Тепловой стресс

Поскольку старение — результат нарушения репара­тивных механизмов, предлагаются различные подходы для их стимуляции. В качестве одного из таких путей рассматривается гормезис, который можно индуцировать, подвергнув клетки и организм в целом умеренному стрессу.

Увеличение продолжительности жизни в результате индуци­рованного мутагенеза часто сопровождается повышением стрес-

соустойчивости, в том числе к температурному стрессу (McColl et al., 2005). В ряде случаев увеличиваются все виды устойчивости, иногда повышается устойчивость лишь к одному из видов стрес­сов. Кроме того, разные виды стресса способны индуцировать устойчивость друг к другу, что говорит об общности механизмов стресс-ответа.

Однако общность механизмов стресс-ответа не означает их идентичность. Например, устойчивость к оксидативному стрессу не всегда сопровождается толерантностью к тепловому шоку или генотоксическим агентам. Три новых мутанта Caenorhabditis ele­gans, устойчивых к индуктору супероксиданиона параквату (метил виологену), — mev-5, mev-6 и mev-7 — не проявляли устойчивости к тепловому шоку или УФ и долгожительства (Fujii et al., 2005). Экспрессия доминантно-негативных вариантов р53 в нейронах дрозофилы придает им устойчивость к оксидативному стрессу и способствует увеличению продолжительности жизни мух, но не затрагивает устойчивости к тепловому шоку (Bauer et al., 2005).

Каковы механизмы термоустойчивости? У дрожжей выключе­ние генов sch9 и cyrl приводит как к увеличению продолжитель­ности жизни, так и к устойчивости к тепловому стрессу.

Обработка C. elegans, на ранних стадиях развития импульсом высокой температуры (2 ч при 35 °С) продлевает жизнь червей (Apfeld et al., 2004). Кроме того, при неблагоприятных условиях среды (например, при высокой окружиющей температуре) разви­вающаяся личинка нематоды формирует долгоживущую непитаю­щуюся стрессоустойчивую форму — личинку dauer. В состоянии диапаузы личинка может выживать более 3 месяцев, после чего возобновляет развитие, если условия сменятся на благоприятные. Напротив, взрослая нематода Caenorhabditis elegans умирает от старости спустя всего 2—3 недели. Многие мутации, например снижающие инсулиновый сигналинг (daf-2 и age-1), приводят к формированию dauer даже при благоприятных внешнесредовых условиях (McElwee et al., 2004). У нематоды C. elegans старение и тепловой стресс имеют сходные механизмы: долгоживущие му­танты термоустойчивы, а мягкий тепловой стресс увеличивает продолжительность жизни (McCarroll et al., 2004). Так, известно, что у нематоды мутанты с нарушенным инсулиновым сигналин- гом устойчивы к тепловому стрессу (Guarente, Kenyon, 2000). Сверхэкспрессия гена тирозинкиназы tkr-1 увеличивает продол­жительность жизни нематод на 60 %, не влияя на скорость раз­вития и фертильность, но вызывая устойчивость к тепловому шоку и ультрафиолету (Guarente, Kenyon, 2000). Известно также, что нематоды с более длинными теломерами более устойчивы к теп­ловому стрессу (Joeng et al., 2004). У данного объекта продолжи­тельность жизни имеет сильную положительную корреляцию с термоустойчивостью (г достигает 0.8—0.9), большую, чем с устой­чивостью к пероксиду водорода и параквату (г = 0.7) или к УФ (г = 0.2) (Shmookler Reis et al., 2006).

Отдельные долгоживущие мутанты дрозофил также имеют высокую термоустойчивость. Например, мутация methuselah уве­личивает среднюю продолжительность жизни и придает устойчи­вость к различным стрессам, в том числе и к высокой температуре (Guarente, Kenyon, 2000).

Что касается механизмов термоустойчивости, то известно, что при тепловом стрессе у нематоды происходит перемещение транскрипционного фактора DAF-16 в ядро. Такое перемещение зависит от DAF-18 (гомолога фосфатазы PTEN), это в свою оче­редь предполагает, что данное повреждающее воздействие может сенсироваться через подавление инсулинового сигналинга (Wang et al., 2005). Кроме того, при тепловом стрессе деацетилаза SIR-2.1 может связываться с DAF-16 14-3-3-зависимым образом и моди­фицировать его активность. Белки 14-3-3 являются высококон­сервативными малыми кислыми протеинами, связывающими фос- фосериновые и фосфотреониновые остатки. Взаимодействуя со своими партнерами, белки 14-3-3 регулируют ключевые биоло­гические процессы, такие как клеточный цикл, апоптоз и транс­крипция. Они влияют на свои мишени многими путями, включая активацию или ингибирование белков через изменение их суб­клеточной локализации или структуры (Berdichevsky et al., 2006). Наконец, тепловой шок не влияет на продолжительность жизни (не увеличивает ее) мутанта нематоды по уже известному нам ге­ну aak-2. Таким образом, увеличение соотношения АМФ : АТФ после температурного стресса в свою очередь увеличивает актив­ность субъединицы АМФ-активируемой протеинкиназы AAK-2 и, следовательно, продолжительность жизни. Одновременно сни­жается фертильность. Поскольку увеличение уровня АМФ : АТФ происходит на ранней стадии развития, молекулярная память о стрессе может быть опосредована фосфорилированием AAK-2 ни­жележащих мишеней. Причем AAK-2 влияет на продолжитель­ность жизни daf- 16-независимым образом (Apfeld et al., 2004).

Фибробласты карликовых мышей Snell более устойчивы к различным факторам, вызывающим стресс, таким как УФ, тя­желые металлы (Cd), H₂O₂, паракват и тепловой шок (Hsieh, Papa- constantinou, 2006).

Если рассматривать механизмы термоустойчивости у мле­копитающих, то тепловой стресс приводит к активации N-кон­цевой киназы c-Jun (JNK), митоген-активируемой протеинкина­зы (MAPK) р38 и киназы, регулируемой внеклеточными сигнала­ми (ERK). Эти киназы далее фосфорилируют свои субстраты — транскрипционные факторы, другие протеинкиназы, фосфори- лазы и белки, ассоциированные с цитоскелетом. При тепловом шоке ERK активируется через автофосфорилирование рецепто­ра эпидермального фактора роста (EGF), не зависящее от свя­зывания самого EGF. Активация JNK происходит через инак­тивацию фосфатазы, подавляющей функцию JNK. Что касается случая с р38, то вышележащая MAPK-киназа-киназы (Ask1) вы­свобождается при тепловом шоке от ингибитора GSTM-1 (глу- татион-Б-трансферазы Mu1-1). Эти киназы влияют на активность белков теплового шока: JNK способна фосфорилировать и стаби­лизировать транскрипционный фактор теплового шока (HSF-1); р38 фосфорилирует MAPK APK2, а последняя в свою очередь фосфорилирует Hsp27, влияющий на динамику в клетке белка цитоскелета актина (Rattan et al., 2004). Оказалось, что обработ­ка клеточных культур млекопитающих сывороткой животных, подвергшихся воздействию снижения калорийности питания, по­давляет пролиферацию и усиливает переносимость теплового шока. Добавление инсулина и IGF-1 снимает этот эффект. По-ви­димому, основной вклад в рассматриваемый эффект вносит имен - но низкий уровень инсулина и IGF-1 (Cheng et al., 2005). Кроме того, у млекопитающих в ответ на воздействие теплового шока усиливается ацетилирование (активация) транскрипционного фактора FOXO3 (Giannakou, Partridge, 2004).

Таким образом, становится очевидным, что повышенная устой­чивость к стрессу коррелирует с долгожительством. Однако это имеет место не во всех случаях. Например, долгоживущие мухи, лишенные нейросекреторных клеток, вырабатывающих инсули­ноподобные пептиды, более чувствительны к жаре и к холоду, чем контроль. Следовательно, высокая устойчивость к термальному стрессу не является единственно необходимой для увеличения длительности жизни. Одна из возможных причин снижения тер­мотолерантности у таких мутантов — это низкая концентрация у них циркулирующей трегалозы. Трегалоза у дрозофилы играет роль в защите от аноксии путем предотвращения агрегации бел­ков. Анатогичным образом у дрожжей она принимает участие в формировании стрессоустойчивой стационарной фазы жизнен­ного цикла (Broughton et al., 2005).