Традиционно старение изучали преимущественно через активность генов: какие из них включаются, а какие со временем «замолкают». Однако между ДНК и готовым белком существует еще один важнейший этап — трансляция, когда клеточные «фабрики» — рибосомы — считывают молекулы РНК и собирают белки. Последние выполняют почти всю работу внутри клетки: образуют структуры, передают сигналы, запускают воспаление и ремонтируют повреждения.
Этот процесс имеет огромное значение для стволовых клеток кожи, которые постоянно обновляют эпидермис и помогают тканям восстанавливаться после повреждений. Ученым давно известно, что молодые стволовые клетки обычно работают в экономном режиме, синтезируя сравнительно мало белков. Это, как считается, помогает им сохранять молодость и способность к регенерации. Правда, проследить, как меняется производство белков в отдельных клетках стареющей ткани до сих пор не представлялось возможным.
Теперь ученые из Университета Цюриха (Швейцария) разработали технологию, которая позволяет наблюдать за работой рибосом в отдельных клетках кожи мышей. Метод получил название in-vivo single-cell ribosome profiling. Он основан на быстром «замораживании» процесса синтеза с помощью вещества, останавливающего движение рибосом по РНК. Последующий анализ молекул РНК позволил создать подробную «карту» синтеза белков.
Проанализировав почти две тысячи клеток эпидермиса, включая стволовые, клетки волосяных фолликулов и иммунные клетки, исследователи обнаружили, что разные типы клеток кожи используют систему синтеза белков по-разному. При этом у пожилых животных некоторые механизмы работы стволовых клеток заметно менялись.
Самыми неожиданными стали изменения в старых стволовых клетках. Выяснилось, что с возрастом резко усиливается синтез группы белков AP-1 — молекул, участвующих в реакции на стресс, воспаление и повреждение тканей. При этом уровень соответствующих молекул РНК почти не менялся. То есть клетки не производили больше генетических инструкций, а активнее использовали уже существующие для сборки белков. Значит, старение может регулироваться в том числе на уровне самой системы синтеза белка.
Внимание ученых также привлек белок JUN — один из ключевых компонентов AP-1. В старой коже его количество заметно возрастало именно в ядрах стволовых клеток. Аналогичная связь наблюдалась и в данных по коже человека: уровень JUN также возрастал с возрастом. Это, по мнению авторов научной работы, может означать, что стареющие клетки переходят в состояние хронического стресса и готовности к воспалительным процессам.
Исследователи также выявили обратный процесс: некоторые важные для нормальной работы кожи белки синтезировались хуже. Среди них оказался E-cadherin — молекула, помогающая клеткам прочно соединяться друг с другом. Ослабление ее синтеза потенциально может объяснить, почему кожа у пожилых хуже восстанавливается после повреждений.
Новый метод поможет изучать старение и другие процессы, связанные с нарушением синтеза белков, включая рак и нейродегенеративные заболевания. В будущем умение управлять этими механизмами может привести к созданию способов поддержания нормальной работы стареющих тканей. Результаты научной работы опубликованы в журнале Molecular Cell.