Изучив процессы, происходящие в клетках кожи по мере их старения, ученые выяснили, что с возрастом стволовые клетки изменяют способ синтеза белков, в том числе производят больше молекул, связанных со стрессом и воспалением. Учитывая, что старение определяется не только генетикой, но и тем, как клетка реализует генетический код, это открытие может указать на новые возможности для замедления возрастных трансформаций тканей.
Долгое время процессы старения рассматривались главным образом с точки зрения активности генов: исследовалось, какие гены активируются, а какие постепенно дезактивируются. Тем не менее, между генетическим кодом и синтезированными белками существует еще один ключевой этап – трансляция. В ходе этого процесса рибосомы, клеточные «фабрики», считывают молекулы РНК и формируют белки. Эти белки выполняют почти все функции внутри клетки: создают её структуру, обеспечивают передачу сигналов, инициируют воспалительные процессы и восстанавливают повреждения.
Данный процесс критически важен для стволовых клеток кожи, обеспечивающих непрерывное обновление эпидермиса и способствующих регенерации тканей после травм. Известно, что молодые стволовые клетки, как правило, функционируют с минимальными затратами, производя ограниченное количество белков. Считается, что это позволяет им поддерживать молодость и сохранять способность к восстановлению. Однако до недавнего времени не было возможности отслеживать изменения в синтезе белков в отдельных клетках стареющей ткани.
Теперь исследователи из Университета Цюриха, расположенного в Швейцарии, создали технологию, позволяющую отслеживать функционирование рибосом непосредственно в клетках кожи мышей. Данный метод был назван in-vivo single-cell ribosome profiling. Метод базируется на оперативном прекращении процесса синтеза посредством вещества, которое блокирует перемещение рибосом вдоль молекул РНК. Дальнейший анализ РНК позволил составить детальную схему синтеза белков.
После изучения почти двух тысяч клеток эпидермиса, среди которых были стволовые, клетки волосяных фолликулов и иммунные клетки, ученые выяснили, что различные типы клеток кожи по-разному используют систему синтеза белков. В частности, у старых животных наблюдались значительные изменения в работе некоторых механизмов стволовых клеток.
Наиболее удивительными оказались трансформации, происходящие в уже сформировавшихся стволовых клетках. Исследования показали, что с возрастом значительно возрастает выработка белков AP-1 — молекул, вовлеченных в процессы реагирования на стресс, воспаления и повреждения тканей. При этом концентрация соответствующих молекул РНК практически не изменялась. Это указывает на то, что клетки не начали производить больше генетических указаний, а стали более эффективно применять имеющиеся для создания белков. Таким образом, старение, возможно, контролируется, среди прочего, посредством системы синтеза белка.
Ученых заинтересовал белок JUN, который является важной частью комплекса AP-1. В стареющей коже его концентрация значительно увеличивалась, преимущественно в ядрах стволовых клеток. Похожая закономерность была выявлена и при изучении кожи человека: уровень JUN также повышался с возрастом. Исследователи полагают, что это может свидетельствовать о том, что стареющие клетки переходят в состояние постоянного стресса и готовности к воспалению.
Ученые также обнаружили противоположную тенденцию: выработка некоторых белков, необходимых для поддержания здоровья кожи, снижалась. В их числе оказался E-cadherin – вещество, обеспечивающее надежное сцепление клеток между собой. Уменьшение его синтеза может, вероятно, объяснить, почему у пожилых людей кожа медленнее заживает после травм.
Предложенный подход позволит исследовать процессы старения и другие явления, обусловленные дефектами в синтезе белков, такие как онкология и нейродегенеративные расстройства. В перспективе, возможность регулирования этих механизмов может открыть путь к разработке методов, направленных на сохранение функциональности тканей в период старения. Опубликованы результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Cell.