Старение остается одной из величайших загадок биологии. Среди множества гипотез, объясняющих этот процесс, особое место занимает теория накопления повреждений ДНК. Исследование, опубликованное в журнале Cell, проливает свет на эволюционные механизмы, связывающие эффективность репарации двуцепочечных разрывов ДНК (DSB) с максимальной продолжительностью жизни (MLS) у млекопитающих. Ученые из Рочестерского университета (США) провели масштабный сравнительный анализ 18 видов грызунов, выявив критическую роль белка SIRT6 в поддержании геномной стабильности и определении видового долголетия.
ДНК-репарация и старение: два пути, две судьбы
Повреждения ДНК — неизбежное следствие метаболических процессов и воздействия внешних факторов. Среди всех типов повреждений двуцепочечные разрывы (DSB) считаются наиболее опасными, так как их неправильное восстановление ведет к хромосомным перестройкам, онкогенезу и клеточному старению. Эволюция «научила» организмы бороться с этими повреждениями через два основных механизма: гомологичную рекомбинацию (HR) и негомологичное соединение концов (NHEJ). Однако до сих пор оставалось неясным, как эти системы связаны с видовой продолжительностью жизни.
Используя уникальную панель из 18 видов грызунов с MLS от 3 до 32 лет (например, мышь — 4 года, голый землекоп — 32 года), ученые провели системный анализ двух ключевых путей репарации:
Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), устраняющая повреждения от ультрафиолета (УФ).
Репарация DSB через NHEJ и HR.
ДНК-репарация и старение: два пути, две судьбы
Повреждения ДНК — неизбежное следствие метаболических процессов и воздействия внешних факторов. Среди всех типов повреждений двуцепочечные разрывы (DSB) считаются наиболее опасными, так как их неправильное восстановление ведет к хромосомным перестройкам, онкогенезу и клеточному старению. Эволюция «научила» организмы бороться с этими повреждениями через два основных механизма: гомологичную рекомбинацию (HR) и негомологичное соединение концов (NHEJ). Однако до сих пор оставалось неясным, как эти системы связаны с видовой продолжительностью жизни.
Используя уникальную панель из 18 видов грызунов с MLS от 3 до 32 лет (например, мышь — 4 года, голый землекоп — 32 года), ученые провели системный анализ двух ключевых путей репарации:
Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), устраняющая повреждения от ультрафиолета (УФ).
Репарация DSB через NHEJ и HR.
Результаты оказались неожиданными:
NER не коррелировала с MLS, но зависела от уровня инсоляции. Виды, активные днем (например, белки), демонстрировали более эффективный NER, чем ночные (слепыши) или подземные (голые землекопы) виды. Это подтвердилось в тестах на выживаемость после УФ-облучения (LD50 для высокоактивных видов — 180 Дж/м² против 60 Дж/м² у низкоактивных).
DSB-репарация, напротив, четко коррелировала с долголетием. У долгоживущих видов, таких как бобер (MLS=24 года), эффективность NHEJ и HR в фибробластах кожи и легких была в 3-5 раз выше, чем у короткоживущих мышей. Например, после 8 Гр γ-облучения клетки бобра устраняли 90% очагов γH2AX/53BP1 за 24 часа, тогда как мышиные клетки — лишь 50%.
SIRT6: молекулярный «дирижер» репарации DSB
Чтобы раскрыть механизм усиления DSB-репарации у долгоживущих видов, ученые сфокусировались на сиртуине 6 (SIRT6) — белке из семейства NAD+-зависимых деацетилаз, известном своей ролью в стабилизации генома. Ранее было показано, что SIRT6 активирует PARP1, критический фермент репарации DSB, и его сверхэкспрессия продлевает жизнь мышей.
Сравнительный анализ SIRT6 у 18 видов выявил:
Активность SIRT6 в стимулировании NHEJ и HR сильно коррелирует с MLS (r²=0.54–0.64). Например, SIRT6 бобра увеличивал эффективность NHEJ в мышиных клетках в 4.2 раза, тогда как мышиный SIRT6 — лишь в 1.5 раза.
Эволюционные изменения сосредоточены в С-концевом домене белка. Замена всего пяти аминокислот (H235Q, Q249H, E260K, T263S, R264Q) превращала «слабый» мышиный SIRT6 в «сильный» бобровый, и наоборот. Эти аминокислоты расположены на поверхности белка, влияя на связывание с нуклеосомами и активность фермента.
Биохимические эксперименты подтвердили, что бобровый SIRT6 обладает повышенной:
Деацетилазной активностью по отношению к гистоновым меткам H3K9ac, H3K18ac и H3K56ac.
Моно-АДФ-рибозилтрансферазной активностью, усиливающей PARP1.
Сродством к субстрату: Km для NAD+ у бобрового SIRT6 составил 138.6 мкМ против 150.9 мкМ у мышиного.
От лаборатории к долголетию: SIRT6 в действии
Чтобы проверить физиологическую значимость этих различий, ученые провели эксперименты на клеточных моделях и Drosophila melanogaster:
Клеточное старение: Нокаут SIRT6 в человеческих фибробластах резко повышал чувствительность к γ-облучению и число β-галактозидаз-позитивных (сенесцентных) клеток. Однако экспрессия бобрового SIRT6 снижала долю сенесцентных клеток после 5 Гр облучения с 60% до 20%, тогда как мышиный белок — лишь до 45%.
Продление жизни дрозофил: Трансгенные линии, экспрессирующие бобровый SIRT6 под контролем индуцибельного промотера, показали увеличение медианной продолжительности жизни на 17.7% (с 56 до 73 дней) при активации у взрослых особей. Замена пяти ключевых аминокислот сводила этот эффект к 8.9%.
Эволюционные и медицинские перспективы
Это исследование впервые демонстрирует, что естественный отбор оптимизировал DSB-репарацию у долгоживущих видов через усиление функций SIRT6. Интересно, что такие изменения возникли конвергентно у неродственных видов (например, бобров и голых землекопов), что подчеркивает универсальность этого механизма.
Практическое применение открытия многогранно:
Разработка активаторов SIRT6, имитирующих «долгоживущие» варианты белка, может стать новой стратегией в борьбе с возрастными заболеваниями и раком.
Генетический скрининг полиморфизмов в гене SIRT6 поможет прогнозировать индивидуальную склонность к старению.
Модели на грызунах с «улучшенным» SIRT6 позволят тестировать антивозрастные терапии.
«Наше исследование показывает, что эволюция уже нашла способы оптимизировать репарацию ДНК для долголетия. Теперь задача — перенести эти решения в медицину», — резюмирует Вера Горбунова, соавтор работы.
Заключение
Открытие пяти аминокислот, определяющих активность SIRT6, не только углубляет понимание молекулярных основ старения, но и открывает путь для целевой модуляции этого белка. В перспективе это может привести к созданию терапий, замедляющих старение и снижающих онкологические риски через усиление врожденных механизмов защиты генома.
NER не коррелировала с MLS, но зависела от уровня инсоляции. Виды, активные днем (например, белки), демонстрировали более эффективный NER, чем ночные (слепыши) или подземные (голые землекопы) виды. Это подтвердилось в тестах на выживаемость после УФ-облучения (LD50 для высокоактивных видов — 180 Дж/м² против 60 Дж/м² у низкоактивных).
DSB-репарация, напротив, четко коррелировала с долголетием. У долгоживущих видов, таких как бобер (MLS=24 года), эффективность NHEJ и HR в фибробластах кожи и легких была в 3-5 раз выше, чем у короткоживущих мышей. Например, после 8 Гр γ-облучения клетки бобра устраняли 90% очагов γH2AX/53BP1 за 24 часа, тогда как мышиные клетки — лишь 50%.
SIRT6: молекулярный «дирижер» репарации DSB
Чтобы раскрыть механизм усиления DSB-репарации у долгоживущих видов, ученые сфокусировались на сиртуине 6 (SIRT6) — белке из семейства NAD+-зависимых деацетилаз, известном своей ролью в стабилизации генома. Ранее было показано, что SIRT6 активирует PARP1, критический фермент репарации DSB, и его сверхэкспрессия продлевает жизнь мышей.
Сравнительный анализ SIRT6 у 18 видов выявил:
Активность SIRT6 в стимулировании NHEJ и HR сильно коррелирует с MLS (r²=0.54–0.64). Например, SIRT6 бобра увеличивал эффективность NHEJ в мышиных клетках в 4.2 раза, тогда как мышиный SIRT6 — лишь в 1.5 раза.
Эволюционные изменения сосредоточены в С-концевом домене белка. Замена всего пяти аминокислот (H235Q, Q249H, E260K, T263S, R264Q) превращала «слабый» мышиный SIRT6 в «сильный» бобровый, и наоборот. Эти аминокислоты расположены на поверхности белка, влияя на связывание с нуклеосомами и активность фермента.
Биохимические эксперименты подтвердили, что бобровый SIRT6 обладает повышенной:
Деацетилазной активностью по отношению к гистоновым меткам H3K9ac, H3K18ac и H3K56ac.
Моно-АДФ-рибозилтрансферазной активностью, усиливающей PARP1.
Сродством к субстрату: Km для NAD+ у бобрового SIRT6 составил 138.6 мкМ против 150.9 мкМ у мышиного.
От лаборатории к долголетию: SIRT6 в действии
Чтобы проверить физиологическую значимость этих различий, ученые провели эксперименты на клеточных моделях и Drosophila melanogaster:
Клеточное старение: Нокаут SIRT6 в человеческих фибробластах резко повышал чувствительность к γ-облучению и число β-галактозидаз-позитивных (сенесцентных) клеток. Однако экспрессия бобрового SIRT6 снижала долю сенесцентных клеток после 5 Гр облучения с 60% до 20%, тогда как мышиный белок — лишь до 45%.
Продление жизни дрозофил: Трансгенные линии, экспрессирующие бобровый SIRT6 под контролем индуцибельного промотера, показали увеличение медианной продолжительности жизни на 17.7% (с 56 до 73 дней) при активации у взрослых особей. Замена пяти ключевых аминокислот сводила этот эффект к 8.9%.
Эволюционные и медицинские перспективы
Это исследование впервые демонстрирует, что естественный отбор оптимизировал DSB-репарацию у долгоживущих видов через усиление функций SIRT6. Интересно, что такие изменения возникли конвергентно у неродственных видов (например, бобров и голых землекопов), что подчеркивает универсальность этого механизма.
Практическое применение открытия многогранно:
Разработка активаторов SIRT6, имитирующих «долгоживущие» варианты белка, может стать новой стратегией в борьбе с возрастными заболеваниями и раком.
Генетический скрининг полиморфизмов в гене SIRT6 поможет прогнозировать индивидуальную склонность к старению.
Модели на грызунах с «улучшенным» SIRT6 позволят тестировать антивозрастные терапии.
«Наше исследование показывает, что эволюция уже нашла способы оптимизировать репарацию ДНК для долголетия. Теперь задача — перенести эти решения в медицину», — резюмирует Вера Горбунова, соавтор работы.
Заключение
Открытие пяти аминокислот, определяющих активность SIRT6, не только углубляет понимание молекулярных основ старения, но и открывает путь для целевой модуляции этого белка. В перспективе это может привести к созданию терапий, замедляющих старение и снижающих онкологические риски через усиление врожденных механизмов защиты генома.
Датапубликации: 06.02.2025
Первоисточник:
Tian X. et al. SIRT6 Is Responsible for More Efficient DNA Double-Strand Break Repair in Long-Lived Species. Cell. 2019 Apr 18;177(3):622-638.e22. doi: 10.1016/j.cell.2019.03.043. PMID: 31002797; PMCID: PMC6499390.
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30344-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867419303447%3Fshowall%3Dtrue
Первоисточник:
Tian X. et al. SIRT6 Is Responsible for More Efficient DNA Double-Strand Break Repair in Long-Lived Species. Cell. 2019 Apr 18;177(3):622-638.e22. doi: 10.1016/j.cell.2019.03.043. PMID: 31002797; PMCID: PMC6499390.
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(19)30344-7?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS0092867419303447%3Fshowall%3Dtrue