КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-74-10123

НазваниеРоль сиртуинов в регуляции старения резидентных стволовых клеток человека

РуководительЛактионов Петр Павлович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2022 - 06.2025

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-210 - Молекулярная генетика

Ключевые словаСтарение организма, репликативное старение, мезенхимальные стволовые клетки, сиртуины, эпигенетические механизмы регуляции, метаболизм

Код ГРНТИ34.15.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Достижения современного здравоохранения позволили увеличить продолжительность жизни, в связи с чем все более актуальным становится сохранение активного долголетия. Старение резидентных стволовых клеток играет значительную роль в возраст-зависимом нарушении функций органов и тканей. Так, например, старение гемопоэтических стволовых клеток приводит к снижению репертуара клеток миелоидного и лимфоидного ряда, а старение мезенхимальных стволовых клеток сопровождаются дефицитом регенераторных способностей. В то же время обнаруживаются экспериментальные предпосылки, что коррекция тех или иных проявлений старения резидентных клеток может существенно замедлить старение органов и систем. Принимая во внимание развитие технологий регенеративной медицины, особенно актуальными становятся исследования молекулярных механизмов регуляции клеточного старения и разработка подходов, позволяющих воздействовать на его динамику. Одними из ключевых регуляторов метаболических процессов, ассоциированных с клеточным старением, являются белки сиртуины. Так, у человека белки SIRT1, SIRT3 и SIRT6 участвуют в регуляции процессов, нарушения в работе которых наблюдаются в ходе старения. Такие белки контролируют клеточный метаболизм, функции митохондрий, ремоделирование хроматина и реакцию на окислительный стресс. Изменение активности сиртуинов в клетках человека и модельных организмов является одним из характерных маркеров старения. В то же время накапливается большое количество данных о способности сиртуинов контролировать скорость старения клеток. Это делает белки семейства SIRT многообещающими мишенями для исследований в области терапии возраст-зависимых заболеваний. Применение технологий воздействия на динамику старения требует тщательного контроля биологических маркеров возраста. На текущий момент накоплено обширное количество данных, описывающих изменения эпигенетических детерминант, экспрессии генов и различных фенотипических свойств в ходе клеточного старения in vitro. Вместе с тем, можно отметить недостаток систематических критериев, позволяющих оценить репликативный потенциал клеток, стадию клеточного старения и текущее функциональную активность с использованием простого диагностического теста. В рамках представленного проекта предполагается разработка системы оценки стадии клеточного старения и ее применение для изучения возраст-зависимых особенностей клеточного старения мезенхимальных стволовых клеток (МСК). Будет осуществлен поиск наиболее релевантных критериев оценки биологического и эпигенетического возраста в первичных культурах МСК человека, полученных от доноров разного возраста и подвергнутых репликативному старению. Также будет проведено исследование влияния сиртуинов на метаболизм клетки, работу митохондрий, экспрессию генов, возраст-зависимые изменения структуры хроматина и его пространственной организации. Полученные результаты позволят приблизиться к пониманию ключевых эпигенетических факторов, задействованных в регуляции клеточного старения и, возможно, наметить подходы для модификации этого процесса.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет проведена оценка динамики изменения представленности пролиферирующих, апоптотических и стареющих клеток, а также других значимых параметров и маркеров, влияющих на динамику клеточного старения эмбриональных легочных фибробластов (ЭЛФ) и мезенхимальных стволовых клеток костного мозга (КМ-МСК) in vitro. Это позволит подробно охарактеризовать развитие фенотипа клеточного старения, разработать модель развития репликативного старения и подготовить критерии классификации стадий клеточного старения. Разработка такой модели для ЭЛФ даст возможность оптимизировать дизайн экспериментов по оценке репликативного потенциала и функционального состояния мезенхимальных стволовых клеток, полученных от доноров разного возраста. В дальнейшем будут получены и охарактеризованы коллекции первичных культур КМ-МСК человека, выделенных из здоровых доноров разных возрастных групп. На основании оценки ряда маркеров репликативного старения (иммуноокрашивание клеток на Ki-67, γH2AX, анализ экспрессии основных генов р53, p16ink4a, p21, оценка длины теломер, эпигенетический возраст) и структуры хроматина будет создана параметрическая модель, связывающая функциональное состояние и репликативный потенциал КМ-МСК с возрастом доноров. Подобная модель в перспективе может быть использована для диагностики функционального состояния стволовых клеток и в качестве системы оценки при анализе эффективности тех или иных воздействий, направленных на динамику развития старения, например для проведения скрининга фармацевтических препаратов, влияющих на процесс старения. Нами будет изучено влияние модуляции экспрессии сиртуинов (SIRT1, SIRT3, SIRT6 и др) на динамику клеточного старения. Для этого будут получены модифицированные клеточные линий КМ-МСК, в которых будет снижена, либо повышена экспрессии исследуемых генов. Будет проведено исследование динамики распределения гистоновых модификаций H3K27ac, H3K4me1, H3K4me3, H3K27me3 и H3K9me3 методом ChIP-seq и изучение пространственной архитектуры ядра в КМ-МСК методом Hi-C на разных стадиях клеточного старения в норме и в условиях модуляции сиртуинов. Полученные результаты позволят охарактеризовать динамику активации регуляторных элементов генома, таких как энхансеры, ассоциированные с развитием генетической программы старения, и перестройки архитектуры ядра, а также изучить их взаимосвязь с динамикой архитектуры хроматина, возраст-зависимым изменением паттерна метилирования, а также экспрессией генов. Все вместе это позволит получить подробное описание регуляторных событий, лежащих в основе генетической программы клеточного старения, а также изучить роль исследуемых сиртуинов в контроле этих процессов. Полученные результаты позволят комплексно охарактеризовать процесс репликативного и биологического старения, как на уровне фенотипических проявлений, так и на уровне лежащих в его основе эпигенетических механизмов регуляции. Полученные результаты будут опубликованы в виде 8 статей в научных журналах, а также будут использованы для подготовки обучающих материалов для студентов высших учебных заведений и войдут в квалификационные работы участников проекта.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Достижения современного здравоохранения позволили увеличить продолжительность жизни и повысили актуальность сохранения активного долголетия. Старение резидентных стволовых клеток играет значительную роль в возраст-зависимом нарушении функций органов и тканей. В то же время обнаруживаются экспериментальные предпосылки, что коррекция тех или иных проявлений старения резидентных клеток может существенно замедлить старение органов и систем. Принимая во внимание развитие технологий регенеративной медицины, особенно актуальными становятся исследования молекулярных механизмов регуляции клеточного старения и разработка подходов, позволяющих воздействовать на его динамику. Одними из ключевых регуляторов метаболических процессов, ассоциированных с клеточным старением, являются белки сиртуины, которые контролируют клеточный метаболизм, функции митохондрий, ремоделирование хроматина и реакцию на окислительный стресс, причем изменение их активности наблюдается при старении клеток человека и модельных объектов. Это делает белки семейства SIRT многообещающими мишенями для исследований в области терапии возраст-зависимых заболеваний. В рамках представленного проекта ведется изучение роли сирутинов в регуляции старения резидентных стволовых клеток человека. В ходе реализации первого года проекта была проведена культивация и банкирование культур клеток на различных стадиях старения. Были отработаны протоколы оценки разнообразных маркеров старения и определена их применимость для определения стадий и построения предиктивных моделей клеточного старения. Так, была проанализирована динамика изменения экспрессии генов, кодирующих ключевые белки-регуляторы, изучена динамика классических маркеров, таких как длина теломер, исследована зависимость пролиферативного потенциала и энергетического баланса от протяженности культивирования. Также была проведена оценка представленности маркеров пролиферации, повреждения ДНК и апоптоза, исследованы изменения структуры гетерохроматина и подобрана модель оценки эпигенетического возраста культур клеток на основе анализа паттерна ДНК-метилирования. С использованием алгоритмов машинного обучения нами также были подготовлены предварительные предиктивные модели, позволяющие определить пассаж клеточной культуры LF1 на основе распределения гистоновой модификаций H3K9me3 и маркера пролиферации Ki-67. Полученные данные и наработки позволяют приблизиться к разработке системы функциональной оценки стадии клеточного старения, приступить к непосредственному детальному изучению возраст-зависимых особенностей клеточного старения мезенхимальных стволовых клеток и роли сиртуинов в этом процессе.

Публикации