Старение внеклеточного матрикса

Image via Cell and Molecular Biology Concepts and Experiments by Karp, 2010

Данная статья собрана из нескольких моих ранних заметок о влиянии внеклеточного матрикса на процесс старения. Текст статьи будет обновляться — я планирую дополнить список литературы и внести некоторые стилистические коррективы.

Почти сто лет назад, в 1922 году, украинский патофизиолог Александр Богомолец предположил, что нарушения соединительных тканей вызывают старение. В своей более поздней работе он заявил: «Человек имеет возраст своей соединительной ткани» [1].

Соединительная ткань включает в себя волокнистые ткани, жировую ткань, хрящи, кости, костный мозг, кровь и включает значительное количество внеклеточных веществ, которые образуют структуру органов и тканей организма. Разнообразные типы коллагенов являются основным компонентом соединительной ткани позвоночных и составляют примерно одну треть белков в организме.

Влияние образования поперечных сшивок между фибрилами коллагена— превалирующего белка внеклеточного матрикса — на процесс старения и связанные со старением заболевания изучалось в ранних работах Йохана Бьоркштена (Johan Björksten), которые датируются 1942 годом. Автор предположил, что образование внутри- и межмолекулярных ковалентных сшивок меняет структуру макромолекул и приводит к их дисфункции: «Старение живых организмов, на мой взгляд, связано с случайным образованием […] мостов между молекулами белка, которые не могут быть разрушены клеточными ферментами» [2].

Фриц Верзар (Fritz Verzár) впервые продемонстрировал в 1950-х годах, что количество «сшитых» коллагеновых волокон внеклеточного матрикса экспоненциально увеличивается с возрастом [3].

Эти модифицированные белки остаются невосстановленными, накапливаются на протяжении всей жизни и вызывают изменения в механических свойствах микроокружения, тканей и органов, что приводит к порочному циклу постепенного увеличения повреждений, и серьезно ограничивают применение сенолитиков, стволовых клеток и других методов «антивозрастной» терапии.

Ни один новомодный метод, обсуждаемый в связи с влиянием на продолжительность жизни, как-то экзосомы стволовых клеток, донорские митохондрии, сенолитики, эпигенетическое манипуляции (список можно продолжить) — не способен восстановить структуру матрикса, физические свойства которого (структура и жёсткость, в основном) являются не менее сильным, чем химический (то есть через ионы и молекулы) сигнальным фактором, определяющим судьбу клеток, тканей, органов и организма в целом.

Кроме интегрирующей роли и связи матрикса с вегетативной нервной системой, которая ранее была изучена Альфредом Пишингер и Хартмут Хайне (Alfred Pischinger, Hartmut Heine) [4], следует отметить что молекулы коллагена содержат большое количество пролина — аминокислоты способной проводить слабые электромагнитные волны, генерируемые клетками и тканями. Поэтому нельзя исключить возможность, что соединительные ткани, в дополнение к механическим и химическим сигналам, формируют единую биоэлектрическую сигнальную систему организма. Тут интересно отметить ряд работ, в которых исследователям удалось, меняя топографию среды [5, 6] или электромагнитное излучение [7, 8], не только управлять клеточным циклом, но и превращать взрослые соматические клетки в стволовые без помощи вирусов с вектором факторов Яманака.

Даже незначительные изменения геометрии межклеточной среды оказывают влияние на экспрессию генов и функцию клеток. Передаваемые через цитоскелет клетки механические сигналы и жесткость ядерной ламины (ядерной пластинки) совместно регулируют динамику ядра и хроматина [9, 10].

Так, «молодые» фибробласты стареют в старом матриксе и наоборот — «старые» клетки утрачивают признаки связанного со старением секреторного фенотипа в «молодом» матриксе [11–13].

Вероятно, что жесткость внеклеточного матрикса также влияет на морфологию митохондрий и синтез АТФ [14, 15].

Некоторые могут возразить «давайте разрушим старый матрикс — ведь как-то организм обновляет коллаген — и создадим новый, лучше прежнего» игнорируя тот факт, что, во-первых, молекулы коллагена кожи, согласно ряду исследований, имеют период полужизни 15 лет, а хрящей — более 100 лет [16–18], и во-вторых, на сегодняшний день не существует избирательных ферментов и разрушать придется все протеины. Более того, по мере увеличения количества сшивок, коллагеновые фибриллы становятся более плотными, делая матрикс менее доступным для ферментов, участвующих в естественном обороте коллагенов. Следовательно, скорость оборота белков матрикса со временем замедляется, и как результат — это приводит к появлению еще большего количества сшивок.

Процесс неферментатиивного гликозилирования или гликирования — причины образования сшивок — практически не регулируется. Хотя есть возможность «сдерживания» гликозилирования через трансгликацию [19], при которой в «расход» идут глутатион, полиамины, тиолы, свободные аминокислоты, например, таурин, лизин, предотвращая формирование новых сшивок.

Описание прочих негативных эффектов гликирования, отличных от изменения структуры и жесткости внеклеточного матрикса, например, формирование метаболитической памяти [20], увеличение воспалительных процессов и т.п., выходит за пределы данной статьи.

Также есть варианты уменьшения вреда ответной реакции организма на увеличение жесткости внеклеточного матрикса — секрецию трансформирующего ростового фактора бета (TGF-beta), богатого цистеином белка 61 (Cyr61/CCN1) и прочих сигнальных молекул. Например, фиброз тканей может быть замедлен ингибиторами матриксных металлопротеиназ, одним из которых является доксициклин.

Ранее разработанные препараты против поперечных сшивок, таких как Alagebrium/ALT-711 [21], C36 [22], TRC4149 [23] были нацелены на нейтрализацию карбоксиметиллизина — самого распространённого позднего продукта реакции Майяра, накапливающемся в организме при диабете.

Считается, что глюкезепан, оказывает наибольшее влияние на течение болезней пожилого возраста человека и поэтому является приоритетной мишенью для противовозрастной терапии.

Однако, даже появление обещанного Дэвидом Шпигель решения — его группа работает над созданием ферментов против глюкозепана [24], не решит проблемы — разрушение одной из десятков видов известных сшивок, скорее всего, будет иметь временный характер и не сможет значительно изменить физические свойства межклеточного матрикса.

Кроме образования поперечных сшивок, белки также подвержены рацемизации [25–32].

Рацемизация — это спонтанный процесс, в результате которого происходит превращение оптически активных соединения в рацемическую смесь. Так, аминокислоты превращаются из L-формы в зеркальную D-форму (часть из них имеют свою биологическую активность). Рацемизация происходит во всех белках, но протеолитические ферменты не дают им накапливаться. Однако, в тканях с замедленным метаболизмом, количество рацемированных белков линейно увеличивается, например, в тканях зубов на 0,1% в год.

Рацемизация — это процесс «естественного» старения белков, поэтому может использоваться в качестве молекулярного индикатора старения, а также для идентификации долгоживущих белков. Количественное измерение степени рацемизации аспарагиновой кислоты используется в криминалистике и судебно-медицинской экспертизе для определения возраста останков.

Шведский химик Вернер Кун (Werner Kuhn) в 1955 году предположил, что данные изменения оптически активных соединений вызывают старение организма [33, 34]. Действительно, накопление белков с аномальными физико-химическими свойствами способствуют прогрессу ряда состояний, связанных со старением, таких как атеросклероз, эмфизема легких, пресбиопия, катаракта, дегенеративные заболевания хрящей и возрастные заболевания нервной системы.

Потеря функций белков происходит из-за протеолиза «поломанных» белков или из-за изменения их молекулярной структуры.

Поперечные сшивки коллагенов внеклеточного матрикса затрудняют доступ протеолитических и исправляющих ферментов (l-isoaspartyl methyltransferase [35]) к структурно измененным в результате рацемизации белкам [36]. Это способствует процессу накопления поврежденных белков в коллагене, что усугубляет ситуацию и негативно сказывается на механических свойствах тканей при старении [18].

Здесь я хочу поблагодарить Александра Фединцева за идею и дополнения дальнейшей части данного текста.

Итак, подвергшиеся неферментативному гликозилированию (гликированию), то есть реакции между углеводами (глюкозой, фруктозой и прочими) и свободными аминогруппами, белки, а также липиды и нуклеиновые кислоты, образуют так называемые конечные продукты гликозилирования (КПГ).

Роль КПГ в формировании внутри- и межмолекулярных поперечных сшивок белков хорошо изучена и не вызывает сомнений.

Кроме гликирования, существует не менее важный процесс, протекающий как в патологических, так и нормальных условиях — перекисное окисление липидов (ПОЛ).

Оба процесса, перекисное окисление липидов и гликирование, включают целую сеть различных реакций, в которых получается необычайно сложная смесь соединений [37].

Многочисленные исследования указывают на связь липидного состава мембран с максимальной продолжительностью жизни разных видов животных. Виды с преобладающим содержанием насыщенных жирных кислот в составе клеточных мембран обладают большей продолжительностью жизни даже по сравнению с филогенетически близкими видами [38–59].

Более того, эта разница в составах мембран позволяет объяснить «парадокс птиц»: птицы имеют очень быстрый метаболизм, но живут на порядок дольше млекопитающих со схожей величиной основного обменом (basal metabolic rate). Выяснилось, что у птиц индекс пероксидации клеточных мембран значительно ниже.

Также, липидный состав мембран позволяет объяснить разницу между продолжительностью жизни рабочих пчел и королев без привлечения пресловутых «программ старения».

Насыщенные и мононенасыщенные жирные кислоты более стабильны и менее подвержены перекисному окислению, по сравнению с полиненасыщенными жирными кислотами (ПНЖК). Это происходит потому, что ПНЖК имеют протоны в уязвимой бис-аллильной позиции. Такой протон легко оторвать («абстрагировать») от молекулы жирной кислоты и это является первым шагом в цепочке реакций перекисного окисления липидов.

Распространенное мнение о том, что ПНЖК безусловно полезны стоит подвергнуть критике. Хотя возможно, что ПНЖК полезны как раз тем, что создают умеренный оксидативный стресс, способствуя гормезисному стресс-ответу.

Ряд исследований указывает на количественную связь между процессом перекисного окисления липидов и образованием поперечных сшивок белков матрикса. Так, например, один из продуктов перекисного окисления липидов, малондиальдегид (возникает при деградации ПНЖК), образует такое же количество сшивок с белками, как и глюкоза [60].

Это позволяет предположить, что долгоживущие виды не только в меньшей степени страдают от ПОЛ, но и имеют более замедленный, за счет уменьшения реакционной способности жирных кислот, процесс изменения белков внеклеточного матрикса.

Более десяти лет назад российский ученый Михаил Щепинов предложил использовать жирные кислоты, у которых водород заменен на дейтерий (изотоп, имеющий больший атомный вес и более прочную связь с атомом углерода), для продления жизни и лечения ряда заболеваний, вызванных избыточным синтезом свободных радикалов [61–64]. Измененные жирные кислоты более устойчивы к окислению и предотвращают разрушение клеточной мембраны.

В настоящее время, Retrotope — компания Михаила Щепилова, ожидает подтверждение FDA на проведение последней стадии клинических испытаний экспериментального препарата RT001. Недавно, dPUFA продемонстрировал задержку развития заболевания у 2 пациентов с болезнью Зейтельбергера, врожденной патологией характеризующееся нарушением обмена веществ с прогрессирующей липоидной дегенерацией в центральной нервной системе.

Возможно, что это лекарство поможет не только больным с наследственной нейродегенерацией, но также сможет значительно сдерживать старение за счет уменьшения перекисного окисления липидов и, как следствие, замедления процесса образования поперечных сшивок коллагенов внеклеточного матрикса.

Список использованной литературы:

1. Frol’kis, V.V., [The development in modern biology of A.A. Bogomoletz’ ideas on aging]. Fiziol Zh, 1971. 17(3): p. 352–6.

2. Bjorksten, J., Some Therapeutic Implications of the Crosslinkage Theory of Aging, in Protein Crosslinking: Nutritional and Medical Consequences, M. Friedman, Editor. 1977, Springer US: Boston, MA. p. 579–602.

3. Robert, L., An original approach to aging: an appreciation of Fritz Verzar’s contribution in the light of the last 50 years of gerontological facts and thinking. Gerontology, 2006. 52(5): p. 268–74.

4. Pischinger, A., The extracellular matrix and ground regulation: Basis for a holistic biological medicine. 2007: North Atlantic Books.

5. Steward, A.J. and D.J. Kelly, Mechanical regulation of mesenchymal stem cell differentiation. J Anat, 2015. 227(6): p. 717–31.

6. Roy, B., et al., Laterally confined growth of cells induces nuclear reprogramming in the absence of exogenous biochemical factors. Proc Natl Acad Sci U S A, 2018. 115(21): p. E4741-e4750.

7. Levin, M., Reprogramming cells and tissue patterning via bioelectrical pathways: molecular mechanisms and biomedical opportunities. 2013. 5(6): p. 657–676.

8. Baek, S., et al., Electromagnetic Fields Mediate Efficient Cell Reprogramming into a Pluripotent State. ACS Nano, 2014. 8(10): p. 10125–10138.

9. Makhija, E., D.S. Jokhun, and G.V. Shivashankar, Nuclear deformability and telomere dynamics are regulated by cell geometric constraints. Proc Natl Acad Sci U S A, 2016. 113(1): p. E32–40.

10. Kirby, T.J. and J. Lammerding, Emerging views of the nucleus as a cellular mechanosensor. Nat Cell Biol, 2018. 20(4): p. 373–381.

11. Chen, X.D., Extracellular matrix provides an optimal niche for the maintenance and propagation of mesenchymal stem cells. Birth Defects Res C Embryo Today, 2010. 90(1): p. 45–54.

12. Choi, H.R., et al., Restoration of senescent human diploid fibroblasts by modulation of the extracellular matrix. Aging Cell, 2011. 10(1): p. 148–57.

13. Block, T.J., et al., Restoring the quantity and quality of elderly human mesenchymal stem cells for autologous cell-based therapies. Stem Cell Res Ther, 2017. 8(1): p. 239.

14. Bartolak-Suki, E., et al., Regulation of Mitochondrial Structure and Dynamics by the Cytoskeleton and Mechanical Factors. Int J Mol Sci, 2017. 18(8).

15. Bulthuis, E.P., et al., Mitochondrial morphofunction in mammalian cells. Antioxid Redox Signal, 2018.

16. Verzijl, N., et al., Effect of collagen turnover on the accumulation of advanced glycation end products. J Biol Chem, 2000. 275(50): p. 39027–31.

17. Heinemeier, K.M., et al., Lack of tissue renewal in human adult Achilles tendon is revealed by nuclear bomb (14)C. FASEB J, 2013. 27(5): p. 2074–9.

18. Thorpe, C.T., et al., Aspartic acid racemization and collagen degradation markers reveal an accumulation of damage in tendon collagen that is enhanced with aging. J Biol Chem, 2010. 285(21): p. 15674–81.

19. Szwergold, B.S., S.K. Howell, and P.J. Beisswenger, Transglycation — a potential new mechanism for deglycation of Schiff’s bases. Ann N Y Acad Sci, 2005. 1043: p. 845–64.

20. Testa, R., et al., The “Metabolic Memory” Theory and the Early Treatment of Hyperglycemia in Prevention of Diabetic Complications. Nutrients, 2017. 9(5): p. 437.

21. Wolffenbuttel, B.H., et al., Breakers of advanced glycation end products restore large artery properties in experimental diabetes. Proc Natl Acad Sci U S A, 1998. 95(8): p. 4630–4.

22. Cheng, G., et al., Beneficial effects of C36, a novel breaker of advanced glycation endproducts cross-links, on the cardiovascular system of diabetic rats. Br J Pharmacol, 2007. 152(8): p. 1196–206.

23. Pathak, P., et al., TRC4149 a novel advanced glycation end product breaker improves hemodynamic status in diabetic spontaneously hypertensive rats. Eur J Med Res, 2008. 13(8): p. 388–98.

24. Streeter, M., et al., Identification of Glucosepane Cross-Link Breaking Enzymes. 2018. 67(Supplement 1).

25. Helfman, P.M. and J.L. Bada, Aspartic acid racemization in tooth enamel from living humans. Proc Natl Acad Sci U S A, 1975. 72(8): p. 2891–4.

26. Helfman, P.M. and J.L. Bada, Aspartic acid racemisation in dentine as a measure of ageing. Nature, 1976. 262(5566): p. 279–81.

27. Helfman, P.M., J.L. Bada, and M.Y. Shou, Considerations on the role of aspartic acid racemization in the aging process. Gerontology, 1977. 23(6): p. 419–25.

28. Maroudas, A., et al., Aggrecan turnover in human articular cartilage: use of aspartic acid racemization as a marker of molecular age. Arch Biochem Biophys, 1998. 350(1): p. 61–71.

29. Ritz-Timme, S. and M.J. Collins, Racemization of aspartic acid in human proteins. Ageing Res Rev, 2002. 1(1): p. 43–59.

30. Catterall, J.B., et al., Aspartic acid racemization reveals a high turnover state in knee compared with hip osteoarthritic cartilage. Osteoarthritis Cartilage, 2016. 24(2): p. 374–81.

31. Rastogi, M., et al., Age estimation of living Indian individuals based on aspartic acid racemization from tooth biopsy specimen. J Forensic Dent Sci, 2017. 9(2): p. 83–90.

32. Garde, E., et al., Accuracy of the Aspartic Acid Racemization Technique in Age Estimation of Mammals and the Influence of Body Temperature. 2018. 10.

33. Kuhn, W.J.E., Mögliche Beziehungen der optischen Aktivität zum Problem des Alterns. 1955. 11(11): p. 429–436.

34. Kuhn, W.J.A.i.E. and R.A.o.M. Biology, Possible relation between optical activity and aging. 1959. 20: p. 1–29.

35. Lanthier, J. and R.R. Desrosiers, Protein L-isoaspartyl methyltransferase repairs abnormal aspartyl residues accumulated in vivo in type-I collagen and restores cell migration. Exp Cell Res, 2004. 293(1): p. 96–105.

36. Philp, C.J., et al., Extracellular Matrix Cross-Linking Enhances Fibroblast Growth and Protects against Matrix Proteolysis in Lung Fibrosis. Am J Respir Cell Mol Biol, 2018. 58(5): p. 594–603.

37. Hidalgo, F.J. and R. Zamora, Interplay between the maillard reaction and lipid peroxidation in biochemical systems. Ann N Y Acad Sci, 2005. 1043: p. 319–26.

38. Abbott, S.K., et al., Fatty acid composition of membrane bilayers: importance of diet polyunsaturated fat balance. Biochim Biophys Acta, 2012. 1818(5): p. 1309–17.

39. Bozek, K., et al., Lipidome determinants of maximal lifespan in mammals. Sci Rep, 2017. 7(1): p. 5.

40. Bustos, V. and L. Partridge, Good Ol’ Fat: Links between Lipid Signaling and Longevity. Trends Biochem Sci, 2017. 42(10): p. 812–823.

41. Sa-Ngasoongsong, P., et al., Postoperative blood loss reduction in computer-assisted surgery total knee replacement by low dose intra-articular tranexamic acid injection together with 2-hour clamp drain: a prospective triple-blinded randomized controlled trial. Orthop Rev (Pavia), 2011. 3(2): p. e12.

42. Furness, L.J. and J.R. Speakman, Energetics and longevity in birds. Age (Dordr), 2008. 30(2–3): p. 75–87.

43. Gonzalez-Covarrubias, V., et al., Lipidomics of familial longevity. Aging Cell, 2013. 12(3): p. 426–34.

44. Haddad, L.S., L. Kelbert, and A.J. Hulbert, Extended longevity of queen honey bees compared to workers is associated with peroxidation-resistant membranes. Exp Gerontol, 2007. 42(7): p. 601–9.

45. Hulbert, A.J., Membrane fatty acids as pacemakers of animal metabolism. Lipids, 2007. 42(9): p. 811–9.

46. Hulbert, A.J., Explaining longevity of different animals: is membrane fatty acid composition the missing link? Age (Dordr), 2008. 30(2–3): p. 89–97.

47. Hulbert, A.J., et al., Extended longevity of wild-derived mice is associated with peroxidation-resistant membranes. Mech Ageing Dev, 2006. 127(8): p. 653–7.

48. Hulbert, A.J., et al., Life and death: metabolic rate, membrane composition, and life span of animals. Physiol Rev, 2007. 87(4): p. 1175–213.

49. Kniazeva, M. and M. Han, Fat chance for longevity. Genes Dev, 2013. 27(4): p. 351–4.

50. Ma, S. and V.N. Gladyshev, Molecular signatures of longevity: Insights from cross-species comparative studies. Semin Cell Dev Biol, 2017. 70: p. 190–203.

51. Miura, Y., et al., Characteristic glycopeptides associated with extreme human longevity identified through plasma glycoproteomics. Biochim Biophys Acta Gen Subj, 2018. 1862(6): p. 1462–1471.

52. Naudi, A., et al., Membrane lipid unsaturation as physiological adaptation to animal longevity. Front Physiol, 2013. 4: p. 372.

53. Ristow, M. and S. Schmeisser, Extending life span by increasing oxidative stress. Free Radic Biol Med, 2011. 51(2): p. 327–36.

54. Saitou, M., et al., An evolutionary transcriptomics approach links CD36 to membrane remodeling in replicative senescence. Mol Omics, 2018. 14(4): p. 237–246.

55. Schroeder, E.A. and A. Brunet, Lipid Profiles and Signals for Long Life. Trends Endocrinol Metab, 2015. 26(11): p. 589–592.

56. Spindler, S.R., P.L. Mote, and J.M. Flegal, Dietary supplementation with Lovaza and krill oil shortens the life span of long-lived F1 mice. Age (Dordr), 2014. 36(3): p. 9659.

57. Sajithlal, G.B. and G. Chandraksan. Role of lipid peroxidation products in the formation of advanced glycation end products: An in vitro study on collagen. 1999. Springer.

58. Papsdorf, K. and A. Brunet, Linking Lipid Metabolism to Chromatin Regulation in Aging. 2018.

59. Garc, P., Lipid Peroxidation : Production , Metabolism and Signaling Mechanisms of Malondialdehyde and 4-hydroxy-2-nonenal. 2014. p. 360438–360438.

60. Sajithlal, G. and G. Chandrakasan. Role of lipid peroxidation products in the formation of advanced glycation end products: Anin vitro study on collagen. in Proceedings of the Indian Academy of Sciences-Chemical Sciences. 1999. Springer.

61. Shchepinov, M. and N.J.R.J.o.G.C. Pestov, Isotope effect, essential diet components, and prospects of aging retardation. 2010. 80(7): p. 1514–1522.

62. Shchepinov, M.S., Reactive oxygen species, isotope effect, essential nutrients, and enhanced longevity. Rejuvenation Res, 2007. 10(1): p. 47–59.

63. Demidov, V.V., Heavy isotopes to avert ageing? Trends Biotechnol, 2007. 25(9): p. 371–5.

64. Shchepinov, M.S.J.B., Do “heavy” eaters live longer? 2007. 29(12): p. 1247–1256.