Новая методика раскрывает причины старения дрожжей

Ученые из Университета Гронингена разработали уникальный эксперимент для изучения старения дрожжевых клеток. Отслеживая молекулярные процессы в стареющих дрожжах, они обнаружили, что чрезмерная выработка белков, необходимых для создания новых белков, может быть первопричиной клеточных процессов, которые в итоге убивают клетки. Результаты опубликованы в журнале eLife.

Пекарские дрожжи широко используются для изучения старения. «Материнская клетка» может произвести около двадцати дочерних клеток примерно за четыре дня, после чего умирает. Но поскольку материнские и дочерние клетки смешаны в культуре, детально отследить процесс старения практически невозможно. Междисциплинарная группа под руководством профессора Маттиаса Хайнемана и доктора Лисбет Венхоф разработала эксперимент для решения этой проблемы.

Они присоединили железные шарики к дрожжевым клеткам, которые культивировали на нержавеющей сетке в колонке, помещенной внутрь сильного магнита. Поскольку дочерние клетки не наследуют железные шарики, их можно смыть постоянным потоком среды через колонку. Регулярно отбирая пробы из колонки, исследователи смогли получить динамическую картину процесса старения.

Сверхпродукция

«Мы проанализировали образцы на большое количество белков, а также транскриптов», — объясняет Хайнеман. Транскрипты — это копии генов, закодированных в ДНК, которые используются как шаблон для производства белков. Обычно количество транскриптов коррелирует с количеством производимого белка. Хайнеман: «Мы заметили, что по мере старения клеток эта корреляция исчезала для определенного набора белков». С самого начала дрожжевые клетки демонстрировали более высокое, чем ожидалось, количество рибосомных белков. Эти белки составляют белковые фабрики клетки. Лисбет Венхоф добавляет: «Затронутые белки являются интересными мишенями для вмешательства в процесс старения».

Это избыточное количество белков может быть вредным для клеток. «Оно увеличивает размер клетки, что является одним из признаков старения у дрожжей», — объясняет Хайнеман. Увеличенный размер клетки может ограничивать поступление питательных веществ и влиять на метаболизм. «Поскольку у нас есть динамические данные, мы можем показать, что сверхпродукция белков предшествует таким процессам, как увеличение размера клетки. Мы видим сверхпродукцию у очень молодых клеток, что указывает на то, что это первопричина старения».

Рибосомные белки

Почему это происходит? «Мы полагаем, что повышенная выработка рибосомных белков полезна для молодых клеток, — говорит Венхоф. — Это позволяет им быстро расти и созревать. Но эта программа роста каким-то образом продолжает работать и в итоге становится негативным фактором». Интересно, что известные вмешательства, увеличивающие продолжительность жизни, такие как ограничение калорий, вероятно, снижают производство белков.

Динамические эксперименты с дрожжами были непростыми. Помимо усилий, необходимых для проведения непрерывного эксперимента в течение четырех дней с круглосуточным отбором проб, анализ был сложным. «Не все дочерние клетки смываются, — объясняет Хайнеман. — И некоторые клетки умирают. Поэтому в нашей команде были математики, которые могли скорректировать наши данные с учетом присутствия старых, молодых и мертвых клеток». Полученный набор данных был очень большим, «как это типично для современной биологии», говорит Хайнеман. На генерацию и анализ всех данных ушло семь человеко-лет, но результатом стала динамическая перспектива молекулярного фенотипа старения.