Open Longevity. Как устроено старение и что с этим делать

Глюкозепан

Один из наиболее частых КПГ белков – глюкозепан – продукт реакции Майяра между остатками лизина и аргинина124. Глюкоза образует поперечные сшивки, которые, как мы помним, – одна из основных причин повышения жесткости матрикса с возрастом.

Их высокое содержание глюкозепановых сшивок, возможно, причина того, что искусственно созданные вещества для блокирования рецепторов КПГ не работают. Они в основном направлены на предотвращение образования не-глюкозепановых сшивок.

Глюкозепановые сшивки были открыты на рубеже веков, в 1999 году125. Их обнаружение вызвало всплеск оптимизма: ведь структура глюкозепана достаточно уникальна для того, чтобы найти метод его выборочного разрушения. Однако пока что эффективное средство для расщепления глюкозепана в живых тканях не найдено. Хотя определенные успехи все же есть.

Некоторые химические вещества обладают способностью снижать количество глюкозепановых сшивок в тканях лабораторных крыс, блокируя их формирование или удаляя уже сформированные126, 127, 128. В лаборатории Дэвида Шпигеля из Йельского университета в США активно ищут ферменты, которые могут избирательно расщеплять сшивки, образованные КПГ129. На этом пути ученые уже достигли некоторых результатов130. Они выделили из бактерий фермент, участвующий в модификации тРНК, – он оказался способен расщеплять такие КПГ, как карбоксиэтил- и карбоксиметил-лизин.

Еще один пример похожей стратегии – генетическая модификация фибробластов таким образом, чтобы те могли секретировать амадориазу. Это фермент, способный дегликировать белки, отщепляя от них остатки углеводов41, 131.

В природе амадориазы встречаются у грибов и бактерий132. Они обращают вспять перегруппировку Амадори – одну из стадий реакции Майяра. На данный момент выделено и охарактеризовано более десятка амадориаз, однако их субстратная специфичность в основном позволяет отщеплять КПГ от отдельных аминокислот и коротких пептидов. Поэтому необходимы также исследования в области белковой инженерии этих ферментов, чтобы повысить их специфичность в отношении гликированных белков матрикса133.

C реакцией Амадори и ее вредоносными продуктами можно бороться и другими методами. Как было сказано выше, это лишь одна из стадий химического процесса гликирования. Ключевая, но не окончательная.

Группа исследователей из США предлагает блокировать гликирование сразу после стадии реакции Амадори, что может предотвратить образование КПГ. Ими уже описана134 группа низкомолекулярных соединений, названных амадоринами: например, пиридоксамин и аминогуанидин. Ими же выполнен рациональный дизайн амадоринов второго поколения с улучшенной активностью, например молекулы с кодовым названием BST-4997135, которую они позиционируют в качестве кандидата для лекарства, целенаправленно блокирующего процесс гликирования.

Приходят на помощь и природные соединения. Лекарственные растения испокон веков служили человеку для борьбы с различными недугами, а современная фармакология позволяет эффективно выделять из таких растений действующие вещества, чтобы затем применять их в качестве индивидуальных препаратов.

Оказалось, что выделяемые из растений соединения, содержащие О-ацетильную группу, способны эффективно блокировать реакцию гликирования «в пробирке», а значит, имеют потенциал для испытания на клеточных и животных моделях и превращения в лекарства. Среди них – флавоноиды из золотой камелии136, кумарины из полыни137 и разнообразные соединения из платикодона (разновидности колокольчика)138.

Другой многообещающий подход – использование антител к глюкозепану. Этот метод был описан совсем недавно и должен значительно облегчить ученым их исследования139.

Хелатирование

Еще одна стратегия борьбы с гликированием – использование хелатирующих агентов140.

Хелатирование – способность ряда органических соединений, в частности этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), нековалентно связывать ионы металлов, сжимая их, словно клешней.

Оказывается, инициаторами гликирования часто бывают реакции окисления, катализируемые ионами металлов. Хелатирующие агенты удаляют эти ионы из реакционной среды, тем самым замедляя процесс образования поперечных сшивок матрикса.

ЭДТА уже давно используют141 в качестве терапевтического средства для борьбы с диабетическим поражением сосудов, состояние которых, как мы помним, во многом определяется состоянием внеклеточного матрикса.

Компания Alteon (ныне объединена с компанией Synvista Therapeutics, США) создала первое лекарство против различных сшивок в межклеточном матриксе – Алагебриум. Оно способно разрезать сшивки, образованные с участием α-дикетона. Однако лекарство не имело большого успеха, потому что таких сшивок в матриксе оказалось немного. И основная проблема повышения жесткости матрикса не была решена.

Кое-что еще

Совсем недавно появилась статья, в которой предлагается использовать 4-фенилбутират натрия в качестве агента против гликирования142.

Механизм его действия точно неизвестен. Предполагается, что он может связываться с альбумином и предотвращать его взаимодействие с глюкозой, а это и есть начальный этап гликирования.

Так, 4-фенилбутират натрия становится потенциальным участником борьбы с нейродегенеративными заболеваниями, атеросклерозом, диабетом, гиперлипидемией и другими возраст-зависимыми заболеваниями.

Убираем лишний матрикс

Вторая очень актуальная проблема – накопление соединительной ткани и внеклеточного матрикса там, где должна быть другая функциональная ткань. Например, изменение с возрастом состава и структуры мышечной ткани. Это происходит из-за снижения активности металлопротеиназ, необходимых для ремоделирования межклеточного матрикса. В конечном счете разрастание и утолщение межклеточной массы приводит к снижению упругости и развиваемой силы мышц.

Хорошая новость в том, что в организме существуют механизмы, позволяющие обратить этот процесс вспять. С возрастом меняется не только состояние мышечной ткани, но и характер ее ответа на повреждения. В ряде экспериментов на грызунах было показано, что у старых мышей в ответ на повреждения мышц активнее, чем у молодых, возрастает концентрация металлопротеиназ, в результате чего значительно снижается количество коллагеновых отложений в поврежденной мышце143.

Кроме того, было показано, что этот эффект наблюдается вследствие выработки мышечными клетками в ответ на повреждения трансформирующего ростового фактора TGF-β. Есть все основания полагать, что в будущем этот механизм удастся использовать для воздействия на мышцы пожилых людей, повышая их силу и упругость.

Подведем итоги

Внеклеточный матрикс – динамический внеклеточный компонент организма, который постоянно изменяется в ответ на различные стимулы. Он подвержен существенным трансформациям в ходе старения организма. Его компоненты регулируют различные процессы, включая пролиферацию, выживание, дифференцировку и миграцию клеток.

Внеклеточный матрикс состоит из множества белков. Самые распространенные из них – коллаген и эластин. Они долгоживущие и, как следствие, особенно чувствительны к накоплению неферментативных модификаций и разрушению в результате ферментативного расщепления.

По современным представлениям, большинство продуктов посттрансляционных модификаций матричных белков в итоге превращаются в КПГ. Но остается еще много неясного о самом характере изменений, происходящих в матриксе. Например, продукт карбамилирования белков матрикса, гомоцитруллин, также часто встречается в стареющем матриксе и вносит свой вклад в изменение его функций67. По мнению некоторых ученых, этот процесс может быть таким же весомым, как и гликирование67.

Изменения белков матрикса в процессе старения очень сильно влияют на его функции, воздействуя на другие биологически активные молекулы. Так, активация сигнальных каскадов после взаимодействия КПГ с рецепторами RAGE приводит к многочисленным нарушениям функционирования клеток, в том числе к воспалительным и окислительным процессам с формированием порочных кругов.

Все эти изменения в старом внеклеточном матриксе могут напрямую влиять на его механическую и структурную роль. Запускаются такие процессы, как истощение пула стволовых клеток, клеточное старение, нарушение межклеточной коммуникации, возникают геномная нестабильность и дисфункция митохондрий.

Кроме того, возрастная дисфункция матрикса напрямую связана с такими патологиями, как нарушение целостности кишечного и гематоэнцефалического барьеров, фиброз, сердечно-сосудистые и нейродегенеративные заболевания. Предполагается, что старение внеклеточного матрикса может быть даже более важным, чем старение самих клеток, так как внутри клетки, в отличие от матрикса, существуют более эффективные механизмы восстановления и удаления поврежденных белков и органелл.

Состояние внеклеточного матрикса можно считать биомаркером старения. Образование в нем сшивок и КПГ – признак того, что возраст наступает на пятки. Хотя на данный момент маркеры старения широко не используются, КПГ (глюкозепан и др.) довольно перспективны с точки зрения оценки возрастного состояния организма. Созданное недавно командой Дэвида Шпигеля (David Spiegel) антитело, связывающееся с глюкозепаном, представляет собой еще один инструмент идентификации в организме КПГ139.

Какие пути противодействия негативным последствиям старения матрикса предлагают ученые? На сегодняшний день их несколько. Это, например, разработка комбинации ингибиторов41 КПГ, которые синергетически работают на разных стадиях их образования. Сюда могут входить:

– соединения с трансгликирующей активностью – амадорины134 и амадориазы131;

– хелаторы140, 141 (препараты по связыванию избытка ионов металлов);

– соединения, содержащие О-ацетильную группу для защиты белков от гликирования136, 137, 138.

Также необходимо сфокусироваться на разработке разрушителей основного КПГ в внеклеточном матриксе – глюкозепана. Идеально было бы синтезировать небольшую молекулу или фермент, способные проникать между фибриллами коллагена и достигать своей цели – сшивок КПГ.

Конец ознакомительного фрагмента.

Текст предоставлен ООО «ЛитРес».

Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на ЛитРес.

Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.

1

Предел Хейфлика – граница количества делений клетки.

2

Регенерация нарушается при развитии злокачественного новообразования. Опухолевые клетки гораздо менее зависимы от наличия факторов роста или работы внеклеточного матрикса. Нередко у них мутируют гены, обеспечивающие гибель клетки, оказавшейся в абсолютно нетипичных условиях: например, когда она не получает сигнал от матрикса. При этом эти клетки могут активно выделять ферменты, разрушающие упорядоченные структуры матрикса, что помогает им распространяться по организму.

Из-за нарушения организации внеклеточных структур нарушается организация и опухолевых клеток. Они начинают расти кучками и сдавливать ткани вокруг. При таком давлении здоровые клетки нередко уходят в апоптоз, поскольку матрикс в таких условиях не способен обеспечивать благоприятные условия для их жизнедеятельности.

3

Коллаген и эластин – гликопротеины. Однако есть еще и протеогликаны. Отличаются они тем, что имеют разное соотношение «углеводы/белки» в своем составе.

В гликопротеинах углеводов не больше 20 %. Углеводные цепи короткие, нерегулярные и не содержат уроновых кислот. Углеводы могут быть представлены моносахаридами, дисахаридами, олигосахаридами или полисахаридами.

4

Протеогликаны, наоборот, состоят в основном из углеводов: 90–95 % молекул протеогликанов составляют длинные полисахариды регулярного строения (гликозаминогликаны), содержащие аминосахара, часто – уроновые кислоты. Это обычно очень крупные молекулы, задерживающие на себе воду и другие вещества.

5

Если учесть, что белок составляет примерно 20 % массы тела и что 30 % или более общего белка – это коллаген, и если предполагается, что коллаген типа I составляет по меньшей мере 90 % от общего количества коллагена, можно рассчитать, что взрослый человек весом 70 кг может содержать почти 4 кг коллагеновых мономеров I типа.

6

Фибриллин-1а – гликопротеин, который тоже синтезируется в фибробластах и отвечает за стабильность эластинового волокна. Фибриллин относят к адгезивным молекулам, «клею».

7

Гликозаминогликаны (ГАГ) – достаточно крупные молекулы полисахаридов, цепочки из повторяющихся звеньев: аминосахаров и уроновых кислот. Раньше этот класс веществ называли мукополисахариды – от лат. mucus – слизь.

Гепарин противодействует свертыванию крови, поэтому находится в межклеточном матриксе печени, легких, сердца, в стенках артерий.

Кератансульфат присутствует в матриксе всех тканей, но в роговице глаза и скелетных тканях его в разы больше, чем в остальных. В коже взрослого человека он находится в незначительном количестве, хотя может накапливаться в составе белка аггрекана при образовании шрама11.

Хондроитинсульфат характерен для хрящевых тканей. При разрушении он сигнализирует клеткам об опасности, привлекает иммунные клетки, которые нейтрализуют опасность и восстанавливают ткань.

8

В организме человека гиалуронидаза, кроме прореживания соединительной ткани, играет важную роль в репродукции. Во время оплодотворения сперматозоиды выделяют гиалуронидазу, которая расщепляет гиалуроновую кислоту, скрепляющую фолликулярные клетки вокруг яйцеклетки, после чего становится возможным проникновение сперматозоида внутрь.

9

Нарушения в работе катепсина С приводят24 к развитию синдрома Папильона – Лефевра, выражающегося в кератозе – патологическом ороговении и разрастании кожных покровов. Это происходит вследствие сниженной активности расщепляющих матрикс протеиназ.

10

Своеобразный «клей», который используется для заживления кожи, сосудов и других органов. Например, герметик MeTro, который был разработан в 2017 году26.

11

В ходе механотрансдукции механическая нагрузка на матрикс приводит к образованию так называемых фокальных контактов – участков, при помощи которых клетка цепляется за матрикс. Они инициируют сборку мономерного актина в актиновые стресс-фибриллы – натянутые нити, которые передают механическое напряжение внутрь клетки и запускают разнообразные сигнальные каскады38.

Соединяясь через фокальные контакты с матриксом с одной стороны, с другой стресс-фибриллы прикрепляются к оболочке клеточных ядер. Их натяжение вносит значимый вклад в создание сил напряжения внутри и снаружи клеток39. Таким образом, жесткость внеклеточного матрикса влияет на клеточные ядра. В частности, от нее зависит уровень компактизации ядерного хроматина и, как следствие, экспрессия генов40.

12

К примеру, гликированный гемоглобин (HbА1c) применяют в качестве маркера диабета 1-го и 2-го типов57. Однако из-за относительно большого времени полураспада (порядка 120 дней58) этот показатель плохо характеризует недавние изменения в тканях. По этой причине параллельно измеряют уровень гликирования альбумина в сыворотке крови, период полураспада которого значительно меньше (порядка 20 дней59). Эти анализы используют при диагностике гипертонии, ожирения и острых воспалительных заболеваний.

Гликированные липопротеины высокой и низкой плотности позволяют с высокой точностью предсказывать развитие ишемической болезни сердца, а также появление симптомов атеросклероза60.

13

Механизм действия РААС таков: фермент ренин (из почек) отщепляет от ангиотензиногена (из печени) кусочек, после чего образуется неактивный гормон ангиотензин I. В клетках эндотелия легочных капилляров ангиотензин I гидролизуется ангиотензинпревращающим ферментом (АПФ), который отщепляет от него еще кусочек. В результате образуется активный гормон ангиотензин II (влияет на сокращение сосудов).

14

TGF-β – цитокин, участвующий в клеточной дифференцировке и пролиферации, иммунном ответе, играет важную роль в регуляции сборки и ремоделирования внеклеточного матрикса. Он стимулирует экспрессию коллагенов, фибронектина и протеогликанов и выработку протеаз, ингибирующих распад матрикса.

15

Рецепторы RAGE (Receptor for Advanced Glycation Endproducts) – иммунные рецепторы из семейства иммуноглобулинов. Они активируются в ответ на взаимодействие с КПГ (они как раз и есть те самые Advanced Glycation Endproducts, или AGE), амилоидами и продуктами клеточной гибели. RAGE-рецепторы обильно экспрессируются в жировой ткани и участвуют в регуляции передачи сигналов от инсулина. Существует гипотеза, что первоначальная роль RAGE-рецепторов гоминидов была связана с формированием экономного фенотипа с ускоренным набором жировой массы, что спасало от голодной смерти87. RAGE, как сейчас известно, участвуют в развитии почти всех возрастных патологий, включая диабет обоих типов88, хроническое заболевание почек89, сердечно-сосудистые заболевания90, рак, болезни Альцгеймера и Паркинсона91, 92, 93.

16

Также TGF-β может вызывать нарушение работы митохондрий. Он останавливает рост эпителиальных клеток легких и «состаривает» их, снижая активность IV митохондриального комплекса – цитохром c-оксидазы. Цитохром с-оксидаза замыкает дыхательную цепь, перенося электроны на кислород. Снижение ее активности приводит к утечке электронов и образованию АФК. Окислительный стресс может быть потенциальной причиной некоторых старческих заболеваний97, 98, 99.

17

SPARC (Secreted Protein Acidic and Rich in Cysteine, «секретируемый кислый белок, богатый цистеином») также известен как остеонектин и представляет собой кальций-связывающий матриксно-клеточный гликопротеин101.