Могат ли сиртуините да противодействат на процеса на стареене Max-Planck-Gesellschaft
Процесите на стареене се случват универсално в почти всеки известен организъм след завършената репродуктивна фаза на живота. При хората, както и при другите видове, стареенето е придружено от намалена обща физическа форма и голям брой свързани с възрастта заболявания, за да назовем само диабет, артериосклероза, сърдечно-съдови и туморни заболявания. Докато много усилия от многобройни работни групи и обширни изследователски фондове са насочени към изследване на отделните заболявания, разследването на процесите на стареене все още е в зародиш. Разбирането на молекулярната основа на стареенето също би изяснило причините за всички свързани с възрастта заболявания. Няколко изследователи, включително пионерът на изследванията на възрастта Леонард Хейфлик, призовават за по-големи усилия и интензификация на изследователските фондове [1]. Безспорно е, че генетичните и епигенетичните фактори играят видна роля при стареенето. През последните години семейството на сиртуините се превърна във фокус на изследователски интерес поради неговите свойства за удължаване на живота.
Сиртуините са представени в генома на бозайниците от генно семейство, което кодира седем различни молекули сиртуин (Sirt1 до Sirt7). Повечето сиртуини имат ензимна деацетилазна активност. За разлика от конвенционалното ензимно деацетилиране, при което ацетиловите групи се отделят от целевите протеини в обикновена едноетапна реакция (както е известно от различни хистонови деацетилази), специфичното за сиртуин деацетилиране е двустепенна реакция. Окислен NAD + се изисква като ко-субстрат, за да поеме ацетиловата група. В допълнение към деацетилирания протеин, крайните продукти на реакцията са никотинамид (NAM) и О-ацетил-ADP-рибоза. От седемте сиртуини за бозайници Sirt1, Sirt2, Sirt3 и Sirt5 имат тази типична активност на деацетилиране. Изглежда обаче, че Sirt4 и Sirt6 използват NAD + за отделяне на ADP-рибоза и след това моно-ADP-рибозилиране на целевите протеини, така че тези два сиртуина действат като моно-ADP-рибозил трансферази. Досега не се знаеше нищо за ензимната активност на Sirt7 [4].
Тъй като наличността на NAD + зависи от клетъчния метаболизъм и енергийния статус, активността на сиртуините също се регулира от съотношението на окислени към намалени NAD (NAD +/NADH). Съотношението NAD +/NADH е относително високо в клетките в покой, които черпят енергия предимно от окислителния метаболизъм. За разлика от това силно разделящите се клетки преминават към анаеробно производство на енергия и коефициентът NAD +/NADH спада [5]. Тясната връзка между функцията на сиртуин и клетъчния метаболизъм играе централна роля в регулирането на продължителността на живота. Сиртуините например са необходими за удължаващия живота ефект на ограничаването на калориите. Намаленият прием на калории води до повишаване на общата физическа форма и увеличаване на продължителността на живота на всички изследвани досега животни, включително бозайниците. При мишки активността Sirt1 се увеличава по време на ограничаването на калориите [6,7].
Работната група към MPI за изследвания на сърцето и белите дробове първоначално се концентрира върху изследването на функцията на най-малко известния сиртуин, Sirt7. Учените успяха да покажат, че Sirt7 се намесва в процеса на стареене: Мишките с дефицит на Sirt7, които произвеждат, показват няколко признака на преждевременно стареене и имат значително съкратен живот.
Мишките с дефицит на Sirt7 стареят по-бързо
Мишките с нокаут Sirt7 стареят по-бързо: намален размер на тялото и лордокифоза. Вляво са показани шестмесечна контролна мишка от див тип и мишка с дефицит на ген Sirt7. На тази възраст вече се забелязва намален размер на тялото на нокаутиращата мишка Sirt7. Рентгенови изображения на мишки са показани отдясно, също на възраст от шест месеца, които показват изкривяване на гръбначния стълб при нокаутиращата мишка Sirt7.
Използвайки хомоложна рекомбинация, учените елиминират гена Sirt7 от генома на мишката и генерират дефицитен от Sirt7 щам на мишката (Sirt7 -/-). Животните Sirt7 -/- не показаха явни фенотипни промени през първите месеци от живота. Въпреки това, през втората половина на първата година от живота се наблюдават няколко признака на преждевременно стареене. Животните Sirt7 -/- показват изкривяване на гръбначния стълб (лордоцифоза), намален подкожен мастен слой и намалено телесно тегло, повишени възпалителни процеси, намален регенерационен потенциал и др. На възраст 7 - 9 месеца (Фиг. 1). Освен това общите механизми за защита срещу стрес при тези мишки бързо намаляват. Това се проявява например в невъзможността да се поддържа телесна температура, когато е студено или нивото на кръвната глюкоза, когато няма храна. Мишките Sirt7 -/- имат значително съкратен живот (приблизително 50%), което ефективно показва значението на тази молекула за нормалната продължителност на живота.
Недостигът на Sirt7 води до преждевременна сърдечна хипертрофия и възпаление
Сърдечна хипертрофия и фиброза в миокарда на мутантите Sirt7. Микроскопски изображения на хистологични разрези на миокарда на контролните (A, B) и нокаутиращи мишки Sirt7 (C, D). Хипертрофията може да бъде разпозната от по-големите кардиомиоцити (специфичният за кардиомиоцитите α-актин е оцветен в червено). Зеленото оцветяване с колаген III бележи фиброзното разширяване на извънклетъчния матрикс в мишките Sirt7 -/-. Синьото DAPI оцветяване прави клетъчните ядра видими.
Липса на метаболитна адаптация на мишките Sirt7 -/- към различни хранителни запаси
Липса на натрупване на мазнини в черния дроб на мишките с дефицит на ген Sirt7 след диета с високо съдържание на мазнини. Показват се микроскопични изображения на чернодробни секции от контролни (A, C) и нокаутиращи мишки Sirt7 (B, D). И двете групи животни бяха подложени на диета с високо съдържание на мазнини в продължение на шест седмици. Мишките от див тип съхраняват в черния дроб по-големи количества триглизериди, показани тук чрез масленочервеното оцветяване. Нокаутиращите мишки показват значително намалена способност да съхраняват мазнини в черния дроб. В C и D са показани по-големи увеличения на участъци от A и B.
Primary Sirt7 -/- хепатоцитите са резистентни към инсулин
перспектива
В обобщение може да се приеме, че сиртуините действат като регулатори на универсална, древна програма. Те винаги са особено активни, когато организмът трябва да мобилизира своите сили за оцеляване, както при вече споменатия недостиг на храна, но също така и при много други видове стрес като студ, жега, инфекции, стрес и т.н. Активирането на стимула за постоянно може да доведе до подобрено качество на живот до напреднала възраст.