Мыши с одним из вариантов белка p53 живут дольше, но чаще болеют раком
Белок р53 известен как «страж генома». Он активируется при повреждениях ДНК и других критических состояниях клетки, блокирует ее деление и запускает программу апоптоза. Таким образом р53 препятствует опухолевой трансформации клеток, а мутации и нарушения в его работе приводят к возникновению опухолей. Этот белок встречается у людей в двух вариантах, которые отличаются друг от друга силой связывания с ДНК и, как следствие, способностью регулировать внутриклеточные процессы. Оказалось, что мыши с более «слабым» вариантом белка р53, живут дольше, чем мыши с более «сильным» его вариантом: «но какие выживают — те до старости живут». Видимо, мы знаем о функциях этого белка далеко не все.
Перед каждой клеткой многоклеточного организма стоит не только задача выполнить свои функции, но и — что иногда важнее — не навредить организму в целом. Наибольший вред, который клетка может принести, — это опухолевая трансформация и неконтролируемое деление. Трансформированные клетки конкурируют со здоровыми клетками за ресурсы (питательные вещества, пространство организма) и практически всегда выигрывают и продолжают делиться, так как нечувствительны к сигналам извне. Поэтому необходимы системы контроля клеточного цикла, которые будут чутко реагировать на изменения внутри клетки. Ошибки в ДНК, неправильное расхождение хромосом при делении, накопление поврежденных белков — все это сигнализирует о том, что с клеткой происходит что-то не то. Неважно, чем эти неполадки вызваны, главное — помешать такой клетке размножиться.
Один из главных «контролеров» клеточного цикла — белок р53 (см.: На пути к детальному каталогу раковых генов, «Элементы», 06.04.2015). Он работает как фактор транскрипции: связывается с ДНК, влияя на работу разных генов: подавляет гены, стимулирующие деление клетки, и активирует гены, тормозящие деление. Именно к р53 через разные молекулы-посредники и стягиваются все сигналы о происходящем внутри клетки. В зависимости от количества активированного р53 в клетке она или делится (если его мало), или не делится (если его много) или умирает апоптозом (если очень много).
Мутации в гене TP53, кодирующем белок р53, часто приводят к развитию рака (M. Hollstein et al., 1991. p53 mutations in human cancers). При этом белок может не только ломаться, но и превращаться в онкоген, то есть стимулировать неконтролируемое деление клетки (см.: Главный борец с опухолями ген ТР53 может превращаться в онкоген, «Элементы», 11.11.2015).
С проблемой онкогенеза тесно связана проблема старения. С одной стороны, рак — возрастное заболевание, его частота и тяжесть протекания увеличиваются с возрастом. А значит, борьба с раком есть часть борьбы со старением. С другой стороны, существуют гипотезы о том, что старение защищает нас от рака (J. P. de Magalhães, J. F. Passos, 2018. Stress, cell senescence and organismal ageing), поэтому, как только мы научимся справляться со старением, он атакует нас с новой силой. И это логично: с возрастом клетки в организме делятся реже и обновляются хуже; если мы разрешим им делиться, частота опухолевых трансформаций возрастет. Получается, что две эти проблемы нужно решать одновременно. И здесь возникает вопрос: какую роль в старении играет главный белок противоопухолевого контроля — р53?
Кроме мутаций, у людей встречаются полиморфизмы белка р53. Это аллельные варианты, различающиеся одним нуклеотидом в гене ТР53. В результате 72-я аминокислота в белке оказывается либо аргинином (аллель R72), либо пролином (аллель Р72). Это крошечное отличие сказывается на активности белка: вариант Р72 хуже связывается с ДНК и, следовательно, слабее регулирует транскрипцию генов. До сих пор не ясно, действительно ли отличие в 72-й аминокислоте влияет на риск развития опухолей. Хотя некоторые исследователи отмечают, что у носителей аллеля Р72 чаще возникает рак. Но при этом Р72 чаще обнаруживается у долгожителей (D. Van Heemst et al., 2005. Variation in the human TP53 gene affects old age survival and cancer mortality). Это наводит на мысль, что белок р53 играет в нашей жизни какую-то двойную роль.
На мышах тоже собрано немало статистики по работе белка р53. Ранее ученые пробовали перманентно увеличить его активность в клетках: в норме белок активируется специальными сигналами, а в эксперименте можно сделать его активным постоянно. При этом мыши становились более устойчивы к раку, но быстрее старели. Можно поступить и по-другому: добавить дополнительную копию гена ТР53 в клетку. Тогда белок будет активироваться по сигналу, но его в клетке будет больше. Мыши с такой модификацией и не болеют раком, и не стареют. Однако обе эти модели не воссоздают реальных условий, в которых р53 работает в организме.
Поэтому группа ученых из Ратгерского университета (США) и Чжэцзянского универститета (Китай), статья которых вышла недавно в журнале eLife, использовали линию мышей Hupki (humanized p53 knock-in), у которых вместо мышиного гена ТР53 человеческая версия этого гена (как их вывели, можно почитать здесь: J.-L. Luo et al., 2001. Knock-in mice with a chimeric human/murine p53 gene develop normally and show wild-type p53 responses to DNA damaging agents: a new biomedical research tool). Эти мыши были двух типов: с аллелями Р72 и R72. Авторы статьи скрестили этих мышей с мышами двух лабораторных линий (C57BL/6J и 129SVsl). Эти линии далеко отстоят друг от друга генетически, поэтому их часто используют, чтобы проверять независимость результатов эксперимента от сочетания генов. В результате получилось четыре типа мышей, и за всеми этими мышами наблюдали, чтобы определить, какие у них будут выживаемость и смертность, а также уровень и скорость старения.
Мыши с аллелем Р72 (который работает хуже), как и следовало ожидать, чаще умирали от онкологических заболеваний. Однако во всех других отношениях они оказались «прочнее»: и общая выживаемость, и средняя продолжительность жизни, и выживаемость среди долгожителей у них была выше. А смертность от других заболеваний — ниже (рис. 2).
Скорость старения оценивали по нескольким параметрам: по искривлению шейного отдела позвоночника (лордокифоз), по плотности костей (чем она ниже, тем сильнее остеопороз, еще одно нарушение структуры костей, сопровождающее старение, рис. 3), по толщине кожной дермы и подкожной жировой клетчатки, которые со времени истончаются и, наконец, по скорости заживления ран, которая свидетельствует о наличии или отсутствии запаса стволовых клеток для регенерации (рис. 4). Все эти параметры измеряли у мышей в возрасте 6 и 18 (иногда еще и 12) месяцев. И по всем пунктам мыши Р72 обогнали мышей R72. Это позволяет заключить, что старение их организма было замедлено.
Состояние стволовых клеток можно оценить по количеству делящихся стволовых клеток крови. И здесь носители аллеля Р72 оказались в выигрыше. Правда, только в относительном: с возрастом количество делящихся стволовых клеток у них тоже снижалось, но не так резко, как у носителей аллеля R72 (рис. 5).
Чтобы определить восстановительные способности клеток, исследователи облучали других мышей, убивая все их стволовые клетки крови, а затем подсаживали к ним стволовые клетки изучаемых мышей. С возрастом стволовые клетки теряли способность к восстановлению крови, но это происходило лишь у мышей с аллелем R72! У носителей аллеля Р72 отличия оказались несущественными (рис. 6).
В результате подробного исследования мышей стало ясно, что различие между носителями хорошо и плохо работающих версий белка р53 не ограничивается вероятностью развития рака. Изменения так или иначе затрагивают все системы органов и приводят к замедленному старению организма. Все эти изменения связаны с обновлением клеточного состава. Судя по всему, аллель Р72, допускающий чрезмерное деление клеток, способствует и «полезному» делению, возобновляющему ресурсы организма. А аллель R72, препятствующий отклонениям от нормы, снижает способность тканей к регенерации. Таким образом, белок р53 оказывается винтиком, скрепляющим весы, на одной чаше которых — защита от старения, а на другой — защита от рака. Это могло бы служить подтверждением теории плейотропного антагонизма (см. M. Blagosklonny, 2010. Revisiting the antagonistic pleiotropy theory of aging: TOR-driven program and quasi-program), согласно которой механизмы, обеспечивающие выживание в репродуктивный период, в старости производят обратный эффект: если молодому организму важнее не умереть от опухоли, чем беречь ресурсы, то для старого ресурсы оказываются критичнее, а их уже нет. Поэтому активность белка р53 в молодости негативно влияет на выживание в старости.
Наконец, сам факт наличия в человеческой популяции двух аллельных вариантов, Р72 и R72, наводит на мысль о том, что каждый из них должен быть чем-то ценен, раз не отсеивается под действием естественного отбора. Возможен и другой вариант: белок р53 имеет какие-то еще функции, о которых мы ничего не знаем, и именно их аллель Р72 выполняет успешнее.
Источник: Yuhan Zhao, Lihua Wu, Xuetian Yue, Cen Zhang, Jianming Wang, Jun Li, Xiaohui Sun, Yiming Zhu, Zhaohui Feng, Wenwei Hu. A polymorphism in the tumor suppressor p53 affects aging and longevity in mouse models // eLife. 2018. DOI: 10.7554/eLife.34701.
Полина Лосева