С возрастом клетки человека постепенно теряют способность эффективно вырабатывать энергию и реагировать на меняющиеся потребности организма. Ученые давно знают, что митохондрии, которые часто называют “энергетическими станциями” клеток, играют ключевую роль в этом процессе. Теперь исследователи из Института старения имени Лейбница (FLI) в Йене (Германия) выявили важный фактор, влияющий на этот процесс: мембранный липид, известный как фосфатидилхолин. Их результаты показывают, что снижение уровня фосфатидилхолина уменьшает гибкость митохондрий, ускоряя возрастное ухудшение их состояния. Исследователи также обнаружили, что поступление фосфатидилхолина с пищей помогало восстанавливать функцию митохондрий у стареющих лабораторных организмов. Результаты позволяют предположить, что некоторые аспекты биологического старения могут быть более поддающимися корректировке, чем считалось ранее.
Один из главных вопросов в исследованиях старения заключается в том, почему люди со временем теряют энергию и жизненную силу.
Митохондрии наиболее известны тем, что генерируют энергию, необходимую для функционирования клеток, но сейчас ученые понимают, что они делают гораздо больше. Эти структуры также помогают координировать коммуникацию внутри клеток, поддерживают адаптацию к изменяющимся условиям и регулируют многие процессы, необходимые для жизни. Они обеспечивают энергию, необходимую для движения, роста и восстановления тканей.
Хотя известно, что работоспособность митохондрий снижается с возрастом, причины этого постепенного ухудшения оставались неясными.
На протяжении многих лет исследователи подозревали, что основной причиной ухудшения работы митохондрий является генетическое повреждение внутри них. Однако новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, указывает на другой важный фактор.
Международная исследовательская группа под руководством доктора Марии Ермолаевой из FLI обнаружила, что нарушения в митохондриальной сети связаны с изменениями в составе мембран. В центре этого открытия находится фосфатидилхолин — один из наиболее распространенных липидов, встречающихся в биологических мембранах.
Фосфатидилхолин помогает мембранам оставаться гибкими и способными к реорганизации при необходимости. Эта гибкость особенно важна для митохондриального слияния — процесса, при котором отдельные митохондрии объединяются, образуя взаимосвязанные сети. Эти сети позволяют клеткам обмениваться и распределять жизненно важные компоненты, включая энергетические молекулы, продукты обмена веществ, ДНК и сигнальные соединения. Оставаясь связанными, митохондрии могут более эффективно балансировать ресурсы и заменять поврежденные части.
Исследователи обнаружили, что с возрастом выработка фосфатидилхолина естественным образом снижается. По мере снижения уровня фосфатидилхолина мембраны митохондрий становятся все более фрагментированными и дисфункциональными.
Когда команда отключила гены, участвующие в выработке фосфатидилхолина, у молодых червей, митохондрии быстро стали напоминать те, что обычно наблюдаются у гораздо более пожилых животных. Еще более поразительно то, что кормление червей фосфатидилхолином или его предшественником, холином, восстановило более молодую структуру митохондрий всего за два дня.
“Мы сами были удивлены тем, насколько сильно эта молекула влияет на структуру, связность и функции митохондрий”, — объясняет доктор Татьяна Полежаева, первый автор исследования.
То, что может показаться незначительным биохимическим изменением, способно иметь широкомасштабные последствия для всей клетки.
В здоровом состоянии митохондрии образуют высокодинамичную сеть, которая непрерывно адаптируется к меняющимся энергетическим потребностям. По мере старения эта сеть становится менее стабильной и менее эффективной. “Можно представить себе всю систему как тонко разветвленную энергосеть, которая с возрастом все больше повреждается: соединения разрушаются, а токи замирают. Хотя производство энергии продолжается, оно становится менее эффективным и устойчивым, и энергия больше не может распределяться гибко”, — объясняет Мария Ермолаева.
В результате клетки теряют то, что ученые называют метаболической пластичностью, — способность быстро адаптироваться к меняющимся энергетическим потребностям. Эта адаптивность важна не только для отдельных клеток, но и для тканей и целых систем органов. Снижение метаболической гибкости все чаще признается признаком старения и также связывается с такими заболеваниями, как диабет.
Чтобы изучить соответствующие механизмы, исследователи объединили несколько различных подходов. Исследование включало эксперименты на нематоде Caenorhabditis elegans, исследования с использованием культур человеческих клеток и анализ обширных клинических наборов данных. Команда изучила протеомические и липидомические профили, генетические вариации, активность генов и метаболические функции на разных стадиях старения человека.
Объединив эти наборы данных, ученые смогли связать молекулярные изменения, наблюдаемые в лабораторных моделях, с закономерностями, обнаруженными у людей. Экспериментальная проверка и анализ всего организма червей помогли выявить прямую связь между постепенными молекулярными изменениями и более общими процессами старения.
Результаты указывают на то, что старение митохондрий обусловлено не только накопленными генетическими повреждениями, но и возрастными изменениями в выработке липидов. Это расширяет современное понимание того, почему митохондрии со временем теряют эффективность, и подчеркивает динамику мембранных липидов как еще один важный фактор в процессе старения.
Исследование также показало, что старение может происходить не как один непрерывный процесс, а в виде отдельных этапов. Согласно данным, сначала в клетках наблюдается снижение стрессоустойчивости и нарушения гомеостаза белков — системы, отвечающей за поддержание стабильности белков. Затем следуют метаболические изменения, а эпигенетические изменения появляются позже.
Исследователи также наблюдали половые различия в липидном обмене. Данные метаболомики человека показали наиболее выраженное относительное снижение уровня фосфатидилхолина у женщин в период менопаузы.
“Это наблюдение особенно примечательно, поскольку оно совпадает с периодом, когда многие женщины отмечают значительное снижение уровня энергии и появление постоянной усталости”.
Возможно, самым значимым открытием стало то, что некоторые возрастные изменения митохондрий оказались обратимыми. Когда уровень фосфатидилхолина повышался у пожилых C. elegans, митохондриальные сети становились более стабильными, а выработка энергии улучшалась. Результаты указывают на то, что целенаправленные метаболические вмешательства могут помочь сохранить клеточную функцию и продлить период здорового старения.
“Наша работа показывает, что как старение митохондрий, так и более широкое системное старение, по крайней мере частично, поддаются изменению. Если мы поймем лежащие в основе процессы, мы, возможно, сможем принять целенаправленные меры противодействия”.
Потребуются дополнительные исследования, чтобы определить, могут ли эти открытия привести к разработке методов лечения для людей. Однако роль питания представляет особый интерес, поскольку определенные пищевые добавки могут способствовать поддержанию здоровья клеток в пожилом возрасте.
Исследователи отмечают, что прием добавок фосфатидилхолина оставался эффективным даже при начале приема в среднем или пожилом возрасте. В целом, полученные результаты смещают акцент с представления о том, что старение — это исключительно необратимый процесс ухудшения состояния, на возможность влияния на некоторые аспекты этого процесса, открывая новые пути для содействия здоровому старению.
Институт старения имени Лейбница — Институт имени Фрица Липмана (FLI). Пер.: PSYCHOL-OK.RU
