Установлен механизм активации белка долголетия

Ученые выяснили, что химическое вещество ресвератрол, входящее в состав красного вина, непосредственно активирует белок, способствующий сохранению здоровья и долголетию у животных. Ученые также раскрыли молекулярный механизм, лежащий в основе этих эффектов, и продемонстрировали, что группа лекарственных препаратов, в настоящее время проходящих клинические испытания, оказывает аналогичное воздействие на организм. Авторы исследования считают, что фармакологические химические соединения, аналогичные ресвератролу, возможно, способны лечить и предотвращать развитие заболеваний, ассоциированных со старением человеческого организма. Результаты исследования были опубликованы 8 марта в журнале Science.

В последнее десятилетие объектом исследований, посвященных изучению старения организма, стала группа белков, называемых сиртуинами. Ученые считают, что сиртуины защищают многие организмы, включая млекопитающих, от развития заболеваний, ассоциированных со старением. Неуклонно растет число доказательств того, что ресвератрол, химическое соединение, содержащееся в виноградной кожуре, а также кокосах и ягодах, усиливает активность специфического белка из группы сиртуинов – сиртуина SIRT1. Этот белок защищает организм от развития заболеваний путем усиления активности митохондрий.

У мышей, в организм которых вводят ресвератрол, в два раза повышается выносливость, и они становятся относительно огражденными от ожирения и старения организма. Результаты экспериментов показали, что ресвератрол увеличивает продолжительность жизни дрожжей, нематод, пчел, мух и мышей.

«В истории фармакологии еще не было препарата, который бы присоединялся к белку и усиливал его работу, как ресвератрол активирует белок SIRT1. Практически все лекарственные препараты либо замедляют работу, либо блокируют активность белков», – говорит автор исследования, профессор в области генетики Дэвид Синклер (David Sinclair) из Гарвардской Медицинской Школы (Harvard Medical School, HMS, США).

В 2006 г. исследовательская команда под руководством Синклера опубликовала результаты исследования, показавшего, что ресвератрол может увеличить продолжительность жизни мышей. Компания Sirtris Pharmaceuticals, организованная исследователями из HMS, стала производить лекарственные препараты, обладающие аналогичным, но более мощным эффектом воздействия, чем ресвератрол. Синклер является одним из основателей компании Sirtris Pharmaceuticals, принадлежащей компании GlaxoSmithKline, и сохраняет должность ее научного директора. В настоящее время компания Sirtris проводит клинические испытания ряда химических соединений, способных активировать сиртуины.

В то время как результаты многочисленных исследований, проведенных в лаборатории Синклера и других лабораториях, выявили прямую причинно-следственную связь между ресвератролом и белком SIRT1, некоторые ученые утверждали, что полученные данные были ошибочными.

Спор заключался в методике исследования белка SIRT1 в условиях in vitro. Ученые использовали специфическую химическую группу, присоединенную к мишеням белка SIRT1, которая начинала более ярко флюоресцировать при усилении активности белка SIRT1. Однако, соединение было синтезировано специалистами в лабораторных условиях и не существует в природе, без его использования эксперимент не проходил. В ответ на это в статье, опубликованной в 2010 г., было высказано предположение, что активация ресвератролом белка SIRT1 была экспериментальным артефактом, который наблюдался только в лабораторных условиях. В статье утверждалось, что активность белка SIRT1 у мышей была в лучшем случае непрямым результатом действия ресвератрола и, возможно, совпадением.

В результате возникла дискуссия о специфическом сигнальном пути, на активность которого влияют ресвератрол и аналогичные химические соединения. Активирует ли ресвератрол белок SIRT1 напрямую или это побочное действие? «Мы должны были установить механизм работы ресвератрола», – говорит Синклер.

Чтобы решить этот вопрос, Синклер и Базил Хаббард (Basil Hubbard), докторант из его лаборатории, провели совместное исследование с учеными из Национальных Институтов Здоровья США (National Institutes of Health) и компании Sirtris Pharmaceuticals.

Во-первых, исследовательская группа разрешила проблему с флюоресцирующей химической группой. Почему ее применение было необходимо для того, чтобы ресвератрол усилил активность белка в пробирке? Вместо того чтобы отвергнуть полученные данные как ошибочные, ученые предположили, что химическое соединение может напоминать молекулу, содержащуюся в клетке в естественных условиях. Оказалось, что это специфический класс аминокислот. В природе существует три аминокислоты, напоминающие флюоресцирующую химическую группу, одна из которых – триптофан. Когда ученые повторили эксперимент, заменив химическую группу на остаток триптофана, ресвератрол и аналогичные молекулы снова смогли активировать белок SIRT1.

«Мы обнаружили условие, необходимое для активации процесса, на самом деле происходящего в клетке и не требующего применения никаких других синтетических групп. Это был очень важный результат, который помог нам устранить пробел между биохимическими и физиологическими результатами», – говорит Хаббард.

«Затем нам необходимо было точно установить механизм, благодаря которому ресвератрол усиливает активность белка SIRT1», – говорит Синклер. Команда протестировала приблизительно 2 тыс. мутаций гена SIRT1, выявив одну мутацию, при наличии которой действие ресвератрола блокируется. Наличие специфической мутации приводило к замене только одной из 747 аминокислот белка SIRT1. Ученые также попробовали активировать мутантную форму белка SIRT1 с помощью сотни других молекул из библиотеки компании Sirtris Pharmaceuticals. Многие из этих молекул являются более сильно действующими веществами, чем ресвератрол. Но ни одно из этих химических соединений не смогло активировать мутантную форму белка.

Авторы исследования выдвинули новую гипотезу функционирования ресвератрола: когда молекула ресвератрола присоединяется к белку SIRT1, быстро усиливается петля активации, и белок SIRT1 становится гиперактивным.

Несмотря на то, что эти эксперименты были проведены в пробирке, как только ученые идентифицировали точное расположение «педали газа» в белке SIRT1 и установили механизм, позволяющий устранить активирующее взаимодействие, они смогли оценить правильность своих предположений на живой клетке. Исследователи заменили в мышечной клетке и клетке кожи здоровый ген SIRT1 его мутантной формой (активность белка при этом невозможно усилить). После этого ученые смогут точно определить, работает ли ресвератрол и разрабатываемые лекарственные препараты путем усиления активности SIRT1, либо какого-то другого из тысяч белков, находящихся в клетке. В то время как ресвератрол и тестируемые лекарственные препараты активировали работу митохондрий в здоровых клетках (эффект, вызванный активацией белком SIRT1), клетки с мутантной формой белка были полностью невосприимчивы к действию ресвератрола и его химических аналогов.

«Это был очень важный эксперимент. Не существует другого логического объяснения полученных результатов, кроме того, что ресвератрол непосредственно активирует белок SIRT1 в клетках. Теперь, поскольку мы знаем точное расположение в белке SIRT1 области, с которой работает ресвератрол, мы можем сконструировать молекулы даже с лучшими свойствами, которые смогут более точно и эффективно вызывать эффекты ресвератрола», – говорит Синклер.

Ученые планируют продолжить сотрудничество академических специалистов и специалистов из промышленности с целью усовершенствования лекарственных препаратов, которые будут лечить людей, больных заболеваниями, ассоциированными со старением организма.

По материалам Harvard Medical School

Оригинальная статья:
B. P. Hubbard, A. P. Gomes, H. Dai, J. Li, A. W. Case, T. Considine, T. V. Riera, J. E. Lee, S. Y. E, D. W. Lamming, B. L. Pentelute, E. R. Schuman, L. A. Stevens, A. J. Y. Ling, S. M. Armour, S. Michan, H. Zhao, Y. Jiang, S. M. Sweitzer, C. A. Blum, J. S. Disch, P. Y. Ng, K. T. Howitz, A. P. Rolo, Y. Hamuro, J. Moss, R. B. Perni, J. L. Ellis, G. P. Vlasuk, D. A. Sinclair. Evidence for a Common Mechanism of SIRT1 Regulation by Allosteric Activators. Science, 2013; 339 (6124): 1216 DOI: 10.1126/science.1231097