<<
>>

Синдромы преждевременного старения

Одним из подходов к изучению молекулярных основ старения человека является выяснение причин заболеваний преж­девременного старения — так называемых частичных прогерий. В большинстве своем они моногенны, а значит, легко поддаются анализу.

К недостаткам данного подхода можно отнести редкость таких заболеваний и то, что иногда их симптомы лишь напомина­ют свойства нормального старения (Scaffidi et al., 2005). Опреде­ленные мутации у человека (табл. 9), вызывающие нарушение ста­бильности генома, приводят к таким заболеваниям, связанным с признаками преждевременного старения, как синдромы Вернера, Кокейна, Дауна и Хатчинсона—Джилфорда, пигментная ксеро­дерма, анемия Фалькони, синдромы Ротмунда—Томпсона (RTS), Блума, поломок Ниджмеджена (Nijmegen breakage syndrome —

Таблица 9

Частичные прогерии (по: Уцд, ЭиИ, 2005; с дополнениями)

Синдром Частота встречаемости (на число ново­рожденных) Наследование Возраст нача­ла проявле­ния, лет Средняя про­должитель­ность жизни, число лет Гены Дефект
Хатчинсо­на—Джил форда Менее 1 : 1 000 000 De novo 2 13 копт А Структура ядра, транс­крипция, стабильность генома
Вернера Менее 1 : 100 000 Аутое омно-ре­цессивное 25 50 цгш Репликация и репарация ДНК, функционирова­ние теломер, апоптоз
Кокейна Около 1 : 100 000 То же 5 20 С5.4, СВВ, ХРГк ХРС Связанная с транскрип­цией эксцизи онн а я ре­парация
Атаксия—те­леангиэктазия Около 1 : 60 000 » » 10 20 АТМ Распознавание повреж­дения ДНК

NBS), трихотиодистрофия, атаксия—телеангиэктазия и врожден­ный дискератоз (Woodruff, Thompson, 2003; Carter et al., 2005).

Несмотря на то что прогероидные синдромы характеризуют­ся фенотипами, частично напоминающими ускоренное старение, есть и различия: симптомы при прогериях более выражены и мо­гут появляться в другой последовательности, чем в случае с нор­мальным старением.

Например, рост ногтей замедляется при нор­мальном старении, тогда как при прогериях с короткими теломера­ми останавливается полностью. Истончение бровей при старении следует за потерей волос на голове, но, наоборот, предшествует ему при прогериях. Прогероидные синдромы с различными при­чинами зачастую имеют общие симптомы. Седые волосы, напри­мер, являются симптомом синдрома разрывов NBS и прогерии Хатчинсона—Джилфорда. В то же время при синдромах Блума и Кокейна поседения не наблюдается. Нарушение гомологичной репарации двухцепочечных разрывов наряду с потерей останов­ки в проверочной точке S-фазы приводит при NBS к таким симп­томам, как анемия, перепончатые пальцы ног, пятнистая гипо­пигментация. При прогерии Хатчинсона-Джилфорда дисфункция внутренней стенки клеточного ядра обусловливает отсутствие под­кожного жира, атеросклероз и нарушение костей. Две прогерии — RTS и синдром Вернера — имеют в качестве общего симптома остеосаркому. Для трех прогерий — атаксии телеангиэктазии, NBS и синдрома Блюма — характерен такой симптом, как пятни­стая гипопигментация. Четыре прогерии имеют в качестве общих симптомов атрофию ногтей, облысение и остеопороз (Hofer et al.,

2005) .

Предполагается, что симптомы, наблюдаемые при прогериях, сопряженных с короткими теломерами (RTS, NBS, прогерия Хат­чинсона—Джилфорда, синдром Вернера, атаксия—телеангиэкта­зия), во многом напоминают нормальное старение (потеря волос, поседение, дистрофия ногтей, снижение костной массы). Вероят­но, короткие теломеры вызывают эти симптомы, обусловливая репликативное старение и дисфункцию стволовых клеток (Hofer et al., 2005). Охарактеризуем основные частичные прогерии и мо­лекулярные причины, их вызывающие.

Синдром Вернера — аутосомно-рецессивное заболевание, ха­рактеризующееся ранним началом проявления симптомов преж­девременного старения кожи, сосудистой и репродуктивной си­стем, костей (Du et al., 2004). До полового созревания пациенты развиваются нормально. Симптомы старения у них начинают про­являться в ранней зрелости.

Уже в молодом возрасте они страдают от катаракт, склеродермальных и дегенеративных сосудистых из­менений, диабета и атеросклероза, остеопороза, высокой часто- 131

ты некоторых видов рака, поседения. Больные преждевременно погибают либо от рака, либо от сердечно-сосудистой патологии. Средняя продолжительность жизни при данном заболевании — 40—50 лет (Kyng et al., 2003; Kurz, 2004; Scaffidi et al., 2005). При близком заболевании — синдроме Блюма у больных отмече­ны менее выраженные признаки старения — преждевременная ме­нопауза у женщин. Оба синдрома, Вернера и Блюма, характери­зуются нестабильностью генома и повышенным риском канцеро­генеза, прежде всего возникновения сарком (Du et al., 2004).

Исследование фибробластов больных синдромом Вернера по­казало снижение их пролиферативной способности и 10-кратное увеличение темпа спонтанных мутаций (Guarente, 1996; Finch, Tanzi, 1997; Sinclair etal., 1998). В лимфоцитах таких больных уве­личена частота транслокаций (Sinclair et al., 1998). Клетки пациен - тов с синдромом Вернера характеризуются длительной S-фазой, дефектной проверочной точкой G2-фазы клеточного цикла, радио­чувствительностью (Adelfalk et al., 2005). Неотъемлемым компо­нентом патологии данного синдрома являются короткие теломеры (Blasco, 2005). При рождении теломеры соответствуют норме, од­нако укорачиваются значительно быстрее, чем у здоровых инди­видуумов (Kurz, 2004). Фибробласты, полученные от больных с синдромом Вернера, при последовательных пассажах клеточных культур более быстро укорачивают теломеры, чем контроль (Du et al., 2004).

Молекулярная причина синдрома Вернера — единичная мута­ция в гене Wrn, имеющая результатом укорочение аминокислотной последовательности и дисфункцию белка WRN (Kyng et al., 2003). Ген синдрома Вернера у человека локализован в локусе 8р11-12 и кодирует геликазу RecQ-семейства (Jazwinski, 1996; Pennisi, 1996; Adelfalk et al., 2005). В отличие от геликазы синдрома Блюма бе­лок синдрома Вернера содержит еще 3'-5'-экзонуклеазный домен (Du et al., 2004).

RecQ 3'-5'-ДНК-геликазы, включая Sgs1p дрож­жей, а также белки синдромов Вернера (WRN), Блума (BLM) и Ротмунда—Томсона (RTS) у человека, как и ожидалось, прини­мают участие в поддержании теломер. Например, WRN и BLM взаимодействуют с белком теломерного хроматина TRF2, участ­вующим в формировании защитных Т-петель. Сверхэкспрессия гена BLM удлиняет теломеры путем рекомбинации, а комбиниро­вание мутации теломеразы (Теге) с Wrn и Blm у мышей ускоряет дисфункцию теломер (Bitterman et al., 2003; Azam et al., 2006). Бла­годаря длинным теломерам и сравнительно высокой теломеразной активности мыши с выключенным геном Wrn остаются относи­тельно нормальными и не проявляют признаков ускоренного ста­рения. Однако мутации как Wrn, так и Blm (ген синдрома Блюма) усиливают патологические проявления у мышей, потерявших ген теломеразной РНК-матрицы Terc (Du et al., 2004). Установлено, что основная функция WRN в клетке — реинициирование блоки­рованных репликационных вилок (Scaffidi et al., 2005). Как уже упоминалось, у дрожжей аналогичная мутация Sgslp вызывает по­явление повреждений репликационной вилки через спонтанное эндогенное повреждение ДНК и, как следствие, через генетическую нестабильность. Подобный механизм может лежать в основе преж­девременного старения при синдромах Вернера, Блума и Ротмун- да—Томсона, вызываемых дефектами геликаз (Hoopes et al., 2002). WRN принимает участие и в процессах транскрипции. Общий синтез РНК в фибробластах пациентов с синдромом Вернера со­ставляет 43—90 % от нормы. Таким образом, одной из возможных причин синдрома Вернера является нарушенная экспрессия генов. При исследовании экспрессии 6912 генов в фибробластах показано, что около 6.3 % генов больных синдромом Вернера и старых пациентов значительно отличаются своей экспрессией от клеток молодых доноров. При этом 91 % исследованных генов экспрессируется сходным образом как у старых индивидуумов, так и у больных с синдромом Вернера, 6 % было уникально для нормального старения, 3 % — для синдрома Вернера.
Таким образом, следует признать, что синдром Вернера, напоминая отдельными симптомами нормальное старение, вызывается ускорением этого процесса (Kyng et al., 2003).

Наибольшая группа генов, одинаково изменяющих свою эксп­рессию при старении и у больных синдромом Вернера, связана с процессингом ДНК и РНК. Из них 75 % снижают свою эксп­рессию. Это касается полипептидов А и J в составе РНК-поли- меразы II. Данный фермент транскрибирует огромное количест­во генов клеточных белков и взаимодействует с разнообразными транскрипционными факторами. Ряд таких транскрипционных факторов характеризуется возрастзависимым спадом активности, среди них фактор Dp-2 (TFDP2) — компонент Drtf1/E2f-комп- лекса, регулирующего гены белков, определяющих наступление S-фазы клеточного цикла. Снижение экспрессии транскрипцион­ного фактора FOXM1 (HFH-11) наблюдалось ранее и у пациентов с прогерией Хатчинсона—Джилфорда. В обоих случаях подав­ляется также экспрессия продуктов генов SMARCA1 и SMARCB1, являющихся частью комплекса, открывающего хроматин для об­легчения доступа транскрипционной машины к своим мишеням (Kyng et al., 2003).

При синдроме Вернера репрессировано 12 генов, связанных с клеточным ростом. Ослабленная способность отвечать на факто­ры роста обусловлена снижением экспрессии BRF2, кодирующего

ядерный транскрипционный фактор. Ген CSF3R кодирует рецеп­тор, трансдуцирующий сигналы, регулирующие пролиферацию, дифференцировку и выживание миелоидных клеток. Его экспрес­сия также понижается. Редуцируется экспрессия гена рецептора инсулина (INSR), инсулиноподобного фактора 2 (IGF2) и его ре­цептора (IGF2R), что может определять высокую частоту диабета у больных с синдромом Вернера. Репрессии подвергаются семь ге­нов контроля клеточного цикла и митоза. Напротив, сверхэкспрес- сируются некоторые онкогены (NDRG1, PIM1, RAB11A и PIK3CA) и подавляются опухолесупрессоры (ST14, ST16, DKK3, BAP1), что способствует возникновению рака при данном синдроме (Kyng et al., 2003).

При крайне редком заболевании — прогерии Хатчинсона— Джилфорда дети 6-летнего возраста выглядят как пожилые люди и погибают от сильного атеросклероза к 13 годам.

Фенотипиче­ские признаки данного заболевания включают неспособность к росту, липоатрофию, костные нарушения, маленький клювообраз­ный нос, срезанный подбородок, полную потерю волос, пятни­стую гипопигментацию, плотную жесткую кожу. С развитием за­болевания сосудистые бляшки становятся проникающими, приво­дя к сердечным приступам. Дефект обусловлен мутацией гена ламина А (lmna) — структурного белка ядерной оболочки. Мута­ция при прогерии Хатчинсона—Джилфорда приводит к синтезу укороченной версии белка и соответственно к недостатку уровня ламина А дикого типа. У новорожденных с данным синдромом длина теломер составляет не более половины от таковой у одно­возрастного контроля (Kurz, 2004; Scaffidi et al., 2005; Misteli, 2005). Клетки пациентов с этим заболеванием характеризуются ге­нетической нестабильностью (присущей всем синдромам прежде­временного старения), у них неэффективно функционирует (при­влекается к месту повреждения) ферментная система репарации ДНК (Scaffidi et al., 2005).

По-видимому, молекулярной причиной данного синдрома слу­жат нарушения структуры ядра. Ядро клетки высших организ­мов — это сложное высокоорганизованное хранилище индиви­дуальной генетической информации. Типичное ядро содержит особые функциональные области, представленные упорядоченно расположенными хромосомами и белковыми субкомпартментами, в которых происходят специфические процессы, включая экспрес­сию генов. В структурной организации ядра важную роль играет ядерная ламина. Она состоит из белков — ламинов А- и В-типов. Эти промежуточные филаментные белки формируют переплете - ную сеть, расположенную на периферии ядра и подстилающую ядерную мембрану. Ламина играет регуляторную роль в экспрес- 134

сии генов, поскольку белки, входящие в ее состав, взаимодейст­вуют с хроматином и могут участвовать в фиксации и организации участков генома в пространстве. Ламина обеспечивает механиче­ские и поверхностные свойства ядра и является участком стыков­ки с периферическим гетерохроматином. Ламины распределены также в нуклеоплазме, где они участвуют в репликации ДНК и транскрипции с участием фермента РНК-полимеразы II. Так, на­рушение ядерной ламины, взаимодействующей с хроматином, мо­жет приводить к нарушению экспрессии генов (Scaffidi et al., 2005; Shumaker et al., 2006). Прогерия Хатчинсона—Джилфорда сопро­вождается дефектами в ядерной структуре и функциях: она харак­теризуется дисморфной поверхностью ядра, увеличением частоты повреждения ДНК, снижением экспрессии ряда ядерных белков, включая гетерохроматиновые белки HP1 и LAP2 (из группы ассо­циированных с ламином А белков). В клетках больных прогерией нарушен паттерн модифицированных гистонов: происходит сни­жение гетерохроматин-специфичного триметилирования Lys9 в гистоне H3 (Scaffidi, Misteli, 2006). Таким образом, ядра клеток больных прогерией Хатчинсона—Джилфорда теряют гетерохро­матин. В результате происходит сверхактивация ряда транскрип- тов, в норме репрессированных, например перицентрического са­теллитного повтора III (Shumaker et al., 2006). Коррекция сплай­синга ламина А в клетках пациентов восстанавливает нормальную морфологию ядра, гетерохроматин-специфичную модификацию гистонов, экспрессию ряда дисрегулированых генов (Misteli, 2005).

Другой прогероидный синдром человека — рестриктивная дермопатия также вызывается дефектом биогенеза ламина А из преламина А, фарнезилированного белка-предшественника. Рест­риктивная дермопатия — летальное перинатальное прогероидное заболевание, характеризуемое задержкой роста, плотной и жест­кой кожей, облысением, микрогнатией и другими нарушениями костей. Оно вызывается делецией гена ZMPSTE24, кодирующего протеазу, необходимую для эндопротеолитического процессинга преламина А в зрелый ламин (Toth et al., 2005).

Стоит отметить, что, как и в случае с синдромом прогерии Хат­чинсона—Джилфорда, клетки больных синдромом Вернера ха­рактеризуются деформацией ядер, которая, однако, не связана с нарушением экспрессии ламина А. Возможно, деформация ядра является общим свойством прогероидных клеток (Adelfalk et al., 2005).

Играет ли ламин А роль в естественном старении? Как оказа­лось, ядра клеток старых индивидуумов имеют нарушения, сход­ные с дефектами клеток больных прогерией Хатчинсона—Джил­форда, включая изменения в модификации гистонов и высокий уровень повреждений ДНК. Так, у старых индивидуумов сни­жаются экспрессия НР1 и LAP2, а также частота гетерохрома- тин-специфичного триметилирования Lys9 в гистоне H3. Подоб­но клеткам больных прогерией, доля ядер с фосфорилированным гистоном H2AX (маркер нерепарированных повреждений ДНК) выше в клетках у старых индивидуумов, чем у молодых. Укоро­ченная форма ламина А, ответственная за фенотип прогерии Хат­чинсона—Джилфорда, присутствует в старости и у здоровых ин­дивидуумов. Так же как и у больных, она концентрируется на пе­риферии ядра. По-видимому, р53-зависимая проверочная точка клеточного цикла распознает структурные нарушения ядерной ла- мины и связывает их с активацией программы старения (Scaffidi, Misteli, 2006).

Эволюционно консервативный механизм эксцизионной репа­рации нуклеотидов удаляет повреждения, деформирующие спи­раль ДНК (такие как окислительные повреждения оснований или УФ-индуцированные повреждения) по механизму «разрезания и вставки». Врожденные дефекты эксцизионной репарации нуклео­тидов приводят к таким синдромам, как пигментная ксеродер­ма, синдром Кокейна и трихотиодистрофия (van de Ven et al.,

2006) .

Пигментная ксеродерма — редкое аутосомно-рецессивное за­болевание, характеризуемое гиперчувствительностью к свету, не­нормальной пигментацией и предрасположенностью к раку кожи, особенно на подверженных солнечному облучению участках тела. Она вызывается генетическими дефектами раннего этапа эксци­зионной репарации нуклеотидов. Существуют семь комплемен­тарных групп генов пигментной ксеродермы (от XPA до XPG). Группа G (XPG) кодирует белок, принимающий участие в эксци­зионной репарации нуклеотидов. Это кислый белок с молекуляр­ной массой 133 кДа, гомологичный репарационному белку дрож­жей RAD2. XPG имеет структура-специфичную эндонуклеазную активность и функционирует как 3'-нуклеаза в реакции двойного разрезания при эксцизионной репарации нуклеотидов. Гены ксе­родермы группы B и D (ХРВ, XPD) кодируют субъединицы транс­крипционного фактора TFIIH. Мыши с дефицитом XPG теряют способность к постнатальному росту и преждевременно погибают. Первичные культуры эмбриональных фибробластов от ХРС-дефи- цитных мышей подвергаются преждевременному старению и рано накапливают р53. У людей с этим заболеванием (пигментной ксе- родермой) имеются различные симптомы от умеренных кожных нарушений до тяжелых ее повреждений (Harada et al., 1999).

Синдром Кокейна — заболевание, связанное с нарушением ре­парации. Синдром характеризуется неспособностью к постнаталь­ному росту, короткой продолжительностью жизни и нейрологиче­ской дисфункцией. Он вызван мутациями в двух генах — CSA и CSB. Клетки больных чувствительны к ультрафиолету и имеют дефект связанного с транскрипцией механизма эксцизионной ре парации нуклеотидов, предназначенного для удаления крупных повреждений транскрибируемых цепей ДНК активных генов (Harada et al., 1999).

У носителей прогерий наравне с ускоренным старением фиб­робластов и повышенной частотой апоптоза, ассоциированных с нарушениями эксцизионной репарации, в постнатальном пери­оде отмечается выраженный адаптивный ответ, проявляющийся в изменении энергетического метаболизма, ослаблении соматот- ропной GH/IGF-1-оси и в расстройстве глюкозного гомеостаза (van de Ven et al., 2006) — таким способом, клетки пытаются ском­пенсировать накапливающиеся повреждения.

Наследственные заболевания — врожденный дискератоз (dy­skeratosis congenita) и атаксия—телеангиэктазия — характери­зуются признаками преждевременного старения и короткими те­ломерами. Врожденный дискератоз существует в двух формах. Х-сцепленная форма вызвана мутацией гена белка дискерина, уча­ствующего в процессинге рибосомальной ДНК и в осуществлении функции теломеразы. Аутосомно-доминантная форма вызвана де­фектом в гене РНК-компонента теломеразы. Пациенты с врожден­ным дискератозом имеют низкую активность теломеразы и корот­кие теломеры; они умирают в ранней зрелости от нарушений в красном костном мозге, рака или легочных осложнений (Kurz, 2004). Некоторые пациенты с врожденным дискератозом характе­ризуются высокой частотой карцином, что предполагает вклад укорочения теломер в возрастзависимое возникновение рака (Wei- nert, Timiras, 2003). Пациенты с аутосомно-рецессивным заболе­ванием атаксией—телеангиэктазией несут мутацию в гене Atm (ataxia teleangiectasia mutated), кодирующем белок ATM — глав­ный сенсор повреждения ДНК в клетке. Они страдают от нейро­нальной дегенерации, преждевременного старения и увеличения частоты неоплазий. In vitro клетки таких пациентов ускоренно те­ряют теломеры вследствие оксидативного повреждения послед­них (Baskaran et al., 1997; Morgan et al., 1997; Kurz, 2004).

Синдром Дауна вызывается трисомией по 21-й хромосоме. Среди его фенотипов следует отметить раннее начало возраст- зависимых патологических изменений и уменьшение продолжи­тельности жизни. В мозгу таких больных обнаруживаются акти­вированные каспаза-3 и каспаза-8, обусловливающие апоптоз ней­ронов в тех участках, где происходит накопление в-амилоида и нейрофибриллярных бляшек (белок-предшественник амилоида может быть потенциальным субстратом каспаз). Культивируемые нейроны мышей с трисомией 16-й хромосомы (сходной с 21-й хро­мосомой человека) имеют меньшую продолжительность жизни, чем нормальные фетальные нейроны и их гибель предотвращается ингибиторами каспаз (Zhang J. et al., 2003).

Таким образом, все известные на данный момент прогерии имеют общее свойство — генетическую нестабильность, заклю­чающуюся в быстром укорочении теломер, накоплении соматиче­ских мутаций и эпигенетических изменений (потеря гетерохрома­тина), возникновении дефектов репликации ДНК и нарушений структуры ядра. Такая дестабилизация обусловливает изменение экспрессии генов, клеточное старение и апоптоз, что и приводит к ускоренному старению организма в целом. Успехи, достигнутые при изучении молекулярных причин прогерий (благодаря их мо­ногенному наследованию), проливают свет на природу «естест­венного» старения.

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

Еще по теме Синдромы преждевременного старения:

  1. «СТАРЕНИЕ» КОЛЛАГЕНА - УНИВЕРСАЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ СТАРЕНИЯ СТРУКТУР ОРГАНИЗМА, ИЗМЕНЯЮЩИХ СВОЮ ДЛИНУ.
  2. Преждевременное половое развитие
  3. НЗЛИТИБ ОКОЛОПЛОДНЫХ ВОД (ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ, РАННЕЕ)
  4. ПРЕЖДЕВРЕМЕННОЕ ОТХОЖДЕНИЕ ВОД
  5. СИНДРОМ ПРЕЖДЕВРЕМЕННОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ ЖЕЛУДОЧКОВ
  6. Москалев А. А.. Старение и гены. — СПб.: Наука,2008. — 358 с., 2008
  7. Старение организма
  8. СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ О РАЗВИТИИ ДЕТЕЙ НА ПЕРВОМ ГОДУ ЖИЗНИ, РОДИВШИХСЯ ПРЕЖДЕВРЕМЕННО
  9. 1. Главный виновник старения, или как бороться со стрессом
  10. ВСЯКИЙ ИЗЛИШЕК ПРОТИВЕН ПРИРОДЕ. ГОЛОДАНИЕ НЕ ДАЕТ ЧЕЛОВЕКУ ПРЕЖДЕВРЕМЕННО СТАРЕТЬ.
  11. КАК ПРЕДОТВРАТИТЬ СТАРЕНИЕ КОЖИ ЛИЦА
  12. Глава 5. Внешняя среда и болезни старения
  13. ФИЗИЧЕСКИЕ И ДЫХАТЕЛЬНЫЕ УПРАЖНЕНИЯ, ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ СТАРЕНИЯ
  14. ДИСБАЛАНС: КОЖНЫЕ ЗАБОЛЕВАНИЯ И СТАРЕНИЕВ СВЕТЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ МЕЖДУ УМОМ И ТЕЛОМ
  15. РАСТЯЖЕНИЕ ПРОТИВОДЕЙСТВУЕТ «СТАРЕНИЮ» КОЛЛАГЕНА ОРГАНОВ И РАЗВИТИЮ В НИХ ВОЗРАСТНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ
  16. Глава 13. Самая универсальная болезнь -- старение: роль внутренних и внешних факторов