Почему грызуны землеройки живут 2 года, а аналогичного размера голые землекопы живут 40 лет ? Исследователи из Университета Рочестера, США, сравнили паттерны экспрессии генов у 26 видов млекопитающих с различной продолжительностью жизни и установили, что регуляторные системы циркадных ритмов и плюрипотентных стволовых клеток имеют фундаментальное значение для долголетия.
Оказалось, что долгоживущие виды, отличаются низкой экспрессией генов, участвующих в энергетическом обмене и воспалении. При этом у них наблюдается высокая экспрессия генов, участвующих в репарации ДНК, транспорте РНК и организации клеточного скелета или микротрубочек. Соответственно, короткоживущие виды, отличаются высокой экспрессией генов, участвующих в энергетическом обмене и воспалении, и низкой экспрессией генов, участвующих в репарации ДНК, транспорте РНК и организации микротрубочек.
Гены, снижающие продолжительность жизни, участвуют в энергетическом обмене и воспалении и контролируются циркадной регуляторной системой. Их экспрессия ограничена определенным временем суток. С другой стороны, гены повышающие продолжительность жизни, которые участвуют в репарации ДНК, транспорте РНК и микротрубочках, контролируются плюрипотентной регуляторной системой. Эта сеть генов участвует в перепрограммировании соматических клеток (это любые клетки, которые не являются репродуктивными) в эмбриональные. Эти гены гораздо легче омолаживаются и регенерируются путем переупаковки ДНК, которая дезорганизуется с возрастом.
Гены циркадной системы регулируют биологические ритмы организма, синхронизируя их с суточным циклом света и темноты. Циркадные ритмы влияют на многие процессы физиологии и поведения: сон, активность, температура, гормональный баланс, иммунитет. Гены циркадной системы образуют молекулярный осциллятор, который состоит из нескольких основных генов: CLOCK, BMAL1, PER и CRY. Эти гены взаимодействуют друг с другом и с другими генами, формируя сложную сеть обратных связей, которая поддерживает ритмичность экспрессии генов.
Гены циркадной системы имеют большое значение для здоровья и болезней, так как они координируют работу разных органов и систем, а также влияют на генетическую стабильность, окислительный стресс, воспаление и старение. Нарушение циркадных ритмов приводит к развитию различных патологий, таких как бессонница, депрессия, сахарный диабет, ожирение, сердечно-сосудистые заболевания, рак. Гены циркадной системы также реагируют на внешние сигналы, такие как свет, температура, пища и стресс, которые могут сдвигать или перестраивать фазу осциллятора.
Система плюропотентных генов поддерживает способность клеток быть плюрипотентными, то есть способными дифференцироваться в любой тип клеток организма. Плюрипотентность является ключевым свойством эмбриональных стволовых клеток, которые могут быть получены из ранних стадий развития зародыша.
Плюропотентные гены , такие как OCT4, SOX2, NANOG, KLF4, взаимодействуют друг с другом, чтобы активировать или подавлять определенные гены, связанные с развитием и дифференциацией клеток. Система плюропотентных генов также реагирует на сигналы из внешней среды, такие как факторы роста, гормоны, стресса, которые влияют на судьбу клеток.
Плюропотентные гены имеют большое значение для биомедицины, так как они позволяют манипулировать эмбриональными стволовыми клетками, и индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками, которые могут быть получены из соматических клеток взрослого организма с помощью генной терапии. Плюрипотентные гены есть гены, которые могут дифференцироваться во все типы клеток, кроме клеток внезародышевых органов (плаценты и желточного мешка). Это означает, что плюрипотентные гены могут превратиться в любой тип клеток, которые составляют организм человека, такие как клетки кожи, мышц, костей. Эти клетки могут быть использованы для моделирования болезней, тестирования лекарств, трансплантации и регенеративной медицины.
Таким образом, системы циркадных ритмов и регенерации стволовыми клетками есть две решающие системы для долголетия любого организма. При слаженной работе этих двух систем продолжительность жизни увеличивается, а при нарушении функции любой из них продолжительность жизни сокращается.