Появление работы Брюса Янкнера (Bruce A. Yankner) с большим коллективом соавторов в октябрьском номере Nature прошлого года оживило давнюю и волнующую тему «Платы за ум». Даже беглый просмотр результатов заставляет вспомнить о повышенной возбудимости и тревожности крыс, мышей и дрозофил при отборе на когнитивные способности и про интригующую обратную связь между способностью к обучению и продолжительностью жизни дрозофил (обзор Дьяконова 2015). Отбор на способность к обучению приводил к снижению на 15 % продолжительности жизни, а отбор на продолжительность жизни - к ухудшению на 40 % способности обучаться в молодом возрасте (Burger et al., 2008). И вот новые данные подливают масла в огонь, свидетельствуя о том, что активность генов, связанных с регуляцией возбуждения нейронов, коррелирует (у человека) и определяет (у нематоды) продолжительность жизни. Связь здесь обратная: возбуждение коррелирует со снижением продолжительности жизни.

В начале исследования авторы сравнили транскриптомы фронтальной коры когнитивно-здоровых людей, ушедших из жизни в возрасте 70-80 лет и 85-100 лет (N=155 и 117, соответственно). У долгожителей выраженные отличия наблюдались в снижении экспрессии генов, связанных с регуляцией возбуждения и возбуждающей межнейрональной сигнализации. Активность генов, связанных с тормозной сигнализацией (например, ГАМК), изменилась несущественно, а ряда генов, связанных с иммунным ответом, напротив, оказалась повышенной. У многих генов, активность которых снизилась у долгожителей, обнаружена последовательность, определяющая их чувствительность к белку-репрессору активности генов REST (отдых). Ранее та же группа исследователей показала увеличение экспрессии гена REST с возрастом у людей (Lu et al., 2014). (рис. 1). В новой работе обнаружена обратная корреляция между количеством матричной РНК белка REST и РНК генов нейронального возбуждения (Рис. 1).

На мышах, нокаутированных по гену REST, была проверена связь этого гена с нейрональным возбуждением непосредственно. На рисунке 2, показано свечение флуоресцентной глюкозы, захват которой нейронами усиливается при возбуждении, у контрольных (верх) и генно-модифицированных мышей с выключенным геном REST. Старые нокаутированные мыши чаще, чем контрольные, проявляли эпилептиформную активность, демонстрировали более высокую чувствительность к антагонистам ГАМК, вызывающим перевозбуждение нервной системы. Продолжительность жизни нокаутированных и контрольных мышей не была сопоставлена, что вызывает некоторое удивление. Можно предполагать, что это связано с небольшим количеством животных, из которых практически все были задействованы в гистологических и фармакологических экспериментах.

Рис 2. Объяснения в тексте.

Итак, полученные результаты намекали на возможную связь между возбуждением и продолжительностью жизни, но не доказывали ее. Доказательную базу авторы попробовали получить, используя далекий от млекопитающих и человека объект – нематоду C. elegans.

В первую очередь, проверили влияние двух веществ, снижающих нейрональное возбуждение (но через разные механизмы) на продолжительность жизни червей дикого типа. Немадипин, блокатор кальциевых каналов L-типа, и ивермектин, агонист тормозных глутаматных рецепторов беспозвоночных, снижали свечение кальциевых флуоресцентных зондов, свидетельствующих о возбуждении, и достоверно увеличивали продолжительность жизни червей. В следующей серии экспериментов, встроили избирательно в нейроны ген рецептора дрозофилы к гистамину, отсутствующий в норме у нематод. Этот рецептор сопряжен с хлорным каналом, а вхождение хлора в клетку при активации рецептора приводит к ее торможению. Введение экзогенного гистамина приводило к снижению активности нейронов у генно-модифицированных червей, но не у контрольных, и увеличивало продолжительность жизни первых. Затем были получены животные с избирательной экспрессией гистамин-чувствительного хлорного канала в субпополяциях нейронов, синтезирующих преимущественно возбуждающие или преимущественно тормозные нейротрансмиттеры. Показано выраженное увеличение продолжительности жизни при торможении гистамином возбуждающих нейронов. Подавляя экспрессию гена везикулярного транспортера к ГАМК (преимущественно тормозный нейрорансмиттер у нематод), вызывали повышение возбуждения в нервной системе и снижение продолжительности жизни. Часть подобных экспериментов я опускаю, в целом эта серия с изменением соотношения возбуждения-торможения в НС нематод показала, что продолжительность жизни увеличивается при подавлении возбуждения, и снижается при его повышении.

У нематод есть ген SPR-4, который можно считать ортологом гена REST млекопитающих. Ранее о нем было известно то, что он защищает клетки от повреждающих воздействий активных форм кислорода и некоторых других неблагоприятных воздействий. Следующая серия экспериментов была посвящена манипуляциям с этим геном и анализом продолжительности жизни нематод. Использовали недавно вошедший в обиход генных инженеров метод (RNA-guided endonuclease Cas9), позволяющий увеличивать экспрессию определенного гена. Повышение экспрессии гена SPR -4 снизило активность нейронов и увеличило продолжительность жизни. Напротив, нокаутирование гена избирательно в нейронах привело к сокращению жизни нематод. Этот эффект был обратим введением ивермектина, снижающим возбудимость. Был проведен транскриптомный анализ модифицированных нематод, который подтвердил изменение экспрессии генов, связанных с нейрональным возбуждением, у животных с измененной экспрессией SPR-4. Авторы заключают, что REST и его ортологи выполняют эволюционно консервативную функцию, связанную с регуляцией возбуждения в нервной системе. Эта регуляция, в свою очередь, оказывает влияние на продолжительность жизни.

Очевиден вопрос, почему и каким образом нейрональная активность может регулировать продолжительность жизни? Пока в качестве ответа на этот вопрос авторы предложили гены – возможные мишени воздействия нейронального возбуждения. Это FOXO1 у млекопитающих, который регулируется глутаматным возбуждением, и его возможный ортолог DAF-16 у нематод. Предполагается, что эти гены могут связывать нейрональную активность с метаболизмом.

Несмотря на очевидные выводы из результатов работы на нематодах, их применимость к млекопитающим остается под сомнением. Совершенно не исключено, что снижение возбудимости и повышение экспрессии REST у человека является естественным результатом старения. Причинно-следственные связи у млекопитающих не были выявлены, и, хотя мыши, нокаутированные по белку REST, были получены, почему -то не была исследована продолжительность их жизни.

В то же время, есть дополнительные косвенные основания предполагать, что найденное явление может быть распространено на млекопитающих. Показано широкое деметилирование генома гиппокампа мышей при возбуждении (Grassi et al., 2017), опосредованное через активацию гетерохроматинового релаксера GADD 45 (Liebermann, Hoffman (Eds), 2013), снижающее защищенность генома от мутагенов. Найдено накопление мутаций в генах нейронов мыши и человека, превышающее нормы для ненервных клеток, причем мутации накапливались в областях, которые наиболее активно экспрессируются (Hazen et al., 2016). Известно, что возбуждение повышает выработку свободных радикалов, потенциальных мутагенов. То есть наблюдается одновременно повышение концентрации мутагенов и снижение защищенности генома нервной системы от мутагенов при возбуждении. Является ли активное сокращение продолжительности жизни при повышении возбуждения своего рода защитой от неадекватного поведения поврежденного мозга, возможно нам предстоит узнать.

Дьяконова В.Е. Сколько стоят когнитивные способности? // Российский журнал когнитивной науки. 2015. Т.  2. (2-3). С. 70-77.

Burger J., Kolss M., Pont J., Kawecki T.J. Learning ability and longevity: A symmetrical evolutionary trade-off in Drosophila // Evolution. 2008. Vol. 62. No. 6. P. 1294 – 1304. doi:10.1111/j.1558-5646.2008.00376.x

Lu, T. et al. REST and stress resistance in ageing and Alzheimer’s disease. Nature 507, 448–454 (2014).

Grassi et al. Cereb Cortex. 2017 Aug 1;27(8):4166-4181. doi: 10.1093/cercor/bhx095.

Liebermann, D A., Hoffman, B. Gadd45. Stress sensor genes. Editors: Liebermann, D A., Hoffman, B (Eds.) Springer 2013.

Hazen JL et al., The Complete Genome Sequences, Unique Mutational Spectra, and Developmental  Potency  of  Adult  Neurons  Revealed  by Cloning. Neuron. 2016 Mar 16;89(6):1223-1236. doi: 10.1016/j.neuron.2016.02.004. Epub 2016 Mar 3

Новость подготовила © 2020 Дьяконова В.Е.

28.01.2020