Хронологическое старение дрожжей

Хронологическое старение дрожжей — уменьшение со временем жизнеспособности дрожжей в культуре в стационарной фазе. Хронологическое старение является второй основной моделью старения одноклеточных организмов, помимо репликативного старения — уменьшения скорости клеточного деления с увеличением числа прошедших делений. Поскольку, в отличие от модели репликативного старения, которая оперирует клеточными делениями, хронологическое старение оперирует временем, эта модель кажется ближе к старению многоклеточных организмов. Однако в 2009 году было показано, что хронологическое старение дрожжей S. cerevisiae в основном обусловлено накоплением вредных метаболитов в культуре, то есть не является по сути старением непосредственно организма. Тем не менее, хронологическое старение одноклеточных организмов как модель для изучения механизмов старения в целом продолжает изучаться.

Явление хронологического старения дрожжей

Было показано, что в стационарной культуре дрожжей наблюдается увеличение смертности с течением времени. При этом было показано, что дрожжи не умирали от недостатка питательных веществ в среде или от истощения запасных питательных веществ. Дрожжи культивировали на питательной среде (SDC) и в воде, и средняя продолжительность жизни в воде была больше примерно в два раза (примерно 15 суток против 7, в зависимости от штамма). Это согласовалось с данными о том, что ограничение питания замедляет старение.

Измерение хронологической продолжительности жизни дрожжей

Технически исследование хронологической продолжительности жизни является очень простым и не требует микроманипуляций. Исследование основано на мониторинге культур миллионов клеток дрожжей, что позволяет изучать продолжительность жизни мутантов и проводить широкие генные, геномные и биохимические анализы.

В стандартном эксперименте дрожжи выращивают на полной синтетической среде (SDC) до тех пор, пока не наступает арест клеточного цикла в результате истощения питательных веществ. Большинство клеток перестают делиться через 2-3 дня после начала культивирования. Жизнеспособность обычно исследуется с помощью измерения числа колониеобразующих единиц (КОЕ). Измерения начинают на третий день культивирования и продолжают до тех пор, пока количество КОЕ не снизится до 1-5 % от начального количества.

Период, в течение которого в культуре дрожжей не наблюдается деление, может длиться несколько недель, в зависимости от штамма. При этом наблюдается постепенное увеличение смертности. После того, как почти все клетки умрут, может наступить период «адаптивного роста» — увеличение размера культуры в результате того, что мутации и, возможно, эпигенетические изменения сняли клеточный арест.

Молекулярные механизмы

Поскольку S. cerevisiae является очень удобным модельным организмом, проводилось много исследований, направленных на поиск генов, влияющих на скорость хронологического старения.

Понижение активности белка Sch9, протеин-киназы, вовлеченной в регуляцию клеточного цикла и роста в ответ на поступление питательных веществ, увеличивало хронологическую продолжительность жизни до трёх раз. Отсутствие гомолога Shc9 у мышей — S6K1 киназы — также приводит к увеличению продолжительности жизни мышей. Помимо этого, известно, что понижение активности различных белков IIS (инсулин/инсулин-подобный фактор роста) сигнального каскада (например, белка DAF-2 у C. elegans и D. melanogaster) приводит к увеличению продолжительности жизни. Таким образом, было сделано предположение, что увеличение продолжительности жизни может быть достигнуто путём инактивации сигнальных путей, связанных с поступлением питательных веществ и ростом, и, как следствие, активации «программы выживания».

В присутствии глюкозы Ras/PKA сигнальный путь вызывает активацию транскрипционной программы роста. Потеря функции одного из белков Ras2 или Cyr1 (аденилатциклаза, вовлечённая в этот сигнальный путь) приводит к увеличению хронологической продолжительности жизни дрожжей до двух раз.

Как и у большинства организмов, увеличение продолжительности жизни дрожжей связано, по-видимому, с увеличением устойчивасти к окислительному стрессу. Все долгоживущие мутанты дрожжей устойчивы к супероксид-генерирующим агентам менадиону и параквату. При этом для увеличения продолжительности жизни необходима активность митохондриальной супероксид-дисмутазы MnSOD.

Однако в 2009 году было показано, что основной причиной хронологического старения и смерти дрожжей в стационарной культуре является накопление в среде продукта метаболизма дрожжей — уксусной кислоты. Культивирование дрожжей на неферментируемой среде, ограничение питательных веществ и и перенос дрожжей в воду увеличивает продолжительность жизни дрожжей в результате уменьшения количества уксусной кислоты в среде. Также было показано, что делеции по генам SCH9 и RAS2 приводят к увеличению устойчивости к уксусной кислоте. Таким образом, по-видимому старение дрожжей в стационарной культуре не является старением организма.