Биоинформатики исследуют молекулярные механизмы старения
Исследовательская группа под руководством биоинформатиков Андреаса Келлера и Фабиана Керна из Саарского университета совместно с учёными Стэнфордского университета получила новые данные о проявлениях старения на молекулярном уровне. Они обнаружили, что процесс считывания генетической информации у пожилых особей протекает не так гладко, как у молодых.
Эти изменения в процессе транскрипции связаны с особыми молекулами РНК, которые влияют на активность отдельных генов и, таким образом, определяют, какие белки производит организм. Эти физиологические изменения могут оказывать огромное влияние на метаболизм организма. Исследование опубликовано в журнале Nature Biotechnology.
Группа учёных из Саарбрюккена и Стэнфорда изучала часть молекулярных механизмов, лежащих в основе старения. Команда под руководством Андреаса Келлера, профессора клинической биоинформатики Саарбрюккенского университета, исследовала органы мышей на протяжении всей их жизни и обнаружила, что количество экспрессируемых в органах малых некодирующих РНК (sncRNA) значительно различается в зависимости от возраста мышей.
«Мы определили ряд молекул РНК, количество которых увеличивается с возрастом, а также тех, чье присутствие значительно снижается», — сообщил Андреас Келлер.
Некоторые sncRNA специфически регулируют количество молекул матричной РНК (мРНК). Эти молекулы мРНК передают генетические инструкции, закодированные в геноме (ДНК), к аппарату синтеза белка клетки. По сути, они делают копии сегментов ДНК в клетке — процесс, известный как транскрипция. Таким образом, мРНК кодирует химическую схему, используемую для производства отдельных белков, которые, в свою очередь, контролируют большинство метаболических процессов организма.
«Если вы сравните ДНК организма с кулинарной книгой, содержащей все рецепты белков, то мРНК копирует отдельные рецепты, по которым затем создаются соответствующие "блюда" (белки)», — пояснила биотехнолог Виктория Вагнер, ведущий автор статьи. Но если молекулы мРНК блокируются другими РНК, процесс трансляции ингибируется, в результате чего белки больше не производятся.
«Если производство белка ингибировано, это влияет на метаболизм клеток и органов и в конечном итоге также повлияет на процесс старения всего организма», — объяснила Вагнер.
Исследовательской группе из Саарбрюккена удалось описать молекулярные сигнатуры и паттерны, связанные со старением. Некоторые из этих молекулярных сигнатур носят общий характер, то есть были обнаружены в каждом из изученных органов, другие оказались специфичными для отдельных органов.
«Одна конкретная молекула показала очень сильные эффекты в печени», — сказал профессор Андреас Келлер, чья команда в Саарбрюккене использовала биоинформатическое программное обеспечение для анализа огромных объёмов данных секвенирования. «Дальнейшие эксперименты показали удивительный результат: некоторые из задействованных механизмов обратимы — по крайней мере, на молекулярном уровне».
В будущих исследованиях биоинформатики планируют более внимательно изучить молекулы РНК и надеются, что их можно будет использовать для разработки маркеров старения для определённых органов. «Разрабатывая такого рода биомаркеры, мы надеемся иметь возможность наблюдать процесс старения у людей, анализируя их кровь», — сказал Келлер. Это может быть особенно интересным направлением, поскольку процесс старения по-прежнему является одной из основных причин многих наиболее распространённых заболеваний.
Потенциально это может открыть ряд других возможностей в биомедицине. «Мы знаем, что инфекционные заболевания иногда могут подвергать наши клетки огромному стрессу, и это может ускорять их старение», — сказал Фабиан Керн, руководитель молодёжной исследовательской группы в HIPS.
Керн, имеющий докторскую степень по биоинформатике, сыграл ключевую роль в разработке программных инструментов, использованных в исследовании, и объяснил значимость текущей работы следующим образом: «Используя новейшие методы и технологии машинного обучения, мы можем точно классифицировать различные молекулярные сигнальные пути. Из полученных знаний мы надеемся вывести новые подходы к разработке инновационных лекарственных препаратов и, таким образом, уже находимся на ранней стадии процесса открытия лекарств. В то время как обычные лекарственные средства действуют на уровне белков, наш подход предполагает целенаправленные изменения на уровне матричной РНК».