Старые клетки накапливаются не только потому, что их становится больше

С возрастом иммунная система хуже убирает сенесцентные клетки — и исследователи нашли один из механизмов этого сбоя

Сенесцентные клетки часто называют «зомби-клетками». Сравнение эффектное, хотя биологически не совсем точное.

Это клетки, которые в ответ на повреждение или стресс прекращают нормальное деление, но не погибают. Более того, они продолжают активно взаимодействовать с окружающими тканями и выделяют множество сигнальных молекул.

В молодом организме это не обязательно плохо. Клеточная сенесценция участвует, например, в реакции на повреждение тканей. Проблема возникает, когда такие клетки задерживаются надолго.

Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Aging, показывает, почему с возрастом это может происходить чаще. Оказывается, стареют не только клетки, которые нужно убрать. Стареет и сама система уборки.

Сенесцентная клетка — не просто клеточный мусор

Представьте повреждённую клетку, которая получила команду больше не делиться. Это защитный механизм: потенциально опасной клетке не позволяют продолжать размножение.

Одновременно она начинает выделять целый набор белков, воспалительных молекул и других сигналов. Этот комплекс называют SASP — senescence-associated secretory phenotype, или секреторным фенотипом, связанным с сенесценцией.

Часть этих сигналов привлекает иммунные клетки. Среди них — макрофаги, крупные клетки иммунной системы, способные распознавать, поглощать и утилизировать ненужные клетки и клеточные остатки.

В нормальной ситуации получается последовательность:

клетка повреждается → переходит в состояние сенесценции → подаёт сигналы → иммунная система её удаляет.

С возрастом последний этап начинает работать хуже.

Именно здесь исследователи обнаружили дополнительный механизм проблемы.

Внутри клетки существует система выборочной переработки белков

Авторы работы изучали шаперон-опосредованную аутофагию — chaperone-mediated autophagy, или CMA.

Слово «аутофагия» обычно переводят как «самопоедание», но в данном случае полезнее представить клеточную систему сортировки и переработки.

CMA не уничтожает клетку целиком. Она избирательно распознаёт определённые белки и доставляет их в лизосомы — клеточные структуры, где эти белки расщепляются.

Для этого белок сначала распознаётся молекулярным шапероном HSC70, а затем взаимодействует с рецептором LAMP2A на мембране лизосомы. После этого белок перемещается внутрь лизосомы и разрушается.

Это не просто уборка испорченных белков. CMA участвует в регулировании обмена веществ, клеточного цикла и других процессов. Из предыдущих исследований известно, что её активность во многих тканях с возрастом снижается.

Авторы решили проверить, что происходит, когда этот механизм начинает хуже работать одновременно в сенесцентных клетках и в иммунных клетках, которые должны их удалять.

Исследователи нарушили систему уборки на двух уровнях

Работа состояла из нескольких взаимосвязанных экспериментов.

Учёные использовали молодые и старые клетки мышей, генетически снижали активность CMA, анализировали белки, метаболиты и вещества, выделяемые сенесцентными клетками. Отдельно они исследовали макрофаги молодых и старых животных.

Затем механизм проверяли непосредственно на мышах.

Это позволило увидеть не просто статистическую связь между старением и CMA, а проследить цепочку событий.

Первое важное наблюдение: старые клетки уже исходно имели более низкую активность CMA и, в отличие от молодых, не могли нормально повысить её после запуска сенесценции.

При этом потеря CMA сама по себе не превращала клетку полностью в сенесцентную. Она меняла то, как клетка проходила этот процесс.

И это различие оказалось принципиальным.

Старые клетки начинают отправлять другой набор сигналов

Когда CMA работала плохо, в клетках изменялись белковый состав, метаболизм и система секреции.

Особенно важным оказался SASP — тот самый набор веществ, который сенесцентная клетка выделяет во внешнюю среду.

У клеток с нарушенной CMA этот секреторный профиль становился другим. Он сильнее способствовал развитию сенесцентных признаков у соседних клеток и содержал изменения в молекулах, регулирующих иммунную реакцию.

В экспериментах среда, полученная от таких клеток, действительно вызывала признаки сенесценции у ранее нормальных фибробластов.

Но затем обнаружилось нечто ещё более интересное.

Эти сигналы действовали не только на соседние клетки.

Они мешали работе макрофагов.

Вот где возникает порочный круг старения

У макрофагов старых мышей активность CMA была заметно ниже, чем у молодых животных.

Более того, вещества, выделяемые сенесцентными клетками, дополнительно подавляли CMA даже в молодых макрофагах. Особенно сильным этот эффект становился, если у самих сенесцентных клеток CMA уже была нарушена.

Получается замкнутая система:

возраст снижает CMA → сенесцентные клетки меняют свои сигналы → эти сигналы дополнительно ухудшают CMA в макрофагах → макрофаги хуже удаляют сенесцентные клетки → таких клеток становится больше → их изменённые сигналы продолжают воздействовать на иммунную систему.

Почему макрофаг перестаёт нормально «есть» старые клетки

Исследователи пошли ещё глубже и попытались понять, что именно ломается в макрофаге.

При нарушении CMA снижалась его способность к фагоцитозу — поглощению клеток и частиц. При этом другой способ захвата вещества из окружающей среды существенно не страдал, то есть проблема не выглядела как общее выключение всей системы поглощения.

Одной из ключевых молекул оказался SIRPα.

Она участвует в системе распознавания сигнала CD47, который условно можно перевести как «не ешь меня». Когда этот сигнал активен, макрофаг получает команду не поглощать клетку.

При нормальной работе CMA система регулируется так, чтобы макрофаг мог переключиться на фагоцитоз. Но при недостаточной CMA уровень SIRPα повышался, усиливалась связанная с ним тормозящая передача сигнала и перестройка клеточного скелета, необходимая для поглощения клетки, становилась менее эффективной.

Проще говоря, проблема выглядит не как отсутствие «голодных» макрофагов.

Макрофаг присутствует, но получает слишком сильный тормозящий сигнал.

Когда исследователи сломали CMA только в макрофагах, старых клеток стало больше

Особенно убедительной частью работы стали эксперименты на животных.

Учёные создали мышей, у которых CMA была нарушена преимущественно в макрофагах и некоторых родственных миелоидных клетках.

У старых животных обнаруживалось больше признаков накопления сенесцентных клеток в нескольких тканях. Эффекты зависели от ткани и пола животных, поэтому говорить об одинаковой реакции всего организма нельзя.

Исследователи также использовали модель заживления ран.

Через 15 дней у мышей с нарушенной CMA в макрофагах раны оставались больше, закрывались медленнее, а в повреждённой ткани сохранялось больше клеток с маркером p21, связанным с сенесцентным состоянием. Причём макрофагов в области раны было не меньше, а больше.

Это важная деталь.

Проблема заключалась не просто в недостаточном количестве иммунных клеток. Их способность выполнить работу была нарушена.

Можно ли вернуть системе очистки часть утраченной функции

Следующий эксперимент потенциально самый интересный с терапевтической точки зрения — и одновременно тот, который особенно важно не переинтерпретировать.

Исследователи использовали экспериментальную малую молекулу CA77.1, активирующую CMA.

18-месячные мыши получали препарат в течение пяти месяцев. После этого у животных оценивали признаки клеточной сенесценции в разных тканях.

Активация CMA препятствовала возрастному увеличению ряда маркеров сенесценции в жировой ткани, печени и лёгких. Макрофаги старых животных после воздействия активатора также восстанавливали способность к фагоцитозу до уровня, сопоставимого с макрофагами более молодых мышей.

Это не означает, что исследователи нашли препарат «от старения».

CA77.1 здесь — экспериментальный инструмент для проверки биологического механизма, а не доказанная терапия для людей.

В модели фиброза лёгких эффект тоже оказался заметным

Авторы дополнительно исследовали идиопатический лёгочный фиброз — заболевание, при котором в лёгочной ткани накапливается избыточная соединительная ткань и нарушается её нормальная структура.

В человеческих образцах исследователи обнаружили признаки снижения CMA при лёгочном фиброзе. Однако эти данные в основном корреляционные: они показывают связь, но сами по себе не доказывают, что снижение CMA является причиной заболевания.

Затем исследователи вызвали фиброз лёгких у мышей с помощью блеомицина.

Активация CMA экспериментальным препаратом, особенно когда её начинали на ранней стадии модели, сопровождалась меньшим фиброзом и изменением маркеров сенесценции и воспаления.

Это усиливает аргумент в пользу CMA как потенциальной терапевтической мишени.

Но пока именно потенциальной.

Почему эта работа меняет взгляд на «зомби-клетки»

В исследованиях старения большое внимание уделяется сенолитикам — веществам, предназначенным для избирательного уничтожения сенесцентных клеток.

Новая работа предлагает посмотреть на проблему шире.

Если сенесцентные клетки накапливаются отчасти потому, что естественная иммунная система их удаления работает хуже, существует по меньшей мере два принципиально разных подхода.

Первый — попытаться уничтожить такие клетки извне.

Второй — восстановить способность организма распознавать и удалять их самостоятельно.

Эта работа не доказывает, что второй подход окажется эффективнее сенолитиков. Она вообще не сравнивала эти стратегии напрямую.

Но она показывает, что количество сенесцентных клеток — это баланс между их появлением и их удалением.

Именно этот баланс легко потерять из виду, когда старение представляют исключительно как постепенное накопление клеточного «мусора».

До лекарства для человека здесь ещё далеко

Главное ограничение исследования очевидно: основная причинно-следственная часть работы выполнена на клеточных культурах и мышах.

Авторы прямо указывают и другие ограничения. Основной клеточной моделью были фибробласты; большинство экспериментов запускали сенесценцию палбоциклибом; генетический метод выключения CMA в макрофагах мог затрагивать и другие миелоидные клетки. А данные из человеческих лёгких пока остаются корреляционными и требуют подтверждения у пациентов.

Поэтому из исследования нельзя заключить, что человек способен «активировать CMA» голоданием, диетой, БАДами или популярными средствами, обещающими усиление аутофагии.

Работа этого не проверяла.

Нельзя также утверждать, что повышение CMA уже доказано как способ замедлить старение человека или лечить возрастные заболевания.

Пока исследователи получили другое — более фундаментальное знание о механизме.

С возрастом может портиться не только то, что организм должен убрать.

Может портиться сама система уборки.