<<
>>

Инсулин/ЮГ-сигналинг

Нейроэндокринная теория предполагает, что старение возникает в результате возрастзависимых изменений нервной и эндокринной функций, играющих ключевую роль в координации взаимодействия всех систем организма, а также реактивности при изменении внутренней среды и программировании физиологиче­ских ответов на внешнесредовые стимулы.

Такие возрастзависимые изменения избирательно влияют на отдельные нейронные и гор­мональные пути, регулирующие эволюционно значимые функции: репродукцию, рост, развитие, а также выживаемость через адапта­цию к стрессу (Weinert, Timiras, 2003). В чем состоит механизм этих возраст-ассоциированных изменений? На этот вопрос, по-ви­димому, удалось найти ответ В. М. Дильману (1968). Согласно его элевационной теории, старение рассматривается как следствие воз- растзависимого повышения порога чувствительности центральной нервной системы к регуляторным гомеостатическим сигналам. Скорость старения может модулироваться сигналами, которые передаются через сенсорное восприятие в нейросекреторную систему (Heininger, 2002).
Одна из наиболее изученных и важных регуляторных сетей, контролирующих продолжительность жизни в ответ на внешнесредовые воздействия, была впервые (в этом ка­честве) обнаружена у Caenorhabditis elegans. Она обусловлена сигналингом через рецептор DAF-2 инсулин/инсулиноподобного фактора роста 1 (IGF-1) (Baumeister et al., 2006). Геном нематод кодирует всего один инсулиноподобный рецептор DAF-2, го­мологичный рецепторам инсулина и IGF позвоночных. Рецептор DAF-2 на 35 % идентичен инсулиновому рецептору человека и на 34 % — рецептору IGF-1 (Cheng et al., 2005). Мутации, снижаю­щие уровень экспрессии гена daf-2, приводят к тому, что живот­ные остаются активными и молодыми намного дольше, чем в нор- 159

ме, при этом они живут в 2 раза дольше. Помимо длительности, та­кие мутанты имеют высокое «качество жизни» (Guarente, Kenyon, 2000).

Инсулиновый сигналинг, наиболее представленный в нервной ткани нематод, запускается внешнесредовыми стимулами. На про­должительность жизни могут влиять как вкусовые, так и обоня­тельные нейроны. ASI — это пара хемосенсорных нейронов, конт­ролирующих инсулиновый сигналинг. Их элиминация может уве­личивать продолжительность жизни на 50 % (Guarente, Kenyon, 2000; Baumeister et al., 2006). Средовые сигналы, такие как компо­ненты пищи или феромоны, стимулируют сенсорныенейроны сек- ретировать инсулин/IGF-1-подобный гормон, связывающийся с рецептором и ускоряющий процессы роста, развития и старения (Guarente, Kenyon, 2000).

Повышенные температуры, перенаселение или истощение источников пищи на ранних стадиях развития C. elegans приво­дит к формированию альтернативной третьей стадии личинки — dauer (от немецкого слова, означающего «длительный»), специ­ально адаптированной к долговременному выживанию. При воз­вращении к благоприятным условиям dauer выходит из диапаузы, приступает к питанию и продолжает развитие во взрослую особь с нормальной продолжительностью жизни (Klass, Hirsh, 1976; Beck- stead, Thummel, 2006). Формирование dauer аналогично спорооб­разованию дрожжей или более мягкому эквиваленту у млекопита­ющих — зимней спячке (Guarente, Kenyon, 2000). Как оказалось, мутации, снижающие инсулиновый сигналинг, приводят к форми­рованию dauer даже при благоприятных внешнесредовых усло­виях (McElwee et al., 2004).

Таким образом, ингибирование экспрессии гена daf-2 или дру­гих генов инсулин/IGF-пути имеет несколько эффектов (Baumeis­ter et al., 2006):

1) ранняя задержка развития, что отражается на многих биоло­гических процессах, включая метаболизм (запускается альтерна­тивная программа dauer);

2) слабые daf-2-мутации, которые обходят стадию dauer, либо подавление daf-2-сигналинга на поздней стадии развития (у темпе­ратурно-чувствительных мутантов) приводят к увеличению пере­носимости ряда стрессов;

3) супрессия развития на поздних личиночных стадиях (когда формирование dauer уже запущено), например с помощью РНК-ин- терференции, приводит к увеличению продолжительности жизни.

В общей сложности геном C. elegans кодирует 38 инсулино­подобных молекулы, в основном экспрессируемых в нейронах, но также обнаруживаемых и в кишечнике, мышцах, эпидермисе

Рис. 3. Механизм инсулинового сигналлинга.

и гонадах. Некоторые из них являются агонистами или антагони­стами DAF-2. Связывание лиганда-агониста с рецептором DAF-2 активирует фосфоинозитол-3-киназу (PI3K; AGE-1 у C. eleganS), что приводит к образованию фосфоинозитид-3,4,5-трифосфата (рис. 3). AAP-1, адапторная субъединица AGE-1, потенциирует (усиливает) этот сигнал, тогда как DAF-18 (гомолог PTEN) по­давляет его (Baumeister et al., 2006). Субстрат инсулинового ре­цептора IST-1 также содействует сигналингу между DAF-2/IR и AGE-1/PI3K (Gami, Wolkow, 2006). Главный эффектор PI3K — 3-фосфоинозитид-зависимая киназа 1 (PDK-1) в свою очередь фос- форилирует (активирует) несколько членов семейства киназ AGC, включая киназы AKT-1 и AKT-2 (гомологи Akt/PKB млекопитаю­щих), а также сыворотка- и глюкокортикоид-индуцибельную ки­назу 1 (SGK-1) (Beckstead, Thummel, 2006). Эти белки формируют мультимерный белковый комплекс, контролирующий статус фос­форилирования транскрипционного фактора DAF-16 — основной мишени инсулин/ГСР-пути у нематод. Активный DAF-2-сигна- линг фосфорилирует и в результате инактивирует DAF-16, приво­дя к удержанию этого транскрипционного фактора в цитоплазме (Guarente, Kenyon, 2000; Cheng et al., 2005; Baumeister et al., 2006;

Gami, Wolkow, 2006). Это позволяет протекать нормальным рос­товым процессам. В неблагоприятных условиях (повышенные температуры, перенаселение или истощение источников пищи) инсулиновый сигналинг инактивируется и дефосфорилированный DAF-16 перемещается в ядро, где он блокирует рост и запускает формирование dauer или долгожительство (Beckstead, Thummel, 2006). Подробнее роль DAF-16/FOXO в физиологии клетки и ста­рении раскрыта в следующем разделе.

Известно, что у нематод инсулиновый сигналинг в разных тка­нях может иметь различные эффекты и отвечать на различные сиг­налы. Однако, по-видимому, ключевая роль принадлежит нейро­нам. В пользу нервной регуляции старения говорит и тот факт, что продолжительность жизни мутанта age-1 может быть полностью восстановлена до дикого типа при экспрессии AGE-1 только в ней­ронах, тогда как экспрессия в мышцах или кишечнике дает не­значительный эффект (Morley, Morimoto, 2004; Baumeister et al., 2006). Помимо нервной системы в регуляции продолжительности жизни нематоды важную роль играет кишечник — жировая ткань, являющаяся аналогом печени млекопитающих или жирового тела дрозофил и служащая местом основной активности регулируемо­го инсулиновым сигналингом транскрипционного фактора DAF-16 (Libina et al., 2003).

Инсулиновый сигналинг регулирует разнообразные функции, включая рост, развитие, плодовитость, метаболический гомеостаз и продолжительность жизни (Broughton et al., 2005). У C. elegans мутации в генах рецептора инсулина, субстрата инсулинового ре­цептора или Р13-киназы, протеинкиназ AKT и SGK-1 либо сверх­экспрессия транскрипционного фактора DAF-16/FOXO увеличи­вают продолжительность жизни и замедляют или снижают репро­дукцию. Снижение экспрессии даже одного из лигандов (ins-7) увеличивает продолжительность жизни у нематоды (Broughton et al., 2005). Выключение другого гена инсулинового пептида ins-11 находится в антагонизме к предыдущей мутации. Следовательно, ins-11 необходим для увеличения продолжительности жизни, вы­званного снижением инсулинового сигналинга. По-видимому, в норме он является антагонистом рецептора DAF-2 (Kawano et al., 2006). Черви со сниженной активностью инсулинового сигналинга характеризуются также более высоким уровнем липидов и повы­шенной устойчивостью к оксидативному стрессу (Broughton et al., 2005). Нематоды с нарушением AKT имеют малые размеры, их органы состоят из малого количества клеток, однако они живут долго (Puig et al., 2003).

Вполне вероятно, что механизм влияния инсулинового сигна­линга на продолжительность жизни кроется в изменении экспрес- 162 сии определенных генов.

При исследовании экспрессии генов у долгоживущего мутанта daf-2 (Halaschek-Wiener et al., 2005) наблюдали увеличение (по сравнению с нормальными особями) экспрессии генов семейства hsp16 (белки теплового шока), генов рибосомальных белков (rps, rpl, rpa) и факторов общего стресс­ответа (hsp, mtl-1, gst-1, sip-1), а также снижение транскрипция генов липидного метаболизма. Среди них гены семейства вителлогенина (от vit-1 до vit-6), fat-2 и др. У мутантов снижен ме­таболизм нуклеиновых кислот, нарушены регуляция транскрип­ции, инициация репликации ДНК и синтез структурных белков хромосом. Среди генов этих мутантов выявлены гены гистонов (his-24, 41, 62 и 72), гистоновых деацетилаз (hda-1, pqn-28), гены mcm (от mcm-2 до 6), геликаз (hel-1 и cgh-1) и РНК-связывающих белков (puf-3, 5 и 6). Примерно 59 генов, регулирующих белко­вый метаболизм, снижают у долгоживущих мутантов daf-2 свою экспрессию. Они регулируют протеолиз и пептидолиз (например, гены asp и spp), инициацию (T27F7.3b и E04D5.1) и элонгацию транскрипции (eft, F17C11.9a и Y41E3.10), шаперонную актив­ность (cct-1, 4, и 6). На более низком уровне у мутанта daf-2 также экспрессируются транскрипты, связанные с энергетическим ме­таболизмом (транспортом электрона и синтезом АТФ), клеточ­ным сигналингом (регуляцией клеточного цикла, сигналингом че­рез G-белки, киназы и фосфотазы), метаболизмом углеводов (гли­колизом и глюконеогенезом), и со структурой клетки, особенно с образованием актина (от act-1 до act-5) и тубулина (tbb-1, tbb-2, tba-2 и tbg-1). Таким образом, мутанты daf-2 характеризуются гипометаболизмом (Halaschek-Wiener et al., 2005). При использо­вании анализа олигонуклеотидных чипов, среди идентифициро­ванных классов генов, экспрессия которых изменяется сходным образом у личинки dauer и у долгоживущих мутантов daf-2, оказа­лись известные детерминанты продолжительности жизни — ма­лые белки теплового шока/а-кристаллины, гены детоксификации. Кроме того, отмечено снижение экспрессии генов, связанных с по­глощением пищи, таких как nhx-2 и pep-2 (McElwee et al., 2004).

По-видимому, в эффектах инсулинового сигналинга на про­должительность жизни задействованы вторичные гормоны или сигналы. Одним из кандидатов на эту роль является SCL-1, член CRISP-семейства секретируемых белков. Экспрессия SCL-1 сверх- активируется у мутантов daf-2 и необходима для увеличения про­должительности их жизни. Помимо этого, регулируемый инсули­ном транскрипционный фактор DAF-16 контролирует белки, уча­ствующие в синтезе липофильного гормона (Libina et al., 2003).

Инсулиновый сигналинг может контролировать долгожитель­ство, взаимодействуя с известными факторами стрессоустойчи- 163

вости. Как оказалось, внешние стрессовые воздействия (увели­чивающие соотношение АМФ : АТФ) или мутации, снижающие инсулиновый сигналиш-, продлевают жизнь через активацию про­теинкиназы AAK-2: продолжительность жизни двойного мутанта daf-2(m577);aak-2(ok524) не отличается от таковой у aak-2(ok524) (Apfeld et al., 2004). Инсулиновый путь взаимодействует также с фактором теплового шока HSF — регулятором экспрессии генов белков теплового шока. По-видимому, это является одной из при­чин того, чти все долгоживущие инсулиновые мутанты прояв­ляют повышенную устойчивость к стрессам, включая тепловой и оксидативный, а также вызванный ультрафиолетом или тяжелыми металлами (McColl et al., 2005). Стрессоустойчивость также во многом обусловлена повышенной активностью каталазы, цито­плазматической (Cu,Zn-SOD) и митохондриальной (Mn-SOD) су- пероксиддисмутаз. Их экспрессия опосредована транскрипцион­ным фактором DAF-16 (McElwee et al., 2004).

В геноме дрозофилы семь инсулиноподобных пептидов (DILP), которые независимо регулируются на уровне транскрипции в от­вет на изменение условий питания, а также тканеспецифическим образом на разных стадиях онтогенеза. Три гена DILP (сЙр2, dilp3, dilp5) экспрессируется билатерально симметричными нейросе­креторными клетками мозга (инсулин-продуцирующими клет­ками). Два из них активны исключительно в соматике взрослой мухи (dilp2 и dilp3). Экспрессия dilp5 отмечена также в яични­ках (Broughton et al., 2005). Об эффектах каждого пептида в от­дельности известно мало. Однако выяснено, что экспрессия ге­нов dilp3 и dilp5 регулируется доступностью питательных ве­ществ, а все семь генов dilpl—dilp7 стимулируют процессы роста (Tu et al., 2006). Из них DILP2 наиболее напоминает инсулин че­ловека (Wang et al., 2005). У мух с удаленными нейросектетор- ными клетками имеет место увеличение накопления жира, трега- лозы и гликогена, а также увеличение продолжительности жизни (Broughton et al., 2005).

В тканях-мишенях DILP активируют рецептор инсулин/инсу- линоподобного фактора роста (InR) (рис. 3). InR трансдуцирует сигнал через Chico — гомолог субстратов 1—4 инсулинового ре­цептора млекопитающих (IRS-1—IRS-4). Сигнал передается на PI3K и Akt. Фосфатаза dPTEN противодействует активности PI3K и, следовательно, инсулиноподобному сигналингу. Сверхэкспрес­сия dPTEN в жировом теле мух приводит к увеличению продол­жительности жизни на 20 %. Сигналинг инсулина влияет на экс­прессию генов через инактивацию транскрипционного фактора dFOXO, являющегося эквивалентом DAF-16 нематод и FOXO3a млекопитающих. AKT фосфорилирует dFOXO, в результате чего тот остается в цитоплазме и не способен активировать экспрес­сию своих генов-мишеней. Индукция dFOXO при снижении инсу­линового сигналинга влияет на рост и продолжительность жизни дрозофил (Landis et al., 2003; Hwangbo et al., 2004; Wang et al.,

2005) .

Помимо стрессоустойчивости инсулиновый сигналинг дро­зофилы контролирует репродукцию. Яичники самок с мутацией рецептора инсулина напоминают таковые в состоянии ре­продуктивно й диапаузы (Tatar, 2004). Гетероаллельный генотип у самок приводит к малым размерам тела, стериль­ности и удлинению продолжительности жизни на 85 %. При этом у них наблюдается накопление триглицеридов и Sod, снижение синтеза ювенильного гормона. Продолжительность жизни самок возрастает также при мутации гена субстрата инсулинового ре­цептора Chico. Самки-гомозиготы Chicol/Chicol живут на 48 % дольше. Гомозиготные самцы живут меньше, чем самцы дикого типа. Однако гетерозиготы Chico1/+ обоих полов живут дольше (на 36 % самки и на 13 % самцы).

Чем обусловлен данный эффект? Старение дрозофил регули­руется dFOXO, что доказывается увеличением продолжительно­сти жизни при его сверхэкспрессии в перицеребральном жировом теле у взрослых мух. Подавдение сигналинга инсулина активизи­рует dFOXO, приводя к экспрессии генов стрессоустойчивости. По механизму обратной связи такая активация приводит к сниже­нию экспрессии инсулиноподобного пептида DILP2, синтезируе­мого в нейронах, и к репрессии эндогенного инсулинозависимого сигналинга в периферическом жировом теле (Cheng et al., 2005). Инсулиновый сигналинг у дрозофил, так же как и у нематод, регу­лируется доступностью пищи. Снижение доли белка или дрожжей в диете мух подавляет сигналинг InR/PI3K. В ответ на инсулино­вый сигналинг жировое тело дрозофилы модулирует его в пери­ферических тканях путем секреции dALS (кислотно-лабильной субъединицы), гомолог которой у млекопитающих формирует тройной комплекс с IGF-1, продлевая время полужизни этого ли­ганда (Kapahi et al., 2004).

Помимо продолжительности жизни dInR/dPBK/dAKT-меха- низм у дрозофилы регулирует размеры тела (Puig et al., 2003). Он необходим для нормального роста дрозофил. Продление жизни мух с нарушенным инсулиновым сигналингом сопровождается снижением размеров тела и задержкой времени развития. Одна­ко снижение размеров не является необходимым условием дол­гожительства — гетерозиготы по мутации Chico (гена субстрата рецептора инсулина) и особи со сверхэкспрессией dFOXO имеют нормальные размеры (Broughton et al., 2005).

Кроме системного действия на продолжительность жизни, рост и репродукцию инсулиновый сигналинг напрямую влияет на воз- растзависимую физиологию органов. У стареющих дрозофил опи­саны постепенные изменения функции сердца с 1-й до 7-й недели жизни. За этот период происходит снижение частоты сердечных сокращений в покое, а стресс-индуцированная сердечная недо­статочность нарастает. Эти возрастзависимые изменения отсутст­вуют у долгоживущих мух со сниженным системным уровнем инсулиноподобных пептидов, а также в случае мутации гена ре­цептора инсулина InR или его субстрата Chico. Более того, сверх­экспрессия фосфатазы dPTEN или dFOXO только в сердце предот­вращает спад его работы с возрастом (Wessells et al., 2004).

Имеют ли отношение выявленные у мутантов изменения к приспособленности природных популяций? Имеют ли эти измене­ния эволюционное значение? Исследования Труди Маккей и со­авторов показали, что локус инсулиноподобного рецептора (InR) может принимать участие в естественном варьировании продол­жительности жизни. Дикие популяции дрозофилы характеризуют­ся обширным полиморфизмом по локусу InR (цит. по: Flatt, 2004). Что же касается межвидовых различий по продолжительности жизни, то роль инсулинового сигналинга только начала прояс­няться. В оличие от дрозофил матки социальных насекомых представляют собой удивительный пример долгожительства. Известно, что плодовитые матки пчел живут в 10 раз дольше, чем стерильные рабочие самки, при этом они откладывают до 2000 яиц в день. В отличие от старых рабочих самок уровень экспрессии инсулиноподобного пептида и двух его рецепторов у маток пчел с возрастом снижается, что может быть одной из причин их долгожительства (Corona et al., 2007).

Инсулиновый сигналинг регулирует процессы старения и у млекопитающих, у которых задействованы два пептидных гор­мона — инсулин и IGF-1. Оба пептида производят эндокринные, паракринные и аутокринные эффекты в различных тканях. Инсу­лин вырабатывается главным образом • -клетками поджелудочной железы, тогда как IGF-1 — различными клетками тела и прежде всего печени. В большинстве тканей инсулин и IGF-1 стимулируют рост клеток. Циркулирующая глюкоза индуцирует высвобождение инсулина. Секреция IGF-1 запускается многими факторами, включая гипофизарный гормон роста и мышечное сокращение. Связывание инсулина клеткой- мишенью стимулирует поглощение глюкозы и глюкозный метаболизм, отчасти через экспрессию генов (Gami, Wolkow, 2006).

У млекопитающих в ответ на связывание лиганда димерный тирозинкиназный рецептор (InR или IGF1R) активирует фосфои- 166

нозитид-3-киназу (PI3K), что приводит к образованию фосфоино- зитид-3,4,5-Р3 и фосфоинозитид-3,4-Р2 (рис. 3). Главными эффек­торами фосфолипидных продуктов PI3K являются серин-треони- новые киназы — AKT/PKB и PDK-1. PDK-1 фосфорилирует и активирует PIP-связывающую киназу AKT/PKB, которая в свою очередь фосфорилирует нижележащие белки-мишени (Gami, Wol- kow, 2006).

При развитии многоклеточного организма рост регулируется за счет контроля количества и объема клеток таким образом, что каждый орган достигает определенных пропорций по отношению ко всему организму. Рост тела контролируется скоординирован­ным продвижением клеток по клеточному циклу и регуляцией их выживания и модулируется наличием питательных веществ, фак­торами роста и температурой. Факторы роста стимулируют деле­ние и выживание клетки путем активации рецептора инсулина, ко­торый действует через два главных каскада трансдукции сигнала: уже известный нам PI3K/AKT и RAS/MAP-киназный. Например, AKT стимулирует синтез многих белков клетки (и ее рост) через активацию киназы TOR (TOR расшифровывается как «мишень рапамицина»), которая затем фосфорилирует и инактивирует бе­лок, связывающий репрессор трансляции 4EBP. Гипофосфори- лированный 4EBP взаимодействует с фактором инициации транс­ляции eIF4E, ингибируя общий синтез белка в клетке. AKT также регулирует транскрипцию через фосфорилирование FOXO, подав­ляющее его активность. В свою очередь FOXO способен транск- рипционно активировать d4EBP, подавляя рост клеток (Puig et al.,

2003) . Интересно отметить, что AKT активируется не только в от­вет на влияние ростовых факторов, таких как инсулин и IGF-1, но и при повреждении ДНК. AKT является ключевым белком в про­верочной точке G^M-перехода после повреждения ДНК. Возмож­но, что активация AKT под действием у-радиации контролируется главным образом ATM посредством фосфорилирования. Этот эф­фект опосредован через фосфатидилинозитол-3-киназный домен ATM, специфично фосфорилирующий AKT (Viniegra et al., 2005).

Белок PTEN является антагонистом фосфатидилинозитол-3- ОН -киназной активности, стимулируя ядерную локализацию эндогенного FOXO и ингибируя функцию TOR (Hwangbo et al.,

2004) . Кроме того, мутация гена фосфатазы PTEN, антагониста PI3K-пути, представлена в 12—60 % (в зависимости от ткани) опу­холей человека (Lam et al., 2006).

Как у нематод и дрозофил, снижение инсулин/IGF-1-сигна- линга продлевает жизнь грызунов. У мышей обнаружены дол­гоживущие карликовые мутанты. Гены pit-1 и prop-1 кодируют транскрипционные факторы, регулирующие развитие гипофиза.

Гомозиготность по мутациям этих генов ведет к карликовости Snell (ріҐ/Pit™) и Ames (Рторґ/Ргорґ), сопровождающимся уве­личением продолжительности жизни на 25—65 % по сравнению с диким типом. Клетки таких животных характеризуются устойчи­востью к различным стрессам (тепловому, оксидативому). У них также наблюдается дефицит сывороточного гормона роста (GH), тироидстимулирующего гормона, пролактина и IGF-1, который секретируется клетками печени после стимуляции GH (рис. 3). Карликовые мыши с искусственно высоким GH, но сниженным на 90 % IGF-1 (мыши с выключенным GH-рецепторсвязывающим белком) живут дольше дикого типа. Таким образом, основное зна­чение для долгожительства имеет снижение IGF-1. У мышей Snell дефицит GH приводит к снижению уровня IRS-2 (субстрата инсу­линового рецептора-2), активности PI3K и к нарушению связи p85a с IRS-2. Экспрессия антисмысловой РНК GH в гипофизе, селезенке и тимусе в гомозиготе приводит к снижению продол­жительности жизни (на 5—10 %), тогда как гетерозиготы живут на 7—10 % дольше особей дикого типа (Murakami et al., 2003; Cheng et al., 2005). У карликовых мышей Snell снижена инициа­ция транскрипции по сравнению с контролем, по-видимому, как следствие нарушения инсулинового и mTOR-сигналинга (Hamil­ton et al., 2006).

Гетерозиготы по мутации рецептора IGF-1 живут на 26 % дольше особей дикого типа, тогда как гомозиготность летальна. Мыши, имеющие всего 10 % от нормального уровня IGF-1, живут на 40—55 % дольше. При этом такие мыши не являются карли­ками, их энергетический метаболизм в норме, так же как физи­ческая активность, частота опухолеобразования, фертильность и питание. У мышей Igf1r+/- подавлен MAP-киназный каскад и снижен РКК/АкРсигналинг. Полученные от таких мышей фиб­робласты более устойчивы к оксидативному стрессу, чем конт­роль. На молекулярном уровне IRS, а также p52- и р66-изофор- мы Shc (основные субстраты рецептора IGF-1) характеризуются гипофосфорилированием по тирозину. Именно p66Shc опосредует клеточный ответ на оксидативный стресс (Nelson, Padgett, 2003; Maier et al., 2004; Cheng et al., 2005).

IGF-1 циркулирует в организме в комплексе с IGFBP, кото­рый увеличивает время его полужизни и модулирует активность (Gatford et al., 1996). В толстом кишечнике при старении двукрат­но снижается выработка IGFBP-3 (Englander, 2005). Активность IGFBP-4, а также белка, ассоциированного с инсулиноподобным фактором роста 2 (IGF2A), при старении фибробластов в культуре клеток, напротив, увеличивается (Yoon et al., 2004; Hardy et al.,

2005) . Похожий паттерн экспрессии генов задержки роста (PTEN

и IGFBP-3), участвующих в инсулиновом сигналинге, проявляет­ся при клеточном старении и при обработке перекисью водорода или этанолом (Pascal et al., 2005).

У мышей отсутствие инсулинового рецептора летально, одна­ко самцы-гетерозиготы живут на 16 % дольше нормальных мы­шей, а самки-гетерозиготы — на 33 % дольше. При этом гетерози­готы характеризуются нормальными размерами, метаболизмом и фертильностью, но повышенной устойчивостью к оксидативному стрессу (Nelson, Padgett, 2003). Даже выключение гена инсулино­вого рецептора только лишь в жировой ткани продлевает продол­жительность жизни. При этом жировая прослойка уменьшается, теряется нормальное соотношение между лептином плазмы кро­ви и массой тела, т. е. мыши становятся устойчивыми к ожире­нию (Cheng et al., 2005). Тем не менее нейрон-специфическое на­рушение гена инсулинового рецептора у мышей (линия NIRKO) приводит к снижению фертильности и ожирению (Broughton et al., 2005).

Инсулин/ЮР-1-путь регулирует продолжительность жизни не сам по себе, а посредством большого количества генов, в том чис­ле антимикробных и метаболических, обусловливающих стресс­ответ. Фибробласты, взятые у карликовых мышей Snell (характе­ризующихся низким уровнем инсулинового сигналинга), проявля­ют устойчивость к различным формам летальных повреждений, таких как ультрафиолет, тепловой шок, индуктор свободных ради­калов паракват, перекись водорода, кадмий. Подобная стрессо­устойчивость может вести к невосприимчивости к возрастзависи- мым заболеваниям и, как следствие, к наблюдаемому увеличению продолжительности жизни (Cheng et al., 2005).

Белок Klotho, сверхэкспрессия которого приводит к долголетию у мышей, функционирует в качестве циркулирующего гормона, связывающегося с рецептором на клеточной поверхности и подавляющего внутриклеточный сигналинг инсулина и IGF-1. Де­фицит Klotho приводит к ускоренному старению: уменьшению длительности жизни, бесплодию, задержке роста, гипоактивности, кожной атрофии, преждевременной инволюции тимуса, атероскле­розу, остеопорозу и эмфиземе легких. Данные проявления можно смягчить подавлением инсулин/IGF-1-сигналинга. Таким образом, его ингибирование вносит вклад в эффекты антистарения, вызван­ные гормоном Klotho (Kurosu et al., 2005; Yamamoto et al., 2005). Ген klotho кодирует белок с одним трансмембранным доменом. Внеклеточный домен Klotho состоит из двух внутренних повто­ров, KL1 и KL2, имеющих гомологию последовательности амино­кислот с »-гликозидазами бактерий и растений (20—40 % иден­тичности). Однако Klotho не проявляет гликозидазной активнос- 169

ти. Внеклеточный домен белка Klotho сбрасывается, секретирует- ся в кровь и связывается с рецепторами на поверхности клеток. Он подавляет фосфорилирование по тирозину рецепторов инсу- лина/IGF-1 и его субстратов, снижая их активность и ассоциацию с Р13-киназой и ингибируя инсулин/IGF-1-сигналинг. В результа­те Klotho активирует транскрипционный фактор FOXO, индуци­руя марганцевую супероксиддисмутазу (Mn-SOD) и обеспечивая устойчивость к оксидативному стрессу (Kurosu et al., 2005; Yama­moto et al., 2005). Он обнаруживается в ограниченном числе тка­ней, прежде всего в дистальных извитых канальцах почек и в хо- роидном сплетении мозга. У человека наличие некоторого SNP (полиморфизма одиночных неклеотидов) по гену klotho также ассоциировано с изменением продолжительности жизни, риском болезни коронарной артерии, остеопорозом и инфарктом (Kurosu et al., 2005; Yamamoto et al., 2005). Популяционно-генетические исследования человека выявили аллель KL- VS гена klotho, гетеро- зиготость по которой увеличивает продолжительность жизни (Ar- king et al., 2002).

Люди, теряющие функцию гена рецептора гормона роста (синд­ром Ларона), контролирующего инсулиновый сигналинг, характе­ризуются маленьким ростом, лицевым дисморфизмом, тучностью, низким уровнем глюкозы и IGF-1 в сыворотке, отсроченным со­зреванием. До сих пор отмечено около 220 случаев, вызванных 25 различными мутациями с разнообразными фенотипами. Дан­ные об их средней продолжительности жизни отсутствуют. Фраг­ментарная информация о «маленьких людях» с мутацией гена PROP1 предполагает, что такие индивидуумы могут быть долго­жителями. По крайней мере один из пациентов дожил до 91 года (Butler et al., 2003).

Исследования долгожителей, эффектов спорадических мута­ций и заболеваний проливает свет на роль инсулин/IGF-1-сигна- линга в регуляции продолжительности жизни человека. Установ­лено, что в норме у человека чувствительность к инсулину с воз­растом снижается. Резистентность к инсулину является важным фактором риска, связанным с повышенным кровяным давлением, атеросклерозом, ожирением, влияя на заболеваемость, нетрудо­способность и смертность среди лиц пожилого возраста (Cheng et al., 2005). Напротив, снижение количества инсулина в плазме крови при одновременном низком уровне глюкозы, отражающее повышенную чувствительность к инсулину, является маркером долголетия (Broughton et al., 2005; Cheng et al., 2005). Данные об­следования 466 здоровых субъектов в возрасте 28—110 лет пока­зали существенное снижение резистентности к инсулину в возрас­те 90—100-лет. Таким образом, эффективный инсулиновый ответ увеличивает продолжительность жизни человека. Сравнение па­раметров старения индивидуумов до 39 и свыше 70 лет, имею­щих сходный уровень IGF-1 в крови показал, что пожилые люди с уровнем IGF-1 как у молодых не проявляют возрастзависимого снижения тестостерона в сыворотке крови, худощавы, не стра­дают увеличением жировой массы (Cheng et al., 2005). Проведе­ны исследования полиморфизма в популяции человека аллелей генов IGF-1R, PI3KCB, IRS-1 и FOXO1A, принимающих участие в инсулин/IGF-сигналинге. Индивидуумы, несущие по крайней мере одну аллель А в локусе IGF-1R (IGF-1R A+), имеют низкий уровень IGF-1 в плазме и наиболее часто представлены среди дол­гожителей. Более того, комбинация аллели А локуса IGF-1R и ал­лели О локуса PI3CKB (А+/7+-субъекты) влияет на уровень IGF-1 в плазме крови и на продолжительность жизни, она часто встре­чается у долгожителей (Cheng et al., 2005).

В то же время вовлечение инсулин/IGF-1-пути в регуляцию продолжительности жизни у млекопитающих выглядит более сложным, чем у низших животных. Повсеместное снижение инсулинового сигналинга у млекопитающих ассоциировано с диа­бетом, характеризующимся высоким уровнем глюкозы в крови из-за снижения ее поглощения из циркуляции тканями мышц и пе­чени, а также из-за увеличения высвобождения глюкозы в кровь при катаболизме печенью гликогена и белков. Диабет II типа при­водит к ускоренному появлению возраст-ассоциированных симп­томов. Диабет у млекопитающих может быть обусловлен физио­логическими нарушениями, невозможными у беспозвоночных, а именно микро- и макрососудистыми повреждениями в результа­те гипергликемии (Broughton et al., 2005; Cheng et al., 2005). Кро­ме того, это может быть связано с большим количеством инсу- лин/IGF-1-рецепторов во множестве органов млекопитающих, а также разделением рецепторов, сигнальных путей и функций ин­сулина и IGF-1 (Cheng et al., 2005).

Таким образом, инсулиновый сигналинг, стимулирующий рост и развитие, метаболизм и репродукцию, плейотропно подавляет стрессоустойчивость, обусловливая снижение продолжительнос­ти жизни экспериментальных животных. Другими словами, при благоприятных внешнесредовых условиях он перераспределяет энергетические и пластические ресурсы клетки и организма в це­лом от репаративных путей к процессам роста и размножения. Данная роль консервативна в эволюции от беспозвоночных до млекопитающих. В то же время практическая ценность подавле­ния инсулинового сигналинга для достижения долголетия у мле­копитающих сомнительна, поскольку нивелируется патологиче­скими изменениями, связанными с диабетом.

<< | >>
Источник: Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с.. 2008

Еще по теме Инсулин/ЮГ-сигналинг:

  1. Послеоперационный период
  2. Типы сахарного диабета
  3. Порядок оказания помощи
  4. Контроль уровня глюкозы в крови
  5. Протокол поддержания оптимальной гликемии
  6. Лечение впервые выявленного сахарного диабета
  7. ПЕРОРАЛЬНЫЕ ПРОТИВОДИАБЕТИЧЕСКИЕ ПРЕПАРАТЫ
  8. АНТИДИАБЕТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
  9. Сахарный диабет
  10. Поджелудочная железа.
  11. СРЕДСТВА, СТИМУЛЙРУЮЩИЕ АППЕТЙТ
  12. Сахарный диабет
  13. Осложнения, связанные с проведением парентерального питания
  14. ИНСУЛИНОРЕЗИСТЕНТНОСТЬ
  15. ГОРМОНЫ АНАБОЛЙЧЕСКИЕ