О вредных оксидантах и полезных антиоксидантах наслышаны все. Окислительный стресс, который вызывают активные формы кислорода, связан с механизмом многих заболеваний и, по наиболее популярной теории, служит причиной старения организма. Но оказывается, в малых дозах окислительный стресс полезен, поскольку тренирует организм и помогает справляться с большим стрессом, выяснили сотрудники Калифорнийского университета.
Окислительный стресс вызывают активные формы кислорода, которые вообще-то появляются в организме постоянно как побочные продукты метаболизма с участием кислорода (или аэробного дыхания). Но когда их становится слишком много, а это происходит при действии внешних повреждающих химических или физических агентов (ультрафиолетовая радиация, температура и прочее), они повреждают белки, ДНК, компоненты клеточных мембран. Когда клетки не могут с этим справиться, возникают различные заболевания.
Например, окисление липопротеидов низкой плотности служит причиной повреждения сосудов сердца. Окислительный стресс вносит вклад и в такие возрастные болезни, как паркинсонизм и болезнь Альцгеймера.
Долгое время считалось, что свободные формы кислорода несут исключительно зло, но в последнее время ученые столкнулись с тем, что в малых дозах они полезны. С ними организм получает как бы прививку и лучше справляется с последующими высокими дозами. Однако механизм этого явления оставался неясным.
Профессор биоинженерии и руководитель отдела генетики медицинского факультета Калифорнийского университета в Сан-Диего (Division of Genetics in the Department of Medicine at UC San Diego`s School of Medicine) Трей Айдекер (Trey Ideker), а также его коллега Райан Келли (Ryan Kelley) изучали это явление на дрожжах.
Исследователи подвергли клетки дрожжей действию умеренной дозы перекиси, а вслед за этим - действию высокой дозы. В контрольном эксперименте на клетках испытывали только высокую дозу перекиси водорода без предварительной "тренировки". Перекись водорода - один из важнейших повреждающих агентов при окислительном стрессе. Она легко разлагается на атомарный кислород и воду. В окружении органических молекул атомарный кислород практически моментально рвет первую попавшуюся связь, тем самым разрушая любую подвернувшуюся ему молекулу. И хотя в действительности процесс происходит намного сложнее, суть его от этого не меняется.
Чтобы обнаружить гены, отвечающие за адаптацию, ученые использовали 4831 генетическую линию дрожжей, в каждой из которых не работал какой-то один ген. Работать с таким количеством генетических разновидностей дрожжей ученым помог метод биологических микрочипов, в рамках которого тысячи образцов можно поместить в ячейки на одной плашке и параллельно проанализировать.
После того как клетки подвергали воздействию перекиси водорода, ученые оценивали их количество в пробах. Для определения количества клеток использовали показатель оптической плотности OD600 (если OD600 = 1, то в миллилитре содержится 109 клеток). В эксперименте все культуры выращивали до значения OD600, равного 0,6. Контрольная, необработанная группа дорастала до указанной плотности за 400 минут. Дрожжи, подвергавшиеся обработке высокой дозой, - за 700 минут. А если клетки предварительно тренировали низкой дозой перекиси, они вырастали до указанной плотности за 470 минут. То есть высокая доза замедляла рост клеток (поскольку при обработке погибала почти половина культуры), а предварительная адаптация к низкой дозе значительно снижала этот повреждающий эффект.
Проанализировав результаты во всех мутантных линиях дрожжей, ученые нашли множество генов, которые участвовали в клеточном ответе на высокую дозу перекиси (108 генов) и в адаптации к ней (156 генов). Из них 88 генов работали и там и там.
На следующем этапе ученые стали искать регулирующие факторы, включающие эти гены в случае необходимости. Они нашли три таких фактора - белки YAP1, SKN7 и MGA2, причем два первых ранее уже раньше были кандидатами на устойчивость к окислительному стрессу, а белок MGA2 ранее связывали с устойчивостью к гипоксии.
А затем они показали, что клетки дрожжей, в которых не работает один из этих трех генов - YAP1, SKN7 или MGA2, не могут адаптироваться к перекиси. В этих культурах погибает практически одинаковое число клеток, что без адаптации, что с адаптацией. Наиболее интересен для ученых оказался MGA2, поскольку он включал гены на самой первой стадии адаптации.
Эта работа имеет прямое отношение к другой, в которой изучалось влияние калорийности питания на продолжительность жизни. Пытаясь объяснить это явление, ученые сначала решили, что ограничение калорий замедляет скорость аэробного дыхания, которое служит источником активных форм кислорода. Но потом выяснилось, что дыхание при ограничении калорий усиливается, а значит, повышается и уровень активных форм кислорода.
Гипотеза адаптации парадокс объясняет. Умеренный окислительный стресс, возникающий при ограничении калорий, приспосабливает организм к последующему действию высокой дозы. То есть когда с возрастом активных форм кислорода становится много, тренированный на малых дозах организм с ними легче справляется.
"Возможно, именно адаптация к окислительному стрессу лежит в основе того, что ограничение калорий продлевает жизнь, - говорит Айдекер. - Этот механизм можно будет применить к моделям болезней и старения".
