Исследователи подведомственного Минобрнауки России Института цитологии (ИНЦ) РАН доказали, что полиплоидия, возникшая в детском возрасте в мышечных клетках сердца млекопитающих, повышает риск развития сердечно-сосудистых заболеваний во взрослом состоянии. Результаты помогут разработать новые подходы в превентивной медицине, что увеличит качество и продолжительность жизни.
Полиплоидия — это процесс, происходящий в клетках растений и животных, когда в силу ряда стрессовых факторов, например, под действием высокой или низкой температуры, ионизирующих излучений или химических веществ, кратно увеличивается число хромосом в одной клетке, однако она при этом не делится на две. Количество хромосом в клетках организмов-полиплоидов может быть увеличено в два и более раз.
Полиплоидия оказала значительное влияние на происхождение позвоночных и высших растений. Эти изменения значимы для эволюции организма, он может приобретать новые свойства, например, увеличиваться в размерах. Такие мутации — один из важнейших факторов для происхождения новых видов. По-видимому, современные позвоночные и высшие растения с большим количеством хромосом в клетках — результаты мутаций, связанных с полиплоидией.
Кроме того, полиплоиды часто характеризуются повышенным содержанием полезных веществ, устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, поэтому представляют большой интерес для селекционеров, которые занимаются разведением новых сельскохозяйственных видов. Однако механизмы влияния полиплоидии на организмы до конца пока непонятны.
«В своей работе мы хотели показать, что полиплоидия — это фундаментальное явление. На наш взгляд, сегодня этот факт недооценивается учеными. Мы собрали данные о том, что полиплоидия встречается в эволюции, онтогенезе, патологии (включая рак), сельском хозяйстве и аквакультуре. Кроме того, она является важным фактором онтогенетического программирования болезней. Это явление подразумевает взаимосвязь между неблагоприятными воздействиями в раннем постнатальном развитии (сразу после рождения) и возникновением заболеваний через длительный период времени (уже у взрослых). Иными словами, это скрытые генетические и эпигенетические дефекты развития организма, возникающие в результате стрессов. В частности, это могут быть функциональные стрессы — повышенная нагрузка на орган во время роста, голодание, воспалительные процессы, иммунодефицит и другое», — рассказывает руководитель группы биоинформатики и функциональной геномики ИНЦ РАН Александр Виноградов.
Ученые привели результаты экспериментальных и клинических исследований, которые подтверждают влияние полиплоидии на онтогенетическое программирование заболеваний.
«Кратное увеличение числа хромосом в клетках живых организмов может приводить к самым разным последствиям. В частности, в нашей работе мы показали, что этот процесс запускает нарушения нормального деления клеток организма, начиная с его рождения. Изначально эти признаки могут вообще себя не проявлять. Однако с возрастом их количество накапливается и может приводить к серьезным заболеваниям, хотя во взрослом возрасте казалось бы для этого не было причины. Например, в нашем исследовании воспалительный стресс у животных в раннем возрасте стал причиной для появления полиплоидии в клетках тканей сердца. И не сразу, а спустя много лет, уже во взрослом возрасте этот процесс послужил одной из причин для кардиомопатии (приводит к нарушению циркуляции крови в организме, может быть опасно для жизни)», — объясняет старший научный сотрудник этой группы Ольга Анацкая.
Доказательства удалось получить благодаря экспериментам на животных: в первом случае стрессовым фактором выступили преждевременные роды, во втором — системный воспалительный стресс. В обоих случаях у подопытных наблюдали избыточную полиплоидизацию мышечных клеток сердца, которая во взрослом возрасте приводила к кардиомиопатии.
Вовлеченность полиплоидии в онтогенетическое программирование можно объяснить двумя причинами. Во-первых, в сердце, где обновления мышечных клеток практически не происходит, полиплоидия необратима. Это значит, что полиплоидные клетки, сформировавшиеся в раннем развитии, живут с дополнительными геномами столько же, сколько и сам организм. Во-вторых, полиплоидия меняет свойства клеток через эпигенетическую регуляцию экспрессии генов (процесс, приводящий к изменению активности гена).
Эти данные открыли новый механизм онтогенетического программирования заболеваний сердца у взрослых, а значит, важны для превентивной медицины и терапии сердечно-сосудистых заболеваний.
«Понимание природы онтогенетического программирования и того, какое влияние на этот процесс оказывает полиплоидия, является важной задачей превентивной медицины, которую сегодня считают медициной будущего. Управление процессами онтогенетического программирования поможет найти подходы к увеличению продолжительности жизни и улучшению ее качества. Изучение полиплоидии может быть важно для понимания онкологических заболеваний, метастазирования и устойчивости к терапии. Значительна роль полиплоидии в возникновении кардиомиопатий и нейродегенеративных расстройств», — отмечают авторы.
В дальнейшем специалисты ИНЦ РАН продолжат изучать механизмы влияния полиплоидии на экспрессию генов.
Исследование проводилось при финансовой поддержке Минобрнауки России, его результаты опубликованы в журнале International Journal of Molecular Sciences.
