ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА РОЛИ ПЕПТИДОВ В СТАРЕНИИ

Аннотация:

Регуляция экспрессии генов в онтогенезе многоклеточных эукариот, помимо транскрипционных, осуществляется эпигенетическими факторами, управляющими высвобождением геномной информации в каждом клеточном делении. Большая часть сайтов связывания с транскрипционными факторами имеет транспозонное происхождение. Мобильные элементы являются также важными источниками некодирующих РНК, за счет чего осуществляется косвенное влияние на экспрессию генов и метилирование генома. В эволюции транспозоны служат важными источниками возникновения новых белков и белковых доменов. Обнаружено, что длинные некодирующие РНК и микроРНК могут транслироваться в функциональные пептиды. В то же время, транспозоны экс-прессируются в эмбриогенезе и сохраняют свою активность в стволовых клетках взрослых людей, что согласуется с транскрипцией некодирующих РНК. Исследование данных процессов может иметь ключевое значение в определении механизмов старения в связи с ролью мобильных элементов как источников некодирующих РНК, транслируемых в функциональные пептиды. Ключевые слова: длинные некодирующие РНК, микроРНК, мобильные элементы, пептиды, старение, транскрипционные факторы В управлении онтогенетическим развитием, помимо транскрипционных, важное значение имеют эпигенетические факторы. К ним относятся регуляция экспрессии генов некодирующими РНК (нкРНК), метилирование цитозиновых остатков CpG-динуклеотидов ДНК и модификации гистонов. Все три системы тесно взаимосвязаны. Большая часть геномов многоклеточных транскрибируется в нкРНК, к которым относятся микроРНК, piPHK, siPHK (малые интерферирующие РНК), lncРНК (длинные некодирующие РНК).Важными источниками данных нкРНК оказались транспозоны (МЭ — мобильные элементы): ДНК-транспозоны (в особенности MITE), LTR-содержащие ретроэлементы, LINE, SINE , являющиеся ключевыми компонентами управления эпигенетической программой развития . В ряде исследований выявлены закономерные тканеспецифические и стадиеспецифические активации МЭ, что согласуется с особенностями экспрессии нкРНК при дифференцировке клеток. Более того, активность МЭ сохраняется в зрелом возрасте в структурах ЦНС, имеющих ключевое значение в управлении всей программы онтогенеза. В частности, экспрессия транспозонов обнаружена в горячей точке взрослого нейрогенеза — зубчатой извилине гиппокампа , имеющей значение также в нейрогенезе гипоталамуса, гормоны которого имеют пептидную природу . В зубчатой извилине расположены стволовые нервные клетки , и полученные данные об активности МЭ в них согласуются с данными об экспрессии МЭ в эмбриональных стволовых клетках, способствуя их программированной дифференцировке . В связи с этим, можно предположить, что генетические изменения в стволовых клетках, сохраняющихся в зрелом возрасте, могут быть потенциальной причиной старения, на что указывает взаимосвязь гиппокампа с гипоталамусом, продуцирующим пептидные гормоны, управляющие эндокринной системой; изменения последней имеют ключевую роль в старении организма . Обнаружено, что гипоталамус имеет важное значение в развитии старения всего организма. В частности, у мышей замедление старения и увеличение продолжительности жизни достигается путем подавления связанной с возрастом активацией IKKбета/NF-kB в гипоталамусе или головном мозгу. IKKбета/NF-kB ингибирует GnRH (гонадотропин-рилизинг-гормон), вызывая связанное с возрастом снижение гипоталамического GnRH. Лечение при помощи GnRH восстанавливает измененный нейрогенез и замедляет старение . Можно предположить, что механизмы активации IKKбета/NF-kB с возрастом связаны с необходимостью поддержания нейронов в дифференцированном состоянии при достижении необходимого баланса экспрессии генов в процессе нейрогене-за стволовых нервных клеток. Данное предположение согласуется с новыми взглядами в отношении транспозонной гипотезы старения Кирквуда , согласно которой с возрастом при эпигенетическом дрейфе прогрессирующее снижение метилирования ДНК происходит, в основном, в последовательностях МЭ. В результате потери структуры гетерохроматина и гипоме-тилирования МЭ активируются и ведут к геномной нестабильности и дегенеративным процессам при инсерциях в функциональные области геномов . Согласно современным взглядам, в ходе эволюции выработались системы, направленные на поддержание стабильности генома с возрастом. В частности, выявлен стабилизирующий белок SIRT 6, являющийся мощным репрессором активности LI. SIRT6 связывается с 5'UTR элемента L1, приводя к его моно-АДФ рибозилированию ядерным корепрессорным белком КАР1 и облегчая взаимодействие КАР 1 с фактором гетерохрома-тизации ИР1альфа, тем самым способствуя упаковке элементов L1 в транскрипционно репрессированный гетерохроматин. Однако данный механизм может лишь в определенной степени замедлить прогрессирующие дегенеративные процессы, так как при старении и в ответ на повреждения ДНК происходит истощение SIRT6 из областей L1 . Не исключено наличие и других молекулярных механизмов, направленных на стабилизацию МЭ при достижении клеток дифференцированного состояния, так как активация МЭ, вероятнее всего, необходима для управления экспрессией генов стволовых клеток при формировании тканей и органов . В данном отношении механизм активации /ККбета/ NF- kB с возрастом может быть одной из таких систем, направленных на стабилизацию баланса экспрессии генов в дифференцированных клетках в глобальном масштабе. Предполагается, что пептиды способны взаимодействовать с двойной спиралью ДНК , что может быть условием для управления ими экспрессией генов. Подобный механизм лежит в основе саморегуляции нкРНК продуктами собственной трансляции, выявленной в недавних исследованиях . Так как МЭ играют важную роль в возникновении нкРНК , а нкРНК способны транслироваться в функциональные пептиды, можно предположить, что наследуемая активация МЭ служит источником гормональной регуляции. Исследования в данном направлении могут стать основой для перспективных работ в отношении возможной пептидной регуляции старения посредством воздействия эпигенетических факторов, в частности нкРНК или кодируемых ими пептидов. Транскрипционные факторы регулируют транскрипцию посредством их ДНК-связывающих доменов, которые связываются со специфическими участками ДНК регуляторных областей генов. Оказалось, что МЭ являются источниками половины активных регуляторных элементов в геноме человека, при этом транспозоны располагаются приблизительно в 44 % открытых областей хроматина. Тысячи последовательностей, произошедших из МЭ, активируются в определенных типах клеток, влияя на экспрессию соседних генов, специфичных для клеточного типа. МЭ внесли сотни тысяч новых регуляторных элементов в линию приматов и изменили ландшафт транскрипции генома человека . Предполагается, что видоспе-цифическое расположение МЭ и их производных формирует регуляторную структуру генома, способную управлять экспрессией генов в последовательных клеточных делениях в онтогенезе. В то же время, состав и расположение МЭ в геномах, как предполагается, может служить материальной основой эпигенетической наследственности . Таким образом, формируется логичная система координации всех регуляторных звеньев генома в динамических структурах, способных значительно меняться или стабилизироваться в эволюции благодаря чувствительности МЭ к стрессорным воздействиям . Регуляторная активация транспозонов в онтогенезе. Транспозоны являются важными источниками микроРНК животных и растений . В ряде работ выявлено множество микроРНК, произошедших из МЭ. Например в 2011 г. G. М. Borchert и соавт. выявили 2 392 микроРНК, произошедших из LTR, LINE, SINE и сателлитов с таксоноспецифической экспансией определенных семейств . В 2014 г. J. Gim и соав. обнаружили 1 494 новых микроРНК, произошедших из МЭ . У растений большая часть ранее аннотированных микроРНК идентичны или гомологичны транспозонам, сокращенно — TE-MIR . Мишени TE-MIR смещены к генам, не относящимся к МЭ, что указывает на приобретение ими клеточных функций во время эволюции.Транспозоны в богатых генами регионах формируют складки некодирующих частей транскриптов, способные эволюционировать в гены микроРНК или интегрироваться в белок-кодирующие последовательности для формирования потенциальных мишеней, являясь ресурсами для эволюции их взаимодействий с микроРНК . МЭ играют также ключевую роль в формировании доменов длинных нкРНК (lncРНК), около 83 % которых содержат больше одного фрагмента МЭ. Не менее 41 % функциональных доменов lncРНК непосредственно происходят из МЭ, образующих множество повторов, напоминающих домены белков . Учитывая важную роль МЭ в образовании нкРНК, а также в качестве источников последовательностей белок-кодирующихч генов и ре-гуляторных структур, можно предположить, что видоспецифические особенности расположения МЭ в геномах формируют основу для регуляции онтогенетического развития в последовательных клеточных делениях. Действительно, проведены многочисленные исследования, выявившие закономерные транспозиции МЭ не только в эмбриогенезе, но и во взрослых организмах (главным образом — в стволовых клетках). Причем в раннем эмбриогенезе активация МЭ является обязательным условием дальнейшего развития и дифференциации. О ключевой роли наследуемой активации МЭ и ассоциированных с ними нкРНК может говорить исследование J. Wang и соавт., выявившими /псРНК LincGET, связанную с эндогенными ретровирусами GLN, MERVL, ERVТС Данная /псРНК оказалась жизненно необходимой для эмбрионального развития мыши. Истощение LincGET вызывало полную остановку развития в поздней G2 фазе двуклеточной стадии с ингибированием сигнальных путей МАРК. Оказалось, что LincGET образовывало комплекс с белками ILF2, FUBP1, hnRNP-U, способствуя цисрегуляторной активности LTR в эндогенных ретровирусах . То есть в эмбриогенезе активация МЭ в ассоциации с нкРНК является наследуемым явлением и обязательным условием для дифференцировки клеток в целостный организм. При этом сами МЭ могут служить в качестве генов lncРНК, участвующих в видоспецифической регуляции дифференцировки эмбриональных стволовых клеток (ESC). Например, эндогенный ретровирус HERVH служит в качестве ядерной lncРНК, необходимой для поддержания идентичности ESC. Кроме того, HERVH связан с ОСТ4, коактиваторами и субъединицами Mediator. Полученные данные говорят о роли МЭ в качестве регуляторов онтогенетического развития. Головной мозг считается основной областью для экспрессии микроРНК. Гипоталамус является структурой ЦНС, играющей важную роль в интеграции сигналов из других областей, а также внешних, гормональных, метаболических и нейронных сигналов с периферии для обеспечения адекватного ответа. Для контроля гипоталамусом жизненно важных функций, таких как репродукция, энергетический гомеостаз, водный баланс, циркадный ритм и реакции на стресс, необходима высокая пластичность нейронов. В данном отношении микроРНК служат основными регуляторами и координаторами экспрессии генов. В ответ на специфические стимулы изменения в профилях экспрессии микроРНК точно настраивают специфические мишени мРНК для адекватного соответствия непосредственным потребностям, главным образом модуляции пластичности нейронов. В экспериментальных исследованиях на свиньях обнаружено 175 уникальных микроРНК в гипоталамусе, 37 из которых дифференцированно экс-прессируются в различные стадии развития гипоталамуса. Функциональный анализ показал, что дифференцированная экспрессия микроРНК в гипоталамусе разделяет многие биологические процессы, многие из которых тканеспецифичны .У мышей самые высокие уровни экспрессии микроРНК в гипоталамусе отмечены для miR-la, miR-lb, miR-124a, miRA25a, miR-136, miR -138, miR-212, miR-338, miR-451, let-7b. В нескольких исследованиях показана выраженная экспрессия miR-1 в гипоталамусе других грызунов и рыбы данио. В неонатальном периоде крыс и обезьян выявлено повышение уровня экспрессии let-7a, let-7b, miR-132, miR-145 в гипоталамусе при переходе из инфантильного к ювенильному периоду.В то же время, соматические ретро-транспозиции LINEA при нейрогенезе являются потенциальным источником генотипических вариаций среди нейронов. Выраженную активность LINE-1 поддерживает гиппокамп, где находится центр нейрогенеза и созревание стволовых нервных клеток. Например, при секвенировании одиночных клеток ретроэлементов (RC-seq) в нейронах гиппокампа, глии и коры головного мозга было выявлено 13,7 соматических инсерций L1 на один нейрон гиппокампа. Инсерции в нейронах гиппокампа особенно обогащали нейрональные стволовые клетки (NSC) и гены гиппокампа, увеличивая вероятность их функционального значения .Не исключено влияние данных процессов на формирование структур гипоталамуса в эмбриональном развитии. Так как активация L1 в последовательных клеточных делениях может быть сформированным в ходе эволюции механизмом управления экспрессией генов при дифференцировке стволовых клеток, должны существовать механизмы, обеспечивающие ингибирование активации МЭ при достижении клеток зрелого состояния со стабилизированным балансом экспрессии генов. К данным механизмам можно отнести функционирование стабилизирующего белка SIRT6 — мощного репрессора активности L1. Однако подобные системы стабилизации МЭ не являются совершенными, что логично с эволюционной точки зрения в связи с необходимостью поддержания оптимальной численности особей одного вида в определенных условиях существования. В данном отношении чувствительность SIR T6 к стрессу и его истощение в ответ на повреждение ДНК является удобной системой регуляции продолжительности жизни особей одного вида в эволюции . Действительно, поскольку естественный отбор способствует репродуктивной приспособленности, продолжительность жизни является селективным признаком, если она содействует репродуктивному успеху. Как следствие, продолжительность жизни на видовом уровне пластична — при благоприятных условиях обитания она максимизируется отбором, поскольку способствует более длительной репродукции. При неблагоприятных условиях продолжительность жизни уменьшается, но возрастает ранняя репродукция . В гиппокампе параллельно с активностью МЭ обнаруживается также специфическая экспрессия lncРНК, функционально вовлеченных в нейроге-нез. В частности, lncRNA2393 экспрессируется в стволовых нервных клетках зубчатой извилины, способствуя их распространению и дифференцировке , тогда как в зубчатой извилине обнаружены высокие концентрации инсерций МЭ. Предполагается, что транспозиции могут генерировать генетически гетерогенные подмножества функциональных нейронов . Так как гиппокамп является источником нейрональных стволовых клеток, в том числе в эмбриональном развитии при формировании структур головного мозга, можно предположить, что полученные данные применимы в отношении гипоталамуса, имеющего непосредственную связь с гиппокампом. Таким образом, активация МЭ, создающая уникальные транскриптомы отдельных нейронов, может быть основой эпигенетического программирования функционального подразделения отдельных структур LJHC, в том числе гипоталамуса. Пептидные гормоны гипоталамуса управляют многими звеньями эндокринной системы. В то же время, нейроэндокринные клетки гипоталамуса регулируются сигналами обратной связи от эндокринных желез и других циркулирующих факторов, а также афферентами из центров головного мозга . Изучение роли отдельных МЭ в пептидной регуляции функции гипоталамуса может быть ключом к выявлению механизмов старения, так как зачатки гормональной и пептидной регуляции клеточных взаимосвязей многоклеточных встречаются уже у прокариот. Бактерии способны чувствовать повышение плотности популяции и отвечать на него скоординированной регуляцией экспрессии определенных наборов генов во всей популяции бактерий. Данный специфический тип регуляции получил название Quorum Sensing (QS) и включает низкомолекулярные молекулы и регуляторные белки, являясь глобальным фактором регуляции экспрессии бактериальных генов. Например, у бактерий семейства Enterobacteriaceae QS функционирует с участием сигнальных молекул, включающих индол,N-ацетил-гомосеринлактоны и пептиды. Трансляции длинных некодирующих РНК в пептиды. Хотя до матричных РНК белок-кодирующих генов транскрибируется лишь 30 % генома, согласно данным крупных исследовательских проектов, не менее 75 % генома человека транскрибируется и большинство транскриптов можно классифицировать как LncРНК, которые регулируют транскрипцию, сплайсинг, деградацию РНК и трансляцию (рис. I) . В геномах всех исследованных многоклеточных эукариот выявлены тысячи генов LncРНК со сходными свойствами, даже у видов с относительно компактными размерами . LncPHK участвуют в таких важнейших процессах, как дифференцировка клеток, старение, циркадные часы, регуляция клеточного цикла и плюрипотентность. Подобно мРНК,LncРНК могут также взаимодействовать с микроРНК путем гибридизации с частично комплементарными последовательностями. Кроме того, некоторые микроРНК-связывающие LncРНК действуют как молекулярные губки, которые гасят эффекты микроРНК на их первичные мишени мРНК . Одной из причин старения может быть истощение SIRT6, выполняющих упаковку LINE Л в транскрипционно репрессированный гетерохроматин . В связи с тем, что МЭ, в том числе LINE Л, играют ключевую роль в формировании доменов Не исключено влияние данных процессов на формирование структур гипоталамуса в эмбриональном развитии. Так как активация L1 в последовательных клеточных делениях может быть сформированным в ходе эволюции механизмом управления экспрессией генов при дифференцировке стволовых клеток, должны существовать механизмы, обеспечивающие ингибирование активации МЭ при достижении клеток зрелого состояния со стабилизированным балансом экспрессии генов. К данным механизмам можно отнести функционирование стабилизирующего белка SIRT6 — мощного репрессора активности L1. Однако подобные системы стабилизации МЭ не являются совершенными, что логично с эволюционной точки зрения в связи с необходимостью поддержания оптимальной численности особей одного вида в определенных условиях существования. В данном отношении чувствительность SIR T6 к стрессу и его истощение в ответ на повреждение ДНК является удобной системой регуляции продолжительности жизни особей одного вида в эволюции . Действительно, поскольку естественный отбор способствует репродуктивной приспособленности, продолжительность жизни является селективным признаком, если она содействует репродуктивному успеху. Как следствие, продолжительность жизни на видовом уровне пластична — при благоприятных условиях обитания она максимизируется отбором, поскольку способствует более длительной репродукции. При неблагоприятных условиях продолжительность жизни уменьшается, но возрастает ранняя репродукция . В гиппокампе параллельно с активностью МЭ обнаруживается также специфическая экспрессия lncРНК, функционально вовлеченных в нейроге-нез. В частности, lncRNA2393 экспрессируется в стволовых нервных клетках зубчатой извилины, способствуя их распространению и дифференцировке , тогда как в зубчатой извилине обнаружены высокие концентрации инсерций МЭ. Предполагается, что транспозиции могут генерировать генетически гетерогенные подмножества функциональных нейронов . Так как гиппокамп является источником нейрональных стволовых клеток, в том числе в эмбриональном развитии при формировании структур головного мозга, можно предположить, что полученные данные применимы в отношении гипоталамуса, имеющего непосредственную связь с гиппокампом. Таким образом, активация МЭ, создающая уникальные транскриптомы отдельных нейронов, может быть основой эпигенетического программирования функционального подразделения отдельных структур LJHC, в том числе гипоталамуса. Пептидные гормоны гипоталамуса управляют многими звеньями эндокринной системы. В то же время, нейроэндокринные клетки гипоталамуса регулируются сигналами обратной связи от эндокринных желез и других циркулирующих факторов, а также афферентами из центров головного мозга . Изучение роли отдельных МЭ в пептидной регуляции функции гипоталамуса может быть ключом к выявлению механизмов старения, так как зачатки гормональной и пептидной регуляции клеточных взаимосвязей многоклеточных встречаются уже у прокариот. Бактерии способны чувствовать повышение плотности популяции и отвечать на него скоординированной регуляцией экспрессии определенных наборов генов во всей популяции бактерий. Данный специфический тип регуляции получил название Quorum Sensing (QS) и включает низкомолекулярные молекулы и регуляторные белки, являясь глобальным фактором регуляции экспрессии бактериальных генов. Например, у бактерий семейства Enterobacteriaceae QS функционирует с участием сигнальных молекул, включающих индол,N-ацетил-гомосеринлактоны и пептиды. Трансляции длинных некодирующих РНК в пептиды. Хотя до матричных РНК белок-кодирующих генов транскрибируется лишь 30 % генома, согласно данным крупных исследовательских проектов, не менее 75 % генома человека транскрибируется и большинство транскриптов можно классифицировать как LncРНК, которые регулируют транскрипцию, сплайсинг, деградацию РНК и трансляцию (рис. I) . В геномах всех исследованных многоклеточных эукариот выявлены тысячи генов LncРНК со сходными свойствами, даже у видов с относительно компактными размерами . LncPHK участвуют в таких важнейших процессах, как дифференцировка клеток, старение, циркадные часы, регуляция клеточного цикла и плюрипотентность. Подобно мРНК,LncРНК могут также взаимодействовать с микроРНК путем гибридизации с частично комплементарными последовательностями. Кроме того, некоторые микроРНК-связывающие LncРНК действуют как молекулярные губки, которые гаРНК (представлены в 83% их доменов) , а в некоторых случаях сами МЭ могут выступать в качестве генов LncРНК [38], можно предположить, что дерепрессия МЭ при старении вызывает дисбаланс в координированной работе LncРНК по регулированию работы генома, что неминуемо ведет к прогрессирующей дегенерации. Длинные нкРНК могут использоваться как составная часть рибонуклеопротеинов или самостоятельно, как рибозимы. Они, подобно белкам, обладают модульной организацией и состоят из дискретных доменов. Важную роль в этом играют МЭ, фрагменты которых в составе LncРНК используются в качестве доменов, связывающихся с ДНК, РНК и белками, что отражает значение МЭ в эволюции и распределении LncРНК в геномах . В геноме человека более 14 ООО генов LncРНК, при этом более чем в 2/3 зрелых транскриптов LncРНК выявляются МЭ и составляют значительную часть их генов. Выявлено выраженное межвидовое различие содержания МЭ в длинных нкРНК. Несмотря на то, Что /псРНК не содержат длинные или консервативные ORF, многие из них связаны с рибосомами и активно транслируются в функциональные пептиды, имея важное значение в эволюции белков de novo . Длинные нкРНК кодируют пептиды, стимулирующие или ингибирующие целевые гены у млекопитающих . Данное свойство позволяет предположить механизм развития функций гипоталамуса в эволюции за счет формирования генов, кодирующих важнейшие для регуляции онтогенеза пептиды, из МЭ, служащих поставщиками их ДНК-связывающих доменов. Предполагается возможность трансляции многих нкРНК с отбором наиболее оптимальных вариантов, участвующих в регуляции онтогенеза животных и растений в эволюции. Примерами пептидов, транслируемых из /псРНК, у растений являются участвующий в поглощении фосфатов пептид IPS 1, необходимый для симбиоза с бактериями пептид ENOD40, контролирующий чувствительность к фотопериодам мужскую стерильность пептид LDMAR, управляющие временем цветения через транскрипцию FLC пептиды COLDAIR И COOLAIR . У животных длинная нкРНК кодирует миорегулин — пептид, контролирующий эффективность работы мускулатуры. Данную функцию пептид осуществляет за счет непосредственного взаимодействия с кальциевой ЛГФазой саркоплазматического ретику-лума для управления поглощением кальция На мембране эндоплазматической сети мышц локализуется также пептид DWORF, транслируемый из LncРНК . Трансляция микроРНК в функциональные пептиды. Поиск новых биоактивных пептидов привел к открытию тысяч, ранее неаннотированных, коротких ORF (smORF) в геномах разных царств (животных, растений, бактерий). В результате оказалось, что функциональные гены, кодирующие smORF, составляют не менее 5-10% геномов. Некоторые из данных smORF имеют фундаментальное биологическое значение в кодировании пептидов. Классические биоактивные пептиды, нейропетиды, пептидные гормоны и SEP (smORF-encoded polypeptide) различаются по специфическим путям. Классические биоактивные пептиды образуются путем протеолиза более длинных препропептидов. Например, 29-амино-кислотный пептид глюкагон образуется путем протеолиза препроглюкагона длиной 180 аминокислот, дополнительная последовательность в котором содержит сигнальную часть, направляющую его через секреторный путь, где он подвергается протео-лизу до высвобождения из клетки. Биоактивные SEP производятся непосредственно путем трансляции на рибосоме smORF без протеолиза предшественника. Хотя это не исключает того, что некоторые SEP могут посттрансляционно модифицироваться и воздействовать на соседние клетки . Данный механизм имеет аналогию в отношении микроРНК, гены которых созревают из последовательностей МЭ, первоначально транскрибируемых в менее консервативные малые нкРНК (.siPHK). Можно предположить, что в эволюции сходным образом формируются классические биоактивные пептиды, когда в отборе сохраняются наиболее удачные варианты кодирующих их последовательностей, закрепляясь в динамичных регуляторных сетях генома, в формировании которых важное значение имеют МЭ. В данном отношении имеют значение дополнительные домены в препропептиде, определяющие особенности его функционирования и возможные взаимосвязи с эпигенетическими факторами. По аналогии, при-микроРНК являются удобными молекулами, содержащими как некодирующую регуляторную часть, так и транслируемую в функциональный пептид область. Интересно, что гормоны гипоталамуса, управляющие работой всей эндокринной системой человека, имеют пептидную природу. Первый из них, тиролиберин, оказался трипепти-дом. Соматолиберин состоит из 44 аминокислот, кортиколиберин — из 41. При этом обнаружено, что исходные гипофизотропные гипоталамические пептиды широко распространены по всей ЦНС с четкой локализацией. Например, гонадо-либерин синтезируется также в эпифизе, а нейропептиды экспрессируются и функционируют в тканях ЖКТ, в легких, сердце, кроветворной и иммунной системах . Обнаружено, что микроРНК могут транслироваться с образованием функциональных пептидов miPEP, которые увеличивают транскрипцию ассоциированных с ними микроРНК. При-микроРНК содержат smORF, выполняя как функцию предшественника некодирующей РНК, так и кодирование пептида. Например, у Arabidopsis thaliana pri-miR165a транслируется в пептид miPEP165a, у Medicago truncatula pn-mR171b — в miPEP171b. Данные пептиды усиливают образование соответствующих им зрелых микроРНК. Предполагается, что m'iPEP широко распространены у эукариот, по крайней мере у растений. Например, у Arabidopsis из 50 при-микроРНК выявляется не менее одной smORF, кодирующей пептид . Не исключено, что подобные механизмы саморегуляции существуют и у животных. Аналогией саморегуляции является способность микроРНК, произошедших из МЭ, ингибировать родительские последовательности МЭ как посттранскрипционно , так и воздействуя на транскрипцию путем взаимодействий с метилтрансферазами и гистоновыми модификаторами . При этом параллельно с ингибированием МЭ происходит регуляция других последовательностей, произошедших из МЭ (белок-кодирующие гены, регуля-торные структуры, сайты связывания с ТФ, инсуляторы). Не исключено, что miPEP также могут воздействовать на другие регуляторные механизмы, помимо собственных прекурсоров. Обнаружение miPEP подтверждает выводы о том, что многие микропептиды кодируются не-аннотированными smORF в некодирующих РНК . Подтверждения образования эндогенных miPEP были экспериментально получены при помощи репортерного анализа GUS, иммуноблота и определения сверхэкспрессии для miPEP171b и miPEP165a, профилированием рибосом для трансляции данных пептидов. Для идентификации miPEP при помощи вычислительного прогнозирования применяют методы биоинформатики, протеомики, профилирование рибосом и высокопроизводительное секвенирование РНК (RNA-seq) . Можно предположить эффективное применение miPEP и их аналогов в медицине, в частности для замедления дегенеративных процессов при старении. В клинической практике уже успешно применяют пептидные препараты с данной целью, выделенные из эпифиза . Однако современный подход по выявлению возможных miPEP или их искусственному синтезу, основанный на исследовании влияния на конкретные генетические и биохимические процессы, может дать более весомые клинические результаты. Кроме того, обнаружение miPEP говорит о возможном механизме действия применяемых в клинике пептидных препаратов путем активации определенных микроРНК, играющих роль в старении. При этом сами miPEP могут быть с успехом использованы для точного изучения функции ассоциированных с ними микроРНК. О возможностях данного метода и его эффективности говорят результаты применения miPEP в сельском хозяйстве. Так как miPEP повышают транскрипцию микроРНК, из которых они произошли, приводя к ингибированию целевых генов, они используются для исследования микроРНК. Полученные данные применяют на агрономических культурах для повышения урожайности и оптимизации агрономических характеристик сельскохозяйственных культур. Например, экзогенное воздействие синтетическим miPEP172c, стимулирующим экспрессию miR172c, приводит к стимуляции образования узелков в корневой системе сои. Увеличение количества узелков, являющихся органами для симбиотического взаимодействия с ри-зобиями, способствует повышению урожайности. Взаимосвязь некодирующих РНК и транспозонов в старении. В последние годы появляется все больше свидетельств роли lncРНК в связанных со старением молекулярных процессах . Так как МЭ, в том числе LINE-1, играют ключевую роль в возникновении и эволюции генов lncРНК , а дерепрессия МЭ считается важным фактором в старении , данные свидетельства оказываются логическим подтверждением роли МЭ в старении. Например, lncРНК TERC и TERRA оказывают влияние на хромосомную нестабильность и укорочение теломер, способствующее преждевременному старению. При диетическом ограничении выявлено участие специфических lncРНК в антивозрастных процессах . Некодирующие РНК связаны с ключевыми сигнальными путями TOR и Hippo, вовлеченными в регуляцию размера органа . Это доказывает их регуляторную роль в управлении генетической программой развития в онтогенезе. Например, lncРНК HOTAIR ингибирует SAV1, в результате чего активируется путь Hippo . МикроРНК тесно связаны с путями Hippo при опухолевой прогрессии. Сигнальные пути Hippo влияют на широко распространенный биогенез микроРНК, которые, в свою очередь, регулируют Hippo . Это один из примеров роли нкРНК в регуляции программы развития, действующий по принципу саморегуляции. Можно предположить, что, начиная с первого деления зиготы, содержащиеся в геноме МЭ способствуют активации и транспозиции видоспецифических и тканеспецифических для каждой стадии МЭ и нкРНК. Наследуемые перемещения и/ или активации МЭ, за счет регуляции некодирующими РНК, образуемыми при процессинге транскриптов МЭ, ведут к репрессии или активации других МЭ и белок-кодирующих генов, что, в свою очередь, при следующем клеточном делении, запускает каскад активации следующих транспозонов с изменением экспрессии новых генов. В результате последовательных реакций в каждом клеточном делении происходит дифференцировка клеток. Логично предположить, что для каждого вида животных и растений, характеризующегося своим содержанием МЭ, характерен каскад наследуемых активаций транспозонов, что отражается на особенностях фенотипических проявлений при развитии организмов. При этом в эволюции отбор регуляторных путей направлен в первую очередь на достижение половой зрелости и размножение, после чего давление отбора на адаптационное значение развившихся сетей взаимосвязей снижается, что ведет к прогрессирующему старению. В связи с этим при старении наблюдается дисбаланс в активации МЭ, ведущий к повышению вероятности развития генетической нестабильности. Принцип саморегуляции МЭ процессированны-ми продуктами собственной транскрипции, лежащий в основе управления программой экспрессии генов в онтогенезе, можно продемонстрировать на примере длинных нкРНК. Около 2/3 генома человека состоит из МЭ, при этом транспозоны являются основными факторами, способствующими рождению и диверсификации репертуаров lncРНК позвоночных. Не менее двух из трех транскриптов lncРНК содержат последовательности МЭ в составе большинства их зрелых транскриптов. Сохранение данных МЭ не случайно, а необходимо для управления биогенеза многих lncРНК в связи с формированием транспозонами уникальных сайтов для инициации транскрипции, сплайсинга и полиаденилирования. Механизмы, посредством которых МЭ могут напрямую влиять на функциональную активность lncРНК, были доказаны. Обогащение геномов млекопитающих транспозонами вблизи генов /псРНК также связано с их транскрипционной регуляцией. Происходящие из МЭ промоторы и энхансеры могут быть включены в регуляцию соседних генов хозяина. Например, около 10 % транскриптов lncРНК человека инициируется в LTR эндогенных ретровирусов, а многие зрелые lncРНК полностью состоят из последовательностей ERV .На организменном уровне существуют регуляторные центры, где можно продемонстрировать данный принцип, — примером является гиппокамп, в котором выявлена активация МЭ в зрелом возрасте , наряду с экспрессией lncРНК . Так как lncРНК могут транслироваться в функциональные пептиды, можно предположить, что данная сложная регуляторная сеть с участием МЭ, нкРНК и кодируемых ими пептидов может быть ключом к выяснению механизмов старения. Это связано с тем, что, как предполагается, гипоталамус может служить командным центром старения, в частности через механизмы взаимодействия /ККбета/ NF-kB с гонадолиберином . Действительно, помимо роли в возникновении новых белок-кодирующих генов, МЭ имеют важнейшее значение в возникновении их регуляторных сетей. В геноме человека обнаружено 280 ООО регуляторных элементов, составляющих около 7 мегабаз, возникших в результате инсерций МЭ. Данные элементы были кооптированы из SINE, LINE, LTR и ДНК-транспозонов . Регуляторное влияние МЭ на экспрессию генов можно продемонстрировать на примере эмбриональных стволовых клеток (ESC). Более сотен элементов HERVH/LTR1 продуцируют обильное количество lncРНК в ESC человека под контролем транскрипционных факторов ОСТ4 и NAN ОС. Данные взаимодействия лежат в основе программируемой дифференцировки клеток . Можно предположить, что тот же принцип лежит в основе эволюционного возникновения путей регуляции экспрессии белок-кодирующих генов, в возникновении которых (путем экзонизации МЭ , доместикации МЭ или их участков при дублировании генов ) важную роль в эволюции сыграли транспозоны. Роль транспозонов в происхождении белок-кодирующих генов МЭ способствуют белковому разнообразию за счет экзонизации инсертированных в интроны последовательностей. Чрезвычайно активными в данном отношении являются SINE, содержащие множество латентных сигналов сплайсинга.

Авторы:

Издание: Успехи геронтологии
Год издания: 2018
Объем: 11с.
Дополнительная информация: 2018.-N 1.-С.10-20. Библ. 56 назв.
Просмотров: 313