Гигантская сейшельская черепаха Джонатан появился на свет, предположительно, в 1832 году — ещё при жизни молодого Чарльза Дарвина. Сегодня ему около 194 лет, и он считается старейшим известным ныне живущим наземным животным. Теперь его геном может помочь учёным разобраться, какие биологические механизмы позволяют некоторым организмам сохранять жизнеспособность на протяжении почти двух столетий.
Джонатан живёт на острове Святой Елены в Южной Атлантике, на территории резиденции губернатора. Он прибыл туда с Сейшельских островов в 1882 году уже взрослой черепахой. Несмотря на преклонный возраст и катаракту, из-за которой он практически ослеп, Джонатан сохраняет слух, интерес к пище и способность взаимодействовать с окружающими.
Исследовательская группа получила образец клеток слизистой оболочки его щеки и секвенировала ДНК. Результаты работы опубликованы в журнале Science Advances. Учёные обнаружили генетические варианты и особенности эпигенетической регуляции, которые могут быть связаны с необычайным долголетием черепахи.
«Природа уже нашла удивительные способы решения загадки старения, и геном Джонатана даёт представление о механизмах клеточной устойчивости», — заявил Стивен Кларк, основатель некоммерческого Фонда Каллела и один из авторов исследования.
Генетическая защита от старения
По мере старения организма в клетках накапливаются повреждения ДНК, меняется активность генов, а теломеры — защитные участки на концах хромосом — могут укорачиваться. Нарушения затрагивают и эпигенетические механизмы, которые регулируют активность генов, не изменяя саму последовательность ДНК.
Исследователи рассматривают старение в том числе как постепенное нарушение согласованности клеточных процессов. В геноме Джонатана обнаружили 287 уникальных генетических вариантов, связанных с различными механизмами старения. Среди затронутых процессов — восстановление ДНК, регуляция воспаления и инсулинового обмена, поддержание теломер и подавление опухолевых процессов.
Некоторые из выявленных особенностей могут помогать клеткам эффективнее устранять повреждения и поддерживать стабильность генома. Однако обнаружение генетического варианта ещё не доказывает, что именно он обеспечивает долголетие: для установления причинной связи потребуются дополнительные исследования.
Работа с образцом оказалась непростой. Ветеринар Джо Холлинс приманил черепаху свежей зеленью, после чего ненадолго открыл ей рот и собрал клетки с внутренней поверхности щеки. Процедуру требовалось провести быстро, чтобы избежать укуса мощным роговым клювом.
Полученный материал содержал короткие фрагменты ДНК и бактериальные примеси, поэтому восстановить геном было сложно. Для заполнения пробелов исследователи использовали генетические данные другой гигантской черепахи. В результате реконструированная последовательность примерно на 95% состояла из генетического материала Джонатана.
Забор крови, который мог бы обеспечить более качественный материал для секвенирования, не проводили из-за риска заражения. Поэтому результаты необходимо интерпретировать с учётом ограничений образца и реконструкции генома.
Митохондрии сохраняют молодость
Особый интерес вызвали результаты анализа метилома — совокупности химических меток, регулирующих активность генов. Один из ключевых механизмов такой регуляции — метилирование ДНК, при котором к определённым участкам молекулы присоединяются метильные группы.
С возрастом характер метилирования меняется. Некоторые участки теряют привычные метки, другие приобретают их в новых местах. Такая изменчивость может нарушать точность регуляции генов. Учёные используют понятие метиляционной энтропии для описания степени хаотичности этих изменений.
В целом эпигеном Джонатана демонстрировал повышенную метиляционную энтропию по сравнению с более молодыми черепахами. Однако в некоторых областях исследователи обнаружили необычно устойчивые паттерны метилирования.
Особенно примечательны регуляторные участки генов, связанных с митохондриальной дыхательной цепью и метаболизмом РНК. В этих областях метиляционная энтропия была относительно низкой. По оценке исследователей, профиль регуляции ряда генов, отвечающих за работу митохондрий, напоминал профиль пятилетней гигантской черепахи.
Митохондрии обеспечивают клетку энергией и участвуют в процессах, от которых зависит её устойчивость к повреждениям. Эффективная работа митохондрий может поддерживать энергетические потребности систем восстановления ДНК, а стабильная регуляция генов — способствовать сохранению клеточных функций.
Авторы предполагают, что эти процессы могут образовывать взаимосвязанную систему: стабильная работа энергетического обмена поддерживает восстановление клеток, а сохранение точной регуляции генов помогает организму дольше противостоять возрастным изменениям. Однако исследование выявляет связь между показателями, а не доказывает существование такого механизма во всех деталях.
Что общего у черепах, голых землекопов и людей-долгожителей
Джонатан — не единственное долгоживущее животное, которое помогает исследовать механизмы старения.
Голые землекопы способны жить более 30 лет, значительно превосходя по продолжительности жизни многих других грызунов сопоставимого размера. Они отличаются устойчивостью к некоторым видам рака и сохраняют ряд физиологических функций до глубокой старости. Исследования этих животных выявили особенности клеточной регуляции, устойчивости белков и механизмов защиты тканей.
Другой пример — гидры, у некоторых видов которых в лабораторных исследованиях не обнаружили обычного для многих животных возрастного роста смертности. Их способность к постоянному обновлению клеток может объяснять часть этой необычной устойчивости, хотя считать все виды гидр биологически бессмертными было бы преувеличением.
Гигантские черепахи также давно интересуют исследователей. В 2019 году учёные секвенировали геном Одинокого Джорджа — последней известной черепахи острова Пинта, умершей в возрасте около 100 лет. Анализ выявил особенности генов, связанных с восстановлением ДНК, иммунитетом и воспалением. Последующие сравнительные исследования разных линий черепах расширили представления о генетических механизмах клеточной устойчивости и защиты от опухолей.
Сходные вопросы возникают и при изучении людей, доживших до экстремально преклонного возраста. Например, генетические исследования женщины, умершей в возрасте 117 лет, выявили сочетание признаков накопленного клеточного повреждения и относительно благополучного состояния некоторых систем организма, включая митохондрии.
Эти наблюдения не означают, что у разных видов существует единый универсальный механизм долголетия. Скорее, они указывают на несколько потенциально важных направлений — восстановление ДНК, поддержание энергетического обмена, регуляцию воспаления и сохранение стабильной работы клеток, — которые могли независимо развиваться у разных долгоживущих организмов.
Можно ли перенести секрет долголетия в медицину
Джонатан прожил почти два столетия, но его долголетие нельзя объяснить только генетикой. На состояние организма могли повлиять питание, условия содержания, окружающая среда и ветеринарный уход. На протяжении большей части жизни черепаха находилась в относительно безопасных условиях, а её рацион включал свежие овощи и зелень.
Кроме того, исследование охватывает лишь одну исключительно долгоживущую особь и небольшую группу животных для сравнения. Поэтому пока нельзя установить, какие особенности генома Джонатана действительно способствовали его долголетию, а какие представляют собой индивидуальные различия.
Следующий шаг исследователей — расширить сравнительный анализ геномов и эпигеномов гигантских черепах и других долгоживущих видов. Это позволит проверить, встречаются ли выявленные закономерности у многих животных с большой продолжительностью жизни или они характерны именно для Джонатана.
В перспективе подобные исследования могут помочь определить молекулярные механизмы, которые стоит изучать при разработке методов профилактики возрастных заболеваний у человека. Однако превращение эволюционных особенностей черепахи в практические медицинские технологии потребует отдельных экспериментов и клинических исследований.
Главный вопрос заключается в том, что именно позволило Джонатану прожить почти два века: редкое сочетание генетических особенностей, устойчивость клеточных механизмов или многолетнее воздействие благоприятных условий? И если учёные научатся воспроизводить отдельные механизмы его клеточной устойчивости, смогут ли они продлить здоровую жизнь человека — или старение окажется слишком сложным процессом, чтобы управлять им с помощью нескольких генетических решений?
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
