Старение клеток проявляется в виде характерных признаков, общих для разных видов: нестабильность генома, укорочение теломер, эпигенетические изменения и клеточное старение. Недавние данные указывают на то, что изменения в самом ядре клетки могут быть новым признаком старения. Особенно ярко это видно при прогерии — синдроме преждевременного старения, вызванном накоплением дефектного белка преламина А, который нарушает механические свойства ядра. В физиологическом старении преламин А не накапливается, но клетки демонстрируют те же ядерные изменения, что и при прогерии. Ключевую роль в этом играет белок SUN1 — компонент комплекса LINC, соединяющего ядро с цитоскелетом. Повышенный уровень SUN1 характерен и для прогерии, и для нормального старения, а его удаление у мышей с прогерией продлевает жизнь и улучшает состояние тканей. Однако механизм, связывающий SUN1 со старением, оставался неизвестным. Данная работа стоит на пересечении исследований клеточного старения, механотрансдукции и системных факторов крови: она показывает, как секретируемый белок запускает внутриклеточный механизм старения через ядерный мост.
Чтобы выяснить, как стареющие клетки влияют на соседние, авторы использовали культуральную версию парабиоза — совместного содержания молодых и старых животных. Они обрабатывали молодые фибробласты средой от старых клеток и наоборот, а затем оценивали поляризацию клеток: движение ядра назад и ориентацию центросомы в ответ на стимуляцию лизофосфатидной кислотой. Для идентификации ингибитора поляризации среду от старых клеток подвергали биохимическим обработкам: нагреванию, диализу, обработке протеазами и РНКазой. Белковый состав сред сравнивали с помощью масс-спектрометрии с тандемными масс-метками. Для изучения механизма действия ApoD использовали нокдаун SUN1 с помощью shRNA, ингибиторы динеина и деацетилазы, а также экспрессию мутантных форм SUN1 и фрагментов несприна-2. Транскриптомный анализ проводили методом RNA-Seq, доступность хроматина оценивали с помощью ATAC-Seq. Влияние ApoD на мышечную регенерацию проверяли на мышах с повреждением мышцы хлоридом бария.
Среда от старых фибробластов подавляла поляризацию молодых клеток, а среда от молодых не улучшала поляризацию старых. Ингибитор оказался белком: он не проходил через диализ, разрушался при нагревании и обработке протеазами, но не РНКазой. Масс-спектрометрия выявила, что в среде от старых клеток повышен уровень белка ApoD (в 2,9 раза). Рекомбинантный ApoD в концентрациях, характерных для плазмы, подавлял поляризацию фибробластов. ApoD не блокировал действие лизофосфатидной кислоты, а вызывал долговременные изменения: он повышал уровень белка SUN1, не влияя на его мРНК, что указывало на стабилизацию белка. Подавление SUN1 или ингибирование динеина и деацетилирования микротрубочек отменяло эффект ApoD. Экспрессия SUN1 дикого типа, но не мутанта, неспособного связываться с неспринами, повышала секрецию ApoD. Нокдаун несприна-2 снижал экспрессию Apod и изменял экспрессию 356 генов; восстановление экспрессии фрагмента несприна-2, связывающего микротрубочки, но не актин, возвращало экспрессию Apod и доступность хроматина в промоторе гена. Повышенный уровень SUN1 и обработка ApoD вызывали дополнительные признаки старения: снижение ламина B1, уменьшение гистоновой метки H3K9me3, падение митохондриального мембранного потенциала и рост активных форм кислорода. В мышиной модели ApoD ухудшал восстановление мышцы после травмы: масса мышцы, сила одиночного и тетанического сокращения были ниже, чем у контрольных животных.
Работа впервые показывает, что секретируемый белок ApoD и ядерный белок SUN1 образуют петлю положительной обратной связи, которая ускоряет клеточное старение. В отличие от соседних исследований, сосредоточенных на эпигенетике, клеточном старении или отдельных аспектах механотрансдукции, эта статья связывает системный фактор крови с внутриклеточным механизмом через комплекс LINC и микротрубочки. Принципиально новым является открытие прямого пути регуляции экспрессии генов микротрубочками через комплекс LINC, а не актиновым цитоскелетом, как предполагалось ранее. Это меняет представление о механотрансдукции и объясняет, почему старение ускоряется после 60 лет: петля обратной связи может синхронизировать старение клеток в ткани.
В будущем важно выяснить, что запускает петлю ApoD-SUN1 при физиологическом старении. Возможно, триггером служит хроническое воспаление, которое стимулирует выработку ApoD. Другое направление — изучение перекрестных связей между микротрубочковым путем и другими механочувствительными путями, например, с участием фосфолипазы cPLA2 и арахидоновой кислоты. Также предстоит проверить, работает ли эта петля в других типах клеток и тканях, и можно ли разорвать ее фармакологически для замедления старения.
Результаты могут повлиять на геронтологию, регенеративную медицину и исследования системных факторов старения. ApoD и SUN1 становятся потенциальными мишенями для терапии возрастных нарушений, особенно мышечной слабости и замедленного заживления ран.
Ближайшие шаги включают идентификацию триггеров петли ApoD-SUN1, проверку ее роли в других тканях и поиск ингибиторов, способных разорвать петлю. Также необходимо изучить, как микротрубочки передают механические сигналы на хроматин.
Работа напрямую связана с нерешенной проблемой геронтологии: почему старение ускоряется в определенном возрасте и как системные факторы координируют старение разных тканей. Открытие петли ApoD-SUN1 дает конкретный молекулярный механизм для объяснения синхронизации старения. Кроме того, статья ставит вопрос о том, какие еще гены регулируются микротрубочками через комплекс LINC, что может быть общим принципом механотрансдукции.
Белок ApoD (аполипопротеин D) был впервые обнаружен как компонент липопротеинов высокой плотности, но его точная функция долго оставалась загадкой. Оказалось, что он вырабатывается в мозге при болезни Альцгеймера и защищает нейроны от окислительного стресса. Теперь выяснилось, что ApoD — еще и фактор старения, который старые клетки посылают молодым, чтобы те тоже «постарели».
Идея о том, что старение может передаваться через кровь, напоминает роман Олдоса Хаксли «О дивный новый мир», где люди стареют и умирают по расписанию. В реальности механизм оказался более тонким: не просто «фактор старения» в крови, а петля обратной связи, которая усиливает сама себя.
Работа опубликована не на arXiv. Здесь её страница, PDF и формализация: проверить можно самим, а не только прочитать наш разбор.