Steve Horvath, Vera Gorbunova, Alejandro Ocampo i ich zespół zastosowali częściowe przeprogramowanie w celu naprawy uszkodzeń DNA w modelu myszy. Wyniki swoich badań opublikowali w Granice starzenia się.

Budowanie ścieżki do odmłodzenia

Naukowcy rozpoczynają swój artykuł od omówienia tych czterech dobrze znanych czynników wraz z koncepcją częściowego przeprogramowania komórkowego, które resetuje epigenetykę komórek, wysyłając je z powrotem do funkcjonalnie młodszego stanu. Wcześniejsze obszerne prace wykazały, że częściowe przeprogramowanie łagodzi liczne oznaki starzenia się żywych zwierząt [1]. W modelach zwierzęcych stwierdzono wpływ zarówno na maszynerię białek, jak i na transkrypcję RNA [2, 3].

Jednak jedynie ograniczone prace skupiały się na wpływie przeprogramowania epigenetycznego na genomikę podstawową i zdolność komórek do naprawy własnego DNA, zwłaszcza gdy komórki doznały już znacznych uszkodzeń. W tym celu naukowcy wykorzystali mysi model stopniowego, szybkiego starzenia się, któremu brakuje istotnego czynnika naprawczego Ercc1.

Większa reakcja

Komórki fibroblastów z końcówek ogonów myszy pozbawionych Ercc1, a także myszy, które miały normalne zdolności naprawy uszkodzeń DNA, testowano pod kątem markera uszkodzeń DNA γH2AX. Zgodnie z oczekiwaniami, myszy pozbawione Ercc1 miały zwiększoną ilość tego markera, a ich komórki również były powiększone.

Wszystkie te zwierzęta zostały zmodyfikowane genetycznie w celu ekspresji czynników OSKM w obecności doksycykliny. Niektórym zwierzętom podawano wyłącznie ten związek, innym zaś podawano także witaminę C, która obniża naturalne bariery dla przeprogramowania epigenetycznego, wraz z aktywatorem szlaku Wnt, który wpływa na proliferację i rozwój komórek.

Próbki pochodzące zarówno od zwierząt zubożonych w Ercc1, jak i od bardziej zwyczajnych zwierząt wykazały pozytywną reakcję na leczenie OSKM, szczególnie w połączeniu z dwoma pozostałymi związkami. Po czterech dniach wiek epigenetyczny jednej próbki zmniejszył się o ponad połowę. Heterochromatyna, której poziom wzrasta w komórkach pozbawionych Ercc w odpowiedzi na uszkodzenia, została przywrócona do poziomu zwykłych komórek, podobnie jak γH2AX i wielkość jądra. Zbiegło się to z resetem epigenetycznym, co skłoniło badaczy do zgodzienia się z wcześniejszymi pracami [1] że istnieje związek przyczynowy.

Co najciekawsze, komórki zubożone w Ercc1 wykazywały silniejszą odpowiedź epigenetyczną po przeprogramowaniu niż komórki zwykłych myszy. Stwierdzono, że witamina C i promotor Wnt (VC) mają bardzo znaczący wpływ na naprawę DNA, silnie regulując różne geny odpowiedzialne za ponowne łączenie końców uszkodzonego DNA, a także naprawianie niedopasowań i brakujących zasad DNA.

Potencjalny skrót do naprawy DNA

Wyniki tego badania pokrywają się z wcześniejszymi pracami wykazującymi, że przeprogramowanie hamuje szlak TGFb, który jest powiązany z fenotypami starzenia i którego hamowanie, jak stwierdzono, wydłuża żywotność robaków [4]. Naukowcy zbadali także powiązany szlak morfogeniczny kości (BMP).

Stwierdzono, że w fibroblastach zubożonych w Ercc1 większość inhibitorów wpływających na TGFb lub BMP również zmniejsza γH2AX. Skuteczne inhibitory zmniejszają również rozmiar jądra. Stwierdzono również, że trzy inhibitory prowadzą do znacznego obniżenia wieku epigenetycznego. wykazując silny związek między hamowaniem TGFb, przeprogramowaniem i naprawą genetyczną.

Sekwencjonowanie RNA potwierdziło te ustalenia. Wiele sekwencji genów, które okazały się być regulowane w górę i w dół w wyniku hamowania TGFb, również miało ten sam wpływ w 4. dniu przeprogramowania. Dotknięte sekwencje genów obejmowały szereg funkcji komórkowych, w tym macierz zewnątrzkomórkową, inne białka strukturalne, metabolizm białek i metabolizm alkoholu. Jednakże niektóre procesy naprawy DNA, które zostały wzmocnione przez przeprogramowanie, nie zostały wzmocnione przez hamowanie TGFb w fibroblastach zubożonych w Ercc1.

Chociaż badanie to przeprowadzono głównie na komórkach pochodzących z silnie zmodyfikowanego modelu myszy i z pewnością nie dostarczyło ostatecznych dowodów, badanie to dostarcza wskazówek dla przyszłych badań. Jeśli okaże się, że hamowanie TGFb jest mniej niebezpieczne niż przeprogramowanie i można je przeprowadzić na organizmach żywych bez poważnych skutków ubocznych, możliwe będzie zastosowanie tej techniki w celu ograniczenia fenotypów starzenia, a tym samym złagodzenia chorób związanych z wiekiem.

Literatura

[1] Ocampo, A., Reddy, P., Martinez-Redondo, P., Platero-Luengo, A., Hatanaka, F., Hishida, T., … i Belmonte, JCI (2016). Poprawa cech charakterystycznych związanych z wiekiem in vivo poprzez częściowe przeprogramowanie. Komórka, 167(7), 1719-1733.

[2] Benevento, M., Tonge, PD, Puri, MC, Hussein, SM, Cloonan, N., Wood, DL,… i Heck, AJ (2014). Adaptacja proteomu w przeprogramowaniu komórek przebiega poprzez odrębne sieci transkrypcyjne. Komunikacja przyrodnicza, 5(1), 5613.

[3] Plath, K. i Lowry, WE (2011). Postęp w zrozumieniu przeprogramowania do indukowanego stanu pluripotencjalnego. Natura przegląda genetykę, 12(4), 253-265.

[4] Schoenfeldt, L., Paine, PT, Kamaludeen M, NH, Phelps, GB, Mrabti, C., Perez, K. i Ocampo, A. (2022). Przeprogramowanie chemiczne łagodzi komórkowe oznaki starzenia i wydłuża żywotność. bioRxiv2022–08.