Експресія генів середнього віку визначає модулятори старіння за допомогою дієтичних втручань PNAS

Знайдіть цього автора на Google Scholar
Знайдіть цього автора на PubMed
Шукайте цього автора на цьому сайті
Для листування: liuy @ sibs.ac.cnjdhan @ genetics.ac.cn

Відредаговано Вальтером Д. Лонго, Університет Південної Каліфорнії, Лос-Анджелес, Каліфорнія, та прийнято Редакційною комісією 20 березня 2012 р. (Надійшло на огляд 23 листопада 2011 р.)

Анотація

Дієтичні втручання є ефективними способами продовжити або скоротити тривалість життя. Вивчаючи експресію печінкових генів середнього віку у мишей за різних дієтичних умов, що призвело до різної тривалості життя та фенотипів, пов’язаних зі старінням, ми змогли визначити гени та шляхи, що модулюють процес старіння. Ми виявили, що шляхи, які транскрипційно корелюють із модифікованою дієтою тривалістю життя, а фізіологічні зміни збагачуються для генів, що модифікують тривалість життя. Що цікаво, експресія генів мітохондрій корелювала із тривалістю життя та антикорелювала із патологічними змінами, пов'язаними зі старінням, тоді як експресія пероксисомних генів демонструвала протилежну тенденцію. Обидва органели виробляють активні форми кисню, що є пропонованим причинним фактором старіння. Ця знахідка свідчить про внесок пероксисоми у старіння. Відповідно до цієї гіпотези, зниження рівня експресії генів проліферації пероксисом зменшило рівень клітинної пероксиду та продовжило термін життя Drosophila melanogaster та Caenorhabditis elegans. Ці результати показують, що зміни транскрипції, що виникають внаслідок дієтичних втручань, можуть ефективно відображати причинно-наслідкові фактори старіння та виявляти раніше невідомі або недооцінені шляхи довголіття, такі як шлях пероксисоми.

Експресія генів, пов’язана зі старінням, була досліджена за допомогою аналізу мікрочипів для різних тканин людини та мишей (1 ⇓ ⇓ ⇓ –5), плодових мух (6) та глистів (7, 8). Ці дослідження виявили сотні до тисяч генів та численні біологічні функції, які змінюються в міру старіння організму. Деякі зміни подібні для різних видів. Експресія генів, що беруть участь у стресовій реакції та запаленні, постійно зростає у тварин, а експресія, яка бере участь у тканинно-специфічних функціях, поступово зменшується, відображаючи функціональний спад тканин або органів (9). Однак більшість із цих змін відображають наслідки старіння (деякі можуть служити біомаркерами старіння), а не причину або регуляторні фактори старіння. Наприклад, ключові регуляторні гени старіння, виявлені генетичними підходами, рідко можна ідентифікувати лише за зміною рівня експресії під час старіння (10). Однак втручання в процес старіння за допомогою генетичних, дієтичних чи репродуктивних заходів можуть ефективно модулювати тривалість життя та старіння (11, 12).

Калорійне обмеження (CR) - найкраще вивчене втручання для модуляції старіння, і, як повідомляється, воно продовжує як середню, так і максимальну тривалість життя у більшості досліджуваних організмів (11, 12). Навпаки, годування мишей високожирною калорійною дієтою призводить до ожиріння, серцево-судинних захворювань та інших метаболічних розладів, і це скорочує тривалість життя (13–15). Однак фізичні вправи можуть збільшити витрати енергії, зменшити масу тіла та запобігти деяким віковим функціональним зниженням (16). Тому не дивно, що шляхи сприйняття поживних речовин та енергії були визначені генетичними підходами як ключові регулятори тривалості життя та старіння (12, 17).

У цьому контексті ми спершу запитали, чи породжують шість різних дієтичних груп різну тривалість життя відповідно до рівня вхідної та вихідної енергії; якщо так, ми запитали, чи можемо ми передбачити різницю в тривалості життя цих груп з фенотипів печінки середнього віку та експресії печінкових генів і, нарешті, чи є гени або шляхи, які передбачають різницю в тривалості життя, регуляторами тривалості життя. Той факт, що всі експерименти з втручання проводились паралельно, а не в різних лабораторіях із змінними та/або незрівнянними умовами, дозволив нам провести інтегративний аналіз, який не мав системних змін у даних; ми шукали загальні цільові гени різних дієтичних втручань, які сприяють подальшим різницям у тривалості життя через зміни рівня їх експресії генів. Наші результати вказують на те, що експресія генів печінки середнього віку, що демонструє позитивну або негативну кореляцію із середньою тривалістю життя у шести групах, справді виявила не тільки багато генів, раніше залучених до старіння, але принаймні один раніше невідомий або недооцінений шлях, пов’язаний зі старінням, який передбачає пероксисомний біогенез як ключова детермінанта довголіття.

Результати

Тривалість життя та метаболічні фенотипи мишей за різних режимів втручання.

Здоров’я печінки середнього віку у мишей за різних режимів втручання.

Обміркувавши, що печінка займає центральне місце в метаболічному гомеостазі і може служити функціональним органопоказником стану здоров’я всього тіла, ми вирішили вивчити, чи корелює патологія печінки середнього віку за різних режимів втручання із фенотипом тривалості життя. Приблизно у віці 62 тижнів середнього віку миші групи ВЧ мали збільшену печінку з двократним збільшенням маси печінки порівняно з групою НЧ, тоді як CR більш потужно антагонізував ВГ-індуковану гепатомегалію, ніж Ex (Додаток SI, Таблиця S1). Далі ми оцінили печінкову функцію шляхом вимірювання рівня аланінамінотрансферази (АЛТ) та аспартатамінотрансферази (АСТ) у сироватці крові - добре встановлених маркерів пошкодження або пошкодження печінки. У HF-групі мишей рівні ALT або AST у сироватці крові були помітно підвищеними, і, на відміну від них, обидва вони були значно нижчими у групах HF + CR та HF + Ex (Додаток SI, рис. S3A), що свідчить про зменшення HF-асоційованих гепатоцелюлярних збитки від CR та Ex. Знову ж таки, CR мав більш виражений ефект скасування цього наслідку ВЧ-живлення, ніж Ex (Додаток SI, рис. S3A).

Послідовно, CR повністю запобігав індукованій HF печінковою перевантаженням тригліцеридів (TG; тобто гепатостеатоз) і значно знижував вміст холестерину в печінці у групі HF + CR, одночасно зменшуючи накопичення TG у печінці у групі LF-CR (Додаток SI, таблиця S1 та рис. S3B). Оскільки хронічне пошкодження печінки, спричинене неалкогольною жировою печінкою, може призвести до фіброзу печінки, ми задалися питанням, чи може CR або Ex вплинути на цей процес. Оцінка за допомогою фарбування Sirius Red фіброзного відкладення колагену показала, що ~ 12% печінки з групи HF були позитивними для Sirius Red, що представляє майже 10-кратне збільшення порівняно з групою LF, яка виявляла дуже низький рівень фіброзу (Додаток SI, Рис. S3C). І CR, і Ex можуть помітно зменшити HF-індукований фіброз печінки з ~ 12% до ~ 2%, що було порівнянно з рівнем групи LF мишей (Додаток SI, рис. S3C).

Відомо, що порушення функції мітохондрій сприяють метаболічним дисфункціям і можуть відігравати причинну роль у процесі старіння. Відповідно до цього поняття, миші із групи HF продемонстрували на 50% зменшення щільності мітохондрій у гепатоцитах щодо групи LF, але без явних відмінностей у їх розмірі (Додаток SI, рис. S3D). CR збільшував щільність мітохондрій у печінці тварин, які годувались ВЧ, але не годували НЧ, тоді як Ex не виявляв ніякого помітного ефекту незалежно від дієти (додаток SI, рис. S3D). Характерно, що як CR, так і Ex збільшують мітохондріальний розмір на будь-якій дієті, причому CR викликає більший ефект. Отже, CR може підвищувати як щільність, так і розмір мітохондрій у печінці мишей, що харчуються HF (Додаток SI, рис. S3D).