Старение может ускоряться, когда мышцы перестают «разговаривать» с мозгом

Учёные обнаружили белок, через который мышцы помогают мозгу управлять обменом веществ. Его восстановление продлило жизнь старых мышей.

Мышцы не только двигают тело, но и передают сигналы

Обычно пользу мышц объясняют их механическими функциями. Сильные мышцы позволяют ходить, поднимать предметы, сохранять равновесие и предотвращать падения. Кроме того, мышечная ткань активно участвует в расходовании энергии и обмене глюкозы.

Однако у неё есть ещё одна функция — эндокринная. Мышцы выделяют в кровь биологически активные вещества, которые способны воздействовать на другие ткани и органы. Такие сигнальные молекулы часто называют миокинами.

Исследователи Kentaro Mori и Shin-ichiro Imai решили выяснить, существуют ли среди них вещества, связывающие состояние мышц с работой мозга и продолжительностью жизни.

Они сравнили активность генов в скелетных мышцах молодых мышей возрастом 4-6 месяцев и старых животных возрастом около 24 месяцев.

Особое внимание уделялось генам, отвечающим за производство белков, которые могут выделяться из мышечных клеток.

Среди найденных кандидатов выделялся белок mimecan, также связанный с геном остеоглицина (OGN).

Его содержание в мышцах и крови постепенно снижалось по мере старения животных.

Возник вопрос: является ли это снижение лишь одним из многочисленных признаков старения или потеря mimecan сама способствует нарушениям в организме?

Неожиданная связь между мышцами и нейронными «антеннами»

Чтобы понять роль mimecan, необходимо обратиться к гипоталамусу — небольшой области головного мозга, участвующей в регулировании температуры тела, энергетического обмена и других жизненно важных процессов.

Учёные обнаружили, что действие мышечного белка связано с определённой группой нейронов гипоталамуса, несущих рецептор MC4R.

Это белок-рецептор, участвующий в нейронной регуляции энергетического баланса организма.

На поверхности таких нейронов имеются первичные реснички — микроскопические клеточные структуры, напоминающие антенны.

В отличие от ресничек, которые обеспечивают движение жидкости по поверхности некоторых тканей, первичные реснички преимущественно выполняют сигнальную функцию. Они помогают клеткам воспринимать и обрабатывать молекулярные сигналы.

Именно здесь исследователи обнаружили важную возрастную закономерность.

У молодых мышей первичные реснички соответствующих нейронов были длиннее. У старых животных они укорачивались, одновременно со снижением уровня mimecan.

Когда исследователи экспериментально повышали содержание mimecan у старых мышей, длина ресничек восстанавливалась до значений, близких к показателям молодых животных.

Это сопровождалось улучшением работы нейронной системы, управляющей бурой жировой тканью.

Получается, что один из возрастных процессов связан не только с изменениями внутри мозга, но и с ослаблением сигналов, поступающих к нему от мышц.

Зачем мозгу нужен бурый жир

Большинству людей знаком белый жир — ткань, которая накапливает энергетические запасы.

Бурый жир выполняет другую задачу. Он способен активно расходовать энергию, превращая её в тепло.

Его клетки богаты митохондриями — структурами, в которых происходит преобразование энергии питательных веществ. Благодаря специальному белку UCP1 бурые жировые клетки могут использовать часть этой энергии непосредственно для производства тепла.

У мышей бурый жир играет особенно важную роль в поддержании температуры тела.

У человека он тоже существует, включая взрослый возраст, хотя его количество, активность и вклад в общий энергетический обмен отличаются от показателей лабораторных грызунов.

Работу бурой жировой ткани регулирует симпатическая нервная система. Она передаёт сигналы из центральной нервной системы к периферическим органам.

Исследование показало, что mimecan участвует в поддержании следующей последовательности:

• Скелетные мышцы выделяют mimecan в кровь.
• Этот белок участвует в сохранении первичных ресничек определённых нейронов гипоталамуса.
• Нейроны поддерживают симпатическую стимуляцию бурой жировой ткани.
• Бурый жир производит тепло и помогает сохранять нормальные суточные колебания температуры тела.

Таким образом, мышцы оказываются частью системы, которая помогает мозгу управлять энергетическими процессами за пределами самой мышечной ткани.

Что произошло, когда учёные отключили мышечный сигнал

Одной корреляции между возрастом и уровнем mimecan было бы недостаточно для доказательства его функциональной роли.

Поэтому исследователи провели несколько независимых экспериментов.

Сначала они создали мышей, у которых можно было избирательно отключить производство mimecan в скелетных мышцах.

После отключения уровень белка в мышцах значительно снизился, а его концентрация в крови уменьшилась примерно на 44%.

У животных ухудшилась работа бурой жировой ткани и нарушились характерные суточные колебания температуры тела. Эти изменения напоминали нарушения, наблюдаемые у старых мышей.

Затем исследователи провели обратный эксперимент.

С помощью вирусного вектора, доставляющего генетический материал в клетки, они повысили производство mimecan в мышцах пожилых животных. Концентрация белка в крови вернулась к уровню, характерному для молодых мышей.

После этого улучшились терморегуляция, активность бурого жира и некоторые показатели обмена глюкозы.

Но наиболее убедительным оказалось другое наблюдение.

Когда учёные подавляли работу рецептора MC4R в соответствующих областях гипоталамуса, положительное влияние повышенного mimecan на бурый жир исчезало.

Аналогичный результат наблюдался при нарушении функции первичных ресничек нейронов.

Это позволило показать, что обнаруженная нейронная система действительно необходима для наблюдаемого эффекта mimecan на терморегуляцию.

Насколько дольше прожили мыши

Главный вопрос заключался в том, могут ли изменения в работе этой сигнальной системы повлиять не только на обмен веществ, но и на продолжительность жизни.

Для проверки исследователи использовали старых самок мышей, начиная эксперимент в возрасте 19 месяцев.

В исследовании продолжительности жизни участвовали две группы по 40 животных.

В одной группе экспериментально повысили производство mimecan в скелетных мышцах. Вторая служила контролем.

Результат оказался статистически значимым.

Медианная продолжительность жизни мышей с восстановленным уровнем mimecan увеличилась примерно на 7% по сравнению с контрольной группой.

Медиана означает возраст, до которого доживает половина животных. Этот показатель позволяет сравнивать выживаемость между группами, не ориентируясь только на отдельных долгожителей.

Исследователи также обнаружили увеличение средней продолжительности жизни и показателей долголетия среди наиболее долго живших животных.

Кроме того, у животных с повышенным mimecan снижалась возрастная смертность.

Однако здесь важно различать два результата.

Эксперименты убедительно показали участие mimecan в регуляции работы бурого жира. Отдельный эксперимент продемонстрировал увеличение продолжительности жизни после восстановления этого белка.

Но исследование не доказало, что продление жизни происходило исключительно благодаря улучшению терморегуляции. Авторы допускают существование других, пока неизвестных эффектов mimecan.

Может ли физическая активность поддерживать эту систему

Особенно интересной оказалась заключительная часть исследования.

Учёные предоставили мышам возможность добровольно бегать в колесе и наблюдали, как это влияет на исследуемую сигнальную систему.

У животных, которые регулярно двигались, уровень mimecan в крови сохранялся лучше, тогда как у малоподвижных контрольных мышей продолжал снижаться.

Одновременно у активных животных лучше поддерживались суточные колебания температуры тела и некоторые показатели работы бурой жировой ткани.

Затем исследователи проверили, необходим ли mimecan для такого эффекта физической активности.

У генетически модифицированных мышей, не способных нормально производить этот белок в скелетных мышцах, бег в колесе уже не обеспечивал аналогичного улучшения терморегуляции.

Это важный результат: он указывает, что mimecan участвует в определённом физиологическом ответе организма на физическую активность.

Однако исследование не показало, что бег продлевает жизнь мышей именно через mimecan. Эксперименты с физической активностью оценивали прежде всего содержание белка и функцию терморегуляции, а не продолжительность жизни.

Тем более нельзя автоматически переносить этот результат на людей.

Почему открытие пока не стало методом замедления старения

У нового механизма есть несколько существенных ограничений.

Во-первых, все основные эксперименты проведены на мышах. Хотя мыши и люди имеют многие общие механизмы регулирования обмена веществ, их физиология заметно различается.

Особенно это касается бурой жировой ткани, которая у небольших млекопитающих играет гораздо более выраженную роль в производстве тепла.

Во-вторых, пока неизвестен точный способ, которым mimecan воздействует на нейроны гипоталамуса.

Исследователи установили функциональную связь, но не выяснили, достигает ли белок непосредственно этих нейронов или действует через промежуточные механизмы.

В-третьих, эксперимент по продолжительности жизни проводился на самках. Возможные различия между полами требуют дополнительного изучения.

Наконец, увеличение уровня mimecan с помощью экспериментальной генной доставки у мышей не означает, что аналогичный подход будет эффективным и безопасным у человека.

Для клинического применения необходимо сначала установить, существует ли у людей такая же функциональная цепь, как изменяется её активность с возрастом и можно ли воздействовать на неё без нежелательных последствий.

Пока mimecan нельзя рассматривать как доказанное средство продления жизни или практическую мишень для самостоятельных вмешательств.

При этом польза регулярной физической активности для здоровья человека подтверждена независимо от открытия этого белка.

Новое исследование добавляет возможное молекулярное объяснение некоторых эффектов движения, но не заменяет уже существующие научные данные.