Выделяющийся при занятиях спортом белок кластерин улучшает здоровье и когнитивные функции

 

Регулярные занятия физкультурой улучшают память и сообразительность, а также помогают справляться с воспалительными заболеваниями мозга — именно это следует из недавнего исследования, проведенного на мышах. Желающим сохранить здравый рассудок, стоит, вероятно, подумать о том, чтобы слезть с дивана и сделать зарядку. Изображение с сайта nature.com

Американские ученые исследовали, как занятия спортом влияют на состояние мозга и когнитивные функции. Эксперименты проводились на мышах: часть из них имела возможность бегать в колесе, а часть — нет. Между этими группами выявились различия, и все они были в пользу «бегунов»: у них и нейровоспалительные процессы не развивались, и память была крепче, и смекалка живее. Как выяснилось, у «бегунов» в кровь выделяется ряд белковых факторов, которые опосредуют эти различия. Среди этих белков самым эффективным (из изученных) оказался кластерин — белок, связанный с работой врожденного иммунитета и с функционированием сосудов мозга. Если этот белок просто ввести нетренированным мышам, то получится тот же эффект, что и при занятиях спортом.

Группа нейробиологов, генетиков и биохимиков из США порадовала нас интересным и поучительным экспериментом. Ученые решили выяснить, почему заниматься физкультурой полезно для здоровья — как физического, так и умственного. Казалось бы, это утверждение, с которым вряд ли кто-то будет всерьез спорить, не нуждается в дополнительных доказательствах. Но если как следует задуматься, то окажется, что это не так. Утверждая связь физических упражнений и здоровья, хорошо бы понимать, какие параметры здоровья имеются в виду, какие соединения опосредуют эту связь, где они синтезируются, в каком количестве и как передаются в организме. Иными словами, нужна конкретика — только тогда ее можно будет обернуть в реальную помощь пациентам.

Необходимо отметить, что исследований на эту тему немало, но новая статья, опубликованная недавно в журнале Nature, отличается именно такой конкретикой и разносторонностью. В ней не только наглядно продемонстрировано влияние физических упражнений на когнитивные функции и сопротивляемость воспалительным заболеваниям, но и разобран биохимический и генетический арсенал этих улучшений, а также выделен ключевой действующий фактор и экспериментально подтверждено его действие.

Эту работу ученые выполнили на мышах. Одной группе мышей (для эксперимента брали только самцов) дали возможность бегать в колесе (группа «бегунов»). А у второй группы мышей, составленной из братьев «бегунов», такой возможности не было. Все мыши через месяц тренировки проходили тест на когнитивные способности (водный лабиринт (см. Morris water maze) и формирование условного рефлекса на болевой шок). А для того, чтобы выявить анатомические различия мозга между «бегунами» и их собратьями из второй группы, у нескольких мышей по окончании тренировок изучали срезы гиппокампа — части мозга, вовлеченной в исполнение когнитивных задач и формирование памяти. Будут ли видны различия?

Различия выявились сразу: количество нейронов в гиппокампе, их предшественников и астроцитов увеличилось. Действенность физкультурных упражнений подтвердилась и в отношении когнитивных функций: во всех случаях «бегуны» показали результаты лучше, чем мыши из второй группы.

Этот успешный зачин ученые продолжили, намереваясь доказать, что факторы физического и умственного здоровья выделяются в кровь и переносятся кровью, то есть что физкультура — это не простое укрепление мышц. Для этого авторы брали плазму крови мышей-бегунов и вводили ее мышам из малоподвижной группы. Для контроля части мышей вводили либо плазму крови мышей из этой же группы, либо физиологический раствор.

Схема эксперимента с переливанием плазмы. Испытуемым мышам из второй группы (recipient mouse) каждые три дня вводили плазму крови «бегунов» (runner plasma, RP) или плазму мышей из второй группы (control plasma, CP) так, что каждая мышь получала плазму лишь одного типа. Таким образом испытуемые мыши-реципиенты разделились на две когорты, в которых затем сравнивали показатели здоровья и сообразительности. Оказалось, что в плазму «бегунов» выбрасывается ряд оздоравливающих факторов, который и лежебокам помогает сохранять здоровье. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Эксперимент снова длился месяц, по прошествии которого снова были проведены соответствующие тесты и анатомические исследования клеток мозга. Нейронов и астроцитов оказалось больше у тех мышей, которым вводили плазму «бегунов», а не плазму контрольной группы или физиологический раствор. Они же оказались сообразительнее и памятливее: в водном лабиринте мыши с плазмой «бегунов» быстрее добирались до спасительного места, а в шоковой камере они острее реагировали на условный стимул (то есть память о шоке у них была сильнее).

Физиологические и поведенческие показатели у мышей из второй группы после месяца введения плазмы. Вверху — количество нейронов и астроцитов у мышей, которым вводили плазму «бегунов» (RP, runner plasma) и плазму пассивных мышей (CP, control plasma). Чтобы построить эти графики, авторы измеряли активность деления и выживания клеток с помощью окраски новообразующихся клеток бромдезоксиуридином. Внизу — результаты тестов в шоковой камере (оценивалось время замирания в ответ на условный сигнал) и в водном лабиринте (оценивалось время нахождения в секторе спасительной платформы). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Также авторы проверяли воспалительный ответ у малоподвижных мышей и у «бегунов». В этом эксперименте мышам обеих групп вводили липополисахарид, вызывающий воспаление (в частности, тканей мозга). Оказалось, что у «бегунов» воспаление было заметно слабее, чем у мышей из второй группы. Этот результат, конечно, поучителен для тех, кто предпочитает поваляться на диване, но для медиков полезнее понять, какие факторы здесь выступают в оздоровительной роли. Чтобы ответить на этот вопрос, ученые снова вводили мышам из второй группы плазму «бегунов» — в этом случае воспаление у них развивалось столь же слабо, как и у самих «бегунов».

Таким образом, удалось надежно подтвердить исходную гипотезу, согласно которой факторы, опосредующие связь физкультуры с физическим и когнитивным здоровьем, переносятся кровью. Следующая часть работы, дотошная и кропотливая, была посвящена выяснению того, что это за факторы. Здесь к работе подключились биохимики и генетики. Они сравнили транскриптомы (наборы РНК, подготовленных для синтеза белков) в гиппокампе у «бегунов» и у пассивной группы. Выявилось весьма много различий: в сумме 1952 гена экспрессировались по-разному. Наиболее четкие из них относились к тем генам, которые регулируют ответ на воспаление и формирование новых клеток.

Функциональное назначение генов, которые наиболее четко различаются по своей экспрессии в мозгу у «бегунов» и мышей, лишенных доступа к колесу. Та же разница характерна для мышей, кто получал инъекции плазмы «бегунов» и мышей из второй группы. В первую очередь у «бегунов» отмечается снижение экспрессии регуляторов воспалительного ответа, увеличение клеточного морфогенеза и снижение клеточного протеолиза. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Если перейти на белковый (протеомный) уровень, то у «бегунов» и их малоподвижных соседей закономерные различия обнаруживаются по 49 белкам плазмы. Судя по набору метаболических путей, в которые эти 49 белков включены, у бегунов подавляется активность так называемой альтернативной системы комплемента, опосредующей иммунный ответ организма. Из-за этого нейровоспалительная реакция оказывается значительно сниженной. Кроме того, ускоряется созревание клеток эпителиальной выстилки кровеносных сосудов и ингибируется процесс образования тромбов в крови. Транскриптомные данные согласуются с протеомными.

Фокус исследовательских усилий сосредоточился на этих 49 белках: нужно было выделить из них ключевые компоненты, оказывающие тот волшебный оздоровительный эффект, который превратил неспортивных мышей в подобие «бегунов». Выбрав четыре самых отличающихся по количеству белка в двух группах, ученые убирали по одному из них из плазмы «бегунов». Эту «урезанную» плазму они вводили мышам из малоподвижной группы, которым до этого химически спровоцировали нейровоспалительный процесс. Лишь один белок показал свою действенность: если его убрать, оставив все остальные, то никакого оздоровительного воздействия не будет. Это белок кластерин. Если ввести малоподвижным мышам только этот белок, то оздоровительный результат окажется ровно тем, что дает полноценная плазма «бегунов». Также, авторы проверили, что если ввести кластерин мышам с хроническим нейродегенеративным заболеванием, то и у них состояние мозга заметно улучшается.

Кластерин ингибирует работу альтернативной системы комплемента и регулирует функционирование эндотелиальной выстилки кровеносных сосудов мозга. Ученые предполагают, что именно с этим связан противовоспалительный эффект кластерина. Нужно понимать, что при занятиях физкультурой в плазму выбрасывается не только кластерин, но и другие действенные белки. Просто в обсуждаемой работе из проверенных четырех белков именно он дал требуемый эффект. Так что впереди ученые ждет еще много интересных исследований.

Говоря о пользе и перспективах этой работы, естественно задаться вопросом, можно ли мышей-бегунов сравнивать с человеком (а именно это нас интересует больше всего). Авторы считают, что можно. Они провели дополнительное исследование, предложив двадцати пожилым людям позаниматься гимнастикой. После полугода занятий у этой группы людей уровень кластерина оказался повышен, улучшились показатели крови (например, понижен уровень протромбина) и понижены уровни белков системы комплемента. Это как раз те метаболические системы, которые задействуются у мышей. К сожалению, никаких других показателей их здоровья и когнитивных функций в работе не приводится. Тем не менее, авторы мало сомневаются в том, что их открытие может вести к разработке эффективных лекарств от нейродегенеративных заболеваний, в частности — от болезни Альцгеймера.

Источник: Zurine De Miguel, Nathalie Khoury, Michael J. Betley, Benoit Lehallier, Drew Willoughby, Niclas Olsson, Andrew C. Yang, Oliver Hahn, Nannan Lu, Ryan T. Vest, Liana N. Bonanno, Lakshmi Yerra, Lichao Zhang, Nay Lui Saw, J. Kaci Fairchild, Davis Lee, Hui Zhang, Patrick L. McAlpine, Kévin Contrepois, Mehrdad Shamloo, Joshua E. Elias, Thomas A. Rando & Tony Wyss-Coray. Exercise plasma boosts memory and dampens brain inflammation via clusterin // Nature. 2021. DOI: 10.1038/s41586-021-04183-x.

Елена Наймарк

https://bit.ly/3EtXvxg

Описана новая система молекулярного редактирования генома

Резюме. Протеин Cpf1, функционируя в качестве молекулярных ножниц, обеспечивает расщепление двухцепочечной ДНК. Это позволяет инициировать процесс модификации генома, улучшая применение данного вида технологий для устранения генетических аномалий, а также в иных медицинских и биотехнологических целях

В новом проекте исследователи Копенгагенского университета (University of Copenhagen), Дания, совместно с испанскими коллегами во главе с Гильермо Монтойя (Guillermo Montoya) раскрыли механизм функционирования протеина Cpf1, в качестве молекулярных ножниц обеспечивающего распаковку и расщепление ДНК. В частности, команде ученых Центра протеиновых исследований Ново Нордиск (Novo Nordisk Foundation Center for Protein Research) при Факультете здравоохранения и медицинских наук Копенгагенского университета удалось визуализировать и описать процесс функционирования протеинового комплекса, позволяющего инициировать модификацию генома. Было показано, что белок Cpf1, являясь представителем семейства протеинов CRISPR-Cas, способен проявлять высокую точность, подобно GPS, идентифицируя свое назначение в сложной структуре генома. Указанные особенности протеина Cpf1, по мнению авторов проекта, в будущем позволят улучшить применение данного типа технологий в решении задач по устранению генетических дефектов, а также в иных медицинских и биотехнологических целях. Результаты работы опубликованы в журнале «Nature».

Руководитель исследования биохимик и молекулярный биолог Г. Монтойя отметил: «Подобные молекулярные ножницы, несомненно, позволят в будущем более безопасно модифицировать и редактировать генетический код, учитывая максимальную точность Cpf1 в распознавании ДНК-последовательности».

В настоящее время с подобными целями вырезания и вставки геномных последовательностей уже используется комплекс CRISPR Cas9. При этом известно, что расширяющееся применение указанной системы молекулярного генетического редактирования не ограничивается лишь модификацией геномов животных и растений, но также находит свое назначение в сфере терапии людей с онкологическими заболеваниями и болезнями сетчатки глаза. Тем не менее научные изыскания во всем мире направлены на поиск возможностей улучшения данной технологии редактирования генома для достижении еще большей ее точности и эффективности.

Данной цели были посвящены изучения новых ДНК-ориентированных белков, таких как Cpf1, манипуляция которыми сможет обеспечить точную направленность действия в заданной модификации генома. Команде ученых под руководством Г. Монтойи удалось достичь этого, используя рентгеновскую кристаллографию в процессе расшифровки молекулярных механизмов, контролирующих этот процесс. Объясняя достигнутые результаты, авторы подчеркнули, что основное преимущество Cpf1 состоит в его высокой специфичности и режиме расщепления ДНК, заключающееся в возможности формировать с помощью таких новых молекулярных ножниц шахматные концы, а не тупоконечные разрывы, как в случае с протеиновой системой Cas9. А это значимо облегчает введение и построение новых последовательностей ДНК.

Г. Монтойя добавил, что высокая точность Cpf1, распознающего целевую последовательность ДНК, функционирует подобно GPS, направляя систему Cpf1 в заданные участки сложной карты генома. Кроме того, по сравнению с другими белками, используемыми в решении аналогичных задач, Cpf1 также достаточно универсален и легко перепрограммируется.

В целом, по словам авторов работы, указанные свойства протеиновой системы Cpf1 обеспечивают ее особую привлекательность в использовании при лечении генетических заболеваний и опухолей. Кроме того, новая технология сможет применяться для модификации микроорганизмов с целью синтеза метаболитов, необходимых для производства лекарств и биотоплива.

• SINC (2017) New molecular scissors act like a GPS to improve genome editing. ScienceDaily, July 6 (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/07/170706113242.htm).
• Stella S., Alcón P., Montoya G. (2017) Structure of the Cpf1 endonuclease R-loop complex after target DNA cleavage. Nature, 546: 559–563.

Наталья Савельева-Кулик

Раскрыт новый молекулярный механизм тревожности и депрессии

Резюме. Изучен механизм регуляции протеином JNK эмоциональных реакций, что открывает новые возможности терапии тревожных расстройств и депрессии

Согласно данным недавнего исследования, раскрыты новые молекулярные механизмы нейрорегуляции тревожности и депрессии. В частности, ученым удалось дифференцировать молекулярный компонент, позволяющий нивелировать тревожно-депрессивные проявления в поведении лабораторных животных. Исследование проведено под руководством Элеанор Коффи (Eleanor Coffey), директора по исследованиям Академии Або в Финляндии (Åbo Akademi University in Finland), при совместном сотрудничестве ученых США и Финляндии.

Исследователи выявили, что активация протеина JNK приводит к ингибированию генерации новых нейронов в гиппокампе — структуре головного мозга, контролирующей эмоциональные реакции и способности к обучению. В частности, путем изолированной супрессии молекул JNK во вновь формирующихся нейронах гиппокампа ученые наблюдали уменьшение выраженности тревожно-депрессивных моделей поведения у лабораторных мышей. Применяя вирусные частицы для поиска точек реализации действия протеина JNK в структурах головного мозга, исследователи выявили, что молекулярный механизм уменьшения проявлений депрессии и тревожности основан на контроле функционирования нейронов гиппокампа.

Авторы исследования полагают, что выяснение этого ранее неизвестного механизма представляет собой новый взгляд на функционирование головного мозга в регуляции эмоциональных процессов и указывает на то, что ингибиторы протеина JNK, в частности нашедшие применение в настоящем исследовании, раскрывают новые возможности в развитии терапевтических стратегий в терапии анксиолитиками и антидепрессантами.

В настоящее время депрессивные и тревожные расстройства широко распространены в популяции, представляя собой одну из ведущих причин инвалидности, утраты трудоспособности в мире. По этой причине, а также учитывая недостаточную эффективность существующих методов лечения для таких пациентов, в научном сообществе ранее уже выдвигалось мнение о необходимости пересмотра и углубленного изучения нейрональных механизмов указанных нарушений, что потенциально позволило бы заняться разработкой препаратов для лечения резистентных депрессивных расстройств. Настоящее исследование было проведено при поддержке Академии Финляндии (Academy of Finland, Turku), Сообщества молекулярных биологических наук Турку (Turku Network in Molecular Biosciences), Финляндия, и Национального института старения (National Institute on Aging), США. Результаты работы опубликованы в издании «Nature Publishing Group Journal Molecular Psychiatry» 15 ноября 2016 г.

• Mohammad H., Marchisella F., Ortega-Martinez S. et al. (2016) JNK1 controls adult hippocampal neurogenesis and imposes cell-autonomous control of anxiety behaviour from the neurogenic niche. Mol. Psychiatry, Nov. 15 (http://www.nature.com/mp/journal/vaop/ncurrent/full/mp2016203a.html).
• Suomen Akatemia (Academy of Finland) (2017) New avenue for anti-depressant therapy discovered. ScienceDaily, Jan. 18 (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170118082644.htm).

Наталья Савельева-Кулик

Найден новый генетический механизм, открывающий потенциал терапии онкологических и других заболеваний

Резюме. Протеин ретинобластомы (pRB) может играть ведущую роль в механизме терапии указанных заболеваний

Протеин ретинобластомы (Retinoblastoma protein — pRB) ранее известен своей ролью в клеточной пролиферации и профилактике онкологических заболеваний. По результатам недавнего исследования, проведенного сотрудниками Исследовательского института здоровья Лоусона (Lawson Health Research Institute), Канада, ученые предложили новый, более расширенный взгляд на функцию указанного протеина, предполагающий его терапевтические возможности в лечении пациентов с онкологическими и некоторыми другими заболеваниями, такими как ВИЧ-инфекция/СПИД.

Большая часть генома ДНК человека представляет собой повторяющиеся последовательности, называемые «мусорной ДНК». Предполагается, что такие последовательности не вносят какого-либо позитивного вклада в физиологию организма и, как правило, не имеют фенотипических проявлений. Если же они участвуют в процессе репликации, то, включаясь в геном, способны повреждать гены и влиять на развитие таких заболеваний, как рак.

Команда исследователей под руководством доктора Фреда Дика (Fred Dick) впервые показала, что протеин ретинобластомы функционирует совместно с другим протеином, называемым EZH2, ингибируя фенотипическое проявление «мусорной ДНК». Функция протеина EZH2 заключается в «маркировке» ДНК-последовательностей, которые должны быть заблокированы либо «выключены» из физиологической экспрессии клеткой. Оказалось, что протеин ретинобластомы функционирует как транспортер, доставляющий белок EZH2 к местам локализации этих повторяющихся последовательностей. По словам авторов исследования, новые данные открывают бесконечные возможности для терапии при множестве заболеваний, в том числе противовирусными средствами, и это может предоставить пациентам новый выбор в лечении.

В настоящее время ряд препаратов проходят клинические испытания относительно активации функциональной активности протеина ретинобластомы pRB или блокирования EZH2, и центром внимания данных исследований является изучение механизма влияния указанных протеинов на процессы клеточного роста. Протеин ретинобластомы pRB позиционируется как фактор, контролирующий рост клеток, в то время как протеин EZH2 в определенных ситуациях может подвергаться активации с последующим развитием некоторых видов онкологических заболеваний и блокировать фенотипическое проявление генов, способствующих контролю клеточного роста.

В целом результаты настоящего исследования позволяют предположить, что препараты, именуемые ингибиторами протеина EZH2, могут применяться в качестве целевой иммунотерапии при определенных видах онкологических заболеваний. Поскольку же блокирование протеина EZH2 приводит к фенотипическому выражению «мусорной ДНК», то для иммунной системы раковые клетки будут выглядеть как пораженные вирусной инфекцией, что сделает их «распознаваемыми» и повысит шансы их элиминации иммунными механизмами организма.

Результаты проведенной работы также открывают ряд возможностей в лечении пациентов со множеством других заболеваний. В частности, механизмы, посредством которых фрагменты «мусорной ДНК» избегают иммунного контроля организма, подобны таковым при ВИЧ-инфекции/СПИДе. Поэтому, основываясь на выводах недавнего исследования, ингибиторы протеина Ezh2 можно применять для проявления маскированных вирусных фрагментов при данном заболевании с тем, чтобы в дальнейшем использовать активную вирусную экспрессию для целенаправленной терапии антиретровирусными препаратами.

• Ishak Ch.A., Marshall A.E. et al. (2016) An RB-EZH2 complex mediates silencing of repetitive DNA sequences. Mol. Cell, 64(6): 1074–1087 (http://www.cell.com/molecular-cell/abstract/S1097-2765(16)30666-9?_returnURL=http%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS1097276516306669%3Fshowall%3Dtrue).
• Lawson Health Research Institute (2016) Groundbreaking discovery has potential to improve therapies for cancer and other diseases. Sci. Bul., Dec. 15 (http://sciencebulletin.org/archives/8242.html).

Наталья Савельева-Кулик