде Caenorhabditis elegans) [3]. Неужели «лекарство» от старости наконец-то найдено? Попробуем разобраться в механизмах работы и процессах синтеза этого вещества.

Как синтезируется колановая кислота?

Биосинтез полисахаридов в клетке — это сложный процесс, в котором принимают участие множество различных белков. Они специфичны как для разных веществ, так и для разных видов организмов.

Биосинтез колановой кислоты осуществляют ферменты, кодируемые кластером генов cps [4]. В настоящее время функции всех генов и их значение в синтезе этого полимера не установлены. Часть из них кодируют ферменты, которые нужны для образования предшественников сахаров, входящих в колановую кислоту (например, гены cpsG и cpsB).

Ученые предполагают, что фермент WcaJ инициирует синтез колановой кислоты в результате переноса глюкозы к ундекапренолпирофосфату [5]. При этом формируется фосфоангидридная связь между фосфатами в этих двух веществах. После этого остальные сахарные группы переносятся белками WcaA, WcaC, WcaE, WcaI и WcaL. Этот процесс повторяется и, в конечном итоге, образуется полимер, состоящий из множества повторяющихся фрагментов. Интересно, что отдельные мономеры колановой кислоты и их комбинации, состоящие из менее трех повторений, не приводят к увеличению продолжительности жизни модельных объектов (рис. 2).

У бактерий есть специальная транспортная система, которая переносит вновь синтезированную кислоту на поверхность клеток. В нее входит группа белков WcaD, Wza, Wzb и Wzc [6].

В свою очередь весь процесс синтеза колановой кислоты регулируется транскрипционным фактором RcsA [7]. Его отсутствие приводит к прекращению образования вещества. Также ученые выяснили, что мутации в генах, участвующих в регуляции синтеза колановой кислоты, по-разному влияют на этот процесс. Так, мутация в гене lon усиливает синтез колановой кислоты [3]. Этот ген кодирует одноименную протеазу. В нормальных условиях она расщепляет транскрипционный фактор, то есть способствует остановке синтеза вещества. Следовательно, при наличии мутации идет избыточный синтез колановой кислоты.

Было установлено, что синтез колановой кислоты активируется при нарушении целостности клеточной мембраны, увеличении температуры и значений pH. Также на этот процесс влияют метаболический и осмотический стрессы клетки. Исследователи показали, что на синтез колановой кислоты влияет еще и структура липополисахаридов [6]. Это вещества, которые, как и колановая кислота, относятся к группе экзополисахаридов. Они являются компонентами внешней мембраны грамотрицательных бактерий.

Что делает колановая кислота в клетке?

Колановая кислота способна продлевать жизнь организмам из-за некоторых процессов, происходящих в их клетках.

Старение затрагивает все ткани и клетки организма, нарушая их структуру и функции. Один из факторов старения и сопутствующих ему заболеваний — окислительное повреждение митохондрий [8]. Митохондрии — энергетическая система клетки. В этих органеллах происходит окислительное фосфорилирование — многоступенчатая реакция, в результате которой электроны переносятся по электрон-транспортной цепи (ЭТЦ). Конечными продуктом такого переноса является синтез кислорода и АТФ. Однако не всегда электроны проходят ЭТЦ целиком. Вырвавшись за пределы цепи, они могут участвовать в образовании активных форм кислорода, например, пероксида водорода. Такие соединения очень опасны для всех структур клетки. Они повреждают мембраны клеток, белки, нуклеиновые кислоты.

Под действием колановой кислоты митохондрии подвергаются процессу фрагментации — начинают активно делиться с образованием новых неповрежденных органелл. Также известно, что данные органеллы способны не только делиться, но и сливаться между собой с образованием новых структур (рис. 3). Фрагментация поврежденной митохондрии не позволяет ей образовывать комплекс со «здоровой» митохондрией. Однако с этим аспектом колановая кислота, по-видимому, не связана, так как ее свойства никак не меняются при удалении генов, кодирующих белки, участвующие в слиянии митохондрий. В случае же отсутствия генов, отвечающих за процесс деления, положительное влияние колановой кислоты полностью пропадает. Увеличение продолжительности жизни организмов не наблюдается.

Рассмотрим подробнее фрагментацию митохондрий, а именно, как происходит их деление. В этом процессе у млекопитающих участвует динамин-родственный белок Drp1 (у других групп существуют свои аналоги). Он формирует кольца на поверхности митохондрий, тем самым сужая их мембраны. Но окончательное деление этих органелл происходит с помощью динамина. Этот белок использует гидролиз ГТФ для разрыва мембраны.

Таким образом, с помощью колановой кислоты снижается разрушительное действие на митохондрии, а процессы старения замедляются.

Колановая кислота способна влиять на еще один процесс, связанный с митохондриями, — реакцию митохондриального ответа развернутого белка в условиях стресса [9]. Для начала разберемся, что представляет собой этот сложный механизм.

Белки в клетке выполняют различные функции. Они все находятся в свернутом состоянии, то есть представляют собой полипептиды, имеющие трехмерную структуру. Процесс скручивания обеспечивают специальные белки-помощники — шапероны. Их можно обнаружить во всех компартментах клетки, в том числе органеллах — митохондриях. Для каждого «отсека» характерны свои шапероны. Но со временем в клетках могут накапливаться белки с нарушенной структурой: либо неправильно свернутые, либо же полностью развернутые. Для спасения своей «жизни» клетка активирует защитную реакцию, называемую реакцией ответа развернутых белков. В результате шапероны начинают активнее работать. Кроме того, активируются пептидазы, разрушающие «неправильные» белки. Такая система позволяет предотвратить негативное влияние веществ с нарушенной структурой на клетку.

В митохондриях шапероны хранятся как в матриксе, так и в межмембранном пространстве. В вышеназванном ответе участвует белок Hsp6, относящийся к шаперонинам (более узкой группе класса шаперонов). В одном из исследований ученые показали, что при инактивации гена, кодирующего одну из пептидаз, колановая кислота стимулирует работу именно этого белка [3]. Это приводит к эффективному ответу клетки на нарушения в структурах ее компонентов.

Необходимо упомянуть, что весь процесс такого ответа клетки регулирует транскрипционный фактор ATFS-1. Он инициирует образование митохондриальных шаперонов. Без этого фактора колановая кислота никак не сможет повлиять на клетку и продлить ее жизнь.

Заключение

Обнаруженные свойства колановой кислоты доказывают тесную связь между процессами старения и кишечной микробиотой. Дальнейшие исследования в этой области приблизят ученых к разработке эффективной терапии по борьбе со старением. Одним из перспективных направлений является разработка генетически модифицированных пробиотиков для коррекции изменяющегося состава микробиоты. Еще один способ — трансплантация кишечной микробиоты. Правильный подбор микроорганизмов поможет значительно улучшить состояние здоровья людей.

Литература

1. Andrew B. Shreiner, John Y. Kao, Vincent B. Young. (2015). The gut microbiome in health and in disease. Current Opinion in Gastroenterology. 31, 69-75;
2. Gail A. Cresci, Emmy Bawden. (2015). Gut Microbiome. Nutr Clin Pract. 30, 734-746;
3. Bing Han, Priya Sivaramakrishnan, Chih-Chun J. Lin, Isaiah A.A. Neve, Jingquan He, et. al.. (2017). Microbial Genetic Composition Tunes Host Longevity. Cell. 169, 1249-1262.e13;
4. G Stevenson, K Andrianopoulos, M Hobbs, P R Reeves. (1996). Organization of the Escherichia coli K-12 gene cluster responsible for production of the extracellular polysaccharide colanic acid. J Bacteriol. 178, 4885-4893;
5. K. B. Patel, E. Toh, X. B. Fernandez, A. Hanuszkiewicz, G. G. Hardy, et. al.. (2012). Functional Characterization of UDP-Glucose:Undecaprenyl-Phosphate Glucose-1-Phosphate Transferases of Escherichia coli and Caulobacter crescentus. Journal of Bacteriology. 194, 2646-2657;
6. Chenhui Wang, Hailing Zhang, Jianli Wang, Shanshan Chen, Zhen Wang, et. al.. (2020). Colanic acid biosynthesis in Escherichia coli is dependent on lipopolysaccharide structure and glucose availability. Microbiological Research. 239, 126527;
7. S. Gottesman, V. Stout. (1991). Regulation of capsular polysaccharide synthesis in Escherichia coli K12. Mol Microbiol. 5, 1599-1606;
8. David C. Chan. (2006). Mitochondria: Dynamic Organelles in Disease, Aging, and Development. Cell. 125, 1241-1252;
9. Mark W. Pellegrino, Amrita M. Nargund, Cole M. Haynes. (2013). Signaling the mitochondrial unfolded protein response. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research. 1833, 410-416;
10. Masao Saotome, Hideki Katoh, Hiroshi Satoh, Hideharu Hayashi, Gyorgy Hajnoczky. (2014). “Mitochondrial remodeling” in coronary heart disease. RRCC. 111.