<<
>>

Транскрипционные факторы DAF-16/FOXO

Успехи генетики старения модельных объектов (нема­тод, дрозофил, мышей) в последние годы позволили выявить три ключевых механизма регуляции скорости старения: инсулиновый, JNK-киназный и SIRT-деацетилазный.

Как оказалось, эти меха­низмы являются высококонсервативными от нематод (в некото­рых случаях от дрожжей) до человека и имеют общую регулятор­ную мишень — транскрипционные факторы семейства FOXO, оп­ределяющие клеточную судьбу (выживание или гибель) в ответ на различные стимулы.

Транскрипционные факторы FOXO представляют собой под­семейство в пределах Forkhead-семейства транскрипционных фак­торов, характеризующихся консервативным ДНК-связывающим доменом (forkhead box, или FOX). Данное семейство у человека включает более 100 белков, классифицируемых от FOXA до FOXR на основе сходства последовательности (Carter, Brunet, 2007). Пер­вый представитель семейства (FOXA) был идентифицирован у дрозофилы как ген, мутация в котором приводит к возникновению избыточных структур головы, подобных вилке.

Отсюда и название семейства Forkhead (вильчатая головка). Иногда белки данного семейства называют «winged helix» (крыловидная спираль), по­скольку рентгеноструктурный анализ демонстрирует трехмерную структуру с тремя a-спиралями, фланкированными характерными петлями, напоминающими крылья бабочки (Carter, Brunet, 2007). Члены интересующего нас подсемейства «О» (FOXO) характе­ризуются тем, что они регулируются инсулин/PI3K/AKT-сигна- лингом. У беспозвоночных известно по одному представителю FOXO: DAF-16 у нематод и dFOXO у дрозофил. У млекопитаю­щих их четыре: FOXO1, 3, 4 и 6 (Carter, Brunet, 2007).

В норме каждая клетка балансирует на грани жизни и смерти и существует лишь до тех пор, пока корректно выполняет свою функ­цию. Нарушение этого баланса может приводить к избыточной гибели или к накоплению ненужных или даже опасных клеток, т.

е. к дефектам развития, нейродегенеративным и аутоиммунным заболеваниям, раку. Как правило, апоптоз подавляется сигналами выживаемости, получаемыми от соседних клеток. Главный сиг­нал выживаемости возникает при активации PI3K/AKT-механиз- ма, индуцируемого факторами роста. При отсутствии сигналов выживаемости клетки инициируют апоптоз. В ответ на стрессы или токсины клетки также подвергаются апоптозу. Ведущую роль в переключении программ выживания или гибели клетки в ответ

V V V

Защита от стресса Задержка клеточною

^ Детоксикация АФК (каталаза, Мл-БОИ) ЦИКЛЗ

: Белки теплового шока (НБР70) * , _М(1,П

Роп)пшаДНК(САІК>45) і

р т ______ П________

Рис. 4. РОХО-зависимые механизма: у млекопитающих. Пунктирная стрелка — активация или подавление данных белков в процессе.

Пояснения см. в тексте, разд. 3.2.

на факторы роста отводится транскрипционным факторам FOXO (Liu et al., 2005), которые являются ключевыми регуляторами кле­точной судьбы (рис. 4). Через экспрессию генов они контроли­руют различные и подчас противоположные функции клетки, та­кие как пролиферация, дифференцировка, апоптоз, репарация ДНК, защита от окислительных повреждений, осуществляемые ею в от­вет на гормоны, факторы роста и другие средовые сигналы (Lam et al., 2006). Транскрипционные факторы FOXO играют роль бел­ков супрессии опухолей (Huang, Tindall, 2006). Кроме того, FOXO опосредуют ответ на оксидативный и другие виды стресса, что за­частую связано с увеличением продолжительности жизни (Gian- nakou, Partridge, 2004).

Функционирование Forkhead-белков в стресс-ответе клетки эво- люционно консервативно и обнаруживается уже у примитивных представителей эукариотов.

Окислительный стресс у дрожжей ре­гулирует экспрессию генов через транскрипционный комплекс Mcm1/Fkh2/Ndd1. Таким образом, уже у дрожжей Forkhead-белки (Fkh2) вовлечены в задержку клеточного цикла (на стадии G2/M), индуцированную окислительным стрессом (Shapira et al., 2004).

Как уже обсуждалось в предыдущем разделе, снижение актив­ности инсулинового сигналинга увеличивает продолжительность

жизни у червей, мух, мышей. Как оказалось, данный эффект обу­словлен прежде всего снятием инсулинзависимого фосфорилиро­вания (подавления) активности РОХО (01аппакои е( а1., 2004).

Рассмотрим механизм системной регуляции активности РОХО (БДР-16) у нематод. Рецептор инсулина БАР-2 функционирует первоначально в нервной системе. Мозаики, потерявшие ёа£-2 в зародышевых клетках АВ, дающих начало нейронам и эпидерми­су либо только в нейронах, являются долгожителями. Восстанов­ление экспрессии ёа£2 под действием нейрон-специфического промотера уменьшает продолжительность жизни мутантов ёа£-2 до контрольного уровня. Удаление половых клеток также продле­вает жизнь, причем это увеличение зависит от накопления БДР-16 в ядрах клеток кишечника. Активность же БДР-16 в нейронах обу­словливает, кроме того, увеличение продолжительности жизни мутантов ёа[-16(-);ёа£-2(-) только на 5—20 %. Однако индукция БДР-16 в кишечнике приводит к продлению жизни уже на 50— 60 %. Возможно, что БДР-16 тканеспецифично регулирует ниже­лежащий сигнал или гормон. Поскольку сверхэкспрессия БДР-16 в одной ткани приводит к его сверхрегулированию в другой, то возможно, что это обусловлено подавлением агониста инсулино­вого рецептора, либо стимулированием его антагониста (ЫЫпа е! а1., 2003).

У дрозофилы отсутствие ростовых факторов (Б1БР, ЕБР), обу­словливая активацию бРОХО, приводит к индукции двух ключе­вых звеньев с1Р13К/СДкРмеханизма: регулятора трансляции с14ЕВР и рецептора йпИ. Индукция с14ЕВР ведет к ингибированию роста, тогда как активация йпИ представляет собой механизм обратной связи (Puig е! а1., 2003).

При обилии пищи у дрозофил секреция Б1БР осуществляется на высоком уровне и происходит активация йпИ-механизма, что приводит к стимуляции роста, отчасти бла­годаря подавлению бРОХО. Все это способствует росту и раз­витию. При ограничении питательных веществ секреция Б1БР снижается и йпИ не активируется, а бРОХО остается дефосфо- рилированным активным ядерным белком. Рост ингибируется от­части через бРОХО-зависимую активацию ингибитора трансля­ции 64ЕВР. В то же время бРОХО сверхактивирует ген й!пЯ, в результате чего клетка готовится воспринять сигнал при изме­нении условий среды и уровня Б1БР. Если пищи будет достаточ­но, то клетка сможет быстро ответить отключением бРОХО (че­рез бДКТ-опосредованное фосфорилирование) и стимулированием роста (Рш§ е! а1., 2003; Puig, Трап, 2005). Аналогичная обратная связь имеет место и у млекопитающих: РОХО1 регулирует эксп­рессию инсулинового рецептора в печени и мышцах (Ица^Ьо е! а1., 2004; Puig, Трап, 2005).

Тканеспецифичность эффектов FOXO, выявленная у нема­тод, подтверждается и у дрозофил. Постоянная сверхэкспрессия dFOXO в жировом теле взрослой особи снижает темп смертности и увеличивает продолжительность жизни независимо от уровеня экспрессии инсулиноподобных пептидов в мозгу, в норме подав­ляющих активность dFOXO (Giannakou et al., 2007). Величина эф­фекта составляет около 20 %. Одновременно происходит увели­чение устойчивости к индуктору свободных радикалов параквату. Сверхэкспрессия dFOXO в нервной ткани, глии или невролемме взрослого животного не приводит к увеличению продолжитель­ности жизни (Giannakou et al., 2004; Hwangbo et al., 2004). Экспрес­сия dFOXO в раннем развитии личинок дрозофилы вызывает инги­бирование роста до тех пор, пока его индукция не прекратится. Сверхэкспрессия dFOXO на стадии личинки третьго возраста при­водит к формированию взрослых особей малых размеров, что вы­звано как уменьшением размера клеток, так и их количества. Из­менения в развитии личинок при сверхэкспрессии dFOXO фено­типически похожи на эффекты голодания, что предполагает роль dFOXO в ответе на недостаток питательных веществ (Kramer et al., 2003).

Каким образом регулируется активность FOXO? У нематод транскрипционный фактор DAF-16 играет ключевую роль в интег - рации различных сигналов, индуцируемых стрессом и пищевым статусом животных. В первую очередь сюда относится сигна- линг через MAPK-механизм (через JNK-1), инсулин (через DAF-2) и стероид дафахроновую кислоту (через DAF-12). Кроме того, из­вестно генетическое взаимодействие DAF-16 со стресс-индуци- руемым фактором теплового шока (HSF-1) и компонентами дру­гих механизмов стресс-ответа, например SKN-1 (Baumeister et al.,

2006) . Еще один корегулятор DAF-16, SMK-1, влияет на процесс старения у нематод путем воздействия на транскрипционную спе­цифичность активности DAF-16. SMK-1 взаимодействует с DAF-16 после перемещения его в ядро. SMK-1 опосредует функции DAF-16 в качестве как транскрипционного активатора, так и репрессора. Ген smk-1 взаимодействует с DAF-16 для регуляции врожденного иммунитета, ответа на УФ- и оксидативный стресс, но не влияет на температурный стресс-ответ. Последний контролируется DAF-16 при участии HSF-1. SMK-1 необходим для индукции экспрессии DAF-16-активируемых генов антиоксидантной защиты — sod-3, ctl-1 и lys-8 и репрессии гена клеточного роста daf-15. SMK-1 ло­кализован в ядре и высокоэкспрессирован в клетках кишечника взрослой особи и в ряде нейронов. Сверхэкспрессия одного лишь гена smk-1 не приводит к увеличению продолжительности жизни (Wolff et al., 2006).

Эффективность выполнения функций FOXO у млекопитаю­щих регулируется фосфорилированием, ацетилированием и уби- квитинированием, а также межбелковыми взаимодействиями (Hu­ang, Tindall, 2006). FOXO1, FOXO3a и FOXO4 являются главны­ми субстратами протеинкиназ PKB (AKT) и SGK (сыворотка- и глюкокортикоид-индуцированная протеинкиназа), которые пере­дают PI3K-сигналы. FOXO6 потерял участок PKB-обусловленно­го фосфорилирования и постоянно находится в ядре (Lam et al., 2006).

В ответ на фосфорилирование под действием PKB и SGK фак­торы FOXO депонируются в цитоплазме и не могут активировать гены клеточной гибели или остановки деления.

Фосфорилирова­ние под действием PKB снижает также ДНК-связывающую актив­ность транскрипционных факторов FOXO и усиливает их дегра­дацию (Greer et al., 2007). Интересно отметить, что, хотя прямое активирование PKB спасает клетки от индукции апоптоза, выз­ванного лишением цитокинов, но этот антиапоптозный эффект яв­ляется короткоживущим (до двух суток). Длительная активация PKB, наоборот, вызывает резкое увеличение уровня и активнос­ти FOXO3a, приводя к экспрессии его транскрипционных ми­шеней — проапоптозного bim и антипролиферационного p27kip1. Каким образом это происходит? Высокий уровень активности PKB увеличивает аэробный гликолиз и активность митохондрий, сти­мулируя образование активных форм кислорода. Таким обра­зом, дерегулированная активность PKB индуцирует оксидатив- ный стресс, вызывающий сверхактивацию FOXO3a и последую­щую гибель клетки (van Gorp еt al., 2006).

Ингибирование циклинзависимой киназы 2 (CDK2) играет центральную роль в задержке клеточного цикла в ответ на повреж­дение ДНК. CDK2 специфично фосфорилирует FOXO1 по сери­ну-249 как in vitro, так и in vivo, что приводит к его локализации в цитоплазме и ингибированию. Это фосфорилирование снимается при повреждении ДНК (разрывах цепочки) через механизм прове­рочных точек клеточного цикла, зависимый от протеинкиназ Chk1 и Chk2 (Huang et al., 2006). Другие киназы, такие как CK1 (казеин­киназа 1) и DYRK1A (тирозин-фосфорилирующая и регулирую­щая киназа с двойной специфичностью 1A), также фосфорили- руют и ингибируют активность FOXO (Lam et al., 2006). Напротив, сенсор энергетического состояния клетки AMPK фосфорилирует и активирует FOXO3, вызывая увеличение стрессоустойчивости и усиление индукции альтернативных энергетических путей клет­ки (Greer et al., 2007).

В условиях оксидативного стресса FOXO также фосфорили- руется протеинкиназами JNK или MST1, что приводит к его пере- 176

мещению в ядро и активации (рис. 4) (Lehtinen et al., 2006; Carter, Brunet, 2007).

Другой механизм регуляции FOXO — ацетилирование/деаце- тилирование. Ацетилазы CBP (CREB-связывающий белок) и p300 являются транскрипционными коактиваторами FOXO (Giannakou, Partridge, 2004; Huang, Tindall, 2006). Взаимодействие между FOXO и p300/CBP снижается в ответ на стимулирование факторами рос­та (Lam et al., 2006). Стресс приводит к взаимодействию FOXO3 с ацетилазами и к ацетилированию самих FOXO (ультрафиолет — FOXO3, перекись водорода — FOXO4). Ацетилирование FOXO3 усиливает ответ клетки на воздействие перекиси водорода и теп­лового шока. Тем не менее ассоциация FOXO3 и FOXO4 с деаце- тилазой SIRT1 также возрастает в условиях оксидативного стресса (Giannakou, Partridge, 2004). В клетках, растущих в нормальных условиях, факторы FOXO, как правило, ацетилированы, однако стресс-сигналы способны менять это состояние. Деацетилазы се­мейства SIRT являются важными регуляторами транскрипцион­ной активности FOXO в ответ на клеточный стресс (рис. 4). Оки­слительный стресс стимулирует SIRT1 к связыванию и деацетили­рованию FOXO3a, что активирует одни гены (которые участвуют в задержке клеточного цикла и регулируют устойчивость к окисли­тельному стрессу), но подавляет другие (проапоптозные гены-ми­шени). Эта способность SIRT перенаправлять FOXO-зависимые ответы с апоптоза на задержку клеточного цикла и на усиление стрессоустойчивости имеет прямое отношение к долгожительству. SIRT1 также способен активировать FOXO1 и FOXO4, стимули­руя задержку клеточного цикла путем индукции экспрессии рЗ^1 и увеличения уровней антиоксидантного фермента Mn-SOD и фер­мента репарации GADD45 (индуцируемый ДНК-повреждением белок задержки роста 45) (Lam et al., 2006). Активация стрессом деацетилазы SIRT1 противодействует CBP- и(или) р300-опосре- дованному ацетилированию FOXO1, 3a и 4 (Huang, Tindall, 2006). SIRT1 способен также деацетилировать (подавлять) сам р300 (Giannakou, Partridge, 2004).

Транскрипционный фактор Р-катенин, играющий роль в развитии и самообновлении тканей, напрямую связывается с FOXO, что усиливает транскрипционную активность обоих факторов. Спо­собность Р-катенина взаимодействовать с FOXO увеличивается в ответ на оксидативный стресс. Потеря BAR-1, ортолога *-кате- нина у нематод, снижает способность DAF-16 регулировать эксп­рессию sod-3 — эквивалент Mn-Sod млекопитающих (Lam et al., 2006). Другие транскрипционные факторы — MYC, NF-kB (ядер­ный фактор kB), SMAD и р53, также вовлечены в регулирование активности FOXO (Lam et al., 2006). Супрессор опухолей р53 в от

177

вет на повреждение ДНК подавляет активность FOXO (You, Мак, 2005; Carter, Brunet, 2007). Хорошо известный транскрипционный фактор NF-kB, опосредующий выживаемость клетки, функцио­нально связан с FOXO3a. Оказалось, что киназа IkB (IKK), ингиби­рующая NF-kB, подавляет и FOXO3a, стимулируя его протеолиз через убиквитин-зависимый протеосомный путь. Как правило, это происходит при воспалении, которое приводит к высвобождению фактора некроза опухолей TNF-ß, активирующего киназу IKK-ß. В то же время FOXO3a негативно регулирует сам NF-kB, а дефи­цит FOXO3a приводит к гиперактивации NF-kB и Т-клеток (Liu et al., 2005; Huang, Tindall, 2006).

В качестве еще одного способа регуляции функций FOXO можно рассматривать его моноубиквитинирование в условиях оксидативного стресса, что увеличивает его транскрипционную активность. Напротив, полиубиквитинирование приводит к про- теосомной деградации (Carter, Brunet, 2007). Кроме участия в уже упоминавшемся выводе FOXO из ядра AKT-зависимое фосфо­рилирование играет ключевую роль в протеосомной деградации FOXO1 и FOXO3a. Деградация FOXO1 происходит при его взаи­модействии с Skp2 (убиквитин Е3-лигазным комплексом), тре­бующем AKT-специфичного фосфорилирования FOXO1. Анд­рогены также способны запускать протеолитическое разрезание FOXO1 (Huang, Tindall, 2006).

После рассмотрения основных путей регуляции FOXO перей­дем к FOXO-зависимым эффектам. Прежде всего, FOXO играют роль транскрипционных факторов, которые, взаимодействуя с кон­сенсусной последовательностью ДНК GTAAA(C/T)A, модулируют экспрессию генов-мишеней (Greer et al., 2007).

У нематод DAF-16 контролирует экспрессию более чем 100 антиоксидантных, метаболических, онтогенетических, шапе- ронных и антимикробных генов (O’Neill, 2004; Balaban et al., 2005; Hansen et al., 2005). Даже эффект удлинения теломер на продолжи­тельность жизни нематод зависит от DAF-16 (Joeng et al., 2004). Однако влияние DAF-16 на продолжительность жизни опосредо­вано не только активацией транскрипции, но и репрессией. Так, он снижает транскрипцию инсулиноподобных пептидов (Wang et al., 2005). Гены, связанные с ростом и репродукцией, при активации DAF-16 снижают свою активность, тогда как гены стресс-ответа (ген каталазы, Cu,Zn-Sod и Mn-Sod, гены глутатион^-трансферазы и факторов теплового шока), напротив, увеличивают свою эксп­рессию (McElwee et al., 2004; Baumeister et al., 2006). Среди генов метаболизма, индуцируемых DAF-16, имеются ферменты, вовле­ченные в митохондриальный транспорт и метаболизм жирных кислот. Например, DAF-16 регулирует глиоксилатный цикл, про- 178

цесс утилизации жирных кислот в пероксисомах. Таким обра­зом, нематоды переключаются на альтернативные энергетические механизмы, которые, как постулируется, сопровождаются мень­шей генерацией свободных радикалов и большей продолжитель­ностью жизни (Balaban et al., 2005).

Транскрипционные факторы семейства FOXO в клетках мле­копитающих индуцируют транскрипцию разнообразных генов, та­ких как гены оксидативного стресс-ответа (Mn-Sod, ген каталазы), репарации ДНК (GADD45), задержки клеточного цикла (p27kip1) и апоптоза (bim, Fas-лиганд, TRAIL, IGFBP-1 и NIP3) (Giannakou, Partridge, 2004; Huang, Tindall, 2006). FOXO опосредованно подав­ляют экспрессию антиапоатозного члена Bcl-xL из Bcl-2-семейст- ва, индуцируя экспрессию Bcl-6 (Huang, Tindall, 2006; Lam et al., 2006). Факторы FOXO регулируют проверочную точку Gi клеточ­ного цикла, модулируя экспрессию генов ингибитора циклин-за- висимых киназ p2/1) и фактора p 130 (p130, или Rb2), родствен­ного белку ретинобластоны. В ответ на трансформирующий фак­тор роста ß (TGFß), FOXO связывают и активируютпромотор другого ингибитора циклин-зависимых киназ — p21Waf1/C4p1. в то же время фазе G1 активация FOXO подавляет экспрессию цикли-нов D1 и D2, непосредственно или опосредованно (через увеличение экспрессии транскрипционного репрессора Bcl-6). Наконец, FOXO вовлечены в регуляцию экспрессии генов циклинов B1 и G2, а также Cdc25B (cell division cycle 25B), необходимых для G^M-перехода. Факторы FOXO также влияют на переход из M- фазы клеточного цикла в G1, регулируя экспрессию митотиче­ских генов циклина B и polo-подобной киназы (PIT). Транскрип­ционные факторы FOXO регулируют и экспрессию некоторых других генов клеточного цикла — гена фосфатазы (Wip1) и EXT1 (Huang, Tindall, 2006).

Кроме задержки клеточного цикла и апоптоза белки FOXO мо­гут способствовать дифференцировке клеток. Например, FOXO3a стимулирует эритроидную дифференцировку путем индукции гена перемещения B-клеток 1 (BTG1), который модулирует метилирова­ние аргининов в составе белков. Более того, FOXO3a напрямую по­давляет транскрипцию гена Id1 (ингибитора дифференцировки 1) — супрессора эритроидной дифференцировки через HDAC1-mSin3a (гистон-деацетилазный) комплекс (Lam et al., 2006).

Белки FOXO напрямую контролируют экспрессию гена белка кавеолина-1, что приводит к уменьшению EGF-индуцированно- го сигналинга (MAP-киназной активности). Кавеолин-1 является главным компонентом микродоменов, локализованных в клеточ­ной мембране и носящих название «ямки» (кавеолы). Внутри ямок кавеолин-1 взаимодействует с рецепторами факторов роста (EGF

и инсулина) и с другими сигнальными молекулами, например PKA (протеинкиназа А), Src-киназа и H-Ras. Через такое взаимодейст­вие активность этих белков подавляется. Сверхэкспрессия каль- веолина-1, индуцируемая перекисью водорода, приводит к задерж­ке клеточного цикла на стадии Go/G1 и к преждевременному кле­точному старению. Экспрессия кавеолина-1 в стареющих клетках увеличивается и приводит к снижению с возрастом EGF-сигналин- га, что затрагивает MAPK-фосфорилирование (Schmidt et al., 2002; van den Heuvel et al., 2005).

Как известно, крупные липопротеиновые частицы и большое количество липопротеинов высокой плотности — характерная чер­та долгожителей. Гомозиготность аллели 641C гена APOC3 свя­зана с благоприятным профилем липопротеинов, здоровой сер­дечно-сосудистой системой, чувствительностью к инсулину и с долгожительством. В то же время FOXO1 является одним из ре­гуляторов экспрессии гена АРОС3. Делеция сайта связывания FOXO1 в гепатоцитах мыши снимает ингибирующее действие инсулина на экспрессию АРОС3 в печени, а животные, конститу­тивно экспрессирующие FOXO1, имеют гипертриглицеридемию (Atzmon et al., 2006).

Обнаружена значительная избирательная индукция транскрип- тов FOXO1 и FOXO3a в скелетных мышцах мышей при голода­нии, причем уже спустя 6 ч после прекращения питания (для срав­нения отметим, что заметных изменений экспрессии FOXO в пече­ни и почках при голодании не наблюдали). Эта индукция может быть вызвана высокими уровнями глюкокортикоидов в крови. Возможно также, что связанное с голоданием увеличение уровня неэстерифицированных жирных кислот плазмы могло повлиять на уровень экспрессии FOXO1 через пролифераторно-активируемые рецепторы пероксисом (PPAR). Помимо количества самого белка при голодании также возрастает уровень нефосфорилированной (транскрипционно активной) фракции FOXO1, что вызвано сни­жением количества инсулина в крови.

К каким адаптивным реакциям приводит вызванная голодом индукция FOXO1? Она обусловливает увеличение уровеня PDK4 (киназы 4 пируватдегидрогеназы) — регулятора поглощения глю­козы мышцами. Сверхэкспрессия FOXO индуцирует также гены фосфоенолпируваткарбоксикиназы (PEPCK) и глюкозо-6-фосфа- тазы (G6P) — ферментов, являющихся ключевыми глюконеоген­ными и глюкогенолитическими ферментами, индукция которых ингибируется инсулином в клетках почек и печени (Furuyama et al., 2003). Фактор FOXO1 вовлечен в дифференцировку жировой ткани и в процесс развития ожирения при богатой жирами диете, поскольку участвует в дифференцировке миобластов и адипоци- 180 тов и в росте * -клеток поджелудочной железы, играющих цент­ральную роль в регуляции метаболизма глюкозы (Furuyama et al., 2003; Puig, Tjian, 2005). FOXO1 также активирует промотор гена субстрата 2 рецептора инсулина (IRS-2) в условиях голодания. Та­ким образом, FOXO1 действует как сенсор инсулина, ускоряя от­вет на инсулин после каждой еды (Puig, Tjian, 2005).

Помимо голодания, а также окислительного и теплового стрес­сов белки FOXO могут играть роль в ответе на гипертонический стресс. Все клетки адаптируются к гипертоническому стрессу через накопление органических осмолитов, что позволяет регулировать свой объем после сморщивания, и через активацию механизмов защиты и репарации индуцированных гипертонией повреждений. Транскрипционные мишени DAF-16 защищают Caenorhabditis ele- gans от чрезмерного гипертонического стресса. Генетическое ин­гибирование DAF-2 или его нижележащей мишени AGE-1 (фос- фатидилинозитол-3-киназы) придает животному устойчивость к обычно летальному гипертоническому шоку DAF-16-зависимым образом. Гипертоническая стрессоустойчивость мутантов age-1 зависит от активности 14 DAF-16-регулируемых генов, выявлен­ных методом интерференции РНК — это гены белков теплового шока, ферментов синтеза трегалозы и ряд других. DAF-16 активи­рует экспрессию двух генов hsp12, четырех hsp16, одного hsp20 и одного hsp70. Уровень трегалозы у мутанта age-1 увеличен при­мерно в 2 раза (Lamitina, Strange, 2005)

Несмотря на то что роль FOXO в регуляции ответа на такие кле­точные стрессы, как лишение факторов роста и питательных ве­ществ, а также окислительный и температурный стрессы, является достаточно изученной, однако известно мало работ, посвященных исследованию его роли в ответе на действие ионизирующей радиа­ции. Установлено, что FOXO3a играет центральную роль в индук­ции УФ-радиацией белка задержки роста и репарации ДНК — GADD45A. Показано также, что ионизирующая радиация стиму­лирует как транскрипционную активность FOXO3a, так и уровень экспрессии этого белка, и индуцирует перемещение FOXO3a в яд­ро. Ионизирующая радиация FOXO-зависимым образом стимули­рует экспрессию апоптоз-индуцирующих белков, таких как Fas-ли­ганд и взаимодействующий с Bcl-2 медиатор гибели клетки (Bim). Наблюдаемая FOXO3a-зависимая сверхактивация проапоптозных генов и самого апоптоза в клетках, лишенных р53 (конкурента FOXO при генотоксическом стрессе), в ответ на ионизирующую радиацию предполагает наличие нового, р53-независимого, меха­низма радиационно-индуцированного апоптоза (Yang et al., 2006).

Каким образом факторы FOXO влияют на продолжительность жизни? Они могут модулировать паттерны экспрессии генов в за- 181 висимости от интенсивности стимулов, активируя стрессоустой­чивость при умеренном стрессе, или проапоптозные гены в слу­чае превышения определенного порога интенсивности стресса. FOXO регулируют еще ряд генов в различных типах клеток, вызы­вая апоптоз в нейронах и лимфоцитах, но стимулируя выживае­мость других клеток. Индукция апоптоза приводит к гибели по­врежденных или ненормальных клеток, что также полезно для долгожительства организма (Carter, Brunet, 2007).

Кроме того, перед стимуляцией апоптоза клетки быстро моби­лизуют защитные механизмы для продления своего существова­ния. Действительно, апоптозные стимулы активируют молекулы, необходимые не только для гибели, но и для выживания. Как ока­залось, три различных проапоптозных стимула (сывороточное го­лодание, митохондриальный токсин и повреждение ДНК этопози- дом) обусловливают быструю индукцию молекул выживания не­скольких классов, в частности антиапоптозных белков Bcl-2/Bcl-xL и супероксиддисмутаз (Mn-SOD and Cu,Zn-SOD). Локализован­ный в митохондриях Hsp60 также активируется и высвобождается из митохондрий в цитозоль в ответ на все три апоптозных стимула. Индукция этих стимулирующих выживаемость молекул сопутст­вует индукции проапоптозных молекул, таких как Bim и Bak, или наблюдается до нее. Индукция апоптозными стимулами молекул выживания и гибели происходит на транскрипционном уровне, что предполагает участие транскрипционных факторов. Транс­крипционный фактор FOXO3a вовлечен в активацию, по крайней мере, части этих молекул выживаемости (Mn-SOD) и проапоптоз­ных (Bim) молекул. Другие молекулы выживаемости (Cu,Zn-SOD, Bcl-2, Bcl-xL) и цитохром с также частично регулируются FOXO3a, поскольку их индукция ослабляется доминантно-негативной фор­мой этого транскрипционного фактора либо его делецией или РНК-интерференцией.

Во всех трех системах апоптоза сам ген FOXO3a также сверх- активировался на транскрипионном уровне. Апоптозные стимулы вызывают раннюю активацию митохондрий, характеризующуюся быстрой индукцией связанных с дыханием белков, включая окси- дазу цитохрома c и апоцитохром с, причем последний затем быст­ро импортируется в митохондрию, где участвует в митохондри­альном дыхании, приводя к ранней гиперполяризации мембраны, увеличению поглощения кислорода и уровня АТФ. Такие ответы предшествуют выходу голоцитохрома с из митохондрий и приво­дят к образованию некоторого количества активных форм кисло­рода. Увеличение концентрации активных форм кислорода обна­руживается на ранних стадиях стимуляции апоптоза любым из трех способов. Молекулы выживания, индуцируемые этим незна- 182 чительным повышением количества свободных радикалов, защи­щают клетки от дальнейшего увеличения выработки АФК (Liu et al., 2005). По-видимому, активные формы кислорода выпол­няют функцию ключевых сигнальных молекул активации FOXO3a и, возможно, других многофункциональных транскрипционных факторов (p53, E2F1, c-MYC, и NF-kB), а также сигнальных моле­кул (таких как ERK) в транскрипционной активации про- и анти- апоптозных молекул в ответ на стимуляцию апоптоза (Liu et al., 2005).

Таким образом, любые апоптозные стимулы вызывают ран­нюю активацию митохондрий, приводя к быстрому образованию активных форм кислорода, которые в свою очередь индуцируют транскрипционный фактор FOXO3a, одновременно запускающий экспрессию многих генов с про- и антиапоптозной функцией. Эти сигнальные пути активируются сразу же после сенсирования стресса, независимо от его величины. Сила и распределение по времени различных сигналов выживания и гибели определяют конечную судьбу подвергшейся стрессу клетки. Гибель клетки произойдет только в том случае, когда проапоптозные сигналы превзойдут по силе (например, при постоянной стимуляции апоп­тоза) сигналы выживания или когда последние отсутствуют (Liu et al., 2005).

Еще один из возможных способов участия FOXO в старении млекопитающих — это регуляция функционирования стволовых клеток, играющих ключевую роль в самообновлении тканей. Де- леция FOXO3 и FOXO4 в гематопоэтических стволовых клетках новорожденных мышей ведет к удвоению числа клеток перифери­ческой крови, при этом количество долговременных гематопоэти­ческих стволовых клеток, необходимых для поддержания гемато­поэза, уменьшается. Все это сопровождается повышением выхода клеток из покоящегося состояния и высоким темпом пролиферации, что, по-видимому, связано с нарушением FOXO- зависимой остановки клеточного цикла. В то же время гематопоэтические стволовые клетки без FOXO накапливают свободные радикалы и имеют низкий уровень экспрессии антиоксидантных генов. Возможно, что активные формы кислорода являются триггером для выхода гематопоэтических стволовых клеток из покоя и для начала их созревания, что может вызываться деактивацией (фосфори-лированием) FOXO (Coffer, Burgering, 2007).

Несмотря на несомненное эволюционное сходство FOXO-за­висимых механизмов регуляции продолжительности жизни раз­ных животных, роль FOXO в онтогенезе видоспецифична. Тог- 183

да как черви или мухи без FOXO жизнеспособны, FOXO1- дефект­ные мыши гибнут на стадии эмбриона (10-й день) в результате нарушений ангиогенеза. Мутанты FOXO3 и FOXO4 жизнеспо­собны, хотя особи с FOXO3 характеризуются возрастзависимым бесплодием самок (Carter, Brunet, 2007).

Таким образом, транскрипционные факторы FOXO являются ключевыми белками ответа на различные виды стресса и регули­руют широкий спектр реакций клетки (изменение метаболизма, задержку клеточного цикла, дифференцировку, апоптоз и старе­ние), что и определяет роль FOXO-зависимых механизмов в детер­минации продолжительности жизни.

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

Еще по теме Транскрипционные факторы DAF-16/FOXO:

  1. АНТИГЕМОФЙЛЬНЫЙ ФАКТОР
  2. ФИБРИНСТАБИЛИЗЙРУЮЩИЙ ФАКТОР
  3. АТЕРОГЕННЫЕ ФАКТОРЫ
  4. резус-фактор
  5. «РИНО-ФАКТОР»
  6. Препараты факторов свертывания крови
  7. Факторы, влияющие на дыхание
  8. Средовые факторы
  9. ФАКТОР РЙСКА  
  10. Колониестимулирующие факторы (см. также разд. 26.2)