Антивозрастная Медицина и поли(ADP-рибоза)-полимеразы: активировать или ингибировать?

AMTEPATyPA/REFERENCES

1. Skulachev V.P. Phenoptosis: programmed death of an organism. Biochemistry (Mosc.). 1999; 64 (1): 1418-1426.

2. Bredesen D.E. The non-existent aging program: how does it work? Aging Cell. 2004; 3 (5): 255-259.

3. Longo V.D., Mitteldorf J., Skulachev V.P. Programmed and altruistic ageing. Nat. Rev. Genet. 2005; 6 (11): 866-872.

4. Holliday R. Aging: The paradox of life. Why we age. Dordrecht: Springer, 2007.

5. Khokhlov A.N. Does aging need an own program or the existing development program is more than enough? Russ. J. Gen. Chem. 2010; 80 (7): 1507-1513.

6. Khokhlov A.N. Impairment of regeneration in aging: appropriateness or stochastics? Biogerontology. 2013; 14 (6): 703-708.

7. Weismann A. Die Kontinuitat des Keimplasmas als Grundlage einer Theorie der Vererbung. Jena: G. Fisher Ferlag, 1885.

8. Khokhlov A.N. On the immortal hydra. Again. Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2014; 69 (4): 153-157.

9. Khokhlov A.N. Cytogerontology at the beginning of the third millennium: from «correlative» to «gist» models. Russ. J. Dev. Biol. 2003; 34 (5): 321-326. 10. Khokhlov A.N. What will happen to molecular and cellular biomarkers of aging in case its program is canceled (provided such a program does exist)?

Adv. Gerontol. 2014; 4 (2): 150-154.

Сведения об авторах:

Хохлов Александр Николаевич - заведующий сектором эволюционной цитогеронтологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. 119234, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет МГУ. Тел.: 8 (495) 939-15-90. E-mail: khokhlov@mail.bio.msu.ru

About the authors:

Khokhlov Alexander Nikolaevich - Head of Evolutionary Cytogerontology Sector, School of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow. School of Biology, Lomonosov Moscow State University, 1-12 Leninskiye Gory, Moscow, 119234. Phone: 8 (495) 939-15-90. E-mail: khokhlov@mail.bio.msu.ru

АНТИВОЗРАСТНАЯ МЕДИЦИНА И ПОЛИ(АОР-РИБОЗА)-ПОЛИМЕРАЗЫ: АКТИВИРОВАТЬ ИЛИ ИНГИБИРОВАТЬ?

Г.А. Шиловский1, С.И. Шрам2, А.Н. Хохлов1

1 Сектор эволюционной цитогеронтологии, биологический факультет, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва 2 Институт молекулярной генетики РАН, Москва

Рассматривается один из перспективных для лечения возрастных заболеваний процесс, связанный с реакцией клетки на повреждение ДНК - поли(АйР-рибозил)ирование. Особый интерес для его изучения представляет тот факт, что «позитивная» функция поли(А0Р-рибоза)-полимеразы-1 (PARP-1) как фермента, вовлеченного в репарацию ДНК, наблюдается в «нормальных» условиях, т.е. в условиях отсутствия патологий. При этом инактивация PARP-1 или нокаут по этому ферменту приводят к снижению генетической стабильности и увеличению подверженности возникновению опухолей. В случае же развития острых и хронических патологий, в том числе воспаления, ишемии и т.п., роль PARP-1 становится «негативной», ее активация ухудшает течение заболевания. Ингибиторы PARP-1 могут применяться в таких случаях в качестве лекарственных препаратов, уменьшающих тяжесть патологического процесса. Этот «дуализм» PARP представляется перспективным для разграничения процессов развития возрастных заболеваний и «нормального» старения (successful aging).

Ключевые слова: поли(АйР-рибозил)ирование, «стационарное старение», повреждение ДНК, ингибиторы PARP, поли(АйР-рибоза)-полимераза, стабильность генома, лечебное питание, цитогеронтология

ANTI-AGING MEDICINE AND POLY(ADP-RIBOSE) POLYMERASES: ACTIVATE OR INHIBIT?

G.A. Shilovsky1, S.I. Shram2, A.N. Khokhlov1

1 Evolutionary Cytogerontology Sector, School of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow

2 Institute of Molecular Genetics, Russian Academy of Sciences, Moscow

One of the most promising to the treatment of age-related diseases is the process associated with the cell's response to DNA damage - a poly(ADP-ribosyl)ation. Of particular interest for its study is the fact that poly(ADP-ribose) polymerase-1 (PARP-1) has the «positive» function as an enzyme involved in DNA repair which is observed under «normal» conditions, i.e. in the absence of pathologies. Wherein PARP-1 inactivation or knockout lead to a decrease in genetic stability, and to a greater susceptibility to the tumor development. However, in the case of the acute and chronic pathologies (such as inflammation, ischemia, etc.) the role of PARP-1 becomes «negative», and its activation worsens the course of the disease. PARP-1 inhibitors could be used in this way as medications that reduce the severity of the pathological process. This PARP «dualism» seems promising for distinguishing the processes of development of age-related diseases and successful aging.

Key words: poly(ADP-ribosyl)ation, stationary phase aging, DNA damage, PARP-1 inhibitors, poly(ADP-ribose) polymerase, genome stability, health food, cytogerontology

Известно, что уровень повреждения ДНК увеличивается с возрастом. Этот феномен лежит в основе, например, свободнорадикаль-ной теории старения Д. Хармана, согласно которой старение и возрастные дегенеративные заболевания связаны, в основном, с воздействием свободных радикалов на различные компоненты клетки [1].

Целостности генома постоянно угрожают повреждения ДНК, вызванные различными экзо- и эндогенными факторами. Образующиеся в патологических условиях окислительные радикалы повреждают различные клеточные структуры, включая ДНК. Выживание клетки зависит от немедленного распознавания этих повреждений и быстрой мобилизации факторов репарации. Важную роль в поддержании целостности генома играют представители семейства поли(Д0Р-рибоза)-полимераз (PARP), основным из которых является ядерный фермент PARP-1, активирующийся в ответ на повреждения ДНК. PARP-1, распознавая такие повреждения, взаимодействует с белковым комплексом эксцизионной репарации ДНК, обеспечивает временную защиту образовавшихся при повреждении ДНК разрывов, изменяет структуру хроматина за счет модификации гистонов и, возможно, участвует в генерации сигналов о повреждении ДНК в клетке [2]. Помимо репарации ДНК PARP-1 также модулирует процессы экспрессии и амплификации генов, пролиферации, дифференциров-ки и программируемой клеточной гибели [2]. Известно, что повреждения генома могут способствовать развитию опухолей [3]. У мышей PARP-1-'- спонтанные опухоли развиваются в более раннем возрасте; по сравнению с животными дикого типа у них повышена чувствительность к действию канцерогенов, а также ускорено старение и снижены средняя и максимальная продолжительность жизни [4,5]. В этом случае PARP-1, благодаря своей роли в поддержании стабильности генома, действует как фактор, препятствующий возникновению спонтанных и индуцированных опухолей.

XXII МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

Однако роль PARP-1 нельзя считать однозначно положительной. Так, согласно так называемой «суицидной гипотезе» клеточной гибели, ДНК-повреждающие агенты вызывают сверхактивацию PARP-1, что приводит к истощению запасов NAD+ и ATP, подавлению энергозависимых процессов, таких как гликолиз и митохондриальное дыхание, и, в конечном итоге, к некрозу [6,7]. Также PARP-1 участвует и в каспаза-независимом апоптозе («parthanatos»), связанном с транслокацией апоптоз-индуцирующего фактора в ядро [8]. Таким образом, в условиях патологии активность PARP-1 будет оказывать негативное воздействие на клетку, истощая запасы NAD и ATP и способствуя экспрессии воспалительных цитокинов. Этот «дуализм» представляется перспективным для разграничения процессов развития возрастных заболеваний и «нормального» старения (successful aging).

На животных и клеточных моделях патологий было продемонстрировано защитное действие ингибиторов PARP-1. В настоящее время препараты на основе ингибиторов PARP активно внедряются в клиническую практику для лечения самых разных возрастных заболеваний: сердечно-сосудистой дисфункции, воспаления, ишемии, диабета и др. Также рядом фармакологических компаний проводятся клинические испытания препаратов на основе ингибиторов PARP-1 для терапии (преимущественно адъювантной) различных типов онкологических заболеваний, поскольку они значительно усиливают эффективность различных противоопухолевых препаратов, а также радиотерапии [9]. Еще одним возможным способом подавления активности PARP-1 является ингибирование противоположного ему фермента - поли(ADP-рибоза)-гликогидролазы. Это объясняется тем, что поли(ADP-рибозой) модифицируется, в первую очередь, сама PARP-1, теряя при этом сродство к поврежденной ДНК. Ингибиторами поли(ADP-рибоза)-гликогидролазы, кроме химических, таких как ADP-гидроксиметилпирролидиндиол, является ряд природных веществ (танины, галлаты, лигнин и др.) [10].

Таким образом, мы предполагаем, что активность PARP при базовом уровне повреждений (в том числе при их постепенном/медленном накоплении с «возрастом» в стационарной культуре в рамках модели накопления повреждений в неделящихся клетках целого организма, предложенной одним из авторов данной статьи) не будет играть роковой для клетки роли. Ее резко негативное воздействие на жизнеспособность клетки начинается лишь при массированном повреждении ДНК (например, в моделях воспалении или при радио-и химиотерапии).

Ранее в своих исследованиях мы выяснили, что с «возрастом» стационарной культуры фибробластоподобных клеток китайского хомячка (ККХ) общая способность клеток к поли(ADP-рибозил)ированию снижается [11]. В связи с этим было интересно изучить, как повлияет вызванное добавлением 3-аминобензамида (0,5 мМ) угнетение активности PARP на рост и «стационарное старение» культуры ККХ. Мы показали, что в период с 6 (раннее плато) по 13 сут (соответствует ~40-50%-ной смертности) плотность «стационарно стареющей» культуры клеток ККХ существенно не изменяется по сравнению с таковой для контрольных клеток, культивируемых без ингибитора. Аналогичные результаты были получены с более специфическим ингибитором PARP, PJ34 (0,5 и 2 мМ). На основании полученных данных можно сделать вывод, что ингибирование PARP не ухудшает кинетику выживания ККХ в «стационарно стареющей» культуре.

Более того, известно, что никотинамид, обладающий в том числе и PARP- ингибирующей активностью, также не ускоряет развитие «се-несцентного» фенотипа в диплоидных фибробластах человека, определяемого по морфологии клеток и активности ассоциированной со ста-рением-р-галактозидазы [12]. Мы показали также, что ингибиторами PARP являются также и природные вещества - флавоноиды, из которых наиболее сильным является байкалеин, вызывающий в концентрации 100 мкМ практически полное подавление активности PARP-1.

Таким образом, ингибирование PARP, приводящее к сохранению внутриклеточной концентрации NAD+, может играть важную роль в «антивозрастном» действии ингибиторов PARP-1 в условиях возрастных патологий. Кроме того, богатая PARP-1-ингибирующими фла-воноидами пища может быть средством профилактики ряда таких патологий, не имея при этом токсического для организма эффекта (лечебное питание). Поскольку развитие патологий и дисфункций различных систем органов может приобретать с возрастом хронический характер, разработка специфических ингибиторов, снижающих последствия именно сверхактивации PARP, представляются вполне целесообразной. Отдельным перспективным направлением, на наш взгляд, является поиск природных соединений, обладающих нужными свойствами.

ЛИТЕРАТУРА

1. Harman D. Aging: A theory based on free radical and radiation chemistry. J. Gerontol. 1956; 11 (3): 298-300.

2. Sukhanova M., Khodyreva S., Lavrik O. Poly(ADP-ribose) polymerase 1 regulates activity of DNA polymerase beta in long patch base excision repair. Mutat. Res. 2010; 685 (1-2): 80-89.

3. Анисимов В.Н. Молекулярные и физиологические механизмы старения. СПб: Наука, 2008.

4. Piskunova T.S., lurova M.N., Zabezhinskii M.A., Anisimov V.N. Poly(ADP-ribosa)polymerase - the relationships with life span and carcinogenesis. Adv. Gerontol. 2007; 20 (2): 82-90.

5. Пискунова Т.С., Забежинский М.Л., Попович И.Г. и др. Особенности канцерогенеза и старения у мышей-самцов, нокаутных по гену ПАРП-1. Вопр. онкол. 2010; 56 (3): 321-326.

6. Berger N.A. Poly(ADP-ribose) in the cellular response to DNA damage. Radiat. Res. 1985; 101 (1): 4-15.

7. Chiarugi A. Poly(ADP-ribose) polymerase: killer or conspirator? The 'suicide hypothesis' revisited. Trends Pharmacol. Sci. 2002; 23 (3): 122-129.

8. David K.K., Andrabi S.A., Dawson T.M., Dawson V.L. Parthanatos, a messenger of death. Front. Biosci. 2009; 14: 1116-1128.

9. Rouleau M., Patel A., Hendzel M.J. et al. PARP inhibition: PARP1 and beyond. Nat. Rev. Cancer. 2010; 10 (4): 293-301.

10. Formentini L., Arapistas P., Pittelli M. et al. Mono-galloyl glucose derivatives are potent poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) inhibitors and partially reduce PARP-1-dependent cell death. Br. J. Pharmacol. 2008; 155 (8): 1235-1249.

11. Shram S.I., Shilovsky G.A., Khokhlov A.N. Poly(ADP-ribose)-polymerase-1 and aging: experimental study of possible relationship on stationary cell cultures. Bull. Exp. Biol. Med. 2006; 141 (5): 628-632.

12. Matuoka K., Chen K.Y., Takenawa T. Rapid reversion of aging phenotypes by nicotinamide through possible modulation of histone acetylation. Cell. Mol. Life Sci. 2001; 58 (14): 2108-2116.

REFERENCES

1. Harman D. Aging: A theory based on free radical and radiation chemistry. J. Gerontol. 1956; 11 (3): 298-300.

2. Sukhanova M., Khodyreva S., Lavrik O. Poly(ADP-ribose) polymerase 1 regulates activity of DNA polymerase beta in long patch base excision repair. Mutat. Res. 2010; 685 (1-2): 80-89.

3. Anisimov V.N. Molecular and physiological mechanisms of aging. Saint Petersburg: Nauka, 2008.

4. Piskunova T.S., lurova M.N., Zabezhinskii M.A., Anisimov V.N. Poly(ADP-ribosa)polymerase - the relationships with life span and carcinogenesis. Adv. Gerontol. 2007; 20 (2): 82-90.

5. Piskunova T.S., Zabezhinskii M.A., Popovich I.G. et al. Features of carcinogenesis and aging in knockout male mice PARP-1. Vopr. Oncol. 2010; 56 (3): 321-326.

6. Berger N.A. Poly(ADP-ribose) in the cellular response to DNA damage. Radiat. Res. 1985; 101 (1): 4-15.

7. Chiarugi A. Poly(ADP-ribose) polymerase: killer or conspirator? The 'suicide hypothesis' revisited. Trends Pharmacol. Sci. 2002; 23 (3): 122-129.

8. David K.K., Andrabi S.A., Dawson T.M., Dawson V.L. Parthanatos, a messenger of death. Front. Biosci. 2009; 14: 1116-1128.

9. Rouleau M., Patel A., Hendzel M.J. et al. PARP inhibition: PARP1 and beyond. Nat. Rev. Cancer. 2010; 10 (4): 293-301.

10. Formentini L., Arapistas P., Pittelli M. et al. Mono-galloyl glucose derivatives are potent poly(ADP-ribose) glycohydrolase (PARG) inhibitors and partially reduce PARP-1-dependent cell death. Br. J. Pharmacol. 2008; 155 (8): 1235-1249.

11. Shram S.I., Shilovsky G.A., Khokhlov A.N. Poly(ADP-ribose)-polymerase-1 and aging: experimental study of possible relationship on stationary cell cultures. Bull. Exp. Biol. Med. 2006; 141 (5): 628-632.

12. Matuoka K., Chen K.Y., Takenawa T. Rapid reversion of aging phenotypes by nicotinamide through possible modulation of histone acetylation. Cell. Mol. Life Sci. 2001; 58 (14): 2108-2116.

Сведения об авторах:

Шиловский Григорий Александрович - ст. лаборант с в/о каф. генетики биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. 119234, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет МГУ. Тел.: 8 (495) 939-54-12. E-mail: gregory_sh@list.ru

Хохлов Александр Николаевич - заведующий сектором эволюционной цитогеронтологии биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. 119234, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, биологический факультет МГУ. Тел.: 8 (495) 939-15-90. E-mail: khokhlov@mail.bio.msu.ru

About the authors:

Shilovsky Grigoriy Alexandrovich - Engineer, Department of Genetics, School of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow. School of Biology, Lomonosov Moscow State University, 1-12 Leninskiye Gory, Moscow, 119234. Phone: 8 (495) 939-54-12. E-mail: gregory_sh@list.ru

Khokhlov Alexander Nikolaevich - Head of Evolutionary Cytogerontology Sector, School of Biology, Lomonosov Moscow State University, Moscow. School of Biology, Lomonosov Moscow State University, 1-12 Leninskiye Gory, Moscow, 119234. Phone: 8 (495) 939-15-90. E-mail: khokhlov@mail.bio.msu.ru

НОВЫЕ МЕТОДЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И ГЕРОПРОТЕКТОРОВ ДЛЯ ЛИЦ ПОЖИЛОГО ВОЗРАСТА Г.А. Шиловский1,2, Т.С. Путятина2, В.В. Ашапкин1, О.С. Лучкина3, Б.Ф. Ванюшин1

1 НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва;

2 Биологический факультет, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва 3 Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова, Москва

Измерение вариации имеет большое значение для изучения устойчивости изучаемых патологических явлений в старшем возрасте. Так как уравнение Гомпертца не достаточно точно описывает смертность в пожилых возрастах, для лечения больных пожилого возраста очень важно не только вычислить среднюю смертность, но и изучить ее устойчивость во времени и размер флуктуации, показателем которых является коэффициент вариации продолжительности жизни (КВ ПЖ). Учитывая размах показателей относительно средней величины, КВ выявляет характер рассеяния отдельных значений признака вокруг этих центров. Например, в популяции японцев значение отношения смертности в момент времени, когда в живых остается 5% от исходной когорты, к средней за весь исследованный период значительно превышает таковой у шведов (23,5 и 13,5, а КВ равен 16,1% и 37,1%, соответственно). Таким образом, популяция японцев более однородна по смертности, чем популяция шведов, т.е. смертность японцев более «устойчива» во времени. Изучение параметров кривых выживания людей в пожилом возрасте и долгожителей дает информацию о влиянии ге-ропротекторов и образа жизни, а также фундаментальную основу для разработки рекомендаций для клинических и лабораторных исследований.

Ключевые слова: старение, продолжительность жизни, кривые выживания, уравнение Гомпертца, коэффициент вариации NEW TESTING METHODS OF MEDICAMENTS AND GEROPROTECTORS FOR PEOPLE OFADVANCED AGE G.A. Shilovsky1,2, T.S. Putyatina2, V.V. Ashapkin1, O.S. Luchkina3, B.F. Vanyushin

1 Lomonosov Moscow State University, Belozersky Institute of Physico-Chemical Biology, Moscow 119991, Russia;

2 Lomonosov Moscow State University, Faculty of Biology, Moscow 119991, Russia

3 Severtsov Institute of Ecology and Evolution, Russian Academy of Sciences, Moscow

Measurement of variation is of a great importance for studying the stability of pathological phenomena and processes. Since the Gompertz equation is not accurate enough to describe the mortality at the advanced age it is very important not only to obtain an average mortality, but also to study its stability in time and the size of the fluctuations that are indicated by coefficient of variation (CV). CV takes into account the indicator range relative to the average, thus revealing the nature of scattering of individual values around these centers. For example, in the Japanese population the mortality ratio at the time when 5% of the original cohort remains alive to the average for the entire period studied is significantly higher than that of the Swedes (23.5 and 13.5, respectively, CV being 16.1% and 37.1%, respectively). Thus, the Japanese population is more homogeneous in mortality than the Swedish population. The mortality of the Japanese is more «stable» in time. Studying the survival curve parameters in people of old age vs long-livers gives information about the effect of geroprotectors and the lifestyle, and provides a fundamental basis for developing recommendations for clinical and laboratory research.

Key words: aging, lifespan, survival curves, Gompertz equation, coefficient of variation

Проверяя известное утверждение, что разброс индивидуальной ПЖ значительно превышает разброс событий, связанных с программой развития, Гаврилов показал, что изменчивость (коэффициент вариации, КВ) событий программы развития (возраст начала полового созревания) (КВ = 8-13%) и параметров старения (возраст начала менопаузы (КВ = 7-11%) и смерти (КВ = 16-21%) имеет сходную величину [1]. Полученные данные имеют важное значение для изучения вопроса о запрограммированности старения [2].

Цели и задачи исследования: определение эффективности геропротекторов требует знания о поведении кривых смертности в старших возрастах. Известное уравнение Гомпертца не всегда адекватно описывает поведение кривых выживания в этом участке кривой [3]. Еще один его недостаток - учет смертности лишь на уровне популяции. Для всех людей в одном возрастном интервале вероятность гибели считается одинаковой. И хотя, например, измерение метилирования определенных локусов в ДНК позволяет определять биологический, а не паспортный возраст [4], успешных попыток преодолеть это несоответствие с их помощью пока не предпринималось.

Методы и результаты исследования: мы оценивали преимущества разных подходов, сравнивая динамику статистических параметров распределения ПЖ человека в старших возрастах по данным Human Mortality Database (http://www. mortality.org/) и Института Макса Планка (ФРГ) [5]. В настоящей работе мы анализировали уровень изменчивости (КВ) распределения ПЖ у японцев, шведов и ин-дейцев-аче.

Так, отклонения ПЖ отдельных людей, находящихся в одном возрастном интервале, а стало быть, вероятность гибели которых по определению одинакова, вызваны не общими условиями и причинами, а индивидуальными обстоятельствами жизни людей, состоянием их здоровья и т.д. Так, для качественно однородной совокупности характерна вариация в узких границах. Чем меньше КВ, тем качественно однороднее совокупность, и тем типичнее и объективнее средняя величина, характеризующая ее.

Заключение: рассчитанные КВ свидетельствуют о более сильной вариации ПЖ у шведов (37,1%) и индейцев (54,5%) по сравнению с японцами (16,1 %), несмотря на больший размах ПЖ у последних [6]. Таким образом, КВ является объективной характеристикой популяции в целом, показывая, что популяция японцев как совокупность более однородна (для сравнения, у Гаврилова КВ ПЖ американцев = 20,5% [1]. Сравнение напрямую уровня смертности в конечном интервале со средним за весь изученный период в разных популяциях иногда приводит к иному выводу, чем сопоставление относительных показателей вариации [6]. В зависимости от однородности популяции вариа-