Дети с прогерией, редким заболеванием, вызывающим преждевременное старение, умирают в подростковом возрасте от болезней, характерных для восьмидесятилетнего возраста: сердечной недостаточности и инсульта. Кан Цао, доцент кафедры клеточной биологии и молекулярной генетики Мэрилендского университета, срочно хочет помочь найти лекарство. Цао и ее коллеги сделали большой шаг в этом направлении, продемонстрировав, что токсичный белок разрушает мышечные клетки внутри артерий пациентов. Исследователи подозревают, что поврежденные артерии готовы к отказу.
Исследователи провели свои эксперименты на гладкомышечных клетках, которые они создали с помощью генной инженерии. "Это дает нам очень хорошую модель для тестирования лекарств от прогерии," – сказал Цао, старший автор исследовательской статьи, опубликованной 19 мая 2014 г. в онлайн-издании «Слушания Национальной академии наук». "И это может помочь нам понять, как сердечно-сосудистые заболевания развиваются у людей, стареющих нормально."
Прогерия встречается крайне редко – во всем мире диагностировано около 100 пациентов – и всегда приводит к летальному исходу в раннем возрасте. Пациенты обычно умирают в возрасте около 13 лет. Заболевание трудно изучать, потому что пациентов очень мало, а их быстрое ухудшение в основном затрагивает внутренние органы. Это затрудняет отслеживание эффектов без инвазивного тестирования, от которого исследователи хотят избавить молодых пациентов.
До сих пор исследователи не знали, какие механизмы могут быть причиной смерти пациентов. Они знали, что генетическая мутация заставляет клетки пациентов вырабатывать прогерин, токсичную форму белка, который у здоровых людей формирует скелетную структуру ядер клеток. В предыдущих исследованиях Цао и другие обнаружили, что прогерин накапливается в клетках пожилых людей, предполагая, что он также связан с нормальным старением. Но до этого исследования влияние прогерина на гладкомышечные клетки было неизвестно.
Исследования на мышах с генно-инженерной формой прогерии показали, что животные потеряли большую часть гладкомышечных клеток в своих крупных артериях. Этот тип мышц, участвующих в непроизвольных движениях, находится в слизистой оболочке многих внутренних органов, включая кровеносные сосуды.
Команда Цао не смогла получить гладкомышечные клетки человека от пациентов с прогерией для своего исследования, потому что этот процесс был бы слишком инвазивным, поэтому они использовали индуцированные плюрипотентные стволовые клетки – взрослые клетки, перепрограммированные, чтобы вести себя как эмбриональные стволовые клетки и развиваться в различные типы клеток.
В первом исследовании прогерии исследователи индуцировали развитие клеток кожи пациентов с прогерией и нормальных взрослых в гладкомышечные клетки, а затем сравнили воспроизводство и распад здоровых клеток с теми же процессами в клетках, содержащих мутацию прогерии. Оба набора гладкомышечных клеток начали размножаться, но через две недели количество клеток прогерии выровнялось; столько клеток умирали, сколько воспроизводили. Исследователи обнаружили, что клетки прогерии накапливают токсичный прогерин и имеют аномально низкие уровни PARP-1, белка, который важен для восстановления повреждений клеток.
Цао объяснил, что клетки постоянно восстанавливают повреждения своей ДНК, и у них есть несколько способов выполнить свою работу. Когда одна цепь двойной спирали ДНК разрывается, клетки обычно используют неразрывную цепь в качестве шаблона для создания идеальной копии. PARP-1 должен распознавать разрыв и запускать этот процесс ремонта. В нормальных гладкомышечных клетках исследования именно это и произошло.
Но иногда клетка просто сращивает две разорванные нити ДНК вместе встык. Если две правые нити повторно соединяются, клетки возобновляют нормальное размножение, разделяясь с образованием двух новых дочерних клеток в процессе, называемом митозом. Но если ремонт неправильный, эти клетки не могут успешно разделиться.
В этом исследовании гладкомышечные клетки, созданные из клеток кожи пациентов с прогерией, с высоким уровнем прогерина и низким уровнем PARP-1, не использовали более точный метод восстановления. Вместо этого они соединили сегменты ДНК, которые оказались поблизости, и обычно ошибались в последовательности.
После неправильного ремонта эти клетки не могли равномерно разделить свое содержимое во время митоза. Некоторые клетки продолжали пытаться делиться и в конце концов умирали, пытаясь, в результате феномена, называемого "митотическая катастрофа." Другие не смогли разделиться и оказались одной клеткой с двумя ядрами.
Исследователи считают, что после потери такого большого количества гладких мышечных тканей артерии легко повреждаются механическими нагрузками, такими как артериальное давление, что делает их уязвимыми для отказов в виде ишемической болезни сердца или инсультов. Они проверит это на следующем этапе своих исследований и попытаются определить, почему клетки прогерии не используют лучший путь для восстановления повреждений ДНК. Они также планируют использовать гладкомышечные клетки, полученные из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, для тестирования новых методов лечения прогерии.
Цао, которая подружилась с некоторыми пациентами с прогерией, отвела свою исследовательскую группу, в которую входят три студента UMD, на семинар Progeria Research Foundation в 2013 году, где они встретились с пациентами с прогерией.
"Студенты начали думать: «Мои исследования так важны для семей.’Для них это большая мотивация," Цао сказал, "и большое давление на всех нас, чтобы мы работали быстро."