.:: Neviditelný čert ::.

Protein zpomalující biologické hodiny

rubrika: Populárně naučný koutek

Sen o zpomalení biologických hodin se v laboratořích Ósacké univerzity právě posunul o krok vpřed. Tým japonských vědců identifikoval protein zvaný AP2A1, který působí jako ústřední hráč v procesu stárnutí buněk a jehož manipulací se podařilo obnovit vlastnosti mladých buněk u buněk starých. Pokud se výsledky potvrdí u složitých organismů, mohla by se délka lidského života prodloužit o několik desetiletí a podle některých teoretických prognóz dokonce až o 250 let.

Lucifer

Stárnutí probíhá akumulací senescentních buněk v mnoha orgánech. Senescentní buňky (někdy nazývané „zombie buňky“) jsou staré buňky, které ztratily schopnost se dělit. Zůstávají v těle a vylučují toxické látky způsobující záněty. To narušuje okolní tkáně, urychluje stárnutí a přispívá k rozvoji nemocí, jako je artritida či rakovina. Tyto buňky vykazují ve srovnání s mladými buňkami zvětšenou velikost, což podporuje další stárnutí a onemocnění související s věkem. Molekulární mechanismus, který stojí za udržováním takové obrovské buněčné architektury podléhající senescenci, je v současné době nedostatečně pochopen.

Tým japonských vědců se zaměřuje na reorganizaci aktinových stresových vláken indukovanou replikační senescencí v lidských fibroblastech, která se široce používá jako model senescentních buněk. Spolu s předchozí proteomickou studií identifikovali, že AP2A1 (podjednotka alfa 1 adaptinu adaptorového proteinu) je v senescentních buňkách upregulována podél zvětšených stresových vláken.

Upregulace je biologický proces, při kterém buňka zvyšuje množství buněčné složky, jako je RNA nebo proteiny, v reakci na vnější podnět. Často se jedná o zvýšení počtu receptorů na povrchu buňky, čímž se stává citlivější na specifický hormon, neurotransmiter nebo lék.

Knockdown AP2A1 zvrátil fenotypy spojené se senescencí a vykazoval rysy buněčného omlazení, zatímco jeho nadměrná exprese v mladých buňkách urychlila fenotypy senescence. Podobné funkce AP2A1 byly identifikovány u senescence indukované UV zářením nebo léky a byly pozorovány i v epiteliálních buňkách. Dále zjistili, že AP2A1 je lokalizován s integrinem β1 a oba proteiny se lineárně pohybují podél stresových vláken.

Vzhledem k pozorování, že fokální adheze jsou ve stárnoucí buňkách zvětšené a že to souvisí se zesílenou adhezí buněk k substrátu, tyto výsledky naznačují, že si stárnoucí buňky udržují svou velkou velikost posilováním svého efektivního ukotvení prostřednictvím translokace integrinu β1 podél stresových vláken. Tento mechanismus může ve stárnoucí buňkách fungovat efektivněji, ve srovnání s případem spoléhajícím se na náhodnou difúzi integrinu β1, vzhledem ke zvětšené velikosti buněk a výslednému prodloužení doby a vzdálenosti přenosu endocytózovaných vezikul.

Genový knockout je metoda genetického inženýrství, která spočívá v záměrné inaktivaci (vyřazení) jistého genu v rámci genomu studovaného organismu. Umožňuje získat představu o roli tohoto vyřazeného genu, protože z mutantního vzhledu (fenotypu) se dá mnohdy usuzovat na jeho funkci. K redukci může dojít buď genetickou modifikací, nebo působením činidla, jako je krátký DNA nebo RNA oligonukleotid, který má sekvenci komplementární ke genu nebo mRNA transkriptu.

Akumulace stárnoucích buněk v mnoha orgánech přispívá k onemocněním spojeným s věkem, mezi která patří neurodegenerativní onemocnění, kardiovaskulární onemocnění, diabetes 2. typu a rakovina. Kultivované lidské fibroblasty se široce používají při studiu buněčného stárnutí, protože vykazují omezenou kapacitu buněčného dělení před vstupem do stabilní proliferativní růstové zástavy, což je stav známý jako „replikativní stárnutí“.

Replikativní stárnutí je způsobeno zkrácením telomer při každém buněčném dělení, což vede k akumulaci poškození DNA. Pokročilé stárnutí postupně vede ke zvětšení velikosti buněk, což následně zhoršuje buněčnou funkci, proliferační schopnost a syntézu proteinů. Stárnutí je také doprovázeno zvýšenou aktivitou β-galaktosidázy spojené se stárnutím a expresí inhibitorů buněčného cyklu. Ačkoli je změna morfologie buněk běžně uznávána jako indikátor stárnutí, základní mechanismy zůstávají do značné míry neznámé. Replikativní stárnutí také způsobuje snížení migračního potenciálu buněk. V tomto ohledu je akumulace stárnoucích buněk spojována se zhoršeným hojením ran.

Regulace buněčné morfologie a migrace je úzce spojena se stavem stresových vláken. Stresová vlákna jsou svazky na bázi aktomyosinu, které se skládají převážně z aktinových filament zesítěných α-aktininem a nesvalovým myosinem II. V mezenchymálních typech buněk se stresová vlákna lokalizují mezi oddělenými místy buněčné adheze a generují kontraktilní sílu na podkladovou extracelulární matrix. Změny v organizaci stresových vláken a kontraktilních vlastnostech ovlivňují řadu buněčných procesů, včetně adheze, motility a mechanosenzorování. Organizace stresových vláken, o níž je známo, že je změněna v buňkách procházejících stárnutím, hraje také roli v patologických procesech, včetně vývojové morfogeneze a metastáz rakoviny.

Zatímco proteom stresových vláken byl zkoumán pouze částečně, tým japonských vědců odhalil, že proteomy stresových vláken v lidských fibroblastech se skládají z nejméně 135 proteinů a 63 z nich je upregulováno s replikační senescencí. Přibližně jedna třetina upregulovaných proteinů patří do aktinové cytoskeletální složky, která zahrnuje kaldesmon, tropomyosin a filamin, které jsou všechny dobře charakterizovány a je pravděpodobné, že jsou obohaceny o stárnoucí tlustá stresová vlákna; funkce zbytku související se stresovými vlákny zůstává nejasná.

Zaměřují se AP2A1, protože jeho molekulární mechanismy spojené s regulací stresových vláken a buněčnou senescencí nebyly popsány. AP2A1 je známý jako hlavní protein zapojený do tvorby vezikul v klatrinem zprostředkované endocytóze (CME) rozpoznáváním a vazbou nákladových proteinů, klatrinu a pomocných proteinů. AP2A1 byl také spojován s mnoha onemocněními, jako jsou kožní a neurodegenerativní poruchy, ale jeho molekulární detaily zůstávají nejasné.

S využitím lidských fibroblastů procházejících replikačním stárnutím zjistili, že hladina exprese AP2A1 moduluje rozsah progrese stárnutí, konkrétně ovlivňuje expresi markerů stárnutí, morfologické a migrační fenotypy a tloušťku a obrat jednotlivých stresových vláken. Je pozoruhodné, že knockdown AP2A1 zvrátil fenotypy spojené se stárnutím a vykazoval rysy buněčného omlazení. Podobné funkce AP2A1 byly identifikovány nejen při replikačním stárnutí, ale také při stárnutí indukovaném UV zářením nebo léky a byly nalezeny v epiteliálních buňkách i fibroblastech.

Ukázalo se, že AP2A1 hraje roli v translokaci integrinu β1 podél délky stresových vláken, což je proces zesílený ve stárnoucích fibroblastech, což posiluje buněčné adheze. Studie poskytla vhled do mechanismů morfologické změny stresových vláken po stárnutí a zdůrazňuje AP2A1 jako slibný biomarker i terapeutický cíl pro podporu buněčného omlazení.

Vědci z Ósaky zkombinovali blokádu AP2A1 se sloučeninou zvanou IU1, látkou, která usnadňuje odstraňování poškozených proteinů uvnitř buňky. Kombinace obou strategií vedla k měřitelnému snížení markerů spojených se stárnutím, čímž se posílily dříve pozorované účinky.

Navzdory nadšení z těchto výsledků sami vědci apelují na střízlivost a opatrnost. Hlavním cílem není ani tak dosažení průměrné délky života 250 let, ale prodloužení let zdravého života, oddálení nástupu chronických onemocnění a zlepšení kvality života ve stáří. Aby měl tento mechanismus reálné uplatnění, bude jej ještě třeba reprodukovat ve složitějších organismech, což je úkol, který japonský tým již zvažuje jako další fázi své práce.

Zdroje: