Дрожжи
Дрожжи Saccharomyces cerevisiae были предложены в качестве геронтологической модели в 1959 г. (Mortimer, Johnston, 1959), что было воспринято с определенным скептицизмом: как одноклеточный организм может прояснить самый сложный биологический феномен — старение человека? Однако именно исследования на дрожжах позволили накопить доказательства того, что все эукариоты обладают удивительно консервативными механизмами продолжительности жизни (Bitterman et al., 2003).
Дрожжи как объект исследования имеют ряд преимуществ — предельно малую продолжительность жизни (2—4 дня), полностью секвенированный геном и хорошо изученную биологию (Lesur, Campbell, 2004). Они несут 32 хромосомы. Размер их генома составляет всего 12 Мб. Из 6300 имеющихся в наличии генов 11 % гомологичны генам человека (Vijg, 2007).
У дрожжей измеряют репликативную и хронологическую продолжительности жизни (Fabrizio et al., 2005b).
В середине XX века Эндрю Бартон проследил судьбу индивидуальной клетки дрожжей и обнаружил, что материнские клетки смертны (Barton, 1950).
У почкующихся дрожжей репликативное старение возникает из-за асимметричного деления клетки, приводящего к возникновению большой материнской клетки (почки) и маленьких дочерних. Большая часть макромолекулярного состава дочерней клетки синтезируется заново, в то время как состав материнской клетки стареет с каждым делением (Guarente et al., 1998). По сути дела, при такой «спиральной» форме старения материнская клетка при делении стареет на одно поколение, тогда как каждая новая почка начинает жизнь с нулевого возраста (Hoopes et al., 2002). Репликативное старение дрожжей измеряется под микроскопом по количеству дочерних клеток, образуемых одиночной материнской клеткой до момента остановки делений. Оно аналогично репликативной продолжительности жизни фибробластов и лимфоцитов млекопитающих в первичных культурах клеток (Fabrizio et al., 2005b). Однако имеется два важных отличия: во-первых, деление клетки дрожжей асимметричное, во-вторых, в конце своей жизни материнская дрожжевая клетка лизируется, а не подвергается терминальной дифференцировке, как у млекопитающих (Hoopes et al., 2002). Медианная репликативная продолжительность жизни дикого типа S. cerevisiae составляет около 25 генераций, максимальная — 40 генераций (Le- sur, Campbell, 2004). При старении клетка дрожжей подвергается характерным структурным и метаболическим изменениям. Когда клетка стареет, она накапливает рубцы почкования, увеличивается в размерах, делится более медленно и, наконец, становится стерильной (Bitterman et al., 2003), в итоге заканчивая свою жизнь по механизму альтруистического самоубийства (Longo et al., 2005).Хронологическое старение — неделящееся состояние клетки при недостатке питательных веществ (Bitterman et al., 2003). Оно может служить в качестве модели старения постмитотической клетки высших организмов. Хронологическое старение измеряется средним и максимальным временем выживания популяции неделящихся дрожжей. Для исследования хронологического старения дрожжевые клетки выращивают на среде с глюкозой, а затем либо поддерживают на этой среде без обновления питательных веществ, либо отмывают и инкубируют в воде (ограничение калорийности питания). Выживаемость отслеживается до гибели 99 % популяции (Fabrizio et al., 2005).
Дрожжи как объякт геронтологии позволили выявить несколько десятков генов, способных влиять на продолжительность жизни; многие из них эволюционно консервативны (табл. 5).
Таким образом, почкующиеся дрожжи как модельный объект генетики старения позволяют найти ответы на следующие вопросы.
1. Какие механизмы старения возникли в эволюции на стадии одноклеточности?
2. Почему при асимметричном цитокинезе дочерние клетки не наследуют показания часов репликативного старения?
3. Почему клетка подвергается репликативному старению даже при активной теломеразе?
В гл. 2—4 будет подробно рассмотрен вклад исследований генетики старения дрожжей в современную геронтологию.
Тем не менее, несмотря на то что дрожжи являются простым одноклеточным организмом, изучение их генетики помогло понять процесс функционирования одного из главных механизмов старения — генетической нестабильности. Кроме того, изучение данного объекта позволило выявить эволюционно консервативные генные сети, отвечающие за реализацию «программы продолжительности жизни» в условиях стресса (когда определяющую роль играют сиртуи- ны, TOR-сигналинг, антиокислительные ферменты, ферменты репарации ДНК).